Способ регулирования температуры теплицы и устройство для его осуществления

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в сооружениях закрытого грунта, например в зимней блочной почвенной теплице для обогрева, а также охлаждения полезного объема воздуха в летний период и регулирования перепадов ночных и дневных температур осенних и весенних периодов. Способ регулирования температуры теплицы заключается в перекачивании тепловым насосом тепловой энергии от источника низкопотенциального тепла в отопительную систему. Низкопотенциальное тепло отбирают от воды охладительной системы, охлаждая эту воду. Затем воду разбрызгивают под кровлей для поглощения тепла и собирают водосборным экраном в бак охладительной системы, из которого поглощенное водой тепло перекачивают в бак отопительной системы. Устройство для осуществления способа содержит отопительную систему с водяным насосом, тепловой насос с испарителем и конденсатором. Устройство снабжено охладительной системой, состоящей из бака с вмонтированным в него испарителем теплового насоса, разбрызгивающих трубопроводов, подсоединенных к баку через водяной насос и выведенных под кровлю теплицы, и смонтированного под этими трубопроводами водосборного экрана. Отопительная система снабжена баком с вмонтированным в него конденсатором теплового насоса. Технический результат заключается в повышении урожайности, производительности и рентабельности тепличного производства за счет круглогодичного обеспечения оптимальных температурных условий роста и развития растений, снижении энергоемкости теплицы в отопительный период, а также возможности улавливания и использования избыточной тепловой энергии в теплый период. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в сооружениях закрытого грунта, например, в зимней блочной почвенной теплице для обогрева, а также охлаждения полезного объема воздуха в летний период и регулирования перепадов ночных и дневных температур осенних и весенних периодов.

Известен способ регулирования температуры теплицы, заключающийся в том, что в холодное время при пониженной температуре включают отопление, а в теплое время при повышенной температуре - принудительную вентиляцию или естественную вентиляцию - через фрамуги (Теплицы и тепличное хозяйство. Справочник под ред. Г.Г.Шишко. Киев: Урожай, 1993, стр.329).

Недостатком этого способа и оборудования для этого способа является то, что дорогое отопительное оборудование используют только в зимний период, а в летний период тепло, накапливаемое в теплице от солнечной радиации, не используют. Для сброса этого тепла необходимы затраты электроэнергии на вентиляцию. При открывании же фрамуг происходит заражение растений от проникающих внутрь насекомых.

Известен также способ обогрева теплиц с помощью теплового насоса. В испарителе теплового насоса для отопления теплиц происходит испарение хладагента из-за подвода низкопотенциального тепла, например, из воды пруда или атмосферного воздуха. Охлажденная в испарителе вода возвращается в водоем, а воздух - в атмосферу. В компрессоре теплового насоса рабочее тело сжимается, на что затрачивается энергия. После компрессора теплового насоса пары хладагента поступают в конденсатор, где конденсируются, отдавая тепло воде, циркулирующей в системе отопления теплицы (Теплицы и тепличное хозяйство. Справочник под ред. Г.Г.Шишко. Киев: Урожай, 1993, стр.174).

Недостатком этого способа является то, что тепло перекачивают из окружающей среды (водоема, воздуха), имеющей зимой низкую температуру. Это приводит к повышению энергозатрат вследствие пониженной температуры используемых теплоносителей в зимнее время.

Известен способ и оборудование для его осуществления, используемые для снижения перегрева воздуха и растений в теплицах путем дождевания кровли. При этом применяют стационарную систему трубопроводов. Распыление воды осуществляют специальными насадками. Инфракрасную радиацию поглощают не только водяной пленкой, но и мелкодисперсным водяным облаком. При дождевании кровли температура воздуха в теплице и листьев растений в верхних ярусах снижается на 5-10° С при открытых фрамугах (Теплицы и тепличное хозяйство. Справочник, под ред. Г.Г.Шишко, Киев: Урожай, 1993, стр.317).

Недостатком этого способа и оборудования для его осуществления является повышенный расход воды и потеря воды на испарение и унос ветром, необходимость иметь сборную емкость большого объема (отстойник), а также малое снижение температуры (всего 5-10° С). Кроме того, через открытые фрамуги возможно заражение растений. При осуществлении этого способа и оборудования для его осуществления не используют тепловую энергию, накапливаемую теплицей.

