Растениеводство Теплицы 19 Марта 2020

Светильник для климата

Светильник для климата

Текст: Д. Г. Дроздов, Г. А. Манатейкин, инженеры-электромеханики

Для эффективного выращивания сельскохозяйственных растений в сооружениях защищенного грунта необходимо поддерживать заданный микроклимат, основной составляющей которого выступает оптимальный температурный режим. Именно на его соблюдение в теплице ориентированы практически любые специальные системы.

Подходящий режим в теплицах характеризуется совокупностью температурных параметров воздуха, в частности, заданным диапазоном предельно допустимых отклонений, обеспечением равномерности температурного поля по площади помещения и, конечно, минимизацией вертикального градиента температуры по высоте сооружения. Помимо этого, немаловажное значение имеют соблюдение необходимой кратности воздухообмена путем циркуляции, а также влажности и содержания СО2.

ЛИНЕЙКА ПОКОЛЕНИЙ

Практически любые системы микроклимата ориентированы, в первую очередь, на минимизацию величины вертикального градиента температур воздуха в теплице, что важно в связи с условиями внешней среды, меняющимися в зависимости от времени суток, периода года, погоды и тому подобного. При этом обеспечение температурного режима требует наибольшей доли от всех энергозатрат на поддержание микроклимата. В целях сокращения этих расходов был разработан альтернативный способ уменьшения вертикального градиента температур, получивший патент № 2689063.

Сегодня в хозяйствах установлены сооружения защищенного грунта различных поколений — от I до самых современных теплиц V поколения. Сравнение систем и методов поддержания микроклимата в конструкциях каждой серии позволяет сделать вывод об их существенных различиях. Так, в помещениях III и IV поколений, то есть в ангарных и блочных комплексах, в летнее и весеннее время отсутствуют необходимые ресурсы для снижения температуры. По этим причинам для обеспечения требуемого микроклимата приходится периодически открывать форточки в кровле, что вызывает неизбежные негативные последствия. В районах с высокой летней температурой в таких конструкциях производство низкорентабельно, а зачастую вовсе невозможно. Современные полузакрытые теплицы V поколения с системам поддержания микроклимата, например Ultra Clima, Modul Air и другими, обеспечивают круглогодичное выращивание сельскохозяйственной продукции. Следует отметить, что особенной популярностью сейчас пользуются полузакрытые конструкции с инновационным решением Ultra Clima.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Многими специалистами отмечаются очевидные достоинства теплиц V поколения в сравнении с блочными конструкциями IV серии, но также подчеркиваются недостатки и проблемы, которые не решаются в данных сооружениях. Оппоненты возведения таких построек нередко предлагают полностью закрытый вариант по патенту № 2549087 «Теплица и способ поддержания и регулирования микроклимата в ней». В качестве базы для модернизации они принимают ангарную конструкцию III поколения с дополнением ее двумя боковыми карманами и двумя камерами смешивания горячего и холодного воздушных потоков.

Безусловно, полностью закрытому и полузакрытому решениям присущи свои недостатки. В первом случае поддержание микроклимата в теплице обусловлено особенностями ее конструкции. Так, за счет площади, занимаемой боковыми карманами, такое сооружение имеет меньшее пространство, непосредственно используемое для выращивания растений. Кроме того, нерационально задействуется территория под группой таких построек из-за необходимости иметь широкие промежутки между стенками соседних строений для обеспечения нормального теплоотвода от внешних поверхностей боковых карманов. В зимний период в них наблюдаются существенные потери тепла при естественной вертикальной конвекции вниз охлаждающихся воздушных масс вдоль больших по площади стенок, а летом данный процесс значительно снижается. Помимо этого нередко имеются трудности технологического порядка при промышленных масштабах производства овощей в подобных постройках. По мнению ряда специалистов, предложение модернизации теплицы ангарного типа и преобразования ее в полностью закрытую является шагом назад. Скорее всего, такое решение уже неприемлемо для промышленных тепличных комплексов, а областью его применения могут быть фермерские хозяйства с площадью сооружений до одного гектара, поскольку они более доступны аграриям, конструктивно проще и дешевле, в том числе в эксплуатации.

ЛИШНИЕ РАСХОДЫ

В теплицах V поколения система поддержания микроклимата включает помещение, которое можно назвать зоной подготовки воздуха. Из нее в каждый период суток и года и в любом режиме работы подготовленная масса подается в подлотковое пространство, то есть в рабочую область комплекса, с параметрами, необходимыми в данный момент.

