ГЛАВА ВТОРАЯ. РАСЧЕТ И МОНТАЖ ОТОПИТЕЛЬНО-ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЕПЛИЦ
2.1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ФОРМИРОВАНИЕ КЛИМАТА ТЕПЛИЦЫ
В типовых проектах крупных промышленных теплиц системы отопления и вентиляции уже рассчитаны для конкретного климатического района и имеют вполне определенные конструктивные решения в зависимости от температуры используемого теплоносителя. Системы отопления промышленных зимних теплиц рассчитываются на поддержание Внутренней температуры +15 °С при снижении температуры наружного воздуха до -25, -35 и -40°С
При выборе соответствующего проекта теплицы для конкретного населенного пункта необходимо знать расчетные климатические характеристики местности. За расчетную температуру наружного воздуха принимают среднюю многолетнюю температуру самых холодных суток года. Правильный выбор соответствующего проекта означает, что система отопления теплицы должна быть рассчитана на температуру ниже, чем расчетная температура наружного воздуха данного района. Так, для Москвы расчетная температура наружного воздуха составляет -31 С, и это означает, что в Москве и в Московской области нужно строить теплицы с системой отопления, рассчитанной на температуру -35 °С.
Системы отопления типовых весенних пленочных теплиц рассчитываются на температуру наружного воздуха -15 ° С.
Если теплицу предприятие или индивидуальный владелец строит самостоятельно, то возникает необходимость в дополнительном расчете и конструировании систем отопления и вентиляции.
Существуют несколько методов теплотехнического расчета теплиц. Более сложные, дающие большую точность, используются в особо ответственных случаях и при проектировании принципиально новых сооружений. Во всех остальных случаях применяются упрощенные методы, которые вполне приемлемы для практических расчетов, тем более если существует аналогичное техническое решение для более крупной теплицы.
В основу всех методов теплотехнического расчета теплицы положен анализ теплового баланса, т. е. алгебраической суммы всех тепловых потоков в сооружении. В статическом режиме, т. е. в периоды, когда температуры внутри и снаружи теплицы постоянны, тепловой баланс равен нулю. В этом случае приходные составляющие потоков тепла равны расходным, в результате чего наблюдается равновесие температур. При переходных, или динамических, режимах соотношение между притоком и расходом тепла изменяется и температура в теплице; будет либо повышаться, либо понижаться в зависимости от этого отношения. Тепловые потоки, способствующие нагреванию теплицы, принято считать положительными, а тепловые потоки, вызывающие понижение температуры, — отрицательными. Одни тепловые потоки могут быть только положительными или только отрицательными, другие в зависимости от температуры меняют направление — их называют знакопеременными.
Как правило, тепловой баланс теплицы рассчитывается для определенного периода времени. Например, при определении мощности (теплопроизводительности) системы отопления пользуются составляющими теплового баланса за секунду или за час, расчет потребляемой тепловой энергии ведется за сутки, месяц или год.
Составляющие теплового баланса для всего сооружения в целом обозначаются прописными латинскими буквами, а удельные тепловые потоки, отнесенные к единице площади сооружения, — строчными буквами. В международной системе единиц СИ для измерения тепловых потоков служит джоуль (Дж, МДж, ГДж). Несистемной единицей является калория (кал, ккал, Мкал, Гкал). Интенсивность теплового потока (тепловая мощность) измеряется в ваттах (Вт, кВт, МВт). Несистемной единицей является калория в минуту (или час). Соотношения между несистемными единицами и единицами СИ следующие: 1 Дж = 4,19 кал, 1 Вт =0,86 ккал/ч.
Рассмотрим более подробно тепловой баланс теплицы. На тепловой режим воздушной среды оказывают влияние различные тепловые потоки (рис. 23):
положительные тепловые потоки: проникающая солнечная радиация Qпр.с.р, теплоотдача системы отопления — Qот;
отрицательные тепловые потоки: потери тепла через ограждение — (Qогр, потери тепла через неплотности в ограждении (инфильтрация) — Qинф, потери тепла вследствие регулируемого воздухообмена (вентиляция) — Qвент.
знакопеременные тепловые потоки: теплообмен с почвой — Qпочв теплообмен с растениями — Qраст.
