Ресурсосберегающие параметры фермерских теплиц

Введение. Выращивание сельскохозяйственной продукции в культивационных сооружениях является одним из видов фермерской деятельности. Для круглогодичного использования заводами – изготовителями предлагаются различные типы фермерских теплиц, основные из которых показаны на рис.1[1-5]. Светопрозрачные ограждающие конструкции теплиц обладают небольшим термическим сопротивлением и в холодный период года тепловые потери через них являются весьма значительными [6-9]. Выбор рациональной формы и размеров культивационного сооружения позволяет уменьшить тепловые потери и повысить рентабельность производства продукции.

а

б

в

г

Рисунок 1 - Основные типы фермерских теплиц: а- ангарная с прямолинейными скатами; б – блочная (многопролётная) с прямолинейными скатами; в – арочная с круговым очертанием покрытия; г – многопролётная с очертанием скатов по окружности

Цель исследования предполагала установить зависимости для определения размеров теплиц, обеспечивающих минимизацию тепловых потерь через ограждающие конструкции, и провести сравнение различных типов фермерских теплиц по удельным тепловым потерям и удельному расходу материалов на ограждающие конструкции.

Материалы и методы. Для достижения намеченной цели использовался аналитический метод с применением положений математического анализа. Сравнение удельных тепловых потерь и удельных расходов материалов при оценке теплиц различной формы можно выполнить на основе анализа коэффициента ограждения, показывающего отношение площади светопрозрачных ограждающих конструкций к площади застройки теплицы. Сооружению с меньшим коэффициентом ограждения соответствуют более низкие значение тепловых потерь и площади ограждающих конструкций. Связь удельных тепловых потерь и коэффициента ограждения показана следующей формулой q = тКОГР

где q – удельные тепловые потери, вт/м2; m – тепловая характеристика, равная произведению коэффициента теплопередачи на разность температур, вт/м2; КОГР – коэффициент ограждения.

Результаты и обсуждение. Математическое выражение коэффициента ограждения ангарной теплицы (рис.1,а),

2 h 1    2 h

+     +   +

L cos a A 2 A где h- высота продольного вертикального ограждения, не менее 1,5 м по технологическим требованиям; L и A – соответственно ширина и длина теплицы;α – угол наклона скатов кровли, обычно равный 30о.

Минимальное значение коэффициента ограждения можно установить подставив в формулу (2) значение длины теплицы А = F / L ( F – требуемая площадь теплицы), продифференцировав выражение по L и решив полученное уравнения относительно ширины теплицы. Так, для теплицы площадью 500 м ² получим

L³tg a + 2 hL 2 - 1000 h = 0 (3)

Откуда оптимальное значение пролёта теплицы L опт = 12 м, а соответствующий пролёту минимальный коэффициент ограждения К ОГР = 1,56.

В однопролётных теплицах с одинаковыми площадями и наклонами плоских скатов изменение коэффициента ограждения происходит вследствие изменения площадей боковых и торцовых стен, площадь кровли при изменении планировочных размеров сооружения остаётся постоянной.

Блочную теплицу (рис.1, б ) можно рассматривать как состоящую из n двускатных теплиц. Следовательно, коэффициент ограждения теплицы будет зависеть только от изменения площади торцовых и продольных стен. Площади торцовых и продольных стен

F T = 2 n ( Lh + ^ -^) ;                            (4)

F_np = 2 hb = 2 HF- ,                              ⁽⁵⁾

ПР . СТ

Ln где n- количество пролётов в теплице; L- пролёт, м; h – высота продольных стеклянных стен, не менее 2,1м по технологическим требованиям; α – угол наклона скатов кровли в градусах; b – длина теплицы, м; FП – площадь пола теплицы, м2.

