Способ лучистого отопления зимней теплицы
METHOD FOR RADIANT HEATING OF WINTER GREENHOUSE

Изобретение относится к системам лучистого отопления и может применяться для обогрева культивационных сооружений на примере зимних теплиц, предназначенных для круглогодичного выращивания растений в защищенном грунте. Разработанный способ может быть использован для лучистого отопления индивидуальных и блочных промышленных теплиц с помощью газовых инфракрасных излучателей темного типа.
Известна система лучистого отопления, которая включает в себя линейные греющие элементы в виде излучающих труб, размещаемых в горизонтальной плоскости вместе с собранными над ними профилированными отражателями и устанавливаемых при помощи подвесок на требуемую высоту над отапливаемой рабочей зоной помещения. Над профилированными отражателями соосно и горизонтально закреплены прямоугольные металлические панели с бортовыми ограждениями. Последние предназначены для сдерживания конвективных потоков нагретого воздуха, образующихся на излучающих трубах при выходе из-под профилированного отражателя, уменьшения конвективной и увеличения лучистой составляющих теплоотдачи греющих элементов (RU 2300710, F24D 5/00, F24D 15/00, опубл. 10.06.2007).
К недостаткам данного способа можно отнести увеличение лучистой и уменьшение конвективной составляющих теплоотдачи греющих элементов в системе лучистого отопления, что неизбежно приведет к снижению температуры внутреннего воздуха, которая при определенных условиях в холодный период года может быть ниже минимально допустимого значения.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ лучистого обогрева помещений, который заключается в обогреве помещения инфракрасным лучистым потоком от трубчатых излучателей, продуваемых горячим теплоносителем. Систему набирают из отдельных модулей, при этом первый по ходу модуль оборудуют рабочей горелкой тепловой мощностью, достаточной для нагрева поверхности начала трубчатого излучателя до температуры , а каждый последующий модуль, кроме последнего, оборудуют компенсационной горелкой тепловой мощностью, достаточной для восстановления температуры поверхности в начале компенсационного модуля до значений . Использование последовательно расположенных компенсационных горелок позволяет сохранить высокую температуру горячего теплоносителя по всей длине трубчатого излучателя и вместе с этим радиационную эффективность всей отопительной системы (RU 2246663,  F23D 14/12, опубл. 20.02. 2005).
К недостаткам данного способа можно отнести техническую сложность и дороговизну оборудования, необходимого для реализации способа. Помимо основной рабочей горелки, требуется система отдельных модулей, каждый из которых должен быть оснащен компенсационной горелкой. Кроме того, процесс контроля поддерживаемой температуры горячего теплоносителя по длине трубчатого излучателя, представляется трудоемким в реализации.
Технический результат изобретения заключается в  повышении эффективности обогрева зимних теплиц с помощью газовых инфракрасных излучателей темного типа.
Технический результат достигается тем, что продукты сгорания газообразного топлива, образовавшиеся в газогорелочном блоке газового инфракрасного излучателя темного типа, сбрасываются непосредственно в отапливаемое помещение, а приточный воздух, поступающий из окружающей среды на нужды вентиляции, предварительно проходит через подогреватель, где нагревается до расчетной температуры. Утилизация теплоты продуктов сгорания газообразного топлива и предварительный нагрев приточного воздуха в подогревателе до расчетной температуры позволяют поддерживать заданный температурный режим в зимней теплице, повысить температуру внутренней поверхности ограждения теплицы и уменьшить требуемую тепловую мощность лучистого отопления.
Способ лучистого отопления зимней теплицы поясняется графически (фиг. 1, 2).
На фиг. 1 показана принципиальная схема реализации способа лучистого отопления зимней теплицы, где 1 – газовый инфракрасный излучатель темного типа; 2 – подогреватель; 3 – грунт; 4 – ограждение; 5 – вентиляционный проем.
На фиг. 2 показан график изменения тепловой мощности лучистого отопления зимней теплицы , , и подогревателя , , а также температуры внутренней поверхности ограждения теплицы , , и приточного воздуха , , поступающего в зимнюю теплицу, в зависимости от температуры наружного воздуха , , в течение отопительного периода.
Сущность изобретения заключается в следующем (фиг. 1). Газовый инфракрасный излучатель темного типа 1 установлен в верхней части зимней теплицы. Тепловая мощность газового инфракрасного излучателя темного типа 1 равна , . Тепловой поток от продуктов сгорания газообразного топлива равен , . Расход наружного воздуха по сухой части, проходящий через подогреватель 2 и поступающий в зимнюю теплицу, составляет , . Температура приточного воздуха, поступающего в зимнюю теплицу, определятся расчетным способом и равна , .
Температурно-влажностный режим зимней теплицы определяется температурой , , и относительной влажностью , , внутреннего воздуха, а также температурой поверхности грунта 3, равной , . Температура и относительная влажность наружного воздуха соответственно составляют , , и , . Температура внутренней поверхности ограждения 4 теплицы определятся расчетным способом и равна , .
