Тепловий режим зимових теплиць з позонним опаленням

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Клімова Ірина Володимирівна

УДК 697.12:628.87

ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ ЗИМОВИХ ТЕПЛИЦЬ

З ПОЗОННИМ ОПАЛЕННЯМ

05.23.03. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Росковшенко Юрій Костянтинович, завідувач кафедри теплогазо-постачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, професор кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури,

кандидат технічних наук Макаров Анатолій Стефанович, старший науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту санітарної техніки і обладнання будівель і споруд.

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ” МОН України (м. Київ).

Захист дисертації відбудеться “20” листопада 2002р. о 13 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. Ауд.466.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.

Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.

Автореферат розісланий “17” жовтня 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., професор О.А. Василенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однією з найбільш актуальних проблем вітчизняної економіки є суттєве зниження витрат енергоносіїв в різних галузях промислового та сільськогосподарського виробництва.

Культиваційні споруди захищеного ґрунту є одними з найбільш енергоємних об'єктів сільськогосподарського призначення. Сучасний рівень витрат енергоносіїв на вирощування тепличної продукції, що склався в агрокомплексі України, значно перевищує відповідні показники аналогічних виробництв у розвинутих країнах світу. Великі витрати палива на обігрів культиваційних споруд зумовлені декількома причинами, основними з яких є низькі теплозахисні властивості скляних та плівкових огороджуючих конструкцій та недосконала робота систем опалення.

У зв'язку з високою вартістю енергоресурсів важливого значення та актуальності набуває розробка нових комплексних рішень, які дозволяють значно зменшити витрати енергії на вирощування овочевої продукції в теплицях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з науковим напрямком кафедри теплогазопостачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури (КНУБА), згідно з науково-технічною програмою “Продовольство-95” Міністерства Агропромислового комплексу України, що присвячена питанням створення та впровадження енергозберігаючих і новітніх технологій при вирощуванні овочевої продукції, а також договорів з підприємствами.

Метою роботи є теоретичне та експериментальне обґрунтування i розробка енергоефективних систем створення теплового режиму в зимових теплицях з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями i позонним опаленням зони вегетації рослин.

Задачі дослідження:

- проаналізувати існуючі системи опалення культиваційних споруд i заходи по зменшенню витрати теплоти на їх обігрів;

- обгрунтувати доцільність використання склопакетів для підвищення теплозахисних властивостей огородження теплиць;

- провести аналітичні i експериментальні дослідження процесу теплопередачі через скляне огородження з підвищеними теплозахисними властивостями;

- проаналізувати взаємодію висхідних конвективних струменів від системи опалення і низхідного конвективного потоку від огородження в об'ємі теплиці;

- розробити методику розрахунку параметрів теплового режиму i системи опалення зони вегетації рослин (позонної системи опалення) в теплиці з огородженням зі склопакетів та з одинарним огородженням i шторним екраном;

- експериментально перевірити ефективність роботи позонної системи опалення в натурних умовах;

- визначити економічну ефективність застосування позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями.

Об'єкт дослідження - тепловий режим у скляних зимових теплицях з позонним опаленням.

Предмет дослідження - система опалення зони вегетації рослин в теплиці з покриттям з підвищеними теплозахисними властивостями.

Методи дослідження - аналітичні i експериментальні дослідження теплового режиму в теплицях з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями, математична обробка результатів досліджень у вигляді емпіричних залежностей.

Наукова новизна одержаних результатів:

- запропонована i експериментально досліджена модель розрахунку поля температури в об'ємi теплиці при опаленні зони вегетації рослин;

- обґрунтована і запропонована залежність впливу товщини повітряного прошарку, кута нахилу склопакета на опір теплопередачі i визначена оптимальна товщина склопакета для огородження теплиць;

- визначена доцільність використання шторного екрану під покриттям теплиці і отримані експериментальні залежності температурного режиму в об'ємі теплиці при його застосуванні.

Практичне значення одержаних результатів. Результати експериментальних досліджень огороджуючих конструкцій теплиці з підвищеними теплозахисними властивостями, а також результати дослідження позонної системи опалення теплиці з регулюванням температури внутрішнього повітря залежно від висоти росту рослин упроваджені в типовому проекті “Енергозберігаюча теплиця площею 1 га” У 810-1-39.94, який був випущений Інститутом споруд штучного клімату Міністерства Агропромислового комплексу України. Впровадження запропонованих заходів дає змогу знизити витрати газового палива на опалення тепличних споруд в середньому на 40...45% в теплицях склопакетної конструкції з позонним опаленням і на 15...20% в теплицях при періодичному використанні шторного екрану в порівнянні з існуючими системами опалення в скляних блокових теплицях.

Розроблені в дисертації методи розрахунку і методики впроваджені на агрокомбінаті “Пуща-Водиця” при переобладнанні системи опалення діючої промислової теплиці площею 0,1 га. В результаті переобладнання системи опалення заощадження теплової енергії склало 324 ГДЖ за рік. Досягнуто річний економічний ефект при експлуатації означеної теплиці 5293 грн.

Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Автору належать теоретичні обгрунтування застосування позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями, запропонована модель розрахунку поля температури по висоті теплиці, розроблена методика розрахунку параметрів теплового режиму і системи опалення зони вегетації рослин, проведені експерименти і оброблені експериментальні дані по визначенню впливу товщини повітряного прошарку i кута нахилу на опір теплопередачі склопакета i по ефективності застосування шторного екрану в теплиці з позонним опаленням.

Апробація роботи. Основні результати і окремі положення роботи доповідалися на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва i архітектури (м. Київ, 1996 - 2001р.р.), на наукових семінарах Інституту споруд штучного клімату (м. Бровари, 1994 - 1997р.р.), на науково-технічному семінарі “Енергоефективні технології у будівництві та комунальному господарстві” Придніпровської Державної Академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, 1999р.)

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 5 друкованих праць у фахових виданнях.

Обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків; викладена на 157 сторінках машинописного тексту, містить 50 рисунків, 19 таблиць, список використаної літератури з 102 найменувань, 8 сторінок додатків, загальний обсяг роботи 174 сторінки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність проблеми ефективного використання енергоресурсів при опаленні зимових теплиць, сформульована мета і визначені задачі досліджень, приведені положення наукової новизни i практичної цінності роботи.

У першому розділі наведено аналітичний огляд літературних джерел та наукових робіт, в яких йдеться про енергозберігаючі рішення в спорудах закритого грунту.

Аналіз робіт Л.М. Ануфрієва, Г.М. Позіна, В.К. Федорова, Д.О. Куртенера, О.М. Агаркової, Ю.М. Бєлікова, П.П. Іваненка, А.А. Худенка, В.А. Ткаченка, Ю.К. Росковшенка, І.Є. Маркова, О.Г. Єгіазарова, В.І. Горези, Б.Х. Драганова, В.Г. Зуєва, В.О. Потапова та ін. дозволив виявити основні тенденції в теплицебудівництві, визначити найбільш прогресивні конструкції і системи забезпечення необхідного температурного режиму в теплиці.

Відзначено, що витрати на обігрів теплиць складають 65...70% всіх експлуатаційних витрат.

Великі витрати теплоти в теплицях зумовлені в основному низьким опором теплопередачі огороджуючих конструкцій, підвищеною iнфiльтрацiєю зовнішнього повітря через нещільності огородження, нераціональною дією систем опалення. Розташування більшої частини трубопроводів системи опалення у верхній зоні споруди, що властиве майже для всіх зимових теплиць на території України, побудованих за типовими проектами 810-99, 810-1-8.83, 810-1 - 12.86, 810- 1- 13.86 та ін., призводить до встановлення підвищеної температури під покрівлею та нерівномірного розподілення температури по висоті в об'ємі споруди, що несприятливо впливає на зріст рослин, а також зумовлює збільшення тепловтрат через покрівлю теплиці.

Для збільшення опору теплопередачі огороджуючих конструкцій різними авторами пропонується використовувати подвійне скляне огородження теплиці, скляне огородження з плівковим покриттям, виконувати бічні і торцеві огородження зі склоблоків або коробчатого склопрофіліту, використовувати для покриття теплиці жорсткі і напівжорсткі полімерні вироби з макролону, меркону, термокліру, застосовувати теплозахисні екрани з полімерних плівок, нетканого полотна.

Використання огородження теплиці з подвійного засклення з герметизованими повітряними прошарками (склопакетів) дозволяє скоротити розрахункові тепловтрати через покриття порівняно з одинарним склінням від 45% до 55%. Нами був проведений розрахунок додаткових витрат, пов'язаних з монтажем подвійного засклення, та розрахунок коефіцієнту пропускання світла через склопакет, який довів, що додаткові вкладення будуть окуплені протягом 3...4 років, а коефіцієнт світлопропускання задовольняє вимогам до світлопрозорості матеріалів для огородження теплиць.

Для подальшого дослідження були розглянуті види склопакетів, їх теплотехнічні характеристики, засоби підвищення теплоізоляційних якостей склопакетів.

В результаті проведення техніко-економічного аналізу було встановлено, що використанню склопакетів з підвищеними теплоізоляційними властивостями та склопакетів закордонного виробництва перешкоджають їх високі ціни. Тому для подальшого дослідження обрано склопакети вітчизняного виробництва зі скла, яке застосовується для покриття теплиць, з герметизованим повітряним прошарком.

