ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ
ОТОПЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ ГЕЛИОТЕПЛИЦЫ
ТРАНШЕЙНОГО ТИПА В ЭКСТРЕННЫХ СИТУАЦИЯХ
Б.М. Ботиров
1
, И.А. Юлдошев
1,2*
, С.К. Шогучкаров
1,2
, Ю.М. Курбанов
1
1
Ташкентский государственный технический университет имени Ислама Каримова
Узбекистан, 100095, Ташкент, ул. Университетская, 2
тел.: +99(871)246-03-04;
*
e-mail:
2
Ташкентский университет прикладных наук
Узбекистан, Ташкент, ул. Гавхар, 1
https://doi.org/10.5281/zenodo.10470826
Ключевые слова:
надежность, системы отопления, траншея, автономная гелиотеплица, электрический котёл,
термограмма, солнечная радиация.
Аннотация:
В статье проведены результаты температуры автономной гелиотеплицы траншейного типа в
аномальных холодных климатических условиях Узбекистана. В течение зимнего отопительного
сезона при температурах окружающей среды от -4
0
С до -21
0
С были проведены эксперименты,
которые показали, что при температуре наружного воздуха менее -10
0
С не было необходимости
использования аварийных источников обогрева, а температура в автономной гелиотеплице
температура опускалось до +5
0
С. В качестве аварийного источника обогрева были предложены
и применены двухконтурной комбинированной системы на основе электрического котла и
солнечной водонагревательной установки. При температуре окружающей среды более -20
0
С с
использованием системы дополнительного подогрева воды (ДПВ) и фотоэлектрической системы
в автономной гелиотеплице температура воздуха поддерживалось ~8-8,5
0
С. Установлены
фактические доли плотности потока солнечного излучения внутри тепличного хозяйства при
сравнении с суммарной плотности потока солнечного излучения падающего на прозрачной
поверхности исследуемого объекта, покрытого снегом различной толщиной. В ходе
исследований проведены анализ по изучению температурных градиентов панельных радиаторов
с помощью тепловизора и содержание воздушной среды внутренний части исследуемого
объекта с помощью газоанализатора.
1 Введение
Нефть, природный газ и уголь обычно
используются в качестве топлива в системах
отопления,
что
усугубляет
воздействие
тепличной промышленности на окружающую
среду.
В
зависимости
от
габаритов,
теплотехнических
характеристик,
культивируемых растений энергия, необходимая
для обогрева 1 м
2
площади теплицы, колеблется
от 500 до 2700 МДж/м
2
в год [1-3].
Современные
тепличные
комплексы
делятся на два типа: сезонные и круглогодичные.
Обычно сезонные теплицы используются с
ноября по март. Сезонные теплицы позволяют
получать урожай в холодный период года и могут
быть либо надземными, либо траншейными [4-
6].Следует отметить, что надземные теплицы не
защищены от ветров, и перепадов температур, что
приводит к значительной потере энергии на их
обогрев в зимнее время года [5]. Одним из
главных преимуществ теплиц траншейного типа
является их невысокое энергопотребление [7-12].
Зимой
2023
года
температура
в
Узбекистане опускалась до - 21
0
С, во многих
теплицах замерз весь урожай [13].
Очевидно, что
во избежание замерзания культур необходимо
иметь в теплицах аварийные системы отопления
[14].
Целью
исследования
является
обеспечение надежности системы отопления
автономной гелиотеплицы траншейного типа в
условиях холодного климата.
Разработана конструкция и построена
автономная гелиотеплица траншейного типа
(рис.1) глубиной 1,2 м, площадью 105 м
2
.
Основной источник тепла для обогрева теплицы –
солнечная
радиация,
поступающая
через
прозрачную крышу. Для уменьшения потерь
тепла стены теплицы изготовлены из газобетона.
Дополнительно снаружи стены теплицы и кровля
покрыты прозрачной пленкой из поликарбоната.
В теплице было посажено 14 деревьев лимонов
[15].
Рис.1. Общий вид автономной
гелиотеплицы траншейного типа
Методы и материалов
В качестве источников электрической и
тепловой энергии использовали автономную
фотоэлектрическую установку мощностью 3 кВт.
Ночью для освещения теплицы применялись
светодиодные лампы. Для обогрева растений в
теплице использовались лампы накаливания
мощностью 150 Вт, с разным спектром излучения,
которые устанавливались на расстоянии 80-100
см от поверхности почвы. Для контроля
температуры почвы не ее поверхности были
установлены 6 датчиков. Общая мощность,
потребляемая лампами, составляет 2,1 кВт.
Резервным аварийным источником энергии
(рис.2, 3) был электрический котел мощностью
3,5
кВт,
совмещенный
с
солнечной
водонагревательной системой с принудительной
циркуляцией горячей воды в батареях теплицы,
температура которой в среднем составляла 60
0
С.
