автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности использования электроэнергии светонепроницаемыми гидропонными культивационными сооружениями путем ресурсосберегающих энергетических режимов технологического процесса

-¡г 1 П с'1

^ санкмейМУРГС:

КИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 66.085631.344.8-65:631.17.004.18

ИВАНОВ Геннадий Яковлевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СВЕТОНЕПРОНИЦАИЛЫМИ ГИДРОПОННЫМИ КУЛЬТИВАЦИОННЫМИ СООРУЖЕНИЯМИ ПУТШ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного производства

Авто ре ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена на кафедре электрификации сельскохозяйственного производства Новосибирского государственного аграрного университета.

Официальные оппоненты: Член-корреспондент академии аграрных

наук республики Беларусь доктор технических наук, профессор Л. С. ГЕРАСИМОВИЧ

Академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Л. Г. ПРИЦЕП

Доктор технических наук,профессор А. М. ХУДОНОГОВ

Ведущее предприятие - . научно-производственное объединение

"ВГ'СХОТ

Защита диссертации состоится /О 1992 г.

на заседании специализированного совета Д 120.37.07 Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " ОЛ? 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

Ф. Д. Косоухов

оссиискля | &г ■ИБЛИС/ГЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. По нормам, рассчитанным институтом питания академии медицинских наук, необходимо иметь потребление овощей на душу населения 125-135 кг. При этом круглогодовое обеспечение овощами возможно при развитии и интенсификации овощеводства защищенного грунта.

Ряд директивных правительственных постановлений и основные положения Энергетической программы СССР на длительную перспективу направлены на создание энергосберегающих технологий в народном хозяйстве, на рациональное использование и экономное расходование топлива и энергии. В связи с этим можно сформулировать научно-техническую проблему - оптимизировать режимы технологического процесса выращивания овощей, разработать математические модели, позволяющие рассчитать энергетические режимы, которые экономят энергию и формируют требуемый для растений микроклимат в светонепроницаемых теплицах, -имеющую важное народнохозяйственное значение.

Существующее неудовлетворительное положение в снабжении жителей севера страны местными тепличными овощами объясняется целым рядом причин, одной из которых главной.является отсутствие типовых проектов теплиц. Самым распространенным видом культивационных сооружений в регионе являются ангарные зимние теплицы, строительство которых ведется хозяйственным способом по индивидуальным или устаревшим проектам разных министерств и ведомств.. Основное назначение ах выращивать овощи в зимние месяцы. Однако, недостаточная освещенность и полярная ночь препятствуют этому.

Решить проблему круглогодового производства овощей можно только при широком внедрении светокультуры (выращивание растений с юсветкой электрическими лампами или при полном искусственном свете). Применять высокоэффективные источники оптического облучения растений целесообразно в культивационных сооружениях со светоне- . цюницаемым теплоизолированным ограждением. Подобные помещения позволяют получать овощную продукцию в течение круглого года в экстремальных условиях севера страны. Но для таких теплил необходимо эазработать прогрессивную технологию возделывания овощных культур, >беспечивающух> максимальный выход продукции на единицу затрат >.чектроэнергия.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка шергетических режимов технологического процесса в светонепрони-¡аемых теплицах, обеспечиваадих экономию энергии и получение оп-■иыального микроклимата для растений.

3

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- изучить состояние и перспективы развития защипанного грунта на севере страны и обосновать целесообразность применения в регионе СНТ;

- создать математическую модель процессов энергомассообмена в светонепроницаемой теплице;

- разработать алгоритмы для исследования на математической модели технологических режимов и микроклимата СНТ;

- исследовать и разработать энергетические режимы светонепроницаемых культивационных сооружений;

- оптимизировать сочетание параметров микроклимата и режимов обеспечения технологического процесса.

Методы исследований. Составление математической модели энергомассообмена в светонепроницаемой теплице основывалось на теории тепломассообмена. Выбор метода обусловлен свойствами исследуемой сложной системы.и масштабами эксперимента. Оценка влияния различных факторов на систему производилась путем варьирования параметров математической модели. Выявление основных закономерностей внутри каждой подсистемы было получено как на базе теоретических, так и натурных экспериментов. В теоретических исследованиях параметры варьировались в пределах, допускаемых теорией. В прикладных исследованиях параметры варьировались вниз и вверх до пределов, утвержденных агротехническими требованиями. Системный подход состоял в применении принципа иерархичности СНТ и исследовании энер гетического обмена и функциональных связей между ее подсистемами. Экспериментальные данные получены на основе стандартных и разработанных автором методов с применением современных приборов контроля и записи конструктивных и технологических параметров. Обработка результатов натурных экспериментальных исследований произведена с помощью теории математической статистики. Математическое моделирование осуществлено с применением ЭВМ и прибора ЭЩА. Теоретические выводы подтверждены на макете и созданием опытно-производственной светонепроницаемой теплицы.

Научная новизна работы заключается в выработке методологического подхода к решению научно-технической проблемы в области электрификации овощеводства защищенного грунта, а также разработке математической модели, алгоритма и программных средств исследования режимов микроклимата и систем обеспечения технологического процесса в СНТ. В работе получены следуюцие новые результаты:

- обоснована целесообразность применения на севере страны светонепроницаемых многоэтажных культивационных сооружений;

- на основе усовершенствованной теории разработана математическая модель и выведены закономерности процессов энергомассо-эбмена при облучении растений искусственными источниками света;

- на базе математической модели с использованием критерия сдельных энергетических затрат сформулирован метод оптимизации режимов технологического обеспечения и параметров микроклимата и разработан алгоритм расчета, минимизирующий затраты энергии;

- предложен новый способ рециркуляции тепло.ты из помещения з дневным режимом в помещение с ночным режимом растений, позволяющий утилизировать тепловую энергию ламп и получать равномерное температурное поле в зоне растений при минимуме затрат энергии.

Практическая ценность работы. Исследования выполнялись в соответствии с утвержденными планами научно-исследовательских ра-Зот Новосибирского аграрного университета и СибЖЭ СО РАСХН, в частности, по темам:

"Разработать технические средства и технологию комплексной механизации в защищенном грунте в условиях Крайнего Севера" -пост. ГК СССР НТ № 305 (п.7) от 28.05.74 г. (срок выполнения [976-1980 гг.).

"Разработать технологию возделывания овощей в закрытом грунте" - пост. ГК СССР НТ № 253 (п.II) от 30.05.75 г. (1975-1980 гг.).

"Разработать и внедрить режимы микроклимата и системы обеспечения технологического процесса производства овощей в светонепроницаемых культивационных сооружениях в условиях Сибири" - пост. ГК СССР НТ И 226 (п.73) от 9.06.80 г. (1980-1983 гг.).

"Повысить эффективность эксплуатации МТП и усовершенствовать сельскохозяйственную технику для Западной Сибири" - тема ХШ зятилетнего плана НИР Новосибирского СХИ на 1986-1990 годы. Раз-цел 12 "Внедрить светонепроницаемую теплипу, оснащенную средства-пи автоматизации работы электрооборудования".

Законченные теоретические и экспериментальные исследования явятся основой для расчета оптимальных параметров микроклимата и режимов технологического процесса выращивания овощей при искусственном свете, разработки электрооборудования СНТ, а также создания новых светонепроницаемых ¡культивационных сооружений.

Ценность для практики заключается также в экономии энергии, зыраженной в утилизации тепловой энергии ламп и использовании ее

для обогрева помещения, улучшения условий охраны труда обслуживающего персонала за счет постоянного микроклимата в течении круглого года, снижении себестоимости продукции в 2 раза.

Разработаны рекомендации "Светокультура овощей в Сибири", которые могут быть использованы при эксплуатации светонепроницаемых теплиц. Результаты исследований включены в методические рекомендации "Вопросы механизированной технологии и микроклимата в теплицах", г.Новосибирск, 1979 г., а также использованы ВИЭСХом при выполнении Государственного задания 051.21.02.04- - "Разработка автоматизированного комплекта электрооборудования для регулирования микроклимата в теплицах" в 1986 г. Результаты разработок применены при подготовке шахтных выработок для выращивания овощей в Таштагольском рудоуправлении Кемеровской области.

Внедрение результатов исследований. На основе разработанного нами технического задания в ОПКТБ СибНШГГИКа выполнен проект двух этажной светонепроницаемой теплицы полезной площадью 300 м2, построенной в г.Ленске Якутской АССР. Данный проект передан в проектный институт "Якутагропромпроект". Закончен проект также по нашему техническому, заданию и в 1991 г. закончено строительство трехэтажной светонепроницаемой теплипы полезной площадью 800 м^ для условий г.Новосибирска. Спроектирована трехэтажная СНТ полезной площадью 800 м2 с цехом переработки продукции для совхоза "Ленский" Ленского района Якутской АССР.

