ТЕПЛИЧНОЕ УСТРОЙСТВО С ОБОГРЕВОМ ПОЧВЫ
GREENHOUSE DEVICE WITH SOIL HEATING

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к устройствам для выращивания ранних растений, например, овощных культур, цветов, а также может быть использовано для обогрева промышленных и индивидуальных теплиц.
Производство раннего урожая требует обогрева тепличных сооружений. Обогрев теплицы с использованием искусственных источников тепла - процесс энергоемкий и требует больших затрат как электроэнергии, топлива, а также материальных затрат для различных технических сооружений для подачи топлива и т.д.
Известен [1] способ обогрева теплиц, заключающийся в том, что забирают воздух из подшатерного пространства теплицы с помощью тепловентилятора, который подогревает воздух и пропускают его через обдувающий патрубок, далее отводят в подшатерное пространство теплицы. Другую часть нагретого воздуха подают по трубам в подпочвенный слой теплицы, а затем оттуда в подшатерное пространство.
Недостатком этой схемы является применение тепловентилятора, значительно потребляющий электроэнергию на нагрев воздуха.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство [2] для обогрева почвы в теплице, содержащее почвенные батареи, водяные батареи, соединенные с водораспределительным и водосборным коллекторами, водяной насос, компрессорно-конденсаторный агрегат и испарители.
Недостатком этого устройства является применение компрессорно-конденсаторного агрегата, который требует периодического обслуживания, значительной энергоемкости и трудозатрат.
Целью изобретения является повышение экологичности и эффективности тепличного устройства путем максимального использования солнечной энергии и увеличения периода выращивания тепличных культур за счет попадающей в теплицу инфракрасного излучения, используя его для подогрева почвы и поддержания оптимальной температуры в теплице период выращивания, что позволит минимизировать энергозатраты на обогрев теплицы.
Указанная цель достигается тем, что тепличное устройство с обогревом почвы, содержащее воздушные и водяные батареи, коллекторы, водяной насос, отличающееся тем, что оно снабжено устройством для перемешивания верхних слоев теплого воздуха с нижними слоями, а подземная часть устройства содержит не менее 2-х ярусов водяных и воздушных батарей для подогрева почвы, трубы которых расположены по всей ширине и длине тепличного устройства, при этом, свободные концы водяных труб соединены соответственно с впускными и выпускными коллекторами, причем к впускному коллектору подводится подогретая вода, а через выпускной коллектор вода отводится в емкость для воды, кроме того, входные концы воздушных труб соединены коллектором, связанным посредством воздуховода с вентилятором, вторые концы воздушных труб свободны и снабжены козырьком с зонтом, выпускающим воздух из подземных труб в теплицу.
Трубы для жидкости и воздуха в каждом ярусе чередуются, а в верхнем ярусе крайними являются воздушные трубы, при этом воздушные и водяные трубы в ярусах расположены в шахматном порядке в горизонтальном и вертикальном плоскостях, а подземная часть тепличного устройства по периметру обложена теплоизоляционным материалом, с низким коэффициентом теплопроводности и пропитанным веществом, отпугивающим грызунов и в то же время экологически безопасным.
В то же время трубы для подвода нагретого воздуха и воды имеют индивидуальные регулировочные заслонки, позволяющие в зависимости от температуры почвы и воздуха внутри и снаружи теплицы подвести воздух и воду к каждому ярусу индивидуально или ко всем ярусам одновременно.
Расположение труб в несколько ярусов позволяет обеспечивать распределение тепла в зависимости от температуры нагревшегося воздуха, подогреваемого солнечными лучами (инфракрасными лучами), а также воды в емкости в течение лета. Многоярусность труб позволяет подогревать почву на разной глубине теплым воздухом и водой даже в зимний период, и подавать его на определенные ярусы по мере увеличения температуры наружного воздуха.
В зимних условиях теплый воздух из-под козырька теплицы (верхней зоны) подается в верхний ярус труб - батарей, часть перемешивается внутри теплицы. В дальнейшем по мере повышения температуры воздуха теплый воздух из-под козырька теплицы будет подаваться в нижние слои почвы (2 и 3-й ярусы) глубоких слоев.
