Энергетические процессы в современных теплицах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергетические процессы в современных теплицах

Долгих Павел Павлович, к.т.н., доцент кафедры системоэнергетики ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ Россия

Аннотация

Рассмотрены вопросы повышения энергетической эффективности теплиц. Описываются энергетические процессы, происходящие в современных теплицах пятого поколения, содержащих секцию для выращивания и систему климат-контроля, реализуемые путем изменения положения затворов системы вентиляции, системой туманоообразования, включением и отключением блока охлаждения/отопления, а также регулированием с помощью вентиляторов. Указывается, что эффективность энергетических процессов, происходящих в теплице напрямую связана с рациональным применением облучательных установок. Установлено, что повышение энергетической эффективности современных теплиц является комплексной проблемой, в которой решение необходимо искать с учетом всех энергетических процессов в них происходящих. Предложен новый подход к построению систем облучения и способ регулирования их энергетических характеристик в процессе эксплуатации, позволяющие обеспечить тепличное производство дополнительной альтернативной энергией.

Ключевые слова: теплицы, энергетические процессы, система климат-контроля, тепловая энергия, фотосинтетически активная радиация, облучательные установки, эффективность.

Abstract

Energy processes in modern greenhouses

Dolgikh Pavel P., Ph.D, Associate Professor of the of the department of System Power Engineering Krasnoyarsk State Agrarian University Russia, the city of Krasnoyarsk

The issues of increasing the energy efficiency of greenhouses are considered. The energy processes occurring in modern greenhouses of the fifth generation containing a section for cultivation and a climate control system are described, implemented by changing the position of the ventilation system gates, a fog generation system, switching on and off the cooling/heating unit, as well as regulation with the help of fans. It is indicated that the efficiency of the energy processes occurring in the greenhouse is directly related to the rational use of irradiation installations. It is established that increasing the energy efficiency of modern greenhouses is a complex problem in which a solution must be sought taking into account all the energy processes taking place in them. A new approach to the construction of irradiation systems and a method for regulating their energy characteristics during operation are proposed, which allow providing greenhouse production with additional alternative energy.

Keywords: greenhouses, energy processes, climate control system, thermal energy, photosynthetically active radiation, irradiation plants, efficiency.

Несомненной квинтэссенцией инженерной мысли являются теплицы пятого поколения, воплотившей в себя передовые достижения и труды сотен ученых, инженеров, исследователей во многих областях знаний. Схематическое изображение такой теплицы изображено на рисунке 1.

В основу технического решения положено изобретение Кейси Хоувелинга и Питера Каммингса, в котором теплица состоит из секции выращивания 1 и системы климат-контроля 2, примыкающей к секции выращивания [1]. Основным элементом теплиц пятого поколения является система климат-контроля. В ней осуществляется управление всеми энергетическим потоками теплицы, что в конечном итоге и дает ей неоспоримые преимущества перед теплицами предыдущих поколений. Управление энергетическими процессами осуществляется путем изменения положения затворов системы вентиляции, системой туманоообразования, включением и отключением блока охлаждения/отопления, а также регулированием с помощью вентиляторов.

Рисунок 1 - Схема теплицы пятого поколения: 1 - секция выращивания; 2 - система климат контроля; 3 - установка туманообразования; 4 - затворы вентиляции; 5 - затворы наружной вентиляциии; 6 - блок охлаждения/отопления; 7 - вентиляторы; 8 - рукав вентиляции

Энергетические процессы, осуществляемые в теплице, представлены на рисунке 2. При режиме «циркуляция воздуха» (рисунок 2а) затворы наружной вентиляции закрыты, а воздух из секции для выращивания через затворы вентиляции, благодаря создаваемому вентиляторами давлению проходит через блок охлаждения/отопления, находящийся в отключенном состоянии, но содержащий фильтр, где он очищается от механических примесей и подается обратно через рукава вентиляции. При режиме «отопление» (рисунок 2б) блок охлаждения/отопления работает на отопление, а остальные процессы такие же, как и в режиме «циркуляция воздуха». При режиме «охлаждение» (рисунок 2в) блок охлаждения/отопления работает на охлаждение, а остальные процессы такие же, как и в режиме «циркуляция воздуха».

