автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Оценка светотехнической эффективности культивационных сооружений ангарного типа в различных строительно-климатических зонах

Р, о ОД

На правах рукописи

РГ6 од

^ 6 од

. '.'.. ЕЛФИМОВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА

ОЦЕНКА СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КУЛЬТИВАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ АНГАРНОГО ТИПА В РАЗЛИЧНЫХ СТРОИТЕЛЬНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ЗОНАХ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995-

Работа выполнена в Научно-исследовательском ннслпуге строительной физики - Российской Академии архитектуры и строительных наук

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, старшин научн.сотр. СПИРИДОНОВ A.B. доктор технических наук, профессор

ОБОЛЕНСКИЙ Н.В. кандидат технических наук, доцент

ГЛИКМАН М.Т. ЦНИИЭПсельстрой Минсельхозпрода России

Защита состоится

v

/л

1995 г. в _____ час.

на заседании диссертационного совета Д 033.10.01 при Научно-исследовательском институте строительной физики РААСН по адресу: 127238, Москва, Локомотивный проезд, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-методическом фонде НИИСФ.

Автореферат разослан «<£<£'» ^Я 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор техн. наук

профессор

В.К.САВИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных проблем производства сельскохозяйственной продукции в теплицах ( защищенном грунте ) является снижение энергопотребления в круглогодичном цикле эксплуатации. В структуре удельной себестоимости продукции энергетические расходы Составляют для разных типов сооружений от 40% до 60% от общих расходов. Отечественный н зарубежный опыт строительства и эксплуатации тепличных комбинатов показывает, что снижение потребления энергии может достигаться при комплексном решении проблемы, включая выбор наиболее рациональных объемно-планировочных н конструктивных решений сооружений, систем отопления, вентиляции, автоматического управления тепло-влзжностным и световым режимом. Однако главным резервом энергосбережения при эксплуатации теплиц является создание условий для максимального использования солнечной радиации. Практическая реализация этого резерва связана в первую очередь с созданием оптимальных условий восприятия и распределения естественного света в объеме сооружений с целью обеспечения необходимых уровней освещенности для нормального развития и плодоношения растений.

Существующие нормы проектирования теплиц не в полной мере отражают требования по светораспределению и достижению заданных уровней освещенности, что затрудняет поиск и выбор рациональных технических решений при проектировании теплиц в различных ■ строительно-климатических зонах.

Цель работы - совершенствование методики светотехнической оценки культивационных сооружений ангарного типа на основе использования закономерностей формирования светового и радиационного режимов сооружений с учетом климатических условий их строительства и эксплуатации.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

- обобщить отечественный и зарубежный опыт теплицестроения и определить перспективный тип сооружений;

- уточнить существующую методику аналитического расчета относительной и абсолютной освещенности ангарных теплиц, а также методику расчета межгепличных расстояний;

- рззработать методику экспериментальной оценки изменения параметров светового и радиационного режимов теплиц, в т.ч. с учетом роста и развития растений;

- провести экспериментальные исследования светораспределения в объеме эксплуатируемых промышленных теплиц и на их моделях под "искусственным небосводом" НИИСФ;

- сопоставить результаты экспериментальных исследований с расчетными характеристиками и на их основе разработать универсальный инженерный метод определения освещенности в объеме теплиц произвольной ориентации при характерном режиме облачности за заданный период времени. Реализовать данный метод в алгоритме расчета;

- разработать и опробировать технические решения по созданию эффективной системы экранов переменной кривизны ддя улучшения светового и радиационного режимов в объеме теплиц.

Научная новизна работы.

1. Получены функциональные зависимости дня расчета освещенности в объемах теплиц при прямой радиации, диффузном излучении ясного и пасмурного неба.

2. Экспериментально определены закономерности формирования светового и радиационного режимов теплиц, в т.ч. с учетом роста и развития растений.

3. Разработан алгоритм расчета освещенности в объеме сооружений для любой ориентации теплиц в заданной строительно-климатической зоне при реальном состоянии небосвода.

4. Создана методика расчета межгепличных расстояний с учетом необходимых для растений уровней освещенности и облученности.

