Кайтмазов Тарас Валерьевич

На правах рукописи
Кайтмазов Тарас Валерьевич
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА
В ТЕПЛИЦАХ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА
05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция,
кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2007
4
РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ГОСУДАРСТВЕННОМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ УЧРЕЖДЕНИИ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Бодров Валерий Иосифович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук, профессор
Моисеев Борис Вениаминович,
Павленко Владимир Александрович
Ведущая организация
ЗАО «ПРОЕКТПРОМВЕНТИЛЯЦИЯ», г. Нижний Новгород
Защита состоится « 22 » мая 2007 г. в 13.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.162.02 при ГОУ ВПО «Нижегородский
государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 603950,
г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д.65, корпус 5, аудитория 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «____» апреля 2007 года
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
М.О. Жакевич
5
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Использование зимних теплиц в теплый период
года для выращивания овощей затруднено из-за перегрева воздуха в них
вследствие повышенной интенсивности солнечной радиации. Потери урожая в
этот период года могут достигать 50…80%, а иногда заканчиваются гибелью
растений.
Создание и поддержание расчетных параметров микроклимата в теплицах
в теплый период года наиболее эффективно и экономично путем комплексного
использования естественных и искусственных факторов формирования
температурно-влажностных и воздушных режимов, объединенных в
комплексную систему охлаждения. Актуальность исследований заключается в
разработке инженерных методов и средств по созданию, поддержанию и
управлению режимами эксплуатации систем кондиционирования микроклимата
в теплицах в теплый период года в климатических условиях средней полосы
России.
Работа проводилась в Нижегородском государственном архитектурностроительном университете в период с 2002 по 2006 гг. Она выполнялась в
рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей
школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма
211.07, проект «Разработка и обоснование вероятностных показателей
нестационарных возмущающих воздействий на тепловой режим зданий».
Цель исследований заключается в разработке научно обоснованных
методов и средств по созданию, поддержанию и управлению требуемыми по
технологии выращивания овощных культур температурного, влажностного и
воздушного режимов в теплицах в теплый период года при минимуме
энергозатрат.
Для достижения поставленной цели решен комплекс задач, основными из
которых стали следующие.
1. Уточнена система уравнений тепломассопереноса при формировании
теплового, влажностного и воздушного режимов в телицах в теплый период
года при работе комплексных систем снятия перегрева.
2. Аналитически и экспериментально подтверждены закономерности
динамики снятия перегрева в объеме теплицы с биомассой в теплый период
года по мере нарастания интенсивности теплопоступлений от солнечной
радиации.
3. Разработана инженерная методика расчета режимов работы
комплексных систем снятия перегрева и рекомендации по их проектированию и
эксплуатации.
4. Выполнено прогнозирование технико-экономических эффективности и
коэффициентов обеспеченности параметров микроклимата в течение суток и в
годовом цикле выращивания овощных культур в типовых зимних теплицах в
зависимости от используемого инженерного оборудования и режимов его
работы в комплексных системах обеспечения микроклимата (КСОМ).
6
2
Научная новизна работы:
- уточненная система уравнений тепломассопереноса в объеме теплиц с
учетом теплопоступлений от солнечной радиации в теплый период года
позволила дифференцировать эффективность комплексной системы снятия
перегрева по шести характерным режимам;
- разработана методика ступенчатого снятия перегрева для обеспечения
расчетных параметров микроклимата в объеме сооружения при максимальном
использовании естественных и минимальном использовании искусственных
источников энергии;
- впервые экспериментально получены аэродинамические коэффициенты
для зданий теплиц, необходимые для расчета интенсивности воздухообмена
при естественной и механической вентиляции и при определении
производительности систем испарительного охлаждения;
- разработаны и приведены на I-d-диаграмме влажного воздуха
термодинамические процессы обработки воздуха в объеме теплиц,
определяющие область применения естественных и искусственных источников
холода;
- определены требуемые характеристики оборудования комплексной
системы водоаэрозольного охлаждения (СВАО) воздуха в теплице и ее
отдельных элементов в теплый период года;
- количественно обоснованы коэффициенты обеспеченности параметров
микроклимата в течение суток и в годовом цикле выращивания овощных
культур в зависимости от использования инженерного оборудования и режимов
его работы.