Результаты исследований'рассмотрены и одобрены научно-техни-чесзшки советами Новосибирского облагропрома, ГОСАГРОНРОМА Якутской АССР и ГОСАГРОНРОМА РСФСР.

Апробация. Результаты научных исследований доложены на научно-методической конференции в г.Барнауле (1979 г.), зональном семинаре в г.Новосибирске (1980 г.), всесоюзном совещании в г.Владимире (1980 г.), зональной научно-практической конференции в г.Красноярске (1982 г.), научно-практической конференции в г.Барнауле (1983 г.), научном совещании в г.Красноярске (1983 г.), региональной научно-технической конференции в г.Иркутске(1984 г.), всесоюзной научно-технической конференции в г.Смоленске (1985 г.), ряде научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Новосибирского сельскохозяйственного института в 1983-1988 гг., научном семинаре по проблемам электрификации сель-.ского хозяйства в ЧШЭСХе (г.Челябинск, I986-I99I гг.), всесоюзной отраслевой конференции в г.Москве (ВИСХОМ - ВДНХ СССР, 1986 г.), региональной читательской книжно-журнальной конференции

по проблемам электромеханизации сельского хозяйства (Краснообск -СибШЭ, 1986 г.), научно-методической конференции Госагропрома СССР - ВАСХНМ - НИИОХ в г.Москве (1987 г.), научно-практической конференции СО ВАСХНМ - НСХИ в г.Новосибирске (1988 г.), региональной конференции по применению наземных аэрокосмических и автоматизированных систем для наращивания потенциала агроресурсов в г.Барнауле (1989 г.), всесоюзной конференции по развитию производительных сил в Сибири в г.Новосибирске (1990 г.).

Научная работа одобрена учеными советами СибИМЭ й НСХИ в 1978-1988 гг., научным семинаром кафедры автоматизации сельскохозяйственного производства УСХА в 1984, 1988 и 1991 гг., научным советом факультета электрификации сельского хозяйства Ч7ЧЭСХ (1986-1991 гг.), Диссертация заслушана и одобрена на совместном заседании секции Энергетики ВАСХНМ и лаборатории электрификации защищенного грунта ВИЭСХ в г.Москве в феврале 1988 года, г.Минске на заседании кординационно-экспертного совета БШСХ по проблеме "Автоматизированные системы микроклимата" в июне 1989 г., г.Москве на заседании отдела облучательных светотехнических установок и приборов для агропромышленных комплексов и промышленной фотохимии ВНИСИ в апреле 1990 г., г.Пушкине на расширенном заседании кафедры электроснабжения сельского хозяйства Ленинградского государственного аграрного университета и отделе новых типов хранилищ Сибирского научно-исследовательского и проектно-технологи-ческого института переработки с.-х. продукции (СибНКПТШ) в октябре 1991 г. Всего по материалам диссертации сделано более 40 докладов .

По результатам выполненной научной работы опубликованы 39 научных работ (15 выполнены без соавторов), из которых 29 опублико-заны в центральной и республиканской печати. В ВНТЩ по теме диссертации зарегистрированы 4 отчета.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе "Состояние энергетики сооружений защищенного грунта и задачи исследований" излагаются современное состояние и 1ерспективы развития овощеводства защищенного грунта Сибири и (райнего Севера, проводится анализ особенностей искусственных электрических источников оптического облучения растений, обсудда-этся основные проблемы энергетики сооружений защищенного грунта.

Анализ литературных источников и деятельности исследовательских и проектных организаций показывает, что за последние годы значительно возросло число работ по энергетике защищенного грунта. Этот факт объясняется рядом причин: во-первых, в связи с промышленным освоением Крайнего Севера и зоны БАМ неуклонно возрастает значение защищенного грунта в регионе. "Чтобы удовлетворить -потребность населения севера страны в тепличных овощах необходимо дополнительно построить на Севере страны 250-260 га теплиц, из них больше половины зимних. На обогрев этих сооружений и облучение растений потребуется около 400 тыс. т.у.т. Во-вторых, положения.Энергетической программы СССР направляют специалистов всех звеньев на создание энергосберегающих технологий в народном хозяйстве. А, как известно, защищенный грунт является самой энергоемкой отраслью сельского хозяйства, и поэтому рациональное использование и- экономное расходование топлива и энергии - важная задача теории и практики.

В данной области получено много важных теоретических и практически. полезных результатов в научных трудах Аршавской Л. А., Аршавского С. А., Басова А. М., Берсона Г. 3., Вишневской Г. И., Герасимовича Л. С., Гусарова В. П., Казанцева Ф. С., Козинско-го В. А., Лемана В. М. , Лисовского Г. М., Мартыненко И. И.,Мош-кова Б. С., Мудрака Е. И., Никольского 0. К., Пасичной 0. П. , Прищепа Л. Г., Свентицкого Н. И., Сидько Ф. Я., Сторожева П. И., Худоногова А. М., Шарупича В. П., Шарупича Т. С., Кеннета Р.,На-варро Г., Рутнера 0. и др.

Несмотря на большое количество исследований перечисленных выше авторов результаты эттх экспериментов позволяют развивать отдельные аспекты научно-технической проблемы, но до сих пор не существует целостной системы обеспечения технологического процесса производства овощей в светонепроницаемых культивационных^зоо-ружениях применительно для районов РСФСР с экстремальными климатическими условиями.

Анализ состояния овощеводства защищенного грунта севера страны показал, что подсобные хозяйства большинства промышленных предприятий строят тепличные цеха площадью не более 300... 1500 м2. И только совхозы "Мурманский", "Тепличный" вблизи г.Воркута Коми АССР, "Норильский", "Якутский", "60 лет СССР", Покровское ОПХ ЯНШСХа Якутской АССР и "Пригородный" Магаданской , области имеют площади зимних теплиц от 2,5 до 8 га. Подсобные хозяйства не укомплектованы, необходимым технологическим оборудованием и квалифицированными кадрами.

8

Велики затраты на обогрев помещений и облучение растений,так как все хозяйства для досвечивания применяют различные типы ламп и облучателей 0Т-400, OT-IOOO, ДКсТВ-6000, СОРТ 1-10, имеющие-низкую светоотдачу 20-40 лм/Вт и большую установленную мощность, доходящую до 2 кВт/м^, что вызывает увеличенный расход энергии.В большинстве тепличных хозяйств себестоимость единицы произведенной продукции выше выручки от ее реализации.

Оптимизация энергоемкости существующих и поиск новых эффективных технологий требует качественно иного, чем прежде, подхода к решению назревших энергетических проблем. Производство овощей в СНГ изучается в целостной системе, где на входе функционирует электроэнергия, а на выходе образуется биоэнергия, воспроизводимая живым организмами - растениям.

На рис. I.I отражена основная проблема, сложившаяся в защищенном грунте: высокие затраты различных видов энергии и низкий коэффициент полезного действия в целом всего сооружения, вследствие чего имеется большое значение энергосодержания единицы продукции (972 ВДж/кг для огурцов). Энергетические показатели светонепроницаемых культивационных сооружений значительно лучше (рис. 1.2): энергосодержание единицы продукции 242 Щж/кг, энергетический КЦД сооружения (48,5$) больше почти в 4 раза ЩЦ существующих зимних теплиц (12,4$), потери тепловой и световой энергий меньше по абсолютной величине соответственно в 20 и 16 раз.

Основными потребителями различных видов энергии в теплицах являются установки, обеспечивающие необходимый микроклимат. В результате анализа конструкций светонепроницаемых культивационных сооружений различного вида, а также требований овощных культур к микроклимату мо"шо сформулировать следувдие основные свойства CHT - -потребителя энергии:

- в формировании энергетического баланса CHT существенную роль играет транспирация растений, требующая значительное количество влаги (питательного раствора);

- графики потребления энергии в течение суток описывают два явно выраженных стационарных режима: ночной и дневной;

- хорошо организованная утилизация тепловой энергии от облучателей позволяет обогревать дополнительно находящиеся рядом другие культивационные сооружения даже в зимнее время;

- потери энергии практически не зависят от наружных условий и составляют 10-20$ от всего количества энергии, идущего на обеспечение технологического процесса.

Многочисленными исследованиями установлено, что шнимальная мощность физиологически активной радиации (ФАР), необходимая растениям от всходов до начала плодоношения, должна быть для огурцов не менее 30, а для томата не менее 64 Вт/м*\ Исходя из этого, а такие опыта работы со светокультурой в совхозе "Норильский" и макетном образце светонепроницаемой теплицы в п. Краснообске Новосибирской области сформулированы следующие требования к источникам искусственного облучения:

- спектральный состав излучения ламп должен в наибольшей степени способствовать осуществлению фотосинтеза. Келательно иметь все участки видимого излучения с преобладанием красных и синих лучей. При этом излучения с длинами волн менее 290 и более 800 нм должны быть исключены, так как эти участки спектра либо действуют на растения угнетающе, либо (при высоких интенсивнос-тях) приводят к гибели растений.

