Энергоэффективность энергетических ресурсов и климатическое районирование солнечных теплиц

Введение

Актуальность проблемы.
Наращивание объемов производства разнообразной сельскохозяйственной продукции,
развития агропромышленного комплекса, рациональное использование земли и воды,
селекционная работа, выведение новых сортов сельскохозяйственных культур,
научные основы повышения их урожайности, повсеместная организация тепличных
хозяйств все это обеспечит  в стране
продовольственного изобилия. Это является 
стратегическим ориентиром и важнейшим приоритетом проводимым Президентом
Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедовым политику продовольственной программы
[1].

Продовольственной программе страны
пре­дусматривается значительное увеличение производства продуктов ово­щеводства.
Для нормального обеспечения овощами населения по рас­четам специалистов
необходимо не менее 2 м площади на человека. Важную роль при решении
Продовольственной программы играют разра­ботка и создание сооружений,
обеспечивающих производство овощей при минимальных затратах.

В настоящее время выращива­ния
овощных культур в тепличных хозяйствах, является энергоемким производством.
Овощная продукция выращенная в защищенном грунте, обходится дорого из-за
высокой стоимости культивационных сооружений и отопительных систем, например на
производ­ство 1 кг овощей в теплицах затрачивается 10-13 кг у.т. и удельный вес
расхода на отопление составляет  от 40 до
60%, оплата рабочей силы обходится от 15 до 25%, амортизационные отчисления от
10 до 15% [2-9].

Поэтому при проектировании и
районирования теплично — парникового хозяйства первостепенное внимание следует
уделять выбору наиболее рациональных источников технического обогрева,
обосновывая его технико — экономическими расчетами. Вопросы удешевления
теплофикации и уменьшения капиталовложений в строительство котельных, можно
решить, комбинируя возобновляемые источники энергии (солнце, термальных вод) с
промышленными тепловыми отходами.

В последние годы все чаще
поднимается вопрос о программировании урожая. В задачу входят, разработка
комплекса взаимосвязанных мер своевременное и высококачественное осуществление
инновационных технологии, которых позволит обеспечить достижение заранее
рассчитанного уровня урожая высокого качества.

  К числу
таких мер можно отнести:

1. создание путем мелиорации и
агротехники таких условий среды, которые лучше бы соответствовали потребностям
культивируемых растений;

2. оптимальное природно-климатическое
районирование выбранных сортов в соответствии с агроклиматом и созданным
микроклиматом;

3. использование сортов, наиболее
соответствующих условиям окружающей среды в данном регионе.

  Указанным
мероприятиям должны предшествовать:

— агроклиматическая оценка
потенциальных возможностей формирования урожая в отдельных регионах;

— выяснение и обоснование
необходимости перечисленных мероприятий;

— прогноз их эффективности (оценка
прироста урожая по отдельным культурам).

Цели и задачи исследования 

Cоставить  математическую модель прогноза технико-экономической
энергоэффективность для создания микроклимата солнечной
теплицы траншейного типа. На основе решенной математической модели с
использованием геоинформационной системы составить климатическую карту
районирования и разработать номограмму оптимального микроклимата солнечной
теплицы в Туркменистане.

Для достижения этих целей  решались следующие задачи:

— исследованы природно — климатические
условия с целью определения возможности круглогодично выращивания различные
сельскохозяйственные культуры  в климатической
зоне Туркменистана;

— изучить агрометеорологические факторы, влияющие на микроклимат
солнечной теплицы по регионам страны;

-составить
математическую модель теплотехнических параметров микроклимата солнечной
теплицы траншейного типа с учетом климатических условии регионов Туркменистана
и на их основе составить районированную климатическую карту и построить
номограмма для прогноза температурного режима солнечной теплицы траншейного
типа для северного, восточного, центрального, юго — западного регионов страны

— рассчитать технико-экономическую энергоэффективность предпосылки
использования традиционных источников топлива для обогрева теплиц зимой и
охлаждения от перегрева теплицы летом  по
регионам Туркменистана  и провести их
сравнительный анализ.

Научная новизна работы заключается
в составленной математической модели теплотехнических параметров микроклимата солнечной
теплицы траншейного типа с учетом агроклиматических условии регионов Туркменистана
и на их основе разработана, составлена климатическая карта районирования и построена
номограмма для прогноза температурного режима теплицы траншейного типа для
северного, восточного, центрального, юго — западного регионов страны.

         1. Основные источники
энергии защищенного грунта

Методология исследования.
Энергетической базой защищенного грунта могут служить лю­бые источники энергии
(рис.1). До недавнего времени ими в ос­новном были природные органические
топлива: уголь, нефть, газ. В настоящее время большое внимание уделяется
возобновляемым источникам энергии (солнца. геотермальным источникам энергии).

Рис. 1. Энергетические ресурсы
защищенного грунта.

Краткий обзор. Например,
в Германии в конце 70 годов: 73 % суммарной площади теплиц обо­гревалось легким
жидким топливом, 18 % —тяжелым, 7 % —твер­дым топливом и 2 % — природным газом
[2]. В Нидерландах топливный баланс иной и 80 % защищенного грунта обогревалось
природным газом [4].

Однако по мере истощения мировых
запасов органического топ­лива, все большее внимание уде­ляется возможностям
использования вторичных теплоэнергоресурсов (ВТЭР), т. е. тепла, которое
является побочным продуктом различных технологических процессов. К таким
процессам отно­сится обжиг клинкера при производстве цемента, тушение кокса,
охлаждение доменных печей, перегонка нефти, охлаждение конден­саторных
установок тепловых и атомных электростанций и т. д.

Перспективными источниками ВТЭР
являются тепловые отходы тепловых и атомных электростанций (ТЭС и АЭС). Дело в
том, что коэффициент полезного действия современных турбоагрегатов не превышает
40%. Следовательно, 60% топлива, затрачиваемого на производство электроэнергии,
полезно не используется. В работе [4] указывается, что суммарный сброс тепла
всеми ТЭС в Советском Союзе составляло свыше 4,19-10⁹ ГДж/год. В 90
годы тепловые отходы ТЭС и АЭС в Европейской части и СНГ  составила 10¹⁰ ГДж/год, что
эквивалентно сжиганию 0,4-10 т условного топ­лива в год. Тепловые отходы ТЭС в
США оцениваются в 56,3х10⁶ т условного топлива: во Франции—13,96-10⁶
т, в Англии — 5,12-10^б т, в Бельгии —3,23-10⁶ т [5].

