Теплиця

Предлагаемое изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к культивационным сооружениям для выращивания растений аэроводным способом. Из известных культивационных сооружений наиболее близким по технической сущности является теплица, содержащая двойное остекленное ограждение с перфорацией, выполненной под углом 0 - 60° в количестве 500 - 600отв. на 1см2 диаметром 0,06мм, слой утеплителя под грунтом, рабочее тело термостабилизации в виде слоя глины с асбоцементными воздуховодами и электрокабелями по периметру, слой почвы, вентилятор циркуляции воздуха через теплицу и асбоцементные воздуховоды, источники светового излучения для досвечивания растений, воздушный тепловой насос с полупроводниковым осушителем. Воздушный тепловой насос содержит детандер, электродвигатель и компрессор. Детандер имеет выходной трубопровод, подсоединенный к теплообменнику, который обдувается вытяжным вентилятором. Выходной поток воздуха после теплообменника введен в вентиляционную шахту, которая сообщена с атмосферой. Устройство тщательно загерметизировано, снабжено тройными тамбурами. Кроме того оно содержит бак для сбора конденсата и воздуховод подачи теплового воздуха в зону кровли. Вентиляционная шахта имеет ответвление, сообщенное с промежутками между стеклами ограждения. Двойное перфорированное остекление применяют в районах со слабыми ветрами и низкими температурами. В районах с сильными и умеренными ветрами наружное стекло делают сплошным, а внутреннее - толщиной 6мм и количеством отверстий в 1см2 в пределах 750 - 900. Особенностью этого устройства является то, что оно не имеет традиционных систем обогрева воздуха и почвы и температурный режим обеспечивается за счет трех источников энергии: солнечной энергии, накапливаемой в рабочем теле термостабилизации; источников светового излучения; дополнительным сжиганием газа в критические моменты. Устройство работает следующим образом. В осенний период солнечное тепло запасается днем в слое глины и т.п. путем циркуляции воздуха при помощи вентилятора циркуляции воздуха. Утром и вечером включают источники светового излучения. Когда температура снижается до 15 - 18°C, включают тепловой насос. При этом воздух из теплицы всасывается детандером из теплицы через полупроводниковый воздухоосушитель, где сначала охлаждается примерно до -15°C а затем вновь нагревается до 20 - 25°C, удаляется конденсат. В детандере давление падает с 1атм. до 0,62атм. и температура воздуха снижается до -15°C. С этой температурой воздух входит в теплообменник, а выходит из него с температурой около 10°C и поступает в компрессор, где сжимается до атмосферного давления, причем температура повышается до 42°C. Воздух с температурой 42°C подается через воздуховод притока воздуха в зону кровли с северной стороны теплицы к южной вдоль ее остекления. Вытяжной вентилятор прогоняет воздух через теплообменник, где он остывает примерно до 9°C и удаляет его через вентиляционную шахту. Регулирование температурного режима осуществляется пропусками в работе теплового насоса, при помощи вентилятора циркуляции воздуха и источниками светового излучения. При низких температурах в теплице сжигают газ. Это устройство имеет следующие недостатки: В холодный период года при низких внешних температурах в теплице требуются дополнительные затраты энергоресурсов, которые расходуются путем сжигания газа. В теплый период года температура газовоздушной среды внутри теплицы достигает более 40°C, что обусловлено двумя факторами: проникновением энергии солнечной радиации через светопрозрачное ограждение; расположением теплового насоса внутри теплицы, что не позволяет охлаждать газовоздушную среду. Действие указанных двух факторов ведет к перегреву газовоздушной среды, нарушению агротехнических условий выращивания растений и не позволяет эксплуатировать теплицу в летнее время. 