На защиту выносятся:
- схемы и основные балансовые уравнения тепловых потоков в объеме
теплиц в теплый период года с учетом интенсивности солнечной радиации при
шести характерных режимах работы комплексной системы снятия перегрева;
- значения аэродинамических коэффициентов моделей блочных и
ангарных теплиц, полученных в результате испытаний в аэродинамической
трубе в условиях автомодельности относительно реальных теплиц;
- аналитические результаты определения максимально достижимой
кратности воздухообменов в теплицах при аэрации под действием
гравитационных сил и ветрового давления;
- термодинамические процессы изменения параметров воздуха в объеме
теплиц при работе систем водоаэрозольного охлаждения;
- эффективность и коэффициенты обеспеченности комплекса систем
снятия перегрева, снижения температуры внутреннего воздуха в теплице в
течение светового дня в теплый период года и в переходном культурообороте в
годовом цикле.
Обоснованность и достоверность научных результатов, содержащихся в
работе, подтверждаются использованием основных законов тепломассообмена,
аэродинамики, результатами проведенных лабораторных и натурных
исследований с использованием современного оборудования и приборов, в
получении удовлетворительной согласованности расчетных и натурных
результатов.
7
3
Практическую ценность работы определяют количественные
характеристики интенсивности снятия перегрева в теплицах в суточном и
годовом циклах при работе систем организованного проветривания, систем с
активной шахтной аэрацией или механической вентиляцией и комплекса
СВАО; экспериментальные значения аэродинамических коэффициентов зданий
теплиц; рекомендуемые конструктивные решения СВАО воздуха в теплицах в
теплый период года; методика инженерного расчета и рекомендации по
проектированию и эксплуатации КСОМ в теплицах в теплый период года.
Реализация результатов работы. Одним из результатов работы
являются «Рекомендации по проектированию и эксплуатации комплексной
системы обеспечения параметров микроклимата в теплицах в теплый период
года», принятые для внедрения ЗАО «Проектпромвентиляция» (г. Нижний
Новгород). По результатам исследований разработана техническая
документация и проведена наладка систем поддержания параметров
микроклимата в теплицах ЗАО Агрофирма «Косино» (Московская обл.) и
ООО «Нива» (Нижегородская обл.). Результаты исследований используются в
ННГАСУ в процессе обучения по дисциплине «Отопление и вентиляция
сельскохозяйственных зданий», при курсовом и дипломном проектировании.
Акты внедрения результатов научно-исследовательской работы представлены в
диссертации.
Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений
и результатов исследований проходила: на ежегодных семинарах
преподавателей и сотрудников ННГАСУ 2003…2006 гг; на международных
конгрессах «Великие реки - 2004», «Великие реки – 2005», г. Нижний
Новгород.; в центре «Промышленная безопасность» при ННГАСУ.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в
6 публикациях, из них 1 – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,
основных выводов, списка использованной литературы (122 наименования) и 8
приложений. Работа изложена на 191 странице машинописного текста, включая
62 рисунка, 15 таблиц, 18 страниц приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований по поддержанию
технологических температурно-влажностных параметров в теплицах для
выращивания овощей в теплый период года.
В первой главе на основе проведенного обзора отечественной и
зарубежной литературы и патентных материалов дана классификация способов
снятия перегрева в теплицах в теплый период года: предупреждение перегрева;
устранение перегрева; комбинированное снятие перегрева. Проанализированы
энергетические и технико-экономические характеристики, области применения,
преимущества и недостатки каждого из них.
8
4
В результате предложена комплексная система снятия перегрева, которая
заключается в ступенчатом включении отдельных ее элементов в период
увеличения интенсивности солнечной радиации по периодам года и в течение
светового дня. Эксплуатационный и экономический эффекты представленной
системы заключаются в использовании в продолжении длительного периода
пассивных конструктивных систем кондиционирования микроклимата
(фрамуги, технологические проемы, аэрационные шахты) и кратковременно
включаемых активных элементов систем кондиционирования микроклимата
(механической вентиляции, СВАО).
В
нашей
стране
исследованиями
процессов
формирования
температурного режима теплиц в теплый период года занимались
М.А.Абазалиева, В.М. Гарбуз, А.Г.Егиазаров, В.В.Есин, Д.А.Куртенер,
Г.М.Позин, А.П. Похвалитый и другие. Из зарубежных авторов отметим работы
Д.А.Бузингера, Д. Клапвайка, Е.Такакуры, Д.Уолтера и ряда других. Однако
вопросы снятия перегрева в теплицах в теплый период года исследованы
недостаточно полно. Следствием является наличие противоречивых
практических рекомендаций, затрудняющих выявление перспективных путей
развития систем кондиционирования микроклимата в теплицах в теплый
период года. Для преодоления отмеченных недостатков реализован подход к
решению проблемы, сформулированный в перечисленных задачах настоящего
исследования.