Було визначено, що дані з найбільш ефективної товщини повітряного прошарку, з точки зору теплозахисних якостей, коливаються у різних авторів з 10 мм до 25 мм (при вертикальному положенні склопакета). Дані для коефіцієнту теплопередачі склопакетів в похилому положенні Б.Ф. Васильєвим запропоновано знаходити методом інтерполяції даних між вертикальним і горизонтальним положенням склопакетів. За даними СНиП II-3-79* величина опору замкнених повітряних прошарків у горизонтальному i вертикальному положеннях однакова. Німан i Ван-дер-Хельд досліджували вплив кута нахилу (0о, 45о, 90о) на коефіцієнт конвективного теплообміну повітряних прошарків, якi застосовуються в будівництві для теплоізоляції огороджуючих конструкцій. Однак у висновках не врахована товщина повітряних прошарків. Оскільки більша частина огороджень блокових теплиць (близько 90%) встановлена похило, для розрахунку тепловтрат через покриття, потрібно визначити коефіцієнт теплопередачі склопакету під кутами нахилу, властивими огородженням теплиці, i вибрати склопакет з найбільш ефективною товщиною повітряного прошарку.

Для збільшення опору теплопередачі огороджуючих конструкцій в часи відсутності інсоляції доцільно використовувати шторні екрани. При періодичному їх використанні тепловтрати зменшаться на 20... 30%.

Аналіз розподілення температур при різних видах обігріву, за даними Л.М. Ануфрієва, Д.О. Куртенера показав, що при нижньому обігріві (біля 60% опалювальних приладів) температурне поле в теплиці по розподілу температури по висоті можна характеризувати як більш сприятливе, ніж при верхньому обігріві. При існуючих системах обігріву тепличних споруд температура внутрішнього повітря в усьому об'ємі підтримується в межах 20...35 оС. Застосування подвійного або одинарного засклення зі шторним екраном дозволить значно підвищити опір теплопередачі огородження. За таких умов можливо зменшити температуру внутрішнього повітря під покрівлею теплиці і забезпечити опалення тільки зони вегетації рослин (позонна система опалення), поступово збільшуючи висоту цієї зони зі зростом рослин. Дані для розрахунку позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями відсутні.

На основі аналітичного вивчення літературних джерел визначено коло невирішених питань, сформульовані задачі i напрямки досліджень.

У другому розділі проаналізовано процес теплообміну через подвійне скляне огородження з повітряним прошарком. Для визначення впливу товщини повітряного прошарку на теплопередачу спочатку розглядався склопакет у вертикальному положенні. Перенесення теплоти в такому прошарку залежить від температур обмежуючих стінок t1, t2 і товщини прошарку dп.п. і відбувається теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Для подальшого дослідження впливу кута нахилу на теплопередачу через склопакет було теоретично визначено, чи має вплив конвективний рух повітря в обраних нами для досліду товщинах повітряного прошарку (8...24 мм) при розрахункових температурах внутрішнього і зовнішнього повітря. За даними М.О. Міхєєва, якщо добуток GrPr > 1000, то конвективна складова впливає на теплопередачу через склопакет.

Для розрахунку зазначених критеріїв були аналітично визначені температури обмежуючих повітряний прошарок поверхонь (стінок склопакету). Температури скла t1, t2 були визначені з системи рівнянь для стаціонарного теплового потоку через світлопрозору конструкцію рис. 1. де tв, tз - відповідно температури внутрішнього i зовнішнього повітря oC; Rв, R1, Rп.п, Rо - термічні опори відповідно конвективному теплообміну біля внутрішнього скла, шару скла, повітряного прошарку, огородження з подвійного засклення, м2оС/Вт.

При визначенні температури скла t1 і t2 були розраховані значення теплового потоку q, опору теплопередачі повітряного прошарку Rп.п та огородження Rо за допомогою введення еквівалентного коефіцієнту теплопровідності lек повітряного прошарку. Після проведення відповідних перетворень були визначені температури обмежуючих повітряний прошарок поверхонь i розраховані значення добутків критеріїв Грасгофа i Прандтля, якi склали для склопакета з товщиною повітряного прошарку 8 мм - GrPr = 1100, 24 мм - GrPr = 50500, що доводить про вплив конвективного руху на теплопередачу при змiнi кута нахилу склопакета.

Для отримання даних по впливу кута нахилу склопакету на теплопередачу через нього з урахуванням залежності Нiмана для еквівалентного коефіцієнта теплопровідності був розрахований тепловий потік через повітряний прошарок при різних його положеннях за формулою

Вт/м2 (3)

де lп , dп.п. - коефіцієнт теплопровідності i товщина повітряного прошарку, Вт/(моС), м; - коефіцієнти значення яких встановлено Німаном для кутів нахилу 0о, 45о, 90о. Для інших кутів нахилу дані для розрахунку теплопередачі потрібно визначити експериментально i порівняти з теоретичними розрахунками.

В другому роздiлi також обгрунтовано застосування шторного екрану під покриттям теплиці з одинарного скляного огородження. Для дослідження була вибрана повiтропроникнена тканина, яка відповідала вимогам до матеріалів шторних екранів i запобігала появі конденсату на внутрішньому огородженні теплиці. Ефективність роботи такого екрану перевірялася в експериментальних i виробничих умовах.

