Теплицы — биолого-теплотехнические устройства, и они могут быть весьма существенно усовершенствованы, если их превратить в солнечные теплицы.
Содержание
Обычная теплица
Использование
Постоянно возрастает производство овощей в закрытом грунте — парниках и теплицах. В скандинавских странах, Голландии, ФРГ потребление энергии в теплицах составляет 1–1,5% общенационального энергопотребления и достигает 20–35% общего потребления энергии в сельском хозяйстве.
Солнечная энергия в обычной теплице используется главным образом для процесса фотосинтеза, при котором растения поглощают и аккумулируют до 10% энергии падающего солнечного излучения. При этом из диоксида углерода и воды под действием солнечного света образуются углеводы и молекулярный кислород. Из молекул углеводов образуются органические вещества, необходимые для жизни и роста растений.
Теплопотери
В обычных теплицах из-за большой площади светопрозрачных поверхностей возникают значительные теплопотери, для компенсации которых требуется определенный расход топлива в системе отопления. Теплицы могут обогреваться горячей водой, водяным паром, нагретым воздухом, инфракрасным излучением или продуктами сгорания топлива.
Солнечная теплица
Различают два типа солнечных теплиц:
- пристроенные к южной стене дома;
- отдельно стоящие гелиотеплицы.
Пристроенные теплицы
На рис. показаны различные геометрические формы пристроенных солнечных теплиц. Они различаются по степени использования солнечного излучения, по возможности наиболее рационального использования внутреннего пространства и, соответственно, по конструкции.
Форма пристроенных к зданию солнечных теплиц:
Угол наклона южной остекленной поверхности к горизонту зависит от широты местности и для средней полосы России может приниматься равным 50–60°, при этом угол наклона крыши 20–35°. Оптимальное отношение площади поверхности грунта к площади светопрозрачной поверхности составляет 1:1,5. При этом обеспечивается оптимальный энергетический баланс, то есть разность между улавливаемой солнечной энергией и теплопотерями, и хорошее использование внутреннего пространства. При вертикальном расположении передней стенки не обеспечивается максимальное улавливание солнечной энергии.
Следует иметь в виду, что пристроенная к дому (или встроенная в дом) солнечная теплица является его частью и все сооружение воспринимается как единое целое, поэтому, значение имеет общая архитектура.
Одной из наиболее удачных конструкций солнечных домов с гелиотеплицей, является дом Д. Балкомба в Санта Фе (Нью-Мексико, США). Подобную конструкцию имеет весьма интересный дом Чемпионов в Недерланд (Колорадо, США). В обоих случаях для улавливания солнечной энергии использована гелиотеплица в виде двухсветного двустенного атриума.
Отдельно стоящие теплицы
Конструкция отдельно стоящей гелиотеплицы
Отдельно стоящая солнечная теплица:
Южная сторона теплицы имеет прозрачную изоляцию, опирающуюся на стенку. Северная стенка и крыша выполнены из непрозрачных строительных материалов и изнутри покрыты слоем тепловой изоляции. Для уменьшения теплопотерь необходимо теплоизолировать также стенку и наружную поверхность фундамента. У северной стенки в теплице размещается тепловой аккумулятор, например, ряд бочек или канистр с водой. Оптимальные значения углов наклона поверхностей выбираются по максимальному углу высоты Солнца в зимние месяцы для данного района.
Солнечная теплица должна иметь оптимальное расположение: ее устанавливают на ровном незатеняемом месте с естественной защитой от ветра, например, с помощью кустарников или забора с северной стороны. Для максимального улавливания солнечной энергии конек крыши необходимо ориентировать вдоль оси восток-запад.
Вариант гелиотеплицы с галечным аккумулятором теплоты
Солнечная теплица с галечным аккумулятором теплоты:
Внутренняя поверхность северной стенки имеет отражательное покрытие, т.е. окрашена белой матовой краской. Это обеспечивает лучшую освещенность теплицы и уменьшает теплопотери.
При хорошей теплоизоляции северной стены теплопотребление теплицы снижается в 2 раза. Во избежание неконтролируемого воздухообмена должны быть тщательно уплотнены двери, окна, фрамуги вентиляционных отверстий. Однако кратность воздухообмена не должна быть ниже 0,5–1 ч, так как для жизнедеятельности и людей и растений необходим приток свежего воздуха.
Пути снижения теплопотерь
При создании солнечной теплицы, прежде всего, нужно позаботиться о существенном снижении теплопотерь за счет применения теплоизоляции. Кроме того, необходимо обеспечить улавливание максимально возможного количества солнечной энергии и аккумулирование избыточной теплоты.