Теплый воздух и вода подаются в нижние слои почвы при повышении температуры наружного воздуха в тех случаях, когда в тепличном устройстве температура становится выше 18-22 градусов. В летнее время температура воздуха в теплице повышается до 50-60 градусов при закрытых форточках (по нашим данным), благодаря тому, что нижние слои почвы поглощают много тепла путем автоматизации подачи воздуха и теплого воздуха в нижние слои почвы. При этом можно поддерживать температуру воздуха в теплице в требуемых пределах, что в итоге позволит избавиться от всякой вредной микрофауны (бабочки, летающие вредители, жуки и т.д.) а также экономить на автоматической системе вентиляции, удалении избыточного тепла из теплиц. Для подогрева воды необходимо емкости установить, как можно выше в теплице, так как горячий воздух стремится вверх. Таким образом, дополнительно прогревается вода, которую можно использовать как для полива, так и для обогрева почвы, соответственно при повышении температуры, когда уже вода прогревается и ее будет достаточно для полива и прогрева почвы, автоматически включаются циркуляционные насосы, и вода попадает в подпочвенные батареи, отдавая тепло, возвращается в емкость, при этом в тепличном устройстве следует предусмотреть несколько емкостей, так как одну из емкостей необходимо использовать только для обогрева, чтобы снизить затраты на фильтрацию воды подаваемой в систему обогрева. В утреннее, вечернее и ночное время при падении температуры воды ниже 20-22 градусов циркуляционные насосы автоматически отключаются.
Располагая водяные батареи (возможно незамерзающей жидкости) и воздуха в каждом ярусе с чередованием обеспечивается наиболее благоприятное их размещение, так как воздушные батареи должны быть большего диаметра для большей отдачи тепла. А водяные батареи в основном будут задействованы в более теплый период, и вода в контакте с металлической трубой имеет большую теплоотдачу, чем воздух. При этом воздушные трубы в верхнем ярусе должны быть расположены по краям, такое расположение позволит лучше прогревать в ранневесенний период почву и подготовить ее для посева, посадки без применения искусственных обогревателей на основе специальных теплогенераторов, а только за счет естественного тепла солнца - инфракрасного облучения.
Расположение воздушных и водяных труб в ярусах в шахматном порядке по горизонтальном и вертикальном плоскостях позволит максимально повысить теплоотдачу почве от воздушных и водяных батарей. И использовать максимально эффективно солнечную энергию, что повысит экологичность всего проекта.
Подземная часть тепличного устройства по периметру обложена теплоизоляционным материалом, с низким коэффициентом теплопроводности и пропитанным веществом, отпугивающим грызунов и в то же время экологически безопасным. Благодаря теплоизоляционному материалу в осенне-зимний период почва внутри тепличного устройства не будет промерзать как обычно при классической схеме теплиц. Такое расположение изоляции позволит также защитить урожай от наземных и подземных вредителей, от грызунов и т.д. При прогревании теплым воздухом и холодное время года также позволяет экономить тепло за счет   аккумуляции в пределах изолированного объема почвы в тепличном устройстве. Самое важное такой конструкции, что тепло аккумулированное в летнее время также не будет передаваться за пределы теплицы, что позволит продлить выращивание культуры в осенне-зимний период за счет аккумулированного летнего тепла в почве. В осенний период накопленное тепло начинает подниматься вверх и прогревать тепличное устройство, что позволит развиваться растениям и плодоносить. Такой подход позволяет снизить энергозатраты на обогрев тепличного устройства в осенний период.
Регулировочные заслонки, установленные в воздуховодах для подвода нагретого воздуха и в трубах для подачи воды, имеют индивидуальные регулировочные заслонки, позволяющие в зависимости от температуры почвы и воздуха внутри и снаружи теплицы подвести воздух и воду к каждому ярусу индивидуально или ко всем ярусам одновременно.
