CC BY
274
4-e, ster. M. : Izd-vo MGTU im. N.Je. Baumana, 2011. 367 s.
12. Danilov A.I. Komp'juternyjpraktikumpokursu «Teorijaupravlenija». Simulink-modelirovanie v srede-Matlab. M. : MGUIJe, 2002. 128 s.
13. D'jakonov V. P. Matlab 6.0/6.1/6.5/6.5 + SP1 + Simulink 4/5. Obrabotkasignaloviizobrazhenij [Tekst] / V. P. D'jakonov. M. : Solon-Press, 2004.592s.
14. Lykov A.V. Teorijasushki. M. : Jenergii, 1968. 472 s.
15. Lykov A.V., MihajlovJu.A. Teorijateplo - im-assoperenosa. M. : Gosudarstvennoejenergeticheskoeiz-datel'stvo. 538 s.
16. Okun' G.S. K raschjotuprodolzhitel'nostisush-kizerna v sloe/ Trudy VIM. 1964, t. 34. S. 29-39.
17. Okun' G.S. Metodyraschjotaprodolzhitel'nos-tisushkiotdel'nogozernapshe-nicyizernovogosloj a/ Ma-shinydljaposleuborochnojpotochnojobrabotkisemjan. Teorij airaschj otmashin, tehnologij aiavtomatizacij apro-
cessov // Pod redakciej Z.L. Tica. M. : Mashinostroenie, 1967. S. 290-308.
18. Meshherjakov V.V. Zadachipostatistikeire-gressionnomuanalizu s MATLAB. M. : Dialog_MIFI, 2009 - 448 s.
19. Meshherjakov V.V. Zadachipomatematike s MATLAB &Simulink. M. : Dialog_MIFI, 2007. 528 s.
20. Avdeev A.V. Metodologijaraschetapromysh-lennyhzernosushilok / Vtorajamezhdunarodnajanauch-no-prakticheskajakonferencija «Sovremennyejenergos-beregajushhieteplovyetehnologii (sushkaiteplovyepro-cessy) SJeTT-2005». Trudy konferencii, t. 1. M. : Izda-tel'stvo VIM, 2005. S. 211-217
21. Ginzburg A.S. Osnovyteoriiitehnikisushki-pishhevyhproduktov. M. : Pishhevajapromyshlennost', 1973. 527 s.
22. Cyk V. V. jan: Lekcija. Gorki
Aktivnoeventilirovaniezernaisem-: Belorusskaja gosudarstvennaja
sel'skohozjajstvennaja akademija, 2006. 24 s.
УДК 631.544.41:628.8:621.327.532
ОБЛУЧЕНИЕ И ОБОГРЕВ РАСТЕНИЙ В ТЕПЛИЦАХ
© 2016
Долгих Павел Павлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Системоэнергетика» Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск (Россия) Самойлов Максим Васильевич, старший преподаватель кафедры «Системоэнергетика» Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск (Россия)
Аннотация. Введение. Статья посвящена вопросам повышения энергоэффективности современных теплиц. Проведен анализ тепличных конструкций и технологий с использованием утилизированной тепловой энергии от системы облучения. Установлено, что в существующих современных технологиях энергия от облучателей свободно циркулирует в верхней части теплицы, что может вызвать перегрев верхушек растений, а также отсутствует возможность рационально управлять потоком тепловой энергии.
Материалы и методы. Рассматриваются вопросы баланса энергии в светотехнической облучательной установке с газоразрядными лампами высокого давления. Выявлена зависимость между потребностью в тепловой энергии и установленной электрической мощностью облучательных установок с учетом коэффициентов преобразования. Произведен расчет и выбор облучательной системы на базе тепличного облучателя ЖСП37-400-001 с лампой Philips SON-T Agro 400.
Результаты и их обсуждение. Для определения энергетических параметров системы «облучатель - вегетационная установка» была разработана вегетационная камера с системой регулирования и контроля параметров микроклимата. Разработана методика определения потребности в тепловой энергии вегетационного сооружения в зависимости от установленной мощности системы облучения. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что при удельной установленной мощности системы облучения 0,763 кВт/м2, обеспечивающей оптимальную величину облученности 100 Вт/м2 ФАР при выращивании редиса сорта Жара, имеются существенные излишки тепловой энергии, поступающей от системы облучения в размере 1 854 720 Втч за период работы облучателей. Для реализации результатов расчета на практике была предусмотрена система аккумулирования тепловой энергии с объемом теплоаккумулирующего устройства Р=0,10м3.
Заключение. Данные сведения явились основой для разработки облучательной системы для теплиц, позволяющей снизить энергоемкость продукции на 112,7 кВтч/кг и расход электроэнергии на 505,82 кВтч.
Ключевые слова: вегетационная установка, источники излучения, методика расчета теплового баланса, параметры микроклимата, расход тепловой энергии, система облучения с замкнутым контуром, спектр излучения, теплица, теплообменный аппарат, энергоэффективность.
IRRADIATION AND HEATING PLANTS IN GREENHOUSES
© 2016
Dolgikh Pavel Pavlovich, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «Energy Systems» Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk (Russia) Samoilov Maxim Vasilevich, assistant professor of the chair «Energy Systems» Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk (Russia)
Abstract. Introduction. The article is devoted to questions of increasing the efficiency of modern greenhouses. The analysis of the greenhouse structures and technologies with recovered thermal energy from the system irradiation. It is found that in existing modern technologies the energy from the panels circulates freely in the upper part of the greenhouse, which can cause overheating of the tops of plants, and there is no possibility to manage the flow of thermal energy. Materials and methods. Considers the energy balance in lighting irradiation facility with discharge lamps high pressure. The correlation between the demand for thermal energy and the installed electric capacity of irradiators subject to the conversion factors. The calculation and selection of the irradiation system based on greenhouse irradiator ^Cn37-400-001 with lamp Philips SON-T Agro 400. Results and its discussion. To determine the energy parameters of the system «irradiator - vegetation setting» was designed growth chamber with the regulation and control of microclimate parameters of the system. A method for determining the heat demand of the growing facilities, depending on the installed capacity of the irradiation system. The theoretical and experimental studies have established that the specific set irradiation power 0.763 kW m2 system providing optimum value irradiance of 100 W/m2 PAR for growing radish varieties of heat, there are substantial excess heat coming from the irradiation system in the 1854720 Wh for the duration of the illuminators. To implement results of the calculation in practice was a system of thermal energy accumulation with the volume of the heat storage device V = 0,10m3. Conclusion. This information formed the basis for the development of an irradiation system for greenhouses, allowing to reduce the energy intensity of production at 112.7 kWh/kg and the power consumption at 505.82 kWh.
