Загальна характеристика систем опалення теплиць.

У теплицях, які експлуатуються протягом всього року (зимові теплиці), згідно з СНП 2.10 04-85 передбачають водяне опалення ґрунту і шатра. В зонах з зовнішньою температурою найхолоднішої доби нижче -20 °С застосовують комбіновану (водяну - повітряну) систему опалення. Теплова потужність повітряного обігріву в системі комбінованого опалення становить в ангарних (рис.3.1) теплицях - 35... 50%, а в блочних - 20... 40% від загальних витрат теплоти.

При проектуванні систем водяного опалення теплиць температуру теплоносія приймають 95…150 ⁰С. В системах високотемпературного опалення – 105…150 °С, а низькотемпературного - < 95 °С.

За видом опалювальних приладів системи водяного опалення бувають гладкотрубні з скляними, пластмасовими, стальними (з антикорозійним покриттям), а також ребристими трубами.

Системи опалення теплиць включають:

• шатровий обігрів, до складу якого входять покрівельний, підлотковий, торцевий, боковий, цокольний. надґрунтовий;

• підгрунтовий обігрів;

• контурний обігрів.

Відповідні схеми розташування приладів обігріву наведені на рис.3.1…3.4.

Витрати теплоти на опалення шатра теплиці становлять 80... 90% загальних витрат теплоти на обігрів. Найбільша частка теплового навантаження (45…60% загальних витрат теплоти на обігрів теплиці) припадає на покрівельний і підлотковнй обігрів, що входять до складу системи опалення шатра теплиці. Поряд з іншими системами обігріву вони забезпечують потрібний температурний режим теплиці, а також танення снігу на покрівлі. Для цього необхідно підтримувати температуру на поверхні схилу покрівлі 0,5°С.

Для компенсації втрат теплоти через бокову огорожу використовують системи цокольного і торцевого опалення, потужність яких складає 8…15% загальних втрат теплоти.

Між грядками розташовують систему надґрунтового обігріву, яка забезпечує рівномірність температурного поля в зоні рослин. Залежно від геометричних розмірів теплиці і параметрів теплоносія, потужність цієї системи становить 15…25% від загальних витрат теплоти на обігрів споруди.

Прилади шатрового обігріву розташовують під покрівлею, водостічними жолобами і карнизами; біля зовнішніх стін на внутрішніх стояках каркасу, затяжках рам, нижніх поясах ферм і між рядками рослин.

Прилади контурного обігріву розташовують по контуру зовнішніх стін на глибині 0.05…0,1 м.

При проектуванні систем підгрунтового обігріву теплиць використовують воду, яка надходить із зворотних трубопроводів системи опалення шатра. Температура води на вході в змійовики підгрунтового обігрівання t_T = 45°С, а в зворотному трубопроводі t_к = 30^оС.

Труби для обігріву ґрунту розташовують рівномірно по площі теплиці. При розрахунковій зовнішній температурі від 0 до -30^оС першу трубу укладають на відстані 0,6 м від внутрішньої поверхні фундаменту. На віддалі 0,6м укладають також труби в першій двометровій зоні біля зовнішньої поверхні огородження.

 

Рис.3.1. Схеми ангарних (а) і блочних (б) теплиць.

Рис.3.2. Схеми розташування в теплиці приладів для обігріву.

1 – покрівельного; 2 – підлоткового; 3 – цокольного; 4 – торцевого; 5 – надґрунтового; 6 – підгрунтового.

Рис 3.3. Схема розташування покрівельного і підлоткового обігріву.

1 – магістральні трубопроводи; 2 – трубопроводи покрівельного обігріву; 3 – трубопроводи підлоткого обігріву.

Рис.3.4. Схема розташування цокольного, торцевого і надґрунтового обігріву.

1,3 – трубопроводи цокольного обігріву; 2 – магістральний трубопровід водяного опалення; 4 – трубопровід надґрунтового обігріву; 5 – головний трубопровід для подачі води від колектора; 6 – трубопровід зворотньої води в колектор.

