Способ снижения температуры воздуха в теплице

Введение. Для малых форм хозяйствования российскими производителями предлагаются однопролётные теплицы с поликарбонатной кровлей (имеющей ряд преимуществ перед стеклянным и плёночным ограждением) рамного и арочного типа (рис. 1). Однако заводская поставка поликарбонатных теплиц требует от застройщика значительных единовременных затрат, от 2 до 5 тыс. руб/м², что увеличивает срок окупаемости сооружения и снижает рентабельность производства [1-6].

• а)                         б)

Рисунок 1 – Типы однопролётных теплиц: а) – арочная; б – рамная

Одним из факторов, отрицательно влияющим на выход тепличной продукции, является высокая внутренняя температура воздуха в тёплый период года. Так, по требованиям норм технологического проектирования теплиц НТП 10-95 температура воздуха для плодоношения огурцов и томатов должна находиться в пределах 22-26°С. Однако в летнее время температура втеплицах с поликарбонатной кровлей может повышаться до 45-50°С, что значительно снижает урожайность выращиваемых культур. В связи с этим ставилась задача разработать эффективный способ снижения температуры воздуха в теплице в тёплый период года, а также рассмотреть возможность уменьшения стоимости её строительства в хозяйстве.

Методика и результаты исследования. Значительно снизить температуру воздуха в теплице в летний период можно посредством удаления перегретого воздуха через вентиляционный проём в верхней части покрытия сооружения. На техническое устройство, позволяющее осуществить такой способ естественного вентилирования сооружения, Федеральным институтом промышленной собственности Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам Орловскому ГАУ выдан патент на полезную модель «Устройство для естественной вентиляции теплиц» [7]. Сущность технического решения состоит в том, что для снижения внутренней температуры верхняя часть поликарбонатного покрытия теплицыподнимается на необходимую высоту, открывая вентиляционный проём.

Необходимые для требуемого снижения внутренней температуры аэрационные параметры (ширина проёма в верхней части покрытия, высота подъёма коньковой части кровли) определялись на модели теплицы, изготовленной в масштабе 1:5 применительно к теплице пролётом 9 м (рис. 2, а). Устанавливаемые в процессе исследования параметры считались достаточными, если температура воздуха внутри модели незначительно отличалась от наружной. Для определения рациональных параметров варьировались ширина проёма ( a ) в покрытии модели теплицы и высота

• ( h ) подъёма верхней части кровли (рис. 2, б). Для измерения наружной и внутренней температуры воздуха использовался дистанционный пирометр. На рис. 2, б на раздельных осях абсцисс указаны соотношения исследованных аэрационных параметров, по оси ординат – перепад температур между наружным и внутренним воздухом.

∆ t = t _НАР - t _ВН , (1) где, t НАР – температура воздуха на открытой местности, ^°С;

t ВН – температура воздуха внутри модели теплицы при открытом вентиляционном проёме, ^°С.

Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:

• -    температура воздуха в модели сооружения примерно соответствовала наружной температуре (разность температур ≈ 1^°С) при ширине открытого вентиляционного проёма равной 0,2 пролёта (ширины) модели – график 1 на рис. 2, б ;

• -    примерное равенство наружной и внутренней температур (разность температур ≈ 1^°С) обеспечивалось при высоте подъёма ( h ) коньковой части кровли равной 0,5 ширины вентиляционного проёма ( a ) равной 0,2 L – график 2 на рис. 2, б .

  а )

  
  
  

  б)

  

  Рисунок 2 – а) модель теплицы; б) результаты исследования:

  1 – влияние соотношения ширины проёма ( а) к пролёту модели ( L ) на перепад температур A t , ⁰ C ;

  2 – влияние соотношения высоты подъёма кровли ( h ) к ширине проёма ( a ) на перепад температур A t , ⁰ C

  
  

Полученные результаты могут быть экстраполированы на реальные культивационные сооружения, в том числе и рамной конструкции (рис. 3), характеризуемой лучшим коэффициентом ограждения (отношением площади ограждающих конструкций к площади застройки), чем арочная теплица. Так, для рамной теплицы площадью 500 м2 с оптимальными объемно-планировочными параметрами коэффициент ограждения равен 1,55, для арочной теплицы такой же площади – 1,65. То есть, примерно на 6% площадь поликарбонатного ограждения и теплопотери в холодное время года у рамной теплицы будут меньше.

Рисунок 3 – Конструктивная схема теплицы:

1 – сплошная рама из швеллеров, 2 – прогоны из гнутых или прокатных профилей, 3 – затяжка

Заводская поставка и монтаж теплиц требуют значительных единовременных затрат, изменяющихся в зависимости от типа сооружения и его инженерного оснащения, что в дальнейшем может обусловить нерентабельность производства. Значительно сократить затраты на строительство (в 2-3 раза) возможно при изготовлении теплицы непосредственно в хозяйстве. С целью снижения затрат обосновывались объёмно-планировочные параметры сооружения, разрабатывалась и оптимизировалась конструктивная схема теплицы построечного изготовления из

прокатных профилей с узловыми соединениями на сварке (рис. 3). Площадь теплицы в соответствии с номенклатурой теплиц для фермерских хозяйств в нормах технологического проектирования теплицНТП10-95 принималась равной 500 м2.

Определялся оптимальный пролёт сооружения, соответствующий коэффициента ограждения ( К ОГР ):

KОГР

2 h    1    2 h   L

=--1---1---1--

L cos a A 2 A

tg a ,

минимуму

где, h – высота продольного светопрозрачного ограждения (в соответствии с СП 107.13330.2012 «Теплицы и парники» для ангарных теплиц минимально равная 1,5 м);

L и А – соответственно пролёт и длина теплицы ( А = F / L , где F – принятая площадь теплицы);

α – угол наклона скатов кровли (не менее 25^° по СП 107.13330.2012).

Заменив А = F / L в формуле (2) и продифференцировав выражение по L , после преобразований получим кубическое уравнение, из которого после подстановки h и tgα установим пролёт теплицы, соответствующий минимуму коэффициента ограждения: L_ОПТ = 12 м.

Для определения оптимальных строительных параметров каркаса аналитически (с использованием методов математического анализа и математической статистики)

устанавливались закономерности изменения расхода металла на основные конструктивные элементы теплицы (прогоны, рамы) в зависимости от влияющих на них факторов. Установлено, что шаг прогонов, соответствующий минимуму расхода на них стали для I снегового района по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» равен 1,20 м, для II района – 1,0 м и для III района – 0,85 м. Cварные рамы каркаса сплошного сечения рассчитывались как бесшарнирные. Элементы рам подбирались из прокатных швеллеров по ГОСТ 8240 – 97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент». По результатам исследования определён шаг рам, соответствующий минимуму расхода стали на каркас сооружения для конкретного снегового района. Так, для I снегового района при L ОПТ = 12 м оптимальный шаг рам каркаса равен 6,35 м, для II района – 5,55м, для III района – 5,15 м. Для установленных оптимальных значений шага рам удельный расход стали на каркас в I, II и III снеговых районах соответственно равен 7.9, 10.0 и 11.8 кг/м².

Выводы.