Создание и исследование системы термостабилизации парника для условий средней полосы России

Большая часть пахотных земель средней полосы России — зона рискованного земледелия особенно для теплолюбивых овощных культур, которые боятся возвратных заморозков в мае-июне месяце. С целью исключения риска подмерзания весной таких культур как помидоры, огурцы, перцы и т. п. предлагается обогревать без затрат электроэнергии парники ночью теплотой, аккумулированной от Солнца в дневное время суток. В настоящее время такой тип обогрева может не иметь экономического эффекта, но его социальный эффект существенен.

На базе использования установок, работающих от солнечной энергии, могут быть решены также задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов. Данные установки имеют следующую классификацию (рис. В1), [12].

Они могут быть пассивными и активными с различными системами отопления (с естественной циркуляцией или принудительной циркуляцией, с системой автоматического слежения за положением Солнца на небосводе), работающие сезонно или круглогодично. Активные системы, кроме того, могут быть воздушными и жидкостными, одноконтурными, 2-х контурными, многоконтурными, с концентратором солнечной энергии и без него, могут использоваться для горячего водоснабжения. Существуют также солнечные комбинированные системы тепло и хладоснабжения.

Самыми простыми и дешёвыми являются пассивные системы, или «солнечные дома», которые для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные и строительные элементы зданий и не требуют дополнительного оборудования. Чаще всего такие системы включают в себя зачернённую стену здания, обращенную на юг, на некотором расстоянии от которой расположено прозрачное покрытие. В верхней и нижней частях стены имеются отверстия, соединяющие пространство между стеной и прозрачным покрытием с внутренним объёмом здания. Солнечная радиация нагревает стену: воздух, омывающий стену, нагревается от стены и поступает через верхние отверстия в отапливаемое помещение здания. Циркуляция воздуха обеспечивается либо за счёт естественной конвекции, либо вентилятором.

Рис. В1. Классификация солнечных установок: I — предлагаемая установка.

Несмотря на некоторые преимущества пассивных систем (простота, дешевизна, отсутствие специального дополнительного оборудования), используются в основном активные системы со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечной радиации, так как эти системы позволяют повысить эффективность использования солнечной энергии, а также обеспечивают большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширяют область применения.

Выбор, состав и компоновка элементов активной системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, типом объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями. Специфическим элементом этих систем является солнечный коллектор (теплообменник), который может быть оборудован концентратором солнечной энергии и системой автоматического слежения за положением Солнца на небосводе.

Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля в воде — антифриз, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определённые преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создаёт больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой объемной теплоёмкости воздуха размеры воздушных установок больше чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдаётся жидкостям.

При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом её, утеплением солнечного коллектора).

Системами солнечного теплоснабжения круглогодичного действия с дублирующим источником теплоты могут быть оборудованы дома сельского типа, многоэтажные и многоквартирные дома, санатории, больницы и другие объекты.

Сезонные установки, такие как, например, душевые установки для пансионатов, передвижные установки для геологов, строителей, чабанов функционируют обычно в летние и переходные месяцы года, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дублирующий источник теплоты или обходиться без него в зависимости от типа объекта и условий эксплуатации.

В системах с естественной циркуляцией [10], [32] (круглогодичных и сезонных) бак-аккумулятор тепловой энергии расположен над солнечным коллектором и жидкий теплоноситель циркулирует в результате естественной конвекции, когда за счёт энергии солнечной радиации, поглощаемой в коллекторе, увеличивается энергия жидкости на выходе из коллектора, создавая, таким образом, градиент плотности. Такие системы могут содержать дополнительный источник энергии (нагреватель), который предназначен для подачи дополнительной энергии в верхнюю часть бака с целью поддержания определённого минимального уровня температуры теплоносителя, определяемого типом нагрузки.

В системах с принудительной циркуляцией жидкости расположение бака над коллектором не обязательно. Для создания циркуляции необходим насос с дифференциальным регулятором, включающим насос, когда температура жидкости в верхней части коллектора на несколько градусов выше, чем в нижней части бака. Для предотвращения обратной циркуляции и связанных с ней тепловых потерь в коллекторе в ночное время требуется обратный клапан. В системах с принудительной циркуляцией также может быть установлен нагреватель.

Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения с естественной и принудительной циркуляцией можно разделить на две основные группы, [12]:

— установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме;

— установки, работающие по замкнутой схеме.

В установках первой группы (рис. В2) теплоноситель подаётся в солнечные коллекторы (рис. В2а, б, в, г), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель догревается в дополнительном источнике теплоты. Рассмотренные схемы находят применение в быту, и используются как источники теплой воды.

