Способ обогрева теплиц и система для его осуществления

 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепличному хозяйству. Цель изобретения - повышение КПД и снижение эксплуатационных затрат. Для этого конвективный нагрев воздуха осуществляют за счет непосредственного сжигания газа в микрофакельных горелках, расположенных в объеме теплицы, а радиационный нагрев - посредством сжигания газа в радиационных горелках. При этом регистрируют уровень солнечной радиации и с учетом заданного графика фотосинтетической активности растений регулируют подачу газа в горелки. Для этого система имеет наряду с датчиками температуры воздуха и почвы датчик уровня солнечной радиации. 2 c. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепличному хозяйству.

Известен способ обогрева теплиц, включающий применение радиационного нагрева почвы и растений в процессе выгонки рассады, а также в процессе получения товарной растительной продукции (1). Однако в данном случае способ исключительно малоэффективен на начальной стадии подготовки теплиц к эксплуатации на стадии размораживания и разогрева почвы в них.

Также известен способ обогрева теплиц, включающий применение конвективного нагрева воздуха в объеме теплицы за счет микрофакельных газовых горелок (2). В данном случае также имеет место низкая эффективность способа, поскольку при обработке почвы на начальной стадии необходимо расходовать значительное количество топлива, что резко снижает его КПД.

Наиболее близким к заявленному является способ обогрева теплиц, включающий задание допустимых параметров суммарного теплового потока в теплицу, а также температуры воздуха и почвы в теплице на каждой стадии подготовки теплицы и выращивания растений и их поддержание посредством конвективного нагрева воздуха и соответственно почвы, и радиационного нагрева почвы и растений (3).

В данном случае конвективный нагрев воздуха осуществляют электрической и водяной систем обогрева, а радиационный нагрев при помощи электрических ламп, что является также неэффективным и имеет высокие энергозатраты.

Данный способ реализуется при помощи системы для обогрева теплиц, включающей блоки конвективного нагрева воздуха и блоки радиационного нагрева почвы и растений, датчики температуры с блоками регистрации (3), данная система является наиболее близкой к заявленной. Известная система также имеет малый КПД и к тому же обладает высокой материалоемкостью и большими эксплуатационными затратами.

Наряду с этим, общим недостатком для данных способа и устройства является невозможность учета фотосинтетической активности растений, что является очень существенным, поскольку только в совокупности с данной информацией можно реально находиться в допустимых границах теплового баланса.

Поэтому, техническим результатом настоящего изобретения относительно способа и устройства является повышение его эффективности и снижение эксплуатационных затрат.

Относительно способа это достигается тем, что конвективный нагрев воздуха осуществляют за счет непосредственного сжигания газа в микрофакельных горелках, расположенных в объеме теплицы, а радиационный нагрев посредством сжигания газа в радиационных горелках, дополнительно регистрируют текущий уровень солнечной радиации и для каждого этапа или даты выращивания растений задают соответствующий ей график фотосинтетической активности растений, в зависимости от которого, от уровня солнечной активности и от величин упомянутых заданных допустимых параметров корректируют подачу газа в горелки.

А также тем, что заданный суммарный тепловой поток в теплицу уменьшают на текущее значение величины теплового потока солнечной радиации.

А данный технический результат относительно системы достигается тем, что система, включающая блоки конвективного нагрева воздуха и блоки радиационного нагрева почвы и растений, датчики температуры с блоками регистрации, также снабжена датчиком уровня солнечной радиации с соответствующим блоком регистрации центральным газовым трубопроводом и отводящими газовыми трубопроводами, датчики температуры выполнены в виде датчиков температуры почвы и воздуха, блоки конвективного нагрева выполнены в виде микрофакельных горелок, а блоки радиационного нагрева - в виде радиационных газовых горелок, причем все горелки посредством отводящих трубопроводов сообщены с центральным трубопроводом, кроме того, микрофакельные газовые горелки установлены по периметру теплицы и вдоль рядов ее внутренних пролетных опор, а радиационные газовые горелки расположены на данных опорах, при этом все горелки выполнены с возможностью регулировки подачи в них газа.

А также тем, что радиационные газовые горелки установлены с возможностью регулирования их положения на пролетных опорах по высоте.

И, кроме того, тем, что она снабжена блоком управления, к входу которого подключены выходы датчиков температуры и уровня солнечной радиации, а выходы блока управления связаны с соответствующими входами управления узлами подачи газа в микрофакельные и радиационные газовые горелки.

На фиг. 1 представлены графики конвективной и радиационной составляющих тепловых потоков от горелок в теплицу, на фиг.2 - общая схема размещения узлов и блоков системы для реализации заявленного способа, на фиг.3 - общий вид размещения указанных горелок в объеме теплицы по ее блокам (секциям).

