Глава 8- Энергетический анализ зданий хранилищ и теплиц

8.1- Энергетический анализ зданий хранилищ сельскохозяйственной продукции

8.1.1- Хранение сельскохозяйственной продукции

Хранилища обеспечивают сохран­ность выращенной сельскохозяйствен-ной продукции в течении года. Они представляют собой помещения для хра-нения сырья и готовой продукции, оборудованные специальными технологи-ческими системами поддержания температуры, влажности и газового состава окружающей среды, сушильными, холодильными и морозильными установка-ми, энергетическими и транспортными системами, сортировочным и упаковочным оборудованием. Примерами таких хранилищ служат зерновые элеваторы, фрукто и овощехранилища, мясные холодильники.

Важнейшим требованием к хранению сельскохозяйственной продукции является низкая температура (-40…+10 °С), ко­торая поддерживается на необ-ходимом уровне за счет работы системы охлаждения и нагрева. При снижении температуры сельскохозяйственной продукции в ней замедляются процесссы жизнедеятельности, что приводит к увеличению сроков хранения. Каждый вид продукции (зерно, картофель, яблоки, груши и.д.) требует определенных температурных режимов, причем они могут изменяться в зависимости от исходного качества и срока хранения. В теплое время года необходимо температуру в камере хранения понижать, а в холодное- повышать. Создание тепла или холода осуществляется преобразованием электрической энергии, поэтому этот процесс- энергозатратный. Непременным условием эффективной и энергоэкономичной работы этих систем является их полная автоматизация.

Другим важным условием хра­нения сельскохозяйственной продукции является необходимость в поддержании, как правило, высокой - до 98%, относи-тельной влажности воз­духа. Система регулирования влажности в хранилище является частью системы охлаждения и нагрева.

8.1.2-Тепловлажностный режим хранилища

Внутренняя температура в камере должна соответствовать оптимальной температуре хранения данного вида продукции для конкретного срока хране-ния. Тепловая мощность оборудования, которое должна снабжать хранилище теплом или холодом зависит от баланса теплопритоков. Схема энергопотоков теплопритоков) хранилища приведена на рисунке 8.1 [32, 33]. Баланс теплопритоков хранилища:

, (8.1)

Где Q ₁ - теплопритоки через ограждающие конструкции, стены и покры-тия, кВт; Q ₂– теплопритори от холодильной обработки за счет привнесенного тепла с сырьем и продукцией, кВт; Q ₃ – теплопритоки от вентиляции, кВт; Q ₄- теплопритоки от эксплуатации оборудования. кВт; Q ₅ - теплопритоки от жизнедеятельности сырья и продукции, кВт.

Расчет теплопритоков производится на летнее и зимнее время отдельно- в завсимости от назначения хранилища. Поток тепла Q_x может идти из хранили-ща или в хранилище, в зависимости от наружной температуры, температуры в нем, степени загрузки продукцией и.т.д. Камерное оборудование поддержи-вает баланс теплопритоков. Если поток тепла в камере Q_x > 0, то воздух в ней требует охлаждения, если Q_x < 0 - нагрева.

Рисунок 8.1- Схема теплопритоков хранилища

Теплопритоки через ограждающие конструкции Q₁ пределяют как сумму теплопритоков через стены, перегородки, перекрытия, покрытия, подвальные помещения, вызванных наличием разности температур между наружной и внутренней поверхностями Q_1t, а также теплопритоков от солнечной радиации Q_1c через покрытия и наружные стены:

. (8.2)

Теплоприток через стены и покрытия расcчитывают по формуле:

, кВт; (8.3)

где k_д - действительный коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м²*К); F - площадь ограждения, м²; t_н , t_в - наружная и внутренняя расчетные температуры воздуха, ⁰ С.

Теплоприток от солнечной радиации через наружные стены и покрытия определяют по формуле:

, кВт; (8.4)

где: k_д – действительный коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м2*К); F - площадь ограждения, облучаемой солнцем, м²; dt - избыточная разность температур, характеризующая действие солнечной радиации в летнее время, ⁰С.

Количество теплоты от солнечной радиации зависит от зоны расположе-ния холодильника (географической широты), характера ограждающей поверх-ности и ее ориентации по сторонам горизонта. Чем больше значение коэффи-циента теплопередачи ограждения, тем больше теплоты будет проникать в охлаждаемый объем хранилища. Это приводит к более мощной и следова-тельно более энергоемкой холодильной установке.

