Теплотехнический расчет систем тепловлажностной обработки воздуха в гелиотеплицах с водовоздушным солнечным коллектором

DOI: 10.32743/UniTech.2021.84.3-4.25-31

АННОТАЦИЯ

В статье предложена система тепловлажностной обработки приточного вентиляционного воздуха с комбинированным водовоздушным солнечным коллектором. На основе теплотехнического расчета определены расходы воды на увлажнение приточного воздуха в теплый период года. Обоснован оптимальный технологический режим вентиляции для поддержания требуемого влажностного режима гелиотеплицы для выращивания тепличных огурцов в условиях южного региона Республики Узбекистан.

ABSTRACT

The article proposes a system of heat and humidity treatment of the supply ventilation air with a combined water-air solar collector. On the basis of a heat engineering calculation, the water consumption for humidification of the supply air in the warm season was determined. The optimal technological ventilation mode has been substantiated to maintain the required humidity regime of the solar greenhouse for growing greenhouse cucumbers in the southern region of the Republic of Uzbekistan.

Ключевые слова: Гелиотеплица, температура воздуха, система вентиляции, расход энергии, относительная влажность воздуха, влагосодержание, расход влаги.

Keywords: Solar greenhouse, air temperature, ventilation system, energy consumption, relative air humidity, moisture content, moisture consumption.

Введение. Технологические процессы в системах тепловлажностной обработки воздуха (ТВОВ) в тепличных комплексах и сооружениях защищенного грунта являются энергоемкими. В практике эксплуатации тепличных комплексов в структуре себестоимости продукции стоимость энергоносителей достигает 50-60% [1,2,3].

 Необходимость подогрева воздуха в системах ТВОВ теплиц требует колоссального количества тепловой энергии особенно при низких температурах окружающего воздуха. Для получения тепла большинство тепличных хозяйств используют котельные, в которых первичный энергоноситель (газ, мазут, уголь и др.) сжигают только для того, чтобы получить тепловую энергию для обогрева. Расход электрической энергии для электроснабжения технологического оборудования теплиц (насосное и вентиляционное, холодильное оборудование, транспортеры и т.д.), также повышает себестоимости тепличной продукции [4,5].

Солнечная теплица – это сложная энергетическая система, которая преобразует падающее солнечное излучение в тепловую для поддержания внутреннего микроклимата. Микроклимат, т.е. температурно-влажностной режим гелиотеплицы зависит от падающий солнечной радиации, температуры и влажности наружного воздуха, которые изменяются во времени. Тепловлажностной режим теплицы поддерживается системами отопления, вентиляции и увлажнения, также являются энергоемкими процессами.

Эксплуатация гелитеплиц в теплый период года для выращивания растений затруднена из-за перегрева внутреннего воздуха в них вследствие повышенной интенсивности солнечной радиации. Потери тепличного продукта в этот период года могут достигать 50-80%, а иногда происходит гибель растений [6]. Поэтому создание и поддержание оптимальных температурно-влажностных параметров в гелиотеплицах в теплый период года, особенно в местах жарким-сухим климатом наиболее эффективно систем снятия перегрева в объеме сооружения при минимальном использованием традиционных источников энергии.

В целом энергопотребление 1 га теплицы составляет около 1 МВт электроэнергии и 2 МВт тепла. Принимая во внимание высокую удельную стоимость энергоносителей в цене продукции, существенного снижения себестоимости продукта и увеличения прибыльности, можно достичь лишь уменьшением энергетических затратов [7,8].

Целью данной работы является произвести теплотехнический расчет систем ТВОВ в условиях жаркого-сухого климата и определить требуемой влаги для увлажнения воздуха теплицы.

Методы. На основе проведенных многолетних исследований, нами разработана опытная гелиотеплица с полезной площадью 100 м² (рис.1.). Опытная гелиотеплица имеет следующие геометрические размеры: ширина - 6 м; длина - 18 м, объем - V=300 м³. Разработанная опытная гелиотеплица содержит системы традиционной отопления с водогрейным котлом и дополнительно установленной системой тепловлажностной обработки приточного вентиляционного воздуха (СТВОВ). Система ТВОВ выполняет функции вентиляции, подогрева и увлажнения приточного вентиляционного воздуха [9-24].

На опытной гелиотеплице в условиях города Карши проведены экспериментальные исследовании по изучению температурно-влажностного режима теплицы в теплый период года (март-май). Проведенные исследовании показали, что температура в теплице в этом периоде достигает до 25-40 ⁰С, которую необходимо уменьшить для снятия перегрева внутреннего воздуха (рис.2).