- нежелательна единичная мощность ламп ниже 250-400 Вт и выше 4-6 кВт. В первом случае обеспечение высоких удельных мощностей в теплице приведет к огромному количеству арматуры и коммутационных устройств, а во втором невозможно добиться равномерности облучения в теплице.

- основными экономическими критериями при выборе облучателя (при равных параметрах ФАР) необходимо считать следующее:

а) удельную светоотдачу лм/Вт, что характеризует расход . электроэнергии на единицу ФАР;

б) срок .службы ламп;

в) созУ и возможности его повышения.

- лампы, арматура и внутренние электрические сети должны соответствовать требованиям техники безопасности для теплиц, которые классифицируются как помещения с повышенной опасностью (относительная влажность воздуха 70-90$).

Этим требованиям соответствуют современные высокоинтенсивные лампы со светоотдачей не ниже 100 лм/Вт типа ДРИ, ДНАТ, ДМ, ДРОТ. Предварительные данные по урожайности огурца, полученные в макетном образце в п. Краснообске Новосибирской области при выращивании их под лампами типа ДРИ-2000-6.не отличаются от урожайности той же культуры под ксеноновыми лампами типа ДКсТВ-бОСО в совхозе "Норильский" (10 кг/м^ с одного оборота, сорт Московский тепличный). Однако электроэнергии на единицу продукции идет в 2,5 раза меньше.

Вторая глава посвящена методам исследований основных под-

систем светонепроницаемых теплиц на основе системного подхода к проблеме энергетики культивационных сооружений. Изложенные в этой главе результаты были использованы из литературы и разработаны в связи с конкретным задачами анализа технологических и энергетических режимов СНТ. Разнообразие задач данной главы объясняется тем, что при разработке методик исследований подсистем различного назначения возник ряд взаимосвязанных задач теории радиационного, гидравлического и теплотехнического расчетов с учетом массообмена. Определение большинства параметров установок и подсистем произведено по методикам согласно отраслевых стандартов. И только для проведения исследований гидропонной установки били разработаны частные методы. Это вызезно необычностью предложенного культивационного сооружения, не имеющего аналога в нашей стране, и отсутствием серийно выпускаемого гидропонного оборудования.

До сих пор в нашей стране и за рубежом разрабатывались частные задачи расчета энергетических режимов различных сооружений защищенного грунта и не было системного подхода в целом к культивационному сооружению, представляющему собой единую систему. Светонепроницаемая теплица является примером относительно сложной системы, состоящей из следующих шести подсистем: теплоизолирующего светонепроницаемого ограждения, питания растений, облучения, обогрева, воздухообмена и увлажнения. Между частями системы (подсистемами и их элементами) имеются материальные, энергетические и информационные связи.

Для данной сложной системы разработаны две модели: иерархической и функциональной структур. На модели иерархической структуры СНТ (рис. 2) видна конкретная роль и назначение каждой подсистемы. Анализ модели функциональной структуры (рис. 3) дает нам представление о связях и энергетическом обмене между подсистемами. Общий методологический подход к установлению этих связей между подсистемами различного уровня и между отдельными элементами их может быть основан на таком понятии кибернетики, гак "черный ящик".

Сложная система "Культивационное сооружение" имеет сложные перекрестные прямые и обратные связи между подсистемами и их основными элементами. Изменения в одной из подсистем могут повлечь за собой изменения сразу в нескольких остальных подсистемах, а некоторые из них могут привести даже к глубокому качественному преобразованию всей сложной системы. Указанные связи являются наиболее общими и отражают только малую часть реально существующих зависимостей. Правильное установление их между подсистемами и их

элементами очень сложно и требует наличия большого объема информации применительно к конкретным задачам исследования.

Исходя из системного анализа, были выбраны по своей необходимости и значимости объекты исследований.

Основная экспериментальная работа проводилась в п..Краснооб-ске Новосибирской области в макете светонепроницаемого сооружения инвентарной площадью 195 м2, из которых площадь для овощей была равна 100 м2, для рассады - 70 м2 и технологический отсек - 25 м2 Некоторые исследования проведены в г. Ленске Якутской АССР в опытно-производственной СНТ полезной площадью (по прбекту) 300 м2 При теоретических исследованиях гидравлического режима гидропонного оборудования за основу была принята гидродинамическая теория фильтрации жидкости через несвязные грунты. Вывод теоретических зависимостей между параметрами температурных режимов лотков производился на основании уравнений теплового баланса. Режим теплопередачи и фильтрации раствора при непрерывной его циркуляции принимается стационарным, а при циклической подаче разделен на три режима: I) неустановившейся фильтрации во время заполнения субстрата в лотках; 2) установившейся фильтрации; 3) неустановившейся фильтрации в период слива раствора. Температурное поле в' субстрате лотков определяется начальной температурой и расходом раствора, теплотехническими параметрами субстрата, раствора и воздуха теплицы. •

В третьей главе "Теоретические исследования и обоснование ресурсосберегающих энергетических режимов технологического обеспечения и параметров микроклимата" проведен энергетический расчет культивационного сооружения на основе решения системы уравнений энерговлажностного баланса, учитывающего связи мевду всеми потоками энергий и массы в помещении.

Система уравнений энерго- и массообмена для СНТ составлена с учетом следующих допущений:- растения в сооружении отсутствуют, как наихудший вариант по расходу энергии и поддержанию необходимой температуры;

температуры поверхностей и пограничных слоев воздуха рассматриваются как средние по площади этих поверхностей; | - имеет место воздухообмен с наружным пространством, испарение и конденсация влаги происходят только в объеме сооружения;

- энерго- и массообмен происходят между поверхностью субстрата и внутренней поверхностью ограждения, а между облучателями и поверхностями субстрата и ограждения .также как между наружной

поверхностью всего сооружения и окружающими наружными строениями и окружающим наружным пространством только энергообмен (рис. 4). Уравнение энергетического баланса на поверхности субстрата:

а„ + аАК+акл +к„(алп+ =о, (I)

где кп - коэ;фщиент, учитывающий поглощение длинноволнового излучения трехатомиыми газами, находящимися в объеме сооружения, принимается кп = 0,88. Уравнение энергетического баланса на внутренней стороне ограждения:

Я/га +кп (От+Опо)+ак+ йт -О. (2)

Уравнение энергетического баланса :1а псверлюсти облучателей:

+ алп вмо = о. о)

Уравнение суммарного баланса энергий на поверхности субстрата, ограждения и облучателе!':

а™ + ^ * О'ко + кп (0-лп+ апо+ йло) +Ов=0. (4) Уравнение баланса по влаге для объема сооружения:

аи + ау +в8 = о. (5)

В зависимости от характера решаемых задач дополнительно применялось уравнение энергетического баланса для всего сооружения:

Яп + вАк+вв+аобл+КсМэф*- Яду/ Ион ) [К/>* )] = о, (6)

где учитывает надбавку теплопотерь на пнТшльтра- (7)

цип;

здесь £>£урн- плотность внутреннего и наружного воздуха, соответственно, кг/м3; Ас - коэффициент, учитывающий термическое сопротивление огра-эдения, в зависимости от типа и толщины теплоизолированного ограждения кс = 5...10. В приведенных уравнениях: йп1йигй0дл,0в10- энергетические потоки: от подсистемы обогрева субстрата, на испарение, полный (включающий лучистый и конвективный) от облучателей,

13

от нагретого вентиляционного воздуха, от конденсации, Вт/м2;

йкп,йкл,Око,йки- конвективные потоки тепловой энергии: на поверхности субстрата, от облучателей, на внутренней и наружной сторонах ограждения, Вт/м2;

лучистой энергии: от облучателей на поверхность субстрата, мезду поверхностью субстрата и огравдением, от облучателей на ограждение, от теплицы с окружающими наружными строениями и грунтом, от ограадения в окружающее пространство, Вт/м2;

О.г - поток тепловой энергии, обусловленный теплопроводностью через ограждение, Вт/м2;

(2ак - аккумулированная субстратом тепловая энергия от облучателей, Вт/м2; &и> Су.Св, ~ расходы влаги: на испарение с поверхности субстрата, вносимой в сооружение для увлажнения воздуха, удаляемой с вентиляционным воздухом, выделяемой при конденсации на ограждении, кг/с-м2.

После подстановки составляющих энергетического баланса из теории энерго- и массообмена система уравнений (1-6) примет соответствующий довольно сложный законченный вид. С учетом вышеназванных допущений математическая модель процессов энергомассообмена реализуется при решении конкретных.задач.

Выявлены основные задачи расчета: дневного и ночного режимов помещений, температурного и гидравлического режимов гидропонной установки, - которые были решены на ЭВМ типа ЕС-1022. Решение первой задачи явилось основой для определения оптимальных- энергетических затрат при выращивании овощей в СНТ на базе критерия удельных энергетических затрат.

