автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Энергетическая оценка и повышение эффективности использования энергоресурсов при производстве продукции защищенного грунта

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЗКДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ)

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОДУКЦИИ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Специальность OS.20.02 - электротехнологии и

электрооборудование в сельском хозяйстве

УДК 621.31

ББК40.7

М26

На правах рукописи

ЧЕРНОМУРОВАЕлена Юрьевна

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2004

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ).

Научный руководитель: кандидат технических наук, с.н.с.

Тихомиров Анатолий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лямцов Александр Корннлович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Боков Геннадий Степанович

Ведущая организация: Федеральное Государственное научное учреждение Научно-проектный центр «Гипроннсельхоз» (ФГНУ НПЦ «Гипронисельхоз»)

диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 109456, г.Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2.

Тел. (095) 171-19-20 Факс: (095) 170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИЭСХ.

Защита состоится «.

часов на заседании

Автореферат разослан «

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ZOO

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время овощеводство защищенного грунта является наиболее энергоемкой отраслью сельскохозяйственного производства Энергоемкость основной продукции зимних теплиц (огурцы, томаты) превышает уровень энергоемкости основной продукции животноводства (мяса, молока, яиц и др) В себестоимости продукции защищенного грунта почти 50% составляют энергозатраты Большие энергозатраты определяются особенностями технологии в условиях холодного климата, а также несовершенством систем теплоснабжения самих теплиц, что сопровождается высокими теплопотерями при теплоснабжении культивационных сооружений Поэтому исследования, направленные на повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в тепличном овощеводстве, совершенствование систем энергоснабжения, экономию топлива и энергии ресурсов и внедрение энергосберегающих мероприятий являются актуальными и перспективными

В решение проблемы совершенствования систем энергоснабжения предприятий защищенного грунта, имеется ряд нерешенных вопросов, связанных с

> недостаточной методической проработкой комплексного энергетического анализа,

> недостаточной информационной базой (отсутствием на тепличных комбинатах датчиков по учету тепловой энергии, дифференцированного учета электроэнергии

> сложностью процедуры проведения энергетического анализа,

> отсутствием количественных показателей энергозатрат по элементам технологии, средним нормам энергозатрат и нормативам энергоемкости производства овощной

Исследования, результаты которых отражены в печатных работах, выполнялись в соответствии с программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований ВИЭСХ на 2001-2005 гг по заданию 03 01 01 Ф, 03 02 01 Ф «Разработка научной концепции и прогноза развития энергетики АПК, обоснование приоритетных направлений энергообеспечения и электрификации, обосновать перспективные системы энергосбережения, отработать методологию энергетической оценки производства сельскохозяйственной продукции и методику выбора энергоносителей»

Цель и задачи исследования Разработка методики энергетической оценки производства овощей в защищенном грунте, с обоснованием усредненных норм расхода топливно-энергетических ресурсов и нормативов энергоемкости производства, а также рекомендаций по повышению энергетической эффективности выращивания овощей в теплицах

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования

1 Выявить влияние систем теплоснабжения предприятий защищенного грунта на показатели энергозатрат и энергоемкости производимой овощной продукции,

2 Исследовать структуру энергозатрат, оценить количественные показатели их составляющих и их взаимосвязь в формировании энергоемкости производства продукции защищенного грунта,

3 Разработать методику расчета энергоемкости производства продукции защищенного грунта и составляющих её энергозатрат,

4 Разработать алгоритм и компьютерную программу расчета энергетических показателей производства тепличной продукции,

5 Обосновать нормативные показатели энергозатрат и энергоемкости производства овощной продукции в теплицах различного типа,

6 Разработать предложения (рекомендации) по рационализации систем энергообеспечения тепличных предприятий и снижению энергозатрат при производстве овощей в защищенном грунте,

и т п),

продукции

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ s БИБЛИОТЕКА ,,

7 Обосновать эффективность выращивания овощей в закрытом грунте для различных климатических зон страны

Научные положения, выносимые на защиту.

1 Обобщенные аналитические зависимости расчета теплопотерь при производстве овощей в теплицах различного типа

2 Методика расчета показателей энергоемкости производства овощей в теплицах и составляющих ее энергозатрат

3 Программа для ПЭВМ по расчету показателей энергоемкости производства овощей в теплицах и составляющих ее энергозатрат

4 Результаты расчета энергетических показателей нормативов энергоемкости и энергозатрат, а также их практических показателей для действующих тепличных комбинатов

5 Результаты обоснования по выбору климатических зон наиболее эффективного выращивания овощей в закрытом грунте и их доставки в другие зоны

Методика исследований. Анализ и обобщение эксплуатационных (затрат труда, расхода семян, удобрений, ядохимикатов), энергетических и экономических показателей тепличных комбинатов выполнены по литературным источникам, проектной документации, результатам обследования тепличных комбинатов

Обработка экспериментальных данных выполнена методами математической статистики

Научная новизна. Разработана методика, алгоритм и программа расчета энергозатрат и энергоемкости производства продукции защищенного грунта для ПЭВМ Исследование составляющих энергозатрат с помощью энергетических эквивалентов позволило обосновать показатели полных энергозатрат и их составляющих для различных технологий производства продукции защищенного грунта

Практическая ценность. Разработанная методика, алгоритм и программа расчета энергоемкости производства продукции защищенного грунта с использованием персональной ЭВМ позволяет проводить расчет и анализ составляющих энергозатрат во всех звеньях систем энергоснабжения тепличных предприятий Разработанная методика расчета показателей энергоемкости предназначена для предприятий защищенного грунта существующих, строящихся, проектируемых Разработанные и утвержденные секцией Ученого Совета ВИЭСХ «Рекомендации по расчету показателей энергоемкости производства овощей в теплицах» предназначены и используются в тепличных хозяйствах для реализаций мероприятий по снижению энергозатрат при производстве овощей в закрытом грунте, «Практическая методика определения энергозатрат и энергоемкости производства продукции, а также потребностей в энергоресурсах», позволяющая определять энергозатраты и потребность в энергии на всех уровнях хозяйственной деятельности -для процесса (операции), цеха (предприятия), хозяйства, региона и отрасли в целом

