Моделирование энергетических режимов теплицы

В среднем затраты на обогрев теплиц составляют 40% - 80% от себестоимости продукции. На обогрев 1 га зимних теплиц расходуется в среднем более 200 тонн условного топлива в год [6]. Фактически, показатель энергозатрат работающей теплицы является самым критичным с точки зрения коммерческой целесообразности производства тепличной продукции. Именно поэтому разработка систем энергосбережения является актуальной задачей.

Материалы и методы исследования. Методологической основой исследования являлись труды отечественных и зарубежных ученых в области использования данных прогноза погоды для регулирования температуры воздуха. В ходе исследования использовались методы математического моделирования [1], системного и сравнительного анализа статистического, монографического и текстового материала (статьи из журналов) и аналитические ресурсы сети Интернет.

Результаты и обсуждение. Исследования отечественных и зарубежных ученых [3] показали, что использование комбинированного управления позволяет улучшить качество регулирования системы при изменении возмущающего воздействия, но при этом возникает дополнительная задача синтеза параметров регулятора в цепи компенсации основного 168

внешнего возмущения. Предложенные в настоящей работе способ компенсации изменений параметров климата, основанный на дополнительном применении данных метеопрогноза по ожидающимся изменениям параметров климата, решают проблему практического использования линейных регуляторов, например пропорционально-интег-рального и пропорционального регуляторов, в цепи компенсации внешнего возмущения при наличии значительного транспортного запаздывания в математической динамической модели ОУ, которым в данном случае является блочная теплица с контуром водяного надпочвенного обогрева. В случае настройки регулятора в цепи компенсации возмущения исходя из критерия инвариантности САР к изменениям возмущающего воздействия, как показало численное моделирование, может быть достигнуто значительное улучшение показателей качества регулирования, например четырехкратное снижение значения перерегулирования переходного процесса по сравнению с базовым вариантом САР по отклонению.

В основу всех методов теплотехнического расчета теплицы положен анализ теплового баланса, т. е. алгебраической суммы всех тепловых потоков в сооружении (2-8) [5].

Q т = Q

ПР . С . Р

^+Q ОТ ^{+ Q} ОГР ^+Q ИНФ

^+Q ВЕНТ ^+Q П ^+Q РА СТ

Тепловые потоки, способствующие нагреванию теплицы, принято

считать

положительными, а тепловые потоки, вызывающие понижение температуры, -отрицательными. Одни тепловые потоки могут быть только положительными или только отрицательными, другие в зависимости от температуры меняют направление - их называют знакопеременными.

Рисунок 1 - модель зимней теплицы

Как правило, тепловой баланс теплицы рассчитывается для определенного периода времени. Например, при определении мощности (теплопроизводительности) системы отопления пользуются составляющими теплового баланса за секунду или за час, расчет потребляемой тепловой энергии ведется за сутки, месяц или год.

В зависимости от целей и требуемой точности расчетов в каждом конкретном случае в тепловой баланс включают все или несколько составляющих. Например, при расчете требуемой тепло производительности системы отопления исключают составляющую солнечной радиации, так как расчет ведут для самого холодного периода суток - ночи. При расчетах систем вентиляции не учитывают теплоотдачу системы отопления, поскольку

режим вентиляции осуществляется в основном в летний период, при отключенном отоплении. Температура воздуха в теплице зависит от следующего ряда факторов:

Проникающая солнечная радиация. В справочной литературе о климате приводятся сведения о приходе солнечной радиации на горизонтальную поверхность за час, сутки, месяц и год. Доля солнечной радиации, проникающей в теплицу, зависит от времени года, географического положения, конструктивных особенностей сооружений и чистоты светопрозрачного ограждения. Эта совокупность факторов характеризуется коэффициентом проницаемости (Кпр) для новых теплиц, значения которого в зависимости от времени года следующие:

Январь - 0,5

Февраль - 0,6

Март - 0,65

Апрель - 0,75

Май-июль - 0,8

Август - 0,75

Сентябрь - 0,65

Октябрь - 0,6

Ноябрь-декабрь - 0,5

Проникающая солнечная радиация, МДж, определяется следующим образом:

^Q ПР . С . Р = K ПР "  ^Q СР "  S T

где Кпр - коэффициент проницаемости; (Qcp - солнечная радиация на горизонтальную поверхность, МДж/м²; S T - площадь теплицы, м².