Такой подход к распределению горячего или теплого воздуха, а также воды позволяет прогреть и подготовить почву в ранневесенние сроки, а осенью позволяет поддерживать нормальную температуру для развития и плодоношения тепличным растениям. Также следует отметить, что приведенный вариант аккумулирования и регулирования расхода тепла в тепличном устройстве позволяет экономить энергию на отопление, посеять и посадить в более ранние сроки тепличные культуры без использования искусственных источников тепла. Максимально эффективное применение поступающей в тепличное устройство солнечной энергии повысит экологичность производства и экономит энергозатраты. Как показали экспериментальные исследования зимой 2019 года, воздух в тепличном устройстве прогревается не только в солнечную погоду, но и при теплом ветре, в этом случае, конечно же, тепло передается через стенки тепличного устройства. Даже в феврале этого года при 10-15 градусной минусовой температуре на улице в верхней зоне тепличного устройства температура воздуха доходило до 25-50 градусов.
На фиг. 1 приведена общая схема тепличного устройства и   следующие обозначения: 1 - боковина (боковая стенка теплицы); 2 - крыша теплицы; 3 - вентилятор радиальный; 4, 7 - воздуховоды; 5 - вентилятор осевой; 6 - воздухозаборник; 8 - воздуховод летний; 9, 10 - заслонка; 12 - теплоизоляционная стенка; 13 - воздушные трубы 1-го яруса; 14 - воздушные трубы 2-го яруса; 15 - емкость для воды с циркуляционным насосом; 16 - водяные трубы воды 1-го яруса; 17 - водяные трубы воды 1-го яруса; 18 - насос циркуляционный.
На фиг. 2 представлена схема, когда происходит перемешивание воздуха в теплице подачей радиальным вентилятором сверху вниз.
На фиг. 3 представлена схема, для случая подогрева почвы осуществляется с помощью 1 -го яруса труб.
На фиг. 4 представлена схема, для случая подогрева почвы осуществляется с помощью 2-го яруса труб.
Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.
Устройство тепличного устройства с обогревом почвы (фиг. 1) имеет надземную часть (теплица), расположенную выше поверхности почвы и подземную часть, расположенную ниже поверхности почвы.
Тепличное устройство состоит из боковой стенки (боковины) 1, крыши теплицы 2, покрытые светопрозрачным материалом (например, поликарбонат). Внутри тепличного устройства в верхней части установлен емкость для воды 15, имеющий черный цвет для более эффективного поглощения солнечной энергии. От емкости 15 спускается водопровод с циркуляционным насосом 18 в подпочвенный слой, где на глубине около 600-1700 мм расположена система металлических водяных труб 1-го яруса - 16 и 2-го яруса - 17. Под крышей 2 теплицы установлен радиальный вентилятор 3 с внутренним воздуховодом 4 для перемещения верхних нагретых слоев воздуха вниз. Также под крышей расположен воздухозаборник 6. От воздухозаборника 6 вниз направлено два воздуховода 7 и 8, внутри которых расположены осевые вентиляторы 5 и 11 с заслонками 10 и 9 соответственно. Воздуховод 7 направляет теплый воздух в воздушные трубы 1-го яруса 13, а воздуховод 8 - в воздушные трубы 2-го яруса   периметру под боковыми стенками 1 тепличного устройства в   глубину 2-го яруса труб установлена теплоизоляционная стенка 12 с низким коэффициентом теплопроводности и пропитанным веществом, отпугивающим грызунов и в то же время экологически безопасным.
Сущность изобретения заключается в следующем. Одной из тенденций производства как сельскохозяйственной, так и овощной продукции является получение урожая по возможности в ранние сроки при переходе из зимнего периода в весенний период. Для решения указанной задачи в большинстве случаев применяются парники и теплицы и другие аналогичные сооружения.
Применение солнечного тепла позволит снизить энергозатраты и получить более ранний урожай без использования искусственных обогревательных установок с большой энергоемкостью и требующих больших затрат как электроэнергии, топлива. Под понятием ранние сроки производства продукции подразумевается, что продукция по возможности должна производится раньше, чем при обычных условиях, т.е. прогрев и начало прорастания будет зависеть только от погодных условий, пока земля не прогреется для развития корневой системы и воздух не менее 10-15 град.
Тем больше разность температуры между температурой наружной среды и внутри теплицы, тем больше требуется затрат энергии для обогрева как объема теплицы, так и ее почвы, где прорастают растения. Таким образом, задача заключается в том, чтобы получить урожай растений в
тепличном устройстве максимально ранние сроки (весны) с минимальной затратой энергии для обогрева, а наилучший вариант без затрат горючего и упругих источников искусственного тепла.
