Автономная теплица с ночным обогревом и дневной вентиляцией солнечной энергией
AUTONOMOUS GREENHOUSE WITH NIGHT HEATING AND DAYTIME VENTILATION USING SOLAR ENERGY

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице за счет ночного обогрева и дневной вентиляции с использованием солнечной энергии для получения тепловой и электрической энергии.
Выращивание овощей в зоне рискованного земледелия, как принято считать основную территорию России, в открытом грунте естественных условий ненадежно. Поэтому, для сведения рисков к минимуму на земельных участках загородных домостроений и дач широко используют теплицы, в которых, в силу некоторой изоляции внутреннего пространства от внешней среды и устройства конструкций, требуется постоянное обслуживание и в первую очередь обеспечение регулярного проветривания и поддержания температуры в некотором щадящем диапазоне. Это особенно значимо, как для теплицы, так и для урожая, в связи со становящимися в последние годы непредсказуемыми экстремальными изменениями погодных условий в любой из сезонов года. В свою очередь с учетом технического прогресса удешевляются технологии возведения теплиц, они становятся доступней широким слоям населения и уже дают заметную прибавку экологических продуктов к столу населения, что напрямую решает многие социальные и стратегические задачи государства. Среди разнородных подходов к строительству теплиц наметились тенденции возведения легких и дешевых типов теплиц с применением сборных рамных конструкций, с синтетическими светопроницаемыми защитными покрытиями, с размахом освоенных промышленным производством. Однако, с расширением количества теплиц и пользователей, стала востребоваться их автоматизация с доведением до «умных» теплиц, по аналогии с «умными» домами, что по окупаемости предлагаемых технических решений соотносится к внедрению в показательных хозяйствах, но не исключаются предложения устройств, которые без использования подсоединения к электросетям, всемерно облегчающим эксплуатацию и наращивание технологий, обеспечивают оптимизацию и простоту дополнительно внедряемого оборудования в существующие устройства теплиц и во вновь строящиеся теплицы.
Известна эксклюзивная теплица (патент RU №2207752 от 10.07.2003 Бюл. №19). Теплица включает основание, выполненное в виде заделанного в почву и возвышающегося над почвой фундамента, который в плане имеет форму неправильного шестиугольника, образованного путем отсечения трех сторон от правильного восьмиугольника посредством вертикальной обращенной на север стенки, одна из оставшихся сторон восьмиугольника расположена параллельно указанной стенке и обращена на юг, продолжением основания являются вертикальное ограждение и по крайней мере две полые установленные друг на друга усеченные светопрозрачные пирамиды, отсеченные той же вертикальной стенкой, снабженной рабочим проходом, на верхней плоскости верхней отсеченной пирамиды размещены солнечные тепловые коллекторы, один из которых лицевой стороной обращен на юг, а другие соответственно на юго-восток и юго-запад, при этом теплица снабжена устройствами для обогрева, охлаждения и орошения, причем боковые и верхние скатные светопрозрачные ограждения в виде плоских трапециевидных панелей, часть которых обращена к югу и ориентирована по направлению солнечных лучей в периоды зимнего и летнего солнцестояний. Емкости для воды и технические средства для обогрева и орошения размещены внутри теплицы возле вертикальной стенки по бокам тамбура. Технические средства для обогрева теплицы выполнены в виде двухконтурной солнечной нагревательной системы с насосом и теплообменником, для прокачки теплоносителя и нагрева воды в емкости и в виде дополнительного электрического нагревателя, при этом система снабжена дополнительным трубопроводом обогрева, а вертикальная стенка снабжена калорифером, выполненным с возможностью обогрева и охлаждения.
Недостатками известной теплицы, даже с учетом эксплуатации с ранней весны до поздней осени, являются излишняя капитальность сооружения, внутреннее нагромождение требующих постоянного дополнительного, кроме ухода за растениями, обслуживания комплекса технических средств, недостаточная их автоматизация и сложная межсезонная профилактика.