Во второй главе получена уточненная система балансовых уравнений по
теплоте и массе для каждого элемента. Она состоит из комплекса уравнений,
описывающих динамику параметров микроклимата теплицы (температур
воздуха, почвы, растений, влагосодержания воздуха), уравнений балансов
теплоты и балансов воздуха и влаги в теплицах.
На рисунках 1…6 приведены схемы тепловых потоков, и уравнения
общих тепловых балансов по полной теплоте для объема внутреннего воздуха
теплицы при шести характерных режимах работы комплексной системы
обеспечения параметров микроклимата. Условные обозначения к рис. 1-6:
Qс.р – теплота солнечной радиации, проникающей в теплицу;
Qтп.о– теплопотери теплицы через ограждения; Qтп.п – теплопотери через почву;
Qинф – теплопотери на нагрев инфильтрующегося воздуха; Qфр – теплопотери за
счет уноса теплоты воздухом, уходящим через фрамуги; Qш – теплопотери за
счет уноса теплоты воздухом через аэрационную вытяжную шахту;
Qвент – теплопотери теплицы за счет механической вентиляции; Qтех –
теплопотери на нагрев поступающего через технологический проем приточного
воздуха; Qr – количество теплоты, необходимой для испарения водяного
аэрозоля при работе СВАО.
Анализу воздушного режима теплиц в теплый период года посвящена
глава 3. При интенсивном поступлении солнечной радиации и превышении
температуры внутреннего воздуха над допустимой из-за тепличного эффекта
задачей организации воздухообмена является снятие перегрева внутреннего
воздуха над допустимой. Приток наружного воздуха необходим также для
обеспечение подвижности воздуха в пределах от 0,5 до 1,0 м/с.
9
5
Q
П
 QС.Р.  QТП .О  QТП .П  (QИНФ  QФР )  QСКР  0,
Q
QС.Р  VТ nc В ρ(t УН  t В ), Вт;
QТП .О   F (t В  t Н )
QТП . П  FП (t В  t П )
 QС.Р.  QТП .О  QТП .П  (QШ  QИНФ )  QСКР  0,
П
RO , Вт;
RО. П . , Вт;
QФ.Р  QИНФ  VТ ncВ  В (t В  t Н ), Вт;
(QШ  QИНФ )  VТ ncВ  В (t В  t Н ), Вт;
сут
год
K об
 0,6; K об
0
QСКР  VТ n В (dYX  d ПР )r / 1000, Вт;
сут
год
K об
 0,567; K об
0
Рис. 1. Схема тепловых потоков и уравнения
полной теплоты в теплице в теплый период
года
при
режиме
организованного
проветривания (режим I)
Q
П
 QС.Р.  QТП .О  QТП .П  (QВЕНТ  QИНФ )  QСКР  0,
(QВЕНТ  QИНФ )  VТ ncВ  В (t В  t Н ), Вт;
сут
год
 0,05;
K об
 0,63; K об
Рис. 3. Схема тепловых потоков и уравнений
полной теплоты в теплице в теплый период
года при режиме совместной работы систем
организованного проветривания и активной
аэрации (режим III)
Рис. 2. Схема тепловых потоков и уравнений
полной теплоты в теплице в теплый период
года при режиме совместной работы систем
организованного проветривания и активной
аэрации (режим II)
Q
П
 QС.Р.  QТП .О  QТП .П  (QИНФ  QФР )  QСКР  Qr  0,
Qr  GВОД r , Вт ;
Рис. 4. Схема тепловых потоков и
уравнений полной теплоты в теплицах в
теплый период года при режиме
механической
вентиляции
с
проветриванием (режим IV)
Условные обозначения к рисункам: QС.Р - поток теплоты от солнечной радиации в теплицу,
Вт;
n-
кратность воздухообмена в теплице, ч-1; VT - внутренний объем воздуха, м3;
плотность воздуха, кг/м3;
cВ -
В -
удельная теплоемкость воздуха, Вт.ч/(кгоС); QТП ,О -
теплопотери через наружные ограждения теплицы, Вт; RО - сопротивление теплопередачи
наружного ограждения теплицы, м2 оС/Вт;
F - площадь наружных ограждений теплицы, м2;
10
6
QТП , П - теплопотери в почву, Вт; RО. П - сопротивление теплопередачи почвы, м2 оС/Вт; FП -
площадь почвы в теплице, м2; (QФР  QИНФ ) - расход теплоты на нагрев воздуха,
поступающего в теплицу через открытые фрамуги и инфильтрующегося через наружное
ограждения, Вт; QСКР - расход теплоты на испарении влаги в теплицы в теплый период
года, Вт; r - скрытая теплота парообразования, Вт.ч/кг; (QШ  QИНФ ) - расход теплоты на
нагрев воздуха, поступающего через технологический проем и фрамуги, и удаляемого через
аэрационную шахту; (QВЕНТ  QИНФ ) - расход теплоты на нагрев воздуха, поступающего
через технологический проем и фрамуги, и удаляемого через аэрационную шахту
вытяжным вентилятором и инфильтрацией, Вт; Qr - количество теплоты, необходимой для
испарения водяного аэрозоля при работе СВАО, Вт; GВОД - расход подаваемой воды
системой СВАО в теплицу, кг/ч.