В зимних условиях температуру внутреннего воздуха необходимо поддерживать не ниже 18 ⁰С, в этот период требуется подогрев воздуха или включение системы отопления.

Исследован энергетический баланс опытной гелиотеплицы и выявлены основные составляющие расходов энергии (рис.3.). Как видно из рис.3. на обеспечение требуемого тепловлажностного режима гелиотеплицы на системах ТВОВ расходуется до 19-20 % тепловой энергии.

а)

б)

Рисунок 1. Схема опытной теплицы с полезной площадью 100 м²

Анализ температурного режима опытной гелиотеплицы в теплый период года показывает, что весной за счет перегрева внутреннего воздуха (∆t_пер=t_вн-t_опт) теплиц требуется увлажнение и охлаждение приточного вентиляционного воздуха (рис.2.).

Рисунок 2 . График изменения температуры наружного воздуха (t_н) и внутреннего воздуха в теплице (t_вн)

Тепловая нагрузка на системе отопления опытной теплицы определена по формуле [11]:

;                                           (1)

где, - удельная тепловая потеря в теплице; F_Т – полезная площадь опытной теплицы, м²; t_в – температура внутреннего воздуха, ⁰С; t_нв - температура наружного воздуха, ⁰С; w – скорость воздуха, м/с.

При  м/с; .

Общая потеря тепловой энергии для рассматриваемой теплицы с двухпленочным покрытием: кВт.

Для теплицы с поликарбонатным прозрачным покрытием тепловая нагрузка на отопления можно определить из расчета 150÷200 Вт на 1 м² площади:

;                                                  (2)

;

Тепловая энергия для подогрева приточного вентиляционного воздуха в системах ТВОВ вычислена по формуле [10-15]:

;                                                (3)

где, Q_ВВ – расход воздуха в системе ТВОВ, в нашем случае Q_ВВ = 0,36 кг/с; =1,005 кДж/кг·⁰С [12,13]; ∆t – нагрев приточного вентиляционного воздуха, ⁰С, ∆t = 10÷15 ⁰С. Тогда тепловая энергия для подогрева приточного вентиляционного воздуха равно Q_ВВ = 3,6÷4,0 кВт.

Таким образом, тепловая энергия, требуемая для подогрева приточного вентиляционного воздуха составляет 18-20 % в общем энергетическом балансе теплиц (рис.3).

Рисунок 3. Структура энергобаланса гелиотеплицы с площадью 100 м² в условиях г.Карши

С целью экономии тепловой энергии на системах ТВОВ предусмотрен комбинированный солнечный коллектор. Комбинированный солнечный коллектор одновременно обеспечит нагревание воды и воздуха, которая требуется в системе ТВОВ (рис.4.).

Эффективность комбинированного солнечного коллектора определяли как отношение тепловой энергии, генерируемой коллектором, по отношению к энергии падающего солнечного излучения:

;                                           (4)

Тепловая энергия, полученная от солнечного коллектора, определялась как разность энергии падающего солнечного излучения с учетом оптического КПД солнечного коллектора и тепловых потерь [14,15,16];

;                               (5)

Тепло воспринятое солнечным коллектором, т.е. полезное тепло определены по формулам [17,18,19,20]:

для воды: ;                              (6)

для воздуха:       ;                  (7)

где, - объемный расход воздуха через СК, м³/с; - удельная теплоемкость воды, q_p – интегральная плотность солнечной энергии, падающая на 1 м² абсорбера солнечного коллектора; τ – коэффициент пропускания стекла; α – поглощательная способность абсорбера; F_K – площадь солнечного коллектора; U_K – коэффициент тепловых потерь коллектора; t_K – температура теплоносителя в коллекторе; t_oc – температура окружающей среды, ⁰С.

Произведенные расчеты и результаты исследования по разработанному коллектору показывает, что в условиях г.Карши при q_p = 800 Вт/м², F_кол = 2,0 м², Q_пол = 1,024 кВт и .Требуемое количество солнечных коллекторов составляет 4 шт. (8 м²).

Рисунок 4. Комбинированный водовоздушный солнечный коллектор с баком аккумулятором:

1, 2-вход и выход воды; 3, 4-вход и выход воздуха; 5-корпус бака- аккумулятора; 6-воздушный канал прямоугольного сечения; 7-водяной канал.

Результаты исследований. Расход влаги (воды) для увлажнения приточного воздуха в системах ТВОВ можно определить по следующей инженерной методике расчета.