Рис.3.5. Схема розташування підгрунтового обігріву.

1 – розподільчий колектор; 2 – зворотні трубопроводи; 3 – трубопроводи для подачі води; 4 – поліетиленові труби.

При розрахунковій температурі зовнішнього повітря від -30 до -40 ^оС перша труба укладається біля внутрішньої стіни фундаменту.

При розрахунковій температурі нижче -10 °С необхідно встановлювати контурний обігрів по периметру теплиці з заглибленням його на діаметр труби. Температура теплоносія в системі контурного обігріву повинна бути не нижче 95^оС.

У теплицях для вирощування розсади труби підгрунтового обігріву укладаються по всій площі на віддалі S=0,4 м одна від одної.

Тепловий розрахунок теплиць

Тепловий розрахунок теплиць з системами опалення шатра і ґрунту починають з рівняння теплового балансу на поверхні огородження, яке записується так:

, (3.1)

де і - теплові потоки при конвективному теплообміні на внутрішній та зовнішній поверхнях огородження, відповідно, Вт/м²;

і - теплові потоки через випромінювання на внутрішній та зовнішній поверхнях огородження, відповідно, Вт/м²,

- тепловий потік при конденсації на внутрішній поверхні огородження, Вт/м².

3.2.1. Конвективний теплообмін на внутрішніх поверхнях огородження розраховують в умовах природної конвекції при турбулентному режимі.

, (3.2)

де А₁ - коефіцієнт для розрахунку конвективного теплообміну. Він залежить від середньої температури повітря t_сер (табл. 3.1):

Таблиця 3.1. Залежність А₁ від t_сер.

tсер, ^оС	-20		+20
А1	1,83	1,69	1,57

К_о=F_o/F_гр - коефіцієнт огородження теплиці (відношення площі огороджувальної поверхні (шатра) F_ш до інвентарної площі ґрунту F_гр), залежить від типу теплиці і виду покриття (табл. 3.2).

Таблиця 3.2. Значення коефіцієнта огородження теплиці.

Ко	Скляні теплиці	Плівкові теплиці
ангарні	блочні	ангарні	блочні
1,4	1,25	1,3	1,5

m – коефіцієнт розташування поверхні теплообміну, визначається формулою:

, (3.3)

де F _в - площа вертикальної огороджувальної поверхні, м²,

F _п - площа похилої огороджувальної поверхні, м².

F _в і F _п визначаються за даними на курсовий проект та оптимальних розмірах ланок теплиці (див. рис. 3.1)

,

,

де п - кількість ланок у блочній теплиці;

h₁ - висота бокової поверхні, м,

l₁ і l₂ - ширина і довжина ланки теплиці, м;

b - ширина бокової поверхні ланки шатра, м.

Середня температура повітря визначаєтьсяза формулою:

, (3.4)

де t_в - розрахункова температура внутрішнього повітря, °С. При проектуванні систем опалення теплиць для вирощування овочевих культур і розсади t_в = 15 °С, а при вирощуванні розсади для відкритого ґрунту t_в = 8 ^оС,

t_о - температура поверхні огородження, °С. Визначають методом підбору в інтервалі від t_з, (зовнішньої температури повітря найхолоднішої доби, яка вибирається з таблиці додатка 1.1. для відповідної кліматичної зони) до t_в.

При цьому розраховують праву і ліву частини рівняння (3.1) при значеннях t_о, які знаходяться у вказаному інтервалі t_з - t_в, будують графічні залежності окремих частин цього рівняння від температури t_о і в точці перетину графіків знаходять значення температури t_о.

Для знаходження t_о доцільно використати й інший шлях: скласти програму і розв'язати рівняння (3.1) за допомогою ЕОМ.

3.2.2. Тепловий потік через випромінювання на внутрішній поверхні огородження.

