УКРЫВНАЯ ВОЗДУХОНЕСОМАЯ ОБОЛОЧКА
COVERING AIR-BEARING ENVELOPE

Изобретение используется в качестве аэростатических пространственных двуслойных оболочек для укрытия заданного объема от отрицательных влияний внешней среды, аккумуляции в нем солнечной энергии, уменьшения теплопотерь в атмосферу и создания благоприятных условий для растениеводства в регионах с неблагоприятным для сельского хозяйства климатом, временного размещения людей, животных, складирования широкой номенклатуры материалов и изделий. Цель изобретения - упростить и удешевить изготовление и использование, повысить надежность и долговечность эксплуатации, улучшить парниковый эффект, отказаться от необходимости сложного раскроя исходного материала, от каркасно-арочной оснастки и стационарных вентиляционных установок, малоэффективного армирования пленки и других затратных технических решений, направленных на обеспечение стабильной купольной формы сооружения. Оболочка совмещает в себе функции защитного укрытия, теплового коллектора и несущего каркаса, выполнена из внутреннего гладкого и внешнего дискретно-волнистого слоев пленки, скрепленных перемычками во впадинах дискретно-волнистого слоя точечно или прерывистошовно с образованием единой воздухонапорной полости, в которую через входной штуцер закачивается газ, например воздух, до момента срабатывания предохранительного клапана сброса избыточного давления. Внутренний слой имеет меньшую площадь, но большую толщину пленки. Сооружение устанавливается путем раскладки на грунте или иной горизонтальной поверхности, последующей подачи газа в воздухонапорную полость, придания сооружению необходимой купольной формы и крепления забивкой анкеров в грунт по образующей линии купола вдоль его направляющей кромки. Торцы сооружения закрываются съемными пологами, окончательно изолирующими укрытый под оболочкой внутренний объем конструкции от негативных воздействий из внешней окружающей среды.
Изобретение относится, прежде всего, к области сельского хозяйства, а именно к укрытиям биосферного пространства, грунтозащитным сооружениям и коллекторам солнечной энергии, таким как теплицы, оранжереи, парники, в которых необходимо поддержание заданного температурного режима и возможно регулирование искусственного микроклимата. В качестве пневмостроительной конструкции может быть использовано для укрытия и защиты от непогоды объектов спорта, отдыха и туризма, торгово-бытового и складского назначения.
Известны быстровозводимые воздухонесомые сооружения в виде купола, состоящего из двух слоев гладкой пленки, обладающей прочностью, газонепроницаемостью и светопроницаемостью, с единой воздухонапорной полостью между слоями, причем полость разделена перемычками на сообщающиеся отсеки, а внутренний слой пленки имеет меньшую площадь поверхности, чем наружный. При ортотропной конструкции купола отсеки воздухонапорной полости разделены перемычками, представляющими собой сплошные соединительные швы длиной, близкой или более направляющей линии купола, и выполненными в виде спиральных витков или рядов воздухонапорного рукава, сообщающихся между собой с помощью коллектора (патент РФ №2030858, A01G 9/14). При изотропной конструкции купола отсеки воздухонапорной полости разделены перемычками в виде оттяжек высотой до 20 см, закрепленных к наружному несущему слою пленки, и на которых свободно подвешен внутренний слой пленки (Ермолаев В.В. Пневматические строительные конструкции. М.: Стройиздат, 1983, с.18). Объемная форма воздухонесомых сооружений обоих типов, как правило, достигается сложным и дорогостоящим раскроем исходного материала.
Общим недостатком указанных конструкций является высокое требование к герметичности воздухонапорной полости, что на практике труднодостижимо из-за большой суммарной протяженности сплошных соединительных швов, скрепляющих слои пленки в единый купол, а также многочисленности узлов их пересечения и перекрытия. Именно по этим линиям швов, а в узлах особенно, которые невозможно исполнить технологически идеально, образуются микротрещины, воздушные пузырьки и пустоты, деформации материала и разрушающие остаточные напряжения, чем обусловливаются предпосылки для утечек газового наполнителя в процессе эксплуатации аэростатических сооружений. В местах контакта оболочки с жесткими каркасами и иными формообразующими и несущими приспособлениями под воздействием трения между элементами конструкции, в первую очередь, происходит утрата целостности менее прочных пленочных слоев оболочки с последующей разгерметизацией воздухонапорной полости. Малейшие утечки газового наполнителя приводят к потере устойчивости купола в целом, требуют регулярного возмещения и наличия постоянно задействованной вентиляционной установки. При значительных утечках необходим демонтаж конструкции, ремонт или полная замена оболочки.