Уменьшить теплоприток можно применением более совершенной тепло-изоляцией с меньшим коэффициентом теплопроводности или увеличением ее толщины. Толщину теплоизоляционного слоя можно определить по формуле:

, м; (8.5)

Где 𝛿 _d - необходимая толщина стены (пола, потолка), м; 𝜆 – коэффициент теплопроводности материала стены (пола, потолка), Вт/(м*К); k _д –действительный коэффициент теплопередачи поверхности, Вт/(м² *К).

Теплоприток от охлаждения продукции явялется суммой теплопритока принесенного продукцией и тарой из внешней среды:

, кВт. (8.6)

где: Q_2пр - теплоприток от входящей охлаждаемой продукции, кВт; Q_2тt - теплопритоки от тары, кВт.

Теплоприток от охлаждаемой продукции в камере определяют по формуле:

, кВт; (8.7)

где: M_пр - суточное поступление продуктов, кг; i(t_н) - удельная энтальпия продукта при входе в хранилище, начальной температуре t_{н ,} кДж/кг; i(t_к) - удельная энтальпия продукта при установившейся, конечной температуре охлаждения t_к, кДж/кг.

Теплопритоки от тары:

, кВт; (8.8)

где: M_т - масса тары, поступающая в хранилище в сутки, кг; c_т - удельная теплоемкость тары, кДж/(кг* К).

Теплопритоки Q₃ от наружного воздуха при вентиляции учитывают только при проектировании специализированных холодильников для фруктов:

, кВт; (8.9)

где: M_v - массовый расход вентиляционного воздуха, кг/с;; i(t_н) – удельная энтальпия наружного воздуха, кДж/кг; i(t_к) - удельная энтальпия воздуха в камере, кДж/кг.

Массовый расход вентиляционного воздуха M_v определяют исходя из

обеспечения кратности вентиляции в сутки:

, кВт; (8.10)

где: V_k - объем вентилируемого помещения, м³; a =3…4 - кратность воздухообмена в хранилище, задаваемая режимом хранения; ρ - плотность воздуха, зависящая от температуры и относительной влажности в камере, кг/м³.

Эксплуатационные теплопритоки Q₄ определяются как сумма отдельных теплопритоков:

, (8.11)

q ₁- теплопритоки от освещения камер; q ₂- теплопритоки от пребывания людей; q ₃- теплопритоки от работы электродвигателей; q ₄- теплопритоки от открывания дверей.

Теплопритоки от освещения:

, кВт; (8.12)

где: A = 2…5 - теплота, выделяемая источниками освещения в единицу времени на 1 м² площади, Вт/м²; F_p - площадь камеры, м².

Теплоприток от пребывания людей:

, кВт; (8.13)

где: 0.35- тепловыделение одного человека при тяжелой физической ра-

боте, кВт/чел; n- число людей, работающих в камере.

Теплоприток от работающих электродвигателей:

, кВт; (8.14)

где: q ₃ - теплоприток от работающих электродвигателей, кВт; N _э - суммарная мощность электродвигателей в охлаждаемом помещении, кВт.

Теплопритоки при открывании дверей:

, кВт; (8.15)

где: K – удельный теплоприток от открывания дверей, Вт/м²; F_p- площадь охлаждаемого помещения, м².

Теплопритоки от дыхания продукции

, кВт; (8.16)

где: B_k -вместимость камеры, т; q_p, q_x - тепловыделения сырья при температурах поступления и хранения, Вт/т; 0,1 и 0,9- соответственно доли сырья, учитываемые при температуре поступления и хранения.

8.1.3- Энергетический анализ технологии хранения сельскохозяйственной продукции

Основные группы производственных объектов, по которым следует проводить описание и оценку хранилищ по энергетическим ресурсам: здание хранилища, система вентиляции, технологические линии, система контроля и управления. При энергетическом анализе здания хранилища проводят мониторинг энергозатрат, который включает: уточнение местоположения и срока эксплуатации хранилища; описание по видам и составу заложенной продукции; определение коэффициента использования объема хранилища (высоты загрузки продукции); проверку планировки хранилища (описание устройства стен, перекрытий, крыши, пола, материалов, из которых они сооружены, толщины теплоизоляционного слоя, его марки); установление общих нормированных энергетических показателей [11].

При описании характеристики системы вентиляции указывают принцип ее действия (централизованная, децентрализованная, комбинированная). Основная характеристика принудительной вентиляции - кратность воздухообмена (норма воздухообмена 20-30 раз). Далее осуществляется сбор данных по установлен-ным в хранилище вентиляторам (марка, производительность, мощность элект-ропривода). Оценивается равномерность вентилирования (конструкция и разме-щение воздухораспределителей, высота слоя насыпи, наличие в продукции примесей) и вентиляционные выбросы (рециркуляция, рекуперация).