Рис. 23. К расчету теплового баланса теплицы
В зависимости от целей и требуемой точности расчетов в каждом конкретном случае в тепловой баланс включают все или несколько составляющих. Например, при расчете требуемой тепло производительности системы отопления исключают составляющую солнечной радиации, так как расчет ведут для самого холодного периода суток — ночи. При расчетах систем вентиляции не учитывают теплоотдачу системы отопления, поскольку режим вентиляции осуществляется в основном в летний период, при отключенном отоплении.
Проникающая солнечная радиация. В справочной литературе о климате приводятся сведения о приходе солнечной радиации на горизонтальную поверхность за час, сутки, месяц и год. Доля солнечной радиации, проникающей в теплицу, зависит от времени года, географического положения, конструктивных особенностей сооружений и чистоты светопрозрачного ограждения. Эта совокупность факторов характеризуется коэффициентом проницаемости (Кпр) для новых теплиц, значения которого в зависимости от времени года следующие:
Проникающая солнечная радиация, МДж, определяется следующим образом:
где Кпр — коэффициент проницаемости; (Qс.р — солнечная радиация на горизонтальную поверхность, МДж/м 2 ; SТ — площадь теплицы, м 2 .
Теплоотдача системы отопления. Значения тепловых потоков от теплотехнического оборудования зависят от площади теплообменных поверхностей, температурного перепада и интенсивности теплообмена, определяемого коэффициентом теплопередачи. В общем случае теплоотдачи, кВт, определяется по следующей формуле:
где Кот — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 •°С), принимаемый для гладких труб равным 12 Вт/(м 2 •°С), для водяных калориферов — 25 Вт/(м 2 -°С); Sот — поверхность отопительных приборов, м 2 ; tот.cp — средняя температура отопительных приборов, равная среднему арифметическому значению температур на входе в теплообменное оборудование и выходе из него, °С; Гвн — температура воздуха в теплице, С.
Потери тепла через ограждение. Любое сооружение теряет тепло из-за теплопередачи через ограждение, регулируемого и нерегулируемого воздухообмена. Наиболее значительные потери тепла, особенно в зимнее время, наблюдаются через элементы ограждения. Теплопередача, кВт, пропорциональна площади ограждения, температурному перепаду и теплофизическим свойствам материала покрытия:
где Qогр теплопотери через ограждение, кВт; Когр — коэффициент ограждения, представляющий собой отношение площади ограждения к инвентарной площади, Когр принимается равным 1,3 для типовых блочных теплиц и 1,5 для ангарных, для индивидуальных проектов теплиц Когр рассчитывается; Кт — коэффициент теплопередачи, характеризующий теплофизические свойства материала покрытия и условия теплообмена, Вт принимается равным 6,4 Вт/(м 2 •°С) для стекла и 7,5 Вт/(м 2 •С) для пленочных теплиц, для двойного стеклянного ограждения Кт = 3,3 Вт/(м 2 •°С), для двойного пленочного ограждения Кт=4,6 Вт/(м•°С); SТ — площадь сооружения, м 2 ; tвн, tH — температуры внутри и снаружи теплицы, °С.
Потери тепла вследствие инфильтрации. Теплопотери, связанные с нерегулируемыми воздухообменом и вентиляцией теплицы, как правило, определяются опытным путем, поскольку методы расчета этих составляющих достаточно сложны и трудоемки.
Потери тепла, обусловленные проникновением холодного воздуха через неплотности в ограждения (инфильтрацией), на основании экспериментальных исследований рассчитываются в зависимости от теплопотерь через ограждение и составляют в среднем 20% теплопотерь через ограждение:
Теплообмен с окружающей средой через вентиляционные отверстия. Потери тепла через фрамуги, кВт, зависят от площади фрамуг, скорости движения воздуха в вентиляционных проемах и разности температур воздуха внутри и снаружи теплицы:
где μ — коэффициент расхода через систему вентиляции, равный 0,65; S — площадь приточных или вытяжных отверстий, м 2 ; ν — скорость движения воздуха в вентиляционных проемах, м/с; γВ — плотность воздуха, кг/м 3 ; tвн, tH — температуры внутри и снаружи теплицы, С; Св — теплоемкость воздуха, кДж/кг.