Keywords: vegetative plant, radiation sources, method of calculation of the heat balance, pas parameters of microclimate, thermal energy, irradiation system is a closed loop, emission spectrum, greenhouse, heat exchanger, energy efficiency.
Введение
Высокую урожайность тепличных культур можно получить тогда, когда все параметры микроклимата будут поддерживаться на оптимальном уровне. Наиболее важными являются энергетические факторы - оптическое облучение и температура воздуха [1].
Известно, что урожайность овощных культур, выращиваемых в теплице, можно значительно увеличить, если температуру воздуха поддерживать автоматически переменную в зависимости от облученности растений [1, 2]. Температура фотосинтези-рующих органов определяется температурой внешней среды и нагревом растений излучением [3]. На рисунке 1 показаны экспериментальные зависимости [2, 4] продуктивности фотосинтеза от температуры и облученности. Из графиков видно, что на ход световых кривых фотосинтеза влияют изменения других факторов внешней среды. Например, при низких температурах повышение интенсивности света становится малоэффективным.
Значительная часть энергии излучения, поглощаемой растением, превращается в нем в тепло. Источники с различным спектральным составом излучения оказывают разное тепловое воздействие на растения [3].
В технологии выращивания растений в защищенном грунте применяют два вида теплиц: светонепроницаемые и светопроницаемые.
В нашей стране было разработано несколько светонепроницаемых теплиц, в частности светонепроницаемая теплица для совхоза «Пригородный» г. Магадана и теплица для г. Ленска [5].
Теплица для г. Магадана решена одноэтажной (рисунок 2). Теплица имеет рассадное отделение и две камеры выращивания овощей. Особенностью сооружения является использование тепла источников излучения (ИИ) для отопления бытовых и вспомогательных помещений. Схема энергетической системы светонепроницаемой теплицы приведена на рисунке 3. Из ламповых отсеков плоских световодов воздух с температурой около 80 °С всасывается в воздуховод и распределяется в бытовые и вспомогательные помещения. Из бытовых и вспомогательных помещений воздух частично поступает на рециркуляцию (смешивается с наружным холодным воздухом) и подаётся в камеры выращивания, а частично выбрасывается наружу.
л.
wCO.
а 6
Рисунок 1 - Взаимовлияние интенсивности излучения и температуры на фотосинтез: а - по Рубцову П. А. [2]; б - по Полевому В. В. [4]
Рисунок 2 - Светонепроницаемая теплица площадью 200 м2: I - коридор; II - гардероб; III - рассадное отделение; IV - камера для выращивания огурцов;
V - камера для выращивания томатов;
VI - зал кондиционеров
Энергетическая система не является оптимальной, так как она не обеспечивает полностью использование избыточного тепла ИИ. Выращивание растений предусмотрено в почве на передвижных стеллажах.
В работах ученых [6], посвященных системам отвода тепла от мощных ИИ, описываются существующие на тот период способы охлаждения облучателей. Все их можно подразделить на три типа: 1. С применением систем вентиляции воздуха. 2. С использованием систем циркуляции охлаждающей жидкости. 3. С комбинированным использованием водно-воздушного обогрева. Интерес представляет конструкция облучателя французской фирмы Sapra-йп с комбинированным воздушно-водяным способом отвода тепла от ИИ. Однако технология использования излишков тепловой энергии не приводится.
Рисунок 3 - Схема энергетической системы светонепроницаемой теплицы: I - бытовки; II - ламповые отсеки; III - камера выращивания; В1 и В2 - вытяжные вентиляторы; К - конденсатор;
П - приточный вентилятор
Известна теплица с искусственным освещением [7], где для регулирования теплового режима теплицы между ламповыми камерами расположен воздуховод, отводы от которого заведены в каждую из камер, а сам воздуховод подключен к вытяжному вентилятору.
Недостатком данной системы является низкая эффективность использования энергетического потока облучательной системы, так как инфракрасная составляющая потока излучения, в виде тепловой энергии нагретого воздуха, удаляется из помещения и в формировании микроклимата теплицы далее не участвует.
Современные тепличные комплексы обеспечивают наиболее рентабельное производство в сфере
сельского хозяйства, так как в их основе лежат принципы интенсивного производства овощей с глубокой автоматизацией процессов выращивания. Теплицы пятого поколения по технологии Ultra Clima имеют ряд преимуществ перед теплицами четвертого поколения, среди которых можно выделить значительную экономию затрат на отопление. Происходит это за счет вторичного использования тепловой энергии. В теплицах теплый воздух, поднимающийся вверх, отбирается вентиляторами и снова подается на отопление по пластиковым рукавам, расположенным под каждой грядкой. Особенно этот эффект усиливается при использовании светокультуры. Тепло от ламп, а это примерно 90 % от мощности лампы, в простой теплице безвозвратно улетучивается, а в теплице Ultra Clima практически полностью используется для отопления [8].
Поддерживать микроклимат в предыдущих поколениях теплиц при прочих равных условиях можно лишь за счет температуры воды и открытия фрамуг, а в теплице Ultra Clima поддержание климата происходит за счет не менее шести параметров и комбинации между ними, которые предоставляют возможности до конца еще не исследованные [9].
На рисунке 4 представлен функциональный блок теплицы пятого поколения с оборудованием.
Как видно из рисунка 4, тепловая энергия от облучателей свободно циркулирует в верхней части теплицы, что может вызвать перегрев верхушек рас-
тений. Остается труднопрогнозируемым, какое количество тепловой энергии будет сгенерировано облучателями определенного типа в определенный момент времени. Также в представленной системе отсутствует возможность рационально управлять потоком тепловой энергии.
Цель исследования - разработка энергоэффективной технологии управления микроклиматом в теплицах.
