УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА
DEVICE FOR MONITORING OF PROTECTED GROUND TEMPERATURE CONDITION

Устройство относится к сельскому хозяйству и может быть использовано как устройство для контроля температурного режима защищенного грунта в теплицах, оранжереях, зимних садах и других агротехнологических системах.
Известно устройство для создания в теплице требуемых для растений условий микроклимата, состоящее из двух сообщающихся между собой радиаторов, заполненных водой. Верхний радиатор расположен в теплице над уровнем почвы, а нижний радиатор - в почве на заданной глубине. Верхний радиатор по отношению к нижнему наклонен под углом. В дневное, более теплое время вода нагревается в верхнем радиаторе и поступает самотеком в нижний радиатор. За счет теплообмена от последнего нагревается почва теплицы, аккумулируя подводимое тепло. В ночной, более холодный период, осуществляется обратный процесс. Нагретая почва за счет теплопередачи отдает запасенное тепло воде в нижнем радиаторе. Затем теплая вода поступает в верхний радиатор и нагревает воздушную среду в теплице (см. патент РФ 2110171, кл. А01G 9/24, 1998).
Основным недостатком этого устройства является то, что оно занимает значительную полезную площадь теплицы (для обогрева всего помещения требуется установка нескольких приборов), а эксплуатационные затраты, связанные с контролем за уровнем воды в приборе, создают дополнительные неудобства в его применении. Предполагается, что в дневное время при сильной солнечной радиации вода в верхнем радиаторе должна перетекать самотеком в нижнюю секцию с более низкой температурой воды. Это предположение противоречит законам физики, т.к. нагретая вода в верхнем радиаторе будет иметь относительно небольшую плотность по сравнению с низкопотенциальной водой в нижнем радиаторе. За счет гравитационных сил Земли более легкая вода будет расположена в верхней части устройства, что создаст условия статического равновесия жидкости и остановит циркуляцию воды в приборе.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для обогрева защищенного грунта, содержащее теплообменник в виде плоской тонкостенной оболочки с каналом для теплоносителя. Оболочка выполнена из двух частей: верхняя часть, обращенная к потоку лучистой радиации, выполнена прозрачной, а нижняя часть, обращенная к поверхности грунта, выполнена непрозрачной светопоглощающей. Теплопроводность непрозрачной части превышает теплопроводность прозрачной части оболочки. Поток солнечной лучистой радиации падает на прозрачную часть оболочки теплообменника, проникает через нее и попадает в канал с теплоносителем, проходя его, достигает поверхности непрозрачной части оболочки теплообменника. Падающий тепловой поток отдается теплоносителю в канале и защищенному грунту. При достижении температуры грунта, благоприятной для развития корневой системы, в канал подают теплоноситель с температурой, меньшей на несколько градусов, необходимой для формирования требуемого микроклимата. Избыток теплоты, отданный теплоносителю, может быть накоплен в термоаккумуляторе (см. патент РФ 2013943, кл. А01G 9/24, 1994).
Основным недостатком данного устройства является отсутствие контроля над поддержанием оптимального температурного состояния грунта. Неправильное регулирование подачи теплоносителя заданной температуры в рабочую зону грунта вызовет колебание температур, что создаст неблагоприятную среду для растений в теплице. Кроме того, применение термоаккумулятора в качестве накопительной среды не всегда является экономически целесообразным.
Целью изобретения является автоматизированный контроль, управление и поддержание требуемого температурного состояния защищенного грунта.
Поставленная цель достигается применением устройства для контроля температурного режима защищенного грунта, состоящего из трех последовательно сопряженных слоев: теплоприемника, теплового аккумулятора и контактной пластины, обращенной к поверхности грунта. Стыки всех трех слоев выполнены герметичными. Верхний слой, обращенный к солнечной лучистой радиации и тепловому потоку от инфракрасного излучателя, выполнен непрозрачным. Материал непрозрачной части выполнен светопоглощающим. Теплоприемник и контактная пластина устройства имеют высокую теплопроводность. Контактирующая с грунтом боковая поверхность теплового аккумулятора выполнена из изоляционного материала. Заявленное устройство содержит интегрированный аккумулятор теплоты. В защищенном грунте на определенной глубине установлен датчик температуры в виде контролирующей термопары, которая соединена с тепловым аккумулятором через теплоизоляционный футляр.
На фиг.1 показано устройство в сечении.
На фиг.2 показана схема установки устройства в сельскохозяйственную среду.
