10138

вают в культивационных сооружениях небольшого объема или сезонного дей-

ствия, например, в рассадных теплицах.

Целесообразным является применение комбинированного водовоздушного отопления (рис. 7.2), которое предусмотрено в ряде типовых проектов теплиц.

Системы подпочвенного, шатрового и надпочвенного отопления должны быть водяными. Под лотки и в пристенную зону следует подавать нагретый воздух.

Такая система отопления совмещает преимущества водяной и воздушной. Она надежно и равномерно обеспечивает требуемые параметры воздуха и грунта, ис-

ключает перегрев в летний период, уменьшает инфильтрацию и создает расчет-

ную подвижность воздуха. Комбинируя режимы работы водяной и воздушной систем, можно регулировать температуру в теплице в зависимости от наружных условий. Наиболее трудно решаемым вопросом при проектировании таких си-

стем является размещение установок воздушного отопления. В современных крупных комплексах приточные вентиляционные установки приходится уста-

навливать в рабочих помещениях теплиц, занимая часть полезной площади. За пределами сооружения их удается разместить только при небольших отапливае-

мых площадях.

Рис. 7.2. Схема водовоздушного отопления теплицы: 1 — воздуховоды системы воздушного отопления; 2 — трубы систем водяного отопления

Паровоздушные системы целесообразно использовать для отопления грунта. В эжекторе пар давлением 0,13...0,15 МПа смешивается с воздухом. Па-

ровоздушная смесь направляется в перфорированные асбестоцементные трубы,

укладываемые в грунте на глубине 0,4 м, и через перфорацию поступает в грунт.

В нижней части труб (с учетом уклона) делаются отверстия для слива конден-

200

сата. При таком способе отопления грунт получает одновременно требуемые теплоту и влагу.

Электрические и газовоздушные системы отопления чаще всего приме-

няют в отдельных зонах теплиц.

Электрическое отопление заключается в применении ламп накаливания,

которые устанавливают при воздушном, водяном или газовом их отоплении.

Лампы устанавливают таким образом, чтобы лучистый поток от них был направлен в рабочую зону. Высота подвески ламп принимается равной 0,5...1,5

м. Лампы нагревают грунт, растения, воздух и улучшают световой режим в надпочвенной зоне. Их целесообразно применять в рассадных теплицах, где требуется обеспечить температурные параметры микроклимата в небольшой по высоте зоне.

Газовоздушное отопление возможно путем непосредственного сжигания газа в теплицах или нагревания воздуха в газовоздушных калориферах. В

настоящее время чаще всего используют комбинированный способ, когда в теплицу поступает теплота от продуктов сгорания газа и от воздуха, нагретого в газовоздушных калориферах. Преимущества газовоздушного отопления состо-

ят в экономичном расходовании теплоты, уменьшении капитальных вложений и эксплуатационных затрат. Кроме того, отпадает необходимость в применении генераторов углекислого газа для подкормки растений, т. к. при сжигании газа в воздух поступает достаточное количество углекислоты.

7.2.Тепловой, влажностный и воздушный режимы теплицы

вхолодный и переходный периоды года

Составление теплового баланса объема теплицы в целом, определение температурного режима на всех поверхностях наружных ограждений, теплово-

го режима грунта, теплообмена, меняющегося во времени объема биомассы, с

внутренним воздухом и наружными ограждениями подробно рассмотрено в

[32]. Выявление по предлагаемой методике реального температурного режима

201

растений, воздуха, ограждений, грунта является чрезвычайно сложной инже-

нерной задачей. Наличие многих эмпирических зависимостей и величин, меня-

ющихся в течение суток и в годовом цикле выращивания овощей, может приве-

сти к значительным отклонениям рассчитанных как вручную, так и по разрабо-

танным компьютерным программам величин от нормируемых. Поэтому расчет и проектирование теплиц следует вести согласно [32], а после ввода теплиц в эксплуатацию необходима тщательная наладка и регулирование систем под-

держания температурных параметров микроклимата.