Известен тепличный аккумулятор тепла ЛЕЖЕБОКА (ООО Компания Воля, город Дубна, Московская область, https://www.teplitsi-volya.ru). Известный аккумулятор тепла содержит переносной черный гибкий синтетический трубчатый рукав с эквивалентным диаметром 130 мм и длиной 3 м для заполнения водой, емкостью около 40 литров, с укладкой на грунт теплицы. При нагревании и аккумуляции тепла заполненный водой в дневное время, он возвращает его в ночное время при подогреве воздуха теплицы с отдачей запасенной тепловой энергии, сглаживая суточные температурные переходы.
Недостатками известного теплового аккумулятора являются быстрая отдача тепла из-за сверхтонкой оболочки рукава и его размещение на грунте, заслоняющее собой некоторую площадь грунта, снижая его прогрев и аккумуляцию тепла и тем самым снижая потенциал аккумуляции тепловой энергии теплицей.
Известна теплица с ночным обогревом почвы солнечной энергией (патент RU №2733229от 30.09.2020 Бюл. №28). Теплица содержит светопроницаемый защитный купол, тепловой аккумулятор, электронагреватель, датчики температуры, грунтовый теплообменник и насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости-теплоносителя, причем тепловой аккумулятор установлен в теплице под куполом вверху, в зоне максимального нагрева теплицы, и состоит из емкостей, соединенных между собой трубопроводами, причем грунтовый теплообменник выполнен в виде отрезков гибкого коаксиального шланга, внутренняя оболочка которого короче внешней оболочки, имеющей заглушку на конце.
Недостатками известной теплицы являются размещение под куполом вверху в теплице емкостей, своим местонахождением скрадывающих пространство теплицы и затеняющих растения от солнечных лучей, а из-за недостаточного прогрева теплоносителя аккумулятора, из-за отражения верхом светопроницаемого защитного купола солнечных лучей с уменьшенными углами падения, еще и требующих электрического нагрева.
Известна система солнечного теплоснабжения (патент RU №2575198 от 20.02.2016 Бюл. №5). Данное техническое решение является наиболее близким по цели и технической сущности заявляемому изобретению и выбрано в качестве прототипа. Существующая или строящаяся теплица оборудуется наружной опорной конструкцией, на которой размещены солнечные коллекторы, соединенные входными и выходными патрубками с баком-аккумулятором, а опорная конструкция выполнена из нескольких дугообразных труб, причем в качестве опорной конструкции использованы дугообразные трубы, пристроенные к арочной теплице, и выполненные с конструкцией теплицы заодно. На каждую дугообразную трубу коаксиально установлена, с небольшим зазором, дугообразная труба большего диаметра и меньшей длины, с возможностью перемещения наружной трубы относительно внутренней и фиксацией ее положения путем жесткого соединения труб, причем верхние и нижние концы наружных труб соединены горизонтально между собой, образуя раму для размещения каждого солнечного коллектора. Образованная рама из соединенных смежных наружных труб используется для размещения каждого солнечного коллектора, при этом в баке-аккумуляторе установлен теплообменник, который соединен с солнечными коллекторами, а к баку-аккумулятору подсоединен приемник тепловой энергии. Приемник тепловой энергии теплицы выполнен в виде устройства подпочвенного обогрева.
Недостатками прототипа, при использовании для теплиц, являются применение бака-аккумулятора с теплообменником от солнечных коллекторов с побуждающим теплообменом и необходимость побуждающего теплообмена с приемниками тепловой энергии с независимыми системами сетей трубопроводов и электросетевых насосных установок, усложняющих эксплуатацию и требующих подключения внешней электросети. Дополнительно к этому, солнечные коллекторы, установленные с перекрытием своими плоскостями площадей поверхности светопроницаемого защитного купола, затеняют теплицу, а для бака-аккумулятора с обвязкой трубопроводами и пускорегулирующей аппаратурой требуется использование значительного внутреннего пространства теплицы или устройства защиты от внешней среды и теплоизоляции при размещении вне теплицы.
Задачей заявляемого изобретения, направленной на технический результат, является устранение недостатков прототипа и расширение арсенала технических средств, связанных с дальнейшим повышением эффективности использования теплицы для комфорта выращивания растений и удобства ее эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в известной теплице размещение солнечных коллекторов осуществлено из центров дугообразных труб большего диаметра перпендикулярно их хорде, проведенной от концов труб, коаксиально установленных с возможностью перемещения на дугообразные трубы опорной конструкции. Солнечные коллекторы зафиксированы крепежными подпорками от концов перемещаемых труб к верхней и нижней частям коллекторов соответственно. Аккумулятор тепла выполнен в виде последовательно соединенных патрубками боковых труб, удерживаемых крепежными скобами на продольных основаниях теплицы с небольшим зазором к светопроницаемому покрытию. Во входной и выходной патрубок вмонтированы обратные клапаны, а во входной патрубок еще и встроен циркуляционный насос, подключенный к солнечным панелям, зафиксированным на крепежных подпорках.
