Двухкупольная теплица
TWO-DOME GREENHOUSE

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к выращиванию растений в теплицах, а именно к конструкции купольной теплицы с двойным каркасом.
Известна сферическая теплица в виде геодезического купола по патенту CN204860327, где каркас выполнен из оцинкованных труб, образующих треугольную сетку. Теплица устойчива к ветровым нагрузкам и удобна в применении, т.к. ее легко собрать и накрыть любым прозрачным материалом, например, полиэтиленовой пленкой. Недостатками конструкции теплицы являются теплопотери и сезонность использования.
Известна конструкция теплицы из двух куполов в виде сфер, расположенных одна в другой, которые жестко соединены арочными элементами, по патенту CN202310732. При этом растения можно размещать, как внутри теплицы, так и между куполами на склоне внутреннего купола. Теплица из двух куполов наиболее устойчива и выдерживает большие ветровые нагрузки. Недостатками конструкции теплицы являются теплопотери и сезонность использования.
Известен утепленный купол в виде надувных отсеков в двухслойной обшивке по сотовой ячеистой структуре, реализованный в Проекте Эдем — ботанический сад в графстве Корнуолл, в Великобритании (https://ru.wikipedia.org/wiki/Проект_«Эдем»). Геодезический купол имеет каркас из стальных труб, образующих шестиугольные рамы с наружными панелями из термопластика ETFE - этилентетрафторэтиленовых «подушек». Панели скреплены по периметру и наполнены воздухом, образуя таким образом большую воздушную подушку, предохраняющую оранжереи от потери тепла. Недостатком конструкции утепленного купола в виде надувных подушек является малый срок службы при эксплуатации его при наружных минусовых температурах, снегопадах. Это обусловлено тем, что по ребрам каркаса будут образовываться зоны промерзания, а подушкообразные ячейки будут способствовать снегозадержанию на поверхности. Использование такого покрытия при минусовых температурах снижает его износостойкость и ведет к теплопотерям.
Известна купольная теплица c многофункциональной двухслойной каркасной структурой по патенту CN108738914. В конструкции предусмотрены системы сохранения тепла и вентиляции. Наружный и внутренний каркасы соединены через промежуточный каркас, который служит для поддержки каркасов, что делает всю конструкцию более устойчивой. Данная купольная теплица является наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели. Недостатками конструкции купольной теплицы являются сложная система соединения каркасов, нестабильная система сохранения тепла при минусовых температурах, низкая износостойкость.
Предлагаемое изобретение решает техническую проблему по устранению указанных недостатков, а именно по стабильному сохранению тепла и повышению износостойкости, за счет конструкции наружного и внутреннего куполов теплицы.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении сохранения тепла при минусовых температурах в теплице, а также износостойкости наружного и внутреннего куполов теплицы.
Технический результат реализуется за счет следующих конструктивных особенностей. Заявленная двухкупольная теплица состоит из двух геодезических куполов – полусфер, где наружный купол выполнен из трубчатого каркаса с прозрачным износостойким покрытием, а внутренний купол подвешен к наружному при помощи подвесов, выполнен из стального троса при диаметре теплицы менее 12 м или оцинкованных труб при диаметре теплицы более 12 м, повторяет конструкцию наружного и имеет покрытие из прозрачных надуваемых секторов.
Наружный геодезический купол в виде полусферы представляет собой самонесущий силовой каркас из оцинкованной трубы с болтовым соединением на узлах схождения лучей - ребер, через шайбообразный соединитель - коннектор. Внешняя обшивка выполнена из прозрачной износостойкой пленки. Так как между куполами образован воздушный зазор, то это позволяет наружному куполу оставаться холодным в силу того, что нет перепада температур за счет удержания тепла внутренним куполом. В результате наружный купол не теряет прочностных характеристик.
Внутренний геодезический купол в виде полусферы является теплоизоляционным. Купол выполнен из 99% прозрачной пленки и состоит из треугольных отдельных автонадуваемых секторов, усиленных дополнительно в месте склейки швов, либо при диаметре теплицы менее 12 м стальным тросом 3-5 мм в ПВХ оболочке, либо при диаметре теплицы более 12 м прижимной полосой, прикрепляемой к трубчатому каркасу. Каркас внутреннего купола повторяет трубчатый каркас наружного купола и соединяется с ним на подвесах в местах вершин соединения ребер каркаса. Это дает дополнительную прочность самой купольной конструкции, так как при деформации каркаса наружного купола, каркас внутреннего купола будет дополнительно удерживать его на разрыв. Надуваемые воздухом сектора удерживают основное тепло в купольной теплице, отделяя его от наружного натянутого купола. В результате внутренний купол не соприкасается с внешней агрессивной средой, не имеет резкого перепада температур, что увеличивает его срок службы.