(3.5)

де К_п - коефіцієнт поглинання теплового випромінювання в об’ємі споруди (для теплиць К_п=0,12);

Q_в.гр. - тепловий потік через випромінювання на поверхні ґрунту, Вт/м²;

(3.6)

 

де t°_гр - температура на поверхні ґрунту. Для теплиць з водяним опаленням t°_гр=t_в =15°С;

Q_{в.ш .} - тепловий потік через випромінювання на поверхні огородження від приладів шатрового обігріву, Вт/м²;

(3.7)

де С_о - випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла, С_о = 5,67 Вт/(м·К);

ε_р - коефіцієнт теплового випромінювання поверхні опалювальних приладів, ε_р =0,92...0,96;

ε_о - коефіцієнт теплового випромінювання поверхні огорожі, ε_о = 0,94;

φ_гр - кутовий коефіцієнт випромінювання з поверхні приладів шатрового обігріву на грунт, φ_гр = 0,3... 0,4;

t_ср1 - середня температура поверхні приладів (середня температура теплоносія), приймається як середньоарифметичне температур гарячої води на вході (t _т) і зворотної (t_к) води, °С.

. (3.8)

Для систем водяного опалення можна прийняти: t _т = 95°С і t_к = 70°С.

а_ш - відношення площі поверхні приладів шатрового обігріву до площі теплиці. Визначають за формулою:

а_ш = F_тр·К_о· φ_о, (3.9)

де F_тр - необхідна питома площа нагрівних трубопроводів із розрахунку на 1 Вт, м²/Вт. Знаходиться за графіком (рис 3.8);

φ_о - укрупнений показник, Вт/м², визначається за формулою

φ_о=К· (t_в + t_з)·К_інф, (3.10)

де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К), вибирають із таблиці 3.3;

К _інф - коефіцієнт інфільтрації. Для плівкових теплиць К _інф = 1,3…1,4, а для скляних К _інф =1,25…1,3.

Таблиця 3.3. Значення коефіцієнта теплопередачі К.

Вид покриття	Значення коефіцієнта теплопередачі К, Вт/(м^2·К),
Скло · одинарне в металічних рамах · подвійне з повітряним прошарком в металічних рамах	6,3   3,3
Плівка · в один шар: o суха o покрита шаром конденсату в краплях · в два шари з повітряним прошарком: o суха o покрита шаром конденсату в краплях	10,0   7…8,1     5,3   4,7

 

3.2.3. Тепловий потік при конденсації вологи.

, (3.11)

де r – питома теплота пароутворення, r=2500 Дж/кг;

G_кон – витрати вологи, яка конденсується, г/(см²).

(3.12)

де ν – коефіцієнт кінематичної в’язкості повітря, м²/с, приймають по середній температурі .

Величина ∆ε визначається за формулою:

, (3.13)

де В – атмосферний тиск, кПа;

і - тиск насичення водяної пари при t_в і t_о, кПа.

φ_в – відносна вологість повітря в теплиці, %.

3.2.4. Конвективний теплообмін на зовнішній поверхні огорожі протікає в умовах вимушеної конвекції:

(3.14)

де α₂ – коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній поверхні, Вт/(м²·К);

, (3.15)

де - коефіцієнт тепловіддачі на вертикальних ділянках огородження, Вт/(м²·К);

α_п – коефіцієнт тепловіддачі на похилих ділянках огородження, Вт/(м²·К): ,

де V – швидкість вітру, м/с, (вибирається з додатку 1.1. залежно від місця розташування теплиці);

b – характерний (найменший) розмір похилого огородження, м, розраховується за вихідними даними на проектування за формулою: ;

А₂ -коефіцієнт, який залежить від температури зовнішнього повітря t_з, вибирається із табл..3.4.

Таблиця 3.4. Значення коефіцієнта А_2.

tз, ^оС	-40	-20
А2	6,77	6,38	6,21	5,97	5,77

3.2.5. Теплообмін через випромінювання на зовнішній поверхні огорожі розраховують за формулою:

 

, (3.16)

3.2.6. Втрати теплоти через грунт Q_гр розраховують по окремих зонах паралельних зовнішнім стінам. Перші три зони мають ширину 2 м, а частина площі, що залишилась складає четверту зону.