Следует отметить, что термический потенциал таких
энерго­ресурсов, как правило, весьма низкий. Например, температура воды,
сбрасываемой после охлаждения конденсаторных установок тепловых и атомных
станций, равна (в среднем) зимой 12—15°С, летом 15—25 °С [3,6].

Другим мощным источником ВТЭР являются тепловые
отходы газокомпрессорных станций. Продукты сгорания имеют темпера­туру около
250—300°С, что позволяет получать теплоноситель в виде горячей воды с
температурой 90—130°С.

Большое внимание в настоящее время
уделяется возможностям использования глубинного тепла Земли. СНГ  обладает весьма большими запасами геотермальных
вод (ГТВ). Наи­более перспективными районами, является Кавказ, южная часть
Средней Азии, Западная Сибирь и Камчатка. Температура ГТВ определяется районом
рас­положения источника (скважины) и варьирует от 35 до 90 °С.

Накоплен положительный опыт по
использованию ГТВ в защи­щенном грунте. В частности, на Камчатке на Паратунском
место­рождении ГТВ (температура 80—90°С) построен тепличный ком­бинат [4]. В
пригороде г. Махачкала (Тернаир) подземная вода с температурой 63 °С
используется для обогрева парников и теп­лиц. Теплично-парниковые хозяйства,
обогреваемые термальной водой, построены в городах Циами и Охурей [2-5].

Аналогичные исследования проводятся
и за рубежом. Во Фран­ции [2-5] для обогрева теплиц используется термальная
вода с температурой 69 °С, получаемая из скважины глубиной 1800 м. Дебит
скважины 2000 м³/ч. В работе [4] указывается, что такой источник тепла
позволяет обогреть 10 га зимних теплиц. В Венгрии в 1974 г. термальными водами
обогревалось 50 га теплиц и 100 га теплофицированного грунта [5]. Запасы ГТВ в
Чехословакии оцениваются в (3, 5… 4) 
10⁶ кВт [2-5].

Другая возможность использования глубинного тепла
Земли заключается в вентиляции глубоких шахт. Например, в работе [2-6]
указывается, что в США имеется около 200 тыс. не эксплуа­тируемых шахт и других
подземных выработок, температура воз­духа в которых равна 10—18 °С.
Эксперименты по обогреву теп­лиц от такого источника тепла дали положительные
резуль­таты [2-9].

При использовании традиционных
источников энергии происхо­дит интенсивное загрязнение окружающей среды. В
меньшей сте­пени это явление наблюдается при утилизации ВТЭР и глубинноготепла
Земли. Поэтому, наряду с изысканием и освоением новых месторождений природного
топлива и интенсификацией использо­вания вторичных энергоресурсов и
геотермальных вод, большой практический интерес представляют поиски и освоение
так называемых «чистых» источников энергии, т. е. таких источников, ис­пользование
которых не приводит к загрязнению окружающей среды.

К «чистым» источникам энергии можно
отнести климатические ресурсы и, прежде всего, солнечную радиацию. Известно,
что на поверхность Земли поступает около 7,5 10¹⁷ кВтч солнечной
энер­гии в год. Примерно половина ее расходуется на испарение, около 1 %
аккумулируется растениями. Таким образом, количество энер­гии, которое в
принципе может быть полезно использовано, состав­ляет около 4 10¹⁷кВт-ч
в год. Чтобы наглядно оценить эту вели­чину в Туркменистане приведено на карте см.
рис.2. и энергетический
потенциал ВИЭ огромен и  составляет:
Солнца — 4·10¹⁵ кДж или 1.4 ·10⁹ т у.т.  в год; ветра — 640 ·10⁹ кВт ч в
год;  геотермальных вод —
2,5 млн. т у.т в год, кроме того
еще достаточно энергия биомассы и малых рек.

Применение солнечной энергии для
обогрева защищенного грунта осуществляется двумя путями. Первый основан на
особен­ности светопрозрачного ограждения пропускать солнечную радиа­цию в
культивационное сооружение в препятствовать выходу теп­ловой энергии наружу.
Иными словами, культивационное сооруже­ние является ловушкой для солнечной
энергии.

Рис.2. Солнечный радиационный
баланс ккал/см2 год.

Основным недостатком этого способа
является отсутствие воз­можности для накопления энергии. Поэтому второй путь
исполь­зования солнечной энергии для обогрева защищенного грунта пре­дусматривает
создание специальных конструкций, позволяющих не только улавливать, но и
аккумулировать солнечную радиацию. Основные результаты исследований в этой
области изложены в ра­ботах [3-8,12-14].

На тепловой режим защищенного
грунта большое влияние ока­зывают такие климатические факторы, как температура
воздуха и скорость ветра. Затраты энергии на обогрев культивационного
сооружения находятся в прямой зависимости от этих факторов. Таким образом,
формирование теплового режима в значительной степени определяется
климатическими ресурсами.

Материалы и методы

2. Климатическое районирование
защищенного грунта 

Метод исследования.
Цель агроклиматического районирования, как известно, состоит в оценке
благоприятности природно-климатических характеристик террито­рии для того или
иного объекта сельскохозяйственного производ­ства. В данном случае речь идет о
целесообразности размещения защищенного грунта в разных климатических районах
Туркменистана.

К основным характеристикам климата,
как уже указывалось, относятся температура и влажность воздуха, солнечная
радиация и скорость ветра. Температура воздуха и скорость ветра опреде­ляют в
холодное время года с учетом теплопотери культивационного соору­жения и затраты
энергии на его обогрев. От интенсивности сол­нечной радиации зависит
освещенность в культивационном соору­жении. Как известно, зимой, особенно в
северных районах страны в Дашогузском велаяте (области), естественная
освещенность является лимитирующим растениевод­ство фактором. В теплое время
года температура воздуха и сол­нечная радиация являются причиной перегревов.

