Энергосберегающая технология управления температурой воздуха теплицы в климатических условиях Челябинской области

маломощных гидро- и ветроэнергетических установок, курсы изучения которых предусматривает учебная программа специализации 3114.03. «Энергообеспечение сельского хозяйства».

Широкое распространение компьютерной техники практически во все сферы жизни и деятельности человека предопределяет роль информационных компьютерных технологий как при подготовке квалифицированных специалистов, так и при их работе на предприятиях. Внедрение компьютерных технологий в энергетику сельского хозяйства уже настолько велико, что не замечать отсутствие специалистов, способных обслуживать ПЭВМ, работать на них, определять новые направления использования компьютерной техники просто невозможно. Реализовать эту потребность позволяет учебная программа специализации 3114.06. «Применение компьютерной техники». На данный период времени Институт энергетики и УЭР АПК располагает всеми необходимыми условиями для подготовки высококвалифицированных кадров по специальности 110302.65 со специализациями «Электрификация технологических процессов», «Энергообеспечение сельского хозяйства», «Применение компьютерной техники».

К 30-летнему юбилею Института энергетики и управления энергетическими ресурсами АПК в Красноярском аграрном университете прошла научно-практическая и научно-методическая очно-заочная конференция «Энергосбережение-важный резерв развития АПК».

Публикуемые ниже статьи являются частью непрерывной научно-исследовательской работы преподавателей, аспирантов Института, которые давно и успешно сотрудничают со своими коллегами из других российских вузов.

УДК 631.544:621.3(471.55) И.Н. Антонов, Д.Н. Антонов

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУХА ТЕПЛИЦЫ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

В статье представлены результаты исследований по применению энергосберегающей технологии управления температурой воздуха теплицы в климатической зоне Челябинской области. Даны практические рекомендации о возможности её использования в период с апреля по сентябрь.

Ключевые слова: температурная интеграция, управление, автоматизация, теплица, климат.

I.N. Antonov, D.N. Antonov

ENERGY-SAVING TECHNOLOGY FOR AIR TEMPERATURE MANAGEMENT IN A GREENHOUSE IN THE CHELYABINSK REGION CLIMATIC CONDITIONS

The research results on application the energy-saving technology for air temperature management in a greenhouse in the Chelyabinsk region climatic zone are given in the article. Practical recommendations about possibility of its use during the period from April till September are given.

Key words: temperature integration, management, automation, greenhouse, climate.

Введение. На сегодняшний день известно множество энергосберегающих технологий. Одной из них является температурная интеграция - технология поддерживания постоянной средней температуры воздуха теплицы в течение определённого промежутка времени, при этом мгновенные значения температуры могут свободно меняться в большую или меньшую сторону в пределах заданного диапазона [1]. В этом заключено принципиальное отличие этой технологии от традиционной, когда поддерживается текущее значение температуры воздуха теплицы.

Технология температурной интеграции позволяет экономить энергию, что доказано множеством экспериментальных исследований [2-4]. В сравнении с общепринятой технологией управления экономия может достигать 23,5%. Теоретически возможность экономии энергии можно пояснить на следующем примере. Хорошо известно, что в весенний (осенний) период времени года естественная температура воздуха теплицы может достигать высоких значений из-за возросшей по сравнению с зимними месяцами интенсивности сол-

нечной радиации. В таких случаях система автоматического управления температурой воздуха, настроенная на поддержание заданного значения, даст команду на открытие форточек. Подобный алгоритм работы системы может приводить к перерасходу тепловой энергии, так как воздух, нагретый трубной системой обогрева, далее может нагреться сильнее и затем через открытые форточки оказаться на улице. Сущность технологии температурной интеграции заключается в том, чтобы избежать таких ситуаций. Это достигается благодаря тому, что поддерживаются не конкретные значения температур, а устанавливается диапазон варьирования, в пределах которого может меняться температура, при этом обогрев и вентиляция осуществляются в том случае, если естественная температура теплицы (т. е. температура воздуха при выключенной системе обогрева) оказывается ниже или выше заданного диапазона. Необходимо добавить, что пределы колебания мгновенной температуры могут меняться от +(-) 2 °С до +(-) 8 °С от заданного среднего значения [4].

Температурная интеграция может проводиться как с временным интервалом сутки, когда поддерживается значение средней температуры за день, так и несколько дней, когда тёплые солнечные дни сменяются облачными и холодными, но средняя за несколько дней температура остаётся на требуемом уровне.