Задачи: 1. Разработка методики определения объемов тепловой энергий от системы облучения за период вегетации культуры (на примере культуры редиса). 2. Проведение экспериментальных исследований по определению энергетических показателей системы «облучатель - вегетационная установка». 3. Разработка технологии применения утилизированной энергии.
Материалы и методы
Для исследований была выбрана система облучения на базе облучателя ЖСП37-400-001 с лампой Philips SON-T Agro 400. На рисунке 5 представлен внешний вид облучателя с кривыми силы света (КСС); в таблице 1 приведены основные характеристики [10].
На рисунке 6 приведен спектр излучения лампы SON-T Agro 400. Видно, что лампа имеет повышенную долю излучения в красном диапазоне длин волн 600-700 нм.
Рисунок 4 - Конструкция теплицы пятого поколения: 1 - форсунки для подачи углекислого газа; 2 - вентиляторы; 3 - обогреватель; 4 - клапан; 5 - ограждающие конструкции; 6 - зона «Ультра Клима»; 7 - перегородка; 8 - фрамуга; 9 - облучательные установки;
10 - растения; 11 - пластиковые рукава
а 6
Рисунок 5 - Облучатель ЖСП37-400-001: а - внешний вид: 1 - шина; 2 - короб; 3 - кронштейн; 4 - фиксатор; 5 - крышка; 6 - отражатель; 7 - ПРА; 8 - ИЗУ; 9 - конденсатор; 10 - лампа Philips SON-T Agro 400; 11 - патрон Е-40; 12 - клеммная коробка. б - кривая силы света (1 - поперечная; 2 - продольная; 3 - под углом 45°)
"аблица 1 - Характеристики облучателя ЖСГ [37-400-001
Тип Число, шт., и мощность лампы, Вт Класс светораспределения по ГОСТ 17677-82 Тип кривой силы света по ГОСТ 17677-82 Световой поток, клм Ток, А кпд, %, не менее Степень защиты по ГОСТ 14254-96 Тип патрона
в продольной плоскости в поперечной плоскости
ЖСП37-400-001 с лампой Philips SON-T Agro 400 1x400 П Осевая Л 55 2,2 80 8P21 Е40
к
о >>
5
се
§ S
е с
В s,
а
I
б
350
300 250 200
5 * 150
5 £ 100
ce
50
300
1
1
г II
0
■ЯП 1
400
500
600
700
Длина волны X. нм
Рисунок 6 - Спектр излучения лампы Philips SON-T Agro 400 [11]
Эксперименты, проведенные российскими учеными показали, что наименьшие затраты энергии для исключения стрелкующихся форм редиса тре-
буются при использовании красных лучей (длина волны 600-700 нм) и интенсивности ФАР 100 Вт/м2 [12].
Рисунок 7 - Зависимость стрелкования растений редиса от интенсивности ФАР в отдельных спектральных областях [7]
Из рисунка 7 видно, что при использовании ламп с максимумом излучения в зеленой области уровень облученности нужно увеличить в 2 раза, по сравнению с красным светом, при использовании синего излучения - в 6 раз. Также доказано [12], что максимальный коэффициент хозяйственной эффективности Кхоз, характеризующий распределение ас-симилятов между листовой поверхностью и корнеплодами, достигается при красном свете. Наименее эффективен в этом отношении синий свет.
Приведенные данные позволяют предположить, что лампа Philips SON-T Agro 400, имеющая максимум излучения в оранжево-красном диапазоне длин волн 600-700 нм (рис. 6), будет являться наиболее эффективным источником излучения при выращивании редиса.
Исходя из технологических норм и опытных данных [12] определяем по методике [13] основные параметры облучательной установки для создания оптимальной облученности, при которой достигается максимальная эффективность фотосинтеза растений £=100 Вт/м2 ФАР [12].
Данная методика предполагает установление высоты подвеса облучателей Н > 0,5 м, нижний предел которой ограничивается тепловым действием источников излучения, являющимся губительным для растений.
Горизонтальная облученность Е, Вт/м2 ФАР в точке от одного облучателя
ЕФ =-
I ■cos а ■к
Ф
h2
(1)
где 1а - сила света облучателя в направлении расчетной точки, кд; кф - коэффициент перевода светового потока источника в поток ФАР, Вт/м2; Н - высота подвеса, м; кф=0,0023 [14].
Расчет установки проводим по минимальной облученности. При этом коэффициент минимальной облученности
E
z = -
ф. min
E
> 0,8,
(2)
ф.тах
где Ефтп, Еф.тах - минимальная и максимальная облученность, Вт/м2 ФАР.
Для расчета по рисунку 5, б применяем формулу:
J = 11000000 ■ Ф 1000
(3)
где Ф - световой поток лампы, лм; 11000 - значения силы света облучателя с условным источником света, кд.
По графикам облученности находим оптимальную высоту подвеса облучателя и геометрические размеры ванны с почвогрунтом исходя из условия (2). Предполагаем, что культивационное сооружение, где будет размещаться облучательная система, представляет собой вегетационную установку размерами 1700^700^1500 мм, изготовленную из поликарбоната с толщиной стен 10 мм и установленную в подвальном неотапливаемом помещении. Площадь ограждающих конструкций с производственной площадью = 6 м2.
Рисунок 8 - Графики облученности под облучателем ЖСП с лампой Philips SON-T Agro 400
Рисунок 9 - План размещения облучателей в вегетационной установке
Определяем энергетические параметры системы «облучатель - вегетационная установка». Как известно [12], основными объектами исследования при проведении физиологических экспериментов в вегетационных установках являются ценозы редиса. Поэтому для расчета применяем данные из технологических требований, предъявляемых к выращиванию редиса сорта Жара.
Потребление электроэнергии за период веге-
тации:
Ж = Р ■ Т ■ г
уст сут -
(4)
где Руст - установленная мощность системы облучения с двумя облучателями, Вт; 1сут - время работы системы облучения в сутки, ч; Т - период вегетации, дней.