Двухкупольная теплица может содержать центральную опорную колонну. Центральная опорная колонна выполнена в виде фермовой балки, размещена в центре теплицы и служит дополнительным опорным механизмом центральной части купола, его макушки от продавливания, а также для возможного крепления уровневых перекрытий в теплице и для подъема на верхние уровни теплицы, как с помощью лестницы с одной стороны, так и лифтового механизма с противоположной стороны. Кроме того, наличие центральной опорной колонны и лифтовой системы позволяет без применения крана собирать каркас купола с его верхней части, собирая его сверху вниз, постепенно поднимая вверх по колонне с помощью лифтовой лебедки, что сделает возможным установку купольных теплиц в болотистой местности или местах с плывучим грунтом, а так же, на крыше зданий, без проведения рискованных высотных дорогостоящих работ.
Таким образом, конструктивное исполнение теплицы с двумя геодезическими куполами, где наружный купол отделен от внутреннего купола воздушным зазором, который предотвращает обмен температур между воздухом снаружи теплицы и внутри, при этом наружный купол накрыт износостойкой прозрачной пленкой, а внутренний купол образован надувными воздухом секторами, которые сохраняют плюсовую температуру внутри теплицы, позволяет обеспечить сохранение тепла при минусовых температурах и повысить износостойкость наружного и внутреннего куполов теплицы.
Следовательно, всей совокупностью указанных конструктивных особенностей реализуется указанный технический результат, заключающийся в обеспечении сохранения тепла при минусовых температурах в теплице, а также высокой износостойкости наружного и внутреннего куполов теплицы.
В свою очередь, размещение в центре теплицы центральной опорной колонны, как дополнительного конструктивного элемента для поддержания верхней части купола от продавливания, дает дополнительное удобство использования пространства теплицы и может упростить сборку теплицы.
Конструкция двухкупольной теплицы и ее сборка поясняется чертежами.
На чертежах Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4 показан вид теплицы в собранном виде с покрытиями и детально элементы конструкции теплицы, где:
1 – наружный каркас,
2 – внутренний каркас,
3 – подвес,
4 – ребро каркаса,
5 – коннектор,
6 – наружный купол из износостойкой прозрачной пленки,
7 – внутренний купол из прозрачных надувных секторов.
На Фиг.3 и Фиг.4 хорошо видны ребра (4) наружного каркаса (1), подвесы (3) между каркасами, коннектор (5) и надувные сектора внутреннего купола (7).
На чертеже Фиг.5 представлен вид коннектора (5) с присоединенными ребрами каркаса (4), где:
8 – болт,
9 – гаечное крепление подвеса.
На чертеже Фиг.6 представлен внешний вид коннектора.
На чертеже Фиг.7 представлен вид теплицы с центральной опорной колонной и с межуровенными перекрытиями, где:
10 – центральная опорная колонна,
11 – межуровенные перекрытия.
Изобретение двухкупольная теплица формируется и собирается следующим образом.
Наружный каркас (1) изготавливается из оцинкованной трубы в зависимости от проектируемого диаметра полусферы. Составным элементом в каркасе является ребро каркаса (4). Концы ребра каркаса (4) сплющиваются под прессом и на проектируемом расстоянии от конца ребра каркаса (4) производится сверление отверстия под болтовое крепление (8). Сплющенные края ребра каркаса (4) с отверстиями загибаются на 3-7 градусов для плотного соединения с шайбообразным коннектором (5). Зависимость диаметра трубы от диаметра основания геодезической купольной конструкции, а также количество элементов и размеры конструкции представлены в Таблице №1.
Таблица №1
n/n
диаметр сферы, м
диаметр основания, м
частота
часть сферы
высота от основания, метр
площадь основания, м.кв.
площадь покрытия, м.кв.
