СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ В СООРУЖЕНИИ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА
METHOD OF REDUCING THE VERTICAL TEMPERATURE GRADIENT IN THE CONSTRUCTION OF PROTECTED GROUND

Изобретение относится к области растениеводства в сооружениях защищенного грунта, а именно, к способу снижения вертикального градиента температуры воздуха в сооружении защищенного грунта в условия светокультуры.
Уровень техники.
Одной из составляющих микроклимата в сооружении защищенного грунта, в частности в теплице, является оптимальный температурный режим, при котором вертикальный градиент температуры воздуха в теплице имеет минимальное значение.
Известен способ снижения вертикального градиента температуры в теплице путем открытия форточек (фрамуг) в верхней ее зоне в сочетании с принудительным перемешиванием воздуха вентиляционной установкой.
2
Недостатками известного способа являются: перерасход тепловой энергии, потеря CO при открывании верхних форточек и большой расход электроэнергии на вентиляцию. Кроме того, растения получают температурный шок от поступающего через форточки холодного воздуха.
Известен способ снижения вертикального градиента температуры в теплице с использованием светильников верхнего облучения серии CoolMaster и CoolTube с лампами НЛВД (www.originalcollmaster.ru). В известном способе конструкция светильника обеспечивает его подключение через систему воздуховодов к вытяжному вентилятору, который отводит, вместе с нагретым воздухом, тепловую энергию выделяемую светильником и, далее, перемещает нагретый воздух по системе нагнетательных воздуховодов в подлотковое пространство в нижнюю зону теплицы в зимний период, либо за пределы теплицы в летний период.
Одним из недостатков известного способа является:
- используемый в способе светильник имеет усложненную конструкцию, большую массу и стоимость.
Известен способ-аналог снижения вертикального градиента температуры в «полузакрытой» теплице 5-го поколения с использованием технологий поддержания микроклимата «UltraClima» (патент US 20080000151, A01G 9/24), «SuprimAir», «ModulAIR». Воздух, нагретый светильниками и другими источниками тепла, концентрируется в верхней зоне теплицы, откуда отводится вытяжными вентиляторами и, по пластиковым воздуховодам, расположенным в подлотковом пространстве под каждым рядом растений, перемещается в нижнюю зону теплицы.
Общими недостатками всех вышеуказанных способов-аналогов являются:
1) облучательная установка на 80-100% состоит из светильников верхнего облучения размещеных на высоте 4,2-5,0 м над уровнем пола, а зона конвекции выделяемой ими тепловой энергии ограничена верхней зоной теплицы и сосредоточена непосредственно над и в верхней части растений. В этой же зоне концентрируется тепловая энергия выделяемая другими источниками тепла;
2) вентиляционная система обладает большим гидравлическим сопротивлением перемещению воздушных масс из-за большой длины воздуховодов и суммирования сопротивлений отдельных последовательных участков системы;
3) необходимы вентиляторы большой мощности для принудительного перемещения:
а) в зимний и в осеннее-весенний периоды - больших масс горячего воздуха из верхней зоны теплицы в ее нижнюю зону,
б) в летний период - больших масс охлажденного воздуха подаваемых в нижнюю зону теплицы.
4) большие затраты электроэнергии на вентиляцию из-за длительной работа вентиляционной системы, так как во все периоды года необходимо обеспечить высокую кратность воздухообмена с целью поддержания в теплице оптимальной величины вертикального градиента температуры воздуха.
Наиболее близким по достигаемому результату способом (прототипом) снижения вертикального градиента температуры является способ, используемый внутри «закрытой» теплицы (патент RU 2549087, A01G 9/24, A01G 9/14).
Известный способ сочетает перемещение одной части воздушных масс за счет естественной вертикальной вверх конвекции, создаваемой источниками выделения тепловой энергии и естественной вертикальной вниз конвекции в боковых карманах, с принудительным перемещением другой части воздушных масс вентиляторами встроенными в систему воздухообмена.
Недостатками известного способа являются:
- в зимний период - большие потери тепла в боковых карманах при естественной вертикальной конвекции вниз нагретых воздушных масс вдоль больших по площади боковых стенок теплицы;
- в летний период - значительное снижение естественной вертикальной конвекции воздушных масс в боковых карманах;
- используемая в этом способе теплица, за счет боковых карманов, имеет увеличенную общую площадь, в результате снижается доля площади используемой непосредственно для выращивания растений.
