УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОСУШЕНИЯ ВОЗДУХА В ТЕПЛИЦЕ И ТЕПЛИЦА
DEVICE AND METHOD FOR AIR DRYING IN GREENHOUSE AND GREENHOUSE

Область техники
Данное изобретение относится к системе и способу, предназначенным для осушения и охлаждения воздуха в теплице, и к теплице, оборудованной системой в соответствии с данным изобретением.
Предпосылки изобретения
На сегодняшний день при изготовлении теплиц целью является создание контроля над климатическими условиями в теплице для максимального приближения к оптимальным условиям, необходимым для роста растений. При оптимальных условиях для роста растений температура в теплице составляет около 18-30°С, влажность воздуха - около 60-90%, и содержание углекислого газа - свыше 1000 промилле, в зависимости от культивируемых растений и ситуации. Для создания оптимальных условий для роста необходимо качественное регулирование температуры воздуха, влажности и содержания углекислого газа.
Широкое распространение получила теплица, в которой климат регулируется посредством вентиляционных каналов и/или вентиляторов. В этом случае избыток тепла, создаваемый солнечным излучением, отводится посредством вентиляции. Кроме того, в Финляндии существует по меньшей мере частичная необходимость в вентиляции в течение приблизительно 8 месяцев в году.
2
Охлаждение воздуха в теплице обеспечивается разбрызгиванием воды в ней по возможности в виде тончайшего тумана. При разбрызгивании испаряющаяся вода поглощает тепло из воздуха теплицы и повышает влажность воздуха. При использовании разбрызгивания в обычном случае расход воды составляет 0,1-0,5 л/м теплицы/час. Эффективное использование разбрызгивания с целью охлаждения воздуха теплицы обычно также требует наличия вентиляции для удаления из нее влажного воздуха и продолжения разбрызгивания.
В современных теплицах невозможно поддерживать оптимальный уровень содержания углекислого газа, необходимого для роста растений, если преобладает высокий уровень облучения, который приносит максимальную пользу. Углекислый газ, выходящий вместе с вентилируемым воздухом, потребует повышения количества углекислого газа, необходимого для подобного высокого уровня, так что его дозирование будет неэффективно с точки зрения стоимость-эффективность. Таким образом, когда преобладает высокий уровень облучения, в наилучших условиях для роста растений содержание уровня углекислого газа в наружном воздухе должно быть установлено (около 350 промилле) вместо уровня углекислого газа (500-1500 промилле), предпочтительного для роста растений. Из вышеизложенного следует, что в современных теплицах рост растений обычно явно ниже, чем он мог быть, если уровень углекислого газа воздуха теплицы можно было поддерживать высоким и при повышенном уровне облучения. Например, в Финляндии наилучшие результаты по росту обычно достигаются поздней зимой, когда уровень облучения высокий, а наружный воздух настолько холодный, что необходимость в охлаждении с помощью вентиляции отпадает и, таким образом, в теплицах может поддерживаться повышенный уровень углекислого газа. В условиях более теплого климата обычно не достигают таких высоких результатов по росту, как в этом случае.
В свете вышеизложенного за последнее время во всем мире были предприняты попытки разработать различные типы решений по созданию закрытых теплиц. В закрытой теплице внутренний воздух почти полностью отделен от наружного воздуха. Не допускается ни проход внутрь наружного воздуха через вентиляционные каналы, ни обдувание вентиляторами в теплице, а удаление избытка тепла выполняется другими средствами.
Необходимый для растений углекислый газ создается техническими средствами, а его содержание предпочтительно увеличено до минимального уровня в 500-1500 промилле. Считается, что благодаря оптимально регулируемым климатическим условиям закрытая теплица является идеальным решением для растущих растений.