Теплица может быть оборудована форточкой с механическим термоприводом, форточным электрическим вентилятором, подключенным к солнечным панелям, и концевым выключателем.
Теплица может быть оборудована переключателем, коммутирующим подключение циркуляционного насоса к солнечной панели непосредственно или через термовыключатель.
Параллельно солнечным панелям может быть подключен аккумулятор электрической энергии.
Теплица может быть оборудована грунтовым теплообменником, последовательно подключенным патрубками между боковых труб аккумулятора тепла.
Теплица может быть оборудована дополнительной аккумулирующей емкостью, заглубленной в грунт теплицы и последовательно подключенной между боковых труб аккумулятора тепла.
Теплица может быть оборудована грунтовым теплообменником, выполненным в виде оборотного U-образного регистра, с расположением прямой и обратной труб с вертикальным углом между собой для разноса по высоте и подключенным к стенке заглубленной аккумулирующей емкости, причем заглубленная аккумулирующая емкость последовательно подключена между боковых труб аккумулятора тепла.
Размещение солнечных коллекторов при вертикальной ориентации может быть устроено с зазором от верха купола теплицы.
К дугообразным трубам, пристроенным к арочной теплице и выполненных с конструкцией теплицы заодно, могут быть прислонены с закреплением к ним щиты, с размерами по высоте, превышающей зимний снежный покров.
Дугообразные трубы большего диаметра, могут быть перемещены на дугообразных трубах опорной конструкции для фиксации размещения солнечных коллекторов под углом к поверхности земли с тыльной стороны, равном углу географической широты местности установки теплицы.
Сущность изложенного поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлен упрощенный эскиз автономной теплицы.
Автономная теплица с ночным обогревом и дневной вентиляцией солнечной энергией, содержит опорную конструкцию, на которой размещены солнечные коллекторы 1, соединенные входными 2 и выходными 3 патрубками с аккумулятором тепла 4. При этом опорная конструкция выполнена из нескольких дугообразных труб 5, пристроенных к арочной теплице и выполненных с конструкцией теплицы заодно. Коаксиально на каждую дугообразную трубу 5 установлена с небольшим зазором дугообразная труба большего диаметра и меньшей длины 6, с возможностью перемещения наружной трубы 6 относительно внутренней 5 и фиксацией положения трубы 6 путем жесткого соединения труб. Верхние и нижние концы наружных труб 6 соединены горизонтально между собой, образуя раму 7 для крепления каждого солнечного коллектора 1. Размещение солнечных коллекторов 1 осуществлено из центров дугообразных труб большего диаметра 6 перпендикулярно их хорде 8, проведенной от концов труб 6, коаксиально установленных с возможностью перемещения на дугообразные трубы 5 опорной конструкции. Солнечные коллекторы 1 зафиксированы крепежными подпорками 9 и 10 от концов труб 6 к верхней и нижней частям коллекторов 6 соответственно. Аккумулятор тепла 4 выполнен в виде последовательно соединенных патрубками 11 боковых труб, удерживаемых крепежными скобами 12 на продольных основаниях 13 теплицы с небольшим зазором к светопроницаемому покрытию. Во входной 2 и выходной 3 патрубок вмонтированы обратные клапаны 14, а во входной патрубок встроен циркуляционный насос 15, подключенный к солнечным панелям 16, зафиксированных на крепежных подпорках 9, 10.
Теплица может быть оборудована форточкой 17 с механическим термоприводом 18, форточным электрическим вентилятором 19, подключенным к солнечным панелям 16 и концевым выключателем 20.
Теплица может иметь переключатель (на эскизе не показан), коммутирующий подключение циркуляционного насоса 15 к солнечным панелям 16 непосредственно или через термовыключатель.