Способ может быть реализован при помощи системы, включающей центральный газовый трубопровод 1 и отводящие газовые трубопроводы 2, датчики температуры, выполненные в виде датчиков температуры почвы 3 и воздуха 4 с соответствующими блоками регистрации (не показаны), блоки конвективного нагрева, выполненные в виде микрофакельных газовых горелок 5, блоки радиационного нагрева в виде радиационных газовых горелок 6, причем горелки 5 и 6 посредством отводящих трубопроводов 2 сообщены с центральным трубопроводом 1, кроме того, микрофакельные газовые горелки 5 установлены по периметру 7 теплицы 8 и вдоль рядов ее внутренних пролетных опор 9, а радиационные газовые горелки 6 расположены на данных опорах 9, при этом горелки 5, 6 (см. выполнение конструкций в 5) выполнены с возможностью регулировки подачи в них газа. Радиационные газовые горелки 6 установлены с возможностью регулирования их положения на пролетных опорах 9 по высоте. Система при этом может быть снабжена блоком управления 10, к входу которого в этом случае подключены выходы датчиков температуры 3, 4, а выходы блока управления 10 связаны с соответствующими входами управления узлов 11 подачи газа, например, в трубопроводы 1 и 2 и микрофакельные 5 и радиационные 6 газовые горелки. Эти узлы могут быть выполнены как на самих горелках 5 и 6, так и на трубопроводах 1 и 2 (см., например, 4). Система также снабжена датчиком уровня солнечной радиации 12 с соответствующим блоком регистрации (все блоки регистрации или не показаны, или совмещены с соответствующими датчиками), который, в частном случае, может быть подключен к входу блока управления 10, который может быть реализован на основе микрокомпьютера с соответствующими согласующими и управляющими узлами, что в настоящее время широко известно из уровня техники.

Способ при помощи данной системы реализуется следующим образом. Весь процесс обогрева теплиц разделяется на три этапа, первый - этап размораживания и разогрева почвы, который составляет в среднем 5-14 дней и в процессе которого почва размораживается на глубину 5-15 см, второй этап - от посева до появления всходов, который составляет в среднем 10-21 день, почва при этом прогревается на глубину 12-25 см, третий этап - выращивание растения (например, рассады), который составляет в среднем 20-65 дней и в процессе которого глубина прогрева почвы достигает более 30-40 см.

Первый этап обычно начинается в конце зимы (февраль). Почва в теплице в данном случае полностью проморожена. Газ по центральному трубопроводу 1 подают в отводящие трубопроводы 2 и далее в горелки 5 и 6. Суммарный тепловой поток в теплицу устанавливают в пределах 300-600 Вт/кв.м. При этом величина потока солнечной радиации настолько мала, что на данном этапе ей можно пренебречь (см. , например, 6). Устанавливают соотношение между радиационной и конвективной составляющими указанной выше величины теплового потока в пределах (3-5): 1, например 4:1, (например, 400:100 Вт/кв.м.) Это позволяет за счет конвекции и работы микрофакельных горелок 5 поддерживать температуру воздуха в теплице 8 на несколько градусов выше нуля, а большинство теплового потока направлять на размораживание и разогрев почвы, поскольку от радиационных горелок 6 тепловой поток практически без потерь передается к почве. Температуру почвы при этом необходимо установить равной в среднем от 15 до 25 градусов Цельсия в зависимости от выращиваемой культуры.

На втором этапе за счет некоторого увеличения доли потока радиационного нагрева (при соотношении указанных выше составляющих, как, например, 450:80 Вт/кв. м. ) почва прогревается на заданную глубину при температуре воздуха в теплице 8 не выше 12-14 градусов. В данном случае только в конце этапа имеется наличие всходов и, следовательно, фотосинтетическую активность растений учитывать еще рано, т.е. на первых двух этапах она практически равна нулю (см. 6).