За прототип заявляемого способа принят способ обогрева почвы в теплице, заключающийся в том, что при помощи компрессорно-конденсаторного агрегата (теплового насоса) тепло атмосферного воздуха перекачивают в систему обогрева почвы (Патент РФ №2042317, A 01 G 9/24, 1995, БИ. №24).

Прототип заявляемого устройства содержит почвенные батареи, водяные батареи, соединенные с водораспределительным и водосборным коллекторами, водяной насос, тепловой насос с испарителями, расположенными вне теплицы, трубопроводы жидкого и газообразного хладагентов соединены с испарителями.

Почвенные батареи выполнены водяными, а трубопровод нагретой воды теплового насоса соединен с входным патрубком водяного насоса, выходной патрубок которого соединен с водораспределительным коллектором, а водосборный коллектор соединен с трубопроводом охлаждающей воды теплового насоса (Патент РФ №2042317, A 01 G 9/24, 1995, БИ. №24).

Признаки прототипа по способу, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, следующие.

Способ регулирования температуры теплицы заключается в перекачивании с помощью теплового насоса тепловой энергии от источника низкопотенциального тепла в отопительную систему.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого устройства, следующие.

Устройство регулирования температуры теплицы содержит отопительную систему с водяным насосом, тепловой насос с испарителем и конденсатором.

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата по прототипу заявляемого способа и устройства для его осуществления, заключаются в том, что использование их не обеспечивает значительного снижения энергозатрат на отопление теплицы, так как отбор тепла для обогрева теплицы происходит от холодного атмосферного воздуха. Использование этого способа и устройства возможно только в отопительный период, т.е. способ не обеспечивает круглогодичные оптимальные температурные условия роста и развития растений. При этом не используется избыточная тепловая энергия в теплый период. Следовательно, урожайность, производительность и рентабельность тепличного производства низкие.

Заявляемый технический результат - повышение урожайности, производительности и рентабельности тепличного производства за счет круглогодичного обеспечения оптимальных температурных условий роста и развития растений, снижение энергозатрат теплицы в отопительный период, а также возможность улавливания и использования избыточной тепловой энергии в теплый период.

Этот результат может быть получен при осуществлении предлагаемого способа и достигается тем, что низкопотенциальное тепло отбирают от воды охладительной системы, охлаждая эту воду, затем разбрызгивают ее под кровлей для поглощения тепла, собирают водосборным экраном в бак охладительной системы, из которого поглощенное водой тепло перекачивают в бак отопительной системы.

Технический результат достигается также тем, что заявляемое устройство снабжено охладительной системой, которая состоит из бака с вмонтированным в него испарителем теплового насоса, разбрызгивающих трубопроводов, подсоединенных к баку через водяной насос и выведенных под кровлю теплицы. Под этими трубопроводами смонтирован водосборный экран. Отопительная система устройства снабжена баком с вмонтированным в него конденсатором теплового насоса.

Существенные признаки заявляемого способа следующие.

Способ регулирования температуры теплицы заключается в перекачивании тепловым насосом тепловой энергии от источника низкопотенциального тепла в отопительную систему.

Низкопотенциальное тепло отбирают от воды охладительной системы, охлаждая эту воду. Затем разбрызгивают ее под кровлей для поглощения тепла и собирают водосборным экраном в бак охладительной системы, из которого поглощенное водой тепло перекачивают в бак отопительной системы.

В отличие от прототипа в заявляемом способе низкопотенциальное тепло отбирают из воды охладительной системы, охлаждая эту воду, затем эту воду разбрызгивают под кровлей для поглощения тепла и собирают ее водосборным экраном в бак охладительной системы, из которого поглощенное водой тепло перекачивают в бак отопительной системы.

В отличие от прототипа устройство для осуществления этого способа снабжено охладительной системой, состоящей из бака с вмонтированным в него испарителем теплового насоса, разбрызгивающих трубопроводов, подсоединенных к баку через водяной насос и выведенных под кровлю теплицы. Под этими трубопроводами смонтирован водосборный экран. Отопительная система снабжена баком с вмонтированным в него конденсатором теплового насоса.

При охлаждении воды охладительной системы с помощью теплового насоса перекачивают тепло из бака охладительной системы в бак отопительной системы, тем самым нагревают воду отопительной системы, с помощью которой обогревают теплицу.

