Определение тепловых характеристик теплицы с пассивной солнечной системой

Современные обычные теплицы и тепличные хозяйства в условиях Сибири несут большие экономические убытки из-за потерь тепла через ограждения. Годовой расход теплоты для обогрева 1 м² зимних теплиц в условиях Республики Бурятия находится в пределах 0,57-0,72 Гкал/м², поэтому вопросу рационального теплоснабжения теплиц должно придаваться первостепенное значение. Одним из перспективных направлений повышения энергоэффективности теплиц и получения экологически чистых овощей является использование солнечной энергии. В регионах Сибири солнечных теплиц нет, хотя приход солнечной радиации в Забайкалье один из самых высоких в стране.

Метод исследования

Теплица должна воспринимать в отопительный период максимальное количество солнечной радиации, которое можно регулировать выбором оптимального значения угла наклона α прозрачной поверхности к горизонту (рис. 1). Связь между α и высотой солнца h о запишется как: α = 90^o -h o или с учетом широты местности φ и угла склонения солнца δ:

h о =90^о–φ–δ .

Для условий г. Улан-Удэ – широта φ = 52º3', теплица площадью 100 м², при 180 днях работы в году, с 15 февраля по 15 ноября, при α = 60º, h о = 30º будет иметь оптимальный геометрический размер пола 18,2х5,5 м [2].

Рис. 1. Поперечный разрез теплицы: b - ширина светопрозрачного покрытия; а - угол наклона;

E 2 D = Н о - высота тыльной стороны стены; Ь_о - высота солнца

Для эффективной работы солнечных теплиц необходимо избыток тепла аккумулировать для выравнивания дневных и ночных температур. Рассмотрим теплицы с закрытой пассивной солнечной системой (ПСС), которые отличаются простотой, прежде всего с точки зрения конструктивного решения, и выполняются как функции элементов здания, так и функции восприятия и аккумулирования тепла (рис.2) [1, 2].

Рис.2. Солнечная теплица S = 100 м2 с оптимальными размерами элементов конструкции:1 - черная теплопоглощающая северная стена; 2 - почвенный слой грядок; 3 - теплоаккумулирующий слой (гравий, цеолиты); 4 - светопрозрачное покрытие; 5 - вытяжная труба; 6 - изоляция

Уравнение для закрытой ПСС имеет вид:

—(M*C ) *— = a *F *[t p вн   dτ = авн F ст [^вн(т)

-

т , ,] + a * F *[ t ,. ^т ст( — е, т )^{] + а} вн ¹ покр ^{[ <}вн ( т )

-

■ т , .] + покр — e, т )

^а вн    пол ^[ вн( т )

-

n пер поЛ—е ,т)] ~ авн /а вн    [ вн( т)

пер

t ( — e, т )^{] +} ок ок ^[ь н ( т )

^— t H ( т )^{] +}

+У *о *С* *17 ,. вент ^р н    р ^[ вн ( т )

-

■ tH ( т )^{] — F}oк * Ч пог* ) ^{— Q}H , ) ^{+ (} m * ^Cp ) тП * ^{[ t}BH ( т )

ТП выХт)] ,

где (т*С_Р)_ТП - массовый расход нагретого воздуха поступающего от теплоприемника;

С_Р 1 _ТП - удельная теплоемкость воздуха от теплоприемника;

t ™ _x (т) - температура воздуха на выходе из теплоприемника;

F_oк - площадь окон;

т_вн - масса внутреннего воздуха;

С_Р ,в _н - удельная теплоемкость внутреннего воздуха;

1_вн(т) - температура внутреннего воздуха;

т - время;

а_вн - коэффициент теплообмена внутренних поверхностей ограждающих конструкций;

1_ст(-ет) - температура внутренней поверхности наружной стены;

F_cm - площадь внутренней поверхности наружных стен;

F_noк - площадь внутренней поверхности покрытия;

1_пок(-ет) - температура на внутренней поверхности покрытия;

F_nep - площадь внутренней поверхности перекрытия;

1_пер(-ст) - температура внутренней поверхности перекрытия над подвалом;

n ∑

(т*СР)об - теплоаккумулирующая способность массы различного внутреннего оборудова- ния; 1об(т) - температура на поверхности внутреннего оборудования;

К_ок - коэффициент теплопередачи через светопрозрачное покрытие;

1_н(т) - температура наружного воздуха;

V - объем поступающего наружного воздуха извне за счет инфильтрации и через вентиляционные каналы наружного воздуха ;

р_н и С _р - плотность и теплоемкость наружного воздуха;

F_oк - площадь остекления пассивной системы;

q погл (τ) – плотность поглощенной внутренним объемом солнечной радиации;

Q вн (τ) – внутренние тепловыделения.

В северной стене теплицы размещен абсорбер-теплоприемник. Оптимальное значение угла наклона поверхности светопрозрачного покрытия принимаем равным α = 60º,

В качестве материала пола, потолка, стены берем плиты перекрытий – железобетонные, армированные стержнями из стали Ат+V.