Соответствие климата
технологическим и энерготехническим требованиям защищенного грунта можно
количественно оценить с помощью микроклиматических критериев (освещенность
солнеч­ной радиацией и температура воздуха в культивационном сооруже­нии),
энергетических показателей (расходы энергии на обогрев, длительность
отопительного периода) и конструктивных характе­ристиках (мощность отопительной
системы, производительность вентиляционных устройств).

Климатическое районирование
защищенного грунта изучали М. Т. Гликман и С. С. Клинникова, Н. И. Гаврилов, М.
А. Миронов, Д.А. Куртенер, А.Ф. Чудновский [2-6] и др.. В работах туркменских
ученных [3,5-14] осуществлен анализ расходов тепловой энергии на отопление
зимних теплиц в различных климатических зонах страны. В частности, из выпол­ненных
расчетов для однослойных стеклянных солнечной теплиц получено, что расход тепла
в долях единицы изменяется по территории Туркменистана в ши­роком диапазоне: в
южном 35^о08^´до северных 42^о 48^´.

Довольно четкая связь наблюдается
между географическим по­ложением пункта и продолжительностью отопительного
периода, начало и конец отопи­тельного периода приняты моменты перехода средней
суточной температуры воздуха весной и осенью через 15°С; за единицу при­нята
продолжительность отопительного периода в разные и рав­ны от 120 до 151 дням. В
южных районах продолжительность отопительного периода существенно короче и
коэффициент  равен  0,61.

Разработка, создание и исследования
энергетических параметров солнечной теплицы для выращивания сельскохозяйственных
 культур.

         Все
большее практическое значение приобретает решение задач, направленных на
теплофизическую достоверность расчетов, характеризующих процессы формирования
энергетических режимов в сельскохозяйственных производственных зданиях, на
улучшение теплозащитных качеств ограждающих конструкций и совершенствование
систем отопления и вентиляции этих сооружений.

         Учеными
проделана большая научно — исследовательская работа по расчету и испытанию
различных культивационных сооружений.

         Во
всех этих работах в той или иной форме разрабатывалась математические модели, и
рассчитывались тепловой режим наземных теплиц.

Но среди трудов нет ни одной
разработки, которую можно было бы непосредственно использовать для расчета солнечной
теплицы траншейного типа. Процесс теплообмена в наземных теплицах существенно
отличается от теплообмена, происходящего в траншейной теплице, так как боковые
стены траншеи с грунтовым массивом обладают большой инерционностью.
Естественно, это будет влиять на формирование микроклимата: температурно —
влажностного, радиационного и режима освещенности теплицы[6-12].

 С углублением траншеи появляется
неоднородность освещения почвы и стен, что в свою очередь, усложняет задачу
расчета. Для реализации разнообразных задач (проектирования, районирования, экономических
расчетов и научных исследовании), необходимо прогнозировать возможный уровень
параметров микроклимата теплиц траншейного типа при различных наружных
климатических условиях. Знание энергетических возможности не отапливаемых культивационных
сооружении позволит проводить их районирование на территории Туркменистана, существенно
отличаются друг от друга природно-климатическими условиями.

В отличие от наземных теплиц, в
траншейных теплицах вводится понятие коэффициента траншейности, который
определяет углубление теплицы в почву, отношением площади стен к площади почвы.

Физическая
модель тепловых процессов, происходящих в солнечной теплице траншейного типа,
принятая расчетная схема теплотехнического баланса приведена на рисунке 3.

Рис.3.
Одномерная расчетная модель теплотехнического баланс солнечной теплицы
траншейной теплицы.

Расчет теплового баланса солнечной
теплицы траншейного типа выглядит как система уравнений теплового баланса для
культивационного сооружения воздушного пространства для промежутка времени d

 c учетом обогрева
можно записать в следующем виде:

 (1) 

где
dQ_об
—
тепловыделение системы отопления;  — поток тепла солнечной радиации, поступающей в
культивационное сооружение;  dQ_в.т  — количество тепла, отдаваемое окружающей
среде в результате  воздухообмена и
теплопередачи через ограждения; dQ_ст 
= dQ*_ст   + dQ⁰_ст  — поток тепла в стенку; dQ_п  = dQ_п^*  + dQ_п⁰  — поток тепла в почву,  dQ^*_{п (ст)} , dQ_п
(ст)⁰     — поток тепла
на освещенную и неосвещенную части стенки и почвы; dQ_а— поток тепла,
аккумулируемый в воздухе за время d ; dQ_р  —
поток тепла на растительный покров ( при условии, если теплица с растениями ).

Теплового баланса поверхности почвы
для освещенной и неосвещенной частей, при отсутствии растительного покрова,
имеет вид, и записывается отдельно:

dQ^*_п  = dQ

_п  — dQ^*л_п–dQ^*к_п
– dQ^*л_п       ( 2
);

dQ^о_п  =  dQ^рс_п
+ dQ^ол_п + dQ^ок_п + dQ^ои_п(
3 );

где dQ

_п— суммарный
поток тепла приходящей солнечной радиации в почву; dQ^рс_п
— поток тепла приходящей рассеянной радиации на неосвещенную часть почвы; dQ^и_п
— поток тепла излучаемого почвой; dQ^и_п— затраты тепла на
испарение; dQ^к_п — поток тепла, конвективный тепловой
поток почвой на поверхностью почвой; dQ^кон_п—
конденсированного  тот же промежуток
времени d

, здесь индексы; » п «, » * «, » о
» — соответственно почвы, освещенной и неосвещенной поверхностей.

Уравнение теплового баланса
поверхности стенки записывается аналогичным образом, как уравнение теплового баланса
для почвы, освещенной и неосвещенной ее части, иметь вид:

dQ^*_ст    =   — dQ^*л_ст–dQ^*к_ст–dQ^*и_ст         ( 4 );

dQ^о_ст    = dQ^рс_ст  — dQ^ол_ст–dQ^ок_ст–dQ^окон_ст (
5 );

dQ^*и_ст 0  — не учитывали.

