Метод расчета и проектирования солнечной теплицы для региона Сибири

Тепличное производство в настоящее время развивается как динамичная и эффективная отрасль сельского хозяйства, имеющая большое значение для снабжения населения свежими и богатыми витаминами овощами, когда из открытого грунта не поступает продукция.

Особенно актуально использование продуктов тепличных хозяйств в странах с суровыми климатическими условиями, к которым относятся большинство регионов России. Мировые тенденции развития тепличного производства указывают на практически повсеместный переход способам выращивания растений в закрытом грунте, использованию новых конструкций, материалов и энергосберегающих технологий.

Так например в Северном Китае более 263 тыс. га солнечных теплиц, гдевыращиваются 90% зимних овощей. Научные разработки и инновации в этой области поддерживаются как на государственном уровне, так и в частном порядке заинтересованными компаниями [72].

По данным диетологов из московского НИИ Питания, каждый житель России должен потреблять не менее 87,6 кг овощей в год. С учетом климатических условий, минимум 13 кг овощей из этого количества должны выращиваться в теплицах.

Для обеспечения минимальной медицинской нормы потребления свежих тепличных овощей, годовой валовой сбор овощной продукции защищенного грунта в России должен составлять около 1,9 млн. тонн. В то же время, реальное отечественное тепличное производство дает только около' 630 тысяч тонн овощей в год [6].

В холодном климате, значительное количество дополнительного тепла необходимо теплицам в зимний сезон. Согласно Комиссии Европейского экономического сообщества, больше 75% тепловой энергии в сельском хозяйстве в северных странах затрачивается на отопление теплиц. Это говорит о том, что сокращение потребления топлива на отопление теплиц является первостепенной значимостью существования тепличного хозяйства в будущем [78]. Главная проблема производства внесезонных овощей — их высокая себестоимость вследствие значительных затрат на энергоресурсы. Удельный вес энергозатрат достигает от 40% до 60% в структуре себестоимости овощной продукции закрытого грунта. В холодный период года, у тепличных хозяйств, расположенных в северных широтах, этот показатель достигает 70%-80% в структуре себестоимости.

Расход газа на 1 кг тепличной продукции в России составляет от 3 до 5,5 куб. м, в отдельных случаях — до 6 куб.м. Согласно указу «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности Российской экономики» к 2020 году энергоемкость валового внутреннего продукта Российской Федерации по отношению к 2007 году должна снизиться не менее чем на 40 процентов за счет обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов. В этом случае государственный закон говорит о поддержке и стимулировании реализации проектов по использованию возобновляемых источников энергии и экологически чистых производственных технологий [76], в первую очередь касается агропромышленного комплекса, где защищенный грунт должен решать важную народнохозяйственную проблему снабжения населения свежими овощами и зелеными культурами в поздне-осенний, зимний и весенне-летний периоды.

В настоящее время во многих странах защищенный грунт лидирует в производстве овощей, в то время как в нашей стране площади культивационных сооружений продолжают сокращаться.

Из всех видов ВИЭ наибольшее развитие в мире получило преобразование солнечной энергии в тепло невысокого потенциала, достаточного, однако, для горячего водоснабжения и отопления.

Использование солнечной энергии для теплоснабжения позволит: — замещать от 20 до 60% тепловой нагрузки объектов сельского хозяйства в зависимости от климатического расположения;

— исключить затраты на доставку органического топлива (что важно для удаленных потребителей);

— предотвратить загрязнение окружающей среды и сельскохозяйственной продукции.

Основой развития отрасли овощеводства защищенного грунта в Сибири является обеспечение высокопродуктивной витаминной продукцией населения, в том числе и северных районах региона.

В целом по стране в 90—е годы 20-го столетия площадь зимних теплиц составила 4500 га. В настоящее время защищенный грунт Российской Федерации (2009 г.) составляет 2486- га. По данным Росстата производство продукции в защищенном" грунте снижается. В 2009 г. производство составило 595 тыс. т., однако это составляет лишь около 20% медицинской нормы потребления.

С 19 904 г. и по настоящее время отрасль защищенного грунта находится в упадке. Происходит износ основных фондов старых теплиц на 80−85%- идет ежегодное сокращение используемых производственных площадей. К настоящему времени сохранилось 1800 га зимних стеклянных теплиц, из них в Сибирском федеральном округе 125,8 га — 7% от общего числа. Только 250a га из общего-количества можно назвать современными, в Сибирском округе таких теплиц всего 1,7,8 га., где производится около 50 тыс. тонн, овощей. На одного человека приходится менее 4 кг, при" медицинской норме — 13 кг, т. е. всего 30%. Ежегодно в регион завозится до 15 тыс. т овощной продукции защищенного грунта из других регионов страны и импортных овощей [4]. k Для максимального обеспечения населения экологически безопасными с* овощами во внесезонный период необходимо строительство новых современных энергосберегающих теплиц, позволяющих обеспечивать показатели урожайности овощных культур в 2,5 раза выше, чем существующие. Удельный вес стоимости энергоносителей в структуре затрат на производство овощей доходят до 55%, а цены на энергоносители за последние 10 лет возросли в 4,5 раза, что является сдерживающим фактором дальнейшего развития тепличных предприятий.