Сумма торцовых и продольных стен

F + F_np = 2 Lnh + ^{Ltg a} n + 2 hF^                 (6)

T     ПР . СТ

2 Ln

Считая L известной величиной (технологически заданной), установим n, соответствующее минимуму суммы площадей стен. Для определения экстремальных значений функции (6) возьмём первую производную по n

d ( Ft + F _nPcT ) = 2 _Lh _- 2 hF _n + L²tg a                     (7)

dn              Ln ²     2

Приравняв производную к нулю определим n , соответствующее минимуму суммы площадей стен £( F T + Р ПР СТ )

2 Lh - a hF .+ L-g ” — 0 Ln ²     2

Тогда

2     hF П

Ly 4 h + Ltg a

Подставляя в (9) значение технологически требуемого пролёта L , можно определить количество пролётов n , а затем и ширину блочной теплицы, соответствующую минимальному значению коэффициента ограждения.

Из математического выражения коэффициента ограждения арочной однопролётной теплицы с круговым очертанием покрытия (рис.1, в )

K

n

ОГР  2(2 F _n

следует, что при постоянной площади теплицы F П с увеличением пролёта L (диаметра окружности) значение К ОГР возрастает. Наименьший коэффициент ограждения будет соответствовать минимально допустимому по технологическим требованиям пролёту.

Коэффициент ограждения многопролётной арочной теплицы с круговым очертанием покрытия (рис.1, г )

K

. n  2 h  n (2 Lh + n L )

—--1---+

ОГР _{2 b Ln}

FП

Полученные формулы минимального коэффициента ограждения для принятых значений пролёта и площади теплицы для наиболее характерных типов фермерских теплиц сведены в табл.1.Формулы позволяют определить ресурсосберегающие объёмно – планировочные параметры культивационных сооружений.

Таблица 1 - Формулы минимального коэффициента ограждения теплицы

Покрытие	Минимальный коэффициент ограждения       K О m Г in Р	Оптимальное количество пролётов n при соответствующем K О m Г in Р
Двускатное с углом наклона скатов 30 о	K min —    1    + 2 h + 2 h + Ltg 30 0 ОГР cos30 o Ln b     2 h	2     hF n — — ----- П--- L \ 4 h + 0,577 L
С очертанием по окружности	rmin    П   2 h  n (2 Lh + n L 2) Kor =   +   + ОГР  2 b Ln      FП	2 2 hF n — —1 ---- П- L v 8 h + П
С очертанием по эллипсу	or / , n Ln ,,   2 Lnh +-- K min = 1,075 + — +------- 4- ОГР          Ln      FП	4 hF n — _ i--- П— L \ 16 h + n L
Неравноскатное с углами наклона скатов 30 и 60 о	mm     1        1     2 h ( Lh + 0,216 L 2)2 n K^r p —       +       +   + cos30 o  cos60 o Ln        F П	1      hF n — — , ----- П--- L h + + 0,216 L

В качестве примера вычислены минимальные коэффициенты ограждения для основных типов фермерских теплиц площадью 300 м ² (табл.2).

Таблица 2 - Минимальные коэффициенты ограждения теплиц площадью 300 м ²

Ангарная с прямолинейными скатами (рис.1, а )	Блочная (многопролётная) с прямыми скатами (рис.1, б )	Арочная с круговым очертанием покрытия (рис.1, в )	Многопролётная с очертанием скатов по окружности (рис.1, г )
1,56 (117%)	1,74 (130%)	2,63 (197%)	1,34 (100%)

Примечание. Коэффициенты K _О ^m _Г ⁱⁿ _Р определены при следующих значениях величин: h =2,1м; α =30 ^о ; L = 6 м для арочной и многопролётных теплиц.

Из данных табл.2 следует, что при принятых значениях площади теплицы F П и пролёта блочных теплиц L меньший коэффициент ограждения соответствует многопролётной теплице с очертанием скатов по окружности. Следовательно, расход материалов на ограждающие конструкции и тепловые потери для такого типа теплиц будут меньшими по отношению к другим типам рассмотренных культивационных сооружений.

Заключение. Выведены формулы для определения рациональных параметров различных типов фермерских теплиц , при которых энергетические затраты на отопление сооружения в холодный период и расход материалов на ограждающие конструкции будут минимальными.

Alexander A. Blazhnov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Agro-Industrial and Civil Engineering of the N.V. Parakhin Oryol State Agrarian

University