Так как теплица имеет определенную высоту над поверхностью почвы, и имеет покрытие из светопрозрачного материала, боковые поверхности изготовляются из такого же материала, что позволяет обеспечить беспрепятственное проникновение солнечных лучей внутрь помещения теплицы, обеспечивая не только попадание инфракрасного излучения, но светового потока для растений. Таким образом, солнечные лучи насквозь пронизывают пространство теплицы. Известно, что температура внутри по высоте теплицы различная, в верхней части теплицы под светопрозрачным материалом выше, чем над поверхностью почвы.
Почва в течение зимы промерзает, чтобы не промерзла можно постелить укрыть опавшей листвой от деревьев, кустарников, измельченной соломой и т.д. В дальнейшем это уменьшить глубину промерзания почвы и обеспечит более ранний срок прогрева (авторами проведены эксперименты, укрывая поверхность почвы опавшей листвой, что полностью подтверждает наши предпосылки). Чтобы температуру почвы поднять больше 0°С и выше в данной заявке предлагается использовать инфракрасное излучение от солнца, который нагревает воздух и воду, находящиеся в теплице. Нагретый воздух в помещении тепличного устройства всасывается (забирается) вентиляторами в верхней зоне и по системе труб передается в почву. Это первый источник тепла для подогрева почвы.
Вторым источником тепла является емкость с водой, которая имеет черный цвет (максимальное поглощение инфракрасного излучения) и расположен на боковой стене теплицы в верхней части. Желательно ее разместить на северной стороне теплицы, чтобы не затеняла растения. Так как емкость для воды окрашена в черный цвет, то она наиболее эффективно поглощает тепло солнечных лучей, тем самым повышается скорость нагрева воды. Вместо воды можно применять другую жидкость, для использования системы в холодный период, например, как показали результаты наших экспериментальных исследований, в январе - феврале в солнечные дни температура в теплице в верхней зоне может подняться до 20-60 градусов для условий Чувашии, если даже на улице температура минус 20 градусов.
В ночное время температура становится отрицательной, поэтому применение незамерзайки оправдывается, иначе вода замерзнет и система обогрева тепличного устройства (почвенного слоя) с использованием прогретой жидкости выйдет из строя. Таким образом, данная емкость для обогрева жидкости является автономным обогревательным узлом, который предназначен для поглощения солнечной энергии в диапазоне инфракрасного излучения.
В почву тепличного устройства уложены не менее двух ярусов труб для подвода нагретого воздуха и воды. Возможны варианты три и более. Например, при 3-х ярусах: верхний, средний и нижний, по всей ширине и длине тепличного устройства. Обогревательные трубы для воды и воздуха в каждом ряду чередуются. В рядах верхнего и нижнего ярусов крайними являются трубы для подвода воздуха, в ряду среднего яруса крайними являются трубы для подвода воды. То есть трубы, как с жидкостью (возможно водяные в зависимости от региона), так и воздушные могут быть расположены на одном уровне или же расположены в шахматном порядке (фиг. 2).
Соответственно управление системой следует автоматизировать, снабдив датчиками температуры воздуха, жидкости в емкости. При этом следует также систему снабдить дифференциальным устройством для сравнения (логический элемент), т.е. нельзя подавать воздух в почву,   температура воздуха, жидкости не станет выше температуры почвы на глубине залегания труб для подогрева, в противном случае система окажет отрицательное воздействие, т.е. вместо прогрева будет охлаждать нижние слои почвы.
Очевидно, что в летний период следует управлять, подавая теплый воздух и прогретую жидкость в нижние слои почвы, как только установится нормальный теплый температурный режим за пределами тепличного помещения, не менее 5-10 град в ночное время.
Схема перемещения теплого воздуха из верхней зоны в почву включает воздухопроводы, воздушный вентилятор. В ранневесеннем режиме воздух циркулирует внутри тепличного устройства, прогревая поверхностный слой, а основная часть воздуха подается в верхний ярус подземных воздушных труб. Вентилятор центробежный 3 включается и одновременно автоматической системой открывается заслонка в его воздуховоде, а отсасываемый нагретый воздух из верхней зоны направляется в нижнюю зону теплицы и воздушные трубы верхнего слоя. Подаваемый центробежным вентилятором теплый воздух ранней весной позволит раньше прогреть верхний слой почвы, что обеспечить ранний посев семян или посадку рассады.