Низкопотенциальное солнечное тепло можно широко использовать для отопления и горячего водоснабжения теплиц, жилых домов. Однако до настоящего времени оно не используется в крупном масштабе на промышленной основе. Главная причина в прерывистости солнечной радиации (зависит от облачности небосвода, широты места, времени года и других факторов), но ее можно сглаживать аккумуляторами солнечной энергии. Аккумулирование солнечной энергии в виде тепла и холода широко используется для создания сглаженного температурно-влажностного режима в жилых зданиях, что дает возможность в среднем на 40−60% экономить топливо.

Необходимо отметить особую роль в экономии тепловой энергии (затрачиваемой на теплоснабжение зданий) исследований, направленных на разработку пассивных солнечных систем (ПСС). В России опыт создания ПСС крайне ограничен. За рубежом же очень активно ведутся работы по использованию ПСС, так по данным Евростата [12] к 2010 г. предполагается в странах-членах ЕС, довести потребление солнечной энергии за счет: ПСС до 24 млн. тонн нефтяного эквивалента (т.н.э.) — 2,2% о обшего использования энергоресурсов.

Как правило, в тепловых аккумуляторах тепла (ТА) ПСС применяются традиционные строительные материалы: галька, щебень. Их обычно называют аккумуляторами емкостного типа. Теплообмен и аэродинамические процессы в подобных конструкциях аккумулирования исследованы доста-точно подробно [10,14,19] .Исследования по использованию насад очных (галечных) аккумуляторов теплоты для систем солнечного отопления, проведенные как у нас [23,94], так и за рубежом[40,70], показывают, что насадка из галечника при низкой стоимости обладает рядом технических преимуществ: аккумулирует как тепло, так и холодимеет значительную тепловоспринимающую поверхностьсочетает в одном агрегате теплообменник и ТА.

Однако галечный аккумулятор по сравнению с водяным при одинаковой энергоемкости имеет в 3 раза больший объем. Эффективность ТА емкостного типа можно повысить с использованием пористых материалов для насадки, таких как активированный уголь, силикагели, искусственные и природные цеолиты, обладающих гораздо большей удельной поверхностью и следовательно большим тепловым эффектом.

Объем использования энергетического потенциала солнечной энергии в теплицах можно значительно расширить за счет следующего" технического решения: широкого применения 11СС с сочетании с активными солнечными системами и энергоэффективными тепловыми аккумуляторами.

В связи с чем была поставлена: Цель диссертационной работы — разработка энергоэффективной солнечной теплицы для выращивания экологически чистых овощей и снижения потребления органического топлива;

Объектом исследования являются, технологические процессы: теплоснабжение теплиц и свойства теплоаккумулирующих материалов.

Предмет исследования — закономерности, связывающие параметры систем солнечного теплоснабжения теплиц с показателями энергетической, экологической и экономической эффективности.

Для достижения поставленной в работе цели исследования сформулированы следующие задачи:

1.Провести анализ современного состояния использования солнечной энергии для отопления теплиц в условиях климата северных широт.

2.Разработать математическую модель солнечной теплицы.

3-Разработать опытные образцы. солнечных коллекторов с теплоносителем воздух и тепловых аккумуляторов с насадками галька и цеолиты, а также экспериментальные установки для снятия их теплотехнических характеристик.

4.Разработать методики экспериментальныхисследований и определения теплотехнических и энергетических характеристик опытных образцов гелиотехнического оборудования.

5.Провести технико-экономическую: оценку эффективности основных результатов исследований.

Методы исследований:. Методы, теории вероятностей и математической статистики, теория активного планирования эксперимента, системный анализ и имитационное моделирование.

Исследования, на основе которых выполнена работа, проведены:

— В ОАО «Институт солнечной энергетики»:

— но Распоряжению? Министерстванауки и технологий РФ № 1644Ф от 21 октября 1999 г. «Разработка макетных образцов' солнечного коллектора, свободно — поточной гидротурбины, проекта солнечной теплицы».