В третьому розділі на основі розгляду моделі взаємодії конвективних потоків в об'ємi споруди була складена методика розрахунку позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями.

При обiгрiвi повітря теплиці трубами водяного опалення над поверхнею трубопроводів здіймаються теплі висхідні конвективні потоки повітря, якi взаємодіють з низхідними охолодженими потоками від огородження.

Для регулювання висоти опалюваної зони за допомогою системи опалення, з метою створення i підтримання необхідних параметрів в зоні росту рослин, в нижній зоні споруди (надгрунтовій) i у верхній зоні - (пiдпокрiвельній) було визначено основні параметри теплої струмини: максимальна швидкість на осі струмини umос, середня швидкість у поперечному перерізі струмини uср, середня та максимальна надлишкова температури в струмені Dtср, Dtmос; i параметри охолодженого конвективного потоку, який утворюється від покриття теплиці: максимальна швидкість в перерiзi umх*, надлишкова температура на осі tmх*, при розрахунковому режимі роботи системи опалення (рис.2).

Для розрахунку температурного поля в об'ємі теплиці використовувався метод I.О. Шепелєва з урахуванням дії гравітаційних сил. Задача розрахунку полягала в тому, щоб визначити інтенсивність теплообміну в зоні струмини i в знаходженні координати зустрічі теплої струмини з низхідним конвективним потоком. Щоб виключити напрямок змішаного потоку донизу, кінематичний імпульс струмини у мiсцi зустрічі повинен бути більшим за імпульс конвективного потоку, що розповсюджується донизу

де (4)

де - довжина холодної струмини, м; umос - максимальна швидкість на осі струмини, м/с; umх* - максимальна швидкість холодного потоку в перерiзi Х*, м/с; h зуст - координата зустрічі теплого і холодного конвективних потоків, м.

Для знаходження координати зустрічі теплої і холодної струмини і подальшого визначення потужності системи опалення знаходилася допустима довжина холодного потоку з умови рівняння осьової швидкості теплої струмини i холодного потоку де ек, s - коефіцієнти для розрахунку неізотермічних струмин; r - коефіцієнт поля швидкостей; qк - конвективний тепловий потік на внутрішній поверхні огородження, Вт/м2; uср - середня швидкість у поперечному перерізі струмини, м/с; cр , rв , Тв - відповідно теплоємність, КДж/(кгК), густина, кг/м3, температура повітря, К.

На основі аналізу взаємодії конвективних потоків в об'ємi теплиці був розроблений алгоритм розрахунку температурного поля по висоті теплиці в залежності від потужності систем опалення надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiвi. Для подальшого розрахунку системи опалення зони вегетації рослин за натурними обстеженнями була встановлена висота зони росту рослин по місяцях: жовтень - 2м; листопад - 2м; грудень - 0,5м; січень - 1м; лютий - 2м; березень - 2м; квітень - 2м. Також був розглянутий тепловий баланс теплиці з огородженням зі склопакетів і з одинарним огородженням зі шторним екраном, в якому враховувалися конвективні (Qко) і променеві (Qро) теплові потоки від регістрів шатрового обігріву до огородження, конвективні (Qнавк) і променеві (Qрез) теплові потоки від огородження в навколишнє середовище де QТ, - тепловий потік теплопровідністю через покриття, Вт.Методика розрахунку системи опалення зони вегетації рослин в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями, розроблена за результатами експериментальних досліджень та даними аналізу взаємодії конвективних струменів в об'ємi споруди, визначала:

1) потужність надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiву;

2) необхідну площу трубопроводів системи опалення;

3) діаметр, кількість i компонування трубопроводів системи опалення;

4) параметри теплоносія в системах надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiву.

В скляній блоковій теплиці площею 1 га площа бічних i торцевих огороджень складає біля 10% площі всіх огороджень. Основні тепловтрати припадають на покрівлю. Тому для розрахунку системи опалення обиралися системи пiдпокрiвельного i надгрунтового обiгрiву, якi компенсують тепловтрати через покриття теплиць.

Необхідну поверхню трубопроводів системи опалення визначають, з умови забезпечення необхідного температурного режиму в усьому об'ємі споруди.

Для визначення потужності системи опалення при обiгрiвi зони вегетації рослин були побудовані графічні залежності потужності системи опалення від температури зовнішнього повітря при різній висоті робочої зони рослин (рис.3).

При огородженні теплиці зі склопакетів при висоті зони росту рослин до 1 м достатньо роботи тільки системи надгрунтового обiгрiву. При висоті більше 1 м слід підключати систему пiдпокрiвельного обiгрiву. При огородженні з одинарного скління при різній висоті рослин слід підключати систему надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiву. При застосуванні шторного екрану систему пiдпокрiвельного обiгрiву необхідно підключати при висоті робочої зони більше 0,5 м. В таблиці 1 наведені вибіркові результати по розрахунку системи опалення для одного прольоту блокової теплиці площею Fгр = 454 м2, температура під покрівлею теплиці визначалася за І-d діаграмою за умов запобігання появи конденсату на огородженні теплиці, параметри теплоносія в системі надгрунтового обігріву не повинні перевищувати 95 оС (для виключення опіку рослин).