3. Рабочее тело термостабилизации, выполненное в виде слоя глины с асбоцементными воздуховодами, несет промежуточную функцию и не участвует в процессе непосредственного питания растений, что дополнительно требует наличия слоя почвы. В основу изобретения поставлена задача снижения до предельно-минимального уровня затрат энергетических ресурсов, что позволит снизить себестоимость продукции и уменьшить нагрузку на топливноэнергетический комплекс экономики. Решение поставленной задачи достигается тем, что в теплице, содержащей светонепроницаемую теплоизоляционную оболочку, источники светового излучения, воздуховод притока воздуха, выполненный с возможностью его подключения к кондиционеру, вытяжной воздуховод с воздушным клапаном, вытяжной вентилятор, вентилятор внутренней циркуляции воздуха, рабочее тело термостабилизации, согласно изобретению в качестве рабочего тела термостабилизации применена аэроводная установка с питательным раствором. Наличие светонепроницаемой теплоизоляционной оболочки позволяет: снизить расход энергии в холодный период года за счет удержания внутри теплицы тепловой энергии, рассеиваемой источниками светового излучения при осуществлении процесса фотосинтеза; устранить проникновение солнечной. радиации во внутрь теплицы, уменьшить теплопередачу из окружающей среды в теплый период года, что предотвращает перегрев газовоздушной среды и снижает расходы энергии по поддержанию оптимальной хозяйственной температуры с заданным допуском ее отклонения. Наличие воздушного клапана позволяет устранить утечку тепла из теплицы в холодный период года. Наличие источников светового излучения позволяет создать необходимый и полноценный поток (сумму) фотосинтетически активной радиации (ФАР) и использовать рассеиваемую ими мощность для обогрева газовоздушной среды теплицы. Наличие воздуховода притока воздуха, вытяжного вентилятора и вытяжного воздуховода позволяет удалять приточно-вытяжной вентиляцией излишнюю тепловую энергию из теплицы во время эксплуатации, когда температура окружающей среды ниже заданной оптимальной хозяйственной температуры в теплице. Наличие возможности подключения воздуховода притока воздуха к кондиционеру позволяет подавать на вход приточно-вытяжной вентиляции охлажденный воздух для удаления излишней энергии из теплицы во время эксплуатации, когда температура окружающей среды выше заданной оптимальной хозяйственной температуры в теплице. Наличие вентилятора внутренней циркуляции воздуха и применение в качестве рабочего тела термостабилизации аэроводной установки с питательным раствором позволяет: хранить необходимую массу питательного раствора непосредственно под выращиваемыми растениями, накапливать в нем тепловую энергию, выделяемую источниками светового излучения во время облучения растений и использовать накопленную энергию для обогрева газовоздушной среды в промежутках времени, когда источники светового излучения отключены; обеспечить длительную тепловую инерцию в теплице за счет высокой удельной теплоемкости и необходимой массы питательного раствора; обеспечить равномерность, температуры с заданным допуском ее отклонения и однородность состава газовоздушной среды по объему теплицы, что улучшает агротехнические условия выращивания растений; функционально совместить рабочее тело термостабилизации с высокопродуктивной аэроводной, технологией выращивания растений. Совокупное действие существенных признаков позволяет получить основной технический результат снизить энергетические затраты до предельно-минимального уровня: - энергетических затрат, необходимых для осуществления полноценного протекания процесса фотосинтеза при искусственном облучении растений и обеспечения функционирования приточно-вытяжной вентиляции. При этом попутно с достижением основного технического результата обеспечиваются оптимальные агротехнические условия для выращивания растений с высокой продуктивностью в режиме круглогодичной поточной линии, что наряду с экономией энергетических ресурсов влечет за собой дополнительное снижение себестоимости в расчете на 1кг производимой продукции или биомассы. На фиг.1 изображена схема теплицы; на фиг.2 - графики энергетических величин в расчете на 1м полезной площади теплицы: Pиси - мощность, рассеиваемая источниками светового излучения; Pср. - средняя мощность, потребляемая теплицей без учета энергозатрат на функционирование приточновытяжной вентиляции и кондиционирования; Eфар - полноценный поток фотосинтетически активной радиации (ФАР), необходимый для проведения процесса фотосинтеза с наибольшим КПД. Уровень Eфар приведен для ламп с коэффициентом мощности равным 0,6; Wп - значение в краткосрочном интервале времени теплового потока, пропускаемого светонепроницаемой теплоизоляционной оболочкой теплицы при максимальной разности между внутренней оптимальной хозяйственной температурой Tох и температурой окружающей среды Tвнеш : t1 - время искусственного светового дня; t2 - время искусственной ночи. На фиг.3 изображен пример графика колебаний оптимальной хозяйственной