— по Госконтракту 2.21.4 «Разработка и изготовление опытных образцов солнечных коллекторов (СК) с теплоносителем вода и воздух на базе, композитов из местного сырья иотходов производства» (2000;2001гг.), выполненной на основании Федеральной Программы социально-экономическогоразвития. РБ (Постановление Правительства РФ от 15.04.: 1996 г.№ 442).

— по контракту с ЕК 12 012 relating to project «Renewable energy certificates as instrument: tomonitor and stimulate RE development in Russia (зеленые сертификаты как инструмент для мониторинга возобновляемой: энергии и стимулирования развития возобновляемой энергетики в России» (2005—2006 гг.).

— по контракту с ФГУП ФЦГС «Экология» «Подготовка перечня объектов возобновляемых источников энергии с указанием их предварительных технических и экономических характеристик и плана их строительства на Байкальской природной территории» в рамках подготовкиРоссийской программы развития ВИЭ (№ 03 — РПРВИЭ — 06/2006).

Научную новизну исследований представляют:

— метод расчета энергоэффективной солнечной теплицы, заключающийся в оптимально сконструированной форме конструкции всех элементов теплицы;

— теоретические исследования теплоаккумулирующих пористых насадок, позволяющие определить наиболее оптимальный режим аккумуляции тепла в насадках при заданных значениях массового расхода воздуха О и скорости V для различных сочетаний параметров слоя;

— уравнение, учитывающее влияние семи переменных на количество аккумулируемого тепла;

— экспериментальные исследования солнечныхколлекторов, тепловых аккумуляторов с различными теплоаккумулируюгцими насадками.

Практическую значимость работы представляют:

— методика расчета эффективности функционирования солнечных теплиц с-пассивными солнечными. системами;

— методика расчёта энергоэффективности тепловых аккумуляторов (ТА) с различными параметрами насадки, геометрией слоя, скоростями движения теплоносителя и удельной теплоёмкостью;

— гибридные солнечные коллекторы с теплоносителем «вода-воздух»,-тепловые аккумуляторы с ТАН галька и цеолиты.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертационной работы докладывались на международных и российских научных конференциях: всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в 21 веке. Актуальные вопросы и стратегические ориентиры» (Москва, 2002) — международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, 1998) — международных научных конференциях «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2001,2003, 2008) — международном симпозиуме «Экологические и инженерно-экономические аспекты жизнеобеспечения» (Ганновер 2008, 2010) — VI международной конференции «Возобновляемая и малая энергетика -2009» (Москва, 2009).

Реализация результатов исследования.

Разработанное учебное пособие «Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Расчет энергетических показателей» допущено УМО вузов по агроинженерному образованию в качестве учебного пособия для студентов. вузов по специальности 311 400 — «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

Разработанные опытные образцы солнечных коллекторов. (СК) по Распоряжению Министерства науки и технологий РФ № 1644Ф от 21.10. 1999 г. и по Госконтракту 2.21.4 «Разработка и изготовление опытных образцов СК с теплоносителем вода и воздух на базе композитов из местногосырья и отходов производства» были внедрены как солнечные: установки для ГВС фермерских хозяйств в Закаменском, Кижингинском, Иволгинском районах РБдушевой в пансионате «Колос» на берегу оз. Байкалприставки к электрокотельной профилактория Бурятэнерго.

На защиту выносятся следующие положения:

1.Метод оптимизации формы конструкции теплицы, обеспечивающей максимальный приход солнечной радиации в теплицу.

2.Результаты теплопроизводительности теплицы с пассивными солнечными' системами для отопления и солнечным коллектором для ГВС.

3.Результаты энергоэффективности тепловых аккумуляторов теплоаккуму-лирующей пористой насадкой и ночным тепловым экраном светопрозрачного покрытия.

4.Метод расчета и проектирования энергоэффективной солнечной теплицы.

Выводы по главе III.

1. Разработаны методики испытаний гибридного солнечного коллектора с теплоносителем «вода — воздух» и экспериментального определения их теплотехнических характеристик на созданных опытных образцах.

В результате испытаний получены уравнения кривой КПД гибридного СК: щ =0,685 — 4,08 Т в режиме воздухонагревателя jj = tj0- F? lUl ¦ Тж = 0,64 — 4,85 • Т* в режиме водонагревателя.

2.Получены на экспериментальных установках ЭУ-1 и ЭУ-2 гидравлические характеристики — количественные зависимости:

— аэродинамического сопротивления рабочей камеры СК от критерия Re.

— потерь давления АРК в рабочей камере СК от объемного расхода воздуха.