5. Разработана и экспериментально опробирована новая система светоотражающих экранов, улучшающая световой и радиационный режимы сооружений. -

На защиту выносятся г

- методика расчета светового режима теплиц ангарного типа;

- закономерности распределения солнечного излучения в объеме ангар-дых теплиц ( стеклянных и пленочных) для условий реальной облачности;

- система экранов переменной кривизны, улучшающая световой и радиационный режимы в объемах теплиц.

Практическая значимость и внедрение результатов работы в практику.

Практическая значимость исследований заключается в том, что изучаюсь световой и радиационный режимы теплиц, имеющих натурные габари-ы, а также на моделях перспективных сооружений. С точки зрения разре-иения поставленных задач, объекты исследований соответствуют своему ^значению,. а полученные результаты мо:гуг применяться в реальной прак-нке проектирования и строительства.

Предложены технические решения по совершенствованию светового и »адиационного режимов ангарных теплиц на основе перераспределения олнечного излучения в объеме сооружений.

Разработаны предложения по изменению и дополнению СНиП "Теп-ицы и парники" и норм технологического проектирования.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и об-уждены:

• на Международной конференции "Естественное освещение - 90", г.Москва, 1990 г.

- на заседаниях научно-технического совета института "Гипронисель-пром" и его секции "Культивационные сооружения", г.Орел, 1992-1994 гх.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в'3-х печатных работах, 2-х патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и результатов, списка использованных источников (156 наименований ). Работа изложена на1]§ страницах машинописного текста, содержит^ рисунков,10 схемАВграфиков,фото1рафий и!^ таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе дан анализ развития отечественного и зарубежного теп-лицестроения. Отмечена тенденция строительства в странах южных и умеренных широт блочных теплиц, в странах с более низкими расчетными температурами - ангарных. Полученная информация дает возможность установить преимущества теплиц ангарного типа по уровню освещенности и равномерности светораспределения в объеме сооружений. По условиям эксплуатации этот тип теплиц также предпочтительнее, поскольку дает возможность снизить энергозатраты за счет консервации сооружений в наиболее холодное время года.

На сегодняшний день определились два подхода к изучению светового режима теплиц. Это традиционная английская школа, которая представлена математическим описанием распределения света в объеме теплиц и определением на этой основе рациональных схем объемно-планировочных решений - Б.СпИеп, В.ВаПеу. Отечественные исследователи - Н.М.Гусев и М.Г.Гликман базируются на выявлении освещенности теплиц с учетом конструкции ограждения, отражений в объеме сооружений, потерь света при

прохождении через скаты кровли при низкой высоте стояния Солнца и др. факторов. Изучению условий облученности растений в культивационных сооружениях посвящены работы ОД.Рожанской, АА.Тихомировз, И.Е.Маркова, В.П.Шарупич, Т.С.Шарупич. Однако, в отмеченных работах недостаточно уделено внимания комплексной оценке светораспределения в объемах теплиц с учетом роста н развития растений в реальных светоклнма-тнчсских условиях.

В качестве программных средств расчета и моделирования световой среды теплиц наибольший интерес представляет работы японских исследователей - Т.Когаь М.К]тига. Представлен широкий диапазон рассматриваемых вариантов при использовании известных методических подходов.

В целом анализ привел к выводу о необходимости рассмотрения теплицы в период вегетации растений, как единой оптической системы с учетом светоклнматических условий места строительства.

Вторая глава посвящена уточнению методики аналитического расчета освещенности в объемах теплиц. В основу уточненной методики положен методический подход Гусева-Гликмана, который отличается учетом световых потоков в объеме теплицы в зависимости от параметров конструкции ограждения и сооружения в целом, выбором в качестве основного критерия •для оценки светового режима теплиц коэффициента суммарной освещенности рабочей поверхности.

Н.М.Гусевым и М.Т.Глнкманом были получены усовершенствованные формулы для расчета коэффициентов пропускания ( ) и коэффициентов

отражения ( р й ) характерными ячейками отраждений с учетом упи падения солнечных лучей ( I ).