Рис. 2. Общий
вид
электрической
системы
отопления
автономной
теплицы
Рис.3. Принципиальная
схема двухконтурной
комбинированной
системы (электрический
котел и солнечная
водонагревательная
установка)
Из рис.3 видно, что принципиальная
схема комбинированной системы (электрический
котел и солнечная водонагревательная установка)
состоит из: 1 – солнечный водонагревательный
коллектор (СНК); 2 – теплообменник; 3, 7 –
расширительный бак; 4 – циркуляционный насос;
5
– аккумулятор горячей воды; 6 –
автоматический смесительный клапан; 8 –
аварийный клапан с манометрами; 9 –
электрический котел; ХВ и ГВ – холодная и
горячая вода; рад.1, рад.2, рад.3, рад.4 –
радиаторы отопления.
Эксперименты осуществлены 06.12. –
10.12.2022 г. в начале зимнего сезона. Были
измерены
суточные
значения
солнечной
радиации, температуры окружающей среды,
температуры почвы, значения относительной
влажности снаружи и внутри помещения,
значения температуры воздушной среды внутри
помещения и др.
Перечень
приборов
используемых
для
проведения измерений;
- тепловизор FLIR Е5– для измерения
температуры на поверхности радиаторов;
- анемометр AS856 – для измерения
скорости ветра и температуры воздуха;
- пиранометр Solar Power Meter Di-LOG
SL101 – для измерения солнечной радиации;
- манометр давления- для измерения
давления воды;
- термометр с выносным датчиком– для
измерения температуры.
В частности, для измерения температуры
воздушного
пространство
автономной
гелиотеплицы траншейного типа использовались
многоканального цифрового термометра марки
DS18B20 с выносными датчиками температуры,
имеющий диапазон измеряемой температуры – от
-55°C
до
+125°C.
Точность
измерения
температуры в диапазоне от --10°C до +85°C
равняется ±0,5°C.
Результаты эксперимента
На
основе
проведенных
экспериментальных исследований в автономной
гелиотеплице траншейного типа в результате
построены графики отражающий дневные
значения температуры окружающей среды и
воздушного пространства внутри гелиотеплицы
траншейного типа. На рис.4 приведены дневные
термограммы наружного воздуха и воздушной
среды внутри гелиотеплицы траншейного типа.
Днем 6.12.2022 г. погода была пасмурная,
сплошная
облачность,
ночью
шел
снег.
Температура окружающей среды (рис.4., кривая
1) днем колебалась от -7
0
С до -4
0
С. Толщина
снега на крыше прозрачной поверхности
автономной гелиотеплицы траншейного типа
составляла 4÷6 см.
8:30
9:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
2
1
Те
мпе
ра
тура
(
0
С)
Время (час:мин)
Рис.4. Дневные термограммы наружного
воздуха (кривая 1) воздушной среды внутри
гелиотеплицы (кривая 2) траншейного типа
(06.12.2022 г.)
11:00 13:30 16:00 18:30 21:00 23:30
2:00
4:30
7:00
-10
-5
0
5
10
15
20
2
1
Те
мпе
ра
тура
(
0
С)
Время (час:мин.)
Рис.5. Дневные термограммы наружного
воздуха (кривая 1) воздушной среды внутри
гелиотеплицы (кривая 2) траншейного типа
(10.12.2022 г.)
Эксперименты продолжались 10.12.2022
г днем при ясной погоде. На крыше теплицы до
полудня лежал снежный покров толщиной до 1,2
см. Значения температуры окружающей среды
днем колебалась от -10
0
С до -4
0
С (рис.5., кривая
1).
Из графиков (кривая 2) на рис. 4-5
следует, что минимальные значения температуры
воздуха внутри теплицы снижалась до 5
0
С и 6
0
С
в то время, как температура воздуха снаружи
колебалась от -10
0
С до -7
0
С (кривая 1).
На рис. 6 приведена динамика изменения
солнечной радиации в течение дневного времени.
Анализ
результатов
экспериментов
свидетельствуют о том, что с увеличением
толщины снега на крыше автономной теплицы
коэффициент
пропускания
прозрачного
многоканального поликарбоната уменьшаются, а
наоборот препятствуют обмена циркуляционных
процессов холодного и теплого воздушной среды
между твердым и воздушным пространством.
Доля солнечной радиации (рис.6.) с
учетом толщины снежного покрова ~1,2 см и
сплошной
облачности
внутри
тепличного
хозяйства составляет 7 ÷ 30% от общего значения
измеренная наружи исследовательского объекта.
9:30
10:30
11:30
12:30
13:30
14:30
15:30
16:30
17:30
0
20
40
60
80
100
120
С
ол
не
чн
ая
р
ад
иа
ци
я (
W
/m
2
)
Время (час:мин.)