За наведеною методикою розрахунку було визначено температурне поле в теплиці в зимові мiсяцi при різній висоті зони росту рослин, визначена потужність системи опалення в залежності від росту рослин. Розрахункова модель визначення поля температури по висоті споруди була перевірена при натурному дослідженні.

Розрахунок системи опалення

Найменування розрахункових показників

Значення розрахункових показників

Подвійне засклення

Одинарне засклен.

Без екрануЗ екраном

ГРУДЕНЬ

Висота зони вегетації, м0,50,50,5

Температура зовнішнього повітря, ?С-20,5-20,5-20,5

Температура під покрівлею теплиці, ?С66-4,5

Питомі тепловтрати, Вт/м2 пл.т.104223143

Необхідна поверхня трубопроводів, м2/м2 пл.т.0,2510,450,45

Система надгрунтового обігрівудіаметр, м0,0450,0570,057

параметри теплоносія, ?С70-4575-5085-60

кількість, шт.888

Система підпокрівельного обігрівудіаметр, м0,0320,0570,057

параметри теплоносія, ?Свідкл.75-50відкл.

кількість, шт.688

СІЧЕНЬ

Висота зони вегетації, м1,01,01,0

Температура зовнішнього повітря, ?С-25,4-25,4-25,4

Температура під покрівлею теплиці, ?С88-6,5

Питомі тепловтрати, Вт/м2 пл.т.130300161

Необхідна поверхня трубопроводів, м2/м2 пл.т.0,2510,450,45

Система надгрунтового обігрівудіаметр, м0,0450,0570,057

параметри теплоносія, ?С80-5595-7090-65

кількість, шт.888

Система підпокрівельного обігрівудіаметр, м0,0320,0570,057

параметри теплоносія, ?Свідкл.80-6060-35

кількість, шт.688

ЛЮТИЙ

Висота зони вегетації, м2,02,02,0

Температура зовнішнього повітря, ?С-26,9-26,9-26,9

Температура під покрівлею теплиці, ?С1313-7,5

Питомі тепловтрати, Вт/м2 пл.т.154356205

Необхідна поверхня трубопроводів, м2/м2 пл.т.0,2510,450,45

Система надгрунтового обігрівудіаметр, м0,0450,0570,057

параметри теплоносія, ?С95-7095-7095-70

кількість, шт.888

Система підпокрівельного обігрівудіаметр, м0,0320,0570,057

параметри теплоносія, ?С65-40130-11090-65

кількість, шт.688

В четвертому розділі наведено опис експериментального стенду, методику і результати експериментального дослідження з визначення опору теплопередачі огороджуючих конструкцій теплиці зі склопакетів, одинарного скла зі шторним екраном, а також виконано кількісний аналіз похибок вимірювань. Прийняті такі діапазони зміни основних впливаючих факторів: товщина повітряного прошарку - 8 мм, 12 мм, 16 мм, 24 мм; кут нахилу склопакета до горизонту - 0о, 30о, 60о, 90о; температурний перепад - 18оС, 28оС, 44оС.

Методикою проведення досліджень передбачалося проводити виміри температури і густини теплових потоків в термічно однорідних зонах склопакету Fiз, які виділялися на відстані 100 мм і 150 мм для врахування дії крайових ефектів. Приведений опір теплопередачі розраховувався за формулою

Rопр = Fск / (еFiз/Rоiз) , м2оС/Вт, (7)

де Rоiз=(tвi - tзi )/qiз, м2оС/Вт, (8)

де Fск - площа склопакету, м2; Fiз - площа термічно однорідної зони, м2;tвi, tзi - середні за період вимірювань температури відповідно біля внутрішньої і зовнішньої поверхонь склопакету, оС, qiз - тепловий потік через термічно однорідну зону склопакета, Вт/м2; Rоiз - опір теплопередачі термічно однорідної зони склопакета,

м2оС/Вт; nз - кількість однорідних термічних зон, шт.

Для виявлення залежності опору теплопередачі від названих факторів був проведений факторний експеримент результати якого можна описати математич-

ною моделлю полінома першого ступеню. В результаті обробки експериментальних даних були складені емпіричні залежності опору теплопередачі від товщини повітряного прошарку(dп.п), кута нахилу(y) і температурного перепаду(Dt) при:

а) 16 мм Ј dп.п. Ј 24 мм, 60о Ј y Ј 90о, 18оС Ј Dt Ј 44оС

Rо = 0,396 + 0,0011dп.п. - 0,0008y - 0,0005Dt ; (9)

б) 16 мм Ј dп.п. Ј 24 мм, 0о Ј y Ј 30о, 18оС Ј Dt Ј 44оС

Rо = 0,4065 + 0,001dп.п. - 0,0006y - 0,0003Dt (10)

в) 16 мм Ј dп.п. Ј 24 мм, 30о <y < 60о, 18оС Ј Dt Ј 44оС

Rо = 0,398 + 0,001dп.п. - 0,0006y - 0,00038Dt (11)

На основі експериментальних даних також побудовані графічні залежності опору теплопередачі склопакету від різних факторів рис.4.

