Режимы работы системы подпочвенного аккумулирования тепловой энергии в условиях Северо-Западной зоны России

Раздел 1. Растениеводство.

УДК 631.344.697.7

В. Н. СУДАЧЕНКО, канд. техн. наук;

А. Г. ГАНЮТА

РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ПОДПОЧВЕННОГО АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЗОНЫ РОССИИ

Рассматриваются возможные режимы работы системы подпочвенного аккумулирования тепловой энергии в пленочной теплице. Приводятся результаты экспериментов по аккумулированию солнечной энергии путем принудительной циркуляции воздуха через подпочвенный теплоаккумулятор.

В Северо-Западной зоне в необогреваемых рассадных сооружениях невозможно получить качественную рассаду в нужные сроки. Основным рассадным сооружением является обогреваемая пленочная теплица, которая эксплуатируется с марта по октябрь месяцы. Пленочные теплицы имеются в каждом хозяйстве, которое занимается выращиванием овощных культур. В Северо-Западной зоне Российской Федерации эксплуатируется около 270 га защищенного грунта, в том числе в Ленинградской области пленочные теплицы занимают 110,8 га, в Новгородской области - 6,2 га, в Псковской области -6,1 га. В отличие от зимних теплиц, в которых на 1 т готовой продукции расходуется 10-15 т у.т., пленочные теплицы являются более экономичными по капиталовложениям и энергопотреблению. Для обогрева пленочных теплиц используют различные, доступные для каждого хозяйства, способы обогрева. Обогрев может быть осуществлен за счет солнечной радиации, биотоплива, водой или паром от котельных, отходами тепла промышленных предприятий, электронагревательными установками [1].

Тепличное овощеводство является одним из наиболее энергоемких производств в сельском хозяйстве. В условиях СевероЗападной зоны РФ выращивание овощей и рассады требует больших затрат на обогрев пленочных теплиц (они составляют 30 - 50 % в структуре себестоимости продукции). Годовой расход тепловой

79

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 1999. Вып. 70.

энергии на 1 м2 весенних пленочных теплиц составляет 0,279 Гкал [1].

Как известно, традиционные (невозобновляемые) источники энергии являются сегодня основой мировой энергетики. Но в последнее время запасы энергетических ресурсов, в связи с темпами их расходования, катастрофически уменьшаются. При этом в первую очередь используются более дешевые источники энергии, следовательно стоимость энергии будет неуклонно возрастать. На сегодняшний день эта проблема является одной из наиболее важных. Чтобы ее решить, у нас в стране и за рубежом, ведется поиск новых, нетрадиционных, альтернативных (возобновляемых) источников энергии. К их числу относятся: солнечная, ветровая, геотермальная энергии и т.д. Из всех перечисленных видов энергии для отопления сооружений защищенного грунта в условиях Северо-Западной зоны наибольший интерес представляет солнечная энергия. При этом используемый источник энергии (солнце) не имеет недостатков традиционных источников: он вечен и его использование не вызывает загрязнения окружающей среды.

В Северо-Западной зоне РФ в весенне-осенний периоды продолжительность светового дня достаточно велика, но в условиях данной зоны необходимо учитывать неравномерность поступления солнечной энергии в течение суток, а также зависимость от состояния атмосферы. Поэтому при обогреве теплиц солнечным теплом целесообразно иметь в системе обогрева подпочвенный теплоаккумулятор для аккумулирования тепловой энергии.

В ходе поисковых исследований были получены материалы, анализ которых показал, что для поддержания оптимального температурного режима в пленочной теплице из всех средств подпочвенного аккумулирования тепловой энергии солнца лучшей является следующая система обогрева. В качестве основного обогрева, в данной системе, предусматривается обогрев за счет солнечной радиации. Дополнительным обогревом может служить традиционный источник энергии, например, "внепиковая" электроэнергия, который практически безинерционный и способен автоматически поддерживать заданную температуру. Основными элементами системы обогрева, в этом случае, являются: подпочвенный теплоаккумулятор с заложенными

80

Раздел 1. Растениеводство.

внутри него дренажными керамическими или перфорированными трубами из полиэтилена высокой плотности и электрические тепловентиляционные агрегаты. Полиэтиленовые трубы соединяются через коллекторы с электрическими тепловентиляционными агрегатами, установленными внутри теплицы.

Подпочвенный теплоаккумулятор выполняется из аккумулирующего материала, в качестве которого можно использовать местные материалы, такие, как гравий, щебень, бутовый камень и отходы керамического производства. При выборе материала для аккумулирования теплоты исходим из условий применения наиболее дешевых и широко доступных материалов, обладающих достаточно высокой теплоемкостью, какими являются, в основном, строительные материалы. Но они на сегодняшний день являются дорогостоящими, поэтому целесообразно использовать отходы, получаемые в виде пустых пород при добыче сланцев или фосфоритов. Теплофизические характеристики материалов широко распространенных на территории Северо-запада России приведены в таблице [2].

