CC BY
130
УДК 631.234
ЭКОНОМИЧНЫЕ РЕШЕНИЯ ТЕПЛИЦ КРУГЛОГОДОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВ
БЛАЖНОВ А.А.,
кандидат технических наук, доцент кафедры агропромышленного и гражданского строительства Орловского государственного аграрного университета имени Н.В. Парахина; е-mail:blazhnov47@mail.ru; тел.(4862)75-14-97.
Реферат. Цель исследования заключалась в обосновании рациональных строительных решений зимних теплиц для фермерских хозяйств, изготовление которых возможно и в построечных условиях, что позволит значительно снизить стоимость строительства по сравнению с затратами на поставку теплиц заводского изготовления. Методика проведения исследования содержала обобщение и анализ конструктивных решений поставляемых рынком фермерских теплиц круглогодового использования, аналитический подход к обоснованию строительных параметров теплиц, основанный на установлении закономерностей изменения веса основных несущих элементов. Показана целесообразность строительства в фермерских хозяйствах однопролётных зимних теплиц с ограждающими конструкциями из сотовых поликарбонатных листов, предложены формула для определения энергоэкономичных размеров теплиц и способ определения снеговой нагрузки на культивационное сооружение, выведены зависимости для определения рациональных строительных параметров каркаса теплицы (ширины теплицы, расстояний между рамами каркаса и прогонами покрытия) и установлены их значения.
Ключевые слова: АПК, фермерское хозяйство, зимняя теплица, строительные решения теплицы.
ECONOMICAL SOLUTION OF GREENHOUSES YEAR-ROUND USE FOR FARMS
BLAZHNOV A.A.,
candidate of technical Sciences, associate Professor of Agricultural and civil construction of the Orel state agrarian University named after N. In.Parakhina; е-mail:blazhnov47@mail.ru telephone: (4862)75-14-97.
Essay. The purpose of the study was to justify rational building solutions for winter greenhouses for farms, which can be manufactured in the construction conditions, which will significantly reduce the cost of construction in comparison with the costs of supplying factory-made greenhouses. The methodology of the study included generalization and analysis of constructive decisions of the year-round use of the farm greenhouses supplied by the market, an analytical approach to the justification of the building parameters of greenhouses, based on the establishment of regularities in the weight variation of the main load-bearing elements. The expediency of construction of single-span winter greenhouses in farming enterprises with enclosing structures made of honeycomb polycarbonate sheets is shown, a formula is proposed for determining the energy-efficient size of greenhouses and a method for determining the snow load on the cultivation structure. Dependences for determining the rational building parameters of the hothouse frame (the width of the greenhouse, the distance between the frames of the frame and the purlins covering) and set their values.
Key words: agriculture, farm, winter greenhouse, building solutions greenhouse.
Введение. Одним из возможных направлений фермерской деятельности является круглогодовое выращивание в теплицах овощей, необходимых для качественного питания населения. Для фермерских хозяйств изготовителями выпускаются ангарные (однопролётные) и блочные (многопролётные) теплицы круглогодового использования со стальным каркасом. Однако, поставка и монтаж теплиц заводского изготовления требуют значительных начальных затрат: от 8 до 15 тысяч руб./м2 в зависимости от конструктивных решений и площади сооружения [1-3]. По информационным данным фермерские теплицы круглогодового использования производятся в немногих регионах РФ. Поэтому их приобретение фермерами других областей является проблематичным и значительно увеличивает стоимость строительства в связи с транспортными расходами.
Указанные факторы могут обусловить нецелесообразность строительства теплицы с точки зрения её окупаемости. В связи с этим экономически приемлемым решением является изготовление теплиц в построечных условиях, позволяющее значительно сократить единовременные затраты на строительство и не требующее специального оборудования.
Строительные решения теплиц. Обобщение строительных решений зимних теплиц для фермерских хозяйств показало, что их можно классифицировать на два вида: однопролётные (ангарные) и блочные (рисунок 1).
Ограждающие конструкции теплиц предусматриваются с использованием стекла или полимерных материалов (плёнки, поликарбонатных листов), двуслойными или однослойными [4-8] (таблица 1).
