Авторы В.Г. Олийниченко, А.О. Александров, В.В. Величко (Ин-т возобновляемой энергетики НАН Украины, Киев)

В статье описывается воздушно-конвекционный метод обогрева теплиц с использованием геотермального источника энергии. Приведены тепловой расчёт и блок-схема отопления теплиц. В принципиальной схеме показана система отопления теплиц от геотермального источника энергии. Предлагается реализация системы в с. Янтарное АР Крым.

1. Анализ систем отопления теплиц

Сегодня 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 отапливаемых 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 чем 40% общего количества тепла, учитывая энергию обогрева почвы. Запорная и регулирующая арматура обеспечивает раздельное включение (выключение) и регулирование теплоотдачи отопительных приборов в разных зонах. Почву очень часто подогревают с помощью металлопластиковых труб. Шаг укладки труб составляет не меньше 20-30 см. Трубопроводы укладывают на слой дренажного засыпного утеплителя (песка или шлака) толщиной не меньше 30 см, после чего насыпают слой плодородной почвы толщиной 40-50 см.

Водяная система отопления характеризуется большой металлоёмкостью, следовательно, нуждается в значительных капитальных затратах. А трубопроводы системы подогрева почвы осложняют ее обработку. Использование в теплицах систем воздушного отопления позволяет заметно улучшить такие характеристики как металлоёмкость и капитальные вложения. Эти системы, как правило, используются в сочетании с водяным отоплением и состоят из подключенных к теплогенератору трубам (отапливаемых приборов) и системы подогрева почвы. Таким комбинированным отоплением оснащаются теплицы в местностях, где внешняя температура наиболее холодных суток составляет -20 °С и ниже. Мощность воздушного обогрева в системе комбинированного отопления принимают в среднем на уровне 35-40% от общего расхода тепла зимой. Однако в районах с мягким климатом воздушное отопление теплиц используется в качестве основного, 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, что работает на газе или на жидком топливе. Воздухоподогреватель присоединяется к магистральному газопроводу или к ёмкости с топливом; для отвода продуктов сгорания за пределы теплицы используется дымоход. Прокачивая через себя воздух, который заполняет теплицу, и подогревая его до температуры приблизительно +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 обдувки остекленения, поддержки равномерной температуры и оптимальной подвижности воздушных масс на приливных отверстиях в воздуховодах устанавливают вентиляционные решетки.

Воздушное отопление устанавливается и без воздуховодов с использованием стационарных тепловентиляторов — 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. Теплый воздух, что нагнетается, создает необходимое движение и равномерное прогревание всей теплицы.

Оборудование для воздушного обогрева стоит обычно более дешево, чем другие альтернативные системы. Фанкойлы с водяными калориферами производят многие компании, среди них — компания JAGA (Бельгия).Современное оборудование поставляется также фирмами VTS CLIMA (Польша), «МОВЕН», «ВЕЗА» (Россия). Стоимость «фанкойловой» системы отопления составляет в среднем 130-500 долл. США за 1 кВт тепловой мощности [1].

2. Агробиологические требования

Воздушная система отопления, как и любая другая, должна удовлетворять агробиологическим требованиям к микроклимату, который она создает в теплице.

Основными параметрами, что характеризуют микроклимат теплиц являются:

❏ температура воздуха и грунта;

❏ относительная влажность воздуха;

❏ скорость движения внутреннего воздуха.

Одним из обязательных параметров микроклимата является поддержание общего уровня влажности и равномерного деления относительной влажности воздуха в теплице. Эту функцию выполняет система орошения (полива), которая обеспечивает равномерное распределение воды по всей площади теплицы.

Такая система необходима для предотвращения избыточного высушивания почвы, что в свою очередь может привести к снижению урожайности и спровоцировать некоторые заболевания растений. Особенно это чувствуется при выращивании огурцов — основной культуры овощеводства в защищенной почве.