Температуру внутренней поверхности τв стен потолка и пола определяем по формулам [2]: τв’ = 0,765* tв + 0,235*tн – стен (7);   τв’ = 0,785*tв + 0,215*tн – потолка;(2)

τв’ = 0,78*tв + 0,21*tв – пола.(3)

Подставив значения:

αвн = 8,7 Вт/м² ºС;     Fст = 42,1 м²; Fпот=70,2 м²; Fпол= 100 м²; m*Ср= 204*103 Дж/ ºС в уравнение (1), получим уравнение:

(m*Ср) dtвн = 5,95(tвн - tн) – q .

d T

При дискретном изменении температуры во времени формула примет вид:

t6H - t6H = 0,035 *(t„ — t6H ) + 0.0029* q„.(5)

BHi +i       BHi                          Hi +i       BHi

Для определения теплопроизводительности пассивного теплоприемника используем формулу [4] :

QТП = (mСр)погр∙(tпогр - tвн)∙(a-1), Вт,(6)

где t вн – средняя внутренняя температура воздуха теплицы, ^оС;

а – сторона теплицы, где расположен теплоприемник;

(mc ρ ) погр – масса пограничного слоя воздуха на 1 м.

Изменение температуры воздуха в пограничном слое, определяем по формулам:

для абсорбера стены : t norp(i+i) - t_eH( ) = 0,365 (t^ +i) - t eH(i) ) + 0,016 q абгл ₍ i _{+ 1)}                      (7)

(mc ρ ) погр находим по формуле:      m погр =3600δ∙ρ∙V ср =38,9 кДж/м∙ºС ,                    (8)

где δ = 1 см – толщина пограничного слоя; ρ = 1,2 кг/м³;

V ср = 0,9 - 1 м/с; С = 1 кДж/кг/град.

В уравнение теплового баланса для закрытой системы (1) вводим слагаемые ( m * C _p ) ^а _п ^б _ог ^с _р и

( t _п ^Т _о ^П _гр – t вн ); получим уравнение:

t BH(i+i) - t H(i) = 0,144*(t H(i+i) - t BH(i) )+0,016* q¹¹^ ( i + 1) + 0,009*q n.

Для определения количества теплоты, поступающей от теплоприемника, подставим в формулу (6) полученные значения (m*С р ) погр и *(t погр - t вн ) и получим:

Q ТП = 38.9∙17.2 ∙(t погр - t вн ) = 0,185∙ (t погр - t вн ) кВт∙ч/^оС.                    (10)

По полученным формулам рассчитаны почасовые значения температуры воздуха внутри теплицы и теплопроизводительности пассивной солнечной системы (табл.).

Таблица

Данные теплопроизводительности пассивной солнечной системы теплицы

Месяц	Q полезное абсорбера кВт*ч/день (ясн. дн.)	Кол-во ясных дней	Q полезное абсорбера кВт*ч/м-ц (ясн. дн)	Q полезное абсорбера кВт*ч/день (п/ясн. дн)	Кол-во полуясн. дней	Q полезное , абсорбера, кВт*ч
						за п/ясн. дн.	за месяц
I	12,43	21,9	272,2	10,3	9,1	93,9	366,1
II	22,70	22,7	515,5	17,48	5,3	92,6	608,1
III	27,37	22,3	610,3	10,06	8,7	87,5	697,8
IV	34,31	14,5	496,0	23,32	15,0	349,8	845,8
V	38,06	10,9	521,8	27,40	19,6	537,0	1058,8
IX	30,85	9,6	296,1	17,60	18,8	330,6	626,7
X	29,35	12,8	375,7	14,97	16,6	248,5	624,2
XI	16,28	12,7	206,0	10,71	16,8	180,0	386,0
XII	12,19	16,7	203,6	10,24	14,0	143,3	346,9
Итого:							5560,4

Результаты расчета теплопроизводительности солнечной теплицы показали, что она может эффективно функционировать с 15 февраля по 15 ноября, причем оптимизация размеров конструкции теплицы на один месяц сокращает отопительный период, в 1,5 раза повышает теплоак- кумулирующую способность теплицы, в апреле – в 2,3 раза, а в октябре – в 3 раза, что очень важно для выращивания ранневесенних и позднеосенних овощей и экономии тепла.

Заключение

Оптимизация геометрических размеров элементов теплицы обеспечит максимальное поступление солнечной радиации в отопительный период, что позволит использовать теплицу как весенне-осеннюю (без отопления) – с марта по октябрь.

Совмещение ограждающих конструкций теплицы с тепловыми аккумуляторами даст экономию до 40% строительных материалов.

Теплопроизводительность пассивной закрытой солнечной системы составила за отопительный период 5560 кВт∙ч.

Применение пассивной солнечной системы с аккумулированием тепла в подземном теплоаккумулирующем слое (гравий, цеолиты) может заместить в тепловом балансе теплицы до 60% отопительной нагрузки.