Указанные недостатки усложняют изготовление и эксплуатацию, снижают надежность и долговечность укрывных воздухонесомых сооружений, делают их невыгодными для широкого практического применения.
Основная сельскохозяйственная область применения укрывной воздухонесомой оболочки предъявляет категорическое требование к одному из свойств материала, используемого для обоих пленочных слоев, а именно необходимости их максимально высокой светопроницаемости. Лучшими показателями по светопроницаемости наряду с приемлемой прочностью при минимальной толщине пленки, необходимой для устойчивости формы и долговечности аэростатических конструкций, обладают в настоящее время полимерные композиционные пленки ETFE. Однако указанный материал слабопластичен и при производстве пространственных пневмоизделий требует сложного раскроя с последующим соединением элементов многочисленными, протяженными и часто пересекающими швами.
В сфере применения пластичных гладкопленочных материалов известно использование точечных соединений (патент DE №10018079, А01G 13/02). При этом после наполнения межслойного пространства воздухом наблюдается образование складок материала вокруг точечных швов и, как следствие, дополнительных локальных напряжений в пленочных слоях оболочки. Использование высоко светопроницаемой, но слабопластичной полимерной пленки не позволяет даже при предельно высоком избыточном давлении в полости оболочки достигнуть высокой амплитуды и частоты волнистой поверхности, чем создать развитую поверхностную площадь изделия и получить значимый прирост парникового эффекта. Преодоление данного недостатка возвращает к проблеме сложного раскроя исходного материала и возрастанию суммарной протяженности герметически ненадежных соединительных швов. При свертьввании воздухонаполненной оболочки в купол происходит образование изломов внутренней пленки, дополнительные напряжения в ее материале и швах.
Из той же технической области известно применение непересекающихся линейных соединений гладких слоев пластичной пленки (патент GB №1071356, А01G 13/02), которым еще в большей мере свойственны аналогичные недостатки ввиду возросшего числа складок и изломов. Сверх того, при ее продольном свертывании в купол для удержания объемной формы укрывного сооружения потребуются каркасно-арочные и подобные им приспособления со всеми вытекающими из этого ранее указанными отрицательными последствиями. В обоих указанных случаях не исполняется обязательное правило «мыльного пузыря», определяющее устойчивость и прочность аэростатических конструкций, особенно требуемой неплоскостной конфигурации.
В технике соединения кромок листовых материалов имеют место прерывистые швы «встык», которые при создании изолированных газонаполненных объемов под избыточным давлением обычно не применяются или применяются ограниченно во второстепенных узлах и элементах. Например, в известном техническом решении (SU №1400831, В23К 33/00) по меньшей мере один из элементов конструкции в обязательном порядке имеет вдоль кромки сращивания вырезы в виде отверстий, просечек, пазов и углублений, обеспечивающие прерывистость швов. Подобные нарушения целостности пленки, снижающие ее прочность и герметичность, неприемлемы в аэростатических сооружениях.
Целью изобретения является упростить изготовление и эксплуатацию устройства, повысить надежность и долговечность конструкции, достигнуть лучшего парникового эффекта.
Поставленная цель достигается совокупностью нижеприведенных технических решений и, прежде всего, исполнением внешнего слоя оболочки в виде пленки с высокоамплитудной волнистой поверхностью, а значит, и развитой площадью, выполненной за счет предварительного формования. Высокая развитость площади волнистопленочного слоя дополнительно усиливается за счет прерывистости волн, когда шаг между ними и их длина близки по значению или являются величинами одного порядка. Требуемое гофрирующее формование может быть осуществлено при температуре размягчения материала пленки на плоских или валковых прессах. Необходимое условие единства межслойной полости, свободного и беспрепятственного заполнения газом всего ее объема обеспечивается применением в заявленной оболочке точечных или прерывистых соединительных швов, размещенных во впадинах дискретно-волнистого пленочного слоя оболочки без их взаимного перекрытия или пересечения. Шаг между точечными соединениями или шаг и длина соединительных швов на порядок, в 10 и более раз, меньше длины направляющей линии купольной оболочки. Слои пленки исполнены разнотолщинными, а именно внутренний гладкопленочный слой оболочки имеет большую толщину.
