|
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
Клімова Ірина Володимирівна
УДК 697.12:628.87
ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ ЗИМОВИХ ТЕПЛИЦЬ
З ПОЗОННИМ ОПАЛЕННЯМ
05.23.03. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Росковшенко Юрій Костянтинович, завідувач кафедри теплогазо-постачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, професор кафедри теплотехніки Київського національного університету будівництва і архітектури,
кандидат технічних наук Макаров Анатолій Стефанович, старший науковий співробітник Державного науково-дослідного інституту санітарної техніки і обладнання будівель і споруд.
Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ” МОН України (м. Київ).
Захист дисертації відбудеться “20” листопада 2002р. о 13 год.
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. Ауд.466.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.
Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31. КНУБА. Вчена рада.
Автореферат розісланий “17” жовтня 2002р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., професор О.А. Василенко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Однією з найбільш актуальних проблем вітчизняної економіки є суттєве зниження витрат енергоносіїв в різних галузях промислового та сільськогосподарського виробництва.
Культиваційні споруди захищеного грунту є одними з найбільш енергоємних об'єктів сільськогосподарського призначення. Сучасний рівень витрат енергоносіїв на вирощування тепличної продукції, що склався в агрокомплексі України, значно перевищує відповідні показники аналогічних виробництв у розвинутих країнах світу. Великі витрати палива на обігрів культиваційних споруд зумовлені декількома причинами, основними з яких є низькі теплозахисні властивості скляних та плівкових огороджуючих конструкцій та недосконала робота систем опалення.
У зв'язку з високою вартістю енергоресурсів важливого значення та актуальності набуває розробка нових комплексних рішень, які дозволяють значно зменшити витрати енергії на вирощування овочевої продукції в теплицях.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з науковим напрямком кафедри теплогазопостачання і вентиляції Київського національного університету будівництва і архітектури (КНУБА), згідно з науково-технічною програмою “Продовольство-95” Міністерства Агропромислового комплексу України, що присвячена питанням створення та впровадження енергозберігаючих і новітніх технологій при вирощуванні овочевої продукції, а також договорів з підприємствами.
Метою роботи є теоретичне та експериментальне обгрунтування i розробка енергоефективних систем створення теплового режиму в зимових теплицях з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями i позонним опаленням зони вегетації рослин.
Задачі дослідження:
- проаналізувати існуючі системи опалення культиваційних споруд i заходи по зменшенню витрати теплоти на їх обігрів;
- обгрунтувати доцільність використання склопакетів для підвищення теплозахисних властивостей огородження теплиць;
- провести аналітичні i експериментальні дослідження процесу теплопередачі через скляне огородження з підвищеними теплозахисними властивостями;
- проаналізувати взаємодію висхідних конвективних струменів від системи опалення і низхідного конвективного потоку від огородження в об'ємі теплиці;
- розробити методику розрахунку параметрів теплового режиму i системи опалення зони вегетації рослин (позонної системи опалення) в теплиці з огородженням зі склопакетів та з одинарним огородженням i шторним екраном;
- експериментально перевірити ефективність роботи позонної системи опалення в натурних умовах;
- визначити економічну ефективність застосування позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями.
Об'єкт дослідження - тепловий режим у скляних зимових теплицях з позонним опаленням.
Предмет дослідження - система опалення зони вегетації рослин в теплиці з покриттям з підвищеними теплозахисними властивостями.
Методи дослідження - аналітичні i експериментальні дослідження теплового режиму в теплицях з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями, математична обробка результатів досліджень у вигляді емпіричних залежностей.
Наукова новизна одержаних результатів:
- запропонована i експериментально досліджена модель розрахунку поля температури в об'ємi теплиці при опаленні зони вегетації рослин;
- обґрунтована і запропонована залежність впливу товщини повітряного прошарку, кута нахилу склопакета на опір теплопередачі i визначена оптимальна товщина склопакета для огородження теплиць;
- визначена доцільність використання шторного екрану під покриттям теплиці і отримані експериментальні залежності температурного режиму в об'ємі теплиці при його застосуванні.
Практичне значення одержаних результатів. Результати експериментальних досліджень огороджуючих конструкцій теплиці з підвищеними теплозахисними властивостями, а також результати дослідження позонної системи опалення теплиці з регулюванням температури внутрішнього повітря залежно від висоти росту рослин упроваджені в типовому проекті “Енергозберігаюча теплиця площею 1 га” У 810-1-39.94, який був випущений Інститутом споруд штучного клімату Міністерства Агропромислового комплексу України. Впровадження запропонованих заходів дає змогу знизити витрати газового палива на опалення тепличних споруд в середньому на 40...45% в теплицях склопакетної конструкції з позонним опаленням і на 15...20% в теплицях при періодичному використанні шторного екрану в порівнянні з існуючими системами опалення в скляних блокових теплицях.