При описании характеристики технологических линий в хранилище опи-сывают их организацию, обслуживающий персонал, указывают марку, произ-водительность, установленную мощность (для загрузки и выгрузки продукции, послеуборочной обработки, товарной подготовки, переработки и фасовки).
При описании энергосберегающей функции системы контроля и управ-ления режимами хранения определяются основные показатели по потерям продукции: естественная убыль, технический брак, абсолютный отход.

Энергоемкость хранения E_x сельскохозяйственной продукции традицион-но включает в себя энергозатраты уборки, послеуборочной обработки, товарной подготовки, транспортировки и хранения, включая овеществленную E _o, прямую E_пр и живого труда E_ж составляющие энергии:

. (8.17)

Как пример энергоемкость уборки, послеуборочной обработки, товарной подготовки, транспортировки и хранения картофеля его в местах производства после пяти месяцев хранения приведена в таблице 8.1, а относительные величины составляющих энергоемкости хранения картофеля - на рисунке 8.2.

В общей структуре энергозатрат (первый этап - возделывание-уборка, второй - послеуборочная доработка-хранение-товарная обработка, третий этап - транспортировка-переработка-реализация) технология хранения составляет 32%, при этом особенно высоки затраты электроэнергии (71%). Основные энергозатраты приходятся на товарную обработку и подготовку [11].

Приведенные в таблице 8.1 данные по энергоемкости относятся к опреде-ленному сроку хранения. В действительности сроки хранения, а значит - и энергоемкость хранения будут разные.

Таблица 8.1- Энергоемкость уборки, послеуборочной обработки, товарной подготовки, транспортировки и хранения картофеля [11]

Показатель затрат энергии	Энергоемкость Eх, МДж/т
Овеществленная энергия, Eо
Прямые затраты электроэнергии, ГСМ и бензина, Eпр
Затраты энергии живого труда, Eж
Всего энергозатрат
Энергия реализованного картофеля, заложенного на хранение
Энергетический к.п.д., о.е.	0,36

Особенностью хранения сельскохозяйственной продукции в местах про-изводства является тот факт, что хранилище загружается и используется в течение года один раз. Длительность хранения T_x продукции может составлять от нескольких недель до года, кроме хранения мяса, зерна и кормов, которые могут храниться несколько лет. Поэтому, овеществленная составляющая E_o присутствует в уравнении (8.17) как постоянная годовая составляющая, а прямая и живого труда составляющие энергетических затрат зависят от длительности хранения: E_пр(T_х), E_ж(T_х)

, (8.17а)

или, если принять линейную зависимость между последними двумя составля-ющими и длительностью хранения:

, (8.17б)

где e_пр - прямые удельные энергетические затраты (за месяц хранения), МДж/т*мес; e_ж - удельные энергетические затраты живого труда (за месяц хранения), МДж/т*мес.

Рисунок 8.2- Относительные величины составляющих энергоемкости хранения картофеля, %

С другой стороны энергетическая эффективность хранения зависит от относительной величины потерь продукции в процессе хранения

, (8.18)

где M_Тх, M _о- масса продукции соответственно после выгрузки из хранилища в момент времени T_х и при закладке на хранение, т.

С целью сравнения энергоемкости хранения для различных способов и технологий целесообразно относить энергозатраты к заложенной на хранение массе продукции:

, (8.19)

или, если принять линейную зависимость потерь во времени:

, (8.19а)

где η_o - ежемесячные потери массы хранящейся продукции, о.е.

Энергосодержание единицы массы снимаемой с хранения продукции будем условно считать во времени постоянной величиной E_о= const Однако относительно заложенной на хранение массы энергосодержание будет изменяться и будет равно

, (8.20)

где E_1o - энергосодержание продукта в момент закладки на хранение (в момент уборки), МДж/т;

или, если принять линейную зависимость между потерями и временем хранения:

, (8.20а)

Таким образом, энергосодержание продукта относительно момента уборки в процессе хранения не может увеличиваться:

при хранении энергосодержание продукта не увеличивается, оно может только уменьшаться.

Степень уменьшения энергосодержания продукта зависит от совершенства технологического процесса.