Поток прямых лучей, проходящих в теплицу, в данном случае определяется по известной формуле В.Б.Вейнберга:

в

Эта формула справедлива для поверхности параллельной ограждению ската и находящейся непосредственно за ним. При учете объема растений его условная верхняя и боковые поверхности не удовлетворяют условиям применения формулы (.1 ), поскольку происходит более сложное перераспределение прямого и отраженного света.

С учетом указанного перераспределения в диссертации предложены уточненные формулы для определения освещенности горизонтальной и вертикальных плоскостей объема растений, рассмотрены варианты светорас-пределения в объеме теплицы при различной высоте и азимуте Солнца.

Для варианта, когда луч Солнца лежит-в плоскости продольной оси теплицы, освещенность растительного объема может быть определена для горизонтальной (Е г.по*.) и торцевой (Е т.*м.) поверхностей выражениями:

Ei.net. =Е®т^ткш hQ , (2)

где т. - определяют при i — arceos ( sin hjcos a ), когда поверхность

экранируется скатами кровли и при i — h0 в случае экранирования торцом теплицы;

Em.nct. =EfriTKC0Sho , (3)

где т{ - определяют по конструкции торцевого ограждения при i = h0 . Показано, что для этого варианта, когда cos ( Aq - Ан ) — 0 , в формуле (1 ) следует принимать cos i — cos a sin hg

Для варианта, когда луч Солнца лежит в плоскости поперечного сечения теплицы (рис.1), освещенность горизонтальной поверхности (Е ) верхней плоскости объема растений может быть определена выражением: Eínot. =EfriTK[(sinh0 + рíacsm (2a-h0) ] , (4)

а освещенность (Е 16.nos. ) затененной боковой поверхности: Е I6.no,. = £_f TtТкрCnot [(coshQ+picKcos (2a-h0) ], (5)

9

......... ...... ............ -..Л ■........ ">>. ........ X"' .. .........> * 90И о

............... ................ -><г ......... ........... .......... — л. ..... • * «X. N

...... ■ г. по!. Е) г.поЗ. вху

¡".по$.

£.пв!. £) С.ло6.

£-по8.

/о

•• М'+Л - А о

Eif.nct. £¡¿„1

Рис. 1. Схема к расчету освещенности в объеме теплиц, когда луч Солнца находится в плоскости поперечного сечения сооружения

В случае низких лучей Солнца, коща освещенность затененной боковой плоскости объема растений формируется только за счет лучей,отражаемых скатом, формула (5) будет иметь вид:

Е J6.no*. = E°TtTKp LcKpLgMoe,eos (2а-hQJ , (6)

Для варианта, когда луч Солнца лежит в плоскости поперечного сечения теплицы, освещенность под скатами определяют исходя из формулы (1), а боковой поверхности, освещаемой Солнцем, (Е 2е.ши.) - по формуле ( 3). Значения расчетных углов i приведены на схемах ( см. рис. I ), значения т(. и р ( определяются по конструкции ограждений, пропускающих или

отражающих лучи в объем сооружений.

Следует отметить, что формула ( 2 ) является универсальной для расчета освещенности верхней плоскости объема растений при любом азимуте Солнца, если проекция высоты стояния Солнца - /tQ' .Если < а , лучи проходят через конструкцию освещаемого ската и отражаются от внутренней поверхности второго ската к объему растений. Тогда освещенность ( Е ¿.по». ) с учетом отраженных лучей определяется выражением:

Е г.«««. = Е®т. тж sin hQ + E°ri ткр icKr'Ksinx , (7)

гае угол x рассчитывается по приведенной в диссертации методике. Полученные формулы ( 2+7) позволяют оценить распределение прямых лучей Солнца в объеме сооружения. Коэффициент тх определяют как отношение площади тени от конструкции каркаса сооружения к общей площади экранирования поверхностей скатами или боковыми ограждениями. Разработана уточненная методика расчета величины тк .

