Ресурсосберегающие фермерские теплицы построечного изготовления

Я = тК_огр, (1) где т - тепловая характеристика, равная произведению коэффициента теплопередачи на разность внутренней и наружной температур; К_огр - коэффициент ограждения, равный отношению площади ограждающей поверхности теплицы к площади застройки.

Из формулы (1) следует, что тепловые потери рассадного сооружения (и других видов теплиц) можно сократить, понизив внутреннюю температуру в объёме теплицы и уменьшив коэффициент ограждения.

Отечественные ангарные теплицы сезонного и круглогодового использования имеют стальной каркас и светопрозрачное ограждение из сотовых поликарбонатных листов. Поставку и монтаж большепролётных теплиц для фермерских хозяйств осуществляют несколько крупных заводов-изготовителей: «Агрисовгаз» г.Малоярославец Калужской обл., «Атлант» г. Санкт-Петербург, «Рус-Теплица» г.Москва и некоторые другие. Однако стоимости теплиц и логистические услуги значительны. Так, отпускная цена металлоконструкций каркаса фермерской теплицы обычно варьирует в пределах 2,5 – 3,0 тыс. руб/м ² площади теплицы [3, 10-12]. Стоимость доставки теплицы за пределы области производства составляет около 1100 руб/км.

Хозяйственный способ строительства теплицы позволяет существенно снизить единовременные затраты, изготавливая сварной каркас сооружения из прокатных профилей (швеллеров). При сложившейся рыночной цене на швеллеры около 80 тыс.руб/т и расходе стали на каркас теплицы около 10 кг/м ² площади сооружения удельная стоимость каркаса при строительстве собственными силами примерно составит 1000 руб/м ² , что значительно меньше стоимости и доставки каркаса заводского изготовления.

Цель исследования предусматривала разработку ресурсосберегающих строительных решений рассадной и овощной теплиц.

Материалы и метод исследования. Для достижения намеченной цели использовался аналитический метод.

Результаты работы. Начальным этапом культивирования овощных культур является выращивание рассады, обычно начинающееся в начале декабря. Обобщение литературных источников, проектных материалов и патентов показало, что при выращивании рассады технологически требуемая температура поддерживается не в зоне роста растений, а во всем объёме теплицы, что обусловливает увеличение тепловых потерь сооружением [4, 7-9].

Для снижения энергетических затрат на отопление разработано техническое решение рассадно-овощной теплицы, предусматривающее обеспечение технологически требуемой температуры воздуха только в зоне роста растений (рис. 1) [5]. Такой результат достигается тем, что подстеллажное пространство с уложенной трубой водяного отопления закрывается теплоотражающими экранами из сотового поликарбоната. Внутренняя сторона экранов до уровня верха стеллажа закрывается металлизированной плёнкой, а верх экранов на высоту растений остаётся светопрозрачным. Тепловой поток проходит через разрежённый настил стеллажа и обеспечивает требуемую для растений температуру воздуха.

По окончании выращивания рассады теплица может использоваться для культивирования огурцов, томатов и других культур в установленных на стеллажи ёмкостях (рис.2).

• 1-    стальная арка; 2 – сотовые поликарбонатные листы; 3 - металлический или деревянный стеллаж; 4 –труба водяного отопления; 5 - теплоотражающий экран; 6 - шпалеры; 7 – проволочные (диаметр 3 мм) оцинкованные прогоны; 8 – проволочные прогоны по затяжке арки для подвязки шпалер; 9 – выращиваемая культура

Рисунок 2 – Разрез теплицы

Выполненные по формуле (2) расчёты показали, что при предложенном способе обогрева рассады поток тепла через ограждение теплицы по сравнению с традиционным способом отопления всего объёма сооружения уменьшается в два раза

Q = ^рн ( вт/м2), (2)

Ко где Q–тепловой поток через ограждение; tв – расчётная внутренняя температура воздуха, оС; tн – расчётная наружная температура воздуха, оС; Ro – общее термическое сопротивление ограждающей конструкции.

Для снижения тепловых потерь рассадную теплицу целесообразно располагать продольной осью вдоль преобладающего в зимний период года направления ветра [2].

С целью снижения единовременных затрат на строительство разработана конструктивная схема сварного каркаса овощной теплицы построечного изготовления из прокатных швеллеров (рис.3). Однопролётные теплицы по сравнению с блочными (многопролётными) характеризуются лучшими показателями освещённости и урожайности [1]. Для экономии тепла в холодный период ограждающую поверхность сооружения целесообразно выполнять из сотовых поликарбонатных панелей.