Таблица 2 - Результаты расчета параметров системы «вегетационная установка-система облучения»
Параметр Величина
Количество облучателей N шт 2
Высота подвеса Н, мм 500
Размеры технологического объема установки, мм
длина А 1 700
ширина В 700
высота Н 1 500
Средневзвешенный коэффициент неравномерности ъ 0,8
Облученность Е, Вт/м2 ФАР 100
Установленная мощность системы облучения Р, кВт 0,908
Удельная установленная мощность системы облучения Руд, кВт/м2 0,763
Время работы системы облучения в сутки ^сут, ч 16
Период вегетации [17] Т, дней 35
Потребление электроэнергии за период вегетации Ж, кВт ч 509
Удельное потребление электроэнергии системой облучения Жуд, кВт ч/м2 428
Из данных таблицы 2 видно, что для обеспечения требуемой величины облученности £=100 Вт/м2 ФАР необходимо 0,763 кВт/м2 удельной установленной мощности. Данная величина является основой для определения количества тепловой мощности от системы облучения при тепловом расчете системы «вегетационная установка-система облучения».
Проведенные исследования [14, 15] позволили установить зависимости между потребностью в тепловой энергии в теплице и установленной электри-
ческой мощностью облучательных установок с учетом коэффициентов преобразования.
Часть электрической мощности ^ , Втм- , действующей как тепловая энергия, вычисляется по формуле:
Пи •(! -пт )"
дт = дэ -I 1-
1000
(5)
где - присоединенная электрическая мощность, Вт м-2; Пи - энергетический кпд, мВт Вт-1; пт - ко-
эффициент преобразования энергии излучения в ощущаемое (конвективное тепло).
Удельная установленная тепловая мощность системы обогрева без учета тепловой энергии от системы облучения для дня Qдень, Втм-2, и ночи QноЧb, Втм-2, рассчитываем по формулам [16]:
бдень = К • - ); (6)
О™ = к• к 2 - 1шг), (?)
где K- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2°С); К' -коэффициент, учитывающий потери при передаче, распределении и преобразовании тепловой энергии;
Кн, ^нар - температуры внутри и снаружи вегетационной установки, С.
Тогда реальная удельная установленная тепловая мощность в вегетационной установке для периода досвечивания Qреcm, Вт м-2, составит:
Qреaл №день Чт) ■
(8)
Для теплиц с хорошей теплоизоляцией (поли-карбонат+экран)[14]:
К = 2,26 + 0,005 • ^, (9)
где vв - скорость ветра, м/с.
Расход тепловой энергии Qвег.без обл, Втч, за период вегетации без учета поступления тепловой энергии от системы облучения:
бвег..безобл Т ^ Кбден ^день ^ночь)]' (10)
где Т - период вегетации, сут.; - площадь ограждающих конструкций с производственной площадью, м2; 1день, 1ночь - продолжительность работы системы обогрева днем и ночью, ч.
Расход тепловой энергии Qвег, Вт ч, за период вегетации с учетом тепловой энергии от системы облучения:
6*^ = Г^^реал •Гобл ■ (11)
Исходя из опытных данных [17] представленных в таблице 3, определяем по формулам 5-11 основные составляющие баланса тепловой энергии.
Таблица 3 - Технологические нормы при выращивании редиса сортов Жара
Культура Период вегетации Т, сут Температурный режим t, °С Время облучения, tобл (ч). Облученность, Е (Вт/м2ФАР)
День Ночь
Редис сорта Жара 35 22 10 16 100
Таблица 4 - Расчет баланса тепловой энергии
Параметр Значение
Удельная установленная тепловая мощность от облучателей , Вт м-2 706
Присоединенная электрическая мощность , Вт м-2 763
Коэффициент преобразования энергии излучения в ощущаемое (конвективное тепло) ^ 0,7
Энергетический кпд Т]и, мВтВт-1 247
Коэффициент теплопередачи К, Вт/м2 °С 3,1
Коэффициент, учитывающий потери при передаче, распределении и преобразовании тепловой энергии К'. 2,26
Температура наружного воздуха tнaр, °С 0
Разность температур At, С. - день - ночь 22 10
Удельная установленная тепловая мощность системы обогрева без учета тепловой энергии от системы облучения, Втм-2 - для дня Qденъ - для ночи Qночъ 154 70
Удельная реальная установленная тепловая мощность в вегетационной установке для периода досвечивания Qреaл, Вт/м2 706
Расход тепловой энергии за период вегетации без учета поступления тепловой энергии от системы облучения Qвег. без обл, Вт ч 635 040
Излишки тепловой энергии за период вегетации с учетом тепловой энергии от системы облучения Qвег. реал, Вт ч 1 854 720
Из таблицы 4 видно, что при заданных условиях, необходимых для эффективного выращивания овощных культур имеются существенные излишки
тепловой энергии, поступающей от системы облучения в размере 1 854 720 Втч.
Поэтому предусматриваем дополнительно систему аккумулирования тепловой энергии, кото-
рую можно использовать для обогрева вегетационной камеры в ночное время.
Определяем объем теплоаккумулирующего сердечника V, м3:
V =--, (12)
Р-с -(Тшх - тп, )-Т где О - количество теплоты, которую необходимо аккумулировать за период работы облучателей в сутки, Дж; Ттж, Ттт - средние (по объему сердечника) температуры в конце процессов зарядки и разрядки,
Результаты расчетов показали, что при удельной установленной мощности системы облучения Руд=0,763 кВт/м2 можно обеспечить необходимую потребность в теплой энергии вегетационной установки 2вег.без обл= 635 040 Втч за весь период вегетации. Для реализации результатов расчета на практике необходимо предусматривать систему аккумулирования тепловой энергии с объемом теплоаккуму-лирующего устройства Р=0,10м3.
Задачей эксперимента являлось определение энергозатрат культуры редиса, выращенной по двум вариантам. Эксперимент проходил в вегетационной установке [19], состоящей из двух отсеков, один из которых (отсек II) содержит вегетационную камеру, сконструированную по описанию, изложенному в работе [20], с конструктивными доработками.
Вегетационная установка (рис. 10) содержит основание с установленными на нем ваннами с поч-вогрунтом и растениями. К основанию крепятся вертикальные стойки, а к ним горизонтальные стойки,
°С; т] - КПД установки; р - плотность материала,
кг/м3. С - удельная теплоемкость кДж/кг- °С.