Основным недостатком данных установок является то, что для обеспечения постоянного температурного уровня теплоносителя на выходе из коллектора, необходимо изменять расход теплоносителя в соответствии с законом изменения интенсивности солнечной радиации в течение дня, что требует применения автоматических устройств и усложняет систему. К тому же эффективность работы систем без бака-аккумулятора снижается из-за несовпадения максимума теплопотребления объекта с максимумом тепло-поступления.

В схемах второй группы (рис. ВЗ) передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо через бак-аккумулятор, либо путём непосредственного смешения теплоносителей (рис. ВЗа, е), либо через теплообменник, который может быть установлен как внутри бака (рис. ВЗб, г, ж, и), так и вне его (рис.ВЗ в, д, з, к). К потребителю нагретый теплоноситель поступает через бак и в случае необходимости догревается в дополнительном источнике теплоты. Установки, работающие по схемам, представленным на (рис. ВЗ), могут быть одноконтурными (рис. ВЗа, е), двухконтурными (рис. ВЗб, д, ж, к) или многоконтурными (рис. ВЗв, г, з, и). Рассмотренные на рис. ВЗ схемы нашли в настоящее время наибольшее применение, так как отличаются сравнительной простотой и надёжностью в эксплуатации. Они также используются для получения горячей воды для душевых, но также применяются в системах отопления. Применение того или иного варианта схемы зависит от характера нагрузки, типа потребителя, климатических, экономических факторов и других условий.

Для целей обогрева парников в ночное время суток в тёплый период времени года для средней полосы России наиболее экономична, автономна и удобна активная установка с естественной циркуляцией жидкого теплоносителя, работающая по замкнутому циклу (рис. ВЗе) на базе принципиальной схемы, показанной на рис. В4а, б. Предлагаемая для этих целей система отопления парника (без циркуляционного насоса и концентратора солнечной энергии) проста в изготовлении и эксплуатации, надёжна, доступна широкому потребителю, экономична и может быть использована там, где отсутствует или ограничен источник тепловой или электроэнергии. Отсутствие циркуляционного насоса в установке накладывает одно очень важное условие, обеспечивающее естественную циркуляцию, а именно: парник располагается выше, чем бак-аккумулятор 2- выполнение данного условия возможно в местах с рельефной поверхностью (холмы, горы, насыпи).

С принудительной циркуляцией а) б).

С естественной циркуляцией в) г).

Рис. В2. Принципиальные схемы прямоточных систем: б — с естественной циркуляцией теплоносителяг — с принудительной циркуляцией теплоносителя- - солнечный коллектор- 2 — аккумулятор теплоты- 3 — насос.

С принудительной циркуляцией.

С естественной циркуляцией.

Рис. ВЗ. Принципиальные схемы замкнутых систем: а, б, в, д — с естественной циркуляцией теплоносителяе, ж, з, и, к — с принудительной циркуляцией теплоносителя- 1 — солнечный коллектор- 2 — аккумулятор теплоты- 3 — насос 1 4 — теплообменник- 5 — насос 2- 6 — насос 3.

Рис. В4а. Система термостабилизации парника в ночное время суток, работающая в полуавтоматическом режиме:

1 — солнечный коллектор- 2 — бак-аккумулятор- 3 — парник- 4 — система контроля и управления- 5 — термометр на входе в солнечный коллектор- 6 — термометр на выходе из солнечного коллектора- 7 — электромагнитный вентиль, перекрывающий циркуляцию теплоносителя в контуре нагрева- 8 — термометр в баке-аккумуляторе- 9 — вентиль, перекрывающий подачу свежего теплоносителя в контур нагрева- 10 — расширительный бачок в контуре нагрева теплоносителя- 11 — вентиль, перекрывающий вытекание теплоносителя через переливной патрубок в контуре нагрева- 12 — указатель уровня жидкости- 13 — электроводонагреватель- 14 — вентиль, перекрывающий слив теплоносителя из системы- 15 — электромагнитный вентиль, перекрывающий циркуляцию теплоносителя в контуре ночного обогрева парника- 16 — вентиляционные каналы в грунте парника- 17 -термометр в грунте парника- 18 — каналы для циркуляции воздуха в грунте парника- 19 — подпочвенный коллектор с циркулирующим теплоносителем- 20 — термометр внутри парника- 21 — грунт в парнике- 22 — вентиль, перекрывающий подачу свежего теплоносителя в систему- 23 — расширительный бачок в контуре отопления парника.

