CC BY
32
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ
УДК 697:725: 658.512
БОДРОВ ВАЛЕРИЙ ИОСИФОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, БОДРОВ МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, ассистент, [email protected]
Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет,
603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВОЗДУШНОМ ОБЪЕМЕ ТЕПЛИЦ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА
На основе научного обоснования термодинамических процессов в объеме теплиц в теплый период года выявлены и разработаны методы и средства по созданию и управлению динамикой температурно-влажностных параметров и воздушных режимов с помощью комплексных систем снятия перегрева в теплицах в круглогодичном и суточном режимах эксплуатации теплиц при минимуме энергозатрат.
Ключевые слова: термодинамические процессы изменения параметров воздуха; системы водоаэрозольного охлаждения; интенсивность солнечной радиации; ступенчатое снятие перегрева.
BODROV, VALERIY IOSIFOVICH, Dr. of tech. sc., prof,
BODROV, MIKHAIL VALERJEVICH, Cand. of tech. sc., [email protected]
Nizhegorodskiy State University of Architecture and Building,
65 Il’inskaya st., Nizhniy Novgorod, 603950, Russia
THERMODYNAMIC PROCESSES INSIDE THE GREENHOUSES DURING THE WARM PERIOD OF THE YEAR
On the basis of scientific research of the thermodynamic processes inside the greenhouses during the warm period of the year the authors of this article developed methods and means which operate the dynamics of temperature, moisture and air conditions with the help of the
© В.И. Бодров, М.В. Бодров, 2010
complex systems for removal of overheating in the greenhouses during all-the-year-round operation and daily operation at minimum power consumption.
Keywords: thermodynamic processes of changing the air parameters, systems of water-aerosol cooling, intensity of solar radiation, gradation removal of overheating.
Использование зимних типовых теплиц в теплый период года для выращивания овощей затруднено из-за перегрева воздуха в них вследствие повышенной интенсивности солнечной радиации. Потери урожая в этот период года могут достигать 50-80 %, а иногда происходит гибель растений. Создание и поддержание расчетных температурно-влажностных параметров в теплицах в теплый период года наиболее эффективно и экономично путем ступенчатого снятия перегрева в объеме сооружения при максимальном использовании естественных и минимальном использовании искусственных источников энергии.
В ННГАСУ разработана комплексная система снятия перегрева в теплицах в теплый период года, которая заключается в ступенчатом включении отдельных ее элементов в период увеличения интенсивности солнечной радиации по периодам года и в течение светового дня. Технологические режимы работы системы заключаются в использовании в продолжении максимального длительного периода пассивных (конструктивных) систем кондиционирования микроклимата (фрамуги, технологические проемы, аэрационные шахты) и в кратковременном включении активных элементов систем кондиционирования, основным элементом которых являются системы водоаэрозольного охлаждения (СВАО).
Составлены системы балансовых уравнений общих тепловых потоков по полной теплоте для объема внутреннего воздуха теплицы в теплый период года при шести характерных режимах работы комплексной системы обеспечения параметров микроклимата: режим I — организованное естественное проветривание; режим II — совместная работа систем организованного естественного проветривания и активной аэрации; режим III — совместная работа механической вентиляции и естественного проветривания; режим IV — совместная работа системы СВАО и естественного проветривания; режим V — совместная работа системы СВАО, естественного проветривания и активной аэрации; режим VI — совместная работа системы СВАО, естественного проветривания и механической вентиляции.
Динамика изменения параметров воздуха в течение суток в теплице с растениями в теплый период года показана на I-d-диаграмме влажного воздуха (рис. 1).
В предутренние и утренние часы температура воздуха в теплице с растениями t Н близка или незначительно превышает температуру наружного воздуха tВ (т. Ну), относительная влажность воздуха фВ^ 100 % (т. Ву). На внутренних поверхностях светопрозрачных ограждений наблюдается конденсат. В данный период суток температура t В может быть ниже, равной или выше расчетной технологической, показанной на рисунке заштрихованной областью с градиентом температур AtPAG4.
Рис. 1. Область саморегулирования микроклимата в теплице при охлаждении необработанным атмосферным воздухом:
1 - область технологической температуры в теплице; 2 - область температуры в предутренние и утренние часы; 3 - область максимальных температур при отсутствии воздухообмена; 4 - область возможных параметров воздуха при вентилировании наружным воздухом
Точка ВД с параметрами IД , ф Д , йВ , IД показывает состояние воздуха в теплице в дневное время при отсутствии воздухообмена. Температура воздуха tД повышается за счет солнечной радиации и значительно превышает технологически рекомендованные величины. Такие температурные условия в теплице возникают в климатических условиях европейской средней полосы, начиная с середины апреля. Ближе к полудню относительная влажность воздуха ф Д несколько понижается, хотя его влагосодержание йД повышается за счет испарения растениями и с поверхности почвы.