Раскрытие сущности изобретения.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение указанных недостатков известных аналогов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение вертикального градиента температуры воздуха в теплице, в период работы облучательной установки, способом, обеспечивающим хорошую кратность воздухообмена, без дополнительных затрат электроэнергии. Использование изобретения совместно с известными системами климат-контроля, приведет к снижению суммарных энергозатрат на поддержание микроклимата в теплице.
Технический результат достигается благодаря тому, что в отличие от известного способа снижения вертикального градиента температуры в теплице, в котором перемещение одной части воздушных масс за счет естественной вертикальной конвекции сочетается с принудительным перемещением другой части воздушных масс вентиляторами, встроенными в систему воздухообмена.
В изобретении предусмотрены следующие отличия:
1) в качестве устройства вертикальной вентиляции используют LED светильник бокового облучения, размещенный вертикально в фитоценозе растений,
2) используемый LED светильник имеет корпус-радиатор, выполненный в виде нескольких продольных теплопроводящих профилей, скрепленных между собой так, что плоскости их внешних поверхностей в сечении образуют многоугольник, а продольные края близлежащих профилей зафиксированы с зазором на расстоянии друг от друга,
Между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
1) в качестве устройства вертикальной вентиляции в теплице используют LED светильник бокового облучения, размещенный вертикально в фитоценозе растений.
Вертикальное размещение светильника обеспечивает наибольшую эффективность конвективного теплообмена корпуса-радиатора светильника с окружающим воздухом и создает эффект вертикальной, снизу вверх, пассивной вентиляции внутри теплицы. Суть эффекта состоит в том, что каждый светильник (на 1 Га теплицы их порядка 4-6 тысяч штук), отдавая свою тепловую энергию окружающему воздуху, формирует восходящий теплый воздушный поток (как внутри, так и снаружи светильника), создающий разрежение воздуха ниже светильника, за счет которого более холодный воздух из нижней зоны теплицы перемещается вдоль светильника в ее верхнюю зону. При этом, гидравлическое сопротивление такой системы вентиляции будет очень низким из-за малой вертикальной длины (1,2-2,5 м) светильника бокового облучения, а также вследствие того, что все элементы (светильники) в этой системе вентиляции работают параллельно. Эффективность такой вертикальной вентиляции, равномерно распределенной по всей площади теплицы, достаточно высока и обеспечит хорошую кратность воздухообмена без дополнительных затрат электроэнергии,
2) используемый в способе LED светильник имеет корпус-радиатор, выполненный в виде нескольких продольных теплопроводящих профилей скрепленных между собой так, что плоскости их внешних поверхностей в поперечном сечении образуют многоугольник, а продольные края близлежащих профилей зафиксированы с зазором на расстоянии друг от друга. То есть корпус-радиатор представляет собой вертикальную трубу, с зазором между продольными краями профилей, которая формирует восходящий воздушный поток и обеспечивает высокую эффективность конвективного теплообмена,
В отличие от известных способов снижения вертикального градиента температуры в теплице, в которых облучательная установка состоит преимущественно из светильников только верхнего облучения, зона естественной конвекции которых ограничена верхней зоной теплицы, в предлагаемом способе заложено перераспределение сверху вниз, по высоте теплицы, части суммарной электрической мощности облучательной установки в пользу LED светильников бокового облучения внутри фитоценоза растений. При этом тепловая мощность LED светильника бокового облучения распределена вдоль его длины. Такое перераспределение части суммарной тепловой мощности светильников, ближе к нижней зоне теплицы, в несколько раз увеличивает высоту зоны естественной конвекции воздуха возле светильников и она простирается от нижнего края светильника бокового облучения, то есть от высоты 1.0-1.2 м над полом теплицы, до ее верха. В результате повышается интенсивность естественной конвекции воздуха в теплице в целом.
При этом с увеличением доли суммарной мощности LED светильников бокового облучения в суммарной мощности всей облучательной установки, будет возрастать интенсивность естественной конвекции воздуха создаваемой светильниками бокового облучения.
Совокупность всех существенных признаков изобретения обеспечивает, в период работы облучательной установки, получение технического результата, в виде снижения вертикального градиента температуры воздуха в теплице, способом, обеспечивающим высокую кратность воздухообмена без дополнительных затрат электроэнергии. Использование изобретения совместно с известными системами климат-контроля приведет к снижению энергозатрат на поддержание микроклимата в теплице.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами:
Фиг. 1. Конструктивная схема светильника и схема воздушных потоков внутри и снаружи LED светильника.