Принцип работы гелиотеплицы
Сама солнечная теплица служит пассивной солнечной отопительной системой. Для повышения ее эффективности необходимо использовать аккумулятор теплоты.
На рис.показана схема солнечной теплицы с двойным остеклением, теплоизолированной северной стенкой, имеющий отражательное покрытие на внутренней поверхности, и грунтовым аккумулятором теплоты.
Обычная пленочная солнечная теплица может иметь подпочвенный аккумулятор теплоты.
Теплица имеет площадь 500 м², а аккумулятор расположен под теплицей на глубине 0,5 м, выполнен в виде ямы шириной 5,4, длиной 80 и глубиной 1,2 м, которая заполнена кусками гранита размером 150–200 мм. Аккумулятор имеет кирпичные каналы, сообщающиеся с теплицей трубами диаметром 350 мм. В одном канале установлен вентилятор мощностью 0,1 кВт.
Пленочная солнечная теплица с грунтовым аккумулятором теплоты:
Теплый воздух из солнечной теплицы проходит по первому каналу, отдает часть теплоты аккумулятору и затем возвращается через второй канал к вентилятору. Днем аккумулятор заряжается теплотой, а ночью разряжается. Годовая экономия топлива составляет 400–500 т условного топлива на 1 га обрабатываемой площади.
Расход энергии в солнечных теплицах уменьшается при применении двойного остекления, подвижной защитной тепловой изоляции и усовершенствовании солнечных установок.
Аккумулирование теплоты наиболее целесообразно осуществлять в грунте под солнечной теплицей. Для этого днем нагретая в солнечном коллекторе вода пропускается по системе пластмассовых труб, уложенных в грунт на небольшой глубине, и при этом происходит зарядка аккумулятора теплоты. Для использования аккумулированной теплоты в ночное время в трубы подается холодная вода; нагреваясь, она направляется на обогрев гелиотеплицы либо непосредственно, либо после дополнительного подогрева.
Для теплоизоляции непрозрачных поверхностей ограждающих конструкций используются различные материалы:
- минеральная вата;
- пенополистирол;
- прессованная солома;
- опилки;
- стружка.
В качестве материала светопрозрачной изоляции используются:
- стекло;
- полимерная пленка;
- листы прозрачной пластмассы.
Для предотвращения запотевания (выпадения конденсата) на светопрозрачной изоляции следует уменьшить коэффициент теплопотерь применением двухслойной светопрозрачной изоляции.
Вентиляция
Снижение влажности воздуха и температуры достигается благодаря вентиляции солнечной теплицы, которая обеспечивает также и газообмен. При естественной вентиляции воздухообмен зависит от площади и расположения вентиляционных отверстий с клапанами. Для свободно стоящей гелиотеплицы эти отверстия должны лежать в направлении преобладающих ветров, чтобы с увеличением скорости ветра увеличивался воздухообмен. Площадь отверстий должна составлять приблизительно 1/6 площади теплицы, причем площадь нижних отверстий для входа воздуха должна быть на 1/3 меньше площади выпускных отверстий, а разность их отметок по высоте должна составлять не менее 1,8 м.
Защита от перегрева летом
Летом в солнечной теплице может возникать непереносимая жара. Для предупреждения перегрева в теплице должна быть достаточная масса теплоаккумулирующего материала, должен быть обеспечен хороший воздухообмен и предусмотрено затенение теплицы, что значительно снижает температуру воздуха и растений и интенсивность лучистого теплообмена. Объем аккумулятора теплоты (водяного, галечного, грунтового), площадь остекленных поверхностей и толщина теплоизоляции определяются расчетным путем с учетом климатических данных.
В туннельных гелиотеплицах могут использоваться плоские коллекторы солнечной энергии и грунтовые аккумуляторы теплоты с пластмассовыми трубами, проложенными в грунте для циркуляции нагретого или холодного воздуха. В одном из вариантов может быть предусмотрена система впрыска нагретой воды в теплицу, благодаря чему обеспечивается требуемый температурно-влажностный режим.
Заключение
В регионах с достаточным количеством солнечных дней использование гелиотеплиц в фермерских хозяйствах экономически целесообразно. При сравнении с неотапливаемой теплицей при использовании солнечной отопительной системы температура воздуха на 3–8°С выше.
Эффективность солнечной теплицы значительно возрастает при применении теплового насоса, отбирающего теплоту у грунта, грунтовых вод или наружного воздуха.
Комментарии