Анализ систем отопления и вентиляции теплиц

В настоящее время современные теплицы могут быть как простыми, состоящими из каркаса и материала покрытия, так и обладать целым рядом инженерных систем. К основным инженерным системам теплиц относятся: система полива, система проветривания и вентиляции, система отопления, система дополнительной досветки растений и др. Инженерные системы современных теплиц зачастую работают в автоматическом режиме. В рамках нашей работы рассмотрим более подробно системы отопления и вентиляции [4].
Наиболее важными в плане создания необходимого микроклимата в теплицах являются системы вентиляции и отопления.
Первая система защищает растения от перегрева в жаркие летние периоды и оказывает влияние на влажностный режим и газовый состав воздуха. Вторая позволяет расширить сроки эксплуатации теплиц, получать более ранние весенние, или более поздние осенние качественные урожаи [6].
Система вентиляции крайне важна ввиду того, что теплицы работают в режиме перегрева гораздо большее количество дней в году, чем в режиме, когда теплоты недостаточно. Поэтому крайне необходимо иметь значительное количество форточек определенной площади для удаления теплоизбытков в жаркие периоды конца весны и лета. Современные системы вентиляции зачастую автоматизированы и различаются по принципу действия. Вентиляция в теплицах бывает организованная естественная (аэрация), организованная механическая и неорганизованная за счет инфильтрации наружного воздуха [3].
Для обеспечения аэрации существуют системы открытия фрамуг с гидроцилиндрами, когда при нагревании жидкость внутри цилиндров расширяется и толкает шток, открывая тем самым фрамуги или форточки (рис. 2.4). Механические системы открытия фрамуг приводятся в действие специальными моторами, команда на включение которых дается автоматическими контроллерами [4].
Рис. 2.4. Гидроцилиндр-автомат системы вентиляции теплиц
Существуют также автоматические системы открытия фрамуг, использующие энергию солнца (рис.2.5).
Рис. 2.5. Солнечная батарея на теплице
Данная система современна и удобна, однако ее цена колеблется в районе 12–15 тыс. руб. на 1 фрамугу. Кроме автоматических систем проветривания в теплицах должна быть предусмотрена значительная площадь фрамуг, открывающихся вручную. Это необходимо на случай сильных перегревов, а также для проветривания теплицы в момент нахождения в ней людей [4].
Систему отопления для теплицы выбирают, руководствуясь многими факторами, такими как: желаемый микроклимат, потребность в определенном количестве тепла для выращиваемых сортов, мощность системы освещения (так как это дополнительный источник тепла). Не стоит забывать, что тепло также выделяется органическими удобрениями, привносимыми в почву [5].
Обычно стенки теплиц изготавливаются из прозрачных материалов, обладающих более низкой способностью удерживать тепло, чем, к примеру, кирпичная стена, поэтому важно, чтобы система отопления рассчитывалась исходя из типа покрытия теплицы: пленочные теплицы требует больших затрат тепла на обогрев внутреннего пространства, чем теплицы из поликарбоната. Это обуславливается тем, что данный материал обладает неплохими теплоизоляционными свойствами по сравнению с полистиролом или полиэтиленом. Для уменьшения расходов на отопление теплицу желательно располагать в солнечном, защищенном от ветра месте, так как, в среднем, энергозатраты на обогрев теплицы площадью примерно 1га доходят до 250 Вт на метр квадратный [6].
При выборе системы отопления также, безусловно, учитываются технико-экономические показатели.
Существует несколько вариантов систем обогрева, каждому из которых присущи как свои достоинства, так и свои недостатки.
1) Воздушное отопление. Воздушное отопление теплицы является очень распространенным вариантом обогрева, при котором в качестве теплоносителя используется воздух (рис.2.6).
Рис. 2.6 Схема воздушного отопления с воздуховодами [2]
Самым важным его преимуществом считается скорость прогревания внутреннего пространства теплицы: в отличие от водяного отопления, воздушное отопление позволяет получить необходимую температуру в помещении всего за несколько минут.
Но также этот способ имеет существенный недостаток, непосредственно вытекающий из данного преимущества. Чем быстрей прогревается воздух в теплице после запуска системы отопления, тем быстрей падает температура после ее остановки [6]. Связано это с тем, что воздух имеет намного меньшую теплоемкость, чем жидкость, находящаяся в водяной системе отопления.