В данной главе приведен только общий подход к расчету формирования теплового баланса теплиц, а также указаны некоторые принципиальные осо-

бенности процессов тепломассообмена в системе «растение—внутренний воз-

дух» и «грунт—наружный воздух». Температурный режим теплицы в холод-

ный и переходный период года определяется соотношением в сооружении по-

терь и поступлений теплоты. Тепловой баланс теплицы определяется с учетом факторов, определяющих многочисленные условия этого баланса (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Расчетная схема потоков теплоты и воздуха в теплице

202

Отдельные балансовые составляющие в зависимости от конкретных усло-

вий могут быть приняты со знаком «плюс» или «минус» или могут отсутствовать,

т. е. быть равны нулю.

На рис. 7.3 и в балансовых уравнениях приняты следующие обозначения:

наружное вертикальное ограждение в верхней и нижней (через площадь за ото-

пительным прибором) зонах, соответственно; Qогрск — к наружному воздуху че-

рез скатное ограждение; Qгр — к наружному воздуху через грунт; Qконд — выде-

ляемый на внутренней поверхности наружного ограждения в процессе конден-

сации водяных паров, Вт; Qиспгр — поглощаемый в процессе испарения влаги на поверхности грунта;

расход воздуха, кг/ч: Gотвозд — в системе воздушного отопления; Gвент.м — в си-

стеме механической вентиляции; Gвентпр .е — поступающего за счет естественной

вентиляции (приточного); Gвентвыт .е — удаляемого естественной вентиляцией (вы-

тяжного); Gинф — инфильтрующегося через наружные ограждения; Gэксф —

эксфильтрующегося через наружные ограждения;

температура, °С: τн, τв — на наружной и внутренней поверхности ограждений,

соответственно; τгр — на поверхности грунта; tв, tн — внутреннего и наружного воздуха, соответственно; φв — относительная влажность внутреннего воздуха, %;

vн — скорость ветра, м/с.

Расчетная мощность системы отопления в теплицах Qот, Вт, определяется из уравнения теплового баланса помещения:

Основные потери теплоты в теплицах происходят через наружные ограж-

муле (4.3).

Тепловой поток через вертикальные ограждения различен по высоте. В

нижней части, где расположены приборы цокольного отопления, он значитель-

но выше. Связано это с тем, что температура на внутренней поверхности

ограждений в пределах высоты отопительного прибора τв выше на 5...15 °С, чем в верхней части стены в зависимости от вида прибора, его расстояния до

Определить величину Q верт достаточно сложно. Анализ результатов ис-

огр

следований динамики потерь теплоты через стеклянные и пленочные наружные

ограждения теплиц, приведенных в [1, 2], показал, что при наличии вдоль вер-

тикальных ограждений систем цокольного отопления в инженерных расчетах с

где β2 — повышающий коэффициент, учитывающий перегрев участка стены за отопительным прибором [8, 20], принимаемый равным 1,07;

Q верт — потери теплоты через вертикальное наружное ограждение, полученные

огр

по формуле вида (4.3), Вт, при отсутствии отопительных приборов.

Потери теплоты через грунт Qгр, Вт, входящие в формулу теплового ба-

ланса теплицы в холодный период года, в культивационном сооружении отли-

204

чаются от рассчитанных по традиционному способу по зонам. Расчет потерь теплоты через грунт по зонам дает завышенные на 15...17 % значения, которые не соответствуют действительному распределению потерь теплоты по площади сооружения. Из практики известно, что в средней полосе России удельные по-

тери теплоты через грунт в зимней блочной теплице составляют 6…8 Вт/м2. С

учетом этого теплопотери через грунт рассчитываются, как доля от общих по-

терь теплоты через ограждения:

Поток теплоты, необходимый для нагревания инфильтрующегося воздуха

Qинф, Вт, определяется по формуле (4.4).