К общим недостаткам сооружений V поколения и способов поддержания микроклимата в них как с системой Ultra Clima, так и с другими аналогичными решениями можно отнести несколько основных моментов. Так, от светильников с лампами HPS, у которых зона конвекции сосредоточена непосредственно в верхней части растений и над ними, выделяется большое количество тепла, притом, что в этой же зоне концентрируется тепловая энергия от других источников. В силу этих недочетов под кровлей теплицы может отмечаться высокая температура воздуха и как следствие — существенные потери тепла, особенно в зимний период. Для их уменьшения снижается вертикальный градиент температуры путем интенсивной циркуляции воздуха, что требует больших затрат энергии. В этом случае поток воздушных масс преодолевает серьезное гидравлическое сопротивление из-за внушительной длины пути и суммирования противодействий отдельных последовательных его участков. Кроме того, необходимы очень мощные вентиляторы для принудительного перемещения большого объема горячего воздуха из верхней зоны теплицы в зимний и осенне-весенний периоды, а также охлажденной массы — в ее нижнюю область в летнее время. Результатом этих действий также становятся значительные затраты электроэнергии из-за высокой мощности и длительной работы вентиляционной системы. Градиент температуры воздуха в теплицах V поколения снижается в течение длительного периода времени вследствие недостаточно интенсивного вертикального перемещения воздушных масс, что особенно ярко проявляется в летний период при подаче охлажденного воздуха, который из-за более высокой плотности стелется в нижней области сооружения. Также из-за этого недостатка в отдельных частях помещения возникают застойные воздушные зоны и отмечаются неравномерные влажность и уровень содержания СО2 по площади теплицы.

УМЕНЬШИТЬ ГРАДИЕНТ

Специалистами был разработан альтернативный способ снижения вертикального градиента температуры воздуха в сооружениях защищенного грунта, практически полностью устраняющий некоторые обозначенные недостатки. Суть предлагаемого решения заключается в том, что вентиляционная установка системы климат-контроля дополняется устройствами вертикальной конвекции воздуха, размещенными по рядам растений равномерно на всей площади теплицы. В качестве такого приспособления используется расположенная внутри куста специальная LED-лампа бокового облучения, созданная по патенту на изобретение № 2699013 «Светодиодный светильник и способ освещения сельскохозяйственной культуры». Эффект достигается за счет того, что напор, создаваемый вентиляторами системы климат-контроля для перемещения воздушных масс, дополняется усилием, формируемым облучательным оборудованием на участке вертикального перемещения воздуха на всей площади сооружения. В период работы такой установки за меньшее время достигается существенное снижение вертикального градиента температуры воздуха в теплице. Более того, данный способ обеспечивает значительно большую кратность воздухообмена во всем помещении.

1. Схема продольных и боковых воздушных потоков охлаждения вну- три корпуса LED-светильника.png

Предлагаемое решение следует использовать в теплицах V поколения совместно с действующей технологией Ultra Clima или ее аналогом, поскольку такое сочетание создаст качественно новую и улучшенную систему климат-контроля, обладающую более широким возможностями в регулировании температурного режима. Кроме того, данная схема будет способствовать более интенсивному вертикальному перемешиванию воздуха, что приведет к возможности понижения производительности основной вентиляционной системы и уменьшению времени, необходимого для достижения требуемой величины градиента температуры, а следовательно — к сокращению суммарных энергетических затрат на поддержание микроклимата в сооружении в целом. Еще одним результатом, достигаемым при использовании предлагаемого решения, является расширение диапазона величин факторов внешней среды, при которых рассматриваемая комплексная система способна обеспечить необходимые параметры микроклимата. Кроме того, предлагаемая установка может применяться в теплицах III и IV поколений, а также в северных широтах с продолжительным периодом досвечивания в качестве самостоятельного ресурса для улучшения условий выращивания культур.

ИСТОЧНИК СВЕТА

В предлагаемом способе используется специальный LED-светильник, основное назначение которого заключается в боковом облучении высокорослых сельскохозяйственных культур внутри куста. Данный прибор, чей корпус-радиатор представляет собой вертикальную трубу с поперечным сечением в виде многоугольника, выполняет также дополнительную функцию — формирует восходящий воздушный поток. Для бокового облучения растений с реализацией обеих функций была разработана конструкция с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника.