Энергетическая освещенность от ясного и облачного неба на наклонной поверхности ската теплиц определяется по известным зависимостям. По

соотношению прозрачных и непрозрачных элементов конструкции ограждения можно ориентировочно определить освещенность в объеме сооружения от диффузного компонента солнечной радиации, что позволяет оценить целесообразность использования конструкции сооружения в данной свето-климатнческой зоне.

Автором разработана более точная методика расчета освещенности теплиц в условиях диффузного излучения облачного и ясного неба на основе стандартов МКО. Полусфера небосвода представлена состоящей из П площадок, от которых на горизонтальную поверхность поступают пучки параллельных лучен ( по аналогии с конструкцией "искусственного небосвода" Н1-ШСФ ). Яркость излучения каждой площадки определяется согласно стандартному распределению. Тогда освещенность в объеме теплиц от участка неба определяется по формулам ( 2+7 ), а затем полученные результаты суммируются по п . Имея относительную освещенность в условиях прямой радиации, при излучении неба ясного дня и в условиях сплошной облачности, определяются значения освещенности произвольно ориентированной теплицы в условиях реальной облачности. Для определения световой экспозиции значения освещенности суммируются за выбранный временной интервал. Все предложенные методики расчета реализованы на персональном компьютере.

Расчет межгепличНых расстояний, предложенный автором, сводится к следующему. Длина тени от теплиц определяется выражениями: при ориентации теплиц С-Ю

I =_Н_/шА0/-к, (8)

*8К

при ориентации теплиц В-3

1=_Н_/со$А0/-к, (9)

где при а Н = Н19 к = 0,51 пр. - для обоих теплиц;

а <7^, Н — Н2, к —0 - для остекленной теплицы;

Н — H'j, к ~Н'2 -для пленочной.

При низких углах подъема Солнца необходимо ввести граничные условия по критической освещенности ( облученности ) на открытой площадке, при регистрации которой в теплице должна включаться система искусственного облучения.

В третьей главе приведена методика и результаты экспериментальных исследований освещенности н облученности теплиц.

При эксперименте была поставлена задача выявить не только частные характеристики, но и параметры взаимовлияния конструкции сооружения, растений в процессе роста, реальных условий освещенности ( облученности) конкретного региона страны. Объектами натурных исследований явились ангарные теплицы, примерно равные по площади, но различные по конструктивным решениям. Пленочная теплица с двойным покрытием из пленки и несущими конструкциями из деревянных арок стрельчатого очертания. Остекленная теплица с несущим каркасом из гнутых и прокатных стальных оцинкованных профилей с покрытием из листового оконного стекла толщиной 4 мм. Размеры теплиц в плане: пленочной - 20 м х 65 м ; стеклянной - 21 м х 64,88 м; ориентация сооружений - С-Ю. Теплицы принадлежат экспериментальному тепличному хозяйству ' института "Гнпронисельпром".

Измерение интенсивности солнечной радиации в действующих теплицах осуществлялось на протяжении 10 месяцев (с марта по декабрь включительно ) по 2-3 раза на декаду месяца ( что составило 310 часов наблюдения и порядка 180 ООО замеров ). Актинометрические датчики размещались горизонтально на уровне нижнего яруса листьев растений , 1,5 м , уровне затяжки («3 м ) и непосредственно под свегопрозрачным ограждением скатов в центральном поперечном сечении теплицы.

В условиях рассеяной радиации ( пасмурный день ) основные результаты исследований сводятся к следующему:

- кривые изменения интенсивности солнечной радиации в объемах теплиц повторяют характер кривой интенсивности солнечной радиации на открытой площадке;

- коэффициенты естественной облученности остаются постоянными в течение дня;

- диапазон значений относительной облученности в пленочной теплице

( 0,35 + 0.55 ) свидетельствует о равномерности радиационного режима в отличие от остекленной ( 0,28 +0,81 );

- на уровне верхних ярусов листьев растений при их высоте до 1,5 м облученность в остекленной теплице и пленочной теплице практически одинакова, при высоте от 1,5 м до 3 м разность между облученностью в остекленной теплице и в пленочной может увеличиться до 20%. Однако радиационный режим внутри объема растений более благоприятен в пленочной теплице, поскольку облученность имеет меньшую неравномерность.