Q
П
 QС.Р.  QТП .О  QТП .П  (QШ  QИНФ )  QСКР  Qr  0,
сут
год
K об
 0,833; K об
 0,25;
Рис. 5. Схема тепловых потоков и уравнение
полной теплоты в теплице в теплый период
года при режиме работы СВАО при
совместном проветривании и активной
аэрации (режим V).
Q
П
 QС.Р.  QТП .О  QТП .П  (QВЕНТ  QИНФ )  QСКР  Qr  0,
сут
год
K об
 1,0; K об
 1,0;
Рис. 6. Схема тепловых потоков и
уравнения полной теплоты в теплице в
теплый период года при режиме работы
СВАО
с
проветриванием
и
механической вентиляцией (режим VI)
Нами предлагается способ решения этих задач путем устройства
организованного проветривания, активной шахтной вентиляции и вытяжной
механической вентиляции наружным воздухом без его предварительной
обработки.
Аналитически с достаточной для инженерных расчетов точностью
определить кратность воздухообменов в теплицах в теплый период года не
представляется возможным. Поэтому в лаборатории кафедры отопления и
вентиляции ННГАСУ были проведены аэродинамические испытания
геометрически подобных им моделей в аэродинамической трубе замкнутого
типа с открытой рабочей частью. Испытываемые модели (рис. 7), выполненные
из фанеры в масштабах 1:200 (блочная) и 1:50 (трехзвенная), были дренированы
11
7
медными трубками с dв = 2,0 мм. Места расположения замерных трубок и
направлений воздушных потоков (для блочной теплицы А, Б,В, для трехзвенной
теплицы А, Б, В, Г, Д) приведены на рис. 8.
Измерения статического давления рсi на поверхности моделей теплиц
проводились микроманометром ММН-240(5)-1, для чего каждая медная трубка
соединялась с ним резиновым шлангом. Скорость воздушного потока в устье
аэродинамической трубы составляла vв = 9,0 м/с, чему соответствует
динамическое давление рд = 49,2 Па. Искомые аэродинамические
коэффициенты определялись по зависимости сvi  pci / рд .
На рис. 8 приведен один из результатов нахождения значений
коэффициентов cvi для модели блочной теплицы в сечениях 1, 2, 3, 4 при
направлении продувки А. Положительные значения коэффициентов отложены
вне контура, отрицательные – в контуре модели.
а)
б)
Рис.7. Испытанные модели теплиц: а – блочной; б – трехзвенной
12
8
а)
б)
Рис. 8. Места расположения точек замеров и направлений обдува моделей теплиц:
а – блочной; б – трехзвенной
Фрагмент значений аэродинамических коэффициентов cvi модели
блочной теплицы при торцевом направлении ветра (рис. 8, а) показан на рис. 9.
Рис. 9. Аэродинамические коэффициенты cvi при продувке модели блочной теплицы:
а – наветренная сторона (точки замеров 32…36), заветренная сторона (точки 26…22); б – по
длине теплицы (точки 31…27 и 21…17).
Площадь сечения вытяжного проема (F,м2), при известном воздухообмене
(G, кг/ч), или величина G при известной площади F определяются по формуле
(размерность р в кг/м2):
(1)
F  μGв / 3600 2рg / в
13
9
Значения коэффициента расхода воздуха через проем лежат в пределах
µ = 0,6…0,7. Большее значение соответствует прямоугольным удлиненным
отверстиям небольшой высоты.