Было подано несколько международных патентов, касающихся тепличных систем, в которых выполнен, по меньшей мере частично, климатический контроль в соответствии с закрытой системой,
3
2
В патенте №ЕР 0517432 А1 предлагается аккумулятор тепла, который накапливает дневную энергию солнца, и отдает ее в течение ночи, частично для обогрева теплицы, а частично в более холодный ночной воздух. В этом случае габариты данного аккумулятора тепла должны составлять около 400 м для теплицы площадью в 1000 м, что увеличивает расходы на инвестиции в данную систему до невыгодного с точки зрения экономики уровня. В раскрытом в данном патенте способе, как и во многих других, охлаждение воздуха теплицы выполняется в отдельном теплообменнике, расположенном снаружи теплицы, в который воздух из теплицы проводится обычно с помощью простых вентиляторов, и из которого воздух возвращается в теплицу охлажденным.
К уровню техники относится также патент США №4044078, в котором предлагается устройство, разработанное для охлаждения складов, в котором холодная вода разбрызгивается сверху через решетчатую раму на струю сжатого воздуха, а нагретая вода охлаждается посредством теплообменника, расположенного снаружи. В этом устройстве для охлаждения воздуха также необходим отдельный аппарат и вентилятор.
В публикации США №4,707,995 предлагается система для регулирования влажности воздуха и температуры в теплице, работа которой основана на использовании природной концентрированной соленой воды, предназначенной для осушения. Как и в вышеприведенном решении, воздух проходит через струю воды, а полученная вода восстанавливается снаружи данного устройства. Данное устройство, в целом, не подходит для охлаждения или осушения теплиц.
В публикации JP №4148123 A 19920521 предлагается решение, в котором воздух продувается в разбрызгиваемую сверху воду, причем воздух вступает в теплообменный контакт с разбрызгиваемой внутри водой.
В публикации JP №2104222 A 19900417 также используется непосредственный теплообмен между водой и воздухом с целью охлаждения воздуха в теплице. Данное устройство содержит теплообменник, который работает на холодных подземных водах, посредством которого охлаждение теплицы выполняется в ночное время воздухом, поступающим сверху, а влага удаляется у нижней части данного устройства. Данная система предназначена для охлаждения в ночное время, при этом она не обладает достаточной мощностью, чтобы удалять тепло из закрытой теплицы в дневное время.
В данных способах, в которых воздух из теплицы проводится для охлаждения в отдельные охлаждающие устройства или теплообменники, основная проблема заключается в необходимости наличия высокой мощности вентиляторов, предназначенных для удаления воздуха из теплицы. Вследствие требуемой мощности вентиляторов, в основном, они являются причиной значительной доли инвестиционных и текущих расходов на аппаратуру в целом. Использование мощных вентиляторов также является источником значительного шума в теплице и поблизости от нее.
2
В дополнение к вышеприведенным решениям в некоторых реализациях закрытых теплиц охлаждение выполняют с использованием обычной технологии тепловых насосов. В этом решении уровень затрат на оборудование является весьма высоким, так как охлаждающая способность, требуемая во время высокого уровня облучения, является высокой (500-1000 Вт/м теплицы при наивысшем уровне).
Все существующие решения по охлаждению и осушению воздуха в закрытой теплице являются весьма дорогостоящими, если исходить из инвестиционных затрат и также частично из эксплуатационных расходов. Поэтому представленные решения до сих пор не были приняты для использования на практике при культивировании в теплицах, за исключением некоторых прикладных систем, создаваемых на испытательной базе.
Сущность изобретения
В данной заявке на патент раскрыто изобретение, посредством которого может быть выполнено осушение и охлаждение воздуха в закрытой или частично закрытой теплице по существу экономически более выгодным способом по сравнению с предыдущими решениями.
В предлагаемой системе и способе осушение и охлаждение воздуха в теплице выполняют посредством разбрызгивания воды, более холодной, чем точка росы воздуха, непосредственно в воздушное пространство теплицы, и ее падения в виде капель или прохождением в воздушное пространство помещения. Таким образом, конденсационная влага и тепло передаются от воздуха теплицы в воду.