1
2
a)
06.12.2022 г.
9:30
10:30
11:30
12:30
13:30
14:30
15:30
16:30
17:30
0
100
200
300
400
500
С
ол
не
чн
ая
р
ад
иа
ци
я (
W
/m
2
)
Время (час:мин.)
1
2
b)
10.12.2022 г.
Рис.6. Динамика изменения солнечной
радиации в течение дня
(1 - снаружи теплицы; 2 - внутри теплицы)
На
рис.7-8
приведены
результаты
экспериментальных
исследований
по
определению дневного и ночного изменения
температуры наружного воздуха и внутри
теплицы с 11 января по 14 января 2023 г. с
использованием
двухконтурной
комбинированной системы: электрического котла
с солнечной водонагревательной системой.
10:00
11:30
13:00
14:30
16:00
17:30
19:00
20:30
--
-15
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
18
21
2
1
Те
мпе
ра
тура
(
0
С)
Время (час:мин.)
Рис.7. Дневные термограммы наружного
воздуха (кривая 1) воздуха внутри теплицы
(кривая 2) траншейного типа (11.01.2023 г.)
11:00
13:30
16:00
18:30
21:00
23:30
2:00
4:30
7:00
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
2
1
Те
мпе
ра
тура
(
0
С)
Время (час:мин.)
Рис.8. Суточные термограммы
наружного воздуха (кривая 1) и воздушной
среды внутри гелиотеплицы (кривая 2)
траншейного типа (13-14.01.2023 г.)
Днем
11.01.2023
г.
температура
окружающей среды изменялась от -16
0
С до - 9,7
0
С, а интенсивность солнечной радиации
колебалась 6÷548 Вт/м
2
. Прозрачной поверхности
теплицы была покрыта снегом, а ее толщина
составляли до 10 см. Средние значение
относительной влажности в теплице равнялись
86%. Средние значение температуры и влажности
почвы в сооружении составляли соответственно
~16
0
С и 76%.
Как следует из графиков на рис. 7 (кривая
1, 2) температура в теплице опускалось до 10
0
С
при наружной температуре воздуха -16
0
С. Когда
температура окружающей среды понижалась до -
21
0
С (Рис. 8), температура внутри теплицы была
положительной 8 - 9
0
С. В этих аномальных
морозах также включены система освещения на
основе лампы накаливания, питающего от
фотоэлектрической станции.
На рис.9 приведены значения плотности
потока солнечного излучения в течение дневного
времени в г. Ташкенте.
9:30
10:30
11:30
12:30
13:30
14:30
15:30
16:30
0
100
200
300
400
500
С
ол
не
чн
ая
р
ад
иа
ци
я (
В
т/
м
2
)
Время (час:мин.)
1
2
a) 11.01.2023 г.
9:30
10:30
11:30
12:30
13:30
14:30
15:30
16:30
0
100
200
300
400
500
С
ол
не
чн
ая
р
ад
иа
ци
я (
В
т/
м
2
)
Время (час:мин.)
1
2
b)13.11.2023 г.
Рис.9. Динамика изменения солнечной радиации в течение дня
(1. Наружи исследовательского объекта; 2. Внутри исследовательского объекта)
Проанализировав рис.9 (А и В) можно
сказать, что при толщине снежного покрова ~10
см на прозрачной поверхности автономной
теплицы фактический вклад по максимальную
значению солнечной энергии внутри сооружения
составляет ~60 % от падающей суммарной
солнечной радиации наружи исследуемого
объекта.
В рамках исследования были изучены
инфракрасные снимки (рис.10) панельных
радиаторов
полученной
устройством
(FLIRE63900) установленных на ограждениях
траншеи тепличного хозяйства. Количество
отопительных панельных радиаторов 4 шт. и
имеет
одноконтурного
последовательного
соединения в системе отопления.
Время: 14:00,
Радиатор №1,
Т
радиат.
~62,9
0
С
Время: 14:01,
Радиатор №2,
Т
радиат.
~58,1
0
С
Время: 14:02,
Радиатор №3,
Т
радиат.
~54,8
0
С
Время: 14:03;
Радиатор №4,
Т
радиат.
~50,9
0
С
Рис.10. Динамика изменения
температуры в системах отопления теплицы при
последовательном соединении радиаторов
Как показывают результаты рис. 10
температура
воды
на
радиаторах
при
одноконтурном последовательном соединении
начинают уменьшатся. В последнем радиаторе
температура воды отличается на 12
0
С при
сравнении с первым радиатором.