Мощность зональных систем отопления необходимо регулировать в зави-

симости от многих факторов, например, в зависимости от высоты растений и периода года. Для низких растений достаточно прогревать зону высотой до 0,5

м от поверхности грунта, затем постепенно по мере роста растений увеличивать высоту обогреваемой зоны. За счет отопления лишь части пространства в ран-

ние периоды развития растений можно достичь существенной экономии тепло-

ты. По мере повышения интенсивности солнечной радиации в течение отопи-

тельного сезона теплопоступление от систем отопления теплиц должно умень-

шаться:

Теплопоступление от солнечной радиации можно определить по методи-

ке, изложенной в [28, 32].

Теплопотери теплицы в дневное и ночное время суток различны. Поэтому

требуемую мощность системы отопления следует определять для каждого пе-

риода и принимать большую из полученных величин.

В общем случае отопление теплицы осуществляется зональными водя-

ными системами (цокольной, шатровой, надпочвенной, подпочвенной, контур-

ной) и одной воздушной:

Мощность цокольной системы отопления Qотц , Вт, примерно равна поте-

рям теплоты через вертикальные наружные ограждения теплиц, что составляет

5...10 % общего расхода теплоты.

Система шатрового отопления должна обеспечивать снеготаяние и рас-

считывается на два режима работы: на максимальную нагрузку в периоды сне-

гопадов и на рабочую, обеспечивающую только требуемый температурный ре-

жим в верхней зоне. Изменение теплоотдачи труб возможно путем изменения расхода теплоносителя или его температуры. Можно устраивать две отдельные системы шатрового отопления, но на это потребуется дополнительный расход труб. Мощность шатровой системы отопления зависит от интенсивности снегопада Рсн, кг/(м2·ч), температуры tн, °С, и скорости ветра vн, м/c. В результате численного решения уравнений тепломассообмена на наружной поверхно-

сти ската установлено, что при достижении на ней температуры τн = 0,5 °С

мощность теплового потока Qотш , Вт, для поверхности площадью Аск, м2, соста-

вит [32]:

Qотш = (45,6 – 6,83tн + (94,5 – 0,7tн)Рсн + (16,2 – 3,6tн)vн)Аск. (7.11)

Рассчитанное по формуле (7.11) количество теплоты должна получать внутренняя поверхность ската в результате конвективного и лучистого тепло-

обмена с трубами шатрового отопления и скрытой теплоты при конденсации водяных паров. На шатровую систему отопления приходится обычно 50...60 %

общего расхода теплоты на теплоснабжение сооружения.

Мощность надпочвенной системы отопления Q гр , Вт, выполненной из

от

труб, расположенных между грядками и используемых в качестве рельсов для тележек при выполнении работ в культивационных сооружениях, определяется по заданной геометрии расположения грядок и требуемым температурным па-

раметрам теплоносителя. Обычно длина труб равна протяженности грядки, а

диаметр составляет 40...50 мм. Температура в подающей трубе принимается tг = 95 °С, в обратной tо = 70 °С.

206

Мощность подпочвенной системы отопления Q гр , Вт, при площади по-

от

верхности грунта Агр, м2, можно определить по формуле [32]:

Q гр = (32,8 гр + 4,27 (11,5 гр + 2,9)Sтр)Агр, (7.12)

от

где λгр — теплопроводность грунта, Вт/(м·°С).

Зависимость (7.12) справедлива для следующих условий: температура го-

рячей воды tг = 45 °С, температура обратной воды tо = 30 °С, глубина заложения труб hтр = 0,4 м, шаг между трубами Sтр = 1,5 м для зимних теплиц, Sтр = 0,4...0,5

м для рассадных теплиц. Диаметр труб подбирается по результатам гидравли-

ческого расчета подпочвенной системы отопления.

Мощность контурного отопления Qотк , Вт, определяется условиями обес-

печения положительной температуры грунта по внутреннему периметру тепли-

цы.