При режиме облачности "ясно" :

- вследствие затенения непрозрачными элементами конструкций и инженерного оборудования кривые хода солнечной радиации в остекленной теплице имеют резкие амплитудные колебания; более равномерная освещенность отмечается в теплице с ограждением из пленки;

- относительная облученность боковых плоскостей объема растений формируется по закону близкому к синусоидальной кривой с ярко выраженными экстремумами, что приводит к большим радиационным контрастам. Разность между экстремальными значениями составила: для пленочной теплицы - 42 + 78%, для остекленной - 25 + 58%.

- кривая относительной облученности верхней плоскости объема растений в пленочной теплице имеет минимум в полуденные часы;

- в остекленной теплице аналогичная кривая относительной облученности также имеет минимум в полуденные часы, но резкие амплитудные колебания характерны и для данной величины; .

- облученность верхней плоскости объема растений ( при их высоте до 1,5м ) для точек под коньком сооружений незначительно выше в пленочной теплице, чем в остекленной. Однако, около боковых ограждений эта разница может быть свыше 10%. При высоте растений до 3 м уровень облученности в остекленной теплице примерно на 10% выше, чем в пленочной. Радиационный режим внутри растительного объема остается более благоприятным в пленочной теплице.

Ход относительной облученности в условиях переменной облачности состоит как бы из отдельных участков, одни из которых аналогичны зависимостям при ясном небе, другие - при пасмурном.

На верхнюю плоскость объема растительного покрова центральных рядков растений при их высоте до 1,5 м приходит порядка 50% величины солнечной радиации на открытой площадке.

С ростом растений облученность нижних ярусов листьев растений составляет 5-12% от облученности на открытой площадке и остается постоянной в течение светового дня при любом состоянии облачности.

Цель лабораторного эксперимента - получить необходимые исходные данные и на их основе разработать алгоритм расчета естественной освещенности теплиц в любом регионе при любой ориентации за заданный период культурооборота в условиях реальной облачности.

Лабораторные исследования были проведены на установке "искусственный небосвод" НИИСФ. Исследовались макеты теплиц, в которых был проведен натурный эксперимент ( масштаб макетирования - 1:20 ). Замеры проводились в условиях имитации диффузного излучения облачного неба, неба ясного дня и прямого Солнца. Учитывая методик}' проведения натурного эксперимента, освещенность в макетах теплиц замерялась в по-

перечных сечениях сооружений на тех же уровнях. В период эксперимента использовались фотометрические датчики - Ь1 - 210, имеющие высокоточную спектральную и косинусную коррекцию. Значения освещенности фиксировались визуально с прибора И- 189. Объем данных составлял порядка

30000 измерений. Результаты эксперимента представлены:

- графическими зависимостями распределения относительной освещенности в объемах теплиц в условиях облачного неба ( рис.2 );

- графическими зависимостями распределения относительной освещенности в объемах теплиц для пяти фиксированных высот Солнца ( 13':\ 26°, 40°, 55°, 70° ) при азимутах площадки от 0° до 360° (в условиях неба ясного дня и прямого Солнца).

Таким образом, получены значения относительной освещенности для двух граничных состояний небосвода ( пасмурный день и день абсолютно ясный ). Отсюда мог>т быть определены значения освещенности в объемах теплиц при любой бальности облачности. В связи с тем, что ось теплиц ориентировалась в максимально возможном диапазоне азимутальных углов и при различной высоте Солнца, освещенность сооружений может быть определена в любой заданной строительно-климатической зоне.

Расчет уровней относительной и абсолютной освещенности в теплицах ведется согласно следующему алгоритму:

1. Задается ориентация теплиц, географические координаты места строительства.

2. Определяется ход высоты и азимута Солнца для данного географического пункта.

3. Определяется соответствие азимута площадки на установке "искусственный небосвод" и географического азимута.

