Вопросы проектирования культивационных сооружений

Культивационные сооружения (теплицы) предназначены для круглогодичного выращивания сельскохозяйственных культур (томатов, огурцов и др.) с целью круглогодичного обеспечения населения витаминной продукцией. Рекомендуемая медицинская норма потребления овощей для нашей страны составляет 120-140 кг/чел/год [1]. Однако, в связи с развалом из-за нерентабельности многих тепличных комбинатов, построенных в 70-80г.г. прошлого столетия, уровень потребления овощей в РФ в несколько раз меньше. Дефицит овощной продукции частично восполнялся поставками из-за рубежа. В связи с введёнными против нашей страны санкциями и разработанной Доктриной продовольственной безопасности Российской Федерации в настоящее время наметилась тенденция к возрождению тепличной отрасли, что потребует строительства новых культивационных сооружений.

Для выращивания овощей используются блочные и ангарные (отдельностоящие) теплицы (рис.1).

В действующих нормативных документах для проектирования теплиц [2,3] не содержатся указания по выбору рационального типа сооружения и его объёмнопланировочных параметров, формированию каркаса сооружения (пролёты и шаги поперечных стальных рам, расстояния между прогонами покрытия и др.), конструктивному решению светопрозрачного ограждения теплицы. Снижение единовременных затрат на строительство теплиц из металлических конструкций и в перспективе эксплуатационных расходов на их отопление можно предусмотреть на стадии проектирования, предшествующим этапом которой являются научные исследования.

На основании вышеизложенного намечается решить следующие вопросы:

• 1 .Предложить рациональный тип культивационного сооружения для круглогодичного выращивания овощей.

• 2 .Предложить метод обоснования рациональных объёмно-планировочных размеров культивационного сооружения.

• 3 .Вывести зависимости для определения рациональных параметров конструктивной системы культивационного сооружения из стальных конструкций, обеспечивающие минимум расхода стали на теплицу. Под конструктивной системой сооружения понимается совокупность взаимосвязанных несущих конструкций, обеспечивающих прочность, жёсткость и устойчивость сооружения[4]. Намечаемые параметры оптимизации конструктивной системы (то есть, каркаса) теплицы: пролёты поперечных рам, их шаг, шаг прогонов покрытия

• 4 .Обосновать рациональный тип светопрозрачных ограждающих конструкций теплиц. В настоящее время в ограждениях теплиц используются одинарное и двойное остекление, сотовые поликарбонатные панели, стеклопакеты, обычная и светостабилизированная (со сроком службы до 5 лет) плёнка. От выбора ограждающих конструкций    существенно    зависят    энергозатраты    на    производство

сельскохозяйственной продукции.

Предварительное рассмотрение указанных проблем формирования объёмноконструктивного решения культивационного сооружения показало следующее.

Для технико-экономической оценки типов культивационных сооружений и определения их рациональных объёмно-планировочных размеров в качестве критерия оптимальности целесообразно использовать такой показатель как коэффициент ограждения ( К ), представляющий отношение площади ограждающих конструкций теплицы( S ) к её площади застройки ( F) :

К = S/F

Рисунок 1 - Конструктивные схемы и основные строительные параметры теплиц :а) блочных, б) и в)ангарных. 1 - фундамент, 2 - рама сплошного или сквозного сечения, 3 - прогон, 4 - стойка, 5 - лоток, 6 - затяжка,7 - арка

Коэффициент ограждения можно принять в качестве комплексного показателя, косвенно характеризующего энергоэффективность теплицы (энергетические затраты) и расход материалов на несущие и ограждающие конструкции (единовременные затраты). Чем меньше значение коэффициента ограждения, тем эффективнее выбранный вариант сооружения. Например, при площади сооружения 1000м2, h=1,5м, α=30о для блочной теплицы (рис.1а) коэффициент ограждения в общем виде равен h 1

K — 0,004Lh +  +

L cos a для ангарной теплицы (рис.1б)

2h 1

K —     +---+     +-- tg a ,

L  cos a  5002000

для теплицы с арочной формой покрытия (рис.1в)

K — - (—+

Изменение коэффициента ограждения по приведенным типам теплиц приведено в табл.1, визуализация данных таблицы приведена на рис.2.