Реализация результатов работы Разработанные «Рекомендации » с представленными в ней нормативами энергозатрат используются в ряде тепличных хозяйств Московского региона (тепличный комбинат «Московский», ТК «Тепличный», ПСХ «Электросталь» и т д)

Разработанная методика использована для оценки фактических энергозатрат на тепличном комбинате ПСХ «Фрязево» и разработке мероприятий по энергосбережению

Публикации Материалы диссертации изложены в 7 печатных работах, в т ч в 2-х изданных «Методических рекомендациях», где представлены материалы по методике определения энергозатрат и их нормативным показателям

Структура и объем диссертации Диссертационная работа выполнена на 146 стр м пт, включает 47 рис, 20 табл, список литературы из 121 наименований, в тч б на иностранных языках, 4 приложения на 42 стр, включающие 7 рис и 63 табл

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены состояние вопроса, цель и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ исследований состояния систем энергетического обеспечения предприятий защищенного грунта при выращивании томатов, огурцов, зеленных культур

В настоящее время происходит непропорциональный рост реализационных цен в условиях резкого увеличения затрат на энергетические и материальные ресурсы (себестоимость выросла в 5,1 раза, в то время как реализационные цены - только в 2,7 раза) Это привело к сокращению прибыли, а в большинстве хозяйств к убыточности сельскохозяйственного производства (и в первую очередь овощеводства защищенного грунта)

Отмечено, что в настоящее время по Московской области затраты, идущие на выращивание овощей, в большинстве хозяйств превышают доходы от продажи этих овощей, те тепличное овощеводство в них является в настоящее время убыточной отраслью сельскохозяйственного производства (рисунок 1). Затраты на энергоресурсы (энергоноситель, электро- и водоснабжение, моторное топливо) в себестоимости овощей защищенного грунта составляют около 50 % всех затрат. Для того чтобы снизить себестоимость производства тепличной продукции в первую очередь необходимо снизить расход тепловой энергии, расходуемый на отопление теплиц, при производстве тепличной продукции в тепличном комбинате, так как затраты тепловой энергии - определяющие

В условиях рыночной экономики при значительном колебании цен не всегда удается дать объективную оценку эффективности производства сельскохозяйственной продукции с помощью экономических показателей, так как они в большой степени подвержены конъюнктуре рынка А конъюнктура ценовой политики часто искажает истинные показатели эффективности производства того или иного вида продукции сельского хозяйства. В этих условиях дать объективную оценку различным альтернативным решениям часто не представляется возможным. Поэтому, поставленную задачу (разработка предложений по рационализации систем энергообеспечения тепличных предприятий и снижению энергозатрат при производстве овощей в защищенном грунте), особенно на перспективу, можно более успешно решить при использовании менее подверженных конъюнктуре рынка и рыночной экономики натуральных энергетических показателей, те с помощью энергетической оценки.

Проблемами, связанными с оценкой эффективности использования энергии в сельскохозяйственном производстве, в том числе и в защищенном грунте занимались А_А Жученко, ММ Севернее, И И Свентицкий, А.В Тихомиров, ПЯ Пирхавка, МТ Гликман, АК Лямцов, ИН Дехнич, ЕЙ Базаров, П А.Никитенков, ЕКМаркелова, J W Jones, A Kenig, С Е Vallejos и др

Ими были получены оценочные показатели энергоемкости производства тепличной продукции Так как эти показатели были единичными, то их следует считать предварительными, что не позволяет использовать их для принятия решений по рациональному использованию энергоресурсов Наиболее отработанной методикой определения суммарной энергоемкости является методика оценки энергозатрат при производстве животноводческой продукции. Однако, тепличное хозяйство имеет ряд особенностей, что не позволяет использовать имеющиеся методы энергетической оценки для анализа и совершенствования систем и способов энергообеспечения производства различной тепличной продукции

Поэтому в решение проблемы рационализации систем энергообеспечения предприятий защищенного грунта, имеется ряд нерешенных вопросов, связанных с: недостаточной методической проработкой комплексного энергетического анализа, недостаточной информационной базой, сложностью процедуры проведения энергетического анализа;

В, 3 (млн руб) П (га)

Р{%),У{«Им,)1 Вал (тыс. т)

Рисунок 1 - Производство овощей защищенного грунта в Московской области 3 - затраты на 1 га, млн руб, В - выручка с 1 га, млн руб , П • площадь зимних теплиц, га, Вал - валовая продукция, тыс т, У - урожайность, кг/м2, Р - рентабельность, %

отсутствием количественных показателей энергозатрат по элементам технологии, средним нормам энергозатрат и нормативам энергоемкости производства овощной продукции

На основании проведенного анализа определена цель и обозначены задачи предстоящих исследований

Вторая глава посвящена исследованию составляющих энергозатрат по процессам и операциям, определению расчетных зависимостей, разработке методики, алгоритма и компьютерной программы расчета энергозатрат и энергоемкости производства тепличной продукции

Энергоемкость сельскохозяйственной продукции - это удельная величина расхода всех видов энергии и топлива на производство единицы продукции в соответствии с действующими технологиями в отраслях агропромышленного комплекса, рассчитанная в энергетических единицах Структура полной энергоемкости производства тепличной продукции представлена на рисунке 2

Отопление шатра теплицы в холодное время года является наиболее энергоемким процессом при выращивании овощей защищенного грунта Поэтому были выявлены все влияющие факторы на данный процесс и разработаны следующие аналитические зависимости расчета энергозатрат наиболее энергоемкого процесса (расход теплоты в теплицах)

