Влияние типа зимних теплиц на единовременные и эксплуатационные затраты

Введение. Территория России в основном находится в суровых климатических условиях по сравнению с Западной Европой и Северной Америкой. Поэтому энергетические затраты на производство продукции всегда были в несколько раз больше зарубежных. Достаточно привести такой пример: для производства 1 кг овощей в зимних условиях на западе будет израсходовано 5 кг топочного мазута, а в России-15 кг мазута.

Резкое увеличение стоимости энергоносителей привело к тому, что большинство тепличных хозяйств оказались нерентабельными и частично или полностью прекратили свое существование, так и не смогли перестроиться к новым условиям.

Необходимость в тепличных сооружениях всегда остается и прежде всего в сезонных теплицах для выращивания ранней весенней продукции, конкурентноспособной с западом, когда для отопления теплиц можно использовать солнечную энергию и при необходимости – небольшое количество дизельного топлива.

Строительные нормы СП 107.13330.2012 «Теплицы и парники» относят теплицы круглогодового использования. Российским производителям предлагаются различные виды зимних теплиц для фермерских хозяйств: многопролётные, так называемые блочные, и однопролётные – ангарные рамные и ангарные арочные (рис.1) [1].

Рисунок 1 – Типы зимних фермерских теплиц: а – блочная; б – ангарная рамная; в – ангарнaя арочнaя

Представляемые теплицы отличаются геометрической формой, которая влияет на площадь поверхности сооружения, а также, и на затраты ограждающих конструкции и отопление. Нормы строительства, технологического проектирования теплиц не является эффективными по данным показателям. Поэтому рационально провести сравнительный анализ.

Материалы и методы исследований. Сезонные теплицы так же необходимы для выращивания рассады открытого грунта и для проведения селекционной работы, а также в приусадебных хозяйствах.

Эти сооружения отличаются тем, что система отопления должна работать в весенне-летне-осенний период при температуре наружного воздуха не ниже -5 градусов в зависимости от культуры растений.

В зимних условиях эти сооружения консервируются.

Действующие тепличные комбинаты не смогли полностью перейти на этот режим по следующим причинам:

• 1.    Отклонение системы отопления в блочных теплицах ведет к обрушению кровли за счет накопления снег;

• 2.    Сбросить весь теплоноситель из системы отопления не удается, что приводит к замерзанию воды в трубах и, как следствие разрыв трубопроводов и арматуры.

В зимних теплицах за период декабрь, январь, февраль расходуется 50% тепловой энергии. Однако полностью отключить систему отопления нельзя по выше названным причинам, а переход в режим дежурного отопления дает снижение потребления тепловой энергии, которого недостаточно для рентабельного производства, так как все затраты в зимних условиях ложатся на весеннюю продукцию.

Строительство теплиц сезонного назначения небольших размеров позволит значительно упростить технические решения систем отопления с применением теплообменников типа БАЮЗ. Эти теплообменники имеют большую внешнюю рёберную поверхность, компактно вписываются в объем теплицы, не занимают много места и удобно размещаются по периметру теплицы.

При разработке проекта были учтены опыт строительства и эксплуатации подобных сооружений. Сложность вопроса заключается в том, что непосредственно опирать трубопроводы на конструкцию теплицы нельзя. Несоблюдение этого условия приводит к тому, что усилия при тепловом расширении трубопроводов передаются на конструкции теплицы, разрушая соединения. В результате остаточных деформаций теплица наклоняется и уже примерно через 5 лет необходим ее ремонт, установка дополнительных компенсирующих опор.

Удельные потери тепла через ограждающие поверхности:

q = mK ОГР

где q – удельные потери тепла в Вт/м²; m – тепловая характеристика, равная

Для блочной n – пролётной теплицы (рис. 1а) число пролётов, соответствующее минимуму коэффициента ограждения:

4 h + Ltg a

hF

Определив по (2) оптимальное число пролётов, можно установить минимальное значение коэффициента ограждения блочной теплицы

-min _ Ltg a , 2 h _v 2 h _    1

ОГР = ~   + r +   +

2 A nL A cos a

, где А – длина теплицы (м), равная F/L.

Коэффициент ограждения ангарной теплицы рамной конструктивной схемы (рис. 1б)

K ОГР

2 h     1

= — +---

L  cos a

2h L

+ — + —

A 2A

tg a

где h – высота продольного вертикального ограждения от поверхности земли (пола), для ангарных теплиц не менее 1,8 м; L и А - пролёт и длина теплицы; α – угол наклона скатов кровли, не менее 25^°.

Заменив в уравнении (4) А = F / L , после дифференцирования dК огр / dL получим уравнение

L tg a  2 hL 2

F   F

- 2 h = 0

из которого после подстановки значений h и tgα несложно подбором определить пролёт теплицы L, соответствующий минимуму коэффициента ограждения.

Из формул (3) и (4) следует, что с увеличением высоты продольных стен теплицы h коэффициент ограждения будет возрастать.

Пo итoгу, для уменьшения единoвременных и эксплуатациoнных затрат теплицы даннoго типа эффективно проектирoвать по технoлoгическим требoваниям с минимальнo дoпустимым пролётом.

ⁿ L

K ОГР = 2(2 F ^{+ U}

На рис. 2 показано изменение коэффициента ограждения различных типов теплиц в зависимости от их площади.

Из приведенных графиков следует, что очертание покрытия и площадь пола теплицы оказывают влияние на величину К ОГР . По коэффициенту огрaждения отличаются ангарные рамные и блочные теплицы. При построении графиков использовались следующие параметры теплиц: пролёты блочной теплицы – 6,4м, пролёт арочной теплицы – 9м, угол наклона скатов ангарной рамной и блочной в зависимости от площади и типа теплиц: 1 – ангарная рамная; 2 – блочная; 3 – арочная с очертанием по окружности теплиц α = 30^°, высота продольных стен h принималась минимально допустимой по технологическим требованиям.

Рисунок 2 – Изменение коэффициента ограждения К ОГР

Экономически целесообразно для сокращения теплопотерь применение поликарбонатных панелей, по показателям с наименьшей стоимостью на единицу термического сопротивления и способностью уменьшить снеговую нагрузку на покрытие [1, 2, 3].

Система отопления с теплообменниками типа «БАЮЗ» соединенных между собой последовательно с помощью водо-газопроводных труб на сварке. Для соединения могут быть использованы и полипропиленовые трубы. Для регулирования температурного режима на входе в теплицу установлен регулирующий клапан с ЭИМ отечественного производства. Система отопления установлена на независимых от конструкций теплицы подвесных подвижных опорах, обеспечивающих компенсацию тепловых удлинений.

Рисунок 3 – Система отопления теплиц

Выводы. Для теплиц различной формы и габаритов выведены формулы минимального коэффициента.

Наиболее эффективными сравнительными величинами тепловых потерь и расхода материалов на ограждающие конструкции являются ангарные рамные и блочные теплицы с углами наклона скатов ~ 30°.

Системы отопления рассчитаны для работы при температуре наружного воздуха -15 градусов при скорости ветра 5м в секунду. Максимальная потребляемая мощность системы отопления в расчетном режиме 20кВт. Эта мощность может быть снижена, если принять расчетную температуру наружного воздуха не -15, а -5, тогда мощность системы отопления составит 13кВт.