При расчете систем вентиляции теплиц считают, что воздухообмен вызывается только гравитационным фактором, влияние ветра не учитывают. Скорость движения воздуха, м/с, в вентиляционных проемах определяют следующим образом:
где g — ускорение свободного падения, м/с 2 ; h — высота теплицы, м; γBH, γН плотность воздуха внутри и снаружи теплицы, кг/м 3 .
Теплообмен с растениями и почвой. Температура воздушной среды теплицы зависит не только от воздействия солнечной радиации и систем отопления и вентиляции, но и от взаимодействия воздушной среды с почвой и растениями. И 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 значительно превышает конвективную составляющую.
Конвективный теплообмен вычисляют по формуле
где QK — тепловой поток с растений или почвы, кВт; а — коэффициент теплоотдачи поверхности растений или почвы, α=5÷6 Вт/(м 2 •°С); S — поверхность растений или почвы, м 2 ; t — температура растений или почвы, С; tвн — температура воздуха в теплице, °С.
Теплообмен путем транспирации (испарения воды листьями растений) и испарения влаги из почвы рассчитывается по формуле
где r — теплота парообразования, r = 2257 кДж/кг; т — скорость транспирации, m =0,03÷0,3 г/(м 2 •с); S — площадь растений или почвы, м 2 .
Источник статьи: http://www.berrylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st009.shtml
Расчет теплового баланса теплицы
2.2. МЕТОДЫ ПРИБЛИЖЕННЫХ РАСЧЕТОВ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ТЕПЛИЦ
Наиболее часто уравнения теплового баланса используют для расчета мощности (теплопроизводительности) системы отопления. При этих расчетах не учитывают солнечную радиацию (ночной режим), потери тепла на вентиляцию. В начальный период развития растений теплообменом с растениями ввиду его незначительности пренебрегают. В этом случае система отопления воздуха должна компенсировать теплопотери через ограждение и на инфильтрацию. При отсутствии системы обогрева почвы учитывают и теплопотери через грунт:
В расчетных формулах внутреннюю температуру воздуха для зимних теплиц принимают равной 15 °С, температуру наружного воздуха — равной средней многолетней для самых холодных суток для данного географического района и периода эксплуатации.
Для упрощения расчетов теплопотери через почву, так же как и потери на инфильтрацию, выражают в долях теплопотерь через ограждение (в среднем 0,03).
Тогда общая теплопроизводительность системы, кВт, отопления
Если в теплице проектируется и система обогрева почвы, теплопроизводительность системы обогрева почвы рассчитывается без учета теплопотерь через почву:
где Когр — коэффициент ограждения теплицы [см. формулу (3)]; Кт — коэффициент теплопередачи, принимаемый в соответствии с указаниями в формуле (3); SТ — площадь теплицы, м 2 ; tвн — температура воздуха в теплице, °С; tн — расчетная температура наружного воздуха, °С.
Для расчета системы отопления почвы используют нормативный коэффициент:
Конструктивный расчет систем отопления теплиц проводят в зависимости от выбранного типа системы. Если теплицу предполагается отапливать при помощи металлических труб с циркулирующим теплоносителем, определяют необходимое количество труб, их массу и расположение в теплице. При расчете воздушно-калориферного отопления определяют количество агрегатов и их расположение в теплице.
Количество агрегатов для обогрева теплицы устанавливают но обеспеченности необходимой суммарной теплопроизводительности:
где Qот.в — необходимая теплопроизводительность системы отопления, кВт; Qагр — теплопроизводительность отдельного агрегата, кВт (табл. 4 и 5); Кз -коэффициент запаса, равный 1,15.
Таблица 4. Технические данные воздушно-отопительных агрегатов
Таблица 5. Основные технические данные теплогенераторов и воздухонагревателей
При расчете водотрубной системы отопления вначале определяют требуемую площадь поверхности, м 2 , отопительных приборов
где Qот.в — необходимая теплопроизводительность системы отопления воздушного шатра, кВт; Кт — коэффициент теплопередачи для труб, равный 12 Вт/(м 2 •°С) для гладких труб, 10 Вт/(м 2 •°С) для полиэтиленовых труб подпочвенного обогрева и 6 Вт/(м 2 -°С) для стальных сребренных труб; tот.ср средняя температура труб в системе отопления, которая зависит от температуры теплоносителя:
для перепада температур в системе отопления 45-35 С (подпочвенный обогрев)
для перепада 95-70 °С
для перепада 130-70 °С
для перепада 150-70 °С
tВН — расчетная температура, воздуха в теплице, °С.