Розроблені в дисертації методи розрахунку і методики впроваджені на агрокомбінаті “Пуща-Водиця” при переобладнанні системи опалення діючої промислової теплиці площею 0,1 га. В результаті переобладнання системи опалення заощадження теплової енергії склало 324 ГДЖ за рік. Досягнуто річний економічний ефект при експлуатації означеної теплиці 5293 грн.
Особистий внесок здобувача. Приведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Автору належать теоретичні обгрунтування застосування позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями, запропонована модель розрахунку поля температури по висоті теплиці, розроблена методика розрахунку параметрів теплового режиму і системи опалення зони вегетації рослин, проведені експерименти і оброблені експериментальні дані по визначенню впливу товщини повітряного прошарку i кута нахилу на опір теплопередачі склопакета i по ефективності застосування шторного екрану в теплиці з позонним опаленням.
Апробація роботи. Основні результати і окремі положення роботи доповідалися на науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва i архітектури (м. Київ, 1996 - 2001р.р.), на наукових семінарах Інституту споруд штучного клімату (м. Бровари, 1994 - 1997р.р.), на науково-технічному семінарі “Енергоефективні технології у будівництві та комунальному господарстві” Придніпровської Державної Академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, 1999р.)
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 5 друкованих праць у фахових виданнях.
Обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків; викладена на 157 сторінках машинописного тексту, містить 50 рисунків, 19 таблиць, список використаної літератури з 102 найменувань, 8 сторінок додатків, загальний обсяг роботи 174 сторінки.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрита актуальність проблеми ефективного використання енергоресурсів при опаленні зимових теплиць, сформульована мета і визначені задачі досліджень, приведені положення наукової новизни i практичної цінності роботи.
У першому розділі наведено аналітичний огляд літературних джерел та наукових робіт, в яких йдеться про енергозберігаючі рішення в спорудах закритого грунту.
Аналіз робіт Л.М. Ануфрієва, Г.М. Позіна, В.К. Федорова, Д.О. Куртенера, О.М. Агаркової, Ю.М. Бєлікова, П.П. Іваненка, А.А. Худенка, В.А. Ткаченка, Ю.К. Росковшенка, І.Є. Маркова, О.Г. Єгіазарова, В.І. Горези, Б.Х. Драганова, В.Г. Зуєва, В.О. Потапова та ін. дозволив виявити основні тенденції в теплицебудівництві, визначити найбільш прогресивні конструкції і системи забезпечення необхідного температурного режиму в теплиці.
Відзначено, що витрати на обігрів теплиць складають 65...70% всіх експлуатаційних витрат.
Великі витрати теплоти в теплицях зумовлені в основному низьким опором теплопередачі огороджуючих конструкцій, підвищеною iнфiльтрацiєю зовнішнього повітря через нещільності огородження, нераціональною дією систем опалення. Розташування більшої частини трубопроводів системи опалення у верхній зоні споруди, що властиве майже для всіх зимових теплиць на території України, побудованих за типовими проектами 810-99, 810-1-8.83, 810-1 - 12.86, 810- 1- 13.86 та ін., призводить до встановлення підвищеної температури під покрівлею та нерівномірного розподілення температури по висоті в об'ємі споруди, що несприятливо впливає на зріст рослин, а також зумовлює збільшення тепловтрат через покрівлю теплиці.
Для збільшення опору теплопередачі огороджуючих конструкцій різними авторами пропонується використовувати подвійне скляне огородження теплиці, скляне огородження з плівковим покриттям, виконувати бічні і торцеві огородження зі склоблоків або коробчатого склопрофіліту, використовувати для покриття теплиці жорсткі і напівжорсткі полімерні вироби з макролону, меркону, термокліру, застосовувати теплозахисні екрани з полімерних плівок, нетканого полотна.
Використання огородження теплиці з подвійного засклення з герметизованими повітряними прошарками (склопакетів) дозволяє скоротити розрахункові тепловтрати через покриття порівняно з одинарним склінням від 45% до 55%. Нами був проведений розрахунок додаткових витрат, пов'язаних з монтажем подвійного засклення, та розрахунок коефіцієнту пропускання світла через склопакет, який довів, що додаткові вкладення будуть окуплені протягом 3...4 років, а коефіцієнт світлопропускання задовольняє вимогам до світлопрозорості матеріалів для огородження теплиць.
Для подальшого дослідження були розглянуті види склопакетів, їх теплотехнічні характеристики, засоби підвищення теплоізоляційних якостей склопакетів.