Чистый энергетический доход хранения продукции:

, ГДж/т. (8.21)

Энергетический коэффициент полезного действия хранения продукции:

. (8.22)

Коэффициент энергетической эффективности хранения:

. (8.23)

Примем по данным таблицы 8.1 следующие параметры хранения:

E_1o =2975 МДж/т; E_o = 3670 МДж/т. Удельные затраты получим, если разделим все прямые затраты и затраты живого труда на число месяцев хранения, равное 5: e_пр = 642 МДж/т; e_ж = 272 МДж/т. Последний параметр- месячные потери зависят от совершенства технологии хранения, их примем равными η_o = 0,03. Моделирование энергоемкости продукта относительно времени хранения приведено на рисунке 8.3, а на рисунке 8.4- показатели энергоэффективности: энергетический коэффициент полезного действия хранения продукции k_э и коэффициент энергетической эффективности хранения k _эт.

Энергоемкость E_х в процессе хранения всегда растет, а энергосодержание продукта E₁ незначительно падает. При этом чистый энергетический доход E_чд всегда отрицателен и постоянно снижается.

Рисунок 8.3. Зависимость энергоемкости E_х (1), энергосодержания E₁ (2) и чистого энергетического дохода E_чд (3) от срока хранения T_х .

В результате коэффициенты полезного действия k _э и энергетической эффективности хранения k _эт в процессе хранения постоянно снижаются, причем последний всегда отрицателен.

Рисунок 8.4- Энергетический коэффициент полезного действия хранения k_э (1) и коэффициент энергетической эффективности хранения k_эт (2) в зависимости от срока хранения T_х

8.1.4- Направления энергосбережения в технологиях хранения

Направления снижения хранения сельскохозяйственной продукции энергоемкости определяются составляющими уравнения (8.19). На данный момент известны множество способов повышения эффективности холоди-льных машин, снижения их энергопотребления и утилизации тепла [11].

Некоторые организационные способы снижения энергопотребления при хранении сельскохозяйственной продукции:

1. Применение компьютерных систем управления, диспетчеризации и мониторинга процесса уборки, закладки на хранения, хранения, обработки и реализации продукции с целью автоматизации управления режимами хранения по температуре, влажности, газовому составу

2. Оптимизация процесса вентилирования при неполной загрузке хранилища, выпадении конденсата, подогреве воздуха и просушивании, при рециркуляции и рекуперации с помощью электронных контролеров, оптимизирующих энергопотребление.

3. Оптимизация параметров холодильного цикла для конкретных условий эксплуатации холодильной машины с целью снижения энергопотребления.

4. Теплоизоляция жидкостной магистрали для сохранения переохлажде-ния в холодное время года.

5. Применение многоуровневой системы управления микроклиматом, учитывающей сортовые особенности продукции, самосогревание, качествен-ный состав поступившей продукции, биохимические и физиологические параметры, удовлетворяющие потребителя.

6. Адресное, дифференцированное размещение продукции в закромах, секциях и камерах хранилища в соответствии с планом и прогнозом хранения.

7. До закладки продукции на хранение осуществлять управление технологией возделывания продукции для формирования высокого урожая и однородного качества продукции в соответствии с требованиями потребителя и условий хранения.

8. Использование камер предварительного охлаждения, накопительных вентилируемых площадок или секционных бункеров- накопителей для вре-менного хранения, перераспределения и сортирования продукции, поступаю-щей на раннюю реализацию или на длительное хранение.

9. Использование отходов хранения для корма животных и выделенных компонент для пищевой промышленности.

Технические способы повышения энергоэффективности относятся прежде всего к холодильным (тепловым) и вентиляционным установкам, а также техническим средствам распределения тепловых потоков и включают в себя применение следующих приемов:

1. двухступенчатое сжатие с экономайзером- промежуточным переохладителем жидкости

2. каскадного холодильного цикла;

3. систем плавного пуска и производительности компрессоров, вентиляторов и насосов;

4. регенеративных теплообменников;

5. дополнительных переохладителей жидкого хладагента;

6. насосной схемы подачи жидкого хладагента;

7. прямого охлаждения без промежуточного хладоносителя;

8. централизованных систем холодоснабжения;

9. оттайки горячими парами или водой из системы утилизации тепла;

10. электронных терморегулирующих вентилей;

11. теплообменников для утилизации тепла масла и жидкого хладагента;

12. поддержание оптимального давления кипения и/или конденсации с помощью частотно-регулируемого привода вентиляторов и насосов;

13. тепловых насосов для утилизации всего тепла, выделяемого холодильной машиной;

14. современных средств автоматизации управления электроприводами, осветительными (локальные, программные, пониженной интенсивности) и облучательными установками;

15. утепление дверей, ворот, заполнение швов, внешнее покрытие теплоизолирующими материалами (минераловата, пенопласт, газосиликат, керамзит, полистеролбетон, ячеистый бетон);

16. водо-ледяных аккумуляторов естественного и искусственного холода в сочетании с холодильными установками.