• 1- рама из прокатных швеллеров; 2 - прогоны, 3 - затяжка Рисунок 3 - Конструктивная схема и основные строительные параметры ангарной теплицы

Для экономии ресурсов на отопление теплицы в холодное время года и снижения затрат на ограждающие конструкции коэффициент ограждения теплицы должен быть минимальным к = 21 + -1- + “ + ^ = min, L cosa А 2А

где h - высота продольного вертикального ограждения, по нормам не менее 1,5 м от цоколя теплицы; L и A – соответственно ширина (пролёт) и длина теплицы; α – угол наклона скатов кровли, равный 30 ^о .

На основании формулы (3) определим оптимальный пролёт теплицы площадью 500 м ² , рекомендуемой нормами [6] для фермерских хозяйств.

Выразив длину теплицы (А) через её площадь (500 м2) и пролёт (L) и подставив в (3), получим А = 500, к = — + — + — + L2't3a                       (4)

L cosa 250    1000

Продифференцировав по L после подстановки значений α = 30о и h = 1,5 м, получим кубическое уравнение: 0,577L3 + 3L2 - 1500 = 0 , откуда L = 12 м.

Для ангарной теплицы площадью 1000 м ² аналогично вычисленное оптимальное значение пролёта L = 15м.

Расстояние между прогонами покрытия теплицы ( b ) зависит от прогиба укладываемых по ним сотовых поликарбонатных листов кровли. При относительном прогибе листов не более b/400 шаг прогонов можно определить из следующего выражения

40О = ⁰,⁰⁰⁶⁸ ^ , откуда >.„ = ^ (5) где b – искомое расстояние между прогонами; k – коэффициент, зависящий от числа пролётов и для многопролётной схемы опирания листов равный 0,0068; д - максимальная снеговая нагрузка на кровлю равная 0,41 кН/м2; E – модуль упругости поликарбонатных листов минимально равный 2200 МПа; I – момент инерции 1м ширины поликарбонатного листа, для листов толщиной 10 и 16мм соответственно равный 2,167 и 9,749 см ⁴ .

Так, применительно к снеговой нагрузке для центральных районов РФ (III снеговой район) для листов толщиной 10 и 16 мм расчётный шаг прогонов соответственно примерно равен 1,5 м и 2,5 м. В таблице 1 приведен расход стали на прогоны из прокатного швеллера в функции их шага и расстояния между рамами каркаса. Из приведенных данных следует, что расход стали на прогоны возрастает с увеличением шага рам каркаса и снижается с увеличением расстояния между прогонами.

Таблица 1 - Расчётный расход стали на прогоны ангарных теплиц, кг/м

Тип прогонов Расстояние между прогонами b, м Расход стали на прогоны при расстоянии между рамами каркаса a, м 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Прогоны из 1,0 7,76 7,82 7,95 8,15 8,48 прокатного 1,5 5,18 5,24 5,37 5,57 5,90 швеллера 2.0 3,89 3,95 4,08 4,28 4,60 2,5 3,15 3,19 3,32 3,52 3,83 использовались прокатные швеллеры по ГОСТ 8240 – 97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент». Показано, что при увеличении шага рам в пределах от 2,0 до 6,0 м расход стали на них, снижается.

Таблица 2 - Расход стали на рамы каркаса при различных значениях пролёта и шага рам, кг/м ²

Пролёт рам, м	Шаг рам, м
	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
12,0	7,70	5,37	4,72	4,29	3,85
15,0	9,31	6,68	5,12	4,69	4,40

Из данных таблиц 1,2 следует, что суммарный расход стали на элементы каркаса (прогоны и рамы) уменьшается с увеличением шага рам каркаса и его целесообразно принимать в пределах 5 – 6 метров.

Расчётный расход стали на каркас теплицы в зависимости от шага прогонов изменяется в пределах 8-10 кг/м ² . При сложившейся цене на прокатные швеллеры около 80 тыс. руб за тонну затраты на каркас теплицы при хозяйственном способе строительства не должны превысить 1000 руб/м ² , что значительно ниже стоимости заводской поставки и монтажа сооружения.

Анализ результатов. Рассмотрены два вида теплиц, строительство которых рекомендуется технологическими нормами в фермерских хозяйствах: рассадно-овощная теплица и овощная весенне – осеннего использования. Разработано техническое решение энергоэкономичной рассадно-овощной теплицы для малых форм хозяйствования, позволяющее примерно в два раза снизить затраты на отопление сооружения. Предложена конструктивная схема сварного каркаса овощной теплицы; обоснованы объёмнопланировочные параметры фермерских сооружений площадью 500 и 1000 м ² , соответствующие минимуму площади ограждающих конструкций; установлен рациональный шаг прогонов покрытия; приведены расчётные расходы стали на элементы каркаса теплицы, на основании которых определён рациональный шаг рам каркаса культивационного сооружения, соответствующий 6 м.

Строительство обоих видов теплиц возможно собственными силами.

Вывод. Полученные результаты исследования могут быть использованы при проектировании и строительстве теплиц для малых форм хозяйствования.