В результаті проведення техніко-економічного аналізу було встановлено, що використанню склопакетів з підвищеними теплоізоляційними властивостями та склопакетів закордонного виробництва перешкоджають їх високі ціни. Тому для подальшого дослідження обрано склопакети вітчизняного виробництва зі скла, яке застосовується для покриття теплиць, з герметизованим повітряним прошарком.
Було визначено, що дані з найбільш ефективної товщини повітряного прошарку, з точки зору теплозахисних якостей, коливаються у різних авторів з 10 мм до 25 мм (при вертикальному положенні склопакета). Дані для коефіцієнту теплопередачі склопакетів в похилому положенні Б.Ф. Васильєвим запропоновано знаходити методом інтерполяції даних між вертикальним і горизонтальним положенням склопакетів. За даними СНиП II-3-79* величина опору замкнених повітряних прошарків у горизонтальному i вертикальному положеннях однакова. Німан i Ван-дер-Хельд досліджували вплив кута нахилу (0о, 45о, 90о) на коефіцієнт конвективного теплообміну повітряних прошарків, якi застосовуються в будівництві для теплоізоляції огороджуючих конструкцій. Однак у висновках не врахована товщина повітряних прошарків. Оскільки більша частина огороджень блокових теплиць (близько 90%) встановлена похило, для розрахунку тепловтрат через покриття, потрібно визначити коефіцієнт теплопередачі склопакету під кутами нахилу, властивими огородженням теплиці, i вибрати склопакет з найбільш ефективною товщиною повітряного прошарку.
Для збільшення опору теплопередачі огороджуючих конструкцій в часи відсутності інсоляції доцільно використовувати шторні екрани. При періодичному їх використанні тепловтрати зменшаться на 20... 30%.
Аналіз розподілення температур при різних видах обігріву, за даними Л.М. Ануфрієва, Д.О. Куртенера показав, що при нижньому обігріві (біля 60% опалювальних приладів) температурне поле в теплиці по розподілу температури по висоті можна характеризувати як більш сприятливе, ніж при верхньому обігріві. При існуючих системах обігріву тепличних споруд температура внутрішнього повітря в усьому об'ємі підтримується в межах 20...35 оС. Застосування подвійного або одинарного засклення зі шторним екраном дозволить значно підвищити опір теплопередачі огородження. За таких умов можливо зменшити температуру внутрішнього повітря під покрівлею теплиці і забезпечити опалення тільки зони вегетації рослин (позонна система опалення), поступово збільшуючи висоту цієї зони зі зростом рослин. Дані для розрахунку позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями відсутні.
На основі аналітичного вивчення літературних джерел визначено коло невирішених питань, сформульовані задачі i напрямки досліджень.
У другому розділі проаналізовано процес теплообміну через подвійне скляне огородження з повітряним прошарком. Для визначення впливу товщини повітряного прошарку на теплопередачу спочатку розглядався склопакет у вертикальному положенні. Перенесення теплоти в такому прошарку залежить від температур обмежуючих стінок t1, t2 і товщини прошарку dп.п. і відбувається теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Для подальшого дослідження впливу кута нахилу на теплопередачу через склопакет було теоретично визначено, чи має вплив конвективний рух повітря в обраних нами для досліду товщинах повітряного прошарку (8...24 мм) при розрахункових температурах внутрішнього і зовнішнього повітря. За даними М.О. Міхєєва, якщо добуток GrPr > 1000, то конвективна складова впливає на теплопередачу через склопакет.
Для розрахунку зазначених критеріїв були аналітично визначені температури обмежуючих повітряний прошарок поверхонь (стінок склопакету). Температури скла t1, t2 були визначені з системи рівнянь для стаціонарного теплового потоку через світлопрозору конструкцію рис. 1.
,оС (1)
, оС (2)
Рис.1 Процес теплопередачі
через подвійне огородження
де tв, tз - відповідно температури внутрішнього i зовнішнього повітря oC;
Rв, R1, Rп.п, Rо - термічні опори відповідно конвективному теплообміну біля внутрішнього скла, шару скла, повітряного прошарку, огородження з подвійного засклення, м2оС/Вт.
При визначенні температури скла t1 і t2 були розраховані значення теплового потоку q, опору теплопередачі повітряного прошарку Rп.п та огородження Rо за допомогою введення еквівалентного коефіцієнту теплопровідності lек повітряного прошарку. Після проведення відповідних перетворень були визначені температури обмежуючих повітряний прошарок поверхонь i розраховані значення добутків критеріїв Грасгофа i Прандтля, якi склали для склопакета з товщиною повітряного прошарку 8 мм - GrPr = 1100, 24 мм - GrPr = 50500, що доводить про вплив конвективного руху на теплопередачу при змiнi кута нахилу склопакета.
