ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛИЦ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

GEOTHERMAL ENERGY

Статья поступила в редакцию 25.04.12. Ред. рег. № 1321 The article has entered in publishing office 25.04.12. Ed. reg. No. 1321

УДК 621.482:697.381

ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛИЦ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

В.Г. Олейниченко, В.В. Величко

Институт возобновляемой энергетики НАН Украины 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, 20А Тел./факс: +38 044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net

Заключение совета рецензентов: 10.05.12 Заключение совета экспертов: 15.05.12 Принято к публикации: 20.05.12

Описывается воздушно-конвекционный метод обогрева теплиц с использованием геотермального источника энергии. Приведен тепловой расчет и блок-схема отопления теплиц. В принципиальной схеме показана система отопления теплиц от геотермального источника энергии. Предлагается реализация системы в п.Янтарное АР Крым.

Ключевые слова: воздушное отопление, геотермальная энергия, теплицы, фанкойл, теплогенератор, калорифер.

AIR HEATING SYSTEM AND AIR-CONDITIONING OF GREENHOUSES USING GEOTHERMAL ENERGY SOURCE

V.G. Olejnichenko, V.V. Velichko

Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20А Chervonogvardijska str., 02094, Kyiv-94, Ukraine Phone/fax: +38 044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net

Referred: 10.05.12 Expertise: 15.05.12 Accepted: 20.05.12

Greenhouses air-convection heating method with using of geothermal energy is described. The heat calculation of greenhouse heating system is performed and the block-scheme is presented. Greenhouse heating system with geothermal energy resource is presented within principle scheme. Realization this system in settlement Yantarne Crimea Republic is suggested.

Keywords: air heating, geothermal energy, greenhouses, fancoil, heat-radiator, air heater.

Анализ систем отопления теплиц

В настоящее время для отопления теплиц практически повсеместно используется водяная система. Она обеспечивает наиболее равномерное распределение тепла, что очень благоприятно для роста растений. В классической системе водяного отопления в качестве отопительных приборов используют (в зависимости от температуры теплоносителя) пластмассовые или стальные гладкие трубы с антикоррозийной защитой (например, с полимерным покрытием). Они размещаются в верхней, средней и нижней зоне

теплицы. На высоту 1 м от поверхности почвы подается обычно не менее 40% общего количества тепла, учитывая энергию обогрева почвы. Запорная и регулирующая арматура обеспечивает раздельное включение (выключение) и упорядочение теплоотдачи отопительных приборов в разных зонах. Почву очень часто подогревают с помощью металлопластиковых труб. Шаг укладки труб составляет не менее 20-30 см. Трубопроводы укладывают на слой дренажного засыпного утеплителя (песка или шлака) толщиной не менее 30 см, после чего насыпают слой плодородной почвы толщиной 40-50 см.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Водяная система отопления характеризуется большой металлоемкостью и, следовательно, требует значительных капитальных затрат. А трубопроводы системы подогрева почвы усложняют ее обработку.

Использование в теплицах системы воздушного отопления позволяет заметно улучшить такие характеристики, как металлоемкость и капитальные вложения. Эти системы, как правило, используются в сочетании с водяным отоплением и состоят из подключенных к теплогенератору труб - отопительных приборов и системы подогрева почвы. Таким комбинированным отоплением оснащаются теплицы в местностях с наружной температурой для проектирования системы отопления (наиболее холодных суток) минус 20 °С и ниже. Мощность воздушного обогрева в системе комбинированного отопления принимают в среднем 35-40% общего расхода тепла зимой. Однако в районах с мягким климатом воздушное отопление теплицы используется как основное или в тандеме с системой электрического подогрева почвы.

К преимуществам системы воздушного отопления следует отнести:

- низкие эксплуатационные расходы;

- низкая инерционность.

За 35-40 минут воздушная система способна поднять температуру в теплице на 15-20 °С.

Воздушное отопление теплицы реализуется на базе воздухоподогревателя, работающего на газе или на жидком топливе. Воздухоподогреватель присоединяется к магистральному газопроводу или к емкости с топливом; для отвода продуктов сгорания за пределы теплицы используется дымоход. Прокачивая через себя воздух, заполняющий теплицу, и подогревая его до температуры около 40 °С, воздухоподогреватель нагнетает поток в сеть приточных воздуховодов из оцинкованной жести, которая размещается по периметру теплицы на некотором расстоянии от стен на высоте около 2,5 м. Для обеспечения обдува остекления, поддержания равномерной температуры, а также оптимальной подвижности воздушных масс на приливных отверстиях в воздуховодах устанавливают вентиляционные решетки.