Теплофизические характеристики материалов

Материал Темпе- ратура, 0С Плот- ность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/

Асфальт 0-30 2120 0,6-0,74 1,70

Базальт - 2800 3,50 0,92

Бетон: с каменным щебнем 20 2000 1,30 0,84

с кирпичным 20 1900 1,20 0,84

Бутовый камень 0 2000 1,28 0,88

Гравий 20 1840 0,36 0,95

Гранит - 2720 2,20 0,92

Известняк- ракушечник 20 1400 0,64 0,92

Кирпич: красный 0 1800 0,77 0,88

силикатный 0 1900 0,81 0,84

81

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 1999. Вып. 70.

Продолжение таблицы

Материал Темпе- ратура, 0С Плот- ность, кг/м3 Теплопроводность, Вт/

Сланцы: глинистые 2430 0,84 1,00

углистые - 1760 1,33 1,00

хлористые - 2690 1,28 1,00

Шлакобетон 0 1500 0,67 0,75

Анализ теплофизических характеристик показывает, что наибольшей удельной теплоемкостью обладают сланцы (С=1,0кДж/(кг-К)), известняк-ракушечник (С=0,92кДж/(кг-К)), гранит (С=0,92кДж/(кг-К)), гравий (С=0,95кДж/(кг-К)), базальт

(С=0,92 кДж/(кг-К)) и особенно асфальт (С=1,7 кДж/(кг-К)). Для лучшего теплообмена с воздухом, проходящим в аккумуляторе, этот материал должен иметь большую активную поверхность. К таким относятся гранитный щебень, гравий и сланцы.

В Российской Федерации, согласно действующим “Нормам технологического проектирования ОНТП-СХ.10-81” [3], предусмотрены три режима работы систем обогрева, формирующих температурный режим теплиц.

1. Дневной режим, при непрерывном воздействии солнечной радиации.

2. Дневной режим, при недостаточной интенсивности солнечной радиации (облачность).

3. Ночной режим.

Рассмотрим эти режимы применительно к системе подпочвенного аккумулирования тепловой энергии в пленочной теплице.

1. Дневной режим, при непрерывном воздействии солнечной радиации.

В данном случае, чтобы избежать перегрева растений, необходимо понизить температуру воздуха в теплице на несколько градусов. Для этого используем подпочвенный теплоаккумулятор. Вентиляторы агрегатов, забирая скопившийся в верхней зоне теплицы нагретый солнцем воздух подают его по полиэтиленовым рукавам в

82

Раздел 1. Растениеводство.

подпочвенный теплоаккумулятор, тем самым увеличивая на несколько градусов температуру почвы.

2. Дневной режим, при недостаточной интенсивности солнечной радиации (облачность).

В этом случае система работает так же, как и в первом случае, но при недостатке тепловой энергии в работу включается традиционный источник, в качестве которого возможно использовать электроэнергию, потребляемую в часы провала графика нагрузки электрической сети по льготному тарифу.

3. Ночной режим.

В этом режиме возможно переохлаждение растений. Чтобы этого избежать, воздух из под шатрового пространства подается в разогретый подпочвенный теплоаккумулятор, нагревается и поступает обратно в теплицу. При недостатке накопленной в течение дня тепловой энергии для обогрева теплицы ночью, так же, как и во втором случае, она восполняется за счет тепловой энергии от традиционного источника энергии, в качестве которого можно использовать электроэнергию, потребляемую в часы провала графика нагрузки электрической сети по льготному тарифу.

На рисунке 1 показаны изменения заданной температуры воздуха (Т) в теплице за сутки (по результатам обобщения материалов литературных источников). На нем выделены следующие периоды:

- до времени ti - “ночь”, когда температура воздуха в теплице поддерживается на постоянном минимальном уровне T1;

- от времени t1 до t2 - переход “ночь - день”, когда температура воздуха в теплице повышается до значения Т2 , соответствующего минимальному уровню освещенности, (“минимальная дневная температура”);

- от времени t2 до t3 - “день”, когда температура воздуха в теплице поддерживается в зависимости от освещенности в пределах Т2-Т3, (Т3 - максимально допустимая температура воздуха - “максимальная дневная температура”);

- от времени t3 до t4 - переход “день - ночь”, когда температура воздуха в теплице снижается до значения Т2 , на котором и поддерживается в течение режима “ночь”.