Характерными особенностями данного изобретения являются следующие.
В предлагаемых системе и способе охлаждающую воду подают непосредственно в воздушное пространство теплицы, это означает, что в данном случае не требуются отдельные конденсаторы или теплообменники. Все воздушное пространство теплицы действует как пространство конденсатора. В предлагаемом решении также не требуются вентиляторы для удаления воздуха, который должен быть охлажден, поскольку охлаждение происходит непосредственно в воздушном пространстве теплицы. Воздушный поток, вызываемый перемещением разбрызгиваемой воды, охлаждение воздуха, значительное перемещение воздуха в теплице или вентиляторы низкой мощности, обычно предназначаемые для циркуляции воздушного пространства теплицы, выравнивают перепады влажности и температур в теплице, что обусловливает достаточное постоянство климата в теплице с точки зрения роста растений.
Объем используемой воды является весьма значительным, в обычном случае
2
2
100-500 литров (по меньшей мере 50 л)/м теплицы/час, тогда как существующие охлаждающие системы, в основу работы которых положен способ разбрызгивания, обычно используют менее 1 литра/м теплицы/час.
Температура используемой воды является весьма низкой, предпочтительно 0-15°С, однако даже после падения сквозь воздух температура воды будет повышаться самое большое до желательной температуры конденсации.
Предлагаемая система отличается от обычных разбрызгивающих устройств и систем большим объемом используемой воды (стократным, тысячекратным) и низкой температурой воды. Это означает, что и тепло, и влажность поглощаются водой, разбрызгиваемой в воздухе теплицы.
Целью обычного разбрызгивания является испарение воды в воздух теплицы, вследствие чего повышается влажность воздуха теплицы и понижается температура пропорционально температуре испаряемой воды. Следовательно, непрерывное испарение требует удаления избытка влаги из теплицы посредством вентиляции.
В предпочтительном варианте выполнения обычное разбрызгивание может быть объединено с предлагаемой системой осушения и охлаждения воздуха теплицы посредством поддержания разбрызгивания с относительно высоким уровнем влажности (предпочтительно свыше 70% относительной влажности) воздуха теплицы и при одновременном эффективном охлаждении воздуха теплицы с помощью предлагаемых устройства и способа и конденсирующейся из воздуха влаги. При таком решении происходит осушение воздуха, и разбрызгивание может быть продолжено без необходимости понижения влажности посредством вентиляции. Если в теплице имеется такой растительный покров, который способен испарять достаточно воды, то разбрызгивание может быть прекращено, при этом могут быть использованы только предлагаемые способ и устройство для удаления избытка влаги и для охлаждения воздуха теплицы.
Во втором предпочтительном варианте выполнения влажность воздуха теплицы может поддерживаться постоянной по желанию посредством регулировки температуры охлаждающей воды до соответствия температуре конденсации желательной влажности воздуха и температуры, при этом не потребуется отдельного разбрызгивающего оборудования.
Параметры предлагаемых устройства и способа могут быть выполнены так, что в теплице не потребуются вентиляционные устройства. Однако во многих случаях экономически выгоднее использовать вентиляцию при максимальной тепловой нагрузке, это означает, что параметры предлагаемого устройства могут быть выполнены для более низкой производительности.
В предлагаемых системе, способе и теплице для осушения и охлаждения воздуха теплицы необходим существенный объем холодной воды, предпочтительно с температурой ниже 15°С. Параметры устройства определяются в соответствии с температурой имеющейся в наличии воды. Чем холоднее имеющаяся вода, тем с меньшими параметрами может быть выполнено предлагаемое устройство.
Вода, которую необходимо подать в воздух теплицы для его осушения и охлаждения, в предпочтительных вариантах, может быть взята непосредственно из естественных источников воды. Например, в условиях Финляндии, к тому же в летнее время, она может быть получена из холодных нижних слоев воды в озере, расположенных под промежуточными слоями. Холодная вода, необходимая для осушения и охлаждения, также может быть получена в испарителе, расположенном снаружи теплицы, когда наружный воздух является достаточно холодным или соответственно достаточно сухим для того, чтобы охладить воду с помощью испарителя.