Считаем необходимое количество тепловой энергии в ночное время Qвег.ночь, Вт ч, когда система облучения не в работе:
О = Т-Б-(О ). (13)
^вег . ночь.. У^ночь ночь/ 4 '
С учетом кратности воздухообмена, рекомендуемой для вегетационных сооружений [18], от 0,1 до 1 раза в час, количество тепловой энергии, которую необходимо аккумулировать за период работы облучателей в сутки, нужно уменьшить в 10 раз.
образуя каркас, обтянутый прозрачным поликарбонатом. Каркас посредине разделен с помощью подвижной вертикальной перегородки на два отсека. Сверху каркаса закреплена рама с установленными на ней облучателями с возможностью их регулирования по высоте от к1 до к2 с натяжным устройством, роликами с приводом. Технологический объем каждого отсека также разделен на две части (рабочую и технологическую) в горизонтальной плоскости с помощью силикатного стекла толщиной 8 мм (рисунок 10), что исключает неконтролируемое влияние инфракрасной составляющей излучения облучателя на вегетационный процесс.
Редис сорта Жара выращивался по технологий, изложенной в [21]. Опыт осуществлялся в двух отсеках в трехкратной повторности. Урожай снимался за один раз. После каждого опыта почвогрунт полностью заменялся. Для чистоты эксперимента облучатели в обоих отсеках устанавливаем на одинаковой высоте к = 0,5 м.
Таблица 4 - Расчет теплоаккумулятора
Параметр Значение
Количество теплоты, которую необходимо аккумулировать за время работы облучателей в сутки О, Вт ч 5299
Плотность материала р , кг/м3 1000
КПД установки т 0,87
Удельная теплоёмкость воды с, кДж/кг-°С 4,19
Средние температуры в конце процессов зарядки и разрядки, °С: Т шах Т Ш1, 80 20
Объём теплоаккумулирующего устройства V, м3 0,087
Длительность процесса зарядки ТЗ , с 57600
Необходимое количество тепловой энергии в ночное время Qвeг.ночь, Вт ч 3360
а да
I i'Я Li щ
B'kJ
ш
Рисунок 10 - Конструкция экспериментальной вегетационной установки: 1 - рабочий отсек; 2 - ванны с почвогрунтом и растениями; 3 - отсек с облучателем; 4 - облучатель ЖСП с лампой Philips SON-T Agro 400; 5 - стеклянная перегородка; 6 - приточный воздуховод; 7 - система автоматического управления (САУ) параметрами микроклимата; 8 - система вентиляции и подготовки воздуха; 9 - механизм регулирования высоты подвеса облучателей; 10 - устройство подогрева воздуха
В первом отсеке выброс излишков тепловой энергии от системы облучения осуществлялся под контролем датчиков температуры через систему воздухообмена. Необходимое количество тепловой энергии производилось с помощью устройства подогрева воздуха, имеющего три ступени регулирования.
Контрольно-измерительное оборудование для проведения эксперимента представлено на рисунке 11. Освещённость замерялась периодически при помощи люксметра ТКА-ЛЮКС, предназначенного для измерения освещенности (в люксах), создавае-
мой различными источниками, произвольно пространственно расположенными. Температура и влажность измерялась многофункциональным термогигрометром CENTER-311. Скорость и температура воздушного потока замерялась анемометром Testo 410-2, предназначенным для измерений скорости потока, температуры и влажности воздуха. Температура почвы регистрировалась термометром Testo 830-T1, учёт электроэнергии производился счетчиком электроэнергии однофазным Энергомера СЕ101 R5 145 М6.
Рисунок 11 - Измерительное оборудование: а - люксметр ТКА-Люкс; б - термогигрометр CENTER-311; в - анемометр Testo 410-2; г - термометр Testo 830-T1; д - счетчик электроэнергии однофазный Энергомера СЕ101 R5 145 М6
Система автоматического управления (САУ) параметрами микроклимата представлена оборудованием, изображенным на рисунке 12. Температурный режим регулировался при помощи датчиков температуры посредством универсального контроллера Siemens QAA24, регистрация температурных
процессов осуществлялась измерителем-
регистратором ИС-203.4, для регулирования влажности применялся универсальный контроллер Siemens RLU210. Управление системой облучения осуществлялось с помощью таймера HAMA Weekly H-47675.
Так как при расчетах получилось значительное количество излишков тепловой энергии, во втором отсеке предусматриваем дополнительно систему ак-
кумулирования тепловой энергии, представленную изображенным на рисунке 13 оборудованием.
Рисунок 12 - Оборудование САУ: а - универсальный контроллер Siemens RLU210; б - датчик температуры Siemens QAA24; в - измеритель-регистратор ИС-203.4; г - таймер HAMA Weekly H-47675
Рисунок 13 - Оборудование системы аккумулирования тепловой энергии: а - бак-теплоаккумулятор; б - система воздуховодов и воздухоподготовки; в - теплообменник; г - осевой вентилятор Electric axial fan 125 VKO Domovent
На рисунке 14 представлена функциональная схема вегетационной камеры с тепловым аккумулятором.
Вегетационная камера работает следующим образом. При включении облучающих устройств генерируется лучистый поток, часть которого в виде фотосинтетически активной радиации поступает к растениям через стеклянный потолок и фиксируется люксметром для установления требуемой облученности, а другая часть в виде тепловой энергии накапливается в отсеке с облучателем. После этого включатся в работу вентилятор системы охлаждения, который отфильтровывает через фильтр воздух, полученный через приточный люк, и направляет его для снятия тепловой нагрузки с облучающих устройств. Утилизированная тепловая энергия поступает в воздуховоды вентиляции для приема утилизированного тепла далее, подается через систему подготовки воздуха к растениям в рабочий отсек. При этом с датчика температуры, расположенного в рабочем отсеке, поступает сигнал на подвижный клапан с приводом.
При снижении температуры, (например, по требованию технологического процесса выращива-
ния) необходимо уменьшить температуру в рабочем отсеке. При этом поступает сигнал с датчика температуры на подвижный клапан, он переходит в закрытое положение, закрывая доступ утилизированного тепла, и утилизированная тепловая энергия выводится наружу. Когда в рабочем отсеке не достигается необходимая температура, в работу дополнительно включается устройство подогрева воздуха, получающее сигнал с датчика температуры, установленного в зоне растений. Если при закрытом клапане в рабочем отсеке повысилась температура, то это повышение фиксируется датчиком температуры и подается сигнал на включение охлаждающего устройства. Полив растений осуществляется автоматически, согласно заданному времени, выдерживая технологические параметры выращивания растений. Также производился контроль параметров влажности и температуры в рабочей зоне, в зоне светильников, температуры утилизированного воздуха из отсека с облучателями. Таким образом, в рабочем отсеке поддерживается определенный температурно-влажностный режим.