Таблица 1 – Изменение коэффициента ограждения для различных типов теплиц площадью 1000м2

Тип теплицы	Пролёт L , м
	10	12	14	16	18	20
Блочная, рис.1а	1,365	1,352	1,346	1,344	1,346	1,35
Ангарная, рис.1б	1,52	1,484	1,469	1,466	1,47	1,481
С  арочной  формой покрытия, рис.1в	1,649	1,683	1,724	1,771	1,824	1,884

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

• 1 .Из рассмотренных типов культивационных сооружений наименьшее значение коэффициента ограждения соответствует блочным теплицам, что косвенно характеризует более низкий уровень единовременных и энергетических затрат. Следовательно, этот тип теплиц является наиболее приемлемым для круглогодичного выращивания овощных культур.

• 2 .Наиболее энергоёмкими являются отдельностоящие теплицы с арочной формой покрытия.

Следует отметить, что оптимальное значение пролёта теплицы (кроме арочных сооружений) можно установить, продифференцировав математи ческое выражение коэффициента ограждения. Так, для рассмотренной блочной теплицы площадью

пролёта (l): 1 – блочная теплица; 2 – ангарная теплица; 3 – теплица с арочной формой покрытия dK = 0,004h - h = 0

, откуда L опт. = 15,8м.

dL          L ²

Энергозатраты на отопление теплицы в холодный период года зависят от принятого решения ограждающих конструкций сооружения. Как показал информационный поиск[5, 6], в блочных теплицах применяется одинарное и двойное остекление, стеклопакеты, сотовые поликарбонатные листы . Характеристики этих материалов и изделий приведены в табл.2.

Из данных табл.2 следует, что по техническим и экономическим требованиям целесообразным материалом для применения в ограждающих конструкциях блочных теплиц являются сотовые поликарбонатные листы. Они обладают небольшим весом (снижающим расход стали на каркас теплицы), наименьшей стоимостью на единицу термического сопротивления, устойчивы к ударным воздействиям (например, к граду), достаточно долговечны. К наибольшим недостаткам стеклянного ограждения следует отнести хрупкость стекла и, как следствие, его разрушение при снегопадах и граде (особенно в южных районах РФ), а также большие затраты на отопление из-за низкого сопротивления теплопередаче.

Таблица 2 – Характеристики светопрозрачных материалов и изделий, применяемых в ограждениях теплиц

Характеристика материала, изделия	Одинарное стекло,4мм	Двойное остекление	Однокамерный стеклопакет	Сотовый поликарбонат толщ.
				10 мм	16мм
Вес, кг/м2	10	20	20	1,7	2,7
Светопропускание, %	90	80	80	80	76
Сопротивление теплопередаче,м20С /Вт	0,005	0,34	0,34	0,29	0,42
Примерная стоимость, руб/м2	340	680	1040	290	630
Стоимость на единицу термического сопротивления, руб/ м20С/Вт	68000	2000	3060	1000	1500
Горючесть	Не горюч.	Не горюч.	Не горюч.	Слабо горюч.	Слабо горюч.
Долговечность, год	≈10*	≈10*	≈10*	≥ 10	≥ 10
Сопротивление ударным воздействиям	Слабое	Слабое	Слабое	Хорош ее	Хорош ее

Примечания: * в теплицах ежегодно заменяется примерно 10% стеклянного ограждения из-за боя стекла.

Каркас блочной теплицы состоит из стальных поперечных рам (состоящих из стоек и фермочек), объединяемых прогонами и связями. При технологически заданной площади культивационного сооружения возможно множество вариантов решения каркаса, отличающихся размерами в плане, пролётами и шагами поперечных рам, расстоянием между прогонами покрытия. При варьировании указанных параметров будет изменяться и расход стали на его отдельные элементы и на каркас в целом. Очевидно, что должны существовать такие параметры каркаса при которых металлоёмкость сооружения (Gсум) будет наименьшей. Для их определения необходимо установить закономерности изменения веса несущих элементов теплиц и провести оптимизационные исследования – найти минимум целевой функции (Gсум), в качестве которой принять расход материалов на основные элементы сооружения ( ∑Gi):

G сум = ∑ G_i = min           (6)

Все отмеченные вопросы проектирования блочных теплиц круглогодичного использования более детально будут рассмотрены при подготовке магистерской диссертации.