Для простоты определения удельной установленной мощности ламп, являющихся единственным источником облучения растений и основным источником обогрева помещения, результаты решений математической модели сведены в номограммы и даны на рис. 5, 6 и 7.

На заре создания гидропонных установок для обогрева субстрата применялись различные специальные оборудованные системы под-стеллажного обогрева. Позднее для этих целей стали применять подогретый питательный раствор, в основном, при непрерывной подаче питательного раствора. В силу известных причин, как ухудшение ка- ' чества корневого пласта и образование в нем гнили, пришлось отка-

заться от непрерывной подачи и перейти к циклической подаче питательного раствора.

Процессы отдачи тепловой энергии для равномерного режима фильтрации, если пренебречь проекциями движения жидкости по осям у и г, описываются упрощенной системой уравнений:

А.. ЁЁ.

аЬ дп

ос =--- • — . (8)

Ж. ш Ы

~— = [Угу. • -Я— >

ат ж их

где сС - коэффициент теплоотдачи, Вт/м^,0С;

•Л - коэффициент теплопроводности субстрата, Вт/м-°С;

аЬ - температурный напор, °С; дь/дп - температурный градиент, С/м;

V - время, с;

- проекция скорости движения жидкости на ось х.

Для полученной системы уравнений (8) были приняты следующие условия:

- задана начальная температура подогретого раствора tp.fi параметры которого являются такими же как и для воды;

- задан коэффициент теплопроводности субстрата^;

- передача тепловой энергии от раствора к поверхности субстрата и наружной стенке лотка определялась по одному закону уравнением Фурье;

-. передача тепловой энергии от поверхности субстрата воздуху теплицы определялась конвективным теплообменом с помощью суммарного коэффициента теплоотдачи оСс учитывающего конвективный, лучистый и теплообмен испарением влаги;

- заданы характеристики субстрата, расход раствора Ц, и параметры лотка: длинаЬ, диаметр^, высота слоя субстрата/У;

- скорость движения раствора в субстрате принимается одинаковой по всей длине лотка и определяется из следующего уравнения:

"/с, (9)

где А7 - сечение лотка с субстратом, преодолеваемое раствором,

Ь; ,

к - коэффициент фильтрации субстрата, м/с; у - удельная масса теплоносителя (раствора), кг/м3.

Решение системы из двух дифференциальных уравнений (8) можно произвести с помощью рядов Оурье при целом ряде допущений,что в значительной степени снизит достоверность полученных результатов. Проще расчет процессов в лотке провести на основе элементарного баланса потоков тепловой энергии:

аа = йй1 + ййг, (ю)

где с/0., - тепловой поток через поверхность субстрата; с1йг - тепловой поток через стенки лотка.

Подставив составляющие тепловых потоков и решив уравнение (10), получим:

ли

-¿в)(/~е. Вт. . (II)

о

Поток тепловой энергии с I м поверхности равен:

где - температура воздуха внутри теплицы, °С;

А - коэффициент, представляющий собой функцию от теплотехнических параметров субстрата и лотка, имеет размерность коэффициента теплопроводности, Вт/м«°С; В - ширина (диаметр) лотка, м.

На базе математической модели процессов энергомассообмена и полученных уравнений теплового баланса проведены теоретические исследования и получены зависимости между теплотехническими и конструктивными параметрами гидропонного оборудования.

Задача оптимизации режимов технологического обеспечения и параметров микроклимата сама по себе является довольно сложной, связанной с множеством противоречивых явлений и недостаточно изучена. Для решения этой задачи должна быть составлена и рассмотрена некоторая целевая функция от эффекта и затрат с целью нахождения ее экстремума. Такой функцией может быть зависимость выходного эффекта IV от параметров микроклимата и режимов технологического обеспечения за время Г0 :

н 16

М, К,Н,Тр), -^г, (13)

где Т,М,к,Н,Тр- факторы: технологические, параметры микроклимата, конструктивные, наружно, врегля вегетации. Выходным эффектом 'Т-уньи:::: являлась урожайность, измеряемая в Кг/м2.

Входной информацией для оптимизации режимов технологического обеспечения и параметров микроклимата служили температура поверхности почвы Ьп , температура внутренпого воздуха , температура поверхности ограждения Ьогр 11 относительная влажность воздуха внутри теплицы У^». В результате решения математической модели определялись температура поверхности облучателей ¿обл " мощность потерь тепловой энергии 0Ш, из анализа которых находили установленную мощность облучателей, количество потребленной ими и другими потребителями энергии и урожайность растении.

Реализация поставленной задачи по опти.изгагн энергптгчес кпх затрат может быть осуществлена, например, с помощью микроЭВМ "Электроника - 60'л" и выбранного комплекса технических средств систбмы управления параметрами микроклимата. 3 качестве алгоритма оптимизации использован алгоритм решения задачи по определению оптимальных энергетических затрат.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования температурных и световых полей в воздухе теплицы, энергетических и радиационных режимов подсистем СНГ. Результаты натурных экспериментов позволяют выявить адекватность математической модели процессов энергомассообмена и теоретических исследований подсистем и сделать практические выводы. Исследования проводились как в макете светонепроницаемой теплицы в п.Краснообске Новосибирской области, так и в опытно-производственной теплице в г.Лен-ске Якутской АССР.

Основным показателен гидравлической характеристики, определяющей как агротехнические требования, так и температурный режим гидропонного оборудования, является уровень раствора в лотках.На основании проведенных теоретических исследований было установлено, что нэ величину уровня раствора оказывает влияние расход раствора, уклон лотка и коэффициент фильтрации субстрата. Последний в свою очередь определяется размером и формой частиц субстрата.

С целью определения оптимального расхода гидропонной установкой было проведено исследование влияния изменения его на уровень питательного раствора в лотке-(рис. 8). Кривая изменения высоты слоя раствора от его расхода выражается параболической зависимостью с показателем-степени 3/2. Заметное влияние на величину высоты слоя раствора оказывает уклон лотка. На рис. 9 даны результаты замеров их, полученные в макете светонепроницаемой теплицы на субстрате из керамзита фракции 2-20 мм. Анализ результатов этих экспериментов показал, что регулировать уровень питательного раствора в лотке можно двумя способами: изменением расхода питательного раствора при неизменном уклоне лотка и не меняя расход питательного раствора, изменением уклона лотка.

Исследования температурного режима гидропонного оборудования в натурных условиях имели цель - проверить полученные теоретические зависимости и определить влияние различных факторов на величину теплоотдачи и температурное поле в субстрате. Основными параметрами, определяющими температурный режим гидропонного оборудования, являются расход раствора и его начальная температура.

Было исследовано влияние расхода раствора на величины теплоотдачи и перепада температур раствора в лотке (рис. 10 и II). Анализируя результаты этих экспериментов можно заключить, что оптимальным расходом раствора могут быть несколько его значений в зависимости от угла наклона лотка и времени вегетации растений. При снижении расхода раствора происходит значительное уменьшение теплоотдачи, а повышение вызывает нежелательное явление образования плесени на поверхности субстрата и увеличение затрат на циркуляцию раствора. Оптимальный уровень раствора 3540 мм может быть получен при следующих уклонах лотков и расходах раствора: I) 0,005 и 4,7 г/с; 2) 0,01 и 7,5 г/с; 3) 0,02 и 10 г/с; 4) 0,03 и 14 г/с. Перепад.тешератур раствора л tр составляет: в первом случае 4,5°0; 2) 3,3°С; 3) 2,3°С; 4) 1,2°С.

Таким образом, с точки зрения агротехнических требований для допустимого перепада температур раствора при прохождении его по лотку и допустимого уровня раствора в нем, могут быть использованы 2, 3 и 4 варианты. Поэтому в начале культурооборота когда еще корни растений развиты слабо, гидропонная установка должна работать по 4-му варианту, а по мере увеличения корневого пласта необходимо переходить на 3-й, а затем и 2-й режимы. При этом гидравлический расчет гидропонной установки ведут по максимальному

расходу питательного раствора, соответственно увеличивая мощность на привод насоса я разборы трубопроводов.

Исследование температурных полей в субстрате растилск-лотков при различных способах подачи питательного раствора показало, что они несколько отличаются в зоне развитая корней растений. с точки зрения равномерности тешоратуриого поля вьтоянвй била бы теговшо о иоирср;.з:юГ: поданеп рпстнора, по и она имеет суг,встеокж1$ недостаток, заклячаг-зднйся в образовании гнпли в зоне корней. При циклической подаче хотя и несколько увеличена разность температур ;.:егду подкэр.лка.та, по :ге превышает 2,5-3,5°С, ц она благотворно влияет па питание корней кислородом. Ме:~ду подкормками температура наивпемая на поверхности субстрата. Во время ¡юдкорккп в ночной период повышается температура как б шшгеп, так и верхней частях субстрата. Прячегл в нижней части этот процесс идет интенсивнее.