Уравнение теплового баланса ограждения можно
записать в следующем виде:

dQ_огр    = dQ^л_в + dQ^к_в
+ dQ^кон_в  + dQ^р(с)_пог   — dQ^л_н–dQ^к_н
– dQ^и_н ( 6 );

Ясно, что при кратковременных периодах осадков
учитывать dQ^и_н нет смысла.                                                                                                                                                                                     

Здесь dQ^р(с)_пог   — поток тепла солнечной радиации,
поглощаемой стеклом. Индексы » н » и » в » — обозначают
наружную и внутреннюю поверхности ограждения.

Подставляя найденное решение интегрального уравнения  в решение первой задачи (1), получим искомый
результат формулы:

  
(7).

Математическая модель определения
температуры листа растений в солнечных теплицах. Температура
листа взаимосвязана с воздушным пространством, гелиосооружением и внешней
средой, в связи с этим в математическую модель введено уравнение теплового
баланса листа в виде:

С учетом приведенных сложного балансового уравнении
температуры листа (8) можно составив упрошенное балансовое уравнение:

 
(9 ).

   Проделав
ряд математические преобразовании, получим формулу для определения температуры
листа:

                                                         (10).

При экспериментальном исследовании
температурного режима листа наблюдается следующая картина — на температуру
растительного покрова, в основном, влияет солнечная радиация. В летний период
теплица затенялась и там, где освещение было неравномерным, и лучи солнца не
попадали на листья дынного дерева, там температура была выше или равна
температуре воздуха, это видно на рисунке 4.

Научный результат.
На основании решении и сравнения уравнений сложно и упрошенной математической
модели теплотехнических параметров использовали методы прикладной
математической статистики. С помощью регрессивного анализа осуществлялось
построение зависимости между факторами экспериментального материала по
температурному режиму в теплице, наружного воздуха и других параметров.  Анализ данных, показал, что полученные
результаты расчета по формуле (8) и (10) адекватно воспроизводят результаты
эксперимента, причем наиболее точный расчет дает формула (8) с ошибкой
аппроксимации 12.35%, а по формуле (10) ошибка составляет 23.11% .

Рис.
4. Температурный режим листа и воздуха в теплице: 1
– температурный режим листа рассчитанный по формуле 8; 2 — температурный режим
листа рассчитанный по формуле 10; 3 — температурный режим (эксперимент); 4 —
температурный режим воздуха в теплице; 5 — температурный режим наружного
воздуха;  6 – температурный режим плода
дынного дерева.

На основе научно-обоснованных  теоретических, практических расчетов и
полученных результатов математической модели с учетом геоинформационных систем разработана,
составлена климатическая карта районирования, номограмма для определения
средней температуры воздуха в теплице траншейного типа в зависимости от
количества солнечной радиации, для конкретного случая. Суммарная  солнечной радиации зафиксирована в пределах
от 0 — 30 000 Вт/ м²  мес.,
при коэффициенте ограждения F₁ /F₂  = 1.1, скорость ветра меняется в зависимости
от времени года и естественно конвективный теплообмен по регионам Туркменистана
[5-7].

Результаты составленной номограммы
по регионам Туркменистана приведены на рис.5(а,б,в,г).

На основании научно обоснованных
результатов, экспериментальных исследований и полученных данных с
использованием элементов геоинфармацинных систем (ГИС) составлена карта
районирования средней изотермы наружного воздуха и гелиотеплицы траншейного
типа  в июле (отмечены черными цветом), в
январе (красным) месяце по регионам Туркменистана, смотрите рис.6 и 7.

Рис.
5. Номограмма для определения температур воздуха в теплице в зависимости от
количества солнечной радиации в областях Туркменистана: а-Ахалской области; б-
Балканской области; с- Дашогузской области; д- Лебапской области.

Рис.6.
Карта средняя изотерма наружного воздуха и гелиотеплицы траншейного типа
(черным)  в июле по регионам
Туркменистана.

Рис.7.
Карта средняя изотерма наружного воздуха и гелиотеплицы траншейного типа (красным)  в январе по регионам Туркменистана.

Результаты и
обсуждение

3. Физические и технические
возможности экономии тепловой энергии

Научная аргументация. Защищенный
грунт, было отмечено выше, является весьма энергоемкой отраслью
сельскохозяйственного производства. Для примера укажем, что для обогрева 1 га
зимних стеклянных теплиц требуется около 5000 кВт. В этой связи большой
практический ин­терес представляет изыскание эффективных путей снижения рас­ходов
тепла на обогрев теплиц.

Накопленный наукой и практикой опыт
показывает, что для достижения указанной цели имеются следующие возможности:

·       
повышение термического сопротивления
ограждающих кон­струкций при сохранении высоких оптических свойств в биологи­чески
активной области спектра;

·       
снижение воздухопроницаемости
ограждения, что приводит к сокращению расхода тепла на нагревание
инфильтрирующегося в теплицу воздуха;

·       
уменьшение объема культивационного
сооружения и сокра­щение площади ограждающих его конструкций;

·       
рациональное распределение источников
тепла в воздушном пространстве культивационного сооружения;

·       
создание условий для максимальной
аккумуляции солнеч­ной энергии.

Рассмотрим, что может дать практическая реализация
этих возможностей [5-7].

Влияние термического
сопротивления ограждающих конструк­ций на теплопотери.
Оценку термического сопротивления ограж­дающих конструкцийR
можно осуществить по следующей фор­муле:

где R_B
и R_н
— сопротивления теплопереходу на внутренней и на­ружной поверхностях
ограждения;

и

— соответственно тол­щина и коэффициент
теплопроводностиi-го
слоя.

Из формулы (11) видно, чтоR
слагается из собственного термического сопротивления R_T,
определяемого толщиной ограж­дения и теплопроводностью материалов, из которых
оно состоит, а также из сопротивлений теплопереходу на внутренней и наруж­ной
поверхностях R_B
и R_H.

