Повышение эффективности гелиотеплиц с аккумулятором тепла

Введение. Теплицы являются наиболее энергозатратными сооружениями. С повышением цен на углеводородные энергоносители, возрастает актуальность повышения их тепло-технологических показателей. Эффективность конструкции гелиотеплицы определяется её способностью аккумулировать тепло энергии солнечного излучения.

Определяющими энергетическими характеристиками солнечных теплиц являются следующие характеристики:

• 1)    максимальное поступление солнечной радиации в теплицу,

• 2)    минимальные тепловые потери,

• 3)    максимальное аккумулирование тепла энергии солнечного излучения, прошедшего в теплицу.

Основная часть. Важнейшими геометрическими и энергетическими И⁹²                  Агротехника и энергообеспечение. - 2023. - № 4 (41)

характеристиками гелиотеплиц являются коэффициенты ограждения К о и аккумулирования К а :

К о = F o / F п ; К а = ΣQ aк / ΣQ пр ;                          (1)

• где F o – площадь поверхности ограждения гелиотеплицы;

F п – площадь поверхности почвы теплицы;

ΣQ aк – количество энергии солнечного излучения аккумулируемое в теплице;

ΣQ пр - количество энергии солнечного излучения, входящей в гелиотеплицу.

Задачей тепловой и геометрической оптимизации гелиотеплицы является максимально эффективное сопряжение параметров коэффициентов ограждения К о и аккумулирования К а .

Традиционно гелиотеплицы по длине располагаются в широтном направлении [1-3]. Поверхности воспринимающие солнечное излучение направлены на юг, северные стены и скаты теплоизолированные.

Высота теплицы от поверхности грунта до низа конструкций теплицы должна быть не менее h=2,2 м, ширина пролета не должна превышать b=9 м [4]. Угол наклона южных прозрачных скатов определяет количество солнечной радиации, поступающей в теплицу.

Суммарная солнечная радиация, поступающая в теплицу за период инсоляции:

ΣQ пр = ΣS пр + ΣD пр ;

где ΣS пр , ΣD пр – сумма, прошедшей в теплицу, прямой и рассеянной солнечной радиации:

ΣS пр = ΣS ⊥ B s cosi ; ΣD пр = ΣD B d ;

S ⊥ , D – прямая и рассеянная радиация, падающая на прозрачную поверхность теплицы;

B s , B d – коэффициенты светопропускаяния прямой и рассеянной радиации.

Поступление рассеянной радиации D практически мало зависит от угла падения лучей на прозрачные поверхности, в основном зависит от площади поверхности прозрачного ограждения. Поэтому количество прошедшей радиации является функцией прямой радиации Sпр, падающей на поверхности прозрачного ограждения, и угла их падения i:

ΣQ пр = f ( S ⊥ , i ) .                           (4)

Угол наклона нижнего прозрачного ската принимается в пределах ρ= 45 ^о …60 ^о [1-3].

Как показывают расчеты, при углах наклона до ρ= 60 ^о поступление солнечной радиации за отопительный сезон возрастает, при углах выше ρ= 65 ^о – падает (рис. 1).

Рисунок 1 - Среднемесячная суммарная солнечная радиация, поступающая в теплицу на перпендикулярную лучам поверхность Q пр в зависимости от угла наклона южного ската ρ :

1 – ρ= 30 ^о ; 2 - ρ= 40 ^о ; 3 - ρ= 50 ^о ; 4 - ρ= 60 ^о ; 5 - ρ= 70 ^о

Для условий Кашкадарьинской области наиболее оптимальным является ρ= 60 ^о . Угол наклона верхнего южного ската принимается в пределах ρ 1 = 25 ^о …50 ^о [1-3].

Определим изменение коэффициента огражения Ко в зависимости от геометрических параметров теплицы. Принимаем постоянные значения h=2,2 м; ρ=60о, ρ1=30о. Переменные величины: ширина пролета b=3…7 м, длина теплицы l=10…30 м.

Коэффициент ограждения будет определяться по формуле:

K   ( h + b /cos p 1 + h /sin p ) • l + 2 hb + b ² /(2 ctg p 1 ) + h² ctg p

;

о                           (b + h ■ ctgp) • l

где h , b , l – высота, ширина пролета и длина теплицы;

ρ , ρ 1 – углы наклона нижнего и верхнего южных прозрачных скатов.

Как видно из рис. 2, с увеличением ширины пролета теплицы в пределах b= 5…6 м, коэффициент ограждения К о резко падает. Увеличение длины теплицы более l =26…28 м мало изменяет значения К о.

Рисунок 2 - Изменение коэффициента ограждения К о в зависимости от ширины пролёта b и длины теплицы l : 1- b= 3 м; 2- b= 4 м; 3- b= 5 м; 4- b= 6 м; 5 - b= 7 м

Таким образом, в первом приближении, можно рекомендовать ширину пролета b≥ 6 м, длину теплицы l≥ 25 м.