Воздушное отопление обустраивается и без воздуховодов с использованием стационарных тепло-вентиляторов - фанкойлов, оборудованных водяными калориферами или газовым теплообменником непрямого нагрева. Такие устройства обеспечивают эффективный и быстрый обогрев теплицы, в том числе и при часто открытых фрамугах. Нагнетаемый теплый воздух создает необходимое движение и равномерный прогрев всей теплицы. Стоит оборудование для воздушного обогрева обычно дешевле, чем другие альтернативные системы. Отличные фанкой-лы с водяными калориферами производит компания JAGA (Бельгия); хорошее оборудование поставляется фирмами VTS CLIMA (Польша), «Мовен» и «ВЕЗА» (обе - Россия). Стоимость «фанкойловой» системы отопления составляет в среднем 130-500 долл. США за 1 кВт тепловой мощности [1].

Агробиологические требования

Воздушная система отопления, как и любая другая, должна удовлетворять агробиологическим требованиям к микроклимату, который она создает в теплице. Основными параметрами, характеризующими микроклимат теплиц, являются:

- температура воздуха и почвы;

- относительная влажность воздуха;

- скорость движения внутреннего воздуха.

Одним из обязательных параметров микроклимата является поддержание общего уровня влажности и равномерного распределения относительной влажности воздуха в теплице. Эту функцию выполняет система орошения (полива), обеспечивающая равномерное распределение воды по всей площади теплицы. Такая система необходима для предотвращения чрезмерного высушивания грунта, что в свою очередь может привести к снижению урожайности и спровоцировать некоторые заболевания растений. Особенно это чувствуется при выращивании огурцов - основной культуры овощеводства в защищенном грунте.

Предлагаемая система воздушного отопления теплиц

Для отопления теплиц предлагается использовать комбинированную систему воздушного отопления с использованием геотермального источника энергии совместно с традиционной (существующей) системой орошения.

Блок-схема использования геотермального источника энергии для воздушной системы отопления и освещения тепличного комплекса приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема использования геотермального источника энергии для воздушной системы отопления и освещения теплиц Fig. 1. Block diagram of use geothermal source of energy for air heating and lighting greenhouses

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (111) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Геотермальная энергетика

Тепловой расчет

Выбор принципиальной схемы

Необходимая мощность системы отопления определяется из уравнения теплового баланса. Для этого подсчитываются общие тепловые потери теплицы. Воспользуемся формулой для расчета удельных тепловых потерь блочных зимних застекленных теплиц [2]:

q = 4,2 + 0,4ю,

(1)

где q - удельные тепловые потери теплицы, отнесенные к 1 м2 площади грунта при разнице температур внутреннего и наружного воздуха 1 °С, ккал/м2ч°С; ю - скорость ветра, м/с.

Тогда общие тепловые потери теплицы определяются из уравнения [2]

Q = qàt F,

(2)

где Д t = 4н - 4 - перепад температур воздуха внутри и снаружи теплицы, °С; Е - площадь теплицы, м2.

Система отопления тепличного комплекса проектируется по всем требованиям нормативной литературы [3, 4, 5].

Предложенная принципиальная схема системы воздушного отопления геотермального тепличного комплекса приведена на рис. 2. Система состоит из трех контуров. Первый контур - геотермальный (геотермальная вода - первичный теплоноситель). Второй контур - сетевой (сетевая вода - промежуточный теплоноситель). Третий контур - рециркуляционный (воздух). Таким образом, в теплице циркулирует воздух, который нагрет в калорифере за счет использования геотермального источника теплоты. При этом обеспечивается необходимая температура воздуха и почвы и скорость движения внутреннего воздуха в теплице.

Практическое использование

Предлагается реализовать отопление и кондиционирование тепличного комплекса п. Янтарное АР Крым на основе комбинированной системы воздушного отопления с использованием геотермального источника энергии совместно с традиционной (существующей) системой орошения.