Применение высокоэффективных компрессоров и теплообменников, а также энергосберегающих технических решений может снизить энергопотреб-ление до 50%, а в некоторых случаях даже больше по сравнению с ныне эксплуатируемыми установками. Кроме того, с помощью тепловых насосов можно утилизировать и использовать для отопления и других нужд до 100% тепла, выделяемого холодильными машинами.

В результате снижаются потери продукции в процессе хранения и снижается энергоемкость [11]:

- за счет сокращения потерь продукции при хранении - с 30-50 до 10-15%;

- за счет снижения расхода материально-энергетических ресурсов при хранении - на 15-25%;

- за счет уменьшения затрат труда при хранении - в 1,5-1,6 раза.

8.2- Энергетический анализ производства в теплице

8.2.1- Системы поддержания микроклимата в теплице

Системы теплоснабжения и вентиляции теплицы

Теплицы – сооружения для производства сельскохозяйственной и иной продукции (грибов, цветов и т.д) в искусственно созданных оптимальных климатических условиях. По назначению подразделяются на: селекционные, овощные, комбинированные и цветочные (оранжереи). По сезонности теплица бывают зимние и весенние. По технологии выращивания: почвенные (грунтовые), стеллажные и гидропонные. По строительным признакам и виду ограждения теплицы могут быть полимерные, деревянные, металлические каркасы, остекленные и с покрытием из пленок или полимерных материалов.

Конструкция теплицы может быть ангарной и блочной, прямой и арочной.

Для продуктивного роста растений в теплице необходимы четыре основных фактора: температурный режим воздуха и почвы, влажностный режим воздуха и почвы, режим газового состава воздушной среды, световой режим, т.е. тепло, вода, углекислый газ и свет.

Температура и влажность в теплице

Температура в теплице - один из самых важных параметров. Температур-ные режимы в теплице и управление ими ними осуществляют пассивным и активным способами.

К пассивным относятся в первую очередь различые способы утепления теплицы, сохранения ее герметичности, выбора материала для покрытия теплицы (поликарбонат, пленка для теплиц, стекло или другие материалы). Тепловая изоляция теплицы от наружных теплопритоков решается несколькими способами:

- применение сотового поликарбоната с высокими теплоизоляционными характеристиками, представлящий собой полимерные светопропускающие полые панели- основной способ решения проблем теплоизоляции теплиц;

-использование ленточного фундамента;

-теплоизоляция мостиков холода на каркасе теплицы специальными теплоизолирующими составами;

- заглубление теплицы в грунт на 700 — 1200 мм.;

- расположение теплицы с запада на восток и утепление северной стены теплоизолирующими материалами;

- использование второго слоя пленки внутри теплицы;

- использование «тепловых завес» на двери и фрамуги в зимний период.

К активному способу управления температурным режимом относят отопление теплицы, причем применяют его после полной реализации первого способа совместно с вентиляцией.

Обогрев теплиц производится различными способами: с помощью труб, наполненных циркулирующей нагретой водой, подогреваемых специальной печью, работающей на твердом, жидком или газообразном топливе; теплоге-нераторами (генераторы горячего воздуха); электрообогревателями. При выборе способа обогрева необходимо учитывать объем теплицы, полезные мощности нагревательных элементов отопительной системы, доступность топлива, на котором работает система обогрева.

Виды и способы экономичного отопления теплицы

Отопление теплицы с помощью твердотопливного котла - как правило наиболее экономичное отопление. Как топливо используется дерево и отходы дерева, уголь, пеллеты и др. виды трердого топлива. По типу сжигания твердо-топливные котлы делят на две категории: классическое сжигание и пиролиз (газификация древесины), последний имеет высокий КПД, возможность автоматизации и значительное увеличение времени работы котла на одной заправке.

Наиболее распространенное в настоящее время- газовое отопление теплицы. Устройство газового отопления это обычно - установка газового котла или газовых конвекторов, в частности газовые конденсационные котлы, имеющие максимальный КПД.

Отопление теплицы электричеством, точнее теплом получаемым от пре-образования электрической энергии в тепловую- это вариант рассматривается только при невозможности использования других энергоносителей. Исключе-нием из этого правила является система электрического отопления по многотарифному учету потребления электроэнергии с использованием аккумуляторов тепла, когда оплачивается меньшая половина стоимости элект-роэнергии. Электричеством можно обогревать и отапливать теплицу получая тепло от различного рода электрических обогревателей: электрические тепловые пушки, электрокотлы- с ТЭН – ами, электродные и индукционные; электрокалориферы; ИК- излучатели; системы «теплый пол» и др.