где qi - потери тепла в теплицах через ограждения, на инфильтрацию воздуха, через грунт и затраты теплоты на поддержание относительной влажности воздуха внутри теплицы в зависимости от наружной температуры воздуха, Мкал/(м2- °С) qi = f(tj; q2 - годовой расход теплоты в теплицах на обогрев почвы, ее пропаривание, подогрев поливочной воды и тд, Мкал/м1

Коэффициенты qi и qj определяются по следующим преобразованным выражениям

<7, г +0,278 с,-р,-к-кл)-0,Ы-10"3, (2)

ii=(Zfi + U8S-* т.1Ри.Г) + 0Д78 у/уЬ^-Е^-ПИ.Вб-Ю'"3, (3)

где Л'и ■ 1) - сумма произведений наружной температуры воздуха (/„ °С) и числа часов (Г, ч) в году с указанной температурой, к&р - коэффициент ограждения (для блочных теплиц к0,р = 1,25, для ангарных ккр = 1,4), рр - плотность наружного воздуха, кг/м\ /„. -средняя температура наружного воздуха за отопительный период, °С, к - кратность воздухообмена, ч (для ангарных теплиц к = 0,58 ч"1, для блочных теплиц к = 0,63 ч'), к„5 - коэффициент объема теплиц, м, 0,86 ■ Iff3 - переводной коэффициент из Вт в Мкал, г -коэффициент теплопередачи ограждений, Вт/(м2- сС), 22 ~ сумма потерь тепла на

испарение осадков, количество теплоты поступающей за счет энергии солнечного излучения, количество теплоты, поступающей за счет энергии облучательных установок, количество теплоты необходимой для обогрева почвы, количество теплоты для пропаривания почвы, количество теплоты для подогрева поливочной воды.

При разработке методических рекомендаций обоснован методический подход к определению полной энергоемкости производства тепличной продукции

Составляющие суммарных энергозатрат:

Прямые энергозатраты (к ним относят энергоресурсы: горюче-смазочные материалы (ГСМ), электроэнергию, твердые энергоносители (уголь, торф, дрова), газ, пар, которые в качестве энергоносителей непосредственно используются (т.е. расходуются, утилизируются) в сельскохозяйственном производстве):

Рисунок 2 - Классификация энергозатрат

К.+Р,-К,+Е.-Ка+Ещ (5)

1. Топливо:

Ее

<6>

1 1 С собственной котельной ц, = (7)

Расход тепла бытовыми помещениями 2*,« = <?»•('« -Ю-3 (8)

Расход тепла на горячее водоснабжение 2,, = 2а + 2™ + б, (9)

1 2 Без собственной котельной =-К»Ч2»+б&„»+б«.) (Ю)

потери в подающем трубопроводе К„ = 1+ ——-г—- (11)

б» +2а™ +бг.

В данных расчетах определения расхода топлива (От) присутствует величина Ор (тепловые потоки солнечной радиации), являющейся особенностью производства тепличной продукции Так как влияние оптического излучения на растения многосторонне Не только фотосинтез, но и многие другие физиологические процессы растений зависят от условий облучения Однако основным, наиболее характерным процессом в зеленых растениях является фотосинтез Этим процессом, в конечном счете, определяется урожай растений

2. Электрическая энергия:

Рэ=23 (12)

2 1 Водоснабжение Р. = (6.+&»+&.)•■?. пз)

1 4,19 (<„-0-А-7.

2 2 Теплообменный аппарат (теплоносителем служит теплая вода)

ы-Л^-Штг''.-« ™

С,л*.-Ксг)-Р 273+«,

2 3 Теплообменный аппарат (теплоносителем служит электрическая энергия)

71 (15)

V* в ср '

2 4 Система дождевания Р4 = ^ ^ §¿4

(16)

р

2 5 Электрифицированные машины Р>=—— Г (17)

7«

3. Моторное топливо

4. Затраты труда

Г. (18)

Я-= 6.(19)

Е^^М.-К, (20)

Косвенные энергозатраты (затраты энергии на произведенные раннее и используемые в процессе производства овощей материалы, семена, удобрения, средства защиты и т д, полностью расходуемые в процессе одного цикла производства):

Е. К, (21)

Инвестиционные энергозатраты (состоят из расходов топлива и энергии на строительство производственных и вспомогательных объектов, производство машин и оборудования, применяемых в данной технологии, отнесенные к одному году или циклу их использования)

для специализированных машин и оборудования £„ = (23)

для машин общего пользования £„ = |j- M, К, jr (24)

Алгоритм расчета приведен на рисунке 3 Исходными данными для расчета аналитических выражений по определению энергозатрат и энергоемкости в разработанной методике являются фактические технико-экономические показатели современной технологии производства тепличной продукции

Использование разработанных аналитических выражений по определению энергозатрат и анализ энергозатрат и энергоемкости тепличной продукции требует сбора обширной информации (типа теплиц, климатических условий, внутреннего микроклимата, типа энергоносителя и тд), используемой в расчетах по разрабатываемой методике, значительных затрат времени и квалификации специалистов С целью снижения трудоемкости расчетов, возможности быстрой оценки результата при изменении какой-либо исходной информации разработан алгоритм и специальная программа для ПЭВМ, которая позволяет решать указанные задачи на достаточно высоком уровне

В качестве программного обеспечения использован язык программирования TURBO PASCAL 7 0 При работе с разработанной программой время проведения расчетов не превышает 30 минут, в то время как при ручном расчете на расчетные операции по определению энергоемкости тепличной продукции, потребуется несколько дней

Программа написана по следующему алгоритму (рисунке 4 )

1 ввод общих сведений о тепличном комбинате тип теплиц, их площадь, характеристика бытовых и вспомогательных помещений, внутренняя температура теплиц, валовой сбор готовой продукции, характеристика систем энергоснабжения и тд ,