Для теплиц, где присутствует принудительная система вентиляция, часовая производительность увлажнителя воздуха определяется по формуле:

;                                     (8)

где, W_вл – количество влаги, которое необходимо генерировать час (кг/час); G_воз – часовая производительность вентиляционной системы (м³/час); ρ_воз – плотность воздуха при нормальных условиях (кг/м³, при t=20°C и давлении 101,325 кПа); d₁ – влагосодержание приточного воздуха (г/кг); d₂ – влагосодержание воздуха после его увлажнения (г/кг); Y – поправочный коэффициент, учитывающий индивидуальные особенности помещения теплицы (объем, количество людей, техники, наличие гигроскопичных материалов и пр.). Результаты проведенных расчетов по формуле (8) и с использованием i-d диаграммы влажного воздуха приведены в таблицах 1-5.

Таблица 1.

Результаты расчетов (при t_н=25⁰С, φ_н=50%).

Таблица 2.

Результаты расчетов (при t_н=25⁰С, φ_н=40%).

Таблица 3.

Результаты расчетов (при t_н=30⁰С, φ_н=40%).

Таблица 4.

Результаты расчетов (при t_н=25⁰С, φ_н=46%).

Таблица 5.

Результаты расчетов (при t_н=30⁰С, φ_н=35%).

Таким образом, в системах ТВОВ для поддержания требуемого влажностного режима φ_в=75% для выращивания тепличных огурцов при расходе воздуха около G_в=1000 м³/ч (0,36 кг/с) требуется в среднем
2,0÷3,8 кг/ч влаги.

Суточный расход воды для систем увлажнения воздуха при производительности вентилятора G_в=1000 м³/час составляет при условиях t_н=30⁰С, φ_н=75 %.

Количество наружного воздуха G_в (м³/с), необходимое для удаления теплоизбытков из опытной теплицы можно определить по формуле:

;                                                (9)

где, Q = 4,0 кВт – избыток тепла в опытной теплице с площадью 100 м² в условиях г.Карши; с_р = 1,005 кДж/кг·⁰С – удельная теплоемкость воздуха; t_в – температура внутреннего воздуха; t_н - температура наружного приточного воздуха, ⁰С; ρ_в – плотность воздуха, ρ_в = 1,29 кг/м³ [13,14].

Для характерного дня эксплуатации теплицы требуемое количество воздуха для воздухообмена составило:

 или .

Таким образом, для опытной теплицы с площадью 100 м² требуется для увлажнения воздуха 50-56 кг воды в сутки.

При работе систем ТВОВ в период перегрева внутреннего воздуха расход воды на увлажнение воздуха (в жаркие дни) в теплице составит тонн.

Выводы:

• опыт эксплуатации теплиц в условиях сухого - жаркого климата показывает, что тепличным плодоовощным растениям требуются определенные температурные и влажностные режимы, например, для нескольких сортов огурцов температура воздуха ночью должна быть не ниже 16-18 ⁰С, а днем – 20-24 ⁰С, а относительная влажность воздуха в пределах 70-75 %;
• анализ температурно-влажностного режима существующих теплиц показывает, что в условиях жаркого - сухого климата, особенно в жаркие дни гелиотеплицы нуждаются в вентилировании воздуха, чтобы не было перегрева. Однако при непрерывной вентиляции снижается влажность воздуха, а это нарушает влажностный режим теплицы;
• составлена программа расчета параметров систем тепловлажностной обработки воздуха в теплицах (DGU № 09356 от 13.10.2020 г.), позволяющая определить основные термодинамические параметры влажного воздуха в СТВОВ;
• установлено, что в системах ТВОВ для поддержания требуемого влажностного режима φ_в=75% для выращивания тепличных огурцов при расходе воздуха около G_в=1000 м³/ч (0,36 кг/с) требуется в среднем
• 2,0÷3,8 кг/ч влаги. Суточный расход воды для систем увлажнения воздуха при производительности вентилятора G_в=1000 м³/час составляет при условиях t_н=30⁰С, φ_н=75 %, W_вл=50 кг/сут.
• исследования тепловлажностных процессов в гелиотеплицах показали, что при работе систем ТВОВ температура внутренного воздуха в период перегрева от действия повышенной солнечной радиации может быть снижена до 20 – 24  ⁰С.