Мощность воздушного отопления Qотвозд , Вт, как показывают результаты расчетов, следует назначать, принимая во внимание тип сооружения, его гео-

метрию, наружные метеорологические условия (температуру наружного возду-

ха и скорость ветра, а также мощность подпочвенной системы). Мощность воз-

душного отопления при водовоздушных системах из практики проектирования составляет для блочных теплиц 15...35 %, для ангарных теплиц 25…45 % обще-

го расхода теплоты на отопление сооружения.

Зависимости по определению интенсивности тепловых потоков в объеме

теплицы приводятся по [1, 2, 32, 33].

Конвективная теплоотдача

Количество теплоты, получаемой (отдаваемой) наружными ограждения-

теплообмена (теплоотдачи) с физическими параметрами среды и определяю-

Для ламинарного режима течения воздуха при GrPr = 10–3…5 102:

с= 1,18, n = 1/8; для переходного режима при GrPr = 5 102…2 107:

с= 0,54, n = 1/4; для турбулентного режима GrPr = 2 107…1013:

с= 0,135, n = 1/3.

При больших размерах поверхности грунта, стен, скатов и значительном перепаде температуры между наружными ограждениями и воздухом (GrPr

2 107) режим теплообмена в теплицах является турбулентным. В этом случае определение среднего коэффициента теплоотдачи упрощается, не зависит от размеров поверхности и определяется как:

Коэффициент А, зависящий от величины определяющей температуры tопр = (tв + в) / 2, изменяется незначительно: А = 1,66 при tопр = 20 °С и А = 1,69 при tопр = 0 °С. Коэффициент γ характеризует положение теплоотдающей (теп-

ловоспринимающей) поверхности. Для вертикальных поверхностей (стены,

вертикальные листья) γ = 1. Поскольку поверхность грунта неровная, имеются впадины, выпуклости и комки, площадь теплоотдающей поверхности больше геометрической площади теплицы. В теплотехнических расчетах культиваци-

онных сооружений принято рассматривать грунт как плоскую горизонтальную поверхность. Для горизонтальных поверхностей, обращенных нагретой сторо-

ной вверх или холодной вниз, γ = 1,3; для обращенных нагретой стороной вниз или холодной вверх γ = 0,7. Для скатов коэффициент γ выражается соотноше-

нием:

Водяные системы отопления теплиц (цокольная, шатровая, контурная,

надпочвенная) характеризуются отдачей теплоты в окружающую среду путем конвекции (до 80 %) за счет разности температуры поверхности отопительных приборов и окружающего воздуха. Наличие восходящих конвективных потоков теплого воздуха от систем водяного отопления, включая систему шатрового

208

отопления, способствует образованию под кровлей теплиц «тепловой подушки»,

температура воздуха в которой обычно составляет 22…26 °С, что на 3...6 °С

выше, чем в нижней зоне теплицы.

На наружной стороне стен и скатов наблюдается вынужденная конвек-

ция. Теплоотдача от стен определяется как для продольного обтекания поверх-

ности теплицы воздушным потоком, так и для перпендикулярного направления ветра. Потеря теплоты скатами находится лишь при продольном движения воз-

духа. Теплоотдача при продольном обтекании наружных стен и скатов наруж-

Вт/(м2·°С), от скорости ветра vн, м/с, рассчитанного для нескольких характер-

ных значений высоты стен культивационных сооружений (hст = 2,2; 1,5; 1,0; 0,5

м) и ширине ската 3,6 м для блочной теплицы с пролетом 6,5 м и углом наклона ската 26,5°.

Рис. 7.4. Зависимость коэффициента теплоотдачи на наружной стороне ограждения от скорости ветра вдоль ограждения при различной высоте стены hст, м:

1 –– 2,2; 2 –– 1,5; 3 –– 1,0; 4 –– 0,5; 5 –– то же, перпендикулярно ограждению

209