Параллельно солнечным панелям 16 может быть подключен аккумулятор электрической энергии (на эскизе не показан).
Теплица может быть оборудована дополнительной аккумулирующей емкостью 21, заглубленной в грунт теплицы и последовательно подключенной между боковых труб аккумулятора тепла 4.
Теплица может быть оборудована грунтовым теплообменником, последовательно подключенным патрубками 11 между боковых труб аккумулятора тепла 4.
Теплица может быть оборудована грунтовым теплообменником 22, выполненным в видеоборотного U-образного регистра, с расположением прямой и обратной труб с углом между собой и подключенным к стенке заглубленной аккумулирующей емкости с разносом по высоте А, причем заглубленная аккумулирующая емкость последовательно подключена между боковых труб аккумулятора тепла 4.
Размещение солнечных коллекторов 1 при вертикальной ориентации может быть устроено с зазором L от верха купола теплицы до их низа.
К дугообразным трубам 5, пристроенным к арочной теплице и выполненных с конструкцией теплицы заодно, могут быть прислонены с закреплением к ним щиты 23, с размерами по высоте, превышающей зимний снежный покров.
Дугообразные трубы большего диаметра 6, могут быть перемещены на дугообразных трубах опорной конструкции для фиксации размещения солнечных коллекторов 1 под углом к поверхности земли с тыльной стороны, равным углу географической широты местности установки теплицы.
Автономная теплица с ночным обогревом и дневной вентиляцией солнечной энергией используется следующим образом.
Согласно изобретения гидравлическая система теплицы заполнена теплоносителем, преимущественно водой. При освещении солнечными лучами солнечных коллекторов 1 и солнечных панелей 16, установленных над теплицей с помощью крепежных подпорок 9 и 10, закрепленных на дугообразных трубах 6 рамы 7, начинает нагреваться теплоноситель в коллекторах и подниматься напряжение на выходе солнечных панелей, за счет которого, через переключатель, коммутирующий на непосредственное подключение циркуляционного насоса 15 к солнечным панелям 16, насос начинает работать. Принудительная циркуляция теплоносителя от насоса 15 в системе через патрубок 2, батарею солнечных коллекторов 1 (на эскизе фиг. 1 показано два), патрубок 3, последовательно соединенных с помощью патрубков 11 боковых труб аккумулятора 4 к насосу 15, обеспечивает равномерный прогрев всех узлов обогрева, в любой точке, независимо от удаленности от коллекторов 1, с поднятием в ней температуры, снизившейся за ночь. В рассмотренной версии увеличения аккумулирующей емкости кроме объема теплоносителя в трубном аккумуляторе тепла 4 не предусматривается, обратные клапаны под действием циркулирующего теплоносителя открыты.
Повышение температуры внутри теплицы до отметки проветривания, инициирует срабатывает механического термопривода 18, который открывает форточку 17. Открытие форточки 17 обеспечивает срабатывание концевого выключателя 20, преимущественно установленного на раме форточки, подключает вентилятор 19 к солнечным панелям 16 и проветривает теплицу.
При подключении насоса 15 через термовыключатель, как отрабатываемого в виде конечного выключателя 20 при открытии форточки 17 с проветриванием, так и от отдельного термореле с заданным диапазоном температур, циркуляция теплоносителя при включении насоса 15 не будет зависеть от начала и окончания прогревания солнечных коллекторов 1 с одновременной работой солнечных панелей 16, а будет определяться временем, заданным с помощью термовыключателей.
Дополнительно к этому, при параллельном подключении к солнечным панелям 16 аккумулятора электрической энергии (на эскизе фиг. 1 не показан), запасающем излишки электрической энергии, не предельно используемой от выработки солнечными панелями 16 на работу циркуляционного насоса 15 и вентилятора 19, циркуляция теплоносителя возможна и за временными пределами работы солнечных панелей 16.
В свою очередь, в целях устранения конвекционной потери тепла через солнечные коллекторы в ночное время, с пониженными наружными температурами, в патрубки 2 и 3 вмонтированы обратные клапаны 14, закрытые во время отсутствия циркуляции теплоносителя. В это время, запасенная тепловая энергия от солнечных коллекторов 1 в аккумуляторе тепла 4, выполненного в виде последовательно соединенных патрубками 11 боковых труб, удерживаемых крепежными скобами 12 на продольных основаниях 13 теплицы и тоже участвующих в прогреве теплоносителя через светопроницаемое покрытие и от внутренней температуры теплицы, с ее понижением начинает отдавать тепло, нивелируя скачки климата в теплице.