суммарная длинна ребер, метр
диаметр трубы, мм * толщина стенки
ветровая нагрузка
кол-во  ребер
кол-во коннекторов
1
4
3,94
V3
7/12
2,3
11,8
28,5
130
20*1,5
80-100 км/ч
165
61
2
5
4,92
V3
7/12
2,93
18,5
44,6
162
20*1,5
80-100 км/ч
165
61
3
6
5,92
V3
7/12
3,5
26
64
194
20*1,5
80-100 км/ч
165
61
4
8
7,74
V4
5/8
5
46
123
367
20*1,5
80-100 км/ч
310
111
5
10
10
V4
1/2
5
77
154
371
32*2
80-100 км/ч
250
91
6
15
14,92
V5
9/20
6,7
172
312
624
38*3
80-100 км/ч
350
126
7
20
20
V6
1/2
10
311
622
1104
48*3
80-100 км/ч
555
196
8
30
29,28
V7
11/28
11,7
669
1098
1520
60*3
80-100 км/ч
595
211
9
35
33,88
V8
3/8
13,1
897
1433
1934
76*3
80-100 км/ч
740
261
10
40
38,44
V9
13/36
14,5
1150
1810
2395
76*4
80-100 км/ч
900
316
Несущий наружный каркас (1) может собираться двумя способами:
1. Сборка с нижнего яруса. Ребра каркаса (4) в основании укладываются по кругу согласно маркировке на ребре, и по схеме сборки на свое место. Ребра каркаса (4) соединяются друг с другом через соединительный шайбообразный коннектор (5) с помощью болтов (8). Последующие ребра каркаса (4) присоединяются тем же способом согласно схеме сборки, продвигаясь снизу вверх рядами посредством строительных лесов, передвигаемых по кругу внутри наружного купола теплицы. Сборка может производиться одновременно несколькими парами, симметрично расположенных по окружности конструкции. Дойдя до макушки наружного каркаса (1) ребра каркаса (4) замыкаются и наружный купол приобретает свою проектную прочность.
2. Сборка с вершины. При данной сборке используется дополнительный подъемный механизм, это может быть автокран или центральная опорная колонна (10), как в нашем случае, с системой вертикального лифтового поднятия. Сначала собирается верхушка наружного каркаса (1) с его макушечного пятигранника. Затем он крепится к подъемному механизму и последующие ребра каркаса (4) присоединяются по кругу поясами при ступенчатом постепенном поднятии лифтом на центральной опорной колонне. В такой схеме сборки наружный каркас (1) купола сразу имеет расчетную прочность и при полной сборке опускается на основание.
Далее при диаметрах теплицы более 12 м производится сборка из оцинкованных труб внутреннего каркаса (2) купола по той же схеме и способом, что и наружный, со связкой каждого соединительного коннектора (5) внутреннего каркаса (2) с коннектором (5) наружного каркаса (1) через их центральные отверстия с помощью подвесов (3) в виде шпилек с болтовым соединением (8).
При малых диаметрах теплицы до 12 м внутренний каркас (2) купола выполняется из троса совместно с покрытием из надуваемых воздухом секторов внутреннего купола (7) и с помощью подвесов (3) в виде тросового соединения в местах схождения вершин образованных треугольников с коннекторами (5)  наружного каркаса (1) через их центральные отверстия с помощью болтового зажима (8).
После сборки наружного каркаса (1) производится монтаж внешней обшивки наружного купола (6), которая представляет из себя цельноспаянный полусферический прозрачный чехол повторяющий контуры наружного каркаса (1) для каркасов с диаметром до 16 м или состоящий из 6-ти элементов обшивки купола, при совмещении которых получается цельная оболочка  наружного купола (6), для каркасов с диаметром более 16-ти метров.
В качестве пленки могут быть использованы:
- пленка тепличная Terramic ш-14м.150 мкм, срок службы 6 лет, 5-ти слойная, низкая стоимость;
- пленка ПВХ от 100 до 2000 мкм толщиной – имеет максимальную прозрачность как у обычного стекла, менее морозоустойчивая, более дорогая по стоимости;
- пленка этилентетрафторэтиленовой (ETFE), используемая в архитектуре как самое долговечное покрытие со свето-пропускной способностью до 95% солнечного света и устойчивости к ультрафиолетовому излучению, агрессивным средам, высоким и низким температурам, с гарантированным сроком службы до 20 лет, высокая стоимость.
Крепление внешней обшивки наружного купола (6) производится в зависимости от материала с помощью тепличного профиля с замком, люверсованием по краю полотна и стяжкой на хомуты.
Исполнение внутреннего каркаса (2) при диаметрах купола менее 12 метров возможно из тросовой системы. Тросы в ПВХ оболочке впаиваются температурным вклеиванием в швы внутреннего купола из прозрачных надувных секторов (7) при его изготовлении. Таким образом, внутренний купол (7) с внутренним каркасом (2) являются единой конструкцией. Крепление внутреннего купола (7) и внутреннего каркаса (2) в таком случае осуществляется подвешиванием на подвесах (3) в виде тросов, выходящих из вершин образованных треугольников и соединенных в пучок с фиксацией п-образным болтовым хомутом.
При больших диаметрах внутреннего купола (7) более 12 м обшивка из прозрачных надувных секторов монтируется отдельно в каждый треугольник. Сектор внутреннего купола (7) состоит из двух треугольных пленок, склеенных по краям вместе, создавая герметичную подушку, в которой монтируется система соединительного сопла и через пластиковую гофротрубу сектора соединяются друг с другом. Закаченный воздух создает надувной сектор в виде раздутой подушки, что и обеспечивает основную теплоизоляцию. Подушка удерживается в треугольной ячейке на внутреннем каркасе (2) с помощью прижимной полосы по ребрам внутреннего каркаса (2).