83

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 1999. Вып. 70.

Т , 0С Тз Т2

Т1

“ночь” переход “день” переход “ночь “

“ночь-день” “день-ночь”

+

ti t2 t3 t4 t, ч

Рис.1. Изменение заданной температуры воздуха в теплице за

сутки

Скорости температурных переходов задаются из условия исключения выпадения конденсата на листьях и плодах растений [3, 4]. Требуемая влажность в теплице обеспечивается за счет полива почвы и увлажнения воздуха (при необходимости ее повышения) и ограниченного повышения температуры обогревательных приборов для ее снижения.

Для создания оптимального температурного режима в теплице необходимо определить мощность теплоаккумулирующей системы, а также ее параметры.

В инженерной практике задачу определения тепловой мощности системы обогрева теплицы сводят к так называемому худшему случаю: расчет ведут для ночного режима эксплуатации, соответст-

84

Раздел 1. Растениеводство.

вующего наиболее тяжелым температурным условиям [5]. Уравнение теплового баланса в этом случае имеет вид:

боб = бв + бп = богр + бвент + бгр ,

где Q„ - тепловой поток обогревающий воздух

теплицы, Вт; бп - тепловой поток от подпочвенной системы обогрева, Вт; богр - поток тепла, теряемого через ограждения теплицы, Вт; б - поток тепла, теряемого на естественную вентиляцию теплицы, Вт; б - поток тепла, теряемого в окружающий грунт, Вт.

Первая составляющая теплового баланса:

богр = kF

где к - коэффициент теплопередачи через светопрозрачное покрытие теплицы, Вт/(м2 0С); F - площадь светопрозрачного ограждения, м2; 1;в - расчетная температура воздуха внутри теплицы, 0С; tK - расчетная температура наружного воздуха, 0С ( для пленочных теплиц, эксплуатируемых весной, летом и осенью, tK равна средней температуре наиболее холодного месяца за период эксплуатации, сниженной наполовину максимальной суточной амплитуды температуры воздуха ).

Вторая составляющая уравнения (1):

бвент = 0,278^ - tH )m ,

где V - внутренний объем теплицы, м3; p - плотность наружного воздуха при t„, кг/ м3; c - массовая изобарная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг-°С); m - кратность воздухообмена, ч-1.

При затруднении в оценке значения кратности воздухообмена можно пользоваться приближенным соотношением для теплиц:

бвент = 0,15богр .

Третья составляющая уравнения (1) - потери тепла в окружающий грунт:

бгр =Х F У бв.гр - бгр ) ,

где Fi - площадь участка почвы теплицы, соприкасающегося с окружающим грунтом, м2; У - коэффициент теплопроводности участка почвы теплицы, соприкасающегося с окружающим грунтом,

85

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 1999. Вып. 70.

Вт/(м2-°С); Si - толщина почвы участка теплицы, соприкасающегося с окружающим грунтом, м; 1вгр. - температура грунта внутри теплицы на глубине расположения труб, 0С; t™ - температура наружного грунта, С.

Найденное по формуле (1) значение расчетной тепловой мощности системы обогрева Qo6 делят между системами подпочвенного Qn и воздушного Q обогрева в определенном соотношении.

Исходя из значения расчетной тепловой мощности, можно определить параметры теплоаккумулирующей системы.

Энергия, затраченная на обогрев, определяется по формуле:

W = 360QQo6,

где t - время обогрева теплицы, ч; Q - расчетная тепловая мощность системы обогрева, кВт.

Масса материала подпочвенного теплоаккумулятора:

W

c

m =

где с - теплоемкость теплоаккумулирующего материала, кДж/(кг-°С); , t^n - максимальная и минимальная температуры

нагрева теплоаккумулирующего материала, 0С.

Объем материала теплоаккумулятора определяется по формуле:

где p - плотность теплоаккумулирующего материала, кг/ м3.

С учетом воздушных каналов, на которые отводится примерно 15 % объема, реальный объем теплоаккумулятора составляет:

V = V + 0,15V.

Далее из учета объема принимаются габаритные размеры теплоаккумулятора.

Как показал анализ литературных источников, по сравнению с другими системами обогрева, данная система может иметь существенные преимущества [6]:

1) постоянная готовность системы обогрева к работе;

86

Раздел 1. Растениеводство.

2) большая скорость разогрева;

3) высокая равномерность распределения температуры по ширине и длине обогреваемого участка;

4) возможность создания полностью автоматизированной системы обогрева, способной с достаточно высокой точностью поддерживать заданный температурный режим в зоне корнеобразования;

5) отсутствие загрязнения окружающей среды.