Таким образом, при поступлении в единую воздухонапорную полость оболочки газового наполнителя конструкция приобретает необходимую упругость и устойчивость формы без необходимости в каркасно-арочной или иной оснастке, что решает проблему исключения разрушающих пленку контактов в местах соприкосновения слоев оболочки с оснасткой. Становится достижимой задача создания объемной формы аэростатического сооружения без предварительного сложного и дорогостоящего раскроя пленки, последующего соединения элементов с помощью герметически ненадежных сплошных и длинномерных пересекающихся и/или перекрывающихся швов. Устраняются узлы напряжений материала за счет ликвидации условий образования складок и изломов пленки. Оболочка приобретает форму и состояние, значительно более приближенные к идеальным параметрам «мыльного пузыря». Большая толщина гладкопленочного слоя оболочки добавляет ему жесткости и способности исполнять несущие функции, снижает потери в окружающую среду тепла, аккумулированного в заданном объеме, укрытом куполом.
На фиг.1 показана укрывная полусферно-купольная оболочка; на фиг.2 - укрывная шатрово-купольная оболочка; на фиг.3-7 - варианты размещения точечных и прерывистошовных соединений слоев пленки, исключающие их перекрытие или пересечение; на фиг.8 - вариант использования воздухонесомой оболочки в рамочной теплице.
Укрывная купольная оболочка включает внешний дискретно-волнистый пленочный слой 1 и внутренний гладкопленочный слой 2, выполненные из достаточно прочной, газонепроницаемой пленки с максимально возможной светопроницаемостью. Внешний дискретно-волнистый пленочный слой имеет большую развитую площадь и меньшую толщину, чем внутренний гладкопленочный слой. Слои скреплены между собой перемычками, выполненными в виде точечных или прерывистошовных соединений 3. По периметру оболочки ее слои соединены сплошным ленточным швом 4. Между слоями пленки заключена единая воздухонапорная полость 5. Наполнение воздухонапорной полости газом осуществляется через входной штуцер 6. Для сброса избыточного давления предназначен предохранительный клапан 7.
При монтаже сооружения в воздухонапорную полость через входной штуцер 6, например, любым бытовым компрессором закачивается газ, конструкции придается заданная купольная форма, после чего осуществляется ее анкерное крепление 8 к грунту или иной горизонтальной поверхности 9. Открытые торцы купольной оболочки завешиваются съемными пологами 10. Если давление газового наполнителя в воздухонапорной полости 5 превышает допустимое значение и может повредить целостности и герметичности оболочки, происходит частичный сброс газа через предохранительный клапан 7.
Установка сооружения может осуществляться в несколько измененном порядке. При этом оболочка раскладывается на местности и сначала, до подачи газа в воздухонапорную полость 5, анкерами 8 крепится к грунту 9. Расстояние между анкерами 8 в поперечном направлении определяет ширину и высоту купола в рабочем состоянии, т.е. при заполненной воздухом оболочке. Остальные операции повторяются.
Представленные на фиг.1 и 2 варианты исполнения укрывной воздухонесомой оболочки в основном относятся к индивидуальным садоводческим хозяйствам и малым сельскохозяйственным производствам. Промышленное же растениеводство требует применения крупногабаритных рамочных теплиц. В этом случае, как показано на фиг.8, воздухонапорная полость 5 наполняется газом через штуцер 6 до момента срабатывания предохранительного клапана 7, после чего по ленточной кромке 4 вставляется в ячейки тепличного каркаса 11 так, что дискретно-волнистый пленочный слой 1 оболочки обращен в сторону окружающей среды, где фиксируется с помощью съемной рамки 12 и винтов 13. В результате исключается дорогостоящее остекление рамочных теплиц, деформации каркаса теплиц при внешних перепадах температуры и влажности не приводят к разрушениям их светопроницаемых ячеек, заменяются низко- и среднеаккумуляционные, недолговечные гладкие однослойные и линзовые двухслойные пленочные покрытия на дискретно-волнистые оболочки с высоким парниковым эффектом и пониженными теплопотерями в окружающую среду.