Дополнительно в центре двухкупольной теплицы могут устанавливать центральную опорную колонну (10) в виде фермовой балки с межуровенными перекрытиями (11), которая обеспечивает поддержание верхней части купола от продавливания, а межуровенные перекрытия (11) дают дополнительное удобство использования пространства теплицы.
Двухкупольная теплица выдерживает ветровые нагрузки 80-100 км/ч, сохраняет тепло при минусовых температурах воздуха снаружи, на поверхности наружного купола не налипают  снеговые осадки, т. к. он холодный с обеих сторон, внутренний купол не соприкасается с наружным воздухом и теплопотери минимальные, т. к. зазор между куполами теплицы также удерживает тепло, внутри теплицы сохраняется тепло, достаточное для выращивания растений, при этом высокая изностойкость куполов, что увеличивает срок эксплуатации теплицы. Условия двухкупольной теплицы позволяет выращивать растения на аэропонике круглогодично в объемах больших, чем в обычных теплицах.
Пример 1
Рассмотрим конструктив геодезической двухкупольной теплицы диаметром 20 метров, высотой 10 метров, частотой V6, частью сферы ½, материалом несущего каркаса - оцинкованной трубы 48 мм с толщиной стенки 3 мм. Получаем площадь основания - 311.86 м² и площадь покрытия - 622.99 м², используем граней - 6 видов, 360 штук, ребер - 9 видов, 555 штук,  коннекторов - 6 видов, 196 штук. Суммарная длина ребер составляет 1120 м. Метод соединения ребер каркаса в вершинах заключается в сплющивание концов труб, сверление соединительного отверстия в них на необходимом по проекту расстоянии от края трубы и болтового крепления с металлической пластиной 5-ти или 6-ти конечной формы – коннектора с аналогичными отверстиями под болтовое соединение со сплюснутым концом трубы. Используем для покрытия наружной поверхности купола атмосферно устойчивый прозрачный ПВХ материал толщиной 1000 мкм. Цельная оболочка  наружного купола составляем из 6-ти элементов пленки, при совмещении которых и получается  единая поверхность, которую закрепляем с помощью хомутов через люверсы в нижней кромке к нижнему поясу трубчатого каркаса. Для покрытия внутреннего купола используем двухслойную прозрачную надуваемую обшивку, которую монтируем отдельно в каждый треугольник внутреннего трубчатого каркаса и фиксируем зажимной полосой к каркасу. Подвешиваем внутренний купол к наружному с помощью шпилек, которые закрепляются болтами в центрах коннекторов каркасов. В теплице устанавливаем центральную опорную колонну с межуровенными перекрытиями для размещения на них растений на аэропонике.
Данная теплица выдерживает ветровые нагрузки 80-100 км/ч, сохраняет тепло при минусовых температурах воздуха снаружи до -30°С, позволяет выращивать растения на аэропонике круглогодично.
Пример 2
Рассмотрим конструктив геодезической двухкупольной теплицы диаметром 4 метра, высотой 2.3 метра, частотой V3, частью сферы 7/12, материалом несущего каркаса - оцинкованной трубы 20 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Получаем площадь основания - 11.8 м² и площадь покрытия - 28.5 м², используем ребер - 3 вида, 165 штук,  коннекторов - 3 вида, 61 штука. Суммарная длина ребер составляет 130 м. Метод соединения ребер наружного каркаса в вершинах заключается в сплющивание концов труб, сверление соединительного отверстия в них на необходимом по проекту расстоянии от края трубы и болтового крепления с металлической пластиной 5-ти или 6-ти конечной формы – коннектора с аналогичными отверстиями под болтовое соединение со сплюснутым концом трубы. Используем для покрытия наружной поверхности купола атмосферно устойчивую прозрачную пленку тепличную Terramic толщиной 150 мкм, цельноспаянную в единую поверхность, и закрепляем ее с помощью тепличного профиля с замком к нижнему поясу трубчатого каркаса. Внутренний каркас выполняется из троса 3мм в ПВХ оболочке совместно с покрытием из надуваемых воздухом треугольной формы двухслойной прозрачной обшивки методом пайки в швы обшивки внутреннего купола при его изготовлении. Подвешиваем внутренний купол к наружному с помощью тросов, выходящих из вершин соединения треугольников, которые закрепляются в центрах коннекторов наружного каркаса болтовым зажимом. В теплице размещаем растения на аэропонике по всей внутренней поверхности теплицы, выращивая растения за счет размещения их в высоту.
Данная теплица выдерживает ветровые нагрузки 80-100 км/ч, сохраняет тепло при минусовых температурах воздуха снаружи до -30°С, позволяет выращивать растения на аэропонике круглогодично.