Анализ результатов расчетов воздухообменов при совместном
воздействии гравитационного (ГД) и ветрового давлений (ВД) показал: при
воздухообмене под действием гравитационных сил при безветрии (vв ≤0,5 м/с) в
каждом звене теплицы формируются самостоятельные области циркуляции
внутреннего воздуха, приточный наружный воздух поступает в теплицу через
нижнюю часть аэрационного проема, а внутренний с высокой температурой и
влажностью удаляется через верхнюю часть. Этот процесс происходит в
верхней подкровельной части теплицы и практически отсутствует в рабочей
зоне на высоте 1,5 м от почвы. Под действием ветра воздухообмен в теплице
увеличивается в среднем в 1,25…1,30 раза (при vв = 2,5…3,0 м/с) и в 1,5…1,6
раза (при vв ≈ 5,0 м/с) по сравнению с воздухообменом при безветрии.
На рис. 10 приведены расчетные кратности воздухообменов в блочной
теплице по т.п. 810-99 в результате аэрации под действием гравитационных сил
и ветра в зависимости от угла открытия фрамуг (β = 10…25°).
Для активизации аэрации в работе исследован и разработан способ
увеличения естественного воздухообмена путем устройства аэрационных
вытяжных шахт, пристроенных в торце теплиц (рис. 11). Результаты расчетов
кратностей воздухообменов через технологические проемы (ворота в торцах
теплиц) и вытяжные шахты под действием ГД и ВД при различных площадях
поперечного сечения аэрационных шахт fш даны на рис. 12.
Рис. 10. Кратность воздухообмена под действием р t и р v при vв:
―― - 0 м/с; -------- 2,5…3,0 м/с; ········- 5 м/с
14
10
Рис. 11. Аэрационная вытяжная шахта: 1 – ограждение теплицы; 2 - аэрационные фрамуги;
3 – конек теплицы; 4 – лоток; 5 – дверной проем теплицы (на рисунке не показан);
6 – аэрационная шахта; 7 – осевой вентилятор; 8 - регулирующая штора, свернутая в рулон;
9 – направляющая плоскость; 10 - устройство для движения штор
Кратность воздухообмена в однозвенной аэрационной теплице, например, при
tн = 25°С и fш1 = 1,5 м2 под действием только теплоизбытков (ГД) составила
16,2 ч-1, а при действии теплоизбытков и ветра (ГД+ВД) – 23 ч-1. Для случая
безветрия, когда недостаточна интенсивность воздухообмена, предусмотрена
установка осевого вентилятора в вытяжной шахте. При включении вентилятора
приточное
отверстие
вытяжной
шахты,
предназначенное
для
функционирования естественной вентиляции, закрывается шторкой.
Рис. 12. Кратность воздухообмена в теплице с вытяжной шахтой: а – fш1 = 1,5 м2;
б – fш2 = 3,0 м2; в - fш3 = 6,0 м2; 1…4 для ГД; 5…8 для ГД+ВД; кривые 1 и 5 – при tн = 15С;
2 и 6 – при tн = 25С; 3 и 7 - при tн = 35С; 4 и 8 - при tн = 45С
15
11
В главе 4 с теплофизической точки зрения обоснована и разработана
СВАО, получены методики инженерного расчета ее отдельных элементов и
режимов эксплуатации. С помощью СВАО решаются следующие задачи:
поглощение тепловой части спектра солнечной радиации; охлаждение и
увлажнение воздуха; полив и увлажнение растений и почвы.
Динамика изменения состояния воздуха в теплице с растениями показана
на I-d-диаграмме влажного воздуха (рис. 13). Точка Н характеризует состояние
наружного воздуха с параметрами tн, н, dн, Iн. Наружный воздух достигает
расчетный температуры в теплицы в утренние часы. Точка Во с параметрами
tво, во, dво и Iво показывает состояние воздуха в теплице с растениями в фазе
развитой биомассы при отсутствии воздухообмена (полностью закрытые
фрамуги).