При помощи водяного насоса и разбрызгивающих трубопроводов охлажденную воду из бака охладительной системы разбрызгивают под кровлей теплицы для перехвата восходящего конвективного потока тепла, тем самым охлаждают воздух под кровлей теплицы.

За счет отбора тепла разбрызгиваемая вода нагревается и при помощи водосборного экрана возвращается в бак охладительной системы, из которого поглощенное водой тепло тепловым насосом снова подают в бак отопительной системы.

Разбрызгивающие трубопроводы, подсоединенные к баку охладительной системы через водяной насос и выведенные под кровлю теплицы, и смонтированный под ними водосборный экран позволяют не применять громоздких и дорогостоящих теплообменников и собирать тепло с большого объема теплицы. Кроме того, наличие водосборного экрана под разбрызгивающими трубопроводами позволяет охладить большие объемы воздуха разбрызгиваемой водой без громоздких теплообменников, одновременно защищая растения от разбрызгиваемой воды и отделяя теплое рабочее пространство от охлаждаемой нерабочей зоны, тем самым уменьшается объем отапливаемого пространства теплицы, т.е. отапливаются только приземный слой почвы с растениями. Водосборный экран также служит дополнительным внутренним ограждением и, подавляя конвективные и инфильтрационные тепловые потоки, уменьшает потери тепловой энергии теплицы в атмосферу. Так как в бак охладительной системы вмонтирован испаритель теплового насоса, это позволяет охладить воду, одновременно отбирая тепло для подачи его в отопительную систему.

То, что отопительная система снабжена баком с вмонтированным в него конденсатором теплового насоса, позволяет нагреть воду в отопительной системе за счет уловленного тепла охладительной системы.

Пример осуществления заявляемого способа.

В зимний период охлаждают испарителем теплового насоса воду в баке охладительной системы. Тем самым забирают низкопотенциальное тепло из охладительной системы и подают его через конденсатор этого агрегата в бак отопительной системы. Вода отопительной системы при этом нагревается. При помощи водяного насоса нагретая вода циркулирует по всей отопительной системе, нагревая почву и воздух теплицы. Охлажденную воду из бака охладительной системы водяным насосом охладительной системы разбрызгивают под кровлей теплицы через разбрызгивающие трубопроводы для улавливания восходящих потоков и радиационных потоков тепла, одновременно охлаждая воздух под кровлей теплицы и нагревая разбрызгиваемую воду. Эту воду собирают водосборным экраном и подают в бак охладительной системы, где опять тепловым насосом эту воду охлаждают, а уловленное водой тепло перекачивают этим насосом в отопительную систему.

В летний период таким же образом охлаждаемую в баке охладительной системы воду разбрызгивают под кровлей теплицы для ее охлаждения. При этом вода, естественно, нагревается. Нагретую воду водосборным экраном собирают и возвращают в бак охладительной системы, из которого тепловым насосом поглощенное водой тепло, так же как и в зимний период, подают в бак отопительной системы, из которого нагретую поглощенным теплом воду подают уже не в отопительную систему, а потребителю, например в систему коммунального горячего водоснабжения или для других целей.

В осенне-весенние периоды в дневное время при избытке тепла охлаждают теплицу таким же образом, аккумулируя тепло в систему подпочвенного отопления теплицы, т.е. в грунт, нагревая его. В ночное время грунт, медленно остывая, будет нагревать воздух в теплице, регулируя температуру теплицы и не допуская больших перепадов между ночными и дневными температурами.

На чертеже представлен общий вид предлагаемого устройства для осуществления способа регулирования температуры теплицы.

Устройство содержит отопительную систему 1, бак отопительной системы 2, водяной насос 3 отопительной системы 1, тепловой насос 4, конденсатор 5 теплового насоса 4, расположенный в баке 2 отопительной системы 1, охладительную систему, состоящую из испарителя 6 теплового насоса 4, расположенного в баке 7 охладительной системы, водяного насоса 8 разбрызгивающих трубопроводов 9, водосборного экрана 10, расположенного под разбрызгивающими трубопроводами 9, водосборного коллектора 11 и кровли теплицы 12. Для переключения работы системы в летний режим с подачей воды в систему горячего водоснабжения 13 использован переключатель 14. Холодная вода в систему подается из водопровода 15 через задвижку 16.