температуры Tох и заданный допуск колебаний этой температуры DTох в краткосрочном интервале времени; на фиг.4 - график усредненных колебаний годовой температуры Tвнеш. в районе эксплуатации теплицы с теплым умеренным климатом и заданный допуск колебаний оптимальной хозяйственной температуры DTох: на фиг.5 - график годового изменения величины теплового потока W п через светонепроницаемую теплоизоляционную оболочку и средней потребляемой мощности теплицы Pср в расчетах на 1м2 полезной площади теплицы и без учета энергозатрат на функционирование систем вентиляции и кондиционирования. Теплица (фиг.1) содержит: светонепроницаемую теплоизоляционную оболочку 1, источники светового излучения 2, воздуховод притока воздуха 3, вытяжкой воздуховод 4, воздушный клапан 5, вытяжной вентилятор 6, вентилятор внутренней циркуляции воздуха 7, рабочее тело термостабилизации в виде аэроводной установки с питательным раствором 8. Устройство работает следующим образом. Источники светового излучения 2 излучают световую и тепловую энергии и обеспечивают за искусственный световой день сумму ФАР: Qфар = Eфар × t1 (фиг.2), необходимую для проведения процесса фотосинтеза с наибольшим КПД. Мощность Pиси, рассеиваемая источниками светового излучения 2, выделяет внутри теплицы за время облучения t1 количество энергии Qиси = Pиси × t1 (фиг.2). Светонепроницаемая теплоизоляционная оболочка 1 и воздушный клапан 5 обеспечивают, при максимальной разности оптимальной хозяйственной температуры Tох и температуры окружающей среды Tвнеш. (фиг.4, точка 1) тепловой поток в окружающую среду, который приблизительно на 5% меньше от средней мощности рассеивания Pср. источников светового излучения 2 за время цикла tu = t1 + t2. За время облучения t1 1м2 полезной площади теплицы передает в окружающую среду количество энергии Qп1 = W п×t1 образуя при этом внутри теплицы избыточную тепловую энергию Qизб. = Qиси - Qп1 = (Pиси - W п) × t1 (фиг.2) которая постепенно накапливается в рабочем теле термостабилизации - в питательном растворе аэроводной установки 8 - посредством обдува установки вентилятором внутренней циркуляции воздуха 7. Температура питательного раствора и внутренняя температура Tох повышаются до заданного верхнего значения допуска DTох (фиг.3, точка 1). Во время t2 искусственной ночи внутренняя температура поддерживается за счет энергии, накопленной в рабочем теле термостабилизации 8. Для приведенного примера масса рабочего тела термостабилизации (питательного раствора) в расчете на 1м2 полезной площади теплицы и необходимая для обеспечения заданного допуска колебания DTох = 4°C определяется по формуле теплового баланса где Cв - удельная теплоемкость воды, равная 4,187 × 103Дж/кг.К; Qп2 - потеря энергии 1м2 полезной площади теплицы за искусственную ночь. По истечению времени t2 оптимальная хозяйственная температура Tох снижается до нижнего значения заданного допуска Tох (фиг.3, точка 2). Цикл повторяется. В длительном интервале времени изменение температуры окружающей среды Tвнеш. в течение года влечет за собой изменение теплового потока W п через светонепроницаемую теплоизоляционную оболочку 1 (фиг.5). В каждом цикле внутри теплицы образуется излишняя энергия Qизл = (Pср. - Wп) × (t1 + t2 ) (фиг.2, 5), которая удаляется из теплицы приточно-вытяжной вентиляцией воздуха, нагнетаемого через воздуховод притока воздуха 3 с последующей вытяжкой через вытяжной воздуховод 4 вытяжным вентилятором 6 при открытом воздушном клапане 5. Вентилятор внутренней циркуляции воздуха 7 обеспечивает процесс теплообмена между рабочим телом термостабилизации 8 и газовоздушной средой, создавая равномерность температуры по объему теплицы и однородность состава газовоздушной среды. В жаркие летние дни, когда T внеш. превышает Tох и тепловой поток W п направлен во внутрь теплицы (отрицательное значение W п, фиг.5) воздуховод притока воздуха 3 подключают к кондиционеру. В теплице выращивают культуры в режиме поточной линии, замещая отплодоносившие растения подготовленной рассадой. Общая (суммарная и усредненная по году) потребляемая мощность 1м2 полезной площади теплицы с учетом энергозатрат на вентиляцию, и кондиционирование зависит от колебаний температуры Tвнеш. и не превышает значения 1,2Pср. При выращивании томатов в режиме поточной линии общие затраты энергии не превышают 5,9кВт × ч/кг из расчета достигнутой годовой продуктивности в светонепроницаемых теплицах 180кг/м2 полезной площади.