Цель и задачи исследований. Поскольку рассматриваемая технология способна сократить расход тепловой энергии, то вызывает интерес возможность её использования в климатических условиях России (на примере Челябинской области). По приведённому здесь описанию технологии следует отметить её важную особенность: для реализации температурной интеграции необходимо, чтобы естественная температура превышала нижнюю границу допустимой агротехнологией температуры воздуха теплицы.

С целью выяснения перспектив применения технологии температурной интеграции было проведено исследование изменения естественной температуры стандартной теплицы ангарного типа в зимне-весенний и осенне-зимний периоды в климатической зоне Челябинской области.

Методика исследований. Для решения поставленной задачи были рассчитаны значения естественной температуры воздуха теплицы в течение первых четырёх (январь, февраль, март, апрель) и последних четырёх (сентябрь, октябрь, ноябрь, декабрь) месяцев года при нулевой облачности.

Естественная температура определялась по выражению [5-6]:

t =t +--------------

ест нар ^ ^

где ир - естественная температура воздуха, °С; ир - температура наружного воздуха, °С; я - интенсивность солнечной радиации внутри теплицы, Вт/м2; п - коэффициент, поглощения световой радиации; Э2 -площадь, занимая теплицей, м2; К - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(мг°С); Б1 - площадь ограждения теплицы, м2.

Использовавшиеся значения наружной температуры представляют собой среднемесячные значения многолетних наблюдений [7]. Интенсивность солнечной радиации рассчитывалась по формуле:

4 =

к (55/56)-дтабл -10 р Ж-г-3600

где кр - коэффициент пропускания ограждения теплицы; 55 - географическая широта Челябинска, град. с.ш.; 56 - географическая широта табличных значений суммарной солнечной радиации, град. с.ш.; Фабл - табличное значение суммарной солнечной радиации [7] на широте 56 градусов, МДж/м2; 106 - переводной коэффициент; N - количество дней в месяце, дн.; т - продолжительность светлого времени суток по месяцам (принималась в расчётах длительность светового дня 15 числа), ч; 3600 - число секунд в одном часе.

Продолжительность светового дня т определялась по формуле:

т _ тзах - твосх,

где тзах - время захода солнца, ч; твосх - время восхода солнца, ч.

Время восхода и захода солнца находилось по выражению для высоты стояния солнца Н (4): если Н(ТС) = 0 и Н(ТСм) < 0, Н(Т^+1) > 0, то ТС - время восхода, аналогично, если Н(ТС]) = 0 и Н(ТС]и) > 0, Н(ТС]+1) < 0, то ТС] - время захода солнца.

12 -ТС

Н = sin(/l) • sin(c>) + cos(/l) • cos(c>) • cos(/r-----------) ,

12

S--arcsin

. _ 23.45 D+10,

sm

360

365

где Н - высота стояния солнца; А - географическая широта Челябинска (55 град.); 5 - склонение солнца относительно экватора; ТС - текущее время, ч; 0 - порядковый номер дня года, начиная с 1 января. Прочие постоянные имели следующие значения:

К = 8 Вт/(м^°С); кр = 0,9;

П = 0,8;

Б1 = 2150 м2;

Э2 = 1500 м2.

Результаты исследований и их обсуждение. Значения средней наружной температуры для Челябинска (^нар), суммарной солнечной радиации на широте 56 градусов (ятабл) и расчётных продолжительности дня и естественной температуры воздуха теплицы для восьми месяцев (I - январь, II - февраль, III - март, IV - апрель, IX - сентябрь, X - октябрь, XI - ноябрь, XII - декабрь) представлены в таблице.

Исходные данные и результаты расчётов

Показатель Месяц

I II III IV IX X XI XII

t+нар, С -15,8 -14,3 -7,4 3,9 10,7 2,4 -6,2 -12,9

Ятабл, МДЖ 113 220 467 650 486 267 127 84

т, ч. 7,2 9,2 11,5 14 12,4 10,1 8,1 6,9

tecT, °С -7,1 0,33 15 30,4 33,8 17 2,8 -6,2

Сравнивая найденные значения естественной температуры (см. табл.) с температурой минимально допустимой для многих сельскохозяйственных культур (18-20°С), можно сделать вывод о том, что технология температурной интеграции в климатических условиях Челябинской области может применяться с апреля по сентябрь. Только в этот период естественная температура достигает достаточно высоких значений.

В справочнике по овощеводству защищённого грунта [8] приводятся следующие сроки посева овощных культур для 1-5 световых зон, к которым относится и Челябинск: начало декабря в зимне-весеннем обороте и начало июня в летне-осеннем обороте. С учётом того, что длительность вегетации некоторых сельскохозяйственных культур может достигать 90 дней [9], температурная интеграция в летне-осеннем обороте может использоваться только для вегетационного периода и в зимне-весеннем обороте - для периода плодоношения.