Рис. В4б. Система термостабилизации парника в ночное время суток, работающая в ручном режиме:

1 — солнечный коллектор- 2 — бак-аккумулятор- 3 — парник- 4 — термометр на входе в солнечный коллектор- 5 — термометр на выходе из солнечного коллектора- 6 — вентиль, перекрывающий циркуляцию теплоносителя в контуре нагрева- 7 — термометр в баке-аккумуляторе- 8 — вентиль, перекрывающий подачу свежего теплоносителя в контур нагрева- 9 — расширительный бачок в контуре нагрева теплоносителя- 10 — вентиль, перекрывающий вытекание теплоносителя через переливной патрубок в контуре нагрева- 11 — указатель уровня жидкости- 12 — электроводонагреватель- 13 — вентиль, перекрывающий слив теплоносителя из системы- 14 — вентиль, перекрывающий циркуляцию теплоносителя в контуре ночного обогрева парника- 15 — вентиляционные каналы в грунте парника- 16 — термометр в грунте парника- 17 — каналы для циркуляции воздуха в грунте парника- 18 — подпочвенный коллектор с циркулирующим теплоносителем- 19 — термометр внутри парника- 20 — грунт в парнике- 21 — вентиль, перекрывающий подачу свежего теплоносителя в систему- 22 — расширительный бачок в контуре отопления парни.

В основе работы системы положено преобразование солнечной энергии в тепловую, с последующим аккумулированием последней. В качестве теплоносителя в отопителе обычно используется вода, но может быть и другая жидкость. Согласно проведённому литературному обзору [1, 7, 10, 11, 12, 13, 16, 26−34] в качестве рабочей принята схема, показанная на рис. В4а — полуавтоматический режим работы — или на рис. В4б — ручной режим работы, — как наиболее простая и экономичная.

Система термостабилизации содержит солнечный коллектор 1, который обеспечивает преобразование солнечного излучения в теплоту, передаваемую нагреваемому теплоносителю, циркулирующему в коллекторе и поступающему в бак-аккумулятор 2. Бак-аккумулятор 2 является важным компонентом системы солнечного теплоснабжения, поскольку позволяет накапливать теплоту в течение дня для последующего использования её ночью. Вентили 7, 15 (рис. В4а) или 6, 14 (рис. В4б) предназначены для переключения установки с работы в ночном режиме на работу в дневном режиме и наоборот, а также для перекрывания движения теплоносителя в зависимости от времени суток и температуры воздуха в парнике 3. Воздух циркулирует через каналы 17 (рис. В4а) или 16 (рис. В4б), расположенные в подпочвенном пространстве 21 (рис. В4а) или 20 (рис. В4б), на определённой глубине и расстоянии друг от друга. Внутри каналов расположены трубопроводы для циркуляции теплоносителя, которые омывает воздух. Движение воздуха из парника в подпочвенное пространство и обратно в парник обеспечивается неравномерностью нагрева воздуха вдоль каналов 17 (рис. В4а) или 16 (рис. В4б), поскольку теплоноситель имеет температуру на входе в парник выше, чем на выходе из него. Воздух попадает из парника в подпочвенное пространство через вентиляционные каналы 16 (рис. В4а) или 15 (рис. В4б). В установке предусмотрены вентиль 22 (рис. В4а) или 21 (рис. В4б) для заправки теплоносителя, вентиль 14 (рис. В4а) или 13 (рис. В4б) для слива теплоносителя, термометр 20 (рис. В4а) или 19 (рис. В4б) для измерения температуры в парнике 3, термометр 17 (рис. В4а) или 16 (рис. В4б) для измерения температуры грунта, термометр 8 (рис. В4а) или 7 (рис. В4б) для измерения температуры жидкости в баке-аккумуляторе 2, а также термометры 5 и 6 (рис. В4а) или 4 и 5 (рис.

В4б) для измерения температуры теплоносителя на входе и выходе солнечного коллектора 1.

В качестве измерителя температуры использован термометр сопротивления, например, П-109 Ml для работы системы в полуавтоматическом режиме или промышленный стеклянный термометр для работы в ручном режиме.

Для контроля уровня жидкости в баке-аккумуляторе 2 установлен указатель уровня 12 (рис. В4а) или 11 (рис. В4б). Поскольку система герметична, то в ней предусмотрены расширительные бачки 10 и 23 (рис. В4а) или 9 и 22 (рис. В4б) с переливным и воздушным патрубком. При работе в полуавтоматическом режиме (рис. В4а) система имеет блок контроля и управления 4, который снимает показания датчиков температуры и управляет работой электромагнитных вентилей. Кроме того, при слишком низких отрицательных температурах окружающей среды ночью возможен дополнительный подогрев парника с помощью электроводонагревателя 12 (рис. В4а) или 11 (рис. В4б).