Рис. 2. Принципиальная схема системы воздушно-конвекционного отопления и освещения тепличного комплекса с использованием геотермального источника энергии: 1 - продуктивная скважина геотермальной воды; 2 - сепаратор; 3 - фильтр тонкой очистки; 4 - теплообменник; 5 - насос; 6 - нагнетательная скважина геотермальной воды; 7 - трубчатый конденсатор; 8 - сетчатый фильтр; 9 - вакуум-компрессор; 10 - ресивер; 11 - модифицированный двигатель внутреннего сгорания; 12 - электрогенератор; 13 - электрический щит; 14 - калорифер; 15 - лампы освещения Fig. 2. Principle diagram of air-convection heating system and lighting of greenhouse complex with use of geothermal energy source: 1 - productive geothermal water wells; 2 - separator; 3 - fine filter; 4 - heat exchanger; 5 - pump; 6 - geothermal water injection well; 7 - tube condenser; 8 - screen filter; 9 - vacuum compressor; 10 - receiver; 11 - a modified internal combustion engine; 12 - electric generator; 13 - electrical panel; 14 - heater; 15 - lighting lamps

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 07 (111) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Площадь тепличного комплекса составляет 0,6 га. В качестве источника энергии используется дуплет геотермальных скважин № 36, № 36Д. Основные данные по скважинам приведены в таблице.

Основные данные по геотермальным скважинам Янтарненского участка Октябрьской площади

термальных вод Basic data on geothermal wells of Yantarnenskii section of October square of thermal waters

Характеристика Величина

Температура на устье, °С 82

Давление, МПа 1,2

Дебит продуктивной скважины, м3/сут 1450

Газовый фактор, м3/м3 0,245

Благодаря наличию в термальной воде растворенного газа представляется возможность использовать одновременно две составляющие геотермального источника энергии:

- водяную (получение теплоты для отопления тепличного комплекса);

- газовую (получение электроэнергии для собственных нужд тепличного комплекса).

В качестве овощной культуры для выращивания в теплице выбраны огурцы. Выращивание огурцов в Украине - очень прибыльный бизнес даже на сравнительно небольших участках земли при наличии налаженного сбыта продукции. Консервированные огурцы, выращенные в Украине, пользуются спросом на рынках СНГ, а внутренний рынок Украины растет достаточно динамично. Именно поэтому все большее число фермеров переходит на выращивание огурцов.

Выращивание огурцов очень требовательно к условиям внешней среды и в особенности к теплу. Семена проращиваются при температуре 12-14 °С, оптимальной для роста и развития растений является температура воздуха днем 25-30, а ночью 15-18 °С. Таким образом для расчетов температура внутреннего воздуха теплицы составит 25 °С [6].

Мощность системы воздушного отопления тепличного комплекса при подсчете по формуле (2) составит:

0 = (4,2 + 0,4-8)[25 - (-16)]6000 = 1,82 106 ккал/ч

Для предотвращения замерзания растений в один из морозных дней оборудование рассчитано на такую мощность. Конечно, система отопления не будет работать в полную силу все шесть-семь месяцев отопительного сезона.

Поскольку в большинстве случаев мощность отопительного оборудования подается в ваттах, эта величина составит 2,12 МВт.

Для такой мощности стоимость фанкойлов системы воздушного отопления и кондиционирования теплицы (1 кВт тепловой мощности - 130-500 долл. США) составит в среднем 275-1000 тыс. долл. США.

Выводы

Воздушная система отопления имеет следующие особенности:

1) в теплице отсутствуют трубы, усложняющие обработку почвы;

2) регулировка температуры является простой вследствие малой инерционности системы;

3) существует возможность вечернего освещения теплицы (при одновременном получении из геотермального источника тепловой и электрической энергии);

4) система обеспечивает проветривание в теплый период года.

При применении комбинированных систем отопления теплиц существенно уменьшается металлоемкость установки и сокращаются капитальные расходы.

Список литературы

1. Балашов В. Сотворение тропиков (оборудование для стационарных систем отопления оранжерей и зимних садов) // Идеи вашего дома. 2006. № 2 (92).

2. Гарбуз В.М., Сасин А.В., Аксенов В.С. и др. Метод расчета тепловых потерь теплиц // Промышленная энергетика. 1981. № 11. С. 5-8.

3. СНиП 2.10.04-85. Теплицы и парники. Введен 1986-01-01. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.

4. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Введен 1992-01-01. М.: ГУП ЦПП, 2001.

5. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983.

6. Современные технологии овощеводства / Под ред. К.И. Яковенко. Харьков: Институт овощеводства и бахчеводства УААН. 2001.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 07 (111) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012