2 расчет расхода тепловой энергии - рассчитывается количество тепла, потребляемое технологическим оборудованием (отопление, вентиляция, пропаривание, горячее водоснабжение и т д) по разработанной методике, с учетом особенности теплиц (естественного освещения),

3 определение расхода энергоносителей и топлива для выработки тепловой энергии, расходующейся на отопление теплиц (природный газ, мазут, твердое топливо, горячая вода, сжиженный газ),

4 расчет расхода электроэнергии (облучение рассады и дополнительное облучение культур, освещение производственных помещений, уличное освещение, электропривод технологического оборудования),

5 расчет расхода моторного топлива мобильными средствами (обработка почвы, фрезерование, погрузка удобрений и тд),

6 расчет расхода семян, удобрений, ядохимикатов, замены почвы,

7 расчет прямых энергозатрат, а также их перевод на затраты первичных энергоносителей (с использованием энергетических эквивалентов),

8 расчет косвенных энергозатрат (с использованием энергетических эквивалентов),

9 расчет инвестиционных энергозатрат, отнесенных к одному году (с использованием энергетических эквивалентов),

10 расчет трудозатрат в энергетических единицах,

_А_

Т.Е,

Расчет полной энергоемкости е = —-

¿2 В,

Рисунок 3 - Алгоритм расчета полной энергоемкости производства тепличной продукции

Вариант оценки энергоемкости производства тепличной продукции

| Ввод исходных данных о тепличном комбинате]

Введите нюшую теплоту сгорания топлива. ккал/кг|

Введите примерный валовой сбор с указанной площади, тонн

Табл<4ца. Потребность

тепличного комбината в электроэнергии

(Л-ЛО

Таблица. Годовой расход

тепловой энергии (2л, + (^Ыт ♦ (?«•.) И

моторного топлива (Ещ)

Таблица, годовой расход Таблица годовой расход

первичных энергоресурсов (Р» Ет) косвенных энергозатрат (А/, К,)

Таблица, годовые затраты труда (М Л) Таблица перечень машин и оборудования

Таблица полные энергозатраты производимой продукции

£ - 1Я, - ♦ Ек + Е„,

Рисунок 4 - Блок-схема расчета энергоемкости производства тепличной продукции

11 вывод итоговых показателей расчета полных, прямых, косвенных, инвестиционных и трудовых энергозатрат,

12 расчет полной энергоемкости производства овощной продукции

Пользователь программы решает на ее основе следующие задачи

- расчет полной энергоемкости по нормативным показателям и характеристикам тепличного комбината По вводимым начальным данным о хозяйстве (тип теплиц, общая площадь теплиц, внутренняя температура, климатические условия, тип ограждения, вид энергоносителя) пользователь может определить нормативную потребность этого хозяйства в энергозатратах

- расчет прямых затрат энергии на производство тепличной продукции Здесь пользователь определяет показатели потребления энергоресурсов (тепловая и электрическая энергия, моторное топливо) на интересующем его объекте (как по нормативу, так и по фактическому использованию энергоресурсов) без перевода их на первичные энергоресурсы (4-ый вариант)

- сравнение фактического уровня энергоемкости производства тепличной продукции с расчетными нормативными показателями При этом варианте проводится сравнение показателей энергоемкости какого-либо действующего хозяйства с нормативными показателями энергоемкости

- оценку влияния величины потребляемых в производстве ресурсов (энергоносителей, удобрений, ядохимикатов, трудовых ресурсов и тп) на уровень энергоемкости продукции Изменяя любую интересующую пользователя величину входных величин и параметров пользователь следит, как это изменение будет отражаться на энергоемкости в целом

- расчет полной энергоемкости тепличной продукции на основе характеристик конкретного объекта и показателей его работы Для действующего объекта в программе предусмотрен 2-ой вариант определения энергоемкости

- анализ фактических и расчетных показателей энергозатрат по конкретному объекту Вариант 3 - это совокупность 1-ого и 2-ого вариантов (здесь приведены обобщенные показатели без рассмотрения отдельных составляющих) Пользователь вводит сначала общие данные о хозяйстве, затем по каждому процессу в отдельности для конкретного хозяйства В итоге выводится таблица полной энергоемкости, рассчитанная как по нормативам, так и по фактическому потреблению энергоресурсов

- выявление резервов снижения энергоемкости производимой тепличной продукции Для получения результата в программе предусмотрен 5-ый вариант На входе вводятся технико-экономические и энергетические характеристики предлагаемого варианта энергосберегающих мероприятий (технические решения) и на выходе распечатываются показатели составляющих и полной энергоемкости, что позволяет судить о возможностях снижения их величины Оценка затратности энергосберегающих мероприятий осуществляется при параллельном расчете энергетических показателей и экономической эффективности

Разработанные методика и компьютерная программа расчета энергетических показателей производства овощей в защищенном грунте позволяет, как на стадии проектирования, так и при реальной эксплуатации тепличных предприятий проводить оценку их энергоэффективности при различных системах энергообеспечения и реализации энергосберегающих мероприятий, а также расчет экономических показателей деятельности тепличных комбинатов На основе предложенной методики разработаны и утвержденные секцией Ученого Совета ВИЭСХ, опубликованы в издании ВИЭСХ «Методические рекомендации по определению энергоемкости производства продукции защищенного грунта», которые разосланы в тепличные комбинаты Московской области То есть, появилась возможность определять нормативы энергоемкости для любого вида тепличной продукции, различного типа сооружений защищенного грунта, разных вариантов энергоснабжения и вида энергоносителя, климатической зоны или района А

также имеется возможность определять фактические показатели энергозатрат и энергоемкости на действующих тепличных комбинатах