Фиг. 2. Поперечное сечение LED светильника.
На Фиг. 1 и 2 приведен частный случай исполнения светильника с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника.
Светильник (Фиг. 1, Фиг. 2) содержит корпус-радиатор, состоящий из продольных теплопроводящих профилей 1 постоянного поперечного сечения с размещенным на каждом из них светодиодным модулем, например, в виде светодиодной матрицы 2. Профили 1 скреплены между собой так, что плоскости их внешних поверхностей в поперечном сечении образуют треугольник, а продольные края 3 близлежащих профилей зафиксированы с зазором 4 на расстоянии друг от друга.
В общем случае, конструктивно светильник может быть выполнен как многогранная призма с поперечным сечением, например, в виде: треугольника, прямоугольника, квадрата, ромба. Для целей бокового облучения внутри куста растений с загущенной листвой предпочтительна конструкция светильника с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника.
На Фиг. 1 показана схема воздушных потоков внутри и снаружи LED светильника. Холодный воздух, контактируя с внутренней поверхностью профилей и нагреваясь создает разрежение в нижней части светильника, в результате которого возникает воздушный поток 5 поступающий из нижней зоны теплицы. Внутрь светильника этот воздушный поток поступает со стороны его нижнего торца и, одновременно, холодный воздушный поток 6 поступает с трех сторон в нижнюю часть светильника через боковой зазор 4 между продольными краями 3 близлежащих профилей. Нагретый за счет конвективного теплообмена с внутренней поверхностью профилей воздушный поток 7 выходит из светильника со стороны его верхнего торца, и одновременно нагретый воздушный поток 8 выходит с трех сторон в верхней части светильника через боковой зазор 4 между продольными краями 3 близлежащих профилей.
Также холодный воздух, контактируя с наружной поверхностью профилей и нагреваясь, создает наружный воздушный поток 9 поступающий из нижней зоны теплицы и далее перемещающийся вдоль профилей. Таким образом, нагретые восходящие воздушные потоки 7 и 10, перемещаются в верхнюю зону теплицы.
Осуществление изобретения.
Способ снижения вертикального градиента температуры внутри теплицы в условиях светокультуры, характеризуется его применением совместно с известными системами климат-контроля. Способ осуществляют путем вертикального перемещения воздуха в теплице, устройством, в качестве которого используют LED светильник бокового облучения (Заявка №2017137707 от 27.10.2017 г), размещенный вертикально в фитоценозе растений для выполнения его основной функции - облучение растений. Нижняя часть светильника располагается на высоте 1-1,2 м от уровня пола теплицы, а длина светильника (в зависимости от выращиваемой культуры) может составлять 1,2-2,5 м.
При этом, по предлагаемому способу суммарная тепловая мощность светильников облучательной установки перераспределена по высоте теплицы между суммарной мощностью светильников верхнего облучения и суммарной мощности LED светильников бокового облучения.
Предлагаемый способ снижения вертикального градиента температуры внутри теплицы в условиях светокультуры может также применяться как самостоятельная система в небольших фермерских теплицах и других сооружениях закрытого грунта.
Способ осуществляется в период работы облучательной установки следующим образом:
В летнее время года, при солнечном освещении и при температуре воздуха в теплице выше оптимально необходимой, система климат-контроля, с помощью вентиляционной установки подает в нижнюю зону теплицы охлажденный воздух, при этом происходит перемещение больших объемов воздушных масс, что требует больших затрат электроэнергии. При включении в работу облучательной установки происходит скачкообразное увеличение количества тепловой энергии выделяемой в теплице, но одновременно, светильники бокового облучения начинают выполнять функцию вертикальной пассивной вентиляции по перемещению подаваемых охлажденных воздушных масс из нижней зоны теплицы в сторону ее верхней зоны без дополнительных затрат электроэнергии. При снижении вертикального градиента температур воздуха в теплице до заданной величины основная вентиляционная установка отключится до момента следующего цикла регулирования. Таким образом, на поддержание вертикального градиента температур воздуха между верхней и нижней зонами теплицы потребуются меньшие энергозатраты.
Аналогично LED светильники бокового облучения выполняют функцию снижения вертикального градиента температур воздуха в теплице в зимнее время и осенне-весенний периоды.