Рис. 4 Залежність опору теплопередачі склопакетів від товщини повітряного прошарку і температурного перепаду при y = 90о (а), кутів нахилу склопакета до горизонту і товщини повітряного прошарку при Dt = 44оС (б)

Середньоквадратичне відхилення при проведенні досліджень склало 14,7% для визначення опору теплопередачі.

В результаті аналізу експериментальних даних встановлено, що зі збільшенням кута нахилу зростає добуток критеріїв GrPr, конвективний рух повітря в прошарку стає більш інтенсивним, тому коефіцієнт теплопередачі зростає. Коефіцієнт теплопередачі склопакета у вертикальному положенні на 10...15% вищий, ніж при горизонтальному розташуванні.

Встановлено, що для покриття теплиць найбільш ефективними є склопакети з товщиною повітряного прошарку 16 мм.

Для виявлення ефективності роботи шторного екрану було проведене експериментальне дослідження на моделі теплиці з покриттям з одинарного скління. Методикою проведення експериментального дослідження передбачалося заміряти теплові потоки через покриття, температури внутрішнього i зовнішнього повітря, температури скляного огородження при сталому тепловому режимі при різних температурних перепадах зі шторним екраном i без нього. В результаті проведеного дослідження було встановлено, що застосування тканини під покриттям теплиці зменшує розрахункові тепловтрати до 35...40%.

В четвертому роздiлi також приведені результати експериментального дослідження переобладнаної системи опалення в зимовій заскленій промисловій теплиці агрокомбінату “Пуща-Водиця” в м. Києві.

Для зменшення теплових втрат через покрівлю і покращання теплового режиму в зоні росту рослин була переобладнана система опалення з розташуванням опалювальних приладів в міжряддях рослин. Експериментальне дослідження переобладнаної системи опалення включало визначення:

- параметрів теплоносія в системі опалення (температура теплоносія в розподільному та зворотньому трубопроводах);

- параметрів внутрішнього повітря (температура по висоті споруди, вологість);

- температури грунту;

- температури зовнішнього повітря;

- витрати теплоти на опалення;

- витрати теплоносія в системі опалення.

В часи відсутності інсоляції для зменшення тепловтрат через покриття теплиці було застосовано шторний екран з тканини, з якою проводилися експериментальні дослідження на моделі теплиці.

Дослідження параметрів теплового режиму теплиці проводилися у виробничих умовах. Для порівняння в якості базового варіанту була обрана аналогічна не реконструйована теплиця.

Для обліку витрати теплоти на переобладнаній і базовій теплицях був встановлений багатоканальний лічильник теплоти ЛВТЄ-3С-4, який забезпечував видачу даних в поточний момент часу, за годину, добу, місяць по:

- температурі теплоносія в розподільному і зворотньому трубопроводах, оС;

- витраті теплоносія в системах опалення, т/год;

- тепловій потужності систем опалення, ГДж/год.

В результаті проведених досліджень було встановлено:

а) висадка розсади була проведена пізніше на 5 діб від контрольної теплиці, але не дивлячись на це, врожай в період раннього збору був значно вищий від контрольної теплиці; це можна пояснити створенням новою системою опалення кращих температурних умов для кореневого середовища рослин, внаслідок наближення опалювальних приладів до зони росту рослин;

б) в переобладнаній теплиці спостерігався більший збір стандартної продукції ніж у базовій на 14%;

в) економія теплоти в переобладнаній теплиці, в порівнянні з базовою, за даними лічильника, склала 323,7ГДж, при застосуванні шторного екрану в зимові мiсяцi додатково заощаджувалося 20,85 ГДж теплоти;

г) розподіл температур по висоті споруди при застосуванні шторного екрану і без нього (рис. 5) свідчать про достатній збіг при порівнянні з даними, отриманими при теоретичних розрахунках (розбіжність складає 5...7%);

д) економічний ефект від переобладнаної системи опалення, враховуючи додаткові витрати на обладнання 19465,7 грн, вартість 1 ГДж=23,86 грн (за даними агрокомбінату), склав 5293 грн за рік на площі 0,1 га теплиць.

