Исследование системы управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом

Благодарности. Авторы выражают особую благодарность научным сотрудникам Национального научно-исследовательского института возобновляемых источников энергии при Министерстве энергетики Республики Узбекистан.

Цитирование: Расаходжаев, Б. С. Исследование системы управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом / Б. С. Расаходжаев, А. А. Кучкаров, М. О. Бобоева, И. Р. Машрапова // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(6). С. 684–690. DOI: 10.17516/1999-494X-0425

лирования дневного излишка тепла солнечного излучения в инсоляционных пассивных системах отопления проанализированы Р. Р. Авезовым с соавторами [5]. Основные резервы повышения эффективности использования солнечной энергии в системах теплоснабжения приведены Ю. К. Рашидовым с соавторами [6].

Материалы и методы

На основе анализа существующих систем моделирования тепловых режимов нами разработан алгоритм управления работой энергоэффективной теплицы с трансформируемым корпусом для индивидуального пользования.

В предлагаемый алгоритм положены два основных принципа: максимально полезное использование тепловой энергии, поступающей от солнечной энергии, и минимизация числа часов работы искусственного обогревателя. В качестве последнего альтернативными системами, наиболее приемлемыми при обогреве гелиотеплиц, являются природный газ, уголь и электроэнергия.

Для рационального и экономного пользования ресурсами искусственного обогрева в теплице может быть использована интеллектуальная система управления (СУ), которая обеспечивает постоянное распределение потоков энергии в замкнутой энергетической системе в зависимости от ее текущего состояния.

Режим работы теплицы определяется разницей температуры внутри теплицы.

При отоплении теплиц традиционно используемыми видами топлива служат уголь, природный газ и электрическая энергия, при этом необходимо обратить внимание на теплотворную способность (удельную теплоту сгорания) топлива. Теплотворная способность характеризует количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³ (1 л). Удельная теплота сгорания каждого вида топлива зависит от его горючих составляющих (углерода, водорода, летучей горючей серы и др.), а также от влажности и зольности [7].

В табл. 1 приведены теплотворности видов топлива, часто используемых при отоплении теплиц, единицы их измерения и удельная теплота сгорания [9].

Очевидно, что чем выше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше его расход. Поэтому при проектировании котельной на твёрдом топливе необходимо учитывать тепло-

Таблица 1. Виды топлива и их удельная теплота сгорания

Table 1. Types of fuel and their specific combustion

№ Вид топлива Ед. изм. Удельная теплота сгорания кКал кВт МДж 1. Природный газ 1 м 3 8000 9,3 33,50 2. Уголь каменный (W=10 %) 1 кг 6450 7,5 27,00 Уголь бурый (W=30…40 %) 1 кг 3100 3,6 12,98 3. Электроэнергия 1 кВт/ч 864 1,0 3,62 творную способность. С учетом теплотворности топлива мы можем регулировать объем теплицы.

Для эффективной реализации алгоритма управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом на практике необходим постоянный контроль за запасом тепловой энергии в аккумуляторе тепла, в качестве которого использована пластиковая емкость с теплоизоляционной поверхностью. Также аккумулятор тепла (для накопления и хранения тепловой энергии) имеет многослойное покрытие.

При обогреве теплицы возможны два варианта: система солнечного обогрева (ССО) и система искусственного обогрева (СИО).

• 1.    Система солнечного обогрева обеспечивает поступление солнечной энергии больше потребляемой активной мощности нагрузки. В этом случае тепловой режим теплицы полностью обеспечивается солнечной энергией. Согласно тепловой схеме [7] поступающая энергия поглощается растениями, аккумулятором тепла и частично поверхностью грунта.

• 2.    Система искусственного обогрева используется при пасмурной погоде, когда поступающая солнечная энергия меньше активной мощности. В этом случае (в зависимости от вида природного ресурса) включается альтернативная система искусственного обогрева. В таком режиме интеллектуальная система управления определяет недостаток мощности, необходимой для обогрева теплицы, и производит оценку возможности ее получения из альтернативной системы искусственного обогрева.