В существу-таих гидропонных установках и нашей теплипе производится регулирование только температуры питательного раствора. Устройство же одновременно!! регулировки температур раствора и субстрата довольно сложно и дороге.

Формирование температурного поля в воздухе СИТ - довольно сложный пропесс. Создается поле несколькими подсистемами: "Воздухообмен", "Обогрев", "Облучение" и "Увлажнение". Подсистема "Воздухообмен" обуславливает необходимую кратность воздухообмена.Экспериментальные исследования ее показали, что она обеспечивает эффективное снятие перегрева в весенне-летний период и перепад температур не превышает агротехнические требования. В переходный период' можно осуществлять подачу утилизованного от ламп теплого воздуха в рядом стоящие стеклянные и пленочные теплицы, что позволяет экономить за год при полезной площади СНТ 300 г.г 650 тыс. ЫДж электроэнергии. Из анализа результатов натурных исследований температурного поля в воздухе теплицы (.ряс. 12) видно, что подсистема "Воздухообмен" выравнивает температуру по всему объему помещения и перепад в зоне растений составляет но более 3°С.

Исследования световых полей проводилось в поперечных и продольных плоскостях. Для уменьшения потерь световой энергии и перераспределения светового потока ламп в объеме теплицы была применена светоотражающая пленка типа ПЭТФ на лавсановой основе,которой покрывали внутреннюю часть ограждения. Как показали исследования световых полей, использование этой пленки позволило вы-

равнять освещенность у стен теплит и получить объемное облучение растений, что благоприятно для развития растений.

Анализ кривых распределения освещенности (рис. 13 и 14) показал, что световое поле, созданное двумя линиями ламп, в ценозе теплицы шириной 9 м наиболее равномерно при расстоянии между линиями ламп 2,5 ы и на расстоянии 1,2 м от растений до источников облучения. Неравномерность не превышает, в среднем,15$.

В пятой главе "Рекомендации производству" приводится описание технологических и электрических схем управления технологическими процессами, разработаны режимы потребления электроэнергии и работы оборудования и проведен технико-экономический расчет строительства и эксплуатации СНТ в районах с экстремальными климатическими условиями.

На основе разработанного наш технического задания в ОПКГБ СибНШТИЖа разработаны два проекта опытно-производственных светонепроницаемых теплиц площадью соответственно 300 и 800 м^.Первый проект реализован в г.Ленске Якутской АССР, второй - в г.Новосибирске.

Действующая теплица в г.Ленске предназначена для круглогодичного производства огурцов гидропонным способом при искусственном облучении растений в северной климатической зоне Сибири. Состоит из двух производственных помещений на двух этажах и рассадного отделения на 3600 горшочков. В санитарных целях рассадное отделение герметически изолированно от производственных помещений, имеет автономные подсистемы питания растений и вентиляции и схему управления микроклиматом.

Обогрев дневного помещения тешшш производится за счет теплопоступлений от облучателей, ночного отделения - за счет рециркуляции теплого воздуха из дневного отделения. В период между культурооборотами обогрев этих помещений осуществляется местными приборами - регистрами из гладких стальных труб (резервный обогрев).

Управление подсистемами жизнеобеспечения растений осуществляется автоматически, и вручную.

Из анализа недельных гигрограмм и термограмм следует, что значения дисперсий параметров микроклимата являются незначительными. Это говорит о стабильности микроклимата СНТ, который практически можно разделить на два стационарных режима: дневной и ночной.

Необходимо отметить, что температура наружного воздуха является основным возмущающим фактором при поддержании оптимального микроклимата СНТ. Это воздействие проявляется как во время подачи приточного воздуха в помещение, так и через ограждающие конструкции, которые с помощью теплосопротивления ослабляют это воздействие. Снижение температуры наружного воздуха вызывает рост тепловых потерь теплицы, а следовательно и энергетических затрат на микроклимат. Так при изменении наружной температуры от -Ю°С до -50°С тепловые потери теплицы возрастают более чем в три раза с 20 до 70 Вт/м2 (при скорости ветра 5-7 м/с). Эти данные получены при значении термосопротивления ограждения, рассчитанного согласно СНШ П-3-79 и равного 8,2 м^«°С/Вт, которое можно рекомендовать как экономически целесообразное для ограждения светонепроницаемого культивационного помещения в условиях Сибири на географической широте 64°.

Светонепроницаемая теплица является сооружением в целом с единым энергетическим вводом. Так как электростанции должны иметь полную суточную и круглогодичную загрузку, то СНТ могут явиться ■наиболее целесообразными потребителями-регуляторами электроэнергии. Действительно, подобные сооружения не связаны со сменой астрономических дня и ночи и можно так рассчитать режимы электропотребления, что максимумы их будут приходиться в периоды провалов загрузки станций.

Для рационального проектирования электрооборудования и его эксплуатации необходимо знать изменение нагрузок в течение определенного времени (суток, месяца, года). Огурцам* например, достаточно в сутки 12 часов экспозиции и тогда график нагрузки выглядит согласно рис. 15. А для некоторых зеленных культур это время может быть меньше, например, 10 часов (рис. 16). Для светолюбивых культур, таких как, например, томаты, требуется 13 часов экспозиции и более, поэтому график нагрузки необходимо рассчитывать таким образом, чтобы не было перегрузок сетей, трансформаторных подстанций и перерасхода материалов. На рис. 17 показан вариант графика нагрузки СНТ при выращивании томатов, позволяющий теплицу, предназначенную для выращивания огурцов и зеленных культур, использовать (и при этом не увеличивая мощность ТП и пропускную способность сетей) для производства светолюбивых культур.

Из анализа расчетных велечин: средней мощности за сутки Р„_,,

ср

числа часов использования максимума Т и степени использования электроустановки Кисп - видно, что самым экономичным вариантом по

электропотреблению является первый вариант, показанный на рис. 15 (Р =1,0, Т=24 ч, КИСП=1), менее экономичны:.: - второй (Рср=0,83, Т-20 ч, Кисп=0,83) и'"наихудшим - третий вариант (Р =1,08, Т=13 ч, К,,„,т=0,54). Отсюда мот о сделать вывод, что для светолюбивых

ПСИ

культур необходимо иметь светонепроницаемую теплицу, состоящую из трех и более основных помещений для выращивания-растений.

Имея нагрузочные графики для различных сезонов года в данной местности, можно распределить на нем культуры, которые целесообразно выращивать здесь в СИТ. Так как тепличные комбинаты располагаются преимущественно около городов и питание их осуществляется от городских' электростанций, то и привязывать СНТ необходимо к городским нагрузочным графикам. На рис. 18 представлен вариант распределения по сезонам года выращиваемых культур согласно годового нагрузочного графика для г. Якутска.

Технико-экономическое обоснование темы выполнено по нескольким экономическим показателям существующих зимних и светонепроницаемых теплиц: себестоимости овощей, сроку окупаемости сооружений, трудовым затратам и потреблению электроэнергии на единицу продукции, приведенным затратам и уровню рентабельности. Срок окупаемости разработанных теплиц 5 лет, трудозатраты и потребление электроэнергии в них соответственно равны 8,2 чел-ч/ц и 242 ВДж/кг продукции. Себестоимость овощей в 2-3 раза меньше, а приведенные затраты на 27% ниже существующих зимних теплиц. Рентабельность телшц составляет 100$.

Было проведено сравнение на основе экономических расчетов стоимости доставки самолетами овощей, выращенных на юге, на Север страны и себестоимости овощей, полученных в светонепроницаемых теплицах в местах их потребления. Анализ этих чисел показал, что они сопоставимы. Но из-за несовершенства предварительной обработки и хранения и нестабильности летных погодных условий овоши, доставленные с Юга часто бывают несвежими, не имеют товарного вида, быстро гниют. Население предпочитает поспать овощную продукцию из местных совхозов и подсобных хозяйств.

Расчет трудозатрат на единицу продукции произведен на основе технологической карты совхоза "Киевская овощная фабрика" при производстве овощей на гидропонике (табл. I).

Результаты экономического расчета капиталовложений, годовых амортизационных отчислений и эксплуатационных затрат, основных показателей существующих и светонепроницаемых теплиц сведены в табл. 2.

Таблица .1

Затраты труда на виратпвяние овощей гидропонным способом в светонепроницаемых теплица':: (расчетная площадь I га)

п/п Наименован:)е операций Затраты труда на данной операции, чел.-ч.