Рассмотрим физические и технические
возможности увеличе­ния термических сопротивлений R_B,R_т
и R_н. Расчеты
показывают, что существенное увеличениеR_T
дает применение ограждающих конструкций из двух светопрозрачных тонких стенок,
разделенных воздушным промежутком. Например, при реализации такого ог­раждения
из силикатного стекла R_т
возрастает в 40 раз по срав­нению с термическим сопротивлением однослойного
ограждения. Расход тепла сокращается на 30 % [5-12].

Однако в слу­чае применения
многослойного ограждения заметно ухудшается световой режим в культивационных
сооружениях, так как проз­рачность такого ограждения уменьшается в 1,2—1,3
раза. По­скольку во многих районах освещенность культивационного соору­жения
является лимитирующим развитие растений фактором, то такой способ увеличения
собственного термического сопротивле­ния ограждения нельзя считать перспективным.

Один из путей решения задачи
повышения термического сопро­тивленияR_T
при сохранении высокой прозрачности ограждения ср базируется на фотопериодизме
растений. Он реализуется с помо­щью динамического процесса, при котором

 
(12)

Этот процесс осуществляется весьма
просто. В ночное время применяются временные теплозащитные укрытия типа штор,
кото­рые днем убираются. Расчеты показывают, например, что в теп­лице с
однослойным стеклянным ограждением

  =
0,005 (м²°С)/Вт, а

  =
0,2 (м² °С)/Вт.

Применение теплозащитных штор
только в ночное время поз­воляет экономить значительные количества тепла. В
работе [4] указывается, что суточные теплопотери в этом случае сокращаются на
20—25 %. В Швеции таким путем удается снизить расход топ­лива на 35—40 % [2-4].

Исследованию и разработке
теплозащитных штор и укрытий посвящено большое число публикаций. Обзор их
сделан Н. А. Нестругиным [7]. Остановимся кратко на некоторых оригинальных
конструкциях. В ФРГ [6] для изготовления теплозащитных эк­ранов создана пленка
с воздушными ячейками. Ячейки имеют по горизонтали диаметр: 5, 10 и 30 мм при
высоте соответственно 3, 4 и 8 мм. Предложено также применять пленочные рукава
в ка­честве теплозащитного экрана. С помощью вентилятора небольшой мощности в
эти рукава подается воздух. Они надуваются и плотно прилегают друг к другу,
образуя у внутреннего ограждения теп­лицы сплошную воздушную подушку. Такой
теплозащитный экран позволяет снижать теплопотери на 35—40 % [7, 8].

Итак, мы рассмотрели основные пути
регулирования величины R_T.
Перейдем теперь к анализу возможных способов воздействия на термические
сопротивления R_в
иR_н.
Эти величины можно опре­делить по формуле (8.3.3)

Rj  = 1/α^j_л + 1/ α^j_к,       j =в,н   (13)

где α^j_л
и α^j_к
— коэффициенты теплоотдачи излучением и конвек­цией, индексы «в» и «н»
обозначают внутреннюю и наружную по­верхности. Целенаправленное изменение
коэффициентов j =в,н   являющихся, главным образом, функциями
температур­ных напоров и скоростей движения воздуха, весьма затрудни­тельно.
Для регулирования величин α^j_л
имеются определенные возможности. Дело в том, что α^j_л
зависят от лучистых характери­стик светопрозрачных материалов. Применяя для
изготовления ограждающих конструкций материалы с определенными лучи­стыми
характеристиками, представляется возможным целенаправ­ленно изменять величины α^j_л
следовательно и Rj.

Детальный анализ эффективности
такого пути регулирования термических сопротивлений осуществлен в работе [5].
Очевидно, что значения α^j_л
уменьшаются, если относительный коэффициент теплового излучения е убывает, а
коэффициент отражения длин­новолнового лучистого потока возрастает. Авторами
работы [2-5] проведен расчет ночного термического режима в неотапливаемом
культивационном сооружении при различных сочетаниях ε_j, (j =в,н). Результаты расчета (рис. 8)
показывают, что наименьшая температура наблюдается при ε_в
= ε_н
=0.95.
(ограждение из обычного стекла). Существенно повышается температура при ε_в
= ε_н
=0.25.
Этот вариант соответствует применению в ограждаю­щих конструкциях стекол, обе
поверхности которых покрыты плен­кой из двуокиси олова.

Наибольший термический эффект наблю­дается
при ε_в
= ε_н
=0
(ограждение с идеальными селективными свойствами). В работе [2-5] показано, что
в отапливаемых культи­вационных сооружениях с идеальными селективными
свойствами ограждающих материалов расходы на обогрев можно снизить на 13—50 %,
а при применении стекла, покрытого пленкой двуокиси олова, — на 9—36 % по
сравнению с сооружениями из обычного стекла.

Рис.
8. Зависимость тем­пературы воздуха в теплице Тввот оптических свойств
ограждения ε_в, ε_н и темпе­ратуры наружного воздуха Тн.
При условиях: ε_в = ε_н = 0; ε_в = ε_н = 0.25; ε_в = ε_н = 0.95.

При расчетах условиях уравнения регрессии и
коэффициент корреляция равен:

ε_в
= ε_н
=
0; y = 1,4445x + 7,4307; R² = 0,9982

ε_в
= ε_н
=
0.25; y = 1,1758x + 15,042; R² = 0,9997

ε_в
= ε_н
=
0.95; y
= 1,0303x
+ 19,947; R²
= 0,9994;

Как видно коэффициент корреляции
колеблется от 0,9982 до 0,9994 это оценивает очень высокую взаимосвязь.
Уравнения регрессии выравнивает теоретическую и эмпирическую линию температуру
наружного и внутреннего воздуха в теплице при различных оптических свойствах
ограждения. 