У п'ятому роздiлi наведені заходи по підвищенню ефективності експлуатації теплиць склопакетної конструкції. При застосуванні склопакетного огородження погіршуються умови таяння снігу на покритті теплиці при сильних снігопадах. Тому були розглянутi вже відомі засоби снiговидалення i запропоновані найбільш вiдповiднi для подвійного скління: видалення снігу з покриття за допомогою теплої води, яка подається по трубопроводах на покриття споруди. Також запропоновано під час інтенсивного снігопаду застосовувати газові або електричні випромінювачі. Для цього був проведений розрахунок системи снiготаяння з таких обiгрiвачiв при огородженні теплиці зі склопакетів.

В роздiлi також наведена оцінка економічної ефективності застосування системи опалення зони вегетації рослин в теплиці з огородженням з подвійного скління та з огородженням з одинарного скління зі шторним екраном. Для порівняння за базовий об'єкт приймалася зимова блокова теплиця площею 1 га за т.п. 810-1-13.86. Витрати палива на обiгрiв споруди з подвійного скління зменшаться на 550 000 м3 газу за рік, з одинарного скління зі шторним екраном - на 170 000 м3 газу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.Обґрунтована доцільність розробки позонної системи опалення зимових теплиць з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями.

2.Запропонована i експериментально досліджена розрахункова модель визначення поля температури в об'ємi теплиці при опаленні зони вегетації рослин.

3.Визначені закономірності впливу на опір теплопередачі товщини повітряного прошарку i кута нахилу склопакета. Встановлено, що опір теплопередачі склопакета у горизонтальному положенні на 10...15% вищий, ніж у вертикальному.

4.Експериментально визначені оптимальна товщина та кути нахилу до горизонту склопакетного огородження. Встановлено, що найбільш ефективним є склопакет з товщиною повітряного прошарку 16 мм.

5.Експериментально визначена ефективність застосування шторного екрану під покриттям теплиці з одинарним скляним огородженням. Застосування шторного екрану знижує розрахункові тепловтрати через огородження на 35...40%, при періодичному застосуванні - на 15...20%.

6.Розроблена методика розрахунку позонної системи опалення теплиць, в основу якої покладені аналітичні розв'язання рівнянь взаємодії конвективних потоків висхідних і низхідних струмин і емпіричні залежності опору теплопередачі огороджуючих конструкцій з підвищеними теплозахисними властивостями.

7.Розроблені заходи по підвищенню ефективності експлуатації теплиць склопакетної конструкції в зимових умовах. Для зняття снігового навантаження отримані дані для використання газових або електричних випромінювачів під покриттям теплиці.

8.Визначені технiко-економiчнi переваги теплиць склопакетної конструкції i з одинарним скляним огородженням та шторним екраном. Застосування склопакетного огородження дає змогу знизити витрати газового палива в середньому на 40...45% у порівнянні з традиційним одинарним огородженням.

9.Результати досліджень використані при розробці типового проекту “Енергозберігаюча теплиця площею 1 га У 810 - 1 - 39.94”, при переобладнанні системи опалення промислової зимової теплиці в агрокомбiнатi “Пуща-Водиця”. В результаті переобладнання економія теплової енергії від впровадження розроблених заходів склала 324 ГДж на рік для теплиці площею 0,1 га.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

опалення система теплиця зимовий

1. Iваненко П.П., Росковшенко Ю.К., Клiмова I.В. Промислова теплиця з подвiйним склiнням // Будiвництво України. - 1998. - №2.- с.33...34.

2. Iваненко П.П., Росковшенко Ю.К., Клiмова I.В. Система обмеженого опалення зимових теплиць // Будiвництво України. - 1998. - №6.- с.38...40.

3. Клiмова I.В. Оцiнка впровадження енргоощадних заходiв при забезпеченнi необхiдного температурного режиму в теплицях // Будiвництво України. - 2001. - №4.- с.35...36.

4. Клiмова I.В., Росковшенко Ю.К. Зменшення енерговитрат при реконструкцiї iснуючих i будiвництвi нових теплиць // Вiсник Херсонського державного технiчного унiверситету. - 2001. - №4(13). - с. 393...396.

5. Ткачук А.Я., Росковшенко Ю.К., Клiмова I.В. Шляхи зменшення енерговитрат в промислових теплицях // Строительство. Материаловедение. Машиностоение. Сб. научн. тр. - Дн-ск: ПГАСиА, 2001. - №14. - с.77...79.

АНОТАЦІЇ

Климова И. В. Тепловой режим зимних теплиц с позонным отоплением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2002.

Диссертация состоит из вступления, пяти разделов, основных выводов, списка использованных литературных источников из 102 наименований, 2 приложений, 19 таблиц и 50 рисунков.

Диссертация посвящена исследованию способов, повышающих эффективность работы систем отопления в зимних теплицах.

В работе выполнен аналитический обзор способов и технических решений снижения энергозатрат в теплицах. Отмечено, что значительные расходы теплоты на обогрев тепличных сооружений обусловлены низким термическим сопротивлением ограждающих конструкций и нерациональной работой систем отопления.