Параметры точки В, указывающие термодинамическое состояние смеси
наружного и внутреннего воздуха, лежат на линии НВо, являющейся
геометрическим положением точек состояния воздуха в теплицах. Положение
точек В на линии НВо не постоянно в течение светлого периода суток и зависит
от конкретного времени, интенсивности (кратность n) воздухообмена в теплице
при подачи необработанного атмосферного воздуха, способности биомассы
регулировать параметры микроклимата транспирацией влаги. Трапециями
показаны области саморегулирования микроклимата в результате деятельности
растений: вблизи точки Во при отсутствии воздухообмена, вблизи точки В при
наличии естественного воздухообмена, вблизи точки Н в утренние часы перед
открытием фрамуг для проветривания.Таким образом, область, ограниченная
Рис. 13. Область саморегулирования микроклимата в теплицах растениями при
охлаждении необработанным атмосферным воздухом: 1 – область технологических
температур воздуха в теплицах; 2 – область максимальных температур при отсутствии
воздухообмена; 3 – область возможных параметров воздуха при вентилировании
наружным воздухом
16
12
точками воздухообмена Н`, B`, Bo`, Bo``, B``, H``, H```, H`, характеризует
границы области температурно-влажностного состояния воздуха в теплице, в
пределах которой условия комфортности для растений поддерживаются за счет
воздухообмена необработанным атмосферным воздухом и саморегулированием
самих растений.
После исчерпания охладительного эффекта наружного воздуха для
поддержания
технологических
параметров
микроклимата
возникает
необходимость в искусственном охлаждении воздуха. Такой период времени
обычно происходит в течение светового дня, когда суммарная солнечная
радиация 450 Вт/м2 и более.
На рис. 14 показаны разработанные нами процессы изменения состояния
приточного воздуха в теплице с рассадой при работе СВАО.
Рис. 14. Построение процессов состояния воздуха в теплице с биомассой растений при
работе СВАО в зависимости от воздухообмена (1- область технологических температур
воздуха в теплице)
Построение процессов обработки воздуха следующее. Местоположение
исходной точки состояния воздуха в теплице В, расположенной на линии НВо
(рис. 13), зависит от кратности воздухообмена n, ч-1. Кратность воздухообмена
изменяется от 5…10 при естественных факторах воздухообмена, до 25…30 при
механической вентиляции. Поэтому месторасположение точки В, исходя из
правил построения процессов на I-d-диаграмме влажного воздуха, будет
стремится на линии НВо к точке Н в соотношении 1: (n-1).
При включении СВАО происходит адиабатное охлаждение воздуха в
объеме теплицы по IВ= const до в = 95…97 % (на рис. 14 процесс условно
17
13
показан до в =100%) от tв до температуры мокрого термометра,
соответствующей параметрами точки В (tмт=ta). Одновременно воздух в
теплице увеличивает влагосодержание от dв до dа, его относительная влажность
в →100%. В климатических условиях средней полосы России эффект
охлаждения СВАО достигает (tв -ta) достигает 8…12оС, чего обычно достаточно
для создания и поддержания в теплицах в дневной период при расчетной
мощности солнечной радиации технологических параметров микроклимата.
Если в результате проникающей радиации количество теплоты,
поступающей в теплицу, превышает ее поглощение водным аэрозолем, то
процесс охлаждения воздуха в теплице прекращается в точке б при температуре
tб, относительной влажности б и влагосодержании воздуха dб. Диапазон
технологических температур воздуха может соответствовать температуре tб, но
может лежать и ниже. Конкретное положение точки б определяется конечного
приращения влагосодержание орошаемого водой воздуха в теплице (рис. 14):
d  d б d в 
где
G вл
,
VT n в
(2)
VТ - объем теплицы, м3.
При дальнейшем действии форсунок состояние воздушной среды в
теплице будет изменяться от точки б до точки а по линии IВ= const и
определяется количеством влаги GВЛ , подаваемой для охлаждения воздуха.
Понижение интенсивности солнечной радиации во второй половине дня
сопровождается снижением температуры внутреннего воздуха. СВАО
отключается, режим работы комплексной системы обеспечения микроклимата
переходит из VI в III: открыты форточные фрамуги, технологический проем,
работает вытяжной вентилятор, встроенный в шахту. Параметры внутреннего
воздуха приходят в первоначальное состояние (в точке В до включения
системы адиабатного охлаждения) по лучу IВ=const, относительная влажность
и влагосодержание воздуха снижаются, температура увеличивается. Неизбежен
именно такой процесс, т.к. теплоемкость оборудования в теплицах
незначительна, а растения саморегулируют параметры воздуха вокруг себя в
процессе приспособительных реакций при транспирации влаги. Нами
рассмотрен процесс снятия пика интенсивности солнечной радиации в дневной
период с помощью СВАО.