При режиме «увлажнение» (рисунок 2г) включается установка туманообразования и воздух из секции для выращивания, проходящий через затворы вентиляции, увлажняется, и подается через рукава вентиляции в секцию для выращивания. В режиме «осушение» (рисунок 2д) содержащийся в блоке охлаждения/отопления кондиционер работает как осушитель. В режиме «смешивание наружного и внутреннего воздуха» (рисунок 2ж) воздух с улицы через затворы наружной вентиляции попадает в систему климат-контроля, проходит очистку, смешивается с воздухом из секции для выращивания и подается в рукава вентиляции. В режиме «вентиляция воздуха» (рисунок 2з) воздух с улицы через затворы наружной вентиляции попадает в систему климат-контроля, проходит очистку, если необходимо подогревается/охлаждается и подается в рукава вентиляции.

В режиме «адиабатическое охлаждение» (рисунок 2и) наружный воздух с улицы через затворы наружной вентиляции попадает в систему климат-контроля, проходит очистку. Одновременно установка туманообразования распыляет воду, которая охлаждает наружный воздух с улицы за счет испарения, поступающий далее по рукавам вентиляции в секцию выращивания.

Рисунок 2 - Энергетические процессы в современной теплице: а) циркуляция воздуха; б) отопление; в) охлаждение; г) увлажнение; д) осушение; ж) смешивание наружного и внутреннего воздуха; з) вентиляция воздуха; и) адиабатическое охлаждение

Особая отличительная особенность заключается в том, что воздух забирается из верхней части секции для выращивания (за исключением режимов «смешивание наружного и внутреннего воздуха», «вентиляция воздуха», «адиабатическое охлаждение»), где он имеет более высокую температуру, за счет дополнительной тепловой энергии, выделяемой системой облучения. Несмотря на совершенство конструкции теплиц пятого поколения и отлаженность работы всех систем, непрерывно предлагаются и вносятся различные технологические доработки, основанные на появлении новых материалов, технических средств, а также выявленных в ходе эксплуатации недостатках данных теплиц [2].

Близким прототипом теплицы пятого поколения можно также считать изобретение Долгих П.П. и Самойлова М.В. [3], имеющее более ранний приоритет, в котором вегетационная камера поделена на функциональные отсеки, имеющие связи между собой посредством подвижных клапанов, где возможно более рационально осуществлять управление тепловым потоком от системы облучения. В дальнейшем данное техническое решение было усовершенствовано в работе [4], где отличия носят конструктивный характер и реализуются через объединение облучателей в единую систему с технической возможностью более рационального управления потоками тепловой энергии.

Проведенные нами исследования [5] позволили установить ряд зависимостей, позволяющих делать выводы об эффективности применения в системе микроклимата теплиц, облучательных установок с функцией принудительного охлаждения.

На рисунке 3 представлен фрагмент теплицы, в которой имеется возможность максимально эффективно использовать режим облучения с учетом полученных зависимостей.

При включении в работу с помощью автоматического выключателя 14 тепличного облучателя 1 с дросселя 18 подается импульс повышенного напряжения на лампу 2, которая по мере разгорания начинает излучать поток фотосинтетически активной радиации (ФАР), который распределяется в технологическом пространстве теплицы 3, попадая на растения, а также поток тепловой энергии. В то же самое время включается осевой вентилятор в патрубке 5 и поток тепловой энергии принудительно нагнетается через выпускной фланец 6 и гофрированный теплоотвод 8 в техническое помещение 10 через выходное отверстие гофрированной трубы 11, поступая далее в технологическое пространство теплицы 3 через вентиляционные каналы 9, обдувая стол для растений 4. Контроль и регулирования потока ФАР и потока тепловой энергии осуществляется путем изменения напряжения на облучателе и вентиляторе. В этом процессе участвуют: датчик анемометра 12, датчик спектрофотометра 13, анемометр 17, спектрофотометр 21, вольтметр для вентилятора охлаждения 15, автотрансформатор для вентилятора охлаждения 16, вольтметр для тепличного облучателя 19, автотрансформатор для тепличного облучателя 20.