Теплоотдача системы отопления. Значения тепловых потоков от теплотехнического оборудования зависят от площади теплообменных поверхностей, температурного перепада и интенсивности теплообмена, определяемого коэффициентом теплопередачи. В общем случае теплоотдачи, кВт, определяется по следующей формуле:

^Q от = ^Q поч + ^Q шат = ^K "  ^FOrP ’ ^K И ' ^(t В - t Н ) + ^FnO4 "  q ПОЧ

Где Q_0T - тепловая мощность отопительной системы, Вт;

Q поч , Q шат – мощность шатрового и почвенного обогрева, Вт; F огр – площадь поверхности ограждения теплицы, м²;

F поч – площадь поверхности почвы теплицы, м²;

К и – коэффициент инфильтрации (принимают в пленочных теплицах К и = 1,3…1,4, в остекленных и из поликарбоната - К и = 1,25^1,3);

• t в и t н – расчетные температуры воздуха в теплице и наружного воздуха, ºС);

• q поч – плотность теплового потока от почвенного обогрева, Вт/ м².

Величина коэффициента теплопередачи ограждения К зависит от вида и состояния светопрозрачного материала.

Потери тепла через ограждение. Любое сооружение теряет тепло из-за теплопередачи через ограждение, регулируемого и нерегулируемого воздухообмена. Наиболее значительные потери тепла, особенно в зимнее время, наблюдаются через элементы ограждения. Теплопередача, кВт, пропорциональна площади ограждения, температурному перепаду и теплофизическим свойствам материала покрытия:

Q ОГР = K ОГР ■ K Т "  S T "  (t В -t Н ) (4)

где Qorp теплопотери через ограждение, кВт; Когр - коэффициент ограждения, представляющий собой отношение площади ограждения к инвентарной площади, Когр принимается равным 1,3 для типовых блочных теплиц и 1,5 для ангарных, для индивидуальных проектов теплиц Когр рассчитывается; Кт - коэффициент теплопередачи, характеризующий теплофизические свойства материала покрытия и условия теплообмена, Вт принимается равным 6,4 Вт/(м2*°С) для стекла и 7,5 Вт/(м²*С) для пленочных теплиц, для двойного стеклянного ограждения Кт = 3,3 Вт/(м²*°С), для двойного пленочного ограждения Кт=4,6 Вт/(м²*°С); S T - площадь сооружения, м²; t B , t H - температуры внутри и снаружи теплицы, °С.

Потери тепла вследствие инфильтрации. Теплопотери, связанные с нерегулируемыми воздухообменом и вентиляцией теплицы, как правило, определяются опытным путем, поскольку методы расчета этих составляющих достаточно сложны и трудоемки. Потери тепла, обусловленные проникновением холодного воздуха через неплотности в ограждения (инфильтрацией), на основании экспериментальных исследований рассчитываются в зависимости от теплопотерь через ограждение и составляют в среднем 20% теплопотерь через ограждение:

Q ИНФ

= 0,2 • Q orp

Теплообмен с окружающей средой через вентиляционные отверстия. Потери тепла через фрамуги, кВт, зависят от площади фрамуг, скорости движения воздуха в вентиляционных проемах и разности температур воздуха внутри и снаружи теплицы:

^Q ВЕНТ = p • S • V • Y B • C B • ^(t В ^-t Н ) ⁽⁶⁾

где p - коэффициент расхода через систему вентиляции, равный 0,65; S - площадь приточных или вытяжных отверстий, м2; V - скорость движения воздуха в вентиляционных проемах, м/с; Yв - плотность воздуха, кг/м³; t B , t H - температуры внутри и снаружи теплицы, С; Св - теплоемкость воздуха, кДж/кг.