I. Приготовление сухих питательных веществ 150

2. Посев пророщеш'ыми семена:.::' на рассаду 2С0

3. Выращивание рассады для посадки в теплице ЗСО

4. Посадка рассады 500

5. Приготовление и подача питательного раст-

вора к растениям 850

С. Уход за культурами ЮССО

7. Контроль и регулирование микроклимата 1200

8. Опрыскивание 120

9. Опыливание 350

10. Опыление дополнительное 7С0

II. Побелка внутренних стен пли оклеивание

светоотражающей пленкой 300

12. Сбор огурцов 1500

13. Упаковка продукции в тару ЮСС

14. Транспортировка в теплицах 540

15. Внекорневая подкормка углекислым газом 1С0

16. Удаление растительных остатков 150

17. Дезинфекция теплиц 100

18. Промывка системы раздачи раствора и под-

готовка субстрата к использованию 530

Итог о: 18590

Таблица 2

Технико-экономические показатели существующих зимних и светонепроницаемых теплиц в расчете на I га (в ценах на 01.04.91 г.)

К п/п Виды затрат Сумма, тыс.р.

сушеств. тепл. CHT

I. Капиталовложения 9000,0 5365,5

2. Годовые амортизационные отчисления 435,0 310,5

3. Годовые эксплуатационные затраты 760,0 741,6

Показатели

4. Приведенные затраты, тыс.р. 2550,0 1860,0

5. Трудозатраты, чел-ч/ц 12,0 8,2

G. Срок окупаемости, годы 4,7

7. Себестоимость, р./кг 7,0 2,5

8. Рентабельность, % - 100,0

ЗАКЛЮЧЕН И Е

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют изложить следующие результаты работы:

1. Разработанные режимы энергообеспечения и структуры энергозатрат определили стратегию выбора технологического процесса в -СИТ, направленного на снижение себестоимости продукции, экономию энергии п трудовых ресурсов. Наиболее энергоемкими технологическими процессами являются облучение растений и обогрев помещения.

2. Технологические процессы с различными энергетическими режимами отражены в разработанной математической модели процессов энергомассообмена, в которой с помощью граничных условий отражены особенности производства овощей в CHT. Аналитически решен ряд задач, включая сопряженные и нелинейные, в результате чего получены закономерности, позволяющие: прогнозировать температурные и световые поля в воздухе теплицы и температурные поля в субстрате; оптимизировать режимы работы подсистем жизнеобеспечения и технологического гидропонного оборудования; установить динамику энер-

гомассообмена между поверхностями субстрата, ограждения облучателей и наружным воздухом. Выявленные закономерности дают возможность вести целенаправленный поиск рациональных решений по инженерному обеспечению интенсивных технологий и условия снижения энергии.

3. Эффективном способом обогрева СНТ является способ 'обогрева с утилизацией тепловой энергии от ламп и подачи ее в помещение с ночннм режимом растений. В период особо холодных суток зимой для подогрева подаваемого наружного воздуха включают.электрокалориферы. Подсистема "Обогрев", выполненная по такой схеме, рациональна и обеспечивает качественный микроклимат в зоне растений вследствие образования устойчивого циркуляционного потока. Разработанная подсистема "Воздухообмен" обуславливает необходимую кратность воздухообмена. Экспериментальные исследования подсистемы показали, что она обеспечивает эффективное снятие перегрева в весенне-летний период и перепад температур не превышает агротехнические требования.

Результаты работы позволяют сделать следующие научные и практические выводы:

I. Ни в одном из изученных овощеводческих хозяйств Крайнего Севера и Северо-востока страны коглплексной механизации на базе электрификации и автоматизации пока нет. Большинство производственных процессов выполняется с преобладанием ручного труда, следствием чего является еще высокая себестоимость тепличных овощей, которая выше выручки от ее реализации. Одной из причин, сдерживающих внедрение комплексной механизации, является отсутствие типовых проектов для зоны, поэтому строительство культивационных сооружений ведется в разное время по различным проектам. Велики затраты на облучение растений и обогрев помещений. Все хозяйства для досвечивания применяют электрические лани; и облучатели, имеющие низкую светоотдачу 20-40 лм/Вт п большую установленную мощность, доходящую до 2 кВт/м^, что вызывает увеличенный расход электроэнергии. Иа анализа деятельности существующих тепличных комбинатов и источников литературы видно, что наиболее целесообразно в условиях Сибири и Крайнего Севера строить светонепроницаемые культивационные сооружения. Для создания в них необходимой освещенности требуемого спектра при оптимальных энергетических затратах наиболее пригодны лампы со светоотдачей 100 лм/Вт и более. Регулируемые параметры микроклимата и автоматизация технологических процессов позволяют получать высокие урожаи овощей. По-

тери тепловой.энергии в CHT составят 20$ от всей мощности, идущей на обеспечение технологического процесса.

2. При рассмотрении технологических режимов выявлено, что корневое питание растений в гидропонике обуславливается конструктивными параметрами оборудования, режимом подачи и сброса раствора при оптимальных кислотности pH и-температуре раствора. Расход питательного раствора зависит в основном от транспирании растений. При отработке технологических режимов на макетном образце CHT и в опытно-производственной теплице в г. Ленске Якутской АССР определены суточная и за весь период вегетации потребность растений в растворе: в начале вегетации 0,08-0,1 кг на I кг лука и 0,4 кг на I растение огурцов; в конце вегетации 0,2 кг у лука и 0,7 кг у огурцов; за весь период вегетации эти числа равны соответственно 3,0 кг и 50-55 кг.

3. Производство овощей в CHT изучено в целостной системе, состоящей из 6-ти подсистем: теплоизолирующего светонепроницаемого ограждения, питания растений, облучения, обогрева, воздухообмена и увлажнения. Между подсистемами и их основными элементами существуют сложные перекрестные прямые и обратные связи. Анализ функциональной структуры сложной системы показал, что значение КПД ФАР в темницах находится на более высоком уровне, чем в традиционных зимних теплицах, а применение предложенных энергетических режимов технологического процесса позволило получить его равным 4$.

Разработана методика исследований энергетических режимов технологического оборудования, основанная на.гидродинамической теории фильтрации жидкости через несвязные грунты. Вывод теоретических зависимостей между параметрами температурных режимов произведен на основании уравнений теплового баланса.

4. На основе усовершенствованной теории энерго- и массообме-на разработана математическая модель процессов энергомассообмена в CHT, состоящая из уравнений энерговлажностного.баланса на поверхностях субстрата, ограждения, облучателей и для всего сооружения. Выявлены 3 основные задачи расчета: дневного и ночного режимов помещений, температурного поля в субстрате.

Разработаны алгоритмы решения задач и составлены машинные программы на языке ФОРТРАН для ЭВМ типа EC-I022 по расчету температурных полей в субстрате и-определению оптимальных затрат электроэнергии культивационным сооружением (на базе расчета дневного режима). Получены при этом закономерности мезду энергетичес-

кими потерями, освещенностью, температурой, удельной установленной мощностью облучателей м уроглйностью овощей, анализ которых выявил их оптимальные значения. Аналитически рассчитан ночной режим светонепроницаемой теплицы. Расхоздение между результатами, найденными с помощью разработанных математических методов и классической теории теплопередачи, раЕно в среднем 6,5%.

5. Основные гидравлические'параметры технологического оборудования: высота слоя (уровень) раствора, скорость фильтрации, кривая заполнения раствором лотка по его длине - определяются физико-механическими свойствами субстрата, расходом раствора, уклоном и размером лотка. В результате теоретических исследований получены дифференциальные уравнения для 3-х частных случаев: ламинарной и турбулентной фильтрации и переходного режима, по которым определяется по всей длине лотка Еысота слоя раствора. Последний является основным показателем гидравлической характеристики, определяющей гак агротехнические требования, так и температурный режим оборудования. Регулировать его можно двумя способами: изменением расхода питательного раствора при неизменном уклоне лотка и не меняя расход раствора, изменением уклона лотка. Найден оптимальный уровень раствора 35-40 мм. В течение периода вегетации наблюдается повышение уровня раствора и снижение коэффициента фильтрации субстрата в 1,7 раза по сравнению с первоначальными значениями. После дезинфекции субстрат восстанавливает свои первоначальные физико-механические свойства.

6. В результате анализа данных натурных и теоретических исследований найдено, что необходимый температурный режим в кор-необитаемой среде создают облучатели, аккумулирующие в субстрате тепловую энергию, совместно с подогретым питательным раствором. Установлено, что расход раствора может иметь несколько значений в зависимости от уклона лотка- и времени вегетации растений: в начале культурооборота (¿=0,03,^=14 г/с), по мере увеличения корневого пласта (¿=0,02,^=10 г/с), с середины и до конца вегетации (¿=0,01,^=7,5 г/с).