Тепловые потери в зимней теплице связаны с теплопередачей через ограждение 4 , , и грунт 3 , , а также с вытяжкой внутреннего воздуха через вентиляционный проем 5 , .
Тепловой поток, поглощаемый слоем грунта 3, расходуется на конвективный теплообмен с внутренним воздухом теплицы , , на лучистый теплообмен с внутренней поверхностью ограждения 4 , , и на испарение влаги с поверхности грунта 3 , .
При поливе грунта 3 водой в количестве , , происходит поглощение влаги растениями (условно не показаны) , . Влага расходом , , испарившаяся с поверхности грунта 3, уходит из зимней теплицы в объеме , , вместе с вытяжным воздухом через вентиляционный проем 5. Влагосодержание на поверхности грунта 3 равно , .
Способ лучистого отопления зимней теплицы заключается в следующем (фиг. 1). Поток теплового излучения , , от газового инфракрасного излучателя темного типа 1 поступает на поверхность грунта 3. В ходе сгорания газообразного топлива в газогорелочном блоке (условно не показан) газового инфракрасного излучателя темного типа 1 образуются продукты сгорания, от которых тепловой поток величиной , , поступает в зимнюю теплицу. Наружный воздух с температурой , , и расходом по сухой части , , проходит через подогреватель 2, где нагревается до расчетной температуры , , и направляется в зимнюю теплицу.
Достоинством предложенного способа является техническая простота, которая достигается за счет того, что продукты сгорания газообразного топлива, образовавшиеся в газогорелочном блоке газового инфракрасного излучателя темного типа, сбрасываются непосредственно в отапливаемое помещение. Совокупность процессов лучистого отопления, утилизации теплоты продуктов сгорания газообразного топлива и предварительного нагрева наружного воздуха в подогревателе до расчетной температуры перед его подачей в зимнюю теплицу позволяет поддерживать требуемый тепловой режим культивационного сооружения, определяемый температурой внутреннего воздуха и температурой поверхности грунта, в течение всего отопительного периода независимо от климатических условий.
Пример конкретной реализации способа.
Оценим эффективность способа лучистого отопления зимней теплицы на примере индивидуальной промышленной теплицы «Фермер 7.5» компании ООО «Воля» (Красногорский район, Московская область).
Исходные данные для выполнения расчета:
1. Размеры (габариты) теплицы: ширина ; длина ; высота .
2. Параметры поверхности грунта (огурцы до плодоношения в зимне-весенний оборот) (РД-АПК 1.10.09.01-14. Методические рекомендации по технологическому проектированию теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады): температура ; коэффициент поглощения  (коэффициент отражения ); коэффициент теплового излучения (степень черноты) .
3. Параметры ограждения: материал – сотовый поликарбонат с термическим сопротивлением ограждения ; коэффициент поглощения  (коэффициент отражения ); коэффициент теплового излучения (степень черноты) .
4. Расчетные параметры внутреннего воздуха (РД-АПК 1.10.09.01-14. Методические рекомендации по технологическому проектированию теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады): температура ; относительная влажность .
5. Расчетные параметры наружного воздуха для условий города Вологды (СП 131.13330.2018. Строительная климатология): температура ; относительная влажность .
6. Параметры вентиляции: принудительная вентиляция с механическим побуждением; кратность воздухообмена  (В. В. Климов. Оборудование теплиц для подсобных и личных хозяйств. –  М, 1992).
7. Параметры орошения: коэффициент орошения грунта  (орошается вся поверхность грунта в теплице).
8. Лучистый коэффициент полезного действия (КПД) газового инфракрасного излучателя .
Основные результаты программных вычислений:
1. Температура внутренней поверхности ограждения теплицы .
2. Температура приточного воздуха . Расчетная тепловая мощность подогревателя воздуха .
3. Требуемая мощность инфракрасного излучения , тепловой поток от продуктов сгорания газообразного топлива .
С увеличением температуры наружного воздуха , , закономерно будут снижаться требуемая тепловая мощность лучистого отопления , , и необходимый расход теплоты на нагрев приточного воздуха , поступающего в зимнюю теплицу, так как тепловые потери через ограждение, на нужды вентиляции и в грунт начнут уменьшаться (фиг. 2). Изменения температуры наружного воздуха , , незначительно влияют на изменения температуры внутренней поверхности ограждения , , и температуры приточного воздуха , , что позволяет поддерживать постоянным температурный режим зимней теплицы в течение всего года.
В среднем за отопительный период температура внутренней поверхности ограждения промышленной теплицы «Фермер 7.5» и температура приточного воздуха соответственно составили  и .
Наличие источника природного газа вблизи культивационного сооружения на примере зимней теплицы позволяет констатировать следующее: способ лучистого отопления с применением газовых инфракрасных излучателей является максимально эффективным с экономической и энергетической точек зрения по сравнению с традиционным (воздушно-водяном) и, тем более, электрическим инфракрасным отоплением.