Устройство для контроля температурного режима защищенного грунта
Владельцы патента RU 2402194:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)
Устройство содержит три последовательно сопряженных слоя, стыки которых имеют герметичное выполнение. Верхний слой выполнен непрозрачным светопоглощающим, средний слой - в виде теплового аккумулятора, материал которого имеет переменные теплопроводящие свойства, а нижний слой - высокотеплопроводным. Устройство имеет установленный в защищенный грунт датчик температуры в виде контролирующей термопары, который соединен с тепловым аккумулятором. Устройство позволит автоматизировать контроль, управление и поддержание требуемого температурного состояния защищенного грунта. 3 ил.
Устройство относится к сельскому хозяйству и может быть использовано как устройство для контроля температурного режима защищенного грунта в теплицах, оранжереях, зимних садах и других агротехнологических системах.
Известно устройство для создания в теплице требуемых для растений условий микроклимата, состоящее из двух сообщающихся между собой радиаторов, заполненных водой. Верхний радиатор расположен в теплице над уровнем почвы, а нижний радиатор - в почве на заданной глубине. Верхний радиатор по отношению к нижнему наклонен под углом. В дневное, более теплое время вода нагревается в верхнем радиаторе и поступает самотеком в нижний радиатор. За счет теплообмена от последнего нагревается почва теплицы, аккумулируя подводимое тепло. В ночной, более холодный период, осуществляется обратный процесс. Нагретая почва за счет теплопередачи отдает запасенное тепло воде в нижнем радиаторе. Затем теплая вода поступает в верхний радиатор и нагревает воздушную среду в теплице (см. патент РФ 2110171, кл. А01G 9/24, 1998).
Основным недостатком этого устройства является то, что оно занимает значительную полезную площадь теплицы (для обогрева всего помещения требуется установка нескольких приборов), а эксплуатационные затраты, связанные с контролем за уровнем воды в приборе, создают дополнительные неудобства в его применении. Предполагается, что в дневное время при сильной солнечной радиации вода в верхнем радиаторе должна перетекать самотеком в нижнюю секцию с более низкой температурой воды. Это предположение противоречит законам физики, т.к. нагретая вода в верхнем радиаторе будет иметь относительно небольшую плотность по сравнению с низкопотенциальной водой в нижнем радиаторе. За счет гравитационных сил Земли более легкая вода будет расположена в верхней части устройства, что создаст условия статического равновесия жидкости и остановит циркуляцию воды в приборе.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для обогрева защищенного грунта, содержащее теплообменник в виде плоской тонкостенной оболочки с каналом для теплоносителя. Оболочка выполнена из двух частей: верхняя часть, обращенная к потоку лучистой радиации, выполнена прозрачной, а нижняя часть, обращенная к поверхности грунта, выполнена непрозрачной светопоглощающей. Теплопроводность непрозрачной части превышает теплопроводность прозрачной части оболочки. Поток солнечной лучистой радиации падает на прозрачную часть оболочки теплообменника, проникает через нее и попадает в канал с теплоносителем, проходя его, достигает поверхности непрозрачной части оболочки теплообменника. Падающий тепловой поток отдается теплоносителю в канале и защищенному грунту. При достижении температуры грунта, благоприятной для развития корневой системы, в канал подают теплоноситель с температурой, меньшей на несколько градусов, необходимой для формирования требуемого микроклимата. Избыток теплоты, отданный теплоносителю, может быть накоплен в термоаккумуляторе (см. патент РФ 2013943, кл. А01G 9/24, 1994).
Основным недостатком данного устройства является отсутствие контроля над поддержанием оптимального температурного состояния грунта. Неправильное регулирование подачи теплоносителя заданной температуры в рабочую зону грунта вызовет колебание температур, что создаст неблагоприятную среду для растений в теплице. Кроме того, применение термоаккумулятора в качестве накопительной среды не всегда является экономически целесообразным.
Целью изобретения является автоматизированный контроль, управление и поддержание требуемого температурного состояния защищенного грунта.
Поставленная цель достигается применением устройства для контроля температурного режима защищенного грунта, состоящего из трех последовательно сопряженных слоев: теплоприемника, теплового аккумулятора и контактной пластины, обращенной к поверхности грунта. Стыки всех трех слоев выполнены герметичными. Верхний слой, обращенный к солнечной лучистой радиации и тепловому потоку от инфракрасного излучателя, выполнен непрозрачным. Материал непрозрачной части выполнен светопоглощающим. Теплоприемник и контактная пластина устройства имеют высокую теплопроводность. Контактирующая с грунтом боковая поверхность теплового аккумулятора выполнена из изоляционного материала. Заявленное устройство содержит интегрированный аккумулятор теплоты. В защищенном грунте на определенной глубине установлен датчик температуры в виде контролирующей термопары, которая соединена с тепловым аккумулятором через теплоизоляционный футляр.
На фиг.1 показано устройство в сечении.
На фиг.2 показана схема установки устройства в сельскохозяйственную среду.