При остановке котла для подогрева теплоносителя в теплицах с водяным отоплением, жидкость еще долгое время отдает тепло в помещение посредством труб или радиаторов, при воздушной же схеме, распространение тепла прекращается сразу после остановки оборудования

.
Для подачи и подогрева воздуха в помещение теплицы могут использоваться такие элементы системы как электрические калориферы, тепловые пушки и конвекторы.
Применение первых является не слишком удобным решением, так как, при отсутствии какой-либо циркуляции, объем воздуха в теплице будет прогреваться неравномерно, что приведет к образованию излишне перегретой зоны возле калорифера. Удаленная же часть помещения может остаться и вовсе непрогретой. Для устранения такой проблемы, то есть для образования воздушных потоков, используют вентиляторы, работа которых, однако, приводит к обратному эффекту – охлаждению. Здесь присутствует еще пара отрицательных моментов: расходы на электроэнергию для поддержания необходимой температуры существенно возрастают, увеличивается объем оборудования [5].
Тепловая пушка состоит из мощного вентилятора и нагревательного элемента, расположенного позади него (рис. 2.7). Выходя под большим напором, нагретый воздух может распространяться на большое расстояние, при этом температура в теплице поднимется очень быстро. Прибор можно подобрать в соответствии с размером и конфигурацией отапливаемого помещения: производятся они различной мощности, могут быть как подвесными, так и напольными. Количество точек для установки определяется исходя из мощности, получаемой температуры на выходе и площади теплицы [6].
Кроме большого потребления электричества, обогрева тепловыми пушками имеет еще несколько важных недостатков:
− Нагревательный элемент сжигает кислород и делает воздух в помещении сухим;
− Из-за высокой температуры выходящего воздуха приходится размещать оборудование подальше от растений.
Рис. 2.7. Пример размещения тепловой пушки в помещении [6]
Электрический конвектор состоит он из кожуха с отверстиями, нагревательного элемента и термостата. По своему строению он похож на тепловую пушку, но в отличие от нее конвекция естественная: подача воздуха внутрь кожуха и из него происходит не принудительно посредством вентилятора, а, затягиваясь снизу, теплоноситель согревается и выходит через верхние отверстия. Прогрев помещения до нужной температуры происходит сравнительно медленнее, но такой способ не приводит к большим потерям кислорода. Могут применяться конвекторы на твердом топливе [3].
Еще один способ воздушного обогрева – система газового отопления, состоящая из газопровода, подводящего газ, регулирующей системы, автоматических контрольно-измерительных приборов безопасности пользования газом. При данной схеме воздух подогревается теплогенератором в определенном месте, а после распределяется по системе воздуховодов. Нагревание воздуха также может происходить посредством его нагнетания между стенками котла и топкой [5,6].
Для равномерного подогревания грунта, по периметру помещения укладывается полиэтиленовый перфорированный рукав, по которому поступает теплый воздух.
Преимуществом данного способа является быстрый прогрев теплицы любой площади, но при этом приходится постоянно следить за влажностью в теплице, так как это может быть губительным для некоторых растений.
2) Система инфракрасного отопления теплиц.
В основном, такая система является электрической, при работе которой нагревается не сам воздух, пересушиваясь при этом, а предметы, на которые попадают лучи. После, нагретые грунт, конструктивные элементы и сами растения отдают тепло в окружающую среду. Таким образом, по принципу своей работы система напоминает обогрев солнечными лучами. В состав оборудования системы инфракрасного отопления теплиц входят лишь сами инфракрасные обогреватель и терморегуляторы для автоматического поддержания постоянной температуры, выбросов продуктов сгорания в окружающую среду не происходит за неимением котла [2].
Так как такой как электричество является самым дорогостоящим способом обогрева, то в данный момент набирает популярность пленочная система отопления ПЛЭН, которая считается более экономичной, в то время как обогреватели типа ТЭН считаются менее эффективным и приводят к большим энергозатратам.
Инфракрасное излучение совершенно безвредно для людей и растений. Оно поможет создать комфортные условия для разных видов растений особенно для молодых посадок. Так как у них еще не сильно развита крона, то ИК лучи, попадая на большую площадь грунта, способствуют более равномерному распределению тепла [6]