Рисунок 14 - Функциональная схема вегетационной установки для проведения эксперимента
Утилизированный воздух проходит через теп-лообменный аппарат, связанный с баком - накопителем воды объемом 0,1 м . В системе с помощью насоса циркулирует вода, снимая тепловую энергию с теплообменного аппарата, тем самым происходит подогрев воды, которая используется в дальнейшем для обогрева вегетационной установки в ночное время. Работа установки имеет циклы зарядки и разрядки. В период работы облучателей в климатической установке теплоаккумулирующее устройство заряжается, в ночной период разряжается.
Результаты
Результаты наблюдений показали, в отсеке I происходило автоматическое включение устройства подогрева воздуха: в ночное время периодами в среднем 2-4 раза в час продолжительностью 5-10 минут; в дневное время постоянно работает первая ступень (0,5 кВт). Растения редиса более компактные. Верхние листья к концу вегетации вялые. Во II отсеке устройство подогрева воздуха за весь период вегетации не включалось. Растения редиса во всех экспериментах имели более вытянутую форму стебля и больший размер корнеплода (рис. 15). Кондиционирующее устройство ни в одной из камер не включалось. Показания со счетчиков электрической энергии снимались ежесуточно.
Рисунок 15 - Контрольная выборка культуры редиса в эксперименте
Данные таблицы 6 показывают, что удельная энергоемкость продукции Qу,д, кВтч/кг, в отсеке II с использованием тепловой энергии от облучателя снизилась по сравнению с базовым вариантом на 112,7 кВтч/кг.
На рисунке 15 представлены графики расхода электроэнергии за период вегетации по двум вариантам.
Таблица 6 - Результаты эксперимента
Параметр Показатель
I отсек II отсек
Облученность Е, Вт/м2 ФАР 100 100
Период вегетации Т, дней 35 35
Количество редиса товарного качества N шт. 189 201
Масса клубней товарного редиса ш, кг 5,34 6,44
Удельная установленная мощность системы облучения Руд, кВт/м2 0,763 0,763
Расход электроэнергии в системе облучения Ж, кВтч 509 509
Удельное потребление электроэнергии системой облучения Жуд, кВтч/м2 427 427
Средняя урожайность Уср, кг/м2 4,49 5,4
Установленная мощность системы микроклимата Руст.микр, кВт - вентиляторы - устройство подогрева воздуха - насос системы полива - насос системы водяного обогрева 2x0,016 0,5/1/1,5 0,18 3x0,016 0,5/1/1,5 0,18 0,05
Общий расход электроэнергии по показаниям счетчиков Жобщ, кВт ч 1068,4 562,58
Удельная энергоемкость продукции Qуд, кВт ч/кг 200 87,35
Удельный расход электроэнергии Жуд.обш, кВт ч/м2 897,8 472,75
Рисунок 15 - Графики расхода электроэнергии за период вегетации: а - в отсеке I; б - в отсеке II
Из графиков видно, что расход электроэнергии в системе обогрева вегетационной камеры с вариантом использования тепловой энергии от системы облучения на 505,82 кВтч ниже, чем в базовом варианте.
Полученные в результате эксперимента данные позволяют построить рациональную систему облучения с замкнутым контуром, представленную на рисунке 16.
Облучательная система для теплиц работает следующим образом. При включении облучателей 3 в работу они начинают излучать фотосинтетически активную радиацию (ФАР), которая через защитное стекло 4 поступает к ваннам с растениями 16. Теп-
ловая энергия, выделяющаяся внутри облучателей 3, с помощью вентилятора 7, забирающего воздух через всасывающий трубопровод 8, направляется по вытяжному воздуховоду 6. При этом нагретый воздух достигает переходного тройника 9. Если температура в теплице ниже требуемой, то двухпозицион-ный клапан 10 находится в нижнем положении (горизонтально) и теплый воздух направляется по гибкому воздуховоду 17 в систему воздухоподготовки 18, откуда по перфорированной трубе 20 подается к ваннам с растениями 16. В том случае, если необходимо подать воздух большей температуры, включается в работу воздухоподогреватель 19. Если температура в теплице выше требуемой, то сигнал с дат-
чика температуры 11 подается на двухпозиционный клапан 10, и он занимает вертикальное положение, перекрывая путь воздуху к гибкому трубопроводу 17, направляя воздух по эластичному воздуховоду 12 к теплообменному аппарату 13, в котором воздух нагревает воду, и нагретая вода поступает в бак 14. В баке 14 нагретая вода хранится до тех пор, пока включены в работу облучатели 3. Когда облучатели 3 выключены (например, в ночное время), то обог-
рев осуществляется путем подачи нагретой воды из бака 14 через радиатор системы обогрева 15 к ваннам с растениями 16. Если необходимо изменить уровень фотосинтетически активной радиации по требованиям технологии выращивания, то при помощи подвижных электроталей 5 рама 2 меняет свое положение путем перемещения вверх-вниз, поднимая или опуская облучатели 3.
Рисунок 16 - Облучательная система для теплиц: 1 - несущая конструкция; 2 - рама; 3 - облучатели; 4 - защитное стекло; 5 - подвижные электротали; 6 - вытяжные воздуховоды; 7 - вентилятор; 8 - всасывающий воздуховод; 9 - переходной тройник; 10 - двухпозиционный клапан; 11 - датчик температуры; 12 - эластичный воздуховод; 13 - теплообменный аппарат; 14 - бак с водой; 15 - радиатор системы обогрева; 16 - ванны с растениями; 17 - гибкий воздуховод; 18 - система воздухоподготовки; 19 - воздухоподогреватель; 20 - перфорированная труба
Представленная конструкция имеет ряд преимуществ перед конструкцией теплиц пятого поколения:
- повышается эффективность использования энергетического потока облучательной системы за счет возможности управления данным потоком в зависимости от технологического процесса;
- снижаются затраты энергии на обогрев, так как инфракрасная составляющая потока излучения облучателей, в виде тепловой энергии нагретого воздуха, не циркулирует свободно по помещению, а участвует в формировании микроклимата теплицы, т. е. подается в корневую зону растений;
- систему облучения можно располагать ближе к растениям за счет того, что облучатели охлаждаются и не могут причинить вред растениям. Тем самым увеличивается величина фотосинтетически активной радиации без дополнительных облучателей. Таким образом, расширяются функциональные возможности облучательной системы.