Для увеличения запаса тепла и удлинения времени теплоотдачи, теплица дооборудуется дополнительной аккумулирующей емкостью 21, заглубленной в грунт и последовательно подключенной между боковых труб аккумулятора тепла 4. Ввиду ее нахождения ниже боковых труб, при выключенной принудительной циркуляции теплоносителя будет обеспечиваться конвекционная теплопередача на подогрев боковых труб аккумулятора тепла 4 через патрубки 11 и подогрева грунта.
Подогрев грунта может быть обеспечен грунтовым теплообменником, последовательно подключенным через патрубки 11 между боковых труб аккумулятора тепла 4, вместо дополнительной аккумулирующей емкости 21 и выполняющим одновременно как роль теплообменника, так' и роль аккумулятора тепла за счет своей дополнительной емкости.
Кроме этого, грунтовый теплообменник может быть выполнен в виде оборотного U-образного регистра 22, с расположением прямой и обратной труб с углом между собой и подключенным к стенке заглубленной аккумулирующей емкости с разносом по высоте Δ (на эскизе фиг. 1 показано пунктиром), причем заглубленная аккумулирующая емкость последовательно подключена между боковых труб аккумулятора тепла 4. В этой версии за счет разноса по высоте замкнутых труб теплообменника 22 будет обеспечиваться конвекционная циркуляция через них теплоносителя и выравниваться температура с температурой в аккумулирующей емкости 21, а их суммарная теплоемкость будет расходоваться конвекционным перетеканием через патрубки 11 в боковые трубы теплоотдачи аккумулятора тепла 4, обеспечивая оптимальную комбинацию гидравлической системы без принудительной циркуляции.
Наружная часть с внешними солнечными коллекторами 1, предназначенная для регулирования микроклимата в теплице в целях надежной вегетации растений, может повысить сохранность теплицы в зимнее время. Размещение солнечных коллекторов 1 при вертикальной ориентации и устройстве с зазором L от верха купола теплицы в ветряную снежную погоду обеспечит в щель выдувание снега с верха светопроникающего покрытия, сохраняя его от разрушения, на подобии зимних ограждений вдоль дорог.
Дополнительно к этому, прислоненные к дугообразным трубам 5, пристроенным к арочной теплице и выполненным с конструкцией теплицы заодно, с закреплением к ним щитов 23, с размерами по высоте, превышающей зимний снежный покров, монтируемых на зиму, обеспечит снятие снежной нагрузки с боковых сторон светопроникающего покрытия теплицы, сохраняя от вдавливания и разрушения.
Таким образом, летнее удобство эксплуатации теплицы дополняется облегчением зимнего ухода за конструкцией, исключая очистку снега.
В свою очередь, рассмотренные версии, вероятнее, применимы для теплиц, размещенных в более южных местностях, преимущественно, при компоновке с юга на север, а при ориентации с запада на восток, есть необходимость, дугообразные трубы большего диаметра 6, переместить на дугообразных трубах опорной конструкции для фиксации размещения солнечных коллекторов 1 под углом к поверхности земли с тыльной стороны, равном углу географической широты местности установки теплицы. В этом случае, и в том числе и при повороте солнечных панелей, навстречу зениту солнца, будет обеспечиваться повышенная эффективность работы ночного обогрева и дневной вентиляции от прямых дневных лучей солнечной энергии.
Универсальное техническое решение автономной теплицы с ночным обогревом и дневной вентиляцией солнечной энергией может быть использовано при дооборудовании существующих и строительстве новых теплиц в разных климатических местностях. Оно может быть реализовано на базе, преимущественно, арочных теплиц с использованием материалов из широкого ассортимента стальных труб и уголков, придавая теплице с предлагаемой конструкцией внешний оригинальный эстетический вид и, обеспечивая при этом, в зависимости от комплектации, требуемый спрос на выработку тепловой и электрической энергии, а также дальнейшее развитие в новых заявленных направлениях.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном техническом решении из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня, дополняя явную промышленную применимость.