Для отримання даних по впливу кута нахилу склопакету на теплопередачу через нього з урахуванням залежності Нiмана для еквівалентного коефіцієнта теплопровідності був розрахований тепловий потік через повітряний прошарок при різних його положеннях за формулою
, Вт/м2 (3)
де lп , dп.п. - коефіцієнт теплопровідності i товщина повітряного прошарку, Вт/(моС), м;  - коефіцієнти значення яких встановлено Німаном для кутів нахилу 0о, 45о, 90о. Для інших кутів нахилу дані для розрахунку теплопередачі потрібно визначити експериментально i порівняти з теоретичними розрахунками.
В другому роздiлi також обгрунтовано застосування шторного екрану під покриттям теплиці з одинарного скляного огородження. Для дослідження була вибрана повiтропроникнена тканина, яка відповідала вимогам до матеріалів шторних екранів i запобігала появі конденсату на внутрішньому огородженні теплиці. Ефективність роботи такого екрану перевірялася в експериментальних i виробничих умовах.
В третьому розділі на основі розгляду моделі взаємодії конвективних потоків в об'ємi споруди була складена методика розрахунку позонної системи опалення в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями.
При обiгрiвi повітря теплиці трубами водяного опалення над поверхнею трубопроводів здіймаються теплі висхідні конвективні потоки повітря, якi взаємодіють з низхідними охолодженими потоками від огородження.
Для регулювання висоти опалюваної зони за допомогою системи опалення, з метою створення i підтримання необхідних параметрів в зоні росту рослин, в нижній зоні споруди (надгрунтовій) i у верхній зоні - (пiдпокрiвельній) було визначено основні параметри теплої струмини: максимальна швидкість на осі струмини umос, середня швидкість у поперечному перерізі струмини uср, середня та максимальна надлишкова температури в струмені Dtср, Dtmос; i параметри охолодженого конвективного потоку, який утворюється від покриття теплиці: максимальна швидкість в перерiзi umх*, надлишкова температура на осі tmх*, при розрахунковому режимі роботи системи опалення (рис.2).
Рис. 2 Теплові потоки в об'ємі споруди
Для розрахунку температурного поля в об'ємі теплиці використовувався метод I.О. Шепелєва з урахуванням дії гравітаційних сил. Задача розрахунку полягала в тому, щоб визначити інтенсивність теплообміну в зоні струмини i в знаходженні координати зустрічі теплої струмини з низхідним конвективним потоком. Щоб виключити напрямок змішаного потоку донизу, кінематичний імпульс струмини  у мiсцi зустрічі повинен бути більшим за імпульс конвективного потоку, що розповсюджується донизу  де
, (4)
де  - довжина холодної струмини, м; umос - максимальна швидкість на осі струмини, м/с; umх* - максимальна швидкість холодного потоку в перерiзi Х*, м/с; h зуст - координата зустрічі теплого і холодного конвективних потоків, м.
Для знаходження координати зустрічі теплої і холодної струмини і подальшого визначення потужності системи опалення знаходилася допустима довжина холодного потоку з умови рівняння осьової швидкості теплої струмини i холодного потоку
, м. (5)
де ек, s - коефіцієнти для розрахунку неізотермічних струмин; r - коефіцієнт поля швидкостей; qк - конвективний тепловий потік на внутрішній поверхні огородження, Вт/м2; uср - середня швидкість у поперечному перерізі струмини, м/с; cр , rв , Тв - відповідно теплоємність, КДж/(кгК), густина, кг/м3, температура повітря, К.
На основі аналізу взаємодії конвективних потоків в об'ємi теплиці був розроблений алгоритм розрахунку температурного поля по висоті теплиці в залежності від потужності систем опалення надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiвi. Для подальшого розрахунку системи опалення зони вегетації рослин за натурними обстеженнями була встановлена висота зони росту рослин по місяцях: жовтень - 2м; листопад - 2м; грудень - 0,5м; січень - 1м; лютий - 2м; березень - 2м; квітень - 2м. Також був розглянутий тепловий баланс теплиці з огородженням зі склопакетів і з одинарним огородженням зі шторним екраном, в якому враховувалися конвективні (Qко) і променеві (Qро) теплові потоки від регістрів шатрового обігріву до огородження, конвективні (Qнавк) і променеві (Qрез) теплові потоки від огородження в навколишнє середовище
, Вт (6)
де QТ, - тепловий потік теплопровідністю через покриття, Вт. Методика розрахунку системи опалення зони вегетації рослин в теплиці з огородженням з підвищеними теплозахисними властивостями, розроблена за результатами експериментальних досліджень та даними аналізу взаємодії конвективних струменів в об'ємi споруди, визначала:
1) потужність надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiву;
2) необхідну площу трубопроводів системи опалення;
3) діаметр, кількість i компонування трубопроводів системи опалення;
4) параметри теплоносія в системах надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiву.