Для отопления теплицы можно использовать также тепловые насосы. Тепловой насос достигает коэффициента преобразования 1:4, т.е. с каждого потребленного кВт *ч электроэнергии получается 4 кВт *ч тепла.

Вентиляция совместно с системой отопления обеспечивает активный, управляемый климат в помещении теплицы. Вентиляция может быть естест-венной за счет соответствующей конструкции теплицы- фрамуг и крышек, и искусственной, принудительной- приточно-вытяжной. В результате функционировании системы вентиляции в теплице понижаются температура и относительная влажность воздуха, повышается содержание углекислого газа (СО₂) при одновременном предотвращении возникновения застойных «мертвых» зон.

8.2.2- Система освещения теплицы

Для восполнение недостатка солнечного излучения в осеннее и зимнее время применяют искусственное освещение с помощью электрических ламп – досвечивание растений. Уровни освещенности в зависимости от фазы роста растений и продолжительности их облучения и могут находиться в пределах 2000- 15000 лк. Оптимальная норма облученности в теплице для выращивании расса-ды — 40 Вт/ м² ФАР с фотопериодом 14 часов, для выращивания на продукцию — 100 Вт/ м² с фотопериодом 16 часов. Средняя суточная плот-ность потока естественного света — 100 Вт/ м². Энергетическую эффектив-ность тепличного производства оценивают по энергии, затраченной на выращивание единицы массы растений (плодов, овощей и т.д).

Для создания необходимой освещенности применяют люминесцентные лампы, ультрафиолетовые, натриевые, ртутные лампы высокого давления. Часто различные виды ламп комбинируют, чтобы получить оптимальные характеристики для конкретных видов растений. Ультрафиолетовые лампы применяют также и для снижения активности различных болезнетворных микробов и вредителей.

Иногда необходимо не только добавлять для растений освещенность и увеличивать световой период, но и сокращать их. В длинные солнечные дни тепличные культуры подвержены опасности получить световые ожоги. При этом температура в теплице может превышать предельно допустимые нормы, что приводит в быстрому испарению влаги и необходимости дополнительного полива и вентиляции.

В настоящее время техническая база досвечивания в теплицах очень обширна. В основном применяются специализированные источники света – фитолампы, которые обладают наиболее приемлемым для растений спектром излучения.

Фитолампы ДРЛФ (дуговые ртутно-люминесцентные физиологические) – специализированная разновидность ламп ДРЛ. Излучение лампы содержит красную составляющую в виде сплошного спектра в диапазоне 580...720 нм. Средний срок службы ламп более 10000 ч. К концу срока службы значение светового потока ламп ДРЛ уменьшается до 70 % от начального. Световая отдача 45...55 лм/Вт, что более чем в 2 раза выше световой отдачи ламп накаливания такой же мощности и ниже, чем у люминесцентных ламп.

Широко применяются металлогалогенные лампы (МГЛ), они обладают линейчатым спектром излучения. Широкий спектр излучения МГЛ, высокий КПД ФАР (25-30%), большой диапазон мощностей (от 250 Вт до 3,5-4 кВт) позволяют эффективно использовать их при крупномасштабном выращивании овощной, цветочной и другой сельскохозяйственной продукции.

Для выращивания растений в теплице применяется дуговые натриевые лампы типа Рефлакс марки ДНаЗ (дуговая натриевая зеркальная). Подобные лампы сочетают высокую энергетическую эффективность со спектром, относительно благоприятным для фотосинтеза, дают стабильный световой поток. Светоотдача достигает значения 143 лм/Вт при среднем сроке службы 5000 часов.

Рассеянный света по сравнению с направленным (только сверху) более эффективен за счет проникновения в нижние ярусы растения. Это требует устанавливать в теплицах с искусственным освещением специальных рассеива-ющих отражателей и экранов для распределения света по всему ценозу [36, 39].

8.2.3- Энергетический баланс в теплице

Тепловой баланс теплицы

В основу всех методов энергетического анализа теплицы положен тепло-вой баланс [40]. Тепловые потоки, способствующие нагреванию теплицы, считают положительными, а вызывающие понижение температуры – отрица-тельными, рисунок 8.5. Одни тепловые потоки могут быть только положи-тельными или только отрицательными, другие в зависимости от температуры меняют направление – их называют знакопеременными.

Баланс Q_Т теплопритоков теплицы:

, (8.24)

Где Q₁ - теплопритоки через ограждающие конструкции, стены и покры-тия, кВт; Q₂ – теплопритоки от поливной воды, тары и других материалов, приходящих в теплицу из вне или выходящих из нее, например выращенная продукция, кВт; Q₃ – теплопритоки от вентиляции и инфильтрации, кВт; Q₄ - теплопритоки от эксплуатации оборудования. кВт; Q₅ - теплопритоки от жизнедеятельности растений, кВт.

Теплопритоки через ограждающие конструкции, стены и покрытия Q₁ является суммой теплопритоков через стены и покрытия Q_1t и теплоприток Q_1c от солнечной радиации, аналогично (8.2). Теплоприток Q_1t через стены и покрытия расчитывают по формуле (8.3). Снижение уровня теплопотерь через остекления является одной из важнейших задач энергосбережения в теплице. Температура внутренней поверхности стекла с теплозащитным покрытием в зимний период в среднем на 5 - 6 °С выше, чем у обычного стекла. Благодаря чему уменьшается интенсивность "холодного" излучения поверхностей в сторону помещения теплицы и повышается комфорт тепловых зон, располагаемых у остекления. Теплоприток Q_1c от солнечной радиации через наружные стены и покрытия определяют по формуле (8.4).

Теплоприток Q₂ от поливной воды, тары и других материалов, приходящих в теплицу из вне или выходящих из нее, например выращенная продукция, КВт:

, (8.25)

где: Q₂₁ - теплоприток от поливной воды, кВт; Q₂₂ - теплопритоки от тары, продукции и др., кВт.

Теплоприток Q₃ от вентиляции и инфильтации

, (8.26)

где Q₃₁ - теплоприток от приточно-вытяжной вентиляции, кВт; Q₃₂ - теп-лоприток от ифильтрации- открывания дверей, неплотностей в ограждениях и т.п., кВт; Q₃₃ - теплоприток от регулирования воздухообмена управляемыми фрамугами, жалюзи и крышками, кВт.

Теплопритоки от вентиляции рассчитывают по формуле (8.9). Теплопри-токи при открывании дверей и инфильтрации принимают 20% от потерь через ограждения:

, кВт; (8.27)

Потери тепла через фрамуги зависят от площади фрамуг, скорости движения воздуха в вентиляционных проемах и разности температур воздуха внутри и снаружи теплицы:

, кВт; (8.28)

где p - коэффициент расхода через систему вентиляции, равный 0,65; S - площадь приточных или вытяжных отверстий, м²; v - скорость движения воздуха в вентиляционных проемах, м/с; γ_в- плотность воздуха, кг/м³; c_в - теплоемкость воздуха, кДж/кг; t_в, t_н - температуры внутри и снаружи теплицы.

Рисунок 8.5- Тепловой баланс теплицы

Теплопритоки Q₄ от эксплуатации оборудования:

, (8.29)

Где Q₄₁ - теплоприток от эксплуатации оборудования освещения теплицы, кВт; Q₄₂ - теплоприток от эксплуатации оборудования полива и управления- насосов, смесителей и т.п., кВт; Q₄₂ - теплоприток от почвы, кВт; Q₄₄ - теплоприток от пребывания людей, кВт.

Теплопритоки от освещения:

, кВт; (8.30)

где: P - удельная мощность источников освещения (на 1 м² площади теплицы), Вт/м²; η - к.п.д. источников освещения; F_p - площадь теплицы, м².

Теплоприток от работающих электродвигателей оборудования полива и управления- насосов, смесителей и т.п. рассчитывают по формуле (8.14), а теплоприток от пребывания людей- по формуле (8.13).

Теплообмен с растениями и почвой [40]. Температура воздушной среды теплицы зависит не только от воздействия солнечной радиации и систем отоп-ления и вентиляции, но и от ее взаимодействия с почвой и растениями. Почва и растения в основном взаимодействуют с воздухом путем конвективного теплообмена и испарения влаги, причем вследствие небольшой разности температур между почвой и воздухом, с одной стороны, и растениями и воздухом, с другой, теплообмен путем испарения Q_и значительно превышает конвективную составляющую Q_к. Таким образом теплообмен Q_рп между почвой и воздухом, а также между растением и воздухом можно выразить общей формулой

, кВт; (8.31)

где индексы «п» и «р» обозначают соответственно теплообмен для почвы и для растения.

Для почвы и для растения конвективный теплообмен равен

, кВт; (8.32)

где a – коэффициент теплоотдачи поверхности растений или почвы, a = 5 Вт/(м²*° С); S - поверхность растений или почвы, м²; t – температура растений или почвы, ^о С; t_в - температура воздуха в теплице, ° С.

Теплообмен путем испарения воды листьями растений- транспирации, и испарения влаги из почвы рассчитывается по формуле

, Вт; (8.33)

где r = 22575 – теплота парообразования; m – скорость транспирации, г/(м²*с); S – площадь растений или почвы, м².

8.2.4- Направления энергосбережения в теплице

Теплица, являясь сложным энергетическим объектом, требует многостороннего подхода при разработке направлений энергосбережения. В основе должны лежать энергосберегающие технологии производства, энергосбережение отопления и освещения. Не затрагивая вопросы технологии производства рассмотри направления энергосбережения на до свечивание и на отопление.

Некоторые вопросы энергосбережения освещения были затронуты в главе 6. Снизить затраты электроэнергии на до свечивание можно следующими способами:

1. Использовать лампы со спектром излучения наиболее благоприятным для растений (с большей долей красного света), например, лампы типа Рефлакс;

2. Применение стабилизаторов напряжения сети;

3. Применение регуляторов светового потока;

4. Применение компенсаторов реактивной энергии;

5. Применение импульсного метода облучения;

6. Использовать в качестве источника света светоизлучающие диоды, имеющие меньшее энергопотребление, чем остальные источники света;

7. Автоматизация процессов освещения- слежения за балансом освещения, графиком включения, учета физиологических особенностей растений по уровню и длительности освещения.

Энергосберегающие мероприятия при обогреве теплиц.

1. Использование материалов для ограждений и фундаментов с высокими показателями теплового сопротивления. Применение для вертикального ограждения, кровли и форточек поликарбоната сократит потери тепла до 50%, а установка двухслойного ограждения по периметру теплицы с применением пленки, стекла или макролона уменьшает потери тепла на 4%.

2. Остекление теплиц энергосберегающими стеклами с селективным энергосберегающим покрытием.

3. Утепление и теплоизоляция теплицы. Устранение мостиков холода современными теплоизоляционными материалами- герметиками снизит потери тепла на 7-9%.

4. Тепловое изолирование стен, не принимающих значительное участие в передаче света внутрь теплицы по северной и западной сторонам теплицы.

5. Принудительная приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла.

6. Использование крышек и жалюзи для аккумулирования и консервации тепла.

7. Применение тепловых экранов. Тепловые экраны являются тепловыми барьерами и препятствуют охлаждению теплицы. Используются экраны в темное время суток и в пасмурную погоду, когда солнце не освещает растения. Помимо функции энергосбережения и регулировки освещенности в теплице, тепловые экраны используются также для регулирования влажности. В этих случаях, при раскрытии теплового экрана влажность в теплице увеличивается. Энергосберегающий эффект экранов может достигать 20% и более.

8. Применение многоконтурных систем отопления, что сокращает потери тепла на 20-30%;
9. Применение тепловых насосов, использующих низкопотенциальное тепло окружающей среды (воды, воздуха, земли, солнца), а также аккумуляторов солнечной теплоты;

10. Применение централизованных котельных на тепличных комбинатах с целью обеспечения оптимального режима теплоснабжения. Отказ от отдельных нагревателей для поливочной воды (снижение удельного расхода энергоресурсов до 25%);

11. Повышение ответственности теплоцентралей за выдерживание проектных параметров теплоносителя, так как при нарушении температурного графика удельная норма теплопотребления увеличивается до 20-25%;

12. Автоматизация процессов освещения, поддержания температуры, полива растения и внесения удобрений на базе автоматизированных систем;

13. Обязательное применение приборов коммерческого учета по тепловой и электрической энергии, газу и воде.

Контрольные вопросы к главе 8.

1. Перечислите особенности энергообеспечения зданий хранилищ и теплиц.

2. Охарактеризуйте составляющие теплового баланса хранилища сельскохозяйственной продукции.

3. Какой основной путь снижения теплопотерь в хранилище селскохозяйственной продукции?

4. Поясните сущность и возможность применения для досвечивания растений в теплице импульсного способа.

5. Поясните возможность использования тепловых насосов для отопления теплиц.

6. Раскройте энергетические преимущества газоразрядных ламп относительно ламп накаливания.

7. Поясните физическую сущность теплопритоков от дыхания продукции.

8. Охарактеризуйте составляющие теплового баланса теплицы.

9. Перечислите энергосберегающие мероприятия при освещении теплиц.

10. Перечислите энергосберегающие мероприятия при обогреве теплиц.

Дата добавления: 2015-11-26