Рис. 2. Распределение относительной освещенности в объеме теплиц на уровне грунта, 1,5 м и затяжки в условиях диффузного света облачного неба а) пленочная^

б) остекленная

4. Согласно соответствию азимута площадки и географического азимута по графикам хода относительной освещенности в условиях диффузного излучения ясного неба, а также прямого Солнца, определяем коэффициенты освещенности рабочей поверхности в теплице ( К 1пог:,К ).

5. Через процентное содержание прямой радиации в суммарной для ясного дня заданного месяца и географического пункта рассчитываются суммарные коэффициенты освещенности рабочей поверхности сооружений

( 7С г, пом. ).

6. Значения относительной освещенности теплиц в условиях диффузного излучения облачного неба (Е ¿.по*.) остаются постоянными при любой ориентации теплиц и принимаются согласно измерениям.

7. Согласно справочным данным определяется бальность облачности по срокам для данного месяца данного географического пункта.

8. По граничным значениям коэффициентов (для нулевой и 10-и бальной облачности ) определяются суммарные коэффициенты освещенности рабочей поверхности теплиц для реального балла облачности данного часа.

9. По данным суточного хода наружной освещенности конкретного географического пункта и значениям относительной освещенности в объемах теплиц определяются значения освещенности произвольно ориентированной теплицы для всех рассматриваемых точек при реальных условиях облачности от прямой и диффузной радиации.

Для определения световой экспозиции в рассматриваемой точке необходимо просуммировать значения ее освещенности за выбранный временной интервал.

В качестве границ временного интервала в данной работе принято вре-ия восхода и захода Солнца.

В период эксперимента были впервые получены карты Теней в объемах геплнц. На основании карт теней и замеров освещенности в условиях пря-

мого "солнца" были определены коэффициенты неравномерности освещения, которые составили: для остекленной теплицы - 0,06, для пленочноЙ-0,24-Тогда как в условиях имитации абсолютно пасмурного неба - 0,72 и 0,87 соответственно.

Аналогов полученных экспериментальных зависимостей по нашим данным и данным НИИСФ -нет. Отмечается хорошая сходимость результатов теоретического расчета, натурного и лабораторного экспериментов.

Четвертая глава работы посвящена разработке системы экранов, позволяющих улучшить световой и радиационный режим сооружений.

Дан обзор экранов различного типа, которые на наш взгляд имеют ряд недостатков. Автором разработана теплица, представляющая собой ге-лноэнергоактивное сооружение с системой внешних направленно отражающих экранов полифункционального назначения.

Целью разработки являлось обеспечение регулирования светового (радиационного) режима растений в зависимости от положения Солнца и интенсивности солнечной радиации, а также обеспечение равномерного освещения и облучения растительного объема.

Указанная цель достигается тем, что в культивационном сооружении ангарного типа, включающем внешние устройства регулирования поступления солнечной радиации в сооружение, экраны выполнены с возможностью изменения кривизны отражающей поверхности. Система боковых отражающих экранов представляет собой металлическую конструкцию, состоящую из соединенных на шарнирах ребер, к которым прикреплены светоотражающие плоскости-полотна металлизированной пленки (рис.3 ). Система экранов снабжена общим приводом системы ориентации на Солнце и изменения кривизны. В ночной период система отражающих экранов соединяется с ограждающей конструкцией теплицы. В комплексе с развер-. нутым теплозащитным экраном, данная система является дополнительным средством теплоизоляции теплицы.

Рис. 3. Система светоотражающих экранов как фактор улучшения светового и радиационного режимов теплиц

В утренние часы при ориентации конька теплицы С-Ю система направленно отражающих экранов у восточного бокового ограждения преобразуется в горизонтально расположенную плоскость, что позволяет переотразить лучи, приходящие на грунт непосредственно около сооружения, внутрь теплицы восходящим потоком света, а следовательно, осуществить объемное облучение растений, поднять уровень интенсивности' солнечной радиации в период суток, когда это необходимо. При увеличении высоты стояния Солнца оптимальная конфигурация светоотражающей плоскости системы рассчитывается с целью создания равномерного объемного освещения и облучения растений.

Автором были проведены исследования предложенной конструкции на установке "искусственный небосвод".