Втрати теплоти через грунт визначаються за окремими зонами-смугами шириною 2м, паралельними зовнішнім стінам. Формуються зони, починаючи від стін (див.рис.3.6.)

Рис.3.6.Поділ площі на зони.

Сумарні втрати через грунт Q_гр, Вт, визначають за формулою:

, (3.16.1)

де F_i – площа однієї зони, м²;

R_і – опір теплопередачі відповідної зони, (м²·К)/Вт; для першої зони R_І=2,1(м²·К)/Вт, для другої - R_ІІ=4,3(м²·К)/Вт, для третьої - R_ІІІ=8,6(м²·К)/Вт, для решти R=14,2(м²·К)/Вт.

t_в –температура повітря в середині теплиці, ^оС;

t_з – зовнішня температура повітря в холодний період року (див. дод.1.1).

3.2.7. Тепловий потік на нагрівання зовнішнього повітря, яке надходить до теплиці за рахунок інфільтрації, розраховують за формулою:

, (3.17)

де α – коефіцієнт, який залежить від покриття (для теплиць, покритих плівкою, α=1, а склом α=1,25);

ρ_з та ρ_в – густина зовнішнього та внутрішнього повітря.

3.2.8. Тепловий потік, який акумулюється в ґрунті, визначається за формулою:

, (3.18)

де А_с – добова амплітуда температури на поверхні ґрунту, приймають рівною амплітуді температури зовнішнього повітря, ^оС;

λ_гр – теплопровідність ґрунту, Вт/(м·К);

с_гр – питома теплоємність ґрунту, Дж/(кг·К);

ρ_гр – густина ґрунту, кг/м³.

Характеристики тепличних ґрунтів наведені в додатку 3.2.

Якщо t_о=t^о_гр, то

3.2.9. Тепловий потік через випромінювання від опалювальних приладів шатрового опалення на поверхні ґрунту

, (3.19)

де ε_гр – коефіцієнт теплового випромінювання ґрунту, ε_гр =0,96.

 

3.2.10. Тепловий потік приконвективному теплообміні на поверхні грунту розраховують в умовах вільної конвекції за формулою:

. (3.20)

Рекомендується прийняти:

при m₁ =0,7;

при m₁ =0,3;

Якщо , то

3.2.11. Теплову потужність системи опалення розраховують на основі рівняння теплового балансу:

, (3.21)

де - теплова потужність системи опалення шатра, Вт/м²;

- теплова потужність системи обігріву ґрунту, Вт/м²;

- тепловий потік, акумульований в ґрунті протягом дня, Вт/м²;

- тепловий потік від сонячної радіації, Вт/м²;

та - теплові потоки відповідно при конвективно му теплообміні і теплообміні через випромінювання на зовнішній поверхні огорожі, Вт/м²;

- втрати теплоти через грунт, Вт/м²;

- тепловий потік, що витрачається за рахунок інфільтрації, Вт/м².

За наявності ґрунтового обігріву температура грунту і повітря в споруді однакові, і тепловий потік =0..

При розрахунку опалювальних споруд захищеного ґрунту =0.

В результаті теплову потужність системи опалення теплиці можна визначити за формулою:

, (3.22)

де і - відповідно площа поверхні шатра і ґрунту, м².

3.2.12. Теплову потужність системи опалення ґрунтового обігріву визначають, використавши рівняння теплового балансу на поверхні ґрунту,

, (3.23)

де - тепловий потік, який витрачається на випаровування вологи із грунту, Вт/м².

При t_в=t^о_гр, що має місце в трубних опалювальних спорудах захищеного грунту,

Тоді (3.24)

3.2.13.Теплову потужність обігріву шатра визначають за формулою (3.22), яку для нашого конкретного випадку можна записати:

, (3.25)

3.2.14. Сумарну теплову потужність системи опалення теплиці , Вт, визначають за формулою:

, (3.26)

де і - площі поверхні шатра і ґрунту, м².

За сумарною тепловою потужністю системи опалення підбирають тип та кількість котлів і витрати палива на обігрів теплиць. Методика підбору котлів викладена в розділі 1.