Рисунок 1 - Примеры конструктивных схем и основные строительные параметры зимних теплиц (шпросы условно не показаны): а) блочных, б) ангарных. 1 - фундамент, 2 - рама сплошного или сквозного сечения, 3 - прогон, 4 - стойка, 5 - лоток, 6 - затяжка
Таблица 1 - Характеристики свегопрозрачных материалов и изделий для ограждающих конструкций теплиц
Характеристика Стекло Двойное Сотовый поликарбонат толщиной
материала, изделия 4 мм остекление 10 мм 16 мм
Масса, кг/м2 10 20 1,7 2,7
Светопропускание, % 90 80 80 76
Сопротивление теплопередаче,м2 0С/Вт 0,005 0,34 0,29 0,42
Примерная стоимость, руб/м2 340 680 290 630
Горючесть Не горючее Не горючее Слабогорючий
Долговечность, год * * до 20 до 20
Сопротивление удару Слабое Слабое Хорошее
*Долговечность стекла в ограждающих конструкциях теплиц является неопределённой в связи с его хрупкостью и, как следствие, возможным разрушением ограждения при деформациях каркаса, снегопадах (из -за образования снеговых мешков в ендовах блочных теплиц или отключении отопления) и граде (особенно в южных районах РФ). В теплицах ежегодно заменяется примерно 1-2 % стеклянного ограждения из-за боя стекла.
Нормы по проектированию теплиц СП 107.13330.2012 «Теплицы и парники» и НТП 10-95 «Нормы технологического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады» не содержат конкретных указаний по энергоэкономичному решению их светопрозрачных ограждающих конструкций. Анализ данных таблицы 1 показал, что для обеспечения экономии затрат на отопление их следует предусматривать из сотовых поликарбонатных листов.
Поликарбонат не следует применять в покрытии блочных теплиц из-за возможности образования «снеговых мешков» между «зубцами» кровли во время снегопада и разрушения покрытия. В ангарных теплицах обеспечивается самоудаление (сползание) снега с покрытия теплицы вследствие его подтаивания на границе «покрытие - снег», то есть когда температура этого слоя достигает 0оС. Многолетний опыт эксплуатации ангарной теплицы финской поставки пролётом 18 м с покрытием и боковым ограждением из акриловых панелей в ЭТХ института «Гипронисельпром» (г. Орёл) показал, что снег на покрытии не накапливается. В связи с этим, снеговую нагрузку на теплицы круглогодового использования логично определять из условия максимального выпадения осадков в течение одного снегопада в рассматриваемом регионе. Установлено, что для самоудаления снега с полимерной кровли уклон покрытия должен быть не менее 18о[9]. В теплицах угол наклона скатов принимается около 300 (не менее 45 % по СП 107.13330.2012).
Конструктивная схема теплицы. Провести сравнительный экономический анализ блочных и ангарных теплиц из-за отсутствия достоверных данных о единовременных и эксплуатационных затратах, выходе продукции не представляется возможным. Можно отметить, что единовременные затраты на строительство ангарных и блочных фермерских теплиц в связи с их небольшой площадью должны несущественно отличаться. Отопление блочной теплицы потребует не меньших затрат по сравнению с ангарной, так как для её кровли нельзя использовать энергосберегающие сотовые поликарбонатные листы из-за возможного накопления снега в ендовах и разрушения покрытия. Из зарубежного опыта известно, что ещё полвека назад в Англии проводилось сравнение освещённости, распределения температурного поля и урожайности в ангарной теплице пролётом 18 м. Исследования показали, что в ангарной теплице по сравнению с обычными блочными пропускание прямой солнечной радиации было на 20 % больше, а горизонтальное и вертикальное распределение температур в экспериментальной теплице было более равномерное. Вследствие этого и урожайность в ангарной теплице была значительно выше [10]. К таким же выводам пришли исследователи из Австрии и ФРГ, рекомендовавшие оптимальные пролёты зимних ангарных теплиц 9 и 12 м [11-13].
Таким образом, целесообразным видом теплиц для фермерских хозяйств можно признать ангарные, ограждающие конструкции которых полностью могут быть выполнены из сотовых поликарбонатных листов. Площадь её застройки из условия возможности проведения
работ составом фермерской семьи не должна превышать 500 м2. Конструктивная схема теплицы приведена на рисунке 1б. Стальной каркас теплицы состоит из поперечных рам и прогонов и может быть изготовлен в построечных условиях из прокатных и гнутых швеллеров с соединением узлов на сварке, что значительно снизит стоимость строительства по сравнению с заводской поставкой.
Рациональный пролёт теплицы. Рациональный пролёт ангарной теплицы устанавливался из условия минимума энергозатрат в зимний период по коэффициенту ограждения, представляющего собой отношение площади ограждающих конструкций к площади теплицы. Для ангарной равноскатной теплицы (рисунок 1б) коэффициент ограждения равен
2к 1 2к Ь ,1Ч
-Ща, (1)
к =
Ч
ч---ч-
L cos a A 2A
где к - высота продольного вертикального ограждения, Ь и А - соответственно ширина (пролёт) и длина теплицы; а - угол наклона скатов кровли, равный 30о.
Площадь теплицы (К), которую реально в состоянии обрабатывать члены фермерского хозяйства, не должна превышать 500 м2, то есть К = Ь х А =500 м2.