В первом приближении считаем, что действительные параметры внутреннего воздуха (т. В) лежат на линии ВУ - ВД, являющейся геометрическим положением точек состояния воздуха в невентилируемой теплице.
Первым этапом снижения температуры воздуха является естественное организованное проветривание за счет открытия фрамуг (режим I). Дальнейшее понижение температуры воздуха в теплице достигается при открытии технологических проемов и вытяжной аэрационной шахты (режим II). Затем дополнительно включается вентилятор, расположенный в вытяжной аэрационной шахте (режим III).
Положение точки В, характеризующей термодинамическое состояние смеси наружного и внутреннего воздуха в теплице (рис. 1), находится на линии ВУ - ВД, являющейся геометрическим положением состояния воздуха в теплице. Положение точек В на линии ВУ - ВД меняется в течение светло-
го периода суток. Оно зависит от конкретного времени, интенсивности воздухообмена в теплице при подаче необработанного атмосферного воздуха, способности биомассы регулировать параметры микроклимата в результате деятельности растений: вблизи точки ВД в дневное время при отсутствии воздухообмена; вблизи точки В в дневное время при наличии естественного воздухообмена; вблизи точки ВУ в утренние часы перед открытием фрамуг для проветривания. Таким образом, область, ограниченная точками В у - В1 - ВД - В Д - В2 - В у, характеризует границы области состояния воздуха в теплице, в пределах которой условия комфортности для растений поддерживаются за счет воздухообмена необработанным атмосферным воздухом и саморегулированием самих растений.
Конкретное местонахождение точки состояния воздуха (т. В), расположенной на линии ВУ - ВД, зависит от кратности воздухообмена п, ч-1. Аналитически и экспериментально показано, что кратность воздухообмена изменяется от п = 5-10 ч-1 при естественных факторах воздухообмена до п = 25-30 ч-1 при механической вентиляции [1]. Поэтому месторасположение точки В, исходя из правил построения процессов на 1-й-диаграмме воздуха, будет стремиться по линии ВУ - ВД к точке ВУ в соотношении 1 / (п - 1).
После исчерпания охладительного эффекта наружного воздуха для поддержания технологических параметров микроклимата возникает необходимость в искусственном охлаждении воздуха в теплицах. Такой период времени обычно наступает в течение светового дня, когда суммарная солнечная радиация достигает 450 Вт/м2 и более (с мая по октябрь в средней полосе страны). На рис. 2 показаны процессы изменения состояния воздуха в теплице с биомассой в теплый период года при работе системы водоаэрозольного охлаждения.
Рис. 2. Процессы изменения состояния воздуха в теплице с биомассой растений в зависимости от кратности воздухообменов (1 - область технологических температур в теплице)
При включении СВАО происходит адиабатное охлаждение воздуха в объеме теплицы по IB = const до ф = 97-98 % (на рис. 2 процесс условно показан до 100 %) от температуры tB до температуры мокрого термометра t МТ, соответствующей параметрам точки В. Одновременно у воздуха в теплице повышается влагосодержание от dB до dA, соответствующего относительной влажности в точке А, равной 97-98 %.
В климатических условиях средней полосы России эффект охлаждения системами водоаэрозольного охлаждения (tB - tA) в дневное время достигает 10-12 °С, которого обычно достаточно для поддержания в теплице при наличии солнечной радиации технологических параметров микроклимата.
Если количество теплоты солнечной радиации в теплице превышает количество теплоты, поглощенное при испарении капель водного аэрозоля, то процесс охлаждения воздуха прекращается в точке С при температуре tc, относительной влажности фС и влагосодержании воздуха dC.
Температура воздуха после его обработки СВАО до точек А или С может понизиться до диапазона технологически необходимых температур в теплице (луч В - А) или быть выше их (луч В — С). Конкретные качественные параметры воздуха в теплице определяются приращением его влагосодержания Ad, которое зависит от расхода разбрызгиваемой воды GM, кг/ч:
j t j \ j 1000 • GBn
Ad = dc (dA)- dB = —------ВЛ, (1)
vt •n •Pb
где VT - объем теплицы, м3; n - кратность воздухообмена, ч-1; рВ - плотность воздуха в теплице, кг / м3.
Избыточная подача влаги в теплицу более максимально возможной влагопоглощающей способности воздуха при соответствующей температуре
мокрого термометра t МТ и ф = 100 % (например, в точке А) приводит к выпадению капельной влаги на растениях.