На третьем этапе - практически в марте или начале апреля, когда составляющая потока от солнечной радиации уже достаточно велика, ее необходимо учитывать, уменьшая общую величину суммарного теплового потока на эту долю - в среднем это на 15-50 и выше процентов (см. 4). Однако для получения максимальной продуктивности необходимо, чтобы фотосинтетическая активность растений была максимальной, а она зависит от концентрации углекислоты в атмосфере, скорости диффузии ее к акцептору и скорости включения ее в метаболизм. Поэтому, на этом этапе задают для всего этапа, или его частей, или каждой даты график фотосинтетической активности растений, причем для всех возможных концентраций углекислого газа (графики активности см., например, 6). Одновременно осуществляют регистрацию датчиком 12 величины уровня солнечной радиации. При этом, согласно известной технологии (4) согласно графику на фиг.1 без учета оптимального течения фотосинтетических реакций обычно монотонно уменьшают указанное выше соотношение составляющих, например, до (0,05-0,2):1 обратно пропорционально удесятеренному коэффициенту перекрытия проекции зеленой массы растений площади занимаемой ими почвы с коэффициентом корреляции, равном 0,5-1, после чего радиационный нагрев прекращают и горелки 6 отключают, используя только микрофакельные горелки 5 до конца выращивания растений. Но в данном случае это соотношение можно уменьшать только до 0,2-0,5, поскольку более высокий уровень радиации позволяет использовать резервы фотоактивности растений и поднять уровень углекислого газа в теплице с 0,1-0,2 до 3-8%, что недостижимо при известных способах. Такое существенное увеличение уровня углекислого газа позволяет существенно увеличить прирост биологической массы растений. Следует отметить, что при работе системы можно использовать не только автоматические органы управления самих горелок 5 и 6, позволяющих регулировать подачу газа к горелкам 5 и 6, но и датчики температуры воздуха 4 и почвы 3, показания которых не только используют при вышеприведенной реализации способа, но и для работы блока управления 4, принимающего сигналы с этих датчиков 3 и 4, а также с датчика уровня солнечной радиации, причем выходы блока 4 подключены к входам управления узлов 11 подачи газа в горелки 5 и 6. Для увеличения эффективности работы системы положение радиационных горелок 6 может регулироваться по высоте на опорах 9, что позволяет более эффективно осуществлять радиационное воздействие на почву и растения. Поскольку характеристики горелок 5 и 6 известны заранее из технических условий, то также известно какое количество углекислого газа и какой уровень радиации получают от них при различных уровнях регулировки подачи в них газа. Эта информация используется для управления подачей газа при известном зарегистрированном текущем уровне солнечной радиации. На растение воздействует суммарный поток радиации от горелок 6 и солнца, что позволяет рассчитать возможный уровень углекислого потребления растением, но при этом температурные параметры должны находиться в заданных границах, контроль которых обеспечивается за счет датчиков 3 и 4. Таким образом, на основании экспериментальных данных полученная модель управления реализовывает нахождение в заданных температурных границах состояние почвы и воздуха, поддержание максимального уровня фотосинтеза за счет максимально допустимого содержания углекислого газа в теплице посредством регулирования уровня радиации, попадающей на растения, причем радиации от горелок 6 и солнца, а тепловых потоков от горелок 5 и 6 и солнца, а углекислоты - от горелок 5.

Применение предложенных способа и системы позволяет с высокой степенью эффективности при минимальных затратах на строительство данной системы и ее эксплуатацию осуществлять обогрев теплиц и позволяет получить исключительно высокую продуктивность, связанную с существенно повышенным усвоением углекислого газа растениями, при этом, прирост растительной массы составляет до 70-100% по сравнению с известными методами обогрева теплиц при выращивании растений.

Источники информации: 1. Патент Российской Федерации N 2053644, опубл. 10.02.96.

2. Патент Российской Федерации N 2048063, опубл. 20.11.95.

3. Патент Российской Федерации N 2048071, опубл. 20.11.95.

4. Гарбуз В.М. и др. Разработка и эксплуатация систем отопления и вентиляции пленочных теплиц, рекомендации. Москва, Росагропромиздат, 1988, с. 3-40.

5. Гулько Т. В. и др. Газификация и газоснабжение сельского хозяйства. Москва, ИРИЦ "Фермер", 1994, с. 20-36.

6. Клапвайк Д. Климат теплиц и управление ростом растений. Москва, Колос, 1976.

Формула изобретения

1. Способ обогрева теплиц, включающий задание допустимых параметров суммарного теплового потока в теплицу, а также температуры воздуха и почвы в теплице на каждой стадии подготовки теплицы и выращивания растений и их поддержание посредством конвективного нагрева воздуха и соответственно почвы и радиационного нагрева почвы и растений, отличающийся тем, что конвективный нагрев осуществляют за счет непосредственного сжигания газа в микрофакельных горелках, расположенных в объеме теплицы, а радиационный нагрев - посредством сжигания газа в радиационных горелках, при этом дополнительно регистрируют текущий уровень солнечной радиации, а для каждого этапа или даты выращивания растений задают соответствующий график фотосинтетической активности растений, в зависимости от которого, от уровня солнечной радиации и от величин упомянутых заданных допустимых параметров суммарного теплового потока в теплицу корректируют подачу газа в микрофакельные и радиационные горелки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заданный суммарный тепловой поток в теплицу уменьшают на текущее значение величины теплового потока солнечной радиации.

3. Система для обогрева теплиц, включающая блоки конвективного нагрева воздуха и блоки радиационного нагрева почвы и растений, датчики температуры с блоками регистрации, отличающаяся тем, что она снабжена датчиком уровня солнечной радиации с соответствующим блоком регистрации, центральным газовым трубопроводом и отводящими газовыми трубопроводами, при этом датчики температуры выполнены в виде датчиков температуры почвы и воздуха, блоки конвективного нагрева - в виде микрофакельных горелок, а блоки радиационного нагрева - в виде радиационных газовых горелок, причем все горелки посредством отводящих трубопроводов сообщены с центральным трубопроводом, кроме того, микрофакельные газовые горелки установлены по периметру теплицы и вдоль рядов ее внутренних пролетных опор, а радиационные газовые горелки расположены на данных опорах, при этом все горелки выполнены с возможностью регулировки подачи в них газа.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что радиационные газовые горелки установлены с возможностью регулирования их положения на пролетных опорах по высоте.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена блоком управления, к входу которого подключены выходы датчиков температуры и уровня солнечной радиации, а выходы блока управления связаны с соответствующими входами управления узлов подачи газа в микрофакельные и радиационные газовые горелки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3