Проведенные эксперименты по гидравлическим испытаниям элементов
СВАО позволили выявить: линейную равномерность распределения расхода
распыливаемой воды через принятые тангенциальные (угловые) форсунки из
капрона с dф =3,5 мм; зависимость расхода распыливаемой форсункой воды G,
кг/ч, от давления в трубопроводе р, кПа:
G  2,91 р 0,718 ;
(3)
средний радиус распыливания форсунки r  1,0 м; угол распыливания воды
расп = 50…55. На основании экспериментов для СВАО теплиц рекомендованы
постоянный диаметр трубопровода d = 20 мм, dф = 3,5 мм, шаг между
форсунками Sф = 2,0 м, давление в напорном водопроводе 0,3…0,6 МПа.
18
14
На рис. 15 и 16 представлены результаты натурных испытаний изменения
температуры воздуха в теплицы в период плодоношения.
В качестве показателя, позволяющего оценить эффективность снятия
перегрева в теплице в теплый период года в течение суток системами с
естественными и искусственными источниками холода, принят коэффициент
сут
обеспеченности систем охлаждения K об
, величина которого показывает долю
общего числа часов в течение суток, не допускающий превышения
температуры внутреннего воздуха в теплице относительно расчетной
технологической:
сут
K об
 ( N  n) N ,
(4)
где N = 24 часа; n – число часов превышения температуры воздуха в теплице в
течение суток.
Результаты определения значений коэффициентов обеспеченности
сут
систем охлаждения в течение суток K об
и количественные показатели
снижения температуры в каждый из режимов работы комплексной системы
снятия перегрева t В показаны в табл. 1.
Рис. 15. Изменение температуры воздуха в теплице в период плодоношения в течение
светового дня: 1 – наружного воздуха; 2 – внутреннего воздуха без работы систем снятия
перегрева; 3 – при работе систем организованного проветривания (режим I); 4 – при
совместной работе систем организованного проветривания и активной аэрации (режим II)
19
15
Рис. 16. Изменение температуры воздуха в теплице в период плодоношения в течение
светового дня: 1 – наружного воздуха; 2 – внутреннего воздуха без работы систем снятия
перегрева; 5 – при совместной работе систем организованного проветривания и
механической вентиляции (режим III); 6 – при совместной работе систем организованного
проветривания и СВАО (режим V); 7 – при совместной работе систем организованного
проветривания, активной шахтной или механической вентиляции (режим VI)
Таблица 1
Значения
t В , C
o
сут
K об
I
6…7
0,567
сут
Значения K об и t В
Режим работы
II
III
V
10…11
14…15
22…23
0,60
0,63
0,833
VI
до 25
1,0
Коэффициент обеспеченности температурного режима в теплице в
год
годовом цикле K об
; необходимо определять для периода плодоношения
год
томатов и огурцов, который длится с 1 апреля по 1 августа. Значения K об
находится по формуле
год
K об
 1  ( N год  n год ) N год .
(5)
Количество дней плодоношения для средней полосы России составляет
год
N
 120 суток. Длительность периода поддержания в теплицах в апреле –
июле максимально допустимой температуры внутреннего воздуха ( t В  28 оС)
nгод, суток, в зависимости от режимов работы систем поддержания параметров
технологического микроклимата находятся по рис. 17. Графические
зависимости, изображенные на рис. 17, получены нами после обработки
экспериментальных данных замеров температурного режима в теплице ЗАО
агрофирма «Косино» Московской области. Показана эффективность работы
отдельных систем в условиях конкретного культурооборота в течение годового
цикла выращивания овощей.
20
16
Рис. 17. Изменение температуры воздуха в теплице в период плодоношения: 1 – без работы
систем снятия перегрева; 2 – при работе систем организованного проветривания (режим I);
3 - при совместной работе систем организованного проветривания и активной аэрации
(режим II); 4 - при совместной работе систем организованного проветривания и
механической вентиляции (режим III); 5 – при совместной работе систем организованного
проветривания, активной аэрации и СВАО (режим V); 6 – при совместной работе систем
организованного проветривания, активной шахтной аэрации, механической вентиляции и
СВАО (режим VI)
Результаты расчетов коэффициентов обеспеченности температурного
режима в годовом цикле эксплуатации теплиц для периода плодоношения
сведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения
Значения
год
K об
для периода плодоношения
Режим работы систем
II
III
V
120
120
120
N год , суток
I
120
VI
120
n год , суток
0
0
6
60
120
год
K об
0
0
0,05
0,25
1,0
Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации КСОМ в
теплицах в теплый период года, включающие: общие положения назначение, и
выбор
КСОМ;
агробиологические
режимы;
конструкции
КСОМ;
аэродинамический расчет систем, воздухообменов при различных режимах;
гидравлический и теплотехнический расчеты систем водоаэрозольного
охлаждения.