В третьей главе, представлены результаты исследований с использованием разработанной и описанной выше методики По расчету полных и удельных энергозатрат, определены нормы расхода ТЭР и нормативы энергоемкости для тепличных хозяйств по регионам России, а также фактические показатели расхода энергии по процессам и операциям, их сравнение с рассчитанными нормативными данными

В существующих нормах не отображен пооперационный расчет норм тепловой энергии в блочных теплицах, кроме этого нет норм на потребление тепловой энергии бытовыми и вспомогательными помещениями В нормах электрической энергии не приведены составляющие каждого технологического процесса (т е какое оборудование используется в технологическом процессе и сколько оно потребляет электрической энергии)

Проведено апробирование методики и сравнение рассчитанных норм потребления тепловой и электрической энергии с установленными ранее средними показателями нормативов Определены нормы потребления тепловой и электрической энергии (для Центральной зоны и других зон России), удельные энергозатраты и энергоемкость (для Центральной зоны и по зонам России), фактические показатели энергозатрат и их сравнение с нормативными при выращивании овощной продукции в защищенном грунте, что и приведено в таблице 1. Таблица 1

Удельные показатели энергозатрат и энергоемкости выращивания овощей _защищенного грунта для различных климатических зон_

Наименование климатической зоны Энергоемкость

МДж/м' | МДж/кг

Блочные теплицы

Северо-западный 9155 517

Центральный 7643 432

Волго-Вятский 8299 469

Центрально-Черноземный 5799 328

Поволжский 6717 379

Северо-Кавказский 4858 274

Уральский 6746 381

Западно-Сибирский 7327 414

Восточно-Сибирский 8072 456

Дальневосточный 9063 512

Среднее по России 7366 416

Ангарные теплицы

Северо-западный 9904 560

Центральный 8141 460

Волго-Вятский 8895 503

Центрально-Черноземный 6016 340

Поволжский 7040 398

Северо-Кавказский 4909 277

Уральский 7103 401

Западно-Сибирский 7787 440

Восточно-Сибирский 8588 485

Дальневосточный 9641 545

Среднее по России 7797 441

Для анализа и оценки фактических усредненных показателей энергозатрат, связанных с производством овощей защищенного грунта представлена выборка из 34 хозяйств, основные показатели работы которых приведены в таблице 2. Таблица 2

_Основные показатели работы тепличных комбинатов_

Показатель Единица Коли Дисперсия Среднеквадрати-

измерения чество ческое отклонение

Число обследованных тепличных комбинатов ип- 8 - -- -

Площадь комбинатов га 190,6 - - -

Средняя площадь комбината га 21,2 - -- -

Урожайность кг/м* 20,0 0,845 0,83 6,7%

Производство овощей т/га 197,2 - - —

Энергозатраты Гкал/м* 2,3 0,220 0,45 5,3%

Трудозатраты чел -ч1м1 2,72 0,224 0,37 5,2%

Обработка экспериментальных данных выполнена методами математической статистики на основе представительных множеств измеряемых величин с оценкой вероятностных характеристик каждой выборки. При статистическом анализе экспериментальных данных получившиеся среднеквадратические отклонения показателей работы тепличных комбинатов (урожайность, энергозатраты, трудозатраты) находятся в пределах от 5 до 7 %, то есть показатели работы тепличных комбинатов можно считать достоверными.

Таким образом, использование разработанной методики при изучении фактической энергоемкости на тепличных комбинатах позволило получить более полную и объективную оценку величины энергозатрат на производство продукции защищенного грунта (таблица 3). Таблица 3

Суммарные энергозатраты на 1 га в условиях Московского региона

Наименование энергозатрат Энергоемкость

ГДж/т %

1. Прямые 343,42 97,31

2 Косвенные 6,19 1,75

3 Инвестиционные 3,31 0,94

ВСЕГО 352,92 100

Проведенные расчеты нормативных и фактических затрат энергии позволили установить структуру составляющих энергозатрат: прямые энергозатраты составляют 97 % (из которых 91% тратится на отопление теплиц в холодное время года), косвенные - 2 %, и инвестиционные - 1 %. Затраты труда в энергетических единицах входят в состав прямых энергозатрат.

В соответствии с изложенной методикой на примере 3-ех тепличных комбинатов проведен расчет и анализ энергозатрат и определены показатели энергоемкости основных составляющих при производстве продукции защищенного грунта. При сравнении фактических и нормативных энергозатрат получены близкие (сходимые) величины, что свидетельствует о надежности использования разработанной методики.

Четвертая глава посвящена вопросам разработки и обоснования предложений по снижению энергозатрат и повышению эффективности использования энергоресурсов в защищенном грунте.

Снижение энергоемкости производимой продукции в первую очередь зависит от величины прямых затрат энергии, где преобладают затраты тепловой энергии,

составляющие более 90 % суммарных энергозатрат, а также от реализации мер повышения урожайности производимой продукции

Экономия тепловой энергии возможна при реализации ряда конструктивных изменений, увеличивающих теплоизоляцию ограждающих конструкций теплиц применение резиновых уплотнителей, дополнительной пленки, герметизация теплиц, применение двойного остекления, двойных стеклопакетов и тд, но это увеличивает инвестиционную составляющую энергозатрат и требует дополнительных капитальных вложений

Анализ ряда мероприятий, способствующих экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) показывает, что на данный момент наиболее целесообразными являются мероприятия, связанные с установкой дополнительных ограждений, так как при их реализации значительно сокращаются потери тепловой энергии при некотором увеличении косвенных энергозатрат (рисунке 5) Учитывая, что эти мероприятия требуют вложения средств, необходимо провести оценку этих мероприятий, как по энергетическим, так и по экономическим показателям