2. Поперечное сечение LED-светильника.png

Вертикальное размещение источника света обеспечивает наибольшую результативность конвективного теплообмена корпуса-радиатора с окружающим воздухом и создает эффект направленной снизу вверх пассивной вентиляции внутри сооружения. Суть данного явления заключается в том, что каждый светильник, число которых на один гектар теплицы достигает порядка 4–6 тыс. штук, отдавая тепловую энергию окружающей среде, формирует восходящий теплый поток как внутри, так и снаружи устройства. Такое явление создает разрежение воздуха ниже лампы, за счет чего более холодная масса из нижней зоны теплицы перемещается вдоль нее в верхнюю часть. Следует отметить, что гидравлическое сопротивление данной системы вертикальной вентиляции будет очень низким из-за малой длины светильника бокового облучения, равной 1,2–2,5 м, а также по причине параллельной работы всех элементов вентиляции. Вследствие малой величины гидравлического сопротивления вокруг каждой лампы возникает второй, малый контур вертикальной вентиляции, в котором нагретый воздух перемещается до кровли теплицы, а затем его часть опускается в ее нижнюю зону, замыкая тем самым малый контур. Другая часть движется под крышей в сторону основной вентиляционной установки. Перемещение воздуха по малому контуру происходит постоянно, вне зависимости от того, работает ли основная система. Результатом такой схемы движения по всей площади сооружения станет ускоренное вертикальное перемешивание воздушных масс, более интенсивное снижение градиента температуры, а также отсутствие застойных явлений воздуха и большая равномерность уровней влажности и содержания СО2.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что он преду­сматривает перераспределение сверху вниз, то есть по высоте помещения, части суммарной тепловой и световой мощности облучательной установки в пользу LED-светильников бокового облучения внутри куста растений. При этом тепловая мощность лампы распределяется вдоль ее длины. Такое передвижение ближе к нижней зоне теплицы в несколько раз увеличивает высоту области естественной конвекции воздуха возле источников освещения — она простирается от нижнего края светильника, то есть от высоты 1–1,2 м над полом сооружения до его кровли. В результате ускоряется вертикальная конвекция воздуха в целом.

КРУГЛЫЙ ГОД

Рассмотренный метод может реализовываться в любой период года во время работы облучательной установки определенным образом. Так, летом при солнечном освещении и температуре воздуха в теплице выше оптимально необходимой, система климат-контроля с помощью основной вентиляционной системы подает из зоны подготовки воздуха в нижнюю часть сооружения охлажденную воздушную массу. При этом перемещаются ее большие объемы, что требует значительных затрат электроэнергии. При включении облучательной установки происходит скачкообразное увеличение количества тепла, выделяемого в помещении, но одновременно светильники начинают выполнять функцию вертикальной пассивной вентиляции, способствуя перемещению подаваемых охлажденных воздушных масс из нижней зоны теплицы в сторону ее верхнего сектора без дополнительных расходов электричества. В зимнее время основная вентиляционная установка из области подготовки воздуха подает в нижнюю часть сооружения защищенного грунта подогретую воздушную массу. Облучательный прибор, реализуя функцию вертикальной пассивной вентиляции, обеспечивает снижение температуры под кровлей, тем самым сокращая теплопотери и уровень вертикального градиента с меньшими энергозатратами. Аналогично LED-светильники выполняют свою задачу в осенний и весенний периоды.

Следует отметить, что величина вертикального воздушного напора, создаваемого облучательной установкой при ее работе, не зависит от внешних факторов, в частности, времени суток или года, и погодных условий, является практически постоянной и обусловлена только разностью между температурами корпуса-радиатора светильника и окружающего его воздуха. Поскольку система климат-контроля поддерживает заданные показатели, например 25ºС на высоте 3,5 м у верхнего торца осветительного прибора, указанная разность температур, а следовательно, и вертикальный воздушный напор будут постоянными. Так, экспериментально было подтверждено, что при температуре воздуха, равной 25–28ºС, на уровне торца светильника данное значение самой верхней части корпуса составит не более 42–45ºС, что является для растений комфортным показателем.

НАГЛЯДНАЯ ЭКОНОМИЯ

Таким образом, установка бокового облучения как составная часть комплексной системы климат-контроля обеспечивает в период работы интенсивное снижение градиента температур воздуха в теплице путем вертикального перемещения воздушных масс за счет естественной конвекции снизу вверх. В результате LED-светильники бокового облучения сокращают энергозатраты на поддержание микроклимата в любое время и при разных погодных условиях, причем объем снижения затрат напрямую зависит от продолжительности действия установки. Наибольшая экономия расходов достигается в зимний период, наименьшая — в летний, а средние значения отмечаются осенью и весной. В связи с этим минимальная эффективность рассматриваемой системы климат-контроля будет наблюдаться в южных регионах, а максимальная — при использовании на северных территориях.

Основной областью применения предлагаемого решения являются теплицы V поколения, оснащенные системой Ultra Clima и другими аналогами. Более того, разработанный комплекс может обеспечивать интенсивное вертикальное перемешивание воздуха по всей площади в ангарных теплицах III, а также в конструкциях IV серии типа Venlo и служить в качестве самостоятельного механизма улучшения микроклимата. Однако разработанной технологии и установке требуются экспериментальная проверка и подтверждение эффективности в условиях промышленных сооружений защищенного грунта.

Популярные статьи