С целью повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций предложено использовать стеклопакеты и шторные экраны. При увеличении термического сопротивления ограждающих конструкций возможно использовать позонную систему отопления, т.е. поддерживать необходимые температурные параметры только в зоне вегетации растений, постепенно повышая эту зону с ростом растений. Высота зоны, в которой поддерживаются температурные параметры, регулируется надпочвенной и подкровельной системой отопления.

В результате проведения технико-экономического обоснования определено, что для ограждения теплиц целесообразно применять отечественные стеклопакеты с воздушной прослойкой. Использование стеклопакетов позволяет снизить годовой расход теплоты на отопление на 45 % по сравнению с одинарным ограждением.

В результате проведения экспериментальных исследований были установлены графические и эмпирические зависимости коэффициента теплопередачи стеклопакета от толщины воздушной прослойки и угла наклона стеклопакета к горизонту и выбран стеклопакет с наиболее эффективной толщиной воздушной прослойки - 16 мм.

Установлена эффективность применения шторного экрана из ткани, выбранной технологами, в теплице с одинарным ограждением при экспериментальном и натурном исследовании. При периодическом использовании экрана (14 часов в сутки) расчетные теплопотери через ограждение уменьшаются на 20 %.

На основе расчетной модели взаимодействия конвективных потоков в объеме сооружения рассчитано температурное поле по высоте теплицы. Разработана методика расчета системы отопления в теплице с ограждением из стеклопакетов и с одинарным остеклением со шторным экраном, которая определяет мощность надпочвенной и подкровельной систем обогрева, диаметр, количество трубопроводов и параметры теплоносителя.

Приведены результаты экспериментальной проверки позонной системы отопления в промышленной теплице с одинарным остеклением и шторным экраном. Проведен сопоставительный анализ расчетных и экспериментальных данных и отмечено их практическое совпадение.

Предложено несколько эффективных способов для удаления снеговой нагрузки с покрытия теплиц при использовании стеклопакетов.

Выполнена оценка экономической эффективности применения позонной системы отопления в теплице с ограждением с повышенными теплозащитными свойствами. Результаты роботы использованы при разработке типового проекта "Энергосберегающая теплица площадью 1 га" и при переоборудовании промышленной теплицы в Киевском агрокомбинате "Пуща-Водица".

Сведения, приведенные в диссертации, отражены в печатных работах автора.

Ключевые слова: зимняя теплица, стеклопакет, шторный экран, конвективный поток, энергосбережение, эффективность, позонная система отопления.

Клімова І.В. Тепловий режим зимових теплиць з позонним опаленням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено дослідженню заходів, що підвищують ефективність роботи системи опалення зимових теплиць. Встановлено, що великі витрати теплоти на обігрів тепличних споруд зумовлені низьким термічним опором огороджуючих конструкцій і нераціональною дією систем опалення. Запропоновано підвищити опір огороджуючих конструкцій шляхом застосування склопакетів і шторних екранів і розробити позонну систему опалення. Теоретично обґрунтована і підтверджена експериментально ефективність застосування системи опалення зони вегетації рослин в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями. Отримані емпіричні залежності для розрахунку коефіцієнта теплопередачі склопакета з різними товщинами повітряного прошарку і кутами нахилу до горизонту. Розроблена методика розрахунку позонної системи опалення в зимових теплицях склопакетної конструкції і з одинарним огородженням зі шторним екраном. Результати роботи використані при розробці типового проекту “Енергозберігаюча теплиця площею 1 га” і при переобладнанні промислової теплиці в Київському агрокомбінаті “Пуща-Водиця”.

Ключові слова: зимова теплиця, склопакет, шторний екран, конвективний потік, енергозбереження, ефективність, позонна система опалення.

Klimova I. A thermal mode of winter hothouses with zone by heating. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.03 - ventilation, illumination and heatgassapply. The Kiev national university of building and architecture, Kiev, 2002.

The dissertation is devoted to research of methods raising an overall performance of systems of heating in winter hothouses.

Is determined, that the heavy expense of heat on heating of hothouses is stipulated by low thermal resistance of protecting designs and irrational work of systems of heating. It is offered to increase resistance of protecting designs by application glasspacks and blind of screens and to develop zone system of heating. The efficiency of application of heating system of the plant vegetation zone is justified theoretically and confirmed experimentally in a hothouse with a protection with increased heat-shielding properties. The empirical dependences for account of factor of a heat transfer glasspack with different thickness of an air layer and corner of an inclination to horizon are received. The technique of account zone of system of heating in hothouses glasspack of a design and with a unary glass protection with blind by the screen is developed. The results of work are used at development of the typical project “ The savings of heat a hothouse by the area 1 gа” and at reequipment of an industrial hothouse in Kiev agrokombinat “Pyscha-Voditsa”.

Key words: a winter hothouse, glasspack, blind the screen, a convective flow, savings of heat, efficiency, the heating zone system.

Размещено на Allbest.ru

...