Энергоемкость,

МДж/кг

Мероприятия по экономии ТЭР

Рисунок 5 - Мероприятия повышающие эффективность использования ТЭР

Однако, усиление теплоизоляции ограждающих конструкций, как правило, вызывает снижение освещенности внутри теплицы, что отрицательно сказывается на урожайности тепличных культур Поэтому при установке еще одного ограждения (в виде двойного, тройного остекления, пленки, экрана) следует применять дополнительное досвечивание на основной площади теплиц, чтобы скомпенсировать ту недостачу освещенности, которая возникает при установке еще одного ограждения теплицы Следовательно, необходимо оценить влияние дополнительного ограждения на составляющие энергозатрат, прибыль, срок окупаемости кап вложений, себестоимость при введение досвечивания и без него На рис 6 приведена зависимость прироста прибыли (или чистого дохода) и суммарной энергоемкости от кратности остекления при следующих условиях

- стоимость осветительного оборудования со сроком службы 2 года составляет 200 руб/м2,

- стоимость двойного остекления со сроком службы 20 лет составляет 67 руб /м2,

- стоимость тройного остекления со сроком службы 20 лет составляет 80 руб /м2

Выполнение дополнительных ограждений увеличивает инвестиционную

составляющую энергозатрат, но в значительной степени снижает расход тепла, снижая этим самым энергоемкость производства, что и показано на рисунке 6 Это происходит из-за того, что инвестиционные энергозатраты в структуре суммарной энергоемкости

составляют незначительную величину (от 1 % до 2 %) и их изменение мало влияет на суммарную энергоемкость, в то время как снижение потерь тепловой энергии существенно снижают общие энергозатраты

е, МДж/кг Пр, руб/ка.м

Кратность остеклания

Рисунок 6 - Зависимость изменения энергоемкости (е) и прироста прибыли (Пр) от кратности остекления

е1 - энергоемкость тепличной продукции (без введения дополнительного досвечивания растений), е2 - энергоемкость тепличной продукции (при использовании дополнительного досвечивания растений)

Рассматривая каждую составляющую энергозатрат производства тепличной продукции можно проанализировать ее влияние на величину суммарной энергоемкости

Для анализа влияния каждой составляющей энергоемкости на конечный результат уравнение (25) применительно к защищенному грунту целесообразно записать с помощью структурных коэффициентов в следующем внде

У к, к„+к, + к„

е0 =^. = -2---— (25)

0 У У

ГДС ¿я, кК, к„ - структурные коэффициенты соответственно прямых, косвенных, инвестиционных энергозатрат, те их доля в суммарной энергоемкости, У урожайность (кг/м2), е0- полная энергоемкость в относительных единицах

Для исследования дифференцированного влияния каждой составляющей на полную энергоемкость целесообразно ввести индекс изменения I, определяемый по уравнению (27) Согласно этому выражение (25) примет следующий вид

• _ ПК 'I, _ !*„•/,,+£*, •/,+£*, •/. .... 0--у---у-' (26)

(27)

' Ж2

где IV! - затраты энергии при реализации энергосберегающих мероприятий, К^ затраты энергии первоначальные

Относительное изменение суммарной энергоемкости будет выражаться следующим уравнением

Де = е0-в0, (28)

где ео - суммарная относительная энергоемкость по базовому варианту, во' - суммарная относительная энергоемкость по энергосберегающему варианту

М показывает, величину изменения суммарной энергоемкости овощной продукции в результате реализации того или иного энергосберегающего мероприятия

Анализ каждой из составляющих уравнения (25) позволяет оценить энергетическую эффективность реализации предлагаемых энергосберегающих мероприятий, а при дополнительной экономической оценке этих мероприятий, что компьютерная программа позволяет выполнить, - оценить эффективность вложения средств в конкретные мероприятия

Оценку энергетической эффективности реализации энергосберегающих мероприятий необходимо проводить также через определение срока окупаемости капитальных вложений при внедрении предлагаемых энергосберегающих мероприятий

К.

(29)

Мп-Мб

где Г, - срок окупаемости капитальных вложений в энергосберегающие мероприятия, лет, К, - капитальные вложения в предлагаемое энергосберегающее мероприятие, руб, Мп -прибыль проектного варианта выращивания тепличных овощей, руб, - прибыль базового варианта выращивания тепличных овощей, руб

Таким образом, с помощью программы для ПЭВМ по определению энергоемкости и повышению энергетической эффективности выращивания овощей можно проводить расчеты по всем вышеприведенным энергосберегающим вариантам с введением в программу необходимых данных по каждому варианту Программа также позволяет проводить анализ влияния изменения любого из показателей внедряемых мероприятий на величину каждой составляющей и полной энергоемкости Кроме того, Программа позволяет исследовать влияние каждого энергосберегающего мероприятия через изменение структурных коэффициентов составляющих энергозатрат на величину суммарной энергоемкости, и каждой ее составляющей Время проведения расчетов по программе на ПЭВМ - несколько минут

Проведенный анализ фактических и нормативных энергозатрат и их соотношения при различных вариантах энергоснабжения и внедрения ряда энергосберегающих мероприятий позволяет оценить предложения по повышению эффективности используемых энергоресурсов, снижению показателей энергоемкости тепличной продукции (рисунок 7, таблица 4) Таблица 4

Показатели реализации энергосберегающих мероприятий (энергетических и

Мероприятия, повышающие эффективность использования ТЭР Снюкени е энергоем кости,% Энергоемк ость, МДж/кг кг у т /кг* Срок окупаем ости кап вло жений, лет Приб ыль, £уб/м Себесто имость, руб/кг

Базовый вариант 330 11,2 - 70,8 16,0

1 Применение искусственного досвечивания растений 5,5 312 10,6 4,1 102,5 14,5

2 Применение комбинированного отопления 9 300 10,2 0,2 77,4 15,5

3 Применение двойных стеклопакетов 17 272 9,2 - - 16,8

4 Герметизация теплиц 10 297 10,1 1 96,6 14,4

5 Двойное остекление 15 281 9,6 12 89,4 14,6

Рисунок 7 - Секгорно-эллигггическая диаграмма основных направлений экономии энергоресурсов на предприятиях