Заключение Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что при удельной установленной мощности системы облучения 0,763 кВт/м2, обеспечивающей оптимальную величину облученности 100 Вт/м2 ФАР при выращивании редиса сорта Жара, имеются существенные излишки тепловой энергии, поступающей от системы облучения в размере 1 854 720 Втч за период работы облучателей. Данные сведения явились основой для разработки облучательной системы для теплиц, позволяющей снизить энергоемкость продукции на 112,7 кВтч/кг и расход электроэнергии на 505,82 кВтч.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юкнявичюс С., Кантминас И., Чярнскус Э. Исследование и внедрение системы повышенной частоты с мощными тиристорными преобразователями для дополнительного облучения в теплицах. //
Отчет по НИР. № гос. регистрации 76060890 Каунас. 1980. 18 с.
2. Рубцов П. А., Осетров П. А., Бондаренко С. П. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве / // Изд. 3- е, перераб и доп. М. :Колос, 1971. 528 с.
3. Свентицкий И. И., Сторожев П. И., Царева Л. А. Об учете общих биоэнергетических закономерностей при выращивании растений // Биологическая спектрофотометрия и фитоактинометрия : Тезисы II Всесоюзного совещания по управляемому биосинтезу и биофизике популяций. Красноярск, 1973. С. 92-93.
4. Полевой В. В. Физиология растений // Учеб. для биол. спец. вузов. М. : Высш. шк., 1989. 464 с.
5. Сидько Ф. Я., Шарупич Т. С., Шарупич В. П. Светонепроницаемые теплицы для районов Крайнего Севера. // Светотехника. 1990. № 8. С. 5-7.
6. Рождественский В. И., Клешнин А. Ф Управляемое культивирование растений в искусственной среде. М. : Наука, 1980. 199 с.
7. Теплица с искусственным освещением: пат. 4195 Рос. Федерация: МПК A01G9/14 / Я. А. Кунгс, Н. В. Цугленок, А.А. Лысенко; заявитель и патентообладатель Красноярский государственный аграрный университет. № 96111332/20,; заяв. 05.06.1996; опубл. 16.06.1997. Бюл. №17.
8. Соколов И. С. Технологии пятого поколения [Электронный ресурс] http://www.fito-system.ru/ teplicy-pokolenie-5. Дата обращения 02.03.2016.
9. Greenhouse and forced greenhouse climate control system and method: US 20080000151 A1 June 28, 2007; Casey Houweling, Peter Cummings. Publ. 3/01/2008.
10. Тепличные светильники серий ЖСП36, ЖСП37. Паспорт изделия. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ielectro.ru/ Document 34952.html?fn_tab2doc=1479. Дата обращения 21.02.2016.
11. Спектр излучения MASTER SON-T PIA Green Power 400W [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www .comsvet.ru/2/pr_teplich_son.shtml. Дата обращения 21.02.2016.
12. Тихомиров А. А., Лисовский Г. М., Сидько Ф. Я. Спектральный состав света и продуктивность растений. // Новосибирск : Изд-во Наука. Сиб. отд-ние, 1991. 168 с.
13. Баев В. И. Практикум по электрическому освещению и облучению // Учебное пособие для ВУЗов. М. : КолосС, 2008. 191 с.
14. Meyer J. Pflanzenbelichtung // AEL: Arbeitsgemeinschaft für Elektrizitätsanwendung in der Landwirtschaft e.V., Heft 3/1994, Bonn. 84 S.
15. Долгих П. П., Самойлов М. В. Расширение функций облучательных установок при использовании в системе регулирования микроклимата теплиц / // Вестник ИрГСХА. № 72. 2016. С. 130-138.
16. Chr. von Zabeltitz. Planunngshilfen für den Einsatz elektrischer Verbraucher im umterglasgartenbau / Chr. von Zabeltitz, J. Meyer, D. Dickob, A. Dierend, T. H-lscher // Bericht des Institutes für Technik in Gartenbau und Landwirtschaft der Universität Hannover. Essen: AEL e.V., 1989. 65 S.
17. Палкин Ю. Ф., Семенов Е. А. Изучение отношения зеленых культур к температурному режиму воздуха при выращивании в защищенном грунте в Восточной Сибири. // Вестник ИрГСХА. 2009. № 34. С. 33-41.
18. Цугленок Н. В., Долгих П. П., Кунгс Я. А. Энергетическое оборудование тепличных хозяйств: учебное пособие. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2001. 139 с.
19. Вегетационная установка : пат. 2303346 Рос. Федерация : МПК A01G9/24 / П. П. Долгих, М. В. Самойлов, В. Р. Завей-Борода; заявитель и патентообладатель Федеральное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный аграрный университет. №122005140493/12; заяв. 23.12.2005; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21.
20. Вегетационная камера: пат. 2298911 Рос. Федерация: МПК A01G9/24 / П.П. Долгих, М.В. Самойлов; заявитель и патентообладатель Федеральное образовательное учреждение высшего профессионального образования Красноярский государственный аграрный университет. № 2005130380/12; заяв. 29.09.2005; опубл. 20.05.07. Бюл. № 14.
21. Шуничев С. И., Савинова Н. И., Попов Г. Ф. Технология промышленного производства овощей в зимних теплицах (рекомендации). М. : ВО «Агро-промиздат», 1987. 111 с.
REFERENCES
1. Yuknyavichyus S. Issledovanie i vnedrenie sistemy povyshennoy chastoty s moshchnymi tiristornymi preob-razovatelyami dlya dopolnitel'nogo oblucheniya v teplitsakh / S. Yuknyavichus, I. Kantminas, E. Chyarnskus i dr. // Otchet po NIR. № gos. registratsii 76060890 Kaunas. 1980. 18 s.