Холодную воду, полученную снаружи теплицы, можно заставить циркулировать либо непосредственно в системе, предназначенной для осушения и охлаждения воздуха в теплице, либо она может использоваться опосредовано с помощью теплообменника для охлаждения циркулирующей в данной системе воды.
При использовании теплообменника чистая вода, конденсирующаяся из воздуха теплицы, может быть извлечена из данной системы, а затем использована в качестве воды для разбрызгивания и поливки в теплице. Такое решение является весьма значимым для районов с дефицитом чистой поливной воды для продукции теплиц.
Преимущества данного изобретения по сравнению с уровнем техники
Посредством предлагаемых способа и устройства можно контролировать влажность и температуру воздуха в теплице с помощью существенно более выгодных с экономической точки зрения оборудования и эксплуатационных затрат по сравнению с известными решениями регулирования климатических условий закрытой теплицы.
В отличие от ранее предложенных решений в системе по данному изобретению вся теплица работает в качестве конденсатора, при этом не требуются отдельные камеры конденсатора или вентиляторы. Это оборудование заменяется естественным перемещением воздуха в теплице и тем обстоятельством, что эти «открытые разбрызгивающие конденсаторы» можно без труда расположить в различных местах теплицы, посредством которых охлажденный воздух будет распределяться равномерно в теплице посредством естественного перемещения воздуха. Что касается конденсаторов, возможно используемых для охлаждения циркулирующей в данной системе воды, то вентиляторы и конденсаторы соответственно заменяются свободным перемещением наружного воздуха.
К следующим основным преимуществам по сравнению с другими известными системами и способами осушения и охлаждения относятся:
Низкие затраты на оборудование, поскольку не требуются отдельные камеры конденсаторов или вентиляторы для проведения воздуха теплицы в конденсатор.
Существенно более низкие эксплуатационные расходы, так как появилась возможность исключить потребляющие по существу наибольшую часть энергии устройства, используемые в прежних системах, то есть вентиляторы.
Данный способ действует повсюду глобально, где имеется в наличии достаточно холодной воды, или вода может быть охлаждена посредством достаточно сухого наружного воздуха.
Использование данного способа не создает тип проблем, связанных с шумом в теплице и окружающей обстановке, как создают способы, в которых используются вентиляторы.
На базе предлагаемых системы и способа может быть создана закрытая теплица, в которой конструкции, требующиеся по данному способу, могут быть объединены с обычными конструкциями теплицы, а требуемый данной системой автоматический контроль может быть выполнен частью обычной автоматики теплицы.
Варианты выполнения данного изобретения приведены на сопроводительных чертежах, которые, однако, не являются ограничительными.
Фиг.1 показывает систему в соответствии с данным изобретением;
фиг.2 показывает типичное устройство теплицы; и
фиг.3 показывает вариант выполнения данного изобретения для выращивания низкорослых растений.
2
На фиг.1 показан вариант выполнения данного изобретения, в котором распределяющие воду устройства 1 расположены в верхней части теплицы, при этом вода разбрызгивается в воздушное пространство теплицы без отдельных камер конденсации, иных устройств или вентиляторов. При этом температура воды ниже ее точки росы. Объем воды, проводимой в единицу времени, и температура имеют такие параметры, что по мере прохождения проводимой воды через воздушное пространство теплицы большее количество влаги конденсируется в нем из воздуха теплицы, чем количество воды, которая испаряется из него в воздух теплицы. Параметры данных устройств обеспечивают возможность разбрызгивания в воздушное пространство теплицы по меньшей мере около 50 литров воды на м теплицы в час. Распределяющие воду устройства 1 расположены в центре верхней части теплицы, и/или на боковинах, и/или под стендами для культивирования в теплице, причем, по меньшей мере, некоторое количество воды, подаваемой в воздушное пространство теплицы, возвращают для повторной циркуляции в воздушное пространстве теплицы.