— аэродинамического сопротивленияТАН от скорости прохождения воды;

3. Определены коффициенты формы зерна ТАН: цеолиты" - у/ц=2,14- «галька» — у/г=1,12;

4. Разработаны методики определения гидравлических характеристик ТАН По данным эксперимента получено уравнение температуры выходящего воздуха Твых в режиме разрядки:

ТвЬ1Х=3,63(0,332Тшс-0,057Тнар)-галька-ТвЬ1Х =2,27(0,497Тиас-0,(7Тнар) -цеолитыВ режиме зарядки температура насадки выражается. уравнен иями: Тнас = 1,19Тнас0+0,19Твх — галькаТнас = 1,13Тнас0+0,13Твх — цеолиты.

5. Больший температурный перепад получен для ТАН- «цеолиты"(АТ = 4.3 Кэксп., 4.5 К — расч.), ТАН галька {АТ = 3.0 К-эксп.- 3.2 К — расч.). Экспериментальные и расчетные данные дают расхождение в пределах 4%.

6. Установлено в солнечной теплице с тепловым экраном:

— температурный перепад в марте на 20 °C больше, чем в обычной теплице.

— ежедневное аккумулирование энергии в стене ПСС составило: — в феврале 2370 кДж/м2 или 47,4 МДж, отдача тепловой энергии — 40 МДж.

— на внутреннюю температуру влияет больше солнечное излучение, чем наружная температура.

Данные среднемесячных нагрузок Ьот и Ьвешп приведены в таблице 4.2. В таблице 4.3. приведены среднемесячные значения вн, наружного воздуха по ст. Иволгинск РБ и расчетные данные производительности вентиляторов и мощности <2воу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа представляет законченное исследование, в котором дано научно-техническое решение важной научно-технической задачи создания энергоэффективной солнечной теплицы для производства экологически чистых овощей. Проведенные исследования позволили сформулировать основные выводы и рекомендации:

1. Разработанная оптимальная форма конструкции солнечной теплицы обеспечивает максимальный приход солнечной радиации в отопительный период, что позволяет эффективно использовать пассивные солнечные системы (ПСС) для теплоснабжения теплиц в условиях Сибири и выращивать ранневесенние и позднеосенние экологически чистые овощи .

2. Разработанная методика определения теплопроизводительности теплицы с ПСС для условий Забайкалья может рекомендована в регионе1 Сибири с аналогичными климатическими условиями до 7000 градусо-дней отопительного периода и приходом солнечной радиации, отличной до 10%. г.

3. Разработанный метод расчета энергоэффективности тепловых аккумуляторов (ТА) с теплоаккумулирующими насадками (ТАН) позволил получить впервые уравнение, учитывающее влияние 7 переменных на количество-аккумулируемого тепла с оптимизацией аккумуляции тепла в насадках.

Уравнение позволяет также рассчитать оптимальную геометрию слоя: высоту Н, поперечное сечение аккумулятора Е, что ранее в уравнениях энергетического баланса не учитывалось.

4. Разработанный гибридный солнечный коллектор (СК) с теплоносителем «водавоздух» и полученные теплотехнические и гидравлические характеристики в режиме водо — и воздухонагревателя позволяют эксплуатировать СК круглый год.

5. Разработанные методики определения гидравлической и теплообменной характеристик ТА с ТАН галька и цеолиты позволили экспериментально получить уравнения температуры выходящего воздуха Тных и температуру насадок Тнас в режимах — а) разрядки и — б) зарядки (аккумулирования): ъ) Твых=2,27(0,5Тиас-0,057Тнар) — цеолиты и ТвЬ1Х=3,63(0,332Тнас-0,057Тиар)-галька б) Тнас =7,13Тнас0+0,13Твх — цеолиты и Тнас =1,19Тнас0+0,19Твх — галька.

6. Получены показатели энергетического эффекта ПСС для теплоснабжения теплицы и подпочвенного аккумулятора :

— коэффициент замещения Г нагрузки ГВС гибридными СК площадью 10 м² в режиме нагрева воды для полива составил 0.6(37ГДж) на 20% больше, чем Юм2 СК «Сокол» 0.4 (24.54Гдж) .

— для аккумулирования тепла на одни сутки в подпочвенном слое теплицы необходим ТА с насадкой галька объемом 5 м³, а с насадкой цеолиты 2.8 м3, энергетическая эффективность ТА с насадкой цеолиты в 1.7 раза выше галечного.

7. Достигнуто: экономия 51 419 кВт"ч тепловой энергии из 52 249,4 потребной — снижение себестоимости выработки тепловой энергии ПСС в 2 раза ниже по сравнению с тепловой энергией, вырабатываемой традиционным котлом на углеснижение выбросов углекислого газа в 4 раза, что подтверждает высокую экологическую эффективность солнечной теплицы.