Влияние объема культивационного
сооружения и площади его ограждения на теплопотери. Объем
культивационного сооруже­нияVи площадь его
ограждения Fогр
определяются через коэффи­циенты объема ξ 
и ограждения η:

V=ξ  F ,  
Fогр  =  ηF, (14)

Где F
— площадь культивационного сооружения. При F =const величины V и
F_огр
являются линейными функ­циями от ξ 
и  η.
Поэтому влияние объема культивационного со­оружения и площади его ограждения на
теплопотери можно оце­нить, используя зависимость термического режима от
коэффициен­тов ξ  и η. Такой анализ был
проведен в работе [2-4]. На модели нестационарного теплообмена были рассчитаны
значения разно­сти Т_вв— Т_в.

Расчеты выполнялись при различных сочетаниях ξ  и η, характерных для основных типов
культивационных соору­жений: малогабаритных углубленных сооружений (парников),
ма­логабаритных надземных укрытий и теплиц. Для упрощения за­дачи анализ
производился только для ночного времени (q*_р = 0) и при условии,
что теплообмен на границе почва — воздух не про­исходит (q_п
= 0). Кроме того, полагалось, что в начальный мо­мент времени температура
воздуха в культивационном сооруже­нии равна температуре наружного воздуха, т.
е. Т_вв— Т_в = 0, а система отопления характеризуется
весьма малой термоинерци­онностью и работает при постоянной мощности.

В качестве исходных данных принималось также, что R
= 0,17 (м² °С)/Вт, ξ=3ч^-1, q_об=175
Вт/м². Конструктивные характеристики задавались в следующих
сочетаниях: для парников  η = 1, ζ =
0,25; для малогабаритных надземных сооружений 
η = 1,5, ζ = 0,5; для теплицы η = 1,3, ζ = 3 м. Результаты расче­тов
представлены на рис. 9. Они показывают, что в одинаковых метеорологических
условиях и при равенстве удельной мощности отопительных систем температура
воздуха в малогабаритных уг­лубленных сооружениях (парниках) оказывается
значительно выше, чем в малогабаритных надземных сооружениях и в ангар­ных
теплицах.

Рис.
9. Отопительный эффект Δ Т_в парника (1), надземного малогабарит­ного
сооружения(2)
и теплицы (3) при одина­ковой мощности системы обогрева.

Уравнения регрессии, коэффициент
корреляции соответственно равен: 1) парника: y = 87x + 7,2; R² = 0,6847; 2) многогабаритное культивационное
сооружения: y
= 57x
+ 4,2; R²
= 0,7293; 3) теплицы: y
= 45x
+ 2,5; R²
= 0,8248.

Таким образом, как видно графическое представления и
математический анализ сочетание коэффициентов η и ζ, характерное для парников,
можно рассматривать как более предпочтительное в смысле экономии энергии.

Влияние распределения температуры воздуха
в культивацион­ном сооружении на теплопотери. Температурное
поле в воздушном пространстве солнечного культивационного сооружения
определяется рядом факторов, из которых наиболее существенными являются разме­щение
источников тепла, а также условия теплообмена на наруж­ной поверхности
ограждения (в частности, характер воздействия погодных условий). Если источники
тепла распределены в воздуш­ном пространстве неравномерно, то температурное
поле может оказаться неоднородным. Для примера на рис.10показано
экспериментальные исследования рас­пределение температур воздуха по высоте в
солнечной теплице траншейного типа.

Рис.10.
Распределение температуры воздуха по высоте в солнечной теплице:  

Обсуждения результатов
исследования. Как видно из графиков, температура в
теплице с утра, после восхода солнца, начинает подниматься и доходит до
максимума этого дня примерно в 14 — 15 часов, затем резко понижается до 21
часов, затем понижение продолжается плавно до 6 часов утра. Время наступления
минимума температуры зависит от температуры наружного воздуха, а так же от
высоты расположения термодатчика прибора, то есть с высотой раньше наблюдается
снижение температуры воздуха.

  Такой ход
изменения температуры объясняется следующим приход энергии Солнца достигает
своего наибольшего значения к 12 – 13 часам, естественно, в это же время
температура воздуха растет. Затем поступление солнечной энергии уменьшается и
температура воздуха понижается, а плавное понижение температуры в ночное время
происходит за счет с аккумулированной энергии в стенах, почве [5-7].

Температура наружного воздуха в
летнее время снижается плавно и доходит до своего минимума ( 26.3⁰  С) в 5 часов утра. В 14 часов наблюдается
наибольшее значение температуры (37.5⁰  С).

На графике видно, что на высоте
3.56 м наименьшая температура воздуха достигается на один час позднее, чем
снаружи сооружения, что объясняется влиянием с аккумулированной за день энергии
в теплице.

Теплопередача наружному воздуху из
теплицы через наземную часть больше, поэтому показание третьего верхнего
термографа, установленного на высоте 3.56 м, опаздывает на 20 — 30 минут и
достигает наименьшего значения 28.0⁰ 
С, а показание второго, то есть установленного на высоте 1.88 м, имеет
опоздание примерно на 30 — 40 минут и достигает 28.5  С, показание первого, установленного на
высоте 0.2 м, достигает своего минимума 29.5⁰  С через 40 — 50 минут.

Затем с попаданием лучей солнца
внутрь теплицы температура воздуха начинает расти, между 9 и 11 часами утра
подъем температуры идет медленно, это объясняется тем, что лучи солнца начинают
скользить по ограждающей поверхности, а в период с 11 до 13 часов наблюдается
наиболее интенсивный разогрев теплицы. Наибольшего значения показания первого
термографа достигают в 15 часов ( 49.5⁰  С ), второго в 14 часов 40 минут ( 52⁰  С ), третьего в 14 часов 30 минут ( 52.8⁰  С ). Ночью температура воздуха в нижней части
выше, так как боковые стены, почва теплицы начинают отдавать с аккумулированное
за день тепло, теплый воздух поднимается вверх и в результате теплоотдачи через
стекло тепло передается наружу. Поэтому показания термодатчика, установленного
на высоте 3.56 м, на 2 градуса выше, чем у наружного, у второго термографа,
установленного на высоте 1.88 м, на 2.5 градуса, у первого термографа на высоте
0.2 м на 3.5 градуса. Это при минимальном снижении температуры, а при
максимальном повышении температуры в зависимости от наружного воздуха первый
термограф показывает температуру выше на 12⁰  С, второй — на 14.5⁰  С, третий — на 15.0⁰  С выше, чем наружный термограф.