В нижней части теплицы расположены собирающие воду устройства 4, обеспечивающие сбор воды, разбрызгиваемой с верхней части, и ее возврат, по меньшей мере, частично, в устройства системы.
Температура воды, циркулирующая в устройстве, предназначенном для осушения и охлаждения воздуха теплицы, понижена, а конденсируемую влагу из воздуха используют повторно посредством циркуляции воды через теплообменник 6.
Собранная вода проводится из теплицы по выпускной трубе 5. Снаружи теплицы к выпускной трубе 5 присоединен теплообменник 6, предназначенный для охлаждения воды, циркулирующей в осушающих и охлаждающих устройствах, и для повторного использования конденсированной воды.
Кроме того, устройство для осушения и охлаждения воздуха может быть обеспечено испарительным устройством 8, расположенным снаружи охлаждаемой теплицы и предназначенным для охлаждения воды, циркулирующей в осушающем и охлаждающем устройстве теплицы. Кроме того, это испарительное устройство 8 присоединено к устройству 7 водоснабжения и насосному устройству 9 для разбрызгивания воды. Вода в устройстве водоснабжения может быть разбрызгана в воздух так, что разбрызгиваемая вода входит в контакт с наружным воздухом и затем возвращается снова в устройство водоснабжения или прямо к аппаратуре осушения и охлаждения воздуха в теплице.
Фиг.2 изображает типичный вариант реализации данной системы и способа. В этом варианте выполнения в верхней части теплицы имеется система труб с отверстиями 2 насадок диаметром в 0,3-1 мм, через которые вода 3, более холодная, чем температура конденсации в теплице, разбрызгивается в воздушное пространство верхней части теплицы между рядами растений, так что вода может свободно падать в виде капель в расположенные ниже собирающие воду устройства 4, посредством которых, по меньшей мере, некоторое количество воды, падающей или проходящей через воздушное пространство, используют повторно, и устройства, посредством которых, по меньшей мере, некоторое количество используемой повторно воды снова подают в воздушное пространство теплицы. При этом вода проводится в накопительный резервуар и повторно возвращается или, как вариант, проводится полностью или частично в систему водоснабжения и заменяется более холодной водой из системы водоснабжения.
Температура воды, циркулирующая в устройстве, предназначенном для осушения и охлаждения воздуха теплицы, понижена, а конденсируемую влагу из воздуха используют повторно посредством циркуляции воды через теплообменник 6.
2
В данном варианте выполнения объем разбрызгиваемой воды обычно составляет 100-500 литров воды/м теплицы/час. Соответственно в типичном варианте выполнения площадь, требуемая для ирригации разбрызгивателем в теплице, составляет 1-4% от площади теплицы. Эту свободную требуемую площадь, как правило, легко найти между рядами растений в теплице. Распределяющие воду устройства 1 могут, как вариант, также быть расположены на боковинах теплицы.
Если расслоение холодного и нагретого воздуха в теплице (например, в случае высокого растительного покрова из томатов и огурцов) вызывает проблемы, данное расслоение воздуха теплицы можно устранить обычным перемешиванием с помощью вентиляторов относительно малой мощности.
В данном способе теплообмен может быть улучшен использованием капель значительно меньшего размера, чем в способах, в которых охлаждающая вода входит в контакт с быстро проходящим воздухом.
Фиг.3 показывает другой типичный вариант выполнения, который может быть применен при выращивании низкорослых растений. В этом случае распределяющие воду устройства 1 расположены таким же образом в верхней части теплицы, как показано на фиг.1, однако собирающие воду устройства 4 расположены выше растительного покрова. Используемые в этом случае собирающие воду устройства предпочтительно выполнены из пропускающего свет материала, например из полиэтиленового полотна или пленки.