При расчете систем вентиляции теплиц считают, что воздухообмен вызывается только гравитационным фактором, влияние ветра не учитывают. Скорость движения воздуха, м/с, в вентиляционных проемах определяют следующим образом:

Теплообмен с растениями и почвой. Температура воздушной среды теплицы зависит не только от воздействия солнечной радиации и систем отопления и вентиляции, но и от взаимодействия воздушной среды с почвой и растениями. И почва, и растения в основном взаимодействуют с воздухом путем конвективного теплообмена и испарения влаги, причем вследствие небольшой разности температур между почвой и воздухом, с одной стороны, и растениями и воздухом, с другой, теплообмен путем испарения значительно превышает конвективную составляющую.

Конвективный теплообмен вычисляют по формуле

Q П = a • S • (t-t _B) -1000

где Q П - тепловой поток с растений или почвы, кВт; а - коэффициент теплоотдачи поверхности растений или почвы, а = 5-гб Вт/(м²*°С); S — площадь поверхности растений или почвы, м²; t - температура растений или почвы, С; t В - температура воздуха в теплице,

°

Теплообмен путем транспирации (испарения воды листьями растений) и испарения влаги из почвы рассчитывается по формуле

Q pact = r • m • 5                                    (8)

где r - теплота парообразования, r = 2257 кДж/кг; m - скорость транспирации, m = 0,03-1-0,3 г/(м2*с); S - площадь растений или почвы, м2.

Из внешних параметров влияющих на температуру воздуха в теплице можно выделить проникающую солнечную радиацию, температуру воздуха снаружи теплицы, влажность воздуха, скорость и направление ветра.

Современные серверы погоды предоставляют в распоряжение пользователей программный интерфейс (англ. application programming interface, API), с помощью которого подключенный к сети Интернет пользователь (микропроцессорное устройство управления САР) может сформировать программный запрос к серверу погоды и получить от него подробный прогноз (данные о температуре, влажности, скорости ветра, облачности, осадках) на ближайшие сутки [3]. Использование помимо датчика наружной температуры и данные прогноза изменения параметров климата на определенный предстоящий интервал времени т * для заблаговременной выработки соответствующего компенсирующего управляющего воздействия на ОУ. На рисунке 3, b показан график соответствующего изменения во времени управляющего сигнала u ( t ) блока регуляторов.

В рассматриваемой комбинированной схеме (рис. 2)

Рисунок 2 – Комбинированная схема САР, адаптированная для анализа изменение управляющего сигнала и(1) (кривая 1) вследствие учета данных метеопрогноза начинается заблаговременно, т. е. еще до момента времени t = 0 наступления ступенчатого возмущения. В то же время при использовании пропорционально-интегрального регулирования только по отклонению реакция САР и(2) (кривая 2) на внешнее возмущение начинается только после его наступления[2].

Рисунок 3 - Реакция САР на ступенчатое возмущающее воздействие – увеличение наружной температуры воздуха на 1°С: а) переходная функция САР по возмущающему воздействию; b) изменение управляющего сигнала регулятора;

1 – при наличии контура компенсации возмущения с учетом данных прогноза погоды; 2 – при регулировании по отклонению и отсутствии контура компенсации

Таким образом, помимо улучшения качества переходного процесса в системе за счет предусмотрительного снижения температуры теплоносителя при повышении наружной температуры достигается также экономия тепловой энергии пропорциональная величине

+х j (u(2) - u(1)) dt *

на

-т

Выводы. Учет предстоящего изменения параметров климата влияющих температуру воздуха внутри теплицы позволяет уменьшить затраты тепловой энергии в системе трубного надпочвенного обогрева и электрической энергиии на систему электрокалориферного надпочвенного обогрева, используемую обычно дополнительно с системой трубного надпочвенного обогрева для быстрой компенсации резких по времени изменений наружной температуры воздуха.

Предложенный подход может быть применим также при разработке интеллектуальных систем отопления производственных, жилых и сельскохозяйственных помещений, характеризующихся значительной тепловой инерцией.

УО «Белорусский государственный аграрный технический университет», г. Минск, Республика Беларусь

Alexey N. Ermakov