Количественно оценить влияние
неоднородности температур­ного поля на теплопотери можно исходя из следующих
соображений. Суммарные теплопотери Q
можно определить по формуле

Q= С (Т^огр_{в. в}   — Т_в),        (14)

где С — константа; Т^огр_{в. в}—средняя температура
воздуха у внут­ренней поверхности ограждения (разумеется, за пределами погра­ничного
слоя).

Из-за неравномерности
температурного поля значение может значительно превышать температуру воздуха в
среде оби­тания надземных органов растений Т _вв ^(р) (в
рабочей зоне). Так как значение Т _вв ^(р) является
определяющим, то очевидно, что наименьшие теплопотери, а следовательно, и
расходы энергии на обогрев будет иметь место тогда, когда разность Т _вв
^(огр) —  Т _вв ^(р)  бу­дет наименьшая при одном и том же
температурном режиме в ра­бочей зоне. Введем обозначение

β
_т = (Т _вв ^(р) — Т _в )/(Т_вв
^(огр) —  Т_в)      (15).

Тогда формулу (14) можно записать так:

Q = С(Т _вв
^(р) — Т _в )/β   (16).

         Из формулы (16)
видно, что безразмерный параметр р_т мо­жно использовать в качестве
критерия при оценке эффективности того или иного способа организации теплового
режима в культи­вационном сооружении. Чем ближе значение β _т к 1,
тем меньше теплопотери [5-7, 10-12].

Полученные
эмпирические результаты.  На
основе описанных тепло-физических процессов в солнечной теплицы траншейного
типа и применив математические методы получили следующие выражения для
пасмурного дня, падающую прямую солнечную радиацию (I), 
температуры наружного воздуха (Тн),
внутри теплицы (Тв), почвы (Тп) и стен (Тст) на поверхности и в глубине 0,1 см
в виде разложенных ряды Фурье:

Для сопоставлений расчета с
экспериментом рассматривали зимой солнечный день, когда теплица не
отапливалась. При расчете не принимались во внимание испарение с поверхности
почвы, стен, конденсация на стекле и растениях. С начала разложили в рад Фурье
температура наружного воздуха Т_н, прямую солнечную радиацию I.

   Подставив в выражения ( 11 –12 ) Т_н
и I,
получаем зависимости, описывающие температурный режим воздуха, почвы, стен:

Экспериментальный результат. Для
расчета использовались следующие параметры гелиосооружения площадь: почвы
теплицы F_п  = 89 м²
; стен F_ст = 78 м² ; термоэкрана F_от = 89 м²
; прозрачного ограждения F_огр = 196 м². Термофизические
характеристики: коэффициент поглощения стены А_ст  = 0.35; почвы 
А_п = 0.5; коэффициент теплопроводности ограждения К = 5.38
Вт/м²; коэффициент инфильтрации для теплицы со стеклянным
ограждением R =1.2, для термоэкрана из полиэтиленовой пленки r = 1.05;
кратность воздухообмена M = 1.2; при наличии термоэкрана m = 0.8; коэффициенты
температуропроводности для почвы а_п 
= 0.00375 м² /час, стены а_ст  = 0.0018 м² /час; удельная
теплоемкость воздуха с_в  =
1004.8 Дж/кг ⁰ С, стекла с₀  = 837.36 Дж/кг ⁰ С, плотность
воздуха

_в  = 1.1;

_o   = 25000 кг/м .

При сопоставлении экспериментальных данных с
результатами теоретических расчетов рассматривали зимние солнечный и пасмурный
дни, когда гелиотеплица дополнительно не обогревалась. При расчете не
принималось во внимание испарение с поверхности почвы, стен и конденсация на
стенах и растениях. Для практического опыта исследовали использовали
термоэкран в следующих возможных условиях: повышение термического сопротивления
ограждающих кон­струкций при сохранении высоких оптических свойств в биологи­чески
активной области спектра; снижение воздухопроницаемости ограждения, что
приводит к сокращению расхода тепла на нагревание инфильтрирующегося в теплицу
воздуха; уменьшение объема культивационного сооружения и сокра­щение площади
ограждающих его конструкций; рациональное распределение источников тепла в
воздушном пространстве культивационного сооружения; создание условий для
максимальной аккумуляции солнеч­ной энергии [5-7,11-14].

Полученные результаты расчетов температуры воздуха в
солнечный день в теплице приведены:

  без
термоэкрана

Т_в 
= 16.2 + 8.35 cos(
0.26τ + 0.279 ) + 2.8 cos
( 0.52 τ — 0.08 )+ 0.97 cos ( 0.78 τ + 1.42 )       ( 31 );

  с
термоэкраном:

Т_в 
= 21.08 + 7.21 cos(
0.26 τ + 0.279 ) + 2.5 cos
( 0.52 τ — 0.08 )+0.723 cos ( 0.78 τ + 1.42 )                      (32 );

  в пасмурный
день в теплице без термэкрана:

Т_в 
= 4.62 + 2.04 cos(
0.26 τ + 1.38 ) + 0.399 cos
( 0.52 τ — 0.415)+ 0.31 cos ( 0.78 τ — 0.527 )                     ( 34 );

  с
термоэкраном:

Т_в 
= 8.77 + 2.1 cos(
0.26 τ + 1.38 ) + 0.636 cos
( 0.52 τ — 0.415)+0.329 cos ( 0.78 τ — 0.527 )                    (35 );

Результаты графически представлены на рисунке 11.

  Количество
тепла, теряемого в теплице с термоэкраном и без него, было переведено в единицу
стоимости тепла в зависимости от вида источника технического обогрева,
составлена таблица 5.6.