2. Rubtsov P. A. Primenenie elektricheskoy ener-gii v sel'skom khozyaystve / P. A. Rubtsov, P. A. Ose-trov, S. P. Bondarenko // Izd. 3- e, pererab i dop. M. : Kolos, 1971. 528 s.
3. Sventitskiy I. I. Ob uchete obshchikh bioener-geticheskikh zakonomernostey pri vyrashchivanii raste-niy / I. I. Sventitskiy, P. I. Storozhev, L. A. Tsareva i dr. // Biologicheskya spektrofotometriya i fitoaktinome-
triya: Tezisy II Vsesoyuznogo soveshchaniya po uprav-lyaemomu biosintezu i biofizike populyatsiy. Krasnoyarsk, 1973. S.92-93.
4. Polevoy V. V. Fiziologiya rasteniy / V. V. Po-levoy // Ucheb. dlya biol. spets. vuzov. M. : Vyssh. shk., 1989. 464 s.
5. Sid'ko F.Ya. Svetonepronitsaemye teplitsy dlya rayonov Kraynego Severa / F. Ya. Sid'ko, T.S. Sharu-pich, V. P. Sharupich // Svetotekhnika. 1990. № 8. S. 5-7.
6. Rozhdestvenskiy V. I. Upravlyaemoe kul'tivi-rovanie rasteniy v iskusstvennoy srede / V. I. Rozhdestvenskiy, A. F. Kleshnin. M. : Nauka, 1980. 199 s.
7. Teplitsa s iskusstvennym osveshcheniem: pat. 4195 Ros. Federatsiya: MPK A01G9/14 / Ya.A. Kungs, N.V. Tsugle-nok, A.A. Lysenko; zayavitel' i patentoob-ladatel' Krasnoyarskiy gosudarstvennyy agrarnyy un-iversitet. № 96111332/20,; zayav. 05.06.1996; opubl. 16.06.1997. Byul. №17.
8. Sokolov I. S. Tekhnologii pyatogo pokoleniya [Elektronnyy resurs] http://www.fito-system.ru/teplicy-pokolenie-5. Data obrashcheniya 02.03.2016.
9. Greenhouse and forced greenhouse climate control system and method: US 20080000151 A1 June 28, 2007; Casey Houweling, Peter Cummings. Publ. 3/01/2008.
10. Teplichnye svetil'niki seriy ZhSP36, ZhSP37. Pasport izdeliya. [Elektronnyy resurs]. Rezhim dostupa: http://www.ielectro.ru/ Docu-ment34952.html?fn_tab2doc=1479. Data obrashcheniya 21.02.2016.
11. Spektr izlucheniya MASTER SON-T PIA Green Power 400W [Elektronnyy resurs]. Rezhim dostupa: http: //www .comsvet.ru/2/pr_teplich_son.shtml. Data obrashcheniya 21.02.2016.
12. Tikhomirov A.A. Spektral'nyy sostav sveta i produktivnost' rasteniy / A.A. Tikhomirov, G.M. Li-sovskiy, F.Ya. Sid'ko // Novosibirsk: Izd-vo Nauka. Sib. otd-nie, 1991. 168 s.
13. Baev V.I. Praktikum po elektricheskomu os-veshcheniyu i oblucheniyu / V.I. Baev // Uchebnoe po-sobie dlya VU-Zov. - M.: KolosS, 2008. - 191 s.
14. Meyer J. Pflanzenbelichtung / J. Meyer // AEL: Arbeitsgemeinschaft für Elektrizitätsanwendung in der Landwirt-schaft e.V., Heft 3/1994, Bonn. 84 S.
15. Dolgikh P. P. Rasshirenie fUnktsiy oblucha-tel'nykh ustanovok pri ispol'zovanii v sisteme reguliro-vaniya mikroklimata teplits / Dolgikh P. P., Samoylov M.V. // Vestnik IrGSKhA №72. 2016. S. 130-138.
16. Chr. von Zabeltitz. Planunngshilfen für den Einsatz elektrischer Verbraucher im umterglasgartenbau / Chr. von Zabeltitz, J. Meyer, D. Dickob, A. Dierend, T. H-lscher // Bericht des Institutes für Technik in Gartenbau und Land-wirtschaft der Universität Hannover. Essen: AEL e.V., 1989. 65 S.
17. Palkin Yu.F. Izuchenie otnosheniya zelenykh kul'tur k temperaturnomu rezhimu vozdukha pri vyrash-chivanii v zashchishchennom grunte v Vostochnoy Sibi-ri / Yu.F. Palkin, E.A. Semenov // Vestnik IrGSKhA. 2009. № 34. S. 33-41.
18. Tsuglenok N.V. Energeticheskoe oborudova-nie teplichnykh khozyaystv: uchebnoe posobie / N. V. Tsuglenok, P. P. Dolgikh. Ya. A. Kungs. Krasnoyarsk : Izd-vo KrasGAU, 2001. 139 s.
19. Vegetatsionnaya ustanovka: pat. 2303346 Ros. Federatsiya: MPK A01G9/24 / P. P. Dolgikh, M. V. Samoylov, V. R. Zavey-Boroda; zayavitel' i patentoobladatel' Federal'noe obrazovatel'noe uchrezh-denie vysshego professional'nogo obrazovaniya Kras-noyarskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet. № 122005140493/12; zayav. 23.12.2005; opubl. 27.07.2007. Byul. № 21.
20. Vegetatsionnaya kamera: pat. 2298911 Ros. Federatsiya: MPK A01G9/24 / P.P. Dolgikh, M.V. Sa-moylov; zayavitel' i patentoobladatel' Federal'noe obra-zovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovaniya Krasnoyarskiy gosudarstvennyy agrarnyy universitet. № 2005130380/12; zayav. 29.09.2005; opubl. 20.05.07. Byul. № 14.
21. Shunichev S.I. Tekhnologiya promyshlennogo proizvodstva ovoshchey v zimnikh teplitsakh (rekomen-datsii) / S. I. Shunichev, N. I. Savinova, G. F. Popov i dr. M. : VO «Agropromizdat», 1987. 111 s.
