Создание энергоэффективной теплицы, отапливаемой тепловым насосом и за счет использования грунтового тепла

Согласно нормам питания, утвержденными Министерством здравоохранения Узбекистана, потребление на одного человека свежих овощей составляет 142 кг ежегодно, из них 28 кг в зимний период. Однако Узбекистан расположен в зоне резко континентального климата и местные условия не позволяют получать овощи из открытого грунта в зимний период, а для равномерного потребления населением овощей в течение года около 25 % из них должно выращиваться в теплицах, парниках, утепленном грунте и т. п.

Кардинальное развитие тепличных хозяйств в республике возможно с повсеместным переходом к интенсивным технологиям и способам выращивания растений в закрытом грунте, применению новых конструкций, материалов и энергосберегающих технологий, включая возобновляемые источники энергии (ВИЭ), в частности с использованием солнечного излучения и геотермальных вод; внедрение тепловых насосов-кондиционеров, которые в холодное время используются для обогрева, а в жаркое - для охлаждения; использование многослойных покрытий для теплиц (экономия при двухслойном покрытии составляет 25-30%, трехслойном - 40-45%); автоматизированный контроль за параметрами микроклимата.

В соответствии с прогнозами Мирового энергетического комитета к 2020 г. в развитых странах 75 % тепла для отопления и горячего водоснабжения будет поступать от ТН. Швеция безусловный мировой лидер в практическом использовании ТН - уже сейчас около 60% необходимого для теплоснабжения тепла получает от ТНУ [2].

В ТН имеется три основных агрегата (испаритель, конденсатор, компрессор) и три контура (хладоновый, водяного источника и водяного отопления). Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель и возвращается обратно за новой порцией тепла. Попросту, тепловой насос берет тепловую энергию из земли (воды, воздуха) и «перекачивает» ее в отапливаемое помещение.

Рис. 1. Рабочий цикл парокомпрессионного теплового насоса: 1-компрессор; 2-испаритель; 3-конденсатор; 4-дроссельное устройство; 5-переохладитель.

В отличие от газовых котлов, котлов на жидком и твердом топливе, ТН имеют отличные показатели экономичности работы (ежемесячные расходы уменьшаются в 2 - 10 раз). Тепловые насосы - это единственные установки, которые производят в 3 - 5 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электрической энергии на привод компрессора, и поэтому являются наиболее эффективными источниками высокопотенциального тепла.

Грунт - наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и круглый год подогревается изнутри, от ядра земли. При этом он всегда доступен и способен отдавать тепло вне зависимости от погоды. Ведь на глубине нескольких метров температура практически постоянна в течение всего года.

Существует два типа коллекторов: грунтовый зонд и грунтовый коллектор. Длина трубопровода, уложенного в землю или опущенного в скважину, рассчитывается по специальной программе Thermia.

При использовании в качестве источника тепла грунтового зонда трубопровод зонда опускается в скважину. Необходимо пробурить несколько дешевых скважин и получить общую расчетную глубину. При предварительных расчетах используется следующее соотношение – на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки ТН производительностью в 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.

В связи с частыми веерными отключениями электрической энергии в областях Республики Узбекистан для электроснабжения теплицы было принято решение использовать в качестве автономного источника электрической энергии солнечную фотоэлектрическую систему, так как среди возобновляемых источников энергии (ВИЭ) солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространённости наиболее перспективна. На основе расчетных данных предприятием ООО «Интеллект-диалог» было спроектировано и установлено оборудование, позволяющее в автономном режиме осуществлять электроснабжение теплицы: тепловой насос «воздух-воздух» типа «Ferette» с мощностью 2 кВт, солнечный модуль с мощностью 1000 Вт типа ODA 250-30-P, шкаф управления с контроллером заряда АКБ, инвертор типа «ELT» с мощностью 5 кВт на 24В/220 В, аккумуляторные батареи, не обслуживаемые 4х200 А/ч на 12 В.

Новая система отопления теплицы тепловым насосом «воздух-воздух» и от грунтового тепла с использованием солнечной фотоэлектрической станции подтверждена актом внедрения с ожидаемым годовым экономическим эффектом 48450000 сум.

Таким образом, исследования температурных режимов теплицы выявили, что установленный тепловой насос нагревает воздух в теплице площадью 200 м2 на 15 0С для получения оптимальной температуры. При выращивании томата в данной теплице необходимо установить два теплонасоса суммарной мощностью до 8 кВт. Установка термостатов контроля температуры позволит более экономно использовать электроэнергию. Для повышения теплопроводности в трубопроводах при подаче теплового воздуха необходимо использовать трубопровод диаметром 150 мм из оцинкованной тонкостенной стали. Для повышения теплопроводности труб, укладываемых в грунт, в следует заменить пластиковые трубы диаметром 75 мм на трубы из оцинкованной тонкостенной стали диаметром 100 мм и укладывать их с шагом не более 60 см.