п л 500 т
Откуда А = ^^ (2)
Подставив в формулу (1) значение длины теплицы по (2), получим следующее выражение для коэффициента ограждения
, 2h
к = — + -
1
Ч
hL
Ч
L
tga
(3)
L cosa 250 1000 Продифференцировав (3) по L, приравняв производную нулю и подставив значения а = 30о и h = 1,5 м (СП107.13330.2012), получим следующее кубическое уравнение
0,577L3 + 3L2 -1500 = 0 (4)
Из уравнения (4) следует, что целесообразное значение пролёта LmT = 12 м.
Рациональные строительные параметры каркаса. Для определения рациональных строительных параметров каркаса теплицы устанавливались зависимости расхода стали на 1м2 теплицы для прогонов покрытия и рам каркаса.
Поликарбонатные листы должны укладываться по прогонам покрытия (гнутые профили для прогонов немного экономичнее прокатных). Расход стали на прогоны, выраженный через влияющие на него факторы и приведенный к 1 м2 площади теплицы, равен
3
4,1
JnT =--+ -
9312 b
q a 4,1 2 GnT = ___L _i_ кг/м
(5)
где а - пролёт прогона, м; q - нормативное значение
нагрузки, кгс/м2; Ь - расстояние между прогонами, м;
Из зависимости (5) следует, что расход стали на прогоны возрастает с увеличением нагрузки и шага рам каркаса и снижается с увеличением расстояния между прогонами. Следовательно, шаг прогонов покрытия при опирании на них поликарбонатных листов должен соответствовать расчётному пролёту листов из условия их предельной деформации. Так, толщину листов для
кровли следует принимать не менее 16 мм, шаг прогонов покрытия для центрального региона 1 м.
Закономерности расхода стали на рамы каркаса ангарной теплицы от изменения строительных параметров (пролёта и шага) и нагрузки установить аналитическим путём не представляется возможным. Расход стали на принятую бесшарнирную схему рамы, наиболее соответствующую жёстким узловым соединениям на сварке, определялся расчётом на ПК для снеговой нагрузки на покрытие 30 кгс/м2(0,3 кН/м2). Подбор сечений элементов рам производился в соответствии с требованиями норм СП 16.13330.20П«Стальные конструкции». В связи с тем, что нагрузки на рамы сравнительно невелики, стойки и ригель рам подбирались из прокатных швеллеров по ГОСТ 8240 - 97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент». Установлено, что при изменении пролёта (ширины) теплицы от 6,0 до 18,0 м и шага рам каркаса от 2,0 до 6,0 м расход стали на 1 м2 сооружения изменяется от 3,16 до 10,8 кг, причём при неизменном пролёте с увеличением шага рам расход стали на них снижается. Множественная корреляция по трём параметрам даёт следующую зависимость расхода стали Ор (кг/м2) на рамы из прокатных элементов от пролёта Ь, шага рам каркаса а и расчёт-но й нагрузки на покрытие q
GP = -1,86 + 0,0956q + 0,147L - 0,0019qL +
6,0 _ 0,0217q 0,451L 0,0016qL
(6)
а а а а
Просуммировав выражения (5) и (6) и подставив значения Ь=1м и Ь = 12 м, получим в общем виде расход стали каркаса на 1 м2 теплицы
У О = + 4.1 _ 1,86 + 0,0956q +1,764 -
у ' 9312
^ 6,0 0,02^ 5,412 0,0192q — 0,0228q ч—------— + —--1----—
а а а а
Продифференцировав функцию суммарного удельного расхода стали на каркас и подставив значения расчётной и нормативной нагрузок, определим шаг рам, соответствующий минимуму расхода стали на каркас
й У О и т 6 0 q
У ' = 0,000322q_а2 — ч 0,0217 — йа а а
^ — 0,0192^ = 0
a
a
0,000322q Н
11,412 - 0,0025q _ л111,412 - 0,0025 x 30 ^^
0,000322 x 21,43
Следовательно, минимум расхода стали на каркас
теплицы обеспечивается при шаге рам каркаса 6,0 м.
Выводы. 1. Установлено, что рациональным типом теплиц круглогодового использования для фермерских хозяйств являются ангарные (однопролётные) со стальным каркасом, соединения элементов которого выполняются на сварке, и ограждающими конструкциями из сотовых поликарбонатных листов. Изготовление теплицы возможно в построечных условиях, что значительно снижает стоимость строительства по сравнению с заводской поставкой.
a=4
2. Предложено площадь теплицы из условия возможности проведения работ составом фермерской семьи ограничивать 500 м2.
3. Определено, что энергоэкономичными объёмно-планировочными размерами теплицы такой площади являются: ширина 12 м, длина 42 м, высота продольных ограждающих конструкций 1,8 м (с учётом высоты цоколя 0,3 м).
4. Показано, что при расчёте элементов стального каркаса теплицы снеговую нагрузку целесообразно принимать равной разовому максимуму выпадения осадков в регионе строительства.