Исследование термодинамических процессов в теплицах при
эксплуатации разработанных КСОМ в теплый период года показало, что
температура внутреннего воздуха в период максимального теплопоступлений
от солнечной радиации снижается на 23…25оС.
Этот эффект достигается за счет адиабатного охлаждения разбрызгивания
воды в объеме теплиц СВАО, поэтому для поддержания необходимых
технологических и температурных параметров в теплицах в теплый период
года не требуется использования искусственных источников холода.
21
17
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ
1. На основании уточненной системы уравнений тепломассопереноса в
теплицах и их элементах в теплый период года с учетом изменения
интенсивности солнечной радиации в течение светового дня и годового цикла
разработана методика расчета эффективности работы КСОМ по шести
характерным режимам.
2. Разработанная комплексная система поддержания расчетных
параметров микроклимата в объеме сооружений путем последовательного
подключения составляющих этой системы средств и способов ступенчатого
снятия перегрева от солнечной радиации в течение суток и теплого периода
года позволяет максимально использовать естественные и минимально
использовать искусственные источники энергии.
3.
Впервые
экспериментально
получены
аэродинамические
коэффициенты блочных теплиц, позволяющие рассчитывать и прогнозировать
интенсивность воздухообмена при естественной вентиляции для снятия
перегрева в теплый период года.
4. Разработаны, обоснованы и показаны на I-d-диаграмме влажного
воздуха термодинамические процессы изменения параметров воздуха в объеме
теплиц при работе комплексных систем снятия перегрева, включая СВАО, в
зависимости от интенсивности воздухообмена в теплицах.
5. Получены количественные значения коэффициентов обеспеченности
температурных параметров воздуха в теплицах в теплый период года для
климатических условий средней полосы России: в течении суток; в годовом
цикле. Обеспеченность температурными параметрами (tв≤28оС) достигается
только при совместной работе систем вентиляции и СВАО.
6. Разработана конструкция комплексной СВАО воздуха в теплицах в
теплый период года. В работе приведены инженерные методики расчета
системы в целом и ее отдельных элементов.
7. Внедрение разработанной КСОМ увеличивает сбор урожая в типовой
зимней теплице на 36% (ЗАО агрофирма «Косино» Московская обл.) за счет
обеспечения необходимой интенсивности фотосинтеза, что составило чистую
прибыль 102,3 руб/м2 площади теплицы. Период плодоношения увеличился на
2,0-2,5 месяца. Срок окупаемости внедрения комплексной системы снятия
перегрева составляет один культурооборот.
22
18
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. * Кайтмазов, Т.В. Обеспечение параметров микроклимата в каркасных
строительных конструкциях [Текст]/ Т.В. Кайтмазов // Строительные
материалы, оборудование, технологии ХХI века. – 2006. – № 11. – С. 14.
2. Кайтмазов, Т.В. Системный подход к оптимизации теплового режима
сельскохозяйственных зданий [Текст]/ Т.В. Кайтмазов, В.И. Бодров, Е.Г.
Ионычев // Тезисы докл. Междунар. конгресса «Великие реки - 2004»,
г.Н.Новгород. – 2004. – С. 614-615.
3. Кайтмазов, Т.В. Разработка и обоснование энергосберегающих систем
кондиционирования микроклимата современных сельскохозяйственных
зданий [Текст]/ Т.В. Кайтмазов, В.И. Бодров, Е.Г. Ионычев // Тезисы докл.
Междунар. конгресса «Великие реки - 2005». Том 2. – С. 204-205.
4. Кайтмазов, Т.В. Область саморегулирования параметров микроклимата в
теплицах в теплый период года [Текст]/ Т.В. Кайтмазов // Тезисы докл.
Междунар. конгресса «Великие реки - 2005». Том 2. – С. 217-218.
5. Кайтмазов, Т.В., Бодров, В.И. Расчет экономического эффекта от внедрения
комплексной системы снятия перегрева в теплицах в теплый период года
[Текст]/ Т.В. Кайтмазов, В.И. Бодров // Промышленная безопасность - 2007.
Сборник статей. Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – 2007. – С. 20-22.
6. Кайтмазов, Т.В. Гидравлический режим систем водоаэрозольного
охлаждения теплиц в теплый период года [Текст]/ Т.В. Кайтмазов //
Промышленная безопасность - 2007. Сборник статей. Нижегор. гос.
архитектур.-строит. ун-т. – 2007. – С. 91-93.
* Примечание: [1] опубликована в научном журнале, рекомендованном ВАК.