3. Предлагаемая система воздушного отопления теплиц

Для отопления теплиц предлагается использовать комбинированную систему воздушного отопления с использованием геотермального источника энергии в сочетании с традиционной (существующей) системой орошения. Блок-схема использования геотермального источника энергии для воздушной системы отопления и освещения тепличного комплекса показана на рис. 1 .

4. Тепловой расчёт

Необходимая мощность системы отопления вычисляется из уравнения теплового баланса. Для этого вычисляются общие тепловые потери теплицы. Используем формулу для расчёта удельных тепловых потерь блочных зимних застекленных теплиц [2]:

q = (4,2 + 0,4 . ù ), (1)

где q — удельные тепловые потери теплицы, относительно к 1 м 2 площади грунта при разнице температур внутреннего и внешнего воздуха 1 °С, ккал/(м 2 . час . °С);

ù — скорость ветра, м/с.

Тогда общие тепловые потери теплицы вычисляются из уравнения [2]:

Q = q . Ä t . F , (2)

где Ä t = t вн - t з — перепад температур воздуха внутри и снаружи теплицы, °С;

F — площадь теплицы,м 2 .

Система отопления тепличного комплекса проектируется в соответствии со всеми требованиями нормативной литературы [3, 4, 5].

5. Выбор принципиальной схемы

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 счёт использования геотермального источника теплоты. При этом обеспечивается необходимая температура воздуха и почвы, а также скорость движения внутреннего воздуха в теплице.

6. Практическое использование

Предлагается реализовать отопление и кондиционирование тепличного комплекса с. Янтарное АР Крым на основе комбинированной системы воздушного отопления с использованием геотермального источника энергии в сочетании с традиционной (существующей) системой орошения. Площадь тепличного комплекса составляет 0,6 га. В качестве источника энергии используется дуплет геотермальных скважин № 36 № 36Д.

Основные данные по скважинам приведены в табл .

Благодаря наличию в термальной воде растворённого газа, есть возможность использовать одновременно две составляющие геотермального источника энергии:

❏ водяную (получение теплоты для отопления и кондиционирования тепличного комплекса);

❏ газовую (получение электроэнергии для собственных потребностей тепличного комплекса).

В качестве овощной культуры для выращивания в теплице были выбраны огурцы. Огурцы очень требовательны к условиям внешней среды, особенно к теплу. Семена прорастают при температуре 12-14 °С, оптимальной же для роста и развития растений является температура воздуха днем 25-30 °С, а ночью 15-18 °С. Таким образом, для расчётов температура внутреннего воздуха теплицы составит 25 °С [6].

Мощность системы воздушного отопления тепличного комплекса при расчёте по формуле (2) составляет:

Q = (4,2 + 0,4 . 8) . (25 - (-16)) . 6000 = 1,82 . 10 6 ккал/год.

Поскольку в большинстве случаев мощность отопительного оборудования определяется в ваттах, эта величина составляет 2,12 МВт.

Оборудование рассчитано на такую мощность, чтобы избежать замерзания растений в морозные дни. Конечно же, система отопления не будет работать на полную мощность все шесть-семь месяцев отопительного сезона.

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

Выводы

Воздушная система отопления имеет такие особенности:

1. В теплице отсутствуют трубы, которые осложняют обработку почвы.

2. Простая регулировка температуры вследствие малой инерционности системы.

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

4. Система обеспечивает проветривание теплиц в теплый период года.

При применении комбинированных систем отопления теплиц существенно уменьшается металлоёмкость установки, и сокращаются капитальные затраты. ■

Литература

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 расчёта тепловых потерь теплиц // Промышленная энергетика. — 1981. — № 11. — 5-8с.
3. СНиП 2.10.04-85. Теплицы и парники. — Введен 1986-01-01. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. — С. 7. 4. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Введен 1992-01-01. М.: ГУП ЦПП, 2001. — С. 74.
4. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика // Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983. — С. 136.
5. Сучасні технології овочівництва // За ред. К.І. Яковенка. — Харків: Інститут овочівництва та баштанництва УААН, 2001. — С. 128.