По мере повышения температуры более 10 градусов в ночное время за пределами тепличного устройства основная часть воздуха подается в 1-й ярус воздушных труб 13, а часть во 2-й ярус (ниже 1-го яруса). Трубы 1-го яруса, отдавая тепло прогревают верхний слой почвы, что позволит ускорить развитие корневой системы растений к началу их прорастания и повышения размеров растений. Таким образом, для посева сначала прогреваем верхний слой почвы, а по мере прорастания и истечение времени, температура также повышается, что позволит уже прогревать почву в верхней зоне развития корневой системы растений в 1-й фазе развития, так как трубы 1-го яруса уложены (рекомендуется) на глубине 600-700 мм.
Дальнейшее повышение температуры воздуха в тепличном устройстве, так и снаружи позволит, производить обогрев нижних слоев почвы на глубине более 1000 мм в зависимости от температуры в теплице и прогретого воздуха, а также направлять во 2-й и 3-й ярус. В этом случае включается осевой вентилятор 11 и заслонка 9 в воздуховоде 2-го или 3-го яруса, а 1-го яруса центробежный вентилятор 5 выключается, соответственно закрывается ее заслонка 10.
В нижней части каждый воздухопровод соединен с трубами с помощью входных и выходных коллекторов. На каждом воздуховоде имеется заслонка регулировки подачи нагретого воздуха. С одного конца подается теплый воздух, а с другого конца воздух выводится в помещение теплицы.
Применение подогретой воды также позволит повысить эффективность тепличного устройства. Ранней весной вода, подогретая солнечной энергией, используется для полива (для полива рекомендуется использовать воду с температурой не менее 18 град и не более 24 град), а избыточная часть теплой воды рекомендуется применять для подогрева верхнего слоя почвы (трубы 1-го яруса или 2-3-го ярусов).
При малой температуре нагрева воды, т.е. менее 18 град воду на полив не рекомендуется использовать, так как растения будут угнетаться и могут заболеть, а также плохо развиваться, что приводит к существенному снижению урожайности, удорожанию продукции.
При дальнейшем повышении температуры окружающего воздуха соответственно в тепличном устройстве и достаточном нагреве воды (более 22 град) рекомендуется использовать воду для прогрева почвы. Вода, нагретая в емкости 15 под действием солнечных лучей, циркуляционным насосом 18 нагнетается в впускной коллектор и распределяется по водяным трубам 16 и 17, концы которых соединены в выпускной коллектор, через который вода, передавшая свое тепло почве, возвращается обратно в емкость для последующего нагрева инфракрасным излучением солнца.
Подземная часть тепличного устройства по периметру обложена теплоизоляционным материалом 12. Который служит для теплоизоляции, чтобы мороз от окружающей почвы не проникал в тепличное устройство. Теплоизоляционный материал 12 также служит для защиты почвы тепличного устройства от проникновения кротов и других грызунов-победителей, как показывает практика эксплуатации тепличных устройств, грызуны любят проникать в тепличные устройства и оказывают вред копиям растений, тем самым снижая урожайность культур.
Технический эффект заключается в снижении энергозатрат на производство единицы продукции производимых в тепличном устройстве растений, повышение их урожайности, в производстве продукции в максимально ранний период по сравнению с производством на открытом грунте, а также защиты окружающей среды от промышленных загрязнений.
Предлагаемое техническое решение позволяет снизить энергоемкость за счет использования тепла солнечной энергии (или атмосферного воздуха), кроме того, устройство имеет простую конструкцию и небольшую металлоемкость.
Предлагаемое техническое решение позволяет снизить энергоемкость за счет использования тепла солнечной энергии (или атмосферного воздуха), кроме того, устройство имеет простую конструкцию и небольшую металлоемкость. Результаты экспериментальных исследований подтвердили предпосылки о возможности более раннего срока посева и получения урожая, чем при известных конструкциях тепличных устройств, способах и технологиях возделывания в тепличном устройстве.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №2283578 (A01G 9/24). Способ обогрева теплиц и теплица с обогревом для его осуществления.
2. Патент РФ №2042317 (A01G 9/24). Устройство для обогрева почвы в теплице.