Критерием оценки эффективности теплицы является коэффициент К определяемый отношением освещенности в одной и тон же точке теплицы с системой отражающих экранов и без них. В связи с тем, что одной из задач исследований было обеспечение объемного облучения растений, замерялась как вертикальная, так и горизонтальная освещенность на рассматриваемых ранее уровнях. Исследования показали, что когда луч Солнца находится в плоскости поперечного сечения теплицы, общая освещенность в объеме сооружения с системой экранов возрастает:

- при-высоте Солнца от 13° до 24° - на 30%;

- при высоте Солнца от 26° до 70° - на 220+ 270%.,

Повышение обусловлено, в основном, увеличением освещенности затененных областей ( рис.4 ). Освещенность затененной плоскости объема растений в период работы экранов становится сопоставима с освещенностью облучаемой Солнцем боховой плоскости растительного объема в теплице без экранов. Разработанная система позволяет создать уровни освещенности в объеме теплицы близкие или превосходящие освещенность на открытой площадке. Наиболее неблагоприятным для работы системы

а.

цг

тттттгп

19

и.

10

и

я

Ш

и

ЩШЙ

Щш

. 'Уровень нижнего с* ■ 'лруса листьев на. горизонтальную повить * и а. ЗертчкаАШЮ по* Верхност» .к солнцу' уаг

на, Зертика^ьную по' крхность ,от солнца.'

Уро1ень 15

на. гсршеиталшя У по/ерхность

на. бертикольнуя по• ^¡гртш .ксолнцу'

на. Вертикальную поверхность „от солнца.*

. Пробень затяшка.

но. горизонтальную поверхность на, вертикальную по-21.г¡1рхАость ,к солнцу*

на, ¡ертикашзю гя~ берхность „от солнца'

Рис. 4. Значения коэффициентов К"" в объеме пленочной теплицы

(луч Солнца находится в плоскости поперечного сечения сооружения,^ =26°)

экранов является положение Солнца, хоща луч находится в плоскости продольного сечения сооружения. Тем не менее и здесь отмечается увеличение освещенности в объемах теплиц на 50+100%. Предложенное и исследованное техническое решение защищено Патентом СССР № 1834633, зарегистрн рованном в Государственном реестре изобретений СССР 13 октября 1992 г.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Изучен отечественный и зарубежный опыт строительства и эксплуатации теплиц различных конструкций и типов. Выявлены преимущества теплиц ангарного типа, которые в отечественной практике применяются пока недостаточно.

2. Разработана уточненная расчетная светотехническая модель для определения освещенности верхнего яруса и боковых поверхностей объема растений с учетом перераспределения прямых и отраженных лучей.

На основе этой модели предложены формулы для определения освещенности поэлементно на участках поверхностей объема растении.

3. Проведены комплексные экспериментальные исследования светового режима на моделях теплиц в масштабе 1:20 на установке "искусственный небосвод". Выявлено влияние конструктивных узлов и сооружения в целом на режим освещенности. Впервые получены в условиях прямого Солнца и диффузного излучения неба пасмурного и ясного дня эмпирические зависимости, позволяющие по разработанному автором алгоритму определить светотехнические характеристики в объеме теплиц в реальных светоклима-тнческих условиях при любой ориентации сооружений за заданный период времени.

4. Впервые получены карты теней в объеме теплиц. В условиях освещения прямыми лучами Солнца, коэффициент неравномерности составил для

остекленной теплицы - 0,06, для пленочной - 0,24, тоща как в условиях пасмурного неба - 0,72 и 0,87 соответственно.

I 5. Проведен натурный эксперимент в действующих теплицах, результаты которого позволяют оценить радиационный режим растительного объема в динамике развития при любой традации облачности, а также выявить наиболее неблагоприятные условия облучения растений солнечной радиацией. Так радиационные контрасты между облучаемой и затененной боковыми плоскостями растительного объема составляют для остекленной теплицы - 25*58%; для пленочной - 42+78%.

6. Разработана методика расчета межтепличных пространств в зависимости от ориентации теплиц, месторасположения комплекса и требований растений к свету.