5. На основании установленных зависимостей изменения расхода стали на элементы каркаса определены его рациональные строительные параметры: пролёт 12 м, шаг рам 6м, шаг прогонов покрытия 1 м.
Список использованных источников
1. Промышленные теплицы из поликарбоната Фермер. [Электронный ресурс]. - Режим досту-m:http://www.perchina.ru/catalog/promyshlennye-teplitsy -fermer, свободный. - Загл. с экрана.
2. Теплица из поликарбоната Атлант фермерская | Завод Атлант. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: steelroof.ru/teplici-iz-polikarbonata/fermerskaya/, свободный. - Загл. с экрана.
3. Фермерские теплицы - Агрисовгаз. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http// www.agrisovgaz.ru, свободный. - Загл. с экрана.
4. Какой поликарбонат лучше использовать для теплицы. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// srbu.ru/stroitelnye-materialy/247-kakoj-polikarbonat-luchshe-dlya-teplitsy.htm , свободный. - Загл. с экрана.
5. Поликарбонат сотовый, характеристики. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://plastilux.ru/harakteristiki-svojstva-polikarbonata, свободный. - Загл. с экрана.
6. Сотовый поликарбонат - информация, характеристики, применение. [Электронный ресурс]. - Режим досту-па:http://www.sotovyipolikarbonat.ru/sotovyi-polikarbonat.html, свободный. - Загл. с экрана.
7. Технические свойства поликарбоната. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.forda.ru/us_files/spc/spc_tech.doc, свободный. - Загл. с экрана.
8. Юдаев И.В. Изучение светопропускающих свойств сотового поликарбоната - покровного материала круглогодичных теплиц // Научный журнал Кубанского ГАУ. - 2016. - №120(06). - С. 239-252.
9. Блажнов А.А. О снеговой нагрузке на малопролётные арочные сооружения с полимерной кровлей // Промышленное и гражданское строительство. - 2010.-№ 3. - С. 23-25.
10. Rodger-Brown J. Wide - span glasshouses. Farmbuilding. - 1967. - №16.
11. Bohn R. Gewachshausbau in eigener Regie.Gartenwelt. - 1966. - № 5.
12. Trauner M. Ein Zeit und marktgerechte Gemuseproduction sichert den Betriebserfelg. Gartenbauwirtschaft. - 1966. - № 11 und № 12.
13. Wohlmuth N. Das Gewachshaus und seine Bauelemente. Gartenbauwirtschaft. - 1965. - №12.
List of sources used
1. Industrial polycarbonate greenhouses the Farmer. [Electronic resource]. - Mode of access:http://www.perchina. EN/catalog/promyshlennye-teplitsy --fermer, free. The title. screen.
2. Greenhouse polycarbonate Atlant farm | Plant Atlanta. [Electronic resource]. - Mode of access:steelroof.ru/teplici-iz-polikarbonata/fermerskaya/ free. The title. screen. - Lang. Rus.
3. Farm greenhouse - Agrisovgaz. [Electronic resource]. - Mode of access: http// www.agrisovgaz.ru free. The title. screen. - Lang. Rus.
4. Which is better to use polycarbonate for the greenhouse. [Electronic resource]. - Mode of access: http:// srbu.ru/stroitelnye-materialy/247-kakoj-polikarbonat-luchshe-dlya-teplitsy.htm free. The title. screen. - Lang. Rus.
5. Polycarbonate,features.[Electronic resource]. - Mode of access: http:// plastilux.ru/harakteristiki-svojstva-polikarbonata free. The title. screen.
6. Polycarbonate - information, characteristics, application. [Electronic resource]. - Mode of ac-cess:http://www.sotovyipolikarbonat. EN/sotovyi-polikarbonat.html free. The title. screen.
7. Technical properties of polycarbonate. [Electronic resource]. - Mode of access: http://www.forda.ru/us_files/spc/spc_tech.doc free. The title. screen.
8. Yudaev I. V. The Study of light transmitting properties of the polycarbonate - covering material year-round greenhouses //Scientific journal Kuban state agrarian UNIVERSITY. - 2016. - № 120(06). - S. 239-252.
9. Blazhnov A. A. Snow load on maloprimetny arched structure with a polymeric roofing // Industrial and civil construction. - 2010. - № 3. - P. 23-25.
10. Rodger-Brown J. Wide - span glasshouses. Farmbuilding. - 1967. - № 16.
11. Bohn R. Gewachshausbau in eigener Regie.Gartenwelt. - 1966. - № 5.
12. Trauner M. Ein Zeit und marktgerechte Gemuseproduction sichert den Betriebserfelg. Gartenbauwirtschaft. - 1966 .- № 11und № 12.
13. Wohlmuth N. Das Gewachshaus und seine Bauelemente. Gartenbauwirtschaft. - 1965. - № 12.