Список литературы:

1. Пенджиев А.М. Термический режим в комбинированных культивационных сооружениях. // Гелиотехника, №2. – 2018, с. 47–58.
2. Кубис В.А. и др. Оценка эффективности системы воздушного отопления в теплице. //Градостроительство и архитектура. – 2014. №2(15), с.94-98.
3. Uzakov G.N. Calculation of heat engineering characteristics of a combined system of a vegetable storage facility and solar greenhouse. //Applieed Solar Energy (English translation of Geliotekhnika). 2011, №47(3), 248-251.
4. Uzakov G.N. Efficiency of joint operation of greenhouses and solar greenhouses. //Applieed Solar Energy (English translation of Geliotekhnika). 2010, №46(4), 319-320.
5. Edwin Villagran, Rommel Leon, Andrea Rodriguez. 3D Numerical Analysis of the Natural Ventilation Behavior in a Colombian Greenhouse Established in Warm Climate Conditions. // Sustainability, 2020, №12, 8101.
6. Бодров В.И., Бодров М.В. Термодинамические процессы в воздушном объеме теплиц в теплый период года. //Вестник ТГАСУ, №2. – 2010, с. 169–175.
7. Кубис В.А. Проектирование и опыт эксплуатации энергоэффективных теплиц. Пенза: ПГУАС, 2014. – 128 с.
8. Брянцева Е.В. Исследования и разработка геотермальной системы теплоснабжения жилого поселка и теплиц. //Материалы научных молодежной молодежной школы МГУ, М.: МГУ, 2008. – с. 76-83.
9. Алиярова Л.А., Узаков Г.Н., Тошмаматов Б.М. Экспериментальное исследование тепловой эффективности комбинированного солнечного коллектора для систем тепловлажностно обработки воздуха теплиц. //Фан ва технологиялар тараққиёти. – Бухоро: 2020, №6. с. 109-116.
10. Узаков Г.Н., Алиярова Л.А., Тошмаматов Б.М. Гелионагревательная система для тепловлажностной обработки воздуха в солнечных теплицах. //Фан ва технологиялар тараққиёти. – Бухоро: 2019, №4. с. 87-91.
11. Гарбуз В.М., Сасик А.В., Алексеев В.С. Метод расчета тепловых потерь теплиц. //Промышленная энергетика. – 1981. №11. с. 5-8.
12. Хрусталев Б.М. Техническая термодинамика. – Мн.: УП «Технопринт», 2004. – 487 с.
13. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Из-во МЭИ, 2008. – 416 с.
14. Даффи Дж., Бекман У. Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с английского. – Долгопрудный: «Интеллект». – 2013. - 883 с.
15. Бутузов В.А., Шетов И.Х., Брянцева Е.В., Бутузов В.В. Солнечные коллекторы. Тенденции совершенствования конструкций. // Альтернативная энергетика и экология. – 2009. - №10. – с.
16. Даффи Дж. Основы солнечной теплоэнергетики. Пер. с англ.: Учебно-справочное руководство. Издательский дом «Интеллект», 2013. – 888 с.
17. Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. Ташкент, «Фан». – 1988. – 288 с.
18. Khuzhakulov, S.M., Uzakov, G.N., Vardiyashvili, A.B. Effectiveness of solar heating systems for the regeneration of adsorbents in recessed fruit and vegetable storages. Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika), 2013, 49(4), стр. 257–260
19. Uzakov, G.N., Vardiyashvili, A.B. Intensity influence of solar radiation on shrinkage of goods in fruit and vegetable stores. Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika), 2011, 47(1), стр. 27–30
20. Kharchenko, V.V., Sychov, A.O., Uzakov, G.N. Innovative instruments for extraction of low-grade heat from surface watercourses for heating systems with heat pump. EAI/Springer Innovations in Communication and Computing, 2019, стр. 59–68.
21. Sychov, A., Kharchenko, V., Vasant, P., Uzakov, G. Application of Various Computer Tools for the Optimization of the Heat Pump Heating Systems with Extraction of Low-Grade Heat from Surface Watercourses. Advances in Intelligent Systems and Computing, 2019, 866, PP. 310–319
22. S.M. Khujakulov, G.N. Uzakov. Research of thermo moisten mode inunderground vegetable storehouses in the conditions of hot-arid climate. European science review. №11-12 PP. 164-166.
23. У.Х. Ибрагимов, Р.П. Бобоходжаев, Г.Н. Узаков, С.М. Шомуратова. Экспериментальная установка для исследования процессов гидродинамики и теплообмена в трубках теплообменника. Молодой ученый. 2013 г. №3 стр. 58-60.
24. Г.Н. Узаков, А.Т. Теймурханов, А.Б. Вардияшвили, Р.А. Захидов. Исследование теплофизических характеристик картофеля при длительном хранении в малом хранилище. Хранение и переработка сельхозсырья. 1999 г. №2 стр. 59-63.