Заключение
По результатам исследований можно
сделать следующие выводы:
- в течение зимнего отопительного сезона
при температуре окружающей среды до -10
0
С и
при
использовании
автономной
фотоэлектрической системы температура воздуха
внутри автономной гелиотеплицы в основном,
опускалось ближе +5
0
С, а при наружной
температуре более -10
0
С необходимо было
включение аварийные источники обогрева;
- предложена принципиальная схема
двухконтурной комбинированной системы на
основе электрического котла и солнечной
водонагревательной установкой;
-
определены
фактические
доли
солнечной энергии внутри тепличного хозяйства
при сравнении с суммарной солнечной радиации
наружи исследуемого объекта с учетом толщины
покрытого снега прозрачной поверхности;.
REFERENCES
[1]
Korner, O., Bakker, M.J. and Heuvelink, E. 2004. Daily
Temperature Integration: A Simulation Study to quantify
Energy Consumption. Biosyst. Eng. 87 (3): 67–77.
[2]
Teitel, M., Segal, A., Shklyar, A. and Barak, M. 1999. A
comparison between pipe and air heating methods for
greenhouses. J. Agr. Eng. Res. 72: 259–273.
[3]
Tantau, H.J. 1998. Energy saving potential of greenhouse
climate control. Math. Comput. Simulat. 48: 93-101
[4]
Tiwari, G.N., Din, M., Srivastava, N.S.L., Jain, D., Sodha,
M.S., “Evaluation of solar fraction (Fn) for north wall of a
controlled environment greenhouse: an experimental
validation”,
Int. J. Energ. Res
. Vol. 26, pp.
203–215, 2002.
[5]
Ҫengel Yu.A., Ghajar A.J. “Heat and Mass Transfer:
Fundamentals & Applications, Fifth Edition”,
McGraw-
Hill Education
, P.1208. 2015
[6]
Shcherbakov, M.V., Brebels, A., Shcherbakova, N.L.,
Tyukov, A.P., Janovsky, T.A., Kamaev, V.A., “A survey of
forecast error measures”,
World Appl. Sci. J
., Vol.24, pp.
171–176, 2013.
[7]
Kobayashi, K., Salam, M.U., “Comparing simulated and
measured values using mean squared deviation and its
components”.
Agron. J.
Vol. 92 (2), pp. 345–352, 2000.
[8]
Kottegoda, N.T., Rosso, R., “Applied statistics for civil and
environmental engineers”,
Blackwell Publishing Ltd.,
Oxford, United Kingdom,
p. 718. 2008.
[9]
Я.В. Коженко, А.В. Катаев, Т.М. Катаева, Н.В.
Лихолетова,
Е.Л.
Макарова,
Л.В.
Шаронина;
Коллективная монография - Уфа: «ОМЕГА САЙНС», -
108 с. 2016.
[10]
Пенджиев А.М. “Энергоэффективность энергетических
ресурсов и климатическое районирование солнечных
теплиц”,
Аэкономика: экономика и сельское хозяйство
.
№9 (21), 2017
[11]
Пенжиев,
А.М. Агротехника выращивания
дынного дерева (Carica papaya L.) в условиях
защищенного грунта в Туркменистане. Автореф.
дис. д-р сельхоз. наук. Москва, 54 с. 2000.
[12]
Пенджиев,
А.М.
“Математическая
модель
теплотехнических
расчетов
микроклимата
траншейной
солнечной
теплицы»,
Международный
журнал
«
Альтернативная
энергетика и экология
. №7. pp. 62-70, 2010.
[13]
Пенджиев, А.М. “Математическое моделирование
микроклимата в солнечной
теплице
траншейного типа”. Международный журнал
«
Альтернативная энергетика и экология
», №8, pp.
60-69, 2010.
[14]
I. Yuldoshev, Sh. Shoyusupov, B. Botirov, T. Jamolov
and A. Boliev Experimental Verification of the
Mathematical Model of the Temperature Regime of a
Solar-Fuel Trench Greenhouse // AIP Conference
Proceedings
2612,
050023
(2023);
https://doi.org/10.1063/5.0124460. pp. 1-7
[15]
(дата обращения от 25.11. 2023
г.)
[16]
А. Абдуллаев Нестационарные тепловые режимы
и оптимизация основных параметров пленочных
гелиотеплиц
полуцилиндрической
формы//
Автореферат. Диссертация на соискание ученой
степени кандидата технических наук. Ташкент.
2007.
[17]
I.A. Yuldashev, B.M. Botirov, N.S. Kholmirzayev,
and Y.M. Qurbanov About the Production of Lemons
Grown in an Autonomous Gabled Solar Greenhouse //
Applied Solar Energy. -USA. 2023. -Vol.59, №1. -pp.
44–47
[18]
B. M. Botirov, A.S. Khalimov, I.A. Yuldoshev, D.M.
Pulatova, and Yu.M. Kurbanov Experimental
Verification of a Mathematical Model for the
Temperature Mode of a Solar-Fuel Trench-Type
Greenhouse // Applied Solar Energy. -USA. 2021. -
Vol.57, №6, -pp. 510–516.