Анализ решений дифференциальных уравнений теплообмена и теоретических зависимостей показал, что длину лотка более 10 м делать нецелесообразно. Перепад температур в нем находится в пределах агротехнических требований и не превышает 3°С. В холодное время года допускается начальная температура раствора 35°С, в теплое время +30°С. В результате экспериментальных исследований температурных полей в субстрате получено распределение тем-

пературы на различной глубине его при двух видах подкорг.ткп: непрерывной и циклической. Последняя благотворно влияет на корни растений из-за лучшего питания корней кислородом и не сказывается отрицательно на температурном режиме: как при дневном, так и при ночном периодах работы установки перепад температуры между подкормками и во время подкормки не превышал 2,5-3,5°С.

7. Разработаны электрические схемы управления всеми технологическими операциями и параметрами микроклимата. Созданы предпо-

- сылки автоматизации процессов технологического обеспечения и режимов микроклимата на сазе отечественной микропроцессорной техники. В качестве управляющей признано целесообразным применить . микро-ЭВМ "Электроника СОМ", обладающую относительно небольшими габаритами и стоимостью, и необходимым комплексом технических средств. Совместная работа ЭВМ и электрических схем позволит осуществить автоматическое регулирование производственным процессом одновременно по четырем параметрам: температуре и относительной влажности внутреннего воздуха, температурам ограждения и поверхности субстрата.

8. Формирование температурного поля в воздухе СНТ - довольно сложный процесс. Создается поле, в основном, четырьмя подсистемами: "Воздухообмен", "Обогрев", "Облучение", "Увлажнение". При наружной температуре, превышающей +30°С, температура внутреннего воздуха доходит (если не включать подсистему "Увлажнение") до +40°С. Включение ее снижает темлературу внутри помещения на 5-7°С. В результате натурных экспериментов установлено, что подсистема "Воздухообмен" выравнивает температуру по всему объему теплицы и перепад в зоне растений не превышает 3°С.

9. Установлено, что качество воздушной среды: температура, влажность, концентрации углекислого газа и микроэлементов - зависит от режима работы подсистемы "Воздухообмен". Исходя из этого, рекомендуется при температуре наружного воздуха 15°С и ниже обогревать помещение с ночным режимом растений за счет рециркуляции воздуха из "дневного" помещения без притока наружного воздуха. В диапазоне наружных температур 0°С—15°С работают на втором режиме с частичным притоком подогретого наружного воздуха. И при 0°С и выше включают третий режим - полный приток в теплицу наружного воздуха (при необходимости подогретого).

10. Применение светоотражающего свода из светоотражающей пленки типа ПЭТФ позволило получить равномерное световое поле в. ценозе (неравномерность не превысила 15%), а также значительно

уменьшить потери электроэнергии, идущей на создание необходимой' облученности. Найдены зависимости между освещенностью и расстояниями между осветительными линиями и облучателями в линии, анализ которых выявил их оптимальные значения.

11. Из анализа термограмм и гигрограмм можно заключить, что суточный режим микроклимата можно практически разделить на два стационарных режима: дневной и ночной, что положительно сказывается и на потреблении электроэнергии. Возможность менять в любое врегля суток день и ночь делает СНГ потребителями-регуляторами электроэнергии, максимумы электропотребления которых можно рассчитать в периоды провалов загрузки электростанций.

На основе результатов исследования графиков электрических загрузок выявлено, что в зимние месяцы рекомендуется выращивать традиционную культуру - огурцы, при производство которой получен яаибольший коэффициент использования электроустановок КЙСП=1, в зереходные периоды - добавлять к огурцам менее энергоемкую зелен-1ую культуру - лук, и летом (когда на электростанциях провал загрузки) - энергоемкую светолюбивую культуру - томаты плюс лук на iepo. Экономичность СНТ значительно повышается, если утилизированный от ламп теплый воздух подавать в весенние теплипн, подсоб-ше и другие помещения. Энергосбережение за год при таком способе )богрева составит.20 млн ЦЦж/га теплиц, а КЦД использования энер-"ии в целом всем сооружением увеличивается в четыре раза и равен Б,5$. Определено количество электрической энергии для производ-:тва I кг продукции (огурцы) - 242 Щж/кг.

12. Экономические расчеты при обосновании темы, проектировали, строительстве и эксплуатации СНТ показали, что применение ветонепроницаемнх теплиц на севере страны и районах Сибири, при->авненных ему по климатическим условиям, даст экономический ффект 1,5 млн.р. в год (в ценах на 01.04.91 г.). Расчеты произ-едены по нескольким показателям, которые составили: трудозатраты ,2 чел.ч/ц, срок окупаемости 4,7 года, себестоимость 2,5 р./кг снижена, в среднем, в два раза по сравнению с существующими зим-ими теплицами), рентабельность 100$. Сравнение по приведенным атратам показало, что светонепроницаемые теплицы эффективнее овременных стеклянных теплиц на 27$.

Основное содержание диссертации опубликовано в 39 работах, важнейшие из которых следующие:

1. Разработать технические средства и технологию комплексной механизации в защищенном грунте в условиях Крайнего Севера: Закл. отчет по доп. зад. № 305 (п. 7) от 28.05.74 г./НИИСХ Кр. Севера.-Гос. рег^ № 76092919, - 1979. - 41 с. - Авторы: Сайтбурханов А.Р. Аршавский С. А., Компаниец Т. В., Иванов Г. Я.

2. Разработать технологию возделывания овощей в закрытом грунте: Промеж, отчет по доп. зад. № 253 (п. II) от 30.05.75 г./ СибШЭ - Гос. per. JS 8I044I79, инв. й 922975. - 1979. - 90 с. -Авторы: Овчинников В. А., Иванов Г. Я. и др.

3. Разработать и внедрить режимы микроклимата и системы обеспечения технологического процесса в светонепроницаемых теплицах в условиях Сибири: Закл. отчет по доп. зад. № 226 (п. 73) от 09.06.80 г./СибШЭ. - Гос. per. Ji 80068048. - 1983. - 65 с. -Авторы: Аршавский С. 'А., Башмаков Б. В., Иванов Г. Я. и др.

4. Оптимизация процессов выращивания овощей в светонепроницаемых теплицах: Закл. науч. отчет.ДГовосибирский СХИ. - Гос. per. № 0188.0 057022. - 1988. - 76 с. - Авторы: Иванов Г. Я., Байбуленко А. А. и др.

5. Мартыненко И. И., Иванов Г. Я. Определение тепловых потерь в весенних теплинах методом электротеплового моделирования// Электриф. тепл. процессов и.работ в культивац. сооруж.: Сб. тез. докл. всес. научно-техн. сов. в г. Тирасполе/БИЭСХ. -М., 1972.-С.

6. Иванов Г. Я. Контурный обогрев тешпш/ДЛеханизация сельского хозяйства. - 1974. - J« 3. - С. 25 (на укр. языке).

7. Мартыненко И. И., Иванов Г. Я. Методика электрического моделирования температурных полей в открытом и защищенном грун-те//Комплексная мех. и электриф. с.-х. пр-ва: Труды Днепропетровского СХИ. - 1976. - Т. ХХХШ. - С. 38-43.

8. Иванов Г. Я. Влияние открытого грунта на температурное поле почвы весенних теплиц и способ его уменынения//Электроме-ханизация защ. грунта: Сб. тех. докл. и сообщ. на Всес. научно-техн. сов. в г. Кировограде. - М., - 1976. - С. 90-91.

9. Мартыненко И. И., Пчелкин Ю. Н., Иванов Г. Я. Сравнительная оценка результатов-электротеплового моделирования при исследовании температурных полей в почве теплиц с данными натурных экспериментов//Комплексная мех. и электриф. с.-х. пр-ва: Труды Днепропетровского СХИ.. - 1977. - Т. ХХХУП. - С. 133-135.

10. Иванов Г. Я. Исследование теплоизоляции котлована весенних грунтовых теплиц//Применение тепла в с.х.: Научные труды/ УСХА. - 1977. - Вып. 187. - С. 63-€6.

11. Иванов Г. Я. Моделирование внутренних источников теплоты//,1ех. и электриф. соц. с.-х. - 1977. - Jé 10. - С. 50-51.

12. Иванов Г. Я. Система искусственного облучения растений// Вопросы механизированной технологии и микроклимата в теплицах: Метод, рекомендации, РПО СО ВАСХНИЛ. - Новосибирск, 1979. -

С. 51-53.

13. Иванов Г. Я., Аршавский С. А. Использование светонепроницаемых теплиц на Крайнем Севере//0 дальнейшем развитии электриф. с.х. в свете пост, июльского (1978 г.) Пленума ЦК КПСС: Тез. докл. Всес. сов. в г. Владимире. - М., 1980. - С. 136.

14. Иванов Г. Я. Светонепроницаемая теплица с электромеханизированной технологией выращивания овощей//;1ех. и автом. с.-х. пр-ва в условиях Сибири: Науч. труды//С0 ВАСХНИЛ, СибШЭ. - Новосибирск, 1980. - С. 48-50.