  Отопительный
период в условиях Туркменистана самый минимальный, он составляет 97 дней в
году. Но тем ни менее, затраты составляют значительную сумму. Затраты на
обогрев можно снизить, используя термоэкраны, о чем свидетельствуют
экспериментальные данные 1984 г, приведенные в таблице. В солнечный день с
использованием термоэкрана экономится электроэнергия на сумму 163 руб. 93 коп.
( 127.86 $ ), за отопительный сезон 268.69 руб./год ( 209.58 $ /год ), то есть
экономиться 61 % тепловой энергии, при пасмурном режиме соответственно 13 руб.
43 коп. ( 10.47 $ ), 9.44 % тепловой энергии. Конечно, здесь необходимо
использовать дополнительный подогрев, что будет составлять 0.53 гДж для теплицы
без термоэкрана, 0.47 гДж для теплицы с термоэкраном. Отсюда следует, что
применение термоэкранов в теплицах выгодно с энергетической точки зрения, хотя
это будет усложнять конструкцию сооружения. Наиболее оптимальный вариант
экономии тепловой энергии — это комбинированное использование солнечной энергии
с промышленными теплоотходами, с энергией термальных вод. В результате этого
отпадает необходимость в строительстве котельной, а это дает экономию в размере
около 30 тыс. рублей ( 23.400 $ ) на каждые 1000 м²  теплиц. ( Курс рубля по отношению к доллару
США взят по данным печати 1984 г.).

Рис.11.
Распределение температуры воздуха в теплице в солнечный (а) и пасмурный (б)
дни:

 □ — наружного воздуха;   

— расчет;  

 —  эксперимент;     

 — в теплице с термоэкраном.

        Заключение. Анализирован
на основе имеющейся географически привязанной информации различные
альтернативные варианты для проведения оценки последствий вариантов
проектирования солнечных теплиц, в той или иной области для дополнительного
подбора обогрева зимой, охлаждения от перегрева летом с целью
энергоэффективности   обеспечения и
устойчивого развития региона. Пришли к выводу:

         1. Природно-климатические
условия Туркменистана и возможности выращивание различных сельскохозяйственных
культур в условиях защищенного  грунте, является
энергоемким хозяйством. Решения вопроса удешевления теплофикации и уменьшения
капиталовложений в строительство можно решить, с  использованием возобновляемых источников
энергии; первичные ( солнечную энергию, комбинируя теплоту грунта и геотермальных
вод)и вторичные ( тепловые отходы промышленных предприятий ), а также различные
конструкции теплиц.

          2. Анализ агрометеорологических факторов,
влияющих на микроклимат солнечных теплиц для выращивания сельхоз культур по областям
страны: северный – Дашогузской; восточный – Лебапской; центральный – Ахалской;
юго — западный — Балканской, свидетельствует о том, что для поддержания
комфортного температурного режима ( 18 ⁰ — 22 ⁰ С ) зимой
необходимо количество тепловой энергии по регионам страны: в северном 467.3 —
968.76 МДж; в восточном 131.4 — 342.0 МДж; в центральном 83.5 — 106.2 МДж; в юго-западном
21.1 — 0000 МДж.

В летний период года для
предупреждения перегрева растений и создания оптимального микроклимата для
выращивания дынного дерева необходимо снять тепловой поток; в северном 1051.8 —
1412.0 МВт; в восточном 1593.4 — 1898.6 МВт; в центральном 1536.1 — 2013.7 Мвт;
в юго-западном 1379. — 1736.4 МВт, частично можно достичь с помощью вентиляции
и затенения.

         3. Экспериментальные
исследованные  результаты разработанной  конструкции гелиотеплицы траншейного типа
показывают, что температурно — влажностный режим в летний период отвечал
условиям вынашивания сельхозкультур при выполнении таких агрометеорологических
мероприятий, как затенение, вентиляция, полив и другие. При затенении
температура воздуха в теплице понижается на 3 — 6 градусов по сравнению с
температурой наружного воздуха, при вентиляции и без затенения она выше на 5 —
6 градусов температуры наружного воздуха, температура листьев растений меняется
днем в зависимости от высоты на 0.5 градуса, температура плодов на 0.5 — 0.8
градусов меньше температуры внутреннего воздуха и ниже на 1 – 2 ⁰  от температуры листьев. Ночью температура
воздуха и растений почти одинакова.

         Зимой
температура листьев и плодов меняется в зависимости от высоты растения, чем оно
выше, тем выше и температура.

         4.
Самый благоприятный период для выращивания сельхозкультур является — весна и
осень, так как теплица работает на солнечном обогреве.  По агрометеорологическим факторам наиболее
подходящими регионами Туркменистана для выращивания тропических и
субтропических культур является юго — запад страны; Махтумкулийский, Этрекский,
Гасангулинскиерайоны.

5. Разработанные математические
модели теплотехнических расчетов теплицы траншейного типа для определения
температуры листьев и воздуха адекватно воспроизводят результаты эксперимента и
теории, и дают точность решения в пределах 15 — 23 %.

На основе математических моделей и
разработанной геоинформационной системы карты районирования, составленной
номограммы по регионам страны для прогноза температуры воздуха в теплице, в
зависимости от солнечной радиации по месяцам года. Номограммы найдут свое
применение при проектировании и составления технико-экономического обоснования теплиц
для определения; ввода в эксплуатацию сооружения, мощности обогревателя, необходимые
затраты на тепловой обогрев, охлаждение и так далее. С помощью ГИС карты и
номограммы можно  решить энергетические,
экономические, экологические, социальные вопросы для реализации государственной
продовольственной программы  Туркменистана
и энергосбережения.

6. Приведенные методы расчета, предложенные
средства экономии энергии дают возможность составить график распределения
тепловой энергии по месяцам года, определить стоимость, необходимую для
поддержания оптимальной температуры воздуха в гелиотеплице при различных видах
топлива в течение года. При использовании термоэкрана из полиэтиленовой пленки
достигается экономия средств и снижение теплопотерь за счет уменьшения объема
сооружения.

7. Технико — экономические
показатели, приведенные в работе, подтверждают возможность энергоэффективности,
а также несомненную перспективность и экономическую рентабельность выращивания различных
культур в условиях Туркменистана в условиях защищенного грунта с использованием
возобновляемых источников энергии и промышленных тепловых отходов.