На фиг.3 показана схема распределения тепловых потоков.
Устройство состоит из трех последовательно сопряженных слоев: теплоприемника 1, теплового аккумулятора 2 и контактной пластины 3, обращенной своей поверхностью 4 к грунту 5. Слой теплоприемника 1 с поверхностью 6, обращенный к солнечной лучистой радиации и тепловому потоку от инфракрасного излучателя 7, выполнен непрозрачным. Стыки всех трех слоев 1, 2 и 3 выполнены герметичными. Теплоприемник 1 и контактная пластина 3 устройства имеют высокую теплопроводность. Материал теплового аккумулятора 2 обладает переменными теплопроводящими свойствами, которые зависят от величины электрического импульса, подаваемого на регулирующее устройство блока управления (условно не показано). Контактирующая с грунтом боковая поверхность 8 теплового аккумулятора 2 выполнена из изоляционного материала. В защищенном грунте 5 установлен датчик температуры в виде контролирующей термопары 9, которая соединена с тепловым аккумулятором 2 через теплоизоляционный футляр 10.
В качестве источника обогрева используется инфракрасный излучатель 7, закрепленный на перекрытии 11 с помощью подвесок 12. Дополнительный радиационный тепловой поток поступает от солнца 13, меняющийся во времени в течение суток.
Устройство может применяться без инфракрасного излучателя в качестве дополнительного источника теплоты при традиционном водяном отоплении, заряжаясь от солнечной радиации.
Устройство работает следующим образом.
рад
изл
к
погл
к
погл
погл
пр
гр
гр
гр
Поток солнечной лучистой радиации q и тепловой поток q от инфракрасного излучателя 7, достигнув поверхности 6 теплоприемника 1, поглощается материалом (фиг.3). В результате чего светопоглощающий непрозрачный теплоприемник нагревается и возникают два тепловых потока q и q. Первый тепловой поток q направлен в сторону омывающего устройство воздуха, а второй тепловой поток q - к тепловому аккумулятору 2. В случае понижения температуры защищенного грунта 5 ниже допустимых значений поверхность 4 высокотеплопроводной контактной пластины 3 отдает необходимое количество энергии q, накопленное тепловым аккумулятором 2, грунту 5 для прогрева слоя глубиной h. Датчик температуры - контролирующая термопара 9 следит за температурой грунта t. В случае отклонения температуры грунта от заданной величины t датчик температуры подает электрический сигнал на регулирующее устройство (условно не показано) теплового аккумулятора 2, которое в зависимости от величины электрического импульса начинает регулировать величину теплоотдачи на границе теплового аккумулятора 2 и контактной пластины 3. Последнее вызовет изменение теплового потока, направленного в сторону грунта 5, вплоть до установления требуемой температуры. При достижении температуры грунта t, благоприятной для развития корневой системы растений, датчик температуры 9 подает соответствующий электронный сигнал на регулирующее устройство (условно не показано) теплового аккумулятора 2.
Достоинством предложенного устройства является то, что по сравнению с другими средствами обогрева грунта оно содержит сразу три последовательно сопряженных элемента в составе целого: теплоприемник, тепловой аккумулятор и контактную пластину. Датчик температуры при самом устройстве обходится без какого-либо промежуточного оборудования. Прибор занимает незначительную полезную площадь грунта в сельскохозяйственной среде, компактен, малогабаритен, экологически безопасен. В качестве источника теплового нагружения может выступать инфракрасный излучатель, как наиболее эффективный источник тепловой энергии в агроклиматической среде. Кроме того, заявленное устройство может применяться без инфракрасного излучателя в качестве дополнительного источника теплоты при традиционном водяном или другом отоплении, заряжаясь от солнечной радиации.
Таким образом, предложенное устройство позволяет решить задачу обеспечения эффективного развития растений в теплице при различных погодных условиях без каких-либо дополнительных теплоносителей и внешних теплоаккумуляторов. Автоматизация устройства позволит рационально использовать накопленную тепловую энергию, создав при этом благоприятную климатическую среду для растений.
рад
2
Как показали расчетно-экспериментальные исследования, проводимые кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» при ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет», для теплиц со среднегодовой плотностью теплового потока q=0,134 Гкал/(м·год), применение устройства для контроля температурного режима защищенного грунта совместно с инфракрасными излучателями, позволит сократить годовые затраты тепловой энергии на 13,5 Гкал (10,8% от общих годовых потерь теплоты). В денежном эквиваленте на 2008 г.экономия средств составила 83400 руб.