Рисунок 3 - Фрагмент промышленной теплицы с блоком управления режимами работы облучателя: 1 - тепличный облучатель; 2 - лампа; 3 - технологическое пространство теплицы; 4 - стол для растений; 5 - патрубок с осевым вентилятором; 6 - выпускной фланец; 7 - закаленное стекло; 8 - гофрированный теплоотвод; 9 - вентиляционные каналы; 10 - техническое помещение; 11 - выходное отверстие гофрированной трубы; 12 - датчик анемометра; 13 - датчик спектрофотометра; 14 - автоматический выключатель; 15 - вольтметр для вентилятора охлаждения; 16 - автотрансформатор для вентилятора охлаждения; 17 - анемометр; 18 - дроссель; 19 - вольтметр для тепличного облучателя; 20 - автотрансформатор для тепличного облучателя; 21 - спектрофотометр

Изменение режимов работы тепличных облучателей осуществляется двумя способами: Первый способ, когда путем вращения регулировочной ручки для лабораторного автотрансформатора облучателя 20 и установки по показанию вольтметра для облучателя 19 величин напряжения последовательно в диапазоне от 198 до 242 В регулируется напряжение на лампе 2, а вместе с ним и энергетический поток. При этом по показанию вольтметра для вентилятора 15 напряжение не изменяется. Оно заранее выставлено на одно любое значение в диапазоне от 198 до 242 В.

Второй способ, когда, вращая регулировочную ручку для лабораторного автотрансформатора вентилятора 16 и устанавливая по показанию вольтметра для вентилятора 15 величину напряжения последовательно в диапазоне от 198 до 242 В регулируют напряжение на вентиляторе в патрубке 5, а вместе с ним и энергетический поток. При этом по показанию вольтметра для облучателя 19 напряжение не изменяется. Оно заранее выставлено на одно любое значение в диапазоне от 198 до 242 В.

энергетический климат-контроль теплица

Вывод

Таким образом, повышение энергетической эффективности современных теплиц является комплексной проблемой, в которой решение необходимо искать с учетом всех энергетических процессов в них происходящих. Разработка и применение рациональных режимов и схем работы тепличных облучателей может являться основой для обеспечения тепличного производства дополнительной альтернативной энергией.

Список литературы

1. Greenhouse and forced greenhouse climate control system and method: US 20080000151 A1 June 28, 2007; Casey Houweling, Peter Cummings. Publ. 3/01/2008.

2. Теплица и способ поддержания и регулирования микроклимата в ней: пат. 2549087 Рос. Федерация: МПК A01G9/14, A01G9/24 / Олейников В.Н., Шишкин П.В.; заявитель и патентообладатель Олейников Владимир Николаевич. - № 2013155372/13; заяв. 12.12.2013; опубл. 20.04.15. Бюл. № 11.

3. Вегетационная камера: пат. 2298911 Рос. Федерация: МПК A01G9/24 / Долгих П.П., Самойлов М.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный аграрный университет. - № 2005130380/12; заяв. 29.09.2005; опубл. 20.05.07. Бюл. № 14.

4. Устройство облучения растений для теплиц: пат. 167332 Рос. Федерация: МПК A01G 9/24. / Долгих П.П., Самойлов М.В.; заявитель и патентообладатель Долгих Павел Павлович. - № 2016110001; заяв. 18.03.2016; опубл. 10.01.2017. Бюл. №1.

5. Долгих П.П. Оценка эффективности тепличного облучателя с принудительным охлаждением / П.П. Долгих, Д.С. Доценко // Вестник НГИЭИ. - 2018. - № 10 (89). - С. 29-44.

Размещено на Allbest.ru