15. Иванов Г. Я., Башмаков Б. В. Исследование влияния света электрических ламп на температурное поле почвы в теплипах//Инду-стриальнке технологии и средства комплексной механизации с.х. пр-ва Сибири: Научные труды/СО ВАСХНИЛ, СибИМЭ. - Новосибирск, 1981. - С. 94-98.

16. Мудрак Е. И., Иванов Г. Я. и др.• Облучательные приборы и комплексы для растениеводства//Электриф. с.-х. пр-ва: Научнне труды/СО ВАСХНИЛ, СибИМЭ. - Новосибирск, 1983. - С. 95-103.

17. Иванов Г. Я. Ксеноновые лампы в пленочных теплицах// Земля сиб. дальневосточная. - 1984. - № 5. - С. 38-39.

18. Холодков Н. А., Иванов Г. Я. Подземные теплицы/Дехника молодежи. - 1984. - Л 6. - С. 58-59.

19. Иванов Г. Я., Мелешкина Т. Н., Байбуленко А. А. Выращивание овощных культур способом гидропоники при искусственном освещении/Л1ауч.-тех. бюл./СО ВАСХНИЛ, СибИМЭ. - Новосибирск, 1985. - Вып. 27. - 0. 27-34.

20. Пенкин Ю. А., Иванов Г. Я. и др. Повышение эффективное^ ти Еыращивания овощей на агрегатопоникуме в режиме искусственного облучения//Акт. пробл. повышения техн. уровня с.-х. машин: Сб. гез. докл. Всес, научно-техн. конф. - М., 1986. С. 98.

21. Иванов Г.'Я., Путяков Д. Н. Увлажнение оздуха в светонепроницаемых теплицах. - Там же. - С. 100.

22. Иванов Г. Я. Исследование температурного режима.расти-

лен-лотков гидропонной установки//Научно-техн. бш./СО ВАСХНИЛ, СИБШЭ. -Вып. 37. - Новосибирск, 1987. - С. 27-32.

23. Иванов Г. Я., Пенкин Ю. А., Угрюмов В. Г. О выборе и контроле параметров в системе жизнеобеспечения в светонепроницаемой теплице//Научно-техн. бюл./ СО ВАСХНИЛ, СибИМЭ. - Новосибирск, 1987. - Вып. 35. - С. 37-44.

24. Иванов Г. Я. Математическая модель процессов энерго-массообмена в светонепроницаемой теплице/Дехника в с.х. -1988. - Jê 2. - С. 30-33.

25. Рытвин А..Ф., Иванов Г. Я., Беляев Г. Г., Королева A.C. Сокращение энергетических затрат за счет вторичного тепла в светонепроницаемой теплице//!1спользование вторичных ресурсов в АПК: Сб. научных тр./Новосибирский СХИ. - Новосибирск, 1988. -С. 58-64.

26. Иванов Г. Я. Гидравлический режим лотков гидропонной установки/Д1еханизация и автоматизация производства овощей и корнеклубнеплодов в Сибири: Сб. научных тр./СО ВАСХНИЛ, СиБИМЭ. - Новосибирск, 1988.- С. 20-27.

27. Иванов Г. Я., Пенкин Ю. А., Угр:омов В. Г. Повышение эффективности эксплуатации светонепроницаемой теплины в регулируемых условиях. - Там же. - С. 27-37.

28. Иванов Г. Я. Моделирование световых полей//Электриф. технологических процессов с.-х. пр-ва: Сб. науч. тр./СО ВАСХНИЛ, СибИМЭ. - Новосибирск, 1988. - С. I02-III.

29. Иванов Г. Я. и др. Электрооборудование светонепроницаемых теплиц//Прим. наземных, аэрокосмических, автоматизированных систем и вычислительной техники для наращивания потенциала агро-ресурсов: Сб. тез. докл. научно-практич. ковф. - Барнаул, 1989.-С. 46-47..

30. Иванов Г. Я. и др. Многоконтурные системы автоматического регулирования светонепроницаемых теплиц//Повышение эксплуатационной надежности с.-х. техники и методы восстановления ее работоспособности: Сб. научн. тр./ Новосибирский СХИ. - Новосибирск, 1989. - С. 70-73.

31. Иванов Г. Я., Путяков Д. Н., Пенкин Ю. А. Надежность систем жизнеобеспечения в светонепроницаемых культивационных сооружениях. - Там же. - С. 74-79.

32. Иванов Г. Я. Энергопотребление светонепроницаемыми культивационными сооружениями/А1ех. и электриф. сельского хозяйства. - 1990. - № I. - С. 35-36.

33. Иванов Г. Я. и др. Нормирование светотехнических установок для светокультуры растений/электрификация и автоматизация технологических процессов в сельском хозяйстве Сибири: Сб. науч. тр./СО ВАСХНИЛ, СибИМЭ. - Новосибирск, 1990. - С. 82-95.

34. Иванов Г. Я. Режимы потребления электроэнергии светонепроницаемыми теплицами/механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 1991. - № I. - С. 13-14.

35. Светокультура овощей в Сибири: Рекомендации/Г. Я. Иванов, А. Ф. Рытвин, Н. Г. Ермаков, Д. Н. Путяков и др.//Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск, 1992. - С. 68.

36.. И ванов Г. Я. и др. Светонепроницаемая теплица в Якутии// Картофель и овощи. - 1992. - И I. - С. 33-35.

л

7г~ !?м

¿¡1. тг;

а

О - осКяие затрата энергии О1- потери теалоЬой энергии потери сЬетоСюй энергии, Оз- знергосоОерлание Зиокагсы Й*- прочие потери, О»- эиергосоЗгртаяив «ралая

2Г* ___ .1 ■

ГГГТ

а<1 а! а.1

о]

Ряс. К Онвргетпескдв дяагрщ.агы сутэствулдях (1) * саэтояесрокюаемшс (2) теодяц

Рже. 2. Модель верартяческо! струггурн слоено! еястп "Куаьги*«цяодам сооружение - СНГ*

Рас. 3. Модель функциональной структуры слачю* систеш •Кужьтнвашюннов сооружение - СНГ":

— обрапвю связи

пряные связи

Ряс. 4. Схема потсжо» энергия и масса

Р;:с. Изменение температуры поверхности облучателей в эависи-МООТМ от их удельной иоцностм и тег«от« потесь теплицы

100

•0 —3

по у

70 60 / ■г

М ¡Л /

30 /0 Ъ-ИТС — 1

л / 1 1

и» га до 4М 9и м п м м мят т <ыо

рис. ?. Завясшосп топлооых потерь твплшы от

улчлъчов устансыеняо! моаноет* облучатале1 гтря ввкэмекяоЯ вентмяотокно! установке ■ расчетные данные

— . __ аксперяменташпм данные

■i. t-f

Рис. 8. dsHwoHie троанл раствора от его расход*:

I. t . О,OOS; 2. ¿ . O.Ol; 3. ¿ . 0.03

Peo. 9. ibuexnwe уровня раствора от уклона лотка:

I- 1 • 3,Ь£ ; г.

3. y.9,ù§; 4. £ >13,0

5. Ç .16.0 £

ir

Рис. 10. ihMHiw ниоип аотша M тмрх-костк субстрата о* расхоаа раствора: i. -Ï. 4»« . »Л; • 3. t^, • эь°с

Fie. 11. Эксаартмитаявная tâjMcxMocTb варшада тоамеатур растаора а мтк* от расходе растаора: I. £ - 0,006; 2. ¿ . 0,02; 3. ¿ . 0,03

Ряс. 12. Температурное поя» в поперечно* плоскости теплицы

♦

V

N

-ч "5Г.-

- • ___

0.4 ол 1.Í 1.9 g.O жл S.t 3.3

a s*

о.л f.* ло а.4 л4

а » s o*

Рас"пU«"™« £>ej¡¿>ct?> поперечно« тпсгост»"JSSS'ÎmÎ^ÎS?'"0"" ' "р0ДО"И0" имгас" теплида:

а - расстояние между лянклмя п - шаг установка жаып;

L - расстояние от венгра теплен; 7" - номера точа« запер» через >,2 к;

-,---—..i—,- - расстояния ----' —1—• ■- - расстояния

,""1и» Расположения м«п: Э.75; »«g? шосюстяи^эамеро» я распою.ени lam 0,7j;

/рялк г: V

и

2#шл»г

/2

■ ¿Г Гл

а' I

S " 3

* e

5

s i.

i H

Pic. 15. Гр«>* нагруаки Oil

ЛГИ ширлгрллжн огурцоа

Ряс. 16. Греф«« натру*«« CUT ври

мфафмми »манат жультур

Pic. 17. Гр«4юс мгруакя ал 18 • Распределение по сезонам года »upesçi-

■«P«,,••HЮ, талто" ьаеиых кулмур'на годовом грвфте нагрузки