Управление по технологии температурной интеграции в период вегетации имеет преимущество, связанное с тем, что, подбирая среднюю температуру воздуха, можно дополнительно регулировать скорость роста растений, тем самым ускоряя или замедляя наступление плодоношения. В то же время ничто не препятствует её использованию в период плодоношения, среднюю температуру в котором следует выбирать на рекомендуемом агротехнологией уровне.

Заключение. Проведённое в настоящей работе исследование позволяет сделать следующие основные выводы:

1) возможность использования энергосберегающей технология управления температурой воздуха теплицы (температурной интеграции) существует в случае, если естественная температура воздуха теплицы в дневное время достигает допустимых агротехнологией значений;

2) найденные значения естественной температуры для стандартной ангарной теплицы дают основание утверждать, что эту технологию в условиях Челябинской области можно использовать в период с апреля по сентябрь.

Литература

1. Körner O. Crop based climate regimes for energy saving in greenhouse cultivation: Ph. D. Diss. - Wagenin-gen University, The Netherlands, 2003. - 240 p.

2. Rijsdijk A.A., Vogelezang J.V.M. Temperature integration on a 24-hour base: a more efficient climate control

strategy // Acta Hortic. - 2000. - Vol. 519. - P. 163-170.

3. Körner O., Bakker M.J., Heuvelink E. Daily temperature integration: a simulation study to quantify energy

consumption // Biosystems Engineering. - 2004. - Vol. 87. - № 3. - P. 333-343.

4. Körner O., Challa H. Temperature integration and process-based humidity control in chrysanthemum // Com-

puters and Electronics in Agriculture. - 2004. - Vol. 43. - № 1. - P. 1-21.

5. Körner O., Challa H. Design for an improved temperature integration concept in greenhouse cultivation //

Computers and Electronics in Agriculture. - 2003. - Vol. 39. - № 1. - P. 39-59.

6. Попова С.А. Энергосберегающая система автоматического управления температурным режимом в

теплице: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.07. - Челябинск, 1995. - 204 с.

7. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.

8. Брызгалов В.А. Справочник по овощеводству. - Л.: Колос, 1982. - 509 c.

9. Теплицы и тепличные хозяйства: справ. / под ред. Г.Г. Шишко. - Киев: Урожай, 1993. - 422 с.

---------♦-------------

УДК 631.23(571.5) В.В. Арюпин, В.С. Нестяк

МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕПЛИЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ УСЛОВИЙ СИБИРИ

В статье рассматриваются задачи по обоснованию технологических решений конструкции теплиц, а также их оборудования, с целью снижения затрат на строительство и уменьшение теплопотерь. Работа представляет интерес для проектировщиков тепличных комплексов, а также для производственников, так как предложенные решения уже апробированы на базе тепличного комплекса ЗАО «Приобское» Новосибирской области.

Ключевые слова: тепличный комплекс, сотовый поликарбонат, боковые фрамуги, ангарная теплица.

V.V. Aryupin, V.S. Nestyak METHODOLOGY OF DEVELOPMENT OF ENERGY AND RESOURCE- SAVING HOTHOUSE COMPLEXES FOR THE SIBERIA CONDITIONS

Problems of substantiation of the technological solutions for hothouses and its equipment design, in order to abate the expenses for building and reduce heat loss are considered in the article. The article is of interest for the hothouse complex designers, and also for the production workers as the offered solutions have already been approved on the basis of the PJSC "Priobskoye" hothouse complex in the Novosibirsk region.

Key words: hothouse complex, cellular polycarbonate, lateral transoms, hangar hothouse.

В настоящий период многие сибирские города и населенные пункты остались без собственного производства свежих овощей во внесезонное время. Из-за проблем в энергоснабжении в конце прошлого века прекратили существование многие агрофирмы и тепличные комбинаты, а также небольшие комбинаты при крупных заводах, обеспечивавшие население витаминной продукцией местного производства.

В сложившейся в последние десятилетия ситуации новое строительство зимних тепличных комбинатов по традиционной схеме (на 1 га теплиц без учета соединительных коридоров требуется 210 т металла; 145 м3 бетона и железобетона; 15 м3 древесины; 13800 м2 стекла) в Сибири в обозримом будущем из-за огромной стоимости работ практически неподъемно. Здесь следует отметить, что традиционная схема теплич-