Использование системы с подпочвенным аккумулированием

солнечной энергии возможно только в местах с глубоко залегающими грунтовыми водами, но это ограничение не существенно, поскольку тепличные хозяйства строятся, как правило, на возвышенной местности.

В СЗНИИМЭСХ создана опытная установка и проведен предварительный эксперимент. Для проведения эксперимента взяли две пленочные теплицы (“контрольная” и “опытная”) размером F=2,4X5,2 м, высотой 2,65 м, разбитые внутри на две гряды шириной 0,8 м с проходом по середине шириной 0,8 м.

В “контрольной” теплице обогрев осуществляется только за счет солнечной радиации, другие виды обогрева отсутствуют.

В “опытной” теплице была применена система обогрева с

подпочвенным аккумулятором солнечной (тепловой) энергии. Внутри “опытной” теплицы предварительно вынули грунт на глубину 0,7 м. На дно образовавшегося котлована засыпали слой песка толщиной 0,1 м, затем слой гранитной щебенки толщиной 0,5 м и снова слой песка толщиной 0,1 м. В слой щебенки на каждую гряду уложили по две трубы диаметром 54 мм из твердого полиэтилена низкой плотности, сделав предварительно в каждой трубе по всей длине перфорационные отверстия диаметром 15 мм. Шаг перфорации - 250 мм. Трубы укладывали в гравийную подсыпку отверстиями вниз. По торцам экспериментальной теплицы сделаны приямки шириной 0,4 м с таким расчетом, чтобы был свободный доступ к торцам труб. Один торец

87

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 1999. Вып. 70.

каждой трубы закрывается заглушкой, а на второй торец крепится гибкий рукав. Оба рукава изготовлены из прозрачной полиэтиленовой пленки, соединены в один общий рукав диаметром 150-200 мм, который проложен под коньком кровли теплицы. По всей длине рукава выполнены перфорационные отверстия диаметром 50 мм, расположенные с переменным шагом 100, 150, 250 мм, начиная с торца рукава.

Вентилятор, отсасывающий теплый воздух из-под конька теплицы, устанавливается непосредственно в рукаве у самого разветвления. Тип вентилятора УВО-2,8-8,5, напряжение электрической сети 380/220В, частота 50Гц, производительность 280 м3/час, напор Н=85 Па, потребляемая мощность 40 Вт.

Температура воздуха и почвы в теплице измеряли датчиками температуры марки ТСМ и регистрировали на диаграммную ленту прибора КСМ - 09. Запись температурных режимов велась круглосуточно в обеих теплицах с апреля по октябрь месяц включительно в дни наиболее низких температур наружного воздуха.

По полученным результатам опытных данных (рис. 2) видно, что данная установка позволяет обеспечить понижение температуры воздуха в зоне растений опытной теплицы днем на 2-4 0С (избежать перегрева), повышение ее ночью на 2-3 0С, а также позволяет получить увеличение урожайности тепличных культур (томатов) примерно на 10 %.

88

Раздел 1. Растениеводство.

ТЕМПЕРАТУРА, С

Рис 2. Суточное изменение температуры в зоне растений на высоте 0,1м:

--------- контрольная теплица; - опытная теплица

В течение всего периода испытаний оборудование по теплоаккумуляции солнечной энергии работало непрерывно. Затраты электроэнергии за весь сезон (105 суток: со дня посадки рассады по 25 сентября включительно) определяются, исходя из мощности вентилятора (40 Вт).

Полученные в результате исследований данные по температурным режимам позволили сделать выводы о целесообразности использования избытков тепла солнечной энергии за счет простых доступных средств аккумуляции. Для небольших приусадебных и садоводческих хозяйств можно рекомендовать применение данной систе-

89

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 1999. Вып. 70.

мы обогрева без дополнительных технических средств обогрева. Крупные промышленные теплицы целесообразно оборудовать любыми доступными средствами технического обогрева воздуха и устройствами автоматического управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прищеп Л.Г. Эффективная электрификация защищенного грунта.- М.: Колос, 1980.

2. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент.: Справочник / Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. и др.; под общ. ред. Григорьев В.А. и Зорина В.М. - М.: Энергоиздат, 1982. - 512 с.

3. Нормы технологического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады. ОНТП-СХ. 1081-М.: Гипронисельпром, 1981, - 117 с.

4. Клавпайк Д. Климат теплиц и управление ростом растений. Пер. с голл. - М.: Колос. 1976, 126 с.

5. Захаров А.А. Практикум по применению тепла в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 1979.-191 с.

6. Прищеп Л.Г. Автоматизация и электрификация защищенного грунта. под редакцией акад.ВАСХНИЛ.- М.: Колос. 1976.

Получено 28.05.99

90