Установка (рис. В4а) работает следующим образом:

Система полностью заполняется жидким теплоносителем через вентиль 22 (рис. В4а) или 21 (рис. В4б). Днём под действием солнечных лучей нагревшаяся в коллекторе 1 жидкость за счёт разности плотностей поднимается по трубопроводу и поступает сверху в бак-аккумулятор 2, а холодная жидкость из нижней части бака по обратному трубопроводу попадает снова в солнечный коллектор 1. При этом вентиль 7 открыт, а вентиль 15 закрыт. За день жидкость в баке нагревается, и ночью при закрытом вентиле 7 и открытом 15 нагретая жидкость подаётся потребителю и по трубопроводу отводится обратно в нижнюю часть бака 2. Нагретая жидкость постепенно отдаёт за ночь свою теплоту, тем самым, обеспечивая обогрев парника 3, в подпочвенном пространстве которого расположены каналы 18 для прохода воздуха, а в них трубы 19 для циркуляции теплоносителя. Работой системы днём и ночью управляет реле времени, расположенное в блоке контроля и управления 4. Оно открывает соленоидный вентиль 7 и закрывает вентиль 15 утром после восхода солнца. Вечером реле времени управляет закрытием вентиля 7. Вентиль 7 закрывается в 18 — 19 часов вечера, когда на нагревательную панель солнечного коллектора уже практически не попадает солнечной энергии. В то же время, вентиль 15 открывается только при достижении минимальной температуры воздуха в парнике, например, +3 С, которую ещё могут перенести растения, т. е. за включение ночного контура отвечает датчик температуры воздуха в парнике 20. Он же отвечает за включение электроводонагревателя 13, в случае если количество аккумулированной солнечной энергии недостаточно для поддержания данной температуры. Термометры 8, 5, 6 и 17 служат для наблюдения соответственно за температурой жидкости в баке-аккумуляторе, на входе и выходе из коллектора, а также за температурой грунта в парнике.

Система (рис. В4б) работает в ручном режиме. Вентиль 6 открывается утром после восхода Солнца. Вечером до захода Солнца вентиль 6 закрывается. Вентиль 14 открывается при достижении температуры воздуха в парнике, например, + 3 С. Температура воздуха в парнике контролируется с помощью термометра 19. Если теплоты, запасенной в баке-аккумуляторе 2 недостаточно для поддержания необходимой температуры в парнике 3, включается электроводонагреватель 12.

При необходимости в жаркие летние месяцы система работает лишь только днем для получения горячей жидкости, которую можно забирать для бытовых нужд, открыв вентиль 14 (рис. В4а) или вентиль 13 (рис. В4б). Тогда ночной контур может быть демонтирован для промывки и обслуживания, а для заправки системы жидкостью используется вентиль 9 (рис. В4а) или 8 (рис. В4б). В этом режиме работает расширительный бак 10 (рис. В4а) или 9 (рис. В4б), а вентиль 11 (рис. В4а) или 10 (рис. В4б) на переливном патрубке открыт. Переливной патрубок с вентилем 11 (рис. В4а) или 10 (рис. В4б) служит также для удаления воздуха из системы при заправке теплоносителем через вентиль 22 (рис. В4а) или 21 (рис. В4б). Установка имеет несколько подобных вентилей, установленных в разных местах для удаления воздуха из системы при заправке теплоносителем.

Согласно [10], [32], [33] и [34] подобные нагреватели жидкости имеют следующие основные параметры:

Объем бака-аккумулятора 2 100 — 300 л, диаметр соединительных трубопроводов 25 мм, расстояние между верхней частью теплообменника 1 и нижней частью бака-аккумулятора 2−60 см, угол наклона нагревательной панели теплообменника — 45 °C. Расстояние от верхней части бака-аккумулятора 2 до парника 3 по высоте 1 — 3 м.

— Результаты работы внедрены в учебный процесс МГТУ им. Н. Э. Баумана. Изданы методические указания: Самойлов Д. В. Расчет величины поступления теплоты от солнечной радиации на поверхность Земли. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 20с.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

— Проведен патентный поиск и выбрана наиболее рациональная конструкция солнечного теплообменника.

— Создана система термостабилизации парника ночью с естественной циркуляцией теплоносителя.

— Усовершенствован контур работы системы в дневном режиме, а именно: впервые введены конусы на входе и выходе бака-аккумулятора, выравнивающие температурные поля теплоносителясоздана математическая модель работы системы в дневное время суток с учетом их действия.

— Предложена методика почасового определения поступления суммарной солнечной радиации на наклонную плоскость с учетом облачности, позволяющая находить оптимальный угол наклона плоскости.

— Впервые создана методика расчета работы системы ночью.

— Впервые проведен поиск рациональных параметров системы термостабилизации, охватывающий выбор типа теплоносителя, площади солнечного теплообменника, объема бака-аккумулятора и размеров парника.

— Проведен расчет работы системы по методике Ю. А. Жданова и по усовершенствованной методике, предложенной автором диссертационной работы.

— Теоретические данные, полученные по результатам расчета системы, сопоставлены с результатами эксперимента. Расхождение экспериментальных данных и результатов расчета в среднем составило около 2.3%.