защищенного грунта

Рисунок 8 - Схема перевозок из южных зон в северные зоны тепличных овощей (порча продукции в пути составляет 10% от общего объема) Стрелками обозначена перевозка овощей автотранспортом (Б-себестоимость тепличных овощей в указанных зонах, - новая себестоимость

овощей получившаяся в результате перевозки в данную зону)

Продолжение таблицы 4

Мероприятия, повышающие эффективность использования ТЭР Снижени е энергоем кости, % Энергоемк ость, МДж/кг кг.у.т./кг* Срок окупаем ости кап.вло жений, лет Приб ыль, ^уб./м Себесто имость, руб7кг

6. Тройной стеклопакет 33 221 7,5 - - 17,2

7. Применение двойных стеклопакетов + доп.облучение растений 23 254 8,6 3,0 128 13,4

8, Герметизация теплиц + доп.облучение растений 15 281 9,6 2,7 116,5 14,0

9. Двойное остекление + доп.облучение растений 21 261 8,9 3,4 121,1 13,7

10. Тройной стеклопакет + доп.облучение растений 38 205 7,0 3,6 142,8 12,8

11. Повышение светопроницаемости стекла 1 328 13,58 0,2 83 15,8

Разработанная методика использована для расчетов энергозатрат при выращивании овощей в регионах, находящихся в различных климатических зонах. На рис.8 представлена схема возможных перевозок и стоимость перевозки тепличных овощей железнодорожным транспортом из южных зон в северные. Установлено, что в 1-ой и 2-ой световой зоны выращивать овощи в закрытом грунте неэффективно. Применительно к Московской области привоз овощной продукции из 4-ой световой зоны выгоден только при 10 % порче продукции в пути, из других зон (5-ой и 6-ой) привоз выгоден при 40 - 50 % порче овощей.

Общие выводы

1. На основании анализа деятельности тепличных комбинатов и их систем энергообеспечения установлено, что в себестоимости овощей в настоящее время 45 - 50 % составляют энергозатраты, а наиболее экономичной является система энергоснабжения с собственной котельной на базе природного газа. Энергозатраты при этом на 7...35% меньше, чем при использовании других видов топлива и других систем.

2. Разработанная «Методика по расчету показателей энергоемкости производства овощей в теплицах», позволяет проводить анализ энергозатрат, определять суммарные энергозатраты и отдельные их составляющие (прямые, косвенные, инвестиционные), а также осуществлять пооперационный расчет потребления энергоресурсов.

3. Разработанная компьютерная программа для ПЭВМ позволяет в диалоговом режиме исследовать показатели энергоиспользования, экономии ТЭР, экономические показатели при • различных технологиях производства овощей защищенного грунта и внедрения энергосберегающих мероприятий как на стадии проектирования так и для действующего тепличного комбината.

4. Установлено, что полная усредненная энергоемкость составляет 350 ГДж/т, в том числе прямые энергозатраты 95,5% (из которых 93% тратится на отопление тепличного комбината в холодное время года), косвенные 2%, инвестиционные 1%, трудовые 1,5% в структуре полной энергоемкости.

5. Выявлено, что снижение энергоемкости производимой продукции в основном зависит от величины прямых затрат энергии, где более 90% составляют затраты тепловой энергии.

6. Наиболее эффективным мероприятием по экономии ТЭР является применение дополнительных ограждений в комплексе с искусственным облучением растений (снижение энергоемкости и себестоимости до 30 %).

7. Определены энергетические и экономические показатели производства овощей в закрытом грунте для 6-ти климатических зон страны. Установлено, что при существующих технологиях выращивать овощи в регионах севернее Московского -неэффективно, их завоз из южных регионов более экономичен.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих

публикациях:

1. Маркелова Е.К., Тихомиров А.В, Тузова Р.В., Черномурова Е.Ю., Морозов А.И., Горбачев B.C. Практическая методика определения энергозатрат и энергоемкости производства продукции, а также потребностей в энергоресурсах. - М.: ФГНУ «Росинформагротех». - 2001. - 56 с.

2. Маркелова Е.К., Мурадян А.Е., Тихомиров А.В., Тузова Р.В., Черномурова Е.Ю. Методика определения потребности в объектах электроснабжения по Минсельхозу России. Под ред. Виноградова П.Н., Тихомирова А.В. - М.: МСХ, 2001. - 68 с.

3. Тихомиров A.B., Черномурова Е.Ю. Анализ энергоемкости производства продукции защищенного грунта. // Техника в сельском хозяйстве. - № 2,2002. --^4If с.

4. Черномурова Е.Ю. Методика расчета энергозатрат при производстве овощей в теплицах. // Электрификация сельского хозяйства. Научные труды, том 88. - М.: ВИЭСХ.2002.-Я№с. /fc.

5. Тихомиров А.В., Маркелова Е.К., Черномурова Е.Ю. Энергетический анализ производства овощей в теплицах. // Достижения науки и техники в АПК. - № 9, 2002.-S+-C.3c

6. Тихомиров А.В., Маркелова Е.К., Черномурова Е.Ю. Энергетические показатели работы тепличных комбинатов. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - № 12, 2002. - Яке.

7. Тихомиров А.В., Маркелова Е.К., Черномурова Е.Ю. Методические рекомендации по определению энергоемкости производства продукции защищенного грунта. -М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. - 76 с.

Подписано в печать 05.10.04r. Тираж 100 экз.

Фермат 60х84\1б

Уч.-изд. л2.0 За*азХ®17

РНБ Русский фонд

2005-4 14476

Введение.

Глава I. Исследование состояния систем энергетического обеспечения предприятий защищенного грунта.

1.1. Состояние и особенности энергетики и экономики тепличных хозяйств.