7. Разработана оригинальная система светораспределяющих экранов переменной кривизны и проведены экспериментальные исследования этой системы на установке "искусственный небосвод". Установлено, что общая освещенность в объеме теплиц возрастает в 1,3-2,7 раза в зависимости от высоты Солнца.

8. Реализация результатов исследований и предложенных технических решений в проектах новых тепличных комплексов должна позволить увеличить освещенность в объемах теплиц не менее чем на 15%, соответственно снизить энергопотребление н увеличить урожайность.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: 1.I.Mazurova(EIfmiova), A.Spiridonov. Studies of daylight and solar radiation in the winter greenhouses - International conférence "Daylighting - 90" -Moscow, 1990.-C.9. 2. Пат. 1834633 СССР. Культивационное сооружение / Мазурова ИЛ. (Ел-фимова ИЛ.) и Спиридонов А.В. - Заяв. 17.05.91, № 4936790; Опубл. 5.08.93, Бюл.№ 30.

3. Пат. 1795873 СССР. Пленочная теплица / Мазуров АЛ. и Мазурова ИЛ. (Елфимова ИЛ.) - Заяв. 19.09.90, № 4867648; Опубл. 15.02.93, Бюл. № 6.

4. Мазурова ИЛ.(Елфимова ИЛ.), Егоров ВЛ. Схема расчета ширины тени от элементов каркаса теплиц // Сооружения защищенного грунта: Сб. науч. тр. / Гнпрониселъпром. - Орел, 1990.-С. 108-113.

5. Мазурова ИЛ.(Елфимова ИЛ.). Исследования радиационного режима теплиц: Инфлисток № 133-90 Орловский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 1990.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

_ о

- проникающий через свегопрозрачное ограждение поток прямого света применительно к поверхности, параллельной ограждению и находящейся непосредственно за ним, л« ;

с-®

Ь х - прямая наружная освещенность на поверхности перпендикулярной лучам Солнца, лк;

& - площадь условной поверхности в теплице, м2 ;

Ч - общий коэффициент пропускания прямых лучей отдельной ячейкой тепличного ограждения;

г, ( т'к - коэффициенты, учитывающие затенение прямых и отраженных лу-

чей.Солнца конструкцией каркаса сооружения ( без учета конструктивного оформления ячеек ограждения);

и - угол падения солнечных лучей, град.]

Et.no»., Em.no»., Es.no». - освещенность горизонтальной, торцевой и боковых поверхностей растительного объема, лк; к о - высота Солнца и ее проекция в расчетном поперечнике теплиц , град.;

а - угол наклона плоскости свегопрозрачного ограждения, град.;

А0 - азимут Солнца, град.;

4 н - азимут нормали к поверхности ограждения, град. ; ■

0»б.по€., Р их.' °бщие коэффициенты отражения прямых лучей ячейками бокового ограждения и ограждения скатов теплицы ;

0 ¿ - общий коэффициент отражения прямых лучен ячейкой тепличного

ограждения;

с - угол между направлением отраженных лучей и горизонтальной поверхностью, град. ;

1 - величина межгепличного расстояния, м ;

'/ - высота затеняющего препятствия, м ;

с - величина, учитывающая уменьшение межгепличного расстояния вследствие особенностей конструкции сооружения ; - высота конька теплицы, м ;

вр. - пролет теплицы, м ;

Ч2 - высота карниза остекленной теплицы, м ;

Ч'3 - высота условного "карниза" пленочной теплицы, м ;

£ - расстояние от внутреннего ограждения пленочной теплицы до вертикали "карниза" сооружения, м;

© ЖЩ 0+ЙС.Н

\г.пой , Кг.пов , Кг.пов коэффициенты освещенности горизонтальной поверхности растительного объема прямым, рассеяным и суммарным светом ясного дня;

\г*о* ' коэффициент освещенности горизонтальной поверхности растительного объема в условиях диффузного света облачного неба ;

'{ "" - коэффициент, определяемый как отношение значений освещенности в одной и той же точке теплицы с системой экранов-и без них.

Автор Шг] ЕЛФИМОВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА