ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС І ФОРМУВАННЯ КЛІМАТУ ТЕПЛИЦІ
У типових проектах великих промислових теплиць системи опалення та вентиляції вже розраховані для конкретного кліматичного району та мають цілком певні конструктивні рішення в залежності від температури теплоносія, що використовується. Системи опалення промислових зимових теплиць розраховуються на підтримку внутрішньої температури +15 °С при зниженні температури зовнішнього повітря до -25, -35 і -40 °С
При виборі відповідного проекту теплиці для конкретного населеного пункту потрібно знати розрахункові кліматичні властивості місцевості. За розрахункову температуру зовнішнього повітря приймають середню багаторічну температуру найхолодніших діб року. Правильний вибір відповідного проекту означає, що система опалення теплиці має бути розрахована на температуру нижче за розрахункову температуру зовнішнього повітря даного району. Так, для Москви розрахункова температура зовнішнього повітря становить -31 С, і це означає, що в Москві та Московській області потрібно будувати теплиці із системою опалення, розрахованої на температуру -35 °С.
Системи опалення типових весняних плівкових теплиць розраховуються на температуру зовнішнього повітря –15°С.
Якщо теплицю підприємство або індивідуальний власник будує самостійно, виникає необхідність у додатковому розрахунку та конструюванні систем опалення та вентиляції.
Існує кілька методів теплотехнічного розрахунку теплиць. Найбільш складні, що дають більшу точність, використовуються в особливо відповідальних випадках і при проектуванні нових споруд. У решті випадків застосовуються спрощені методи, які цілком прийнятні для практичних розрахунків, тим більше якщо існує аналогічне технічне рішення для більшої теплиці.
В основу всіхметодів теплотехнічного розрахунку теплиці покладено аналіз теплового балансу, тобто алгебраїчної суми всіх теплових потоків у споруді. У статичному режимі, тобто в періоди, коли температури всередині та зовні теплиці постійні, тепловий баланс дорівнює нулю. У цьому випадку прибуткові складові потоків тепла дорівнюють витратним, внаслідок чого спостерігається рівновага температур. При перехідних, або динамічних режимах співвідношення між припливом і витратою тепла змінюється і температура в теплиці; буде підвищуватися, або знижуватися залежно від цього відносини. Теплові потоки, що сприяють нагріванню теплиці, прийнято вважати позитивними, а теплові потоки, що викликають зниження температури, негативними. Одні теплові потоки можуть бути лише позитивними або лише негативними, інші залежно від температури змінюють напрямок – їх називають знакозмінними.
Як правило, тепловий баланс теплиці розраховується за певний період часу. Наприклад, при визначенні потужності (теплопродуктивності) системи опалення користуються складовими теплового балансу за секунду або за годину, розрахунок споживаної теплової енергії ведеться за добу, місяць або рік.
Складові теплового балансу для всієї споруди загалом позначаються великими латинськими літерами, а питомі теплові потоки, віднесені до одиниці площі споруди, - малими літерами. У міжнародній системі одиниць СІ вимірювання теплових потоків служить джоуль (Дж, МДж, ГДж). Несистемною одиницею є калорія (кал, ккал, Мкал, Гкал). Інтенсивність теплового потоку (теплова потужність) вимірюється у ватах (Вт, кВт, МВт). Несистемною одиницею є калорія за хвилину (або годину). Співвідношення між несистемними одиницями та одиницями СІ наступні: 1 Дж = 4,19 кал, 1Вт = 0,86 ккал/год.
Розглянемо докладніше тепловий баланс теплиці. На тепловий режим повітряного середовища впливають різні теплові потоки (рис. 23):
Позитивні теплові потоки: сонячна радіація Qnp, що проникає. c.p, тепловіддача системи опалення – Q0T;
Негативні теплові потоки: втрати тепла через огорожу - (Qorp, втрати тепла через нещільність в огорожі (інфільтрація) - QMHct>, втрати тепла внаслідок регульованого повітрообміну (вентиляція) - QBeHT-
Знакоперемінні теплові потоки: теплообмін із ґрунтом - Qn04B теплообмін із рослинами - Q,
Залежно від цілей і необхідної точності розрахунків у кожному конкретному випадку тепловий баланс включають всі або кілька складових. Наприклад, при розрахунку необхідної теплопродуктивності системи опалення виключають складову сонячної радіації, оскільки розрахунок ведуть для холодного періоду доби - ночі. При розрахунках систем вентиляції не враховують тепловіддачу системи опалення, оскільки режим вентиляції здійснюється в основному в літній період при відключеному опаленні.
Проникаюча сонячна радіація. У довідковій літературі про клімат наводяться відомості про надходження сонячної радіації на горизонтальну поверхню за годину, добу, місяць та рік. Частка сонячної радіації, що проникає в теплицю, залежить від пори року, географічного положення, конструктивних особливостей споруд та чистоти світлопрозорого огородження. Ця сукупність факторів характеризується коефіцієнтом проникності (Кпр) для нових теплиць, значення якого в залежності від пори року наступні:
Проникаюча сонячна радіація, МДж, визначається так: Qnp. c.p - KnpQc. pST,(l)
Де Кпр – коефіцієнт проникності; (Qcp - сонячнарадіація на горизонтальну поверхню, МДж/м2; ST – площа теплиці, м2.
Тепловіддача системи опалення. Значення теплових потоків від теплотехнічного обладнання залежить від площі теплообмінних поверхонь, температурного перепаду та інтенсивності теплообміну, що визначається коефіцієнтом теплопередачі. У загальному випадку тепловіддачі, кВт визначається за наступною формулою:
QoT=KOTSOT(tOT. порівн - tBH>1000,(2)
Де Кіт - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2*°С), який приймається для гладких труб рівним 12 Вт/(м2*°С), для водяних калориферів - 25 Вт/(м2-°С); S0T – поверхня опалювальних приладів, м2; t0TiCp - середня температура опалювальних приладів, що дорівнює середньому арифметичному значенню температур на вході в теплообмінне обладнання та виході з нього, °С; Гвн – температура повітря в теплиці, С.
Втрата тепла через огорожу. Будь-яка споруда втрачає тепло через теплопередачу через огорожу, регульований та нерегульований повітрообмін. Найбільші втрати тепла, особливо в зимовий час, спостерігаються через елементи огородження. Теплопередача, кВт, пропорційна площі огорожі, температурному перепаду та теплофізичним властивостям матеріалу покриття:
Де Qorp тепловтрати через огорожу, кВт; Когр - коефіцієнт огорожі, що є відношенням площі огорожі до інвентарної площі, Когр приймається рівним 1,3 для типових блокових теплиць і 1,5 для ангарних, для індивідуальних проектів теплиць Когр розраховується; Кт - коефіцієнт теплопередачі, що характеризує теплофізичні властивості матеріалу покриття та умови теплообміну, Вт приймається рівним 6,4 Вт/(м2*°С) для скла та 7,5 Вт/(м2*С) для плівкових теплиць, для подвійного скляного огородження Кт = 3,3 Вт/(м2*°С), для подвійного плівкового огородження Кт=4,6Вт/(м*°С); ST – площа споруди, м2; tBH, tH - температури всередині та зовні теплиці, °С.
Втрати тепла внаслідок інфільтрації. Тепловтрати, пов'язані з нерегульованими повітрообміном та вентиляцією теплиці, як правило, визначаються досвідченим шляхом, оскільки методи розрахунку цих складових досить складні та трудомісткі.
Втрати тепла, зумовлені проникненням холодного повітря через нещільність в огородження (інфільтрацією), на підставі експериментальних досліджень розраховуються в залежності від тепловтрат через огородження та становлять у середньому 20% тепловтрат через огородження:
Теплообмін із навколишнім середовищем через вентиляційні отвори. Втрати тепла через фрамуги, кВт, залежать від площі фрамуг, швидкості руху повітря у вентиляційних отворах та різниці температур повітря всередині та зовні теплиці:
Де 1-і - коефіцієнт витрати через систему вентиляції, що дорівнює 0,65; S – площа припливних або витяжних отворів, м2; v - швидкість руху повітря у вентиляційних отворах, м/с; ув – щільність повітря, кг/м3; tBH, tH - температури всередині та зовні теплиці, С; Св - теплоємність повітря, кДж/кг.
При розрахунку систем вентиляції теплиць вважають, що повітрообмін викликається лише гравітаційним фактором, вплив вітру не враховують. Швидкість руху повітря, м/с, у вентиляційних отворах визначають наступним чином:
Де g – прискорення вільного падіння, м/с2; h – висота теплиці, м; ун, Ун щільність повітря всередині та зовні теплиці, кг/м3.
Теплообмін з рослинами та ґрунтом. Температура повітряного середовища теплиці залежить не тільки від впливу сонячної радіації та систем опалення та вентиляції, а й від взаємодії повітряного середовища з ґрунтом та рослинами. І ґрунт, і рослини в основному взаємодіють із повітрямшляхом конвективного теплообміну та випаровування вологи, причому внаслідок невеликої різниці температур між ґрунтом і повітрям, з одного боку, і рослинами та повітрям, з іншого, теплообмін шляхом випаровування значно перевищує конвективну складову.
Конвективний теплообмін обчислюють за формулою
QK = aS (t-tBH) * 1000, (7)
Де QK - тепловий потік з рослин або ґрунту, кВт; а - коефіцієнт тепловіддачі поверхні рослин чи ґрунту, а = 5-гб Вт/(м2*°С); S - поверхня рослин або ґрунту, м2; t - температура рослин або ґрунту, С; tBH - температура повітря у теплиці, °С.
Теплообмін шляхом транспірації (випаровування води листям рослин) та випаровування вологи з ґрунту розраховується за формулою
Де г – теплота пароутворення, г = 2257 кДж/кг; т - швидкість транспірації, m = 0,03-1-0,3 г/(м2*с); S - площа рослин або ґрунту, м2.