Ддя системы отопления используют трубы диаметром условного прохода (внутренним) 25, 32, 40, 50, 70, 80 и 100 мм. Общую длину, м, труб определяют по формуле L=Sот/Sтр,(15)
где SOT — площадь поверхности 1 м трубы (табл. 6) . Температурные графики систем отопления определяются в технических условиях на стадии проектирования теплицы энергоснабжающими организациями. В графике указывается температура первичного и вторичного теплоносителя для расчетной температуры наружного воздуха.
Таблица 6. Технические данные стальных и стеклянных отопительных труб
В качестве примера рассчитаем систему отопления для блочной остекленной теплицы площадью 1000 м 2 для условий эксплуатации в Подмосковье.
Теплопроизводительность системы отопления воздуха зимней блочной теплицы
Требуемая поверхность отопительных приборов (труб) при отопительном графике 130-70 °С составит
Общая длина труб внутренним диаметром 51 мм для теплицы
При расчете системы отопления индивидуальной пленочной теплицы вначале необходимо уточнить, в каких условиях будет работать проектируемая системама. Если теплица предназначена для ранней эксплуатации, что предполагает покрытие ее пленкой и включение системы отопления в апреле, то нужно в расчетах принимать температуру наружного воздуха, равную -15 С. При поздних сроках эксплуатации (май, июнь) достаточно обеспечить защиту растений от возвратных заморозков (до -5 °С). И в том, и в другом случае внутреннюю температуру принимают для огурцов +12 °С, для томатов +8 °С, для зеленньЪс культур +5 °С.
Рассчитаем потребную теплопроизводительность системы отопления для ранних и поздних сроков ввода в эксплуатацию пленочной теплицы типа «Урожай». Вначале определим коэффициент ограждения теплицы. Площадь ограждения теплицы (рис. 24) образуют боковые и торцевые стены и кровля, суммарная их поверхность
Рис. 24. К расчету коэффициента ограждения теплицы ‘Урожай’
Требуемая производительность системы отопления для раннего периода эксплуатации без системы отопления почвы
Система отопления для поздних сроков эксплуатации (для защиты растений от возвратных заморозков) будет значительно меньшей мощности (при условии поддержания в теплице температуры +5 °С):
Можно решить и обратную задачу, т. е. определить возможную защищенность растений при установке в теплице нагревательного устройства заданной производительности. Рассчитаем, какую температуру может обеспечить в теплице электротепловентилятор «Ветерок» мощностью 1,25 кВт при температуре наружного воздуха -5 °С. Воспользуемся формулой (10) для определения теплопроизводительности системы отопления:
Расчет показал, что указанное нагревательное устройство может быть использовано в теплице для защиты от заморозков до -5 С.
Систему отопления почвы обычно не рассчитывают, а выбирают по аналогии с промышленными типовыми теплицами. При использовании водотрубной системы из полиэтиленовых труб их располагают с шагом 0,75—0,80 м в овощных теплицах и 0,4 м в рассадных. Более подробно об устройстве отопления почвы будет рассказано ниже.
В индивидуальных теплицах с обогревом воздуха мощность системы отопления почвы принимается равной 40-50 Вт/м 2 , без обогрева воздуха 80-100 Вт/м 2 .
Систему вентиляции также специально не рассчитывают, а используют нормативные коэффициенты, полученные опытным путем. Для систем с естественной вентиляцией доля раскрывающихся фрамуг должна составлять 5-10% площади ограждения для центральных районов и 10-15% для южных районов. Для проектирования побудительной вентиляции при помощи электровентиляторных агрегатов пользуются нормативной кратностью воздухообмена. Для индивидуальных теплиц расчетная подача вентиляторов должна составлять не менее 1 м 3 /мин на 1 м 2 плдщади теплицы, для промышленных типовых теплиц блочного типа — 1,5 м 3 /мин, для ангарных теплиц — 2 м 3 /мин.
Источник статьи: http://www.berrylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st010.shtml