1.2. Анализ методов оценки энергоэффективности производства сельхозпродукции, продукции защищенного грунта.

1.3. Состояние энергетического обеспечения тепличных хозяйств и оценка направлений снижения затрат энергии.

1.4. Цель и задачи исследования.

Глава II. Исследование составляющих энергозатрат и разработка методики определения энергоемкости производства продукции защищенного грунта.

2.1. Общие положения по определению энергозатрат при производстве продукции защищенного грунта.

2.2. Разработка методики определения энергоемкости производства продукции защищенного грунта.

2.3. Алгоритм и программа для ПЭВМ по расчету энергоемкости производства продукции защищенного грунта.

Глава III. Обоснование и расчет норм потребления тепловой и электрической энергии, нормативов энергоемкости овощной продукции, определение фактических показателей энергозатрат и их сравнение с нормативами.

3.1. Методические положения (особенности) и порядок расчета норм потребления тепловой и электрической энергии.'.

3.2. Усредненные нормы потребления тепловой и электрической энергии для различных типов теплиц и зон.

3.3. Методические положения по обоснованию и расчет нормативов энергоемкости при выращивании овощей в закрытом грунте для разного типа теплиц и климатических зон.

3.4. Определение фактических показателей энергозатрат и энергоемкости при выращивании овощей в теплицах Московской области.

3.5. Сравнение фактических показателей энергозатрат при производстве овощей с обоснованными нормативами энергоемкости и нормами расхода тепловой и электрической энергии.

Глава IV. Разработка и обоснование предложений по снижению энергозатрат и повышению эффективности использования энергоресурсов в защищенном грунте.

4.1. Обоснование эффективности мероприятий по снижению энергозатрат и энергоемкости производства овощей.

4.2. Исследование влияния изменения составляющих энергозатрат на величину полной энергоемкости с использованием структурных весовых коэффициентов.

4.3. Предложения по снижению энергоемкости производства тепличной продукции. /24^'

4.4. Энергетическая и экономическая оценка выращивания овощей в защищенном грунте для разных зон. 42%

Выводы.

Улучшение снабжения населения в зимне-весенний период свежими овощами связано с развитием овощеводства защищенного грунта, уровень развития которого остается низким.

В настоящее время овощеводство защищенного грунта является наиболее энергоемкой отраслью сельскохозяйственного производства. Энергоемкость основной продукции зимних теплиц (огурцы, томаты) превышает уровень энергоемкости основной продукции животноводства (мяса, молока, яиц и др.). В себестоимости продукции защищенного грунта почти 50% составляют энергозатраты. Одной из причин этого - несовершенство систем энергообеспечения самих теплиц, что сопровождается большими теплопотерями в системах энергоснабжения культивационных сооружений. Например, на обогрев 1 га зимних теплиц расходуется около 3000 ■ т условного топлива в год, а на получение 1 т тепличной продукции расход тепловой энергии составляет 160.200 ГДж и 1,2.2,3 МВт-ч электрической энергии [112]. Ежегодный рост цен на энергоресурсы и снижение платежеспособности хозяйств не позволяют последним приобретать энергоресурсы в требуемом объеме. Поэтому проблема рационального использования энергоресурсов приобретает особую остроту.

На современном этапе экономического развития в сельском хозяйстве все заметнее становится взаимосвязь между развитием экономики отрасли и суммарным потреблением первичных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Энергетическая база является основой развития производительных сил в сельском хозяйстве. По энерговооруженности и техническому оснащению новые комплексы не уступают промышленным предприятиям.

Однако, проводимое экономическое обоснование, как правило, определяет ситуацию сегодняшнего дня, но не всегда позволяет оценить перспективу отрасли и эффективность использования ТЭР при производстве овощей защищенного грунта. Экономические показатели имеют существенные колебания во времени, определяемые политикой ценообразования, и не всегда позволяют установить оптимальный уровень затрат энергии на производство сельскохозяйственной продукции. [92]. Поэтому в условиях рыночной экономики при значительном колебании цен не всегда удается объективно оценить эффективность применяемых технологий и систем энергообеспечения при производстве овощей. Эту оценку можно получить при использовании наряду с экономическими показателями менее подверженных конъюнктуре рынка и рыночной экономики натуральных энергетических показателей, т.е. с помощью энергетической оценки.

Энергетическая оценка в значительной степени позволяет определить затратность производства овощей, оценить конкурентоспособность различных способов их выращивания и систем энергообеспечения, обосновать перспективные и эффективные энергоэкономные направления совершенствования технологий овощеводства защищенного грунта.

Анализ работы ряда тепличных комбинатов показывает, что в большинстве случаев не обеспечиваются и не соблюдаются предусмотренные агротехническими требованиями режимы в культивационных помещениях. Имеет место большая разница в расходах энергии на единицу продукции в однотипных тепличных комбинатах расположенных в одной климатической зоне. Потребление электрической и тепловой энергии на единицу площади во многих тепличных комбинатах превышает расчетные показатели на 20.70%. Это зависит от многих факторов и в первую очередь от принятой системы обогрева, оборудования, систем энергообеспечения, степени автоматизации технологических процессов в теплицах.

В связи с этим задача рационального использования энергии на тепличных комбинатах становится первостепенной. На современном этапе, когда постоянно происходит рост цен на энергоносители, актуальность снижения энергозатрат, на тепличных комбинатах, приобретает все большую значимость. В то же время, нельзя ассоциировать экономию энергии с ограничением в потреблении топливно-энергетических ресурсов. Под экономией следует понимать эффективное и рациональное их использование, что положительно сказывается на конечных результатах производства и себестоимости продукции. Актуальность проблемы рационального и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов и недостаточная проработка вопросов энергетической оценки овощеводства защищенного грунта обусловили необходимость проведения исследований по этому направлению.