Определим изменение коэффициента ограждения К о в зависимости от угла ρ 1 в предалах ρ 1 = 25 ^о …50 ^о . Принимаем высоту скатов h 1 постоянной (не зависимо от угла ρ 1 ) при ρ 1 = 30 ^о , которая определяется по формуле:

hx = 2 • tgp i = 2 • tg 30 o = 2 • 0, 577 .                     (6)

В этом случае коэффициент ограждения:

K о

( h + д/ h ]² + ( b - h 1 / tg p 1 )² + h /cos p 1 + h /cos p ) • l + 2 hb + h 1 b + h ² ctg p ( b + h • ctg p ) • l

.

Как видно из таб. 1, с изменением угла ρ 1 коэффициент ограждения К о изменяется незначительно. Наименьшее значение К о при ρ 1 =30 ^о , наибольшее - при ρ 1 =50 ^о .

Таблица 1. Изменение коэффициента ограждения К о в зависимости от угла наклона ρ 1 при b= 6 м, l= 25 м

ρ 1 , град	25	30	35	40	45	50
К о	1,827	1,822	1,825	1,831	1,84	1,85

Для полной геометрической и тепловой характеристики гелиотеплицы, рассмотрим влияние угла наклона ρ 1 верхнего южного ската на соотношение суммы прошедшей солнечной радиации ΣQ пр и тепловых потерь ΣQ тп в теплице.

С увеличением угла наклона ρ 1 южного ската 1 поступление среднемесячной суммарной солнечной радиации Q пр падает пропорционально росту угла наклона ρ 1 (рис. 3).

400 осп __________________________________________ / ____ 350
ОПП     ■ \ У / А	30
300 ОСП __х \\\ ______________________ /    X    __ 250	35
ОПП      \\v\k __________________	40
200 d СП	45 50
150 d ПП ________ 1________ L—ZL—L________ 111 100
X        XI         XII         I          II          III         IV

На рис. 4 показаны графики изменения доли теплопотерь В 1 и В 3 через верхние скаты в зависимости от угла наклона южного ската ρ 1 при средних коэффициентах теплопередачи К 1 = 6,4 Вт/(м ² К) и К 3 = 3…4 Вт/(м ² К).

Рисунок 4 - Изменение доли теплопотерь В 1 и В 3 через верхние скаты в зависимости от угла наклона южного ската ρ 1 :

1–южный скат 1 и 2-северный скат 3 при К 3 = 4 Вт/(м ² К);

3–южный скат 1 и 4-северный скат 3 при К 3 = 3 Вт/(м ² К).

Доли теплопотерь В 1 и В 3 изменяются пропорционально увеличению угла наклона ρ 1 ( В 1 – падает; В 3 – возрастает). С ростом коэффициента теплопередчи К 3 доля теплопотерь В 3 – падает. Функции В 1 ( В 3 ) = f ( ρ 1 ) не имеют точек экстремумов.

Выводы. Таким образом, анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. В качестве оптимального варианта геометрии гелиотеплицы можно рекомендовать параметры (рис. 1): ширина пролета b≥6 м; длина теплицы l≥25 м; высота несущих конструкций h=2,2 м; угол наклона нижнего южного ската ρ=60о; угол наклона верхнего южного ската ρ1=30о.

Количество тепла, аккумулируемого в конструкции теплицы: ΣQ aк = ΣQ пр - ΣQ тп ;

где ΣQ тп – теплопотери в теплице.

Тепло, аккумулированное в теплице, выражается следующей суммой ΣQ aк = ΣQ ка + ΣQ та ;

где ΣQ ка , ΣQ та – тепло аккумулируемое в конструкции теплицы и тепловом аккумуляторе.

Тепло аккумулируемое за период инсоляции в конструкции теплицы ΣQка определяется площадью поверхности грунта и наличием больших массивов в ограждении теплицы.

Количество тепла, аккумулируемое в тепловом аккумуляторе, определяется его теплоаккумулирующей эффективностью: материал, способность поглощения солнечной радиации, объем, место расположения.

В первом приближении требуемый суммарный объём теплоаккумулирующих элементов можно определить из соотношения [9]:

V а = C уа F п / C р ;                                   (9)

где С уа – удельная теплоемкость теплового аккумулятора, отнесённая к 1 м ² площади прозр ачного ограждения, Дж/(м ² К).

96                  Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 4 (41)

Для теплоаккумулирующих элементов V_a из емкостей с водой при удельной теплоёмкости воды С р =4186 кДж/(м ³ К) и С уа = 620 кДж/(м ² К) [9], при площади поверхности прозрачного ограждения F_n =150 м ² , объем теплоаккумулирующих элементов составляет V_a= 22,2 м ³ .

При достаточных значениях массы теплоаккумулирующих элементов вся или почти вся улавливаемая теплоаккумулирующими элементами солнечная энергия полезно используется, устраняется перегрев в теплице, суточные колебания температуры воздуха в теплице сглаживаются.