Результаты

Особенностью разработанного алгоритма управления тепловыми режимами в энергоэффективной гелиотеплице с трансформируемым корпусом при комбинации с системой искусственного обогрева является рациональное и экономное пользование природными ресурсами.

На рис. 1 представлен алгоритм управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом.

На рис. 1 представлена многокомпонентная структура гелиотеплицы с трансформируемым корпусом, которая требует разработки специализированных алгоритмов управления, обеспечивающих бесперебойное снабжение потребителя тепловой энергией в условиях изменяющихся внешних факторов, оказывающих существенное влияние на работу гелиотеплицы.

Для эффективной работы гелиотеплиц с трансформируемым корпусом необходимо создание методик рационального выбора типа и мощности альтернативных систем искусственного обогрева в составе автономных энергетических комплексов. На основе разработанного алгоритма управления тепловыми режимами в энергоэффективной гелиотеплице с трансформируемым корпусом и многокомпонентной структурой нами создана методика рационального выбора типа и мощности альтернативных систем искусственного обогрева с однокомпонентной структурой управления тепловым режимом гелиотеплицы с трансформируемым корпусом для индивидуального пользования.

На рис. 2 представлен схема управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом с однокомпонентной структурой управления при комбинации с газовым котлом для индивидуального пользования.

Рис. 1. Алгоритм управления тепловыми режимами в энергоэффективной гелиотеплице с трансформируемым корпусом для индивидуального пользования: Wак – аккумулируемая энергия в теплице; Wн – нагрузочная энергия; Qак – аккумулируемая энергия в аккумуляторе; Qн – нагрузочная энергия; Рн – нагрузочная мощность; РБН – без нагрузки; Рпг – мощность котла от природного газа;

Qпр – суммарная солнечная радиация, прошедшая в гелиотеплицу; Рпг – мощность котла от электроэнергии; WАБ – энергия аккумуляторных батарей; Δt – разница времени; WАКК – энергия аккумуляторных батарей в теплице

Fig. 1. Algorithm for controlling thermal regimes in an energy-efficient solar greenhouse with a transformable housing for individual use

На рис. 1. представлен алгоритм управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом.

Данная однокомпонентная структура управления может быть также использована для управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом при комбинации с электрическим или твердотопливным котлом. Особенностью представленной комбинации является экономное и рациональное использование полезных ископаемых.

Рис. 2. Алгоритм управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом при комбинации с газовым котлом: Wак – аккумулируемая энергия в теплице; Wн – нагрузочная энергия; Qак – аккумулируемая энергия в аккумуляторе; Qн – нагрузочная энергия; Рн – нагрузочная мощность; Рпг – мощность котла от природного газа; Qпр – суммарная солнечная радиация, прошедшая в гелиотеплицу; WАБ – энергия аккумуляторных батарей; Δt – разница времени; WАКК – энергия аккумуляторных батарей в теплице

Fig. 2. Algorithm for controlling thermal conditions in an energy-efficient greenhouse with a transformable body when combined with a gas boiler

На рис. 2 представлена схема управления тепловыми режимами в энергоэффективной теплице с трансформируемым корпусом с однокомпонентной структурой управления при комбинации с газовым котлом для индивидуального пользования.

Выводы

По итогам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• -    на основе анализа существующих систем тепло-влажностной обработки воздуха гелиотеплицы и создания влажностного режима нами разработан алгоритм управления тепловыми режимами работы энергоэффективной теплицы с трансформируемым корпусом с многокомпонентной структурой гелиотеплицы для индивидуального пользования;

• -    с учетом данного алгоритма управления тепловыми режимами в энергоэффективной гелиотеплице с трансформируемым корпусом с многокомпонентной структурой гелиотеплицы нами подготовлена методика рационального выбора типа и мощности альтернативных систем искусственного обогрева с однокомпонентной структурой управления тепловым режимом гелиотеплицы с трансформируемым корпусом для индивидуального пользования;

• -    для рационального и экономного пользования ресурсами искусственного обогрева в гелиотеплице рекомендуется использование интеллектуальной системы автоматизированного управления.