Понижение интенсивности солнечной радиации во второй половине дня сопровождается снижением температуры внутреннего воздуха. СВАО отключается, однако продолжает работать вытяжной вентилятор, встроенный в шахту, открыты форточные фрамуги и технологические проемы. Параметры внутреннего воздуха переходят в состояние в точке В, соответствующее до включения системы адиабатного охлаждения, по лучу IB = const. При этом относительная влажность и влагосодержание уменьшаются, а температура повышается. Неизбежен именно этот термодинамический процесс, т. к. теплоемкость оборудования в теплицах незначительна, а растения саморегулируют параметры воздуха вокруг себя в процессе приспособительных реакций при транспирации влаги.
Процесс снятия теплоизбытков в дневной период после выключения СВАО можно контролировать путем изменения положения точки В на линии ВУ - ВД. Это возможно путем изменения кратности воздухообмена n за счет вытяжного вентилятора в аэрационной шахте и технологических проемов и фрамуг. В вечернее время при понижении температуры наружного воздуха до расчетной температуры в теплице и ниже закрываются все технологические проемы и фрамуги.
Направление луча процесса на /^-диаграмме влажного воздуха (ВУ - ВД) гг = А/Т / А^ИСП определяется по общепринятой методике. Полные тепловыделения в теплице Д/Т находятся с учетом интенсивности теплопри-токов от солнечной радиации. Влаговыделения в теплице А^ИСП = АdТ -УТ -рВ складываются из выделений растениями и испарения с поверхности почвы. Угловой масштаб гг в течение дня является переменной величиной, поэтому и положение точки В на 1^-диаграмме меняется. Литературные данные и наши натурные исследования рекомендуют принимать величину углового масштаба в пик тепловых нагрузок для средней полосы России =3700-4800 кДж/кг.
В качестве показателя эффективности снятия перегрева в теплице в теплый период года в течение суток системами с естественными и искусственными источниками холода принят коэффициент обеспеченности систем охлаждения Коу, величина которого показывает долю общего числа часов в течение суток, не допускающий превышения температуры внутреннего воздуха в теплице относительно расчетной технологической:
К0сут = (Н - п)/N, (2)
где N = 24 ч / сут; п - время превышения температуры воздуха, ч / сут.
Результаты определения значений К^ для систем водоаэрозольного охлаждения и количественные показатели снижения температуры в каждый из режимов работы комплексной системы снятия перегрева Аґв показаны в табл. 1.
Таблица 1
Значения Косбут и Аґв
Значения Режим работы
I II III V VI
О О < 6-7 10-11 14-15 22-23 до 25
К сут -^об 0,567 0,60 0,63 0,833 1,0
Коэффициент обеспеченности температурного режима в теплице в годовом цикле КГ™ необходимо определять для периода плодоношения, который обычно длится с 1 апреля по 1 августа:
Ко7 = 1 - (Nгод - пгод)/Nгод. (3)
Количество дней плодоношения для климатических условий средней полосы России составляет Nгод = 120 сут. Длительность периода поддержания в теплицах в апреле - июле максимально допустимой по биологическим требованиям температуры внутреннего воздуха (^в < 28 оС) пгод, сут, в зависимости от режимов работы систем поддержания параметров технологического микроклимата, находятся по рис. 3. Графические зависимости получены экспериментально [2].
Результаты расчетов коэффициентов обеспеченности температурного режима в годовом цикле эксплуатации теплиц для периода плодоношения сведены в табл. 2.
О
л
л
£
л
о
н
и
о
1=1
Месяцы
Рис. 3. Изменение температуры воздуха в теплице в период плодоношения:
1 - без работы систем снятия перегрева; 2 - режим I; 3 - режим II; 4 - режим III; 5 - режим V; 6 - режим VI
Таблица 2
Значения Ко°д для периода плодоношения
Значения Режим работы систем
I II III V VI
Nгод, сут 120 120 120 120 120
пгод, сут 0 0 6 60 120
І^год Коб 0 0 0,05 0,25 1,0
Заключение
Исследования термодинамических процессов в теплицах показали, что температура внутреннего воздуха в период максимального теплопоступления от солнечной радиации может быть снижена на 23-25 °С. Комплексные системы снятия перегрева в теплицах в теплый период года позволяют путем последовательного подключения составляющих этой системы максимально использовать естественные и минимально искусственные источники энергии. Получены количественные значения коэффициентов обеспеченности температурных параметров воздуха в теплицах в теплый период года для климатических условий средней полосы России в суточном и годовом циклах эксплуатации теплиц.
Библиографический список
Микроклимат производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений / В.И. Бодров, М.В. Бодров, Е.Г. Ионычев, М.Н. Кучеренко. - Н. Новгород : ННГАСУ, 2008. - 623 с.
Кайтмазов, Т.В. Обеспечение параметров микроклимата в теплицах в теплый период года : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Н. Новгород : ННГАСУ, 2007. - 18 с.