На фиг.3 показана схема распределения тепловых потоков.
Устройство состоит из трех последовательно сопряженных слоев: теплоприемника 1, теплового аккумулятора 2 и контактной пластины 3, обращенной своей поверхностью 4 к грунту 5. Слой теплоприемника 1 с поверхностью 6, обращенный к солнечной лучистой радиации и тепловому потоку от инфракрасного излучателя 7, выполнен непрозрачным. Стыки всех трех слоев 1, 2 и 3 выполнены герметичными. Теплоприемник 1 и контактная пластина 3 устройства имеют высокую теплопроводность. Материал теплового аккумулятора 2 обладает переменными теплопроводящими свойствами, которые зависят от величины электрического импульса, подаваемого на регулирующее устройство блока управления (условно не показано). Контактирующая с грунтом боковая поверхность 8 теплового аккумулятора 2 выполнена из изоляционного материала. В защищенном грунте 5 установлен датчик температуры в виде контролирующей термопары 9, которая соединена с тепловым аккумулятором 2 через теплоизоляционный футляр 10.
В качестве источника обогрева используется инфракрасный излучатель 7, закрепленный на перекрытии 11 с помощью подвесок 12. Дополнительный радиационный тепловой поток поступает от солнца 13, меняющийся во времени в течение суток.
Устройство может применяться без инфракрасного излучателя в качестве дополнительного источника теплоты при традиционном водяном отоплении, заряжаясь от солнечной радиации.
Устройство работает следующим образом.
Поток солнечной лучистой радиации qрад и тепловой поток qизл от инфракрасного излучателя 7, достигнув поверхности 6 теплоприемника 1, поглощается материалом (фиг.3). В результате чего светопоглощающий непрозрачный теплоприемник нагревается и возникают два тепловых потока qк и qпогл. Первый тепловой поток qк направлен в сторону омывающего устройство воздуха, а второй тепловой поток qпогл - к тепловому аккумулятору 2. В случае понижения температуры защищенного грунта 5 ниже допустимых значений поверхность 4 высокотеплопроводной контактной пластины 3 отдает необходимое количество энергии qпогл, накопленное тепловым аккумулятором 2, грунту 5 для прогрева слоя глубиной hпр. Датчик температуры - контролирующая термопара 9 следит за температурой грунта tгр. В случае отклонения температуры грунта от заданной величины tгр датчик температуры подает электрический сигнал на регулирующее устройство (условно не показано) теплового аккумулятора 2, которое в зависимости от величины электрического импульса начинает регулировать величину теплоотдачи на границе теплового аккумулятора 2 и контактной пластины 3. Последнее вызовет изменение теплового потока, направленного в сторону грунта 5, вплоть до установления требуемой температуры. При достижении температуры грунта tгр, благоприятной для развития корневой системы растений, датчик температуры 9 подает соответствующий электронный сигнал на регулирующее устройство (условно не показано) теплового аккумулятора 2.
Достоинством предложенного устройства является то, что по сравнению с другими средствами обогрева грунта оно содержит сразу три последовательно сопряженных элемента в составе целого: теплоприемник, тепловой аккумулятор и контактную пластину. Датчик температуры при самом устройстве обходится без какого-либо промежуточного оборудования. Прибор занимает незначительную полезную площадь грунта в сельскохозяйственной среде, компактен, малогабаритен, экологически безопасен. В качестве источника теплового нагружения может выступать инфракрасный излучатель, как наиболее эффективный источник тепловой энергии в агроклиматической среде. Кроме того, заявленное устройство может применяться без инфракрасного излучателя в качестве дополнительного источника теплоты при традиционном водяном или другом отоплении, заряжаясь от солнечной радиации.
Таким образом, предложенное устройство позволяет решить задачу обеспечения эффективного развития растений в теплице при различных погодных условиях без каких-либо дополнительных теплоносителей и внешних теплоаккумуляторов. Автоматизация устройства позволит рационально использовать накопленную тепловую энергию, создав при этом благоприятную климатическую среду для растений.
Как показали расчетно-экспериментальные исследования, проводимые кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» при ГОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет», для теплиц со среднегодовой плотностью теплового потока qрад=0,134 Гкал/(м2·год), применение устройства для контроля температурного режима защищенного грунта совместно с инфракрасными излучателями, позволит сократить годовые затраты тепловой энергии на 13,5 Гкал (10,8% от общих годовых потерь теплоты). В денежном эквиваленте на 2008 г.экономия средств составила 83400 руб.
Устройство для контроля температурного режима защищенного грунта, содержащее три последовательно сопряженных слоя, стыки которых имеют герметичное выполнение, отличающееся тем, что верхний слой выполнен непрозрачным светопоглощающим, средний слой - в виде теплового аккумулятора, материал которого имеет переменные теплопроводящие свойства, а нижний слой - высокотеплопроводным, при этом устройство имеет установленный в защищенный грунт датчик температуры в виде контролирующей термопары, который соединен с тепловым аккумулятором.