Устройство работает следующим образом.

Тепловым насосом 4 посредством встроенного в бак 7 охладительной системы испарителя 6 охлаждается вода в баке 7 охладительной системы. Эта вода водяным насосом 8 охладительной системы подается в разбрызгивающие трубопроводы 9, где разбрызгивается под кровлю 12 теплицы для поглощения тепла теплицы. Нагретая поглощенным теплом вода водосборным экраном 10 улавливается и направляется в бак 7 охладительной системы, где испарителем 6 теплового насоса 4 поглощенное тепло отбирается, охлаждая при этом воду, и подается через конденсатор 5 теплового насоса 4 в бак 2 отопительной системы 1 для нагрева воды этой системы. Из бака 2 отопительной системы водяным насосом 3 этой системы горячая вода направляется для циркуляции в отопительную систему 1.

Таким образом, охлаждая воду охладительной системы с помощью теплового насоса, тем самым отбирают тепло из охладительной системы и подают его в отопительную систему. Снижая температуру воздуха разбрызгиваемой холодной водой под кровлей теплицы, улавливают тепло и возвращают его в отопительную систему. При этом прямо пропорционально охлаждению воздуха снижаются теплопотери через ограждение теплицы, т.к. потери тепла зависят от разницы температур с внутренней и наружной сторон ограждения теплицы.

В летнее время за счет солнечной энергии, таким же образом снижая температуру внутри теплицы, с каждого квадратного метра теплицы можно при ее охлаждении подавать в систему горячего водоснабжения до 5 кВтч уловленной тепловой энергии в сутки или 5000 кВтч с 1000 квадратных метров теплицы в сутки.

В весенний и осенний периоды в дневное время тепло из верхней части теплицы перекачивают в систему подпочвенного отопления и аккумулируют в грунте, что приводит к повышению температуры грунта и приземного слоя воздуха в теплице в ночное время, т.е. к выравниванию перепадов дневных и ночных температур, что обеспечивает комфортные условия развития растений.

Зимой в отопительный период, охлаждая воду охладительной системы с помощью теплового насоса, отбирают тепло из охладительной системы и подают его в отопительную систему. При этом на каждую единицу затрачиваемой энергии на работу теплового насоса подают в 2-2,5 раза больше тепловой энергии в отопительную систему, снижая энергопотребление теплицы.

Таким образом, в зимний отопительный период использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет снизить энергопотребление за счет:

- снижения разности температур с внутренней и наружной сторон ограждения теплицы, соответственно снижают теплопотери. Например, для теплицы полезной площадью 1000 квадратных метров при снижении температуры под кровлей с 20 до 10° С снижение теплопотерь составит:

6 Вт/м²·°С× (20-10)° С× 1000 м²=60000 Вт=60 кВт;

- возврата уловленной с помощью теплового насоса тепловой энергии в 2-2,5 раза по сравнению с традиционным отоплением.

В летний период за счет солнечной энергии с каждого квадратного метра теплицы можно при ее охлаждении подавать в систему горячего водоснабжения до 5 кВтч уловленной тепловой энергии в сутки или 5000 кВтч с 1000 кв. м теплицы в сутки.

Круглогодичная эксплуатация теплицы в комфортном для растений режиме даст увеличение урожайности и качества продукции и соответственно повысит рентабельность тепличного производства.

1. Способ регулирования температуры теплицы, заключающийся в перекачивании тепловым насосом энергии от источника низкопотенциального тепла в отопительную систему, отличающийся тем, что низкопотенциальное тепло отбирают от воды охладительной системы, охлаждая эту воду, затем разбрызгивают ее под кровлей для поглощения тепла, собирают водосборным экраном в бак охладительной системы, из которого поглощенное тепло перекачивают в бак отопительной системы.

2. Устройство регулирования температуры теплицы, содержащее отопительную систему с водяным насосом, тепловой насос с испарителем и конденсатором, отличающееся тем, что оно снабжено охладительной системой, состоящей из бака с вмонтированным в него испарителем теплового насоса, разбрызгивающих трубопроводов, подсоединенных к баку через водяной насос и выведенных под кровлю теплицы, и смонтированного под этими трубопроводами водосборного экрана, а отопительная система снабжена баком с вмонтированным в него конденсатором теплового насоса.