В скляній блоковій теплиці площею 1 га площа бічних i торцевих огороджень складає біля 10% площі всіх огороджень. Основні тепловтрати припадають на покрівлю. Тому для розрахунку системи опалення обиралися системи пiдпокрiвельного i надгрунтового обiгрiву, якi компенсують тепловтрати через покриття теплиць.
Необхідну поверхню трубопроводів системи опалення визначають, з умови забезпечення необхідного температурного режиму в усьому об'ємі споруди.
Для визначення потужності системи опалення при обiгрiвi зони вегетації рослин були побудовані графічні залежності потужності системи опалення від температури зовнішнього повітря при різній висоті робочої зони рослин (рис.3).
При огородженні теплиці зі склопакетів при висоті зони росту рослин до 1 м достатньо роботи тільки системи надгрунтового обiгрiву. При висоті більше 1 м слід підключати систему пiдпокрiвельного обiгрiву. При огородженні з одинарного скління при різній висоті рослин слід підключати систему надгрунтового i пiдпокрiвельного обiгрiву. При застосуванні шторного екрану систему пiдпокрiвельного обiгрiву необхідно підключати при висоті робочої зони більше 0,5 м. В таблиці 1 наведені вибіркові результати по розрахунку системи опалення для одного прольоту блокової теплиці площею Fгр = 454 м2, температура під покрівлею теплиці визначалася за І-d діаграмою за умов запобігання появи конденсату на огородженні теплиці, параметри теплоносія в системі надгрунтового обігріву не повинні перевищувати 95 оС (для виключення опіку рослин).
За наведеною методикою розрахунку було визначено температурне поле в теплиці в зимові мiсяцi при різній висоті зони росту рослин, визначена потужність
Таблиця 1.
Розрахунок системи опалення
Найменування розрахункових показників Значення розрахункових показників
Подвійне засклення Одинарне засклен.
Без екрану З екраном
ГРУДЕНЬ
Висота зони вегетації, м 0,5 0,5 0,5
Температура зовнішнього повітря, ?С -20,5 -20,5 -20,5
Температура під покрівлею теплиці, ?С 6 6 -4,5
Питомі тепловтрати, Вт/м2 пл.т. 104 223 143
Необхідна поверхня трубопроводів, м2/м2 пл.т. 0,251 0,45 0,45
Система надгрунтового обігріву діаметр, м 0,045 0,057 0,057
параметри теплоносія, ?С 70-45 75-50 85-60
кількість, шт. 8 8 8
Система підпокрівельного обігріву діаметр, м 0,032 0,057 0,057
параметри теплоносія, ?С відкл. 75-50 відкл.
кількість, шт. 6 8 8
СІЧЕНЬ
Висота зони вегетації, м 1,0 1,0 1,0
Температура зовнішнього повітря, ?С -25,4 -25,4 -25,4
Температура під покрівлею теплиці, ?С 8 8 -6,5
Питомі тепловтрати, Вт/м2 пл.т. 130 300 161
Необхідна поверхня трубопроводів, м2/м2 пл.т. 0,251 0,45 0,45
Система надгрунтового обігріву діаметр, м 0,045 0,057 0,057
параметри теплоносія, ?С 80-55 95-70 90-65
кількість, шт. 8 8 8
Система підпокрівельного обігріву діаметр, м 0,032 0,057 0,057
параметри теплоносія, ?С відкл. 80-60 60-35
кількість, шт. 6 8 8
ЛЮТИЙ
Висота зони вегетації, м 2,0 2,0 2,0
Температура зовнішнього повітря, ?С -26,9 -26,9 -26,9
Температура під покрівлею теплиці, ?С 13 13 -7,5
Питомі тепловтрати, Вт/м2 пл.т. 154 356 205
Необхідна поверхня трубопроводів, м2/м2 пл.т. 0,251 0,45 0,45
Система надгрунтового обігріву діаметр, м 0,045 0,057 0,057
параметри теплоносія, ?С 95-70 95-70 95-70
кількість, шт. 8 8 8
Система підпокрівельного обігріву діаметр, м 0,032 0,057 0,057
параметри теплоносія, ?С 65-40 130-110 90-65
кількість, шт. 6 8 8
| 
