Создание оптимальных тепловых условий в теплицах в зимний период

Ключевые слова: теплица, отопление, воздушное отопление, калорифер, тепловая пушка, электрический конвектор, система газового отопления, ИК отопление, кабельный обогрев, водяное отопление, ИК излучатель, подпочвенный обогрев, конвекция

Отопление теплицы является одним из важнейших элементов для выращивания различных культур в зимний период, так как помогает соблюсти определенный температурный режим, столь важный для растений, и снять 2–3 урожая в год. Для создания и поддержания такого режима, особенно в северных регионах, требуется качественное отопительное оборудование. Если система отопления теплицы подобрана верно, правильно смонтирована и отвечает всем требованиям для успешного выращивания сортов, то это поможет собрать урожай, максимально возможный для данных климатических условий.

Систему отопления для теплицы выбирают, руководствуясь многими факторами, такими как: желаемый микроклимат, потребность в определенном количестве тепла для выращиваемых сортов, мощность системы освещения (так как это дополнительный источник тепла). Не стоит забывать, что тепло также выделяется органическими удобрениями, привносимыми в почву.

Обычно стенки теплиц изготавливаются из прозрачных материалов, обладающих более низкой способностью удерживать тепло, чем, к примеру, кирпичная стена, поэтому важно, чтобы система отопления рассчитывалась исходя из типа покрытия теплицы: пленочные теплицы требует больших затрат тепла на обогрев внутреннего пространства, чем теплицы из поликарбоната. Это обуславливается тем, что данный материал обладает неплохими теплоизоляционными свойствами по сравнению с полистиролом или полиэтиленом. Для уменьшения расходов на отопление теплицу желательно располагать в солнечном, защищенном от ветра месте, так как, в среднем, энергозатраты на обогрев теплицы площадью примерно 1га доходят до 250 Вт на метр квадратный.

При выборе системы отопления также, безусловно, учитываются технико-экономические показатели.

Существует несколько вариантов систем обогрева, каждому из которых присущи как свои достоинства, так и свои недостатки.

1) Воздушное отопление.

Воздушное отопление теплицы является очень распространенным вариантом обогрева, при котором в качестве теплоносителя используется воздух.

Самым важным его преимуществом считается скорость прогревания внутреннего пространства теплицы: в отличие от водяного отопления, воздушное отопление позволяет получить необходимую температуру в помещении всего за несколько минут.

Но также этот способ имеет существенный недостаток, непосредственно вытекающий из данного преимущества. Чем быстрей прогревается воздух в теплице после запуска системы отопления, тем быстрей падает температура после ее остановки [4]. Связано это с тем, что воздух имеет намного меньшую теплоемкость, чем жидкость, находящаяся в водяной системе отопления.

При остановке котла для подогрева теплоносителя в теплицах с водяным отоплением, жидкость еще долгое время отдает тепло в помещение посредством труб или радиаторов, при воздушной же схеме, распространение тепла прекращается сразу после остановки оборудования.

Для подачи и подогрева воздуха в помещение теплицы могут использоваться такие элементы системы как электрические калориферы, тепловые пушки и конвекторы.

Применение первых является не слишком удобным решением, так как, при отсутствии какой-либо циркуляции, объем воздуха в теплице будет прогреваться неравномерно, что приведет к образованию излишне перегретой зоны возле калорифера. Удаленная же часть помещения может остаться и вовсе непрогретой. Для устранения такой проблемы, то есть для образования воздушных потоков, используют вентиляторы, работа которых, однако, приводит к обратному эффекту — охлаждению. Здесь присутствует еще пара отрицательных моментов: расходы на электроэнергию для поддержания необходимой температуры существенно возрастают, увеличивается объем оборудования.

Тепловая пушка состоит из мощного вентилятора и нагревательного элемента, расположенного позади него. Выходя под большим напором, нагретый воздух может распространяться на большое расстояние, при этом температура в теплице поднимется очень быстро. Прибор можно подобрать в соответствии с размером и конфигурацией отапливаемого помещения: производятся они различной мощности, могут быть как подвесными, так и напольными. Количество точек для установки определяется исходя из мощности, получаемой температуры на выходе и площади теплицы.

Кроме большого потребления электричества, обогрева тепловыми пушками имеет еще несколько важных недостатков:

− Нагревательный элемент сжигает кислород и делает воздух в помещении сухим;

− Из-за высокой температуры выходящего воздуха приходится размещать оборудование подальше от растений.

Электрический конвектор состоит он из кожуха с отверстиями, нагревательного элемента и термостата. По своему строению он похож на тепловую пушку, но в отличие от нее конвекция естественная: подача воздуха внутрь кожуха и из него происходит не принудительно посредством вентилятора, а, затягиваясь снизу, теплоноситель согревается и выходит через верхние отверстия. Прогрев помещения до нужной температуры происходит сравнительно медленнее, но такой способ не приводит к большим потерям кислорода. Могут применяться конвекторы на твердом топливе.

Еще один способ воздушного обогрева — система газового отопления, состоящая из газопровода, подводящего газ, регулирующей системы, автоматических контрольно-измерительных приборов безопасности пользования газом. При данной схеме воздух подогревается теплогенератором в определенном месте, а после распределяется по системе воздуховодов. Нагревание воздуха также может происходить посредством его нагнетания между стенками котла и топкой.

Для равномерного подогревания грунта, по периметру помещения укладывается полиэтиленовый перфорированный рукав, по которому поступает теплый воздух.

Преимуществом данного способа является быстрый прогрев теплицы любой площади, но при этом приходится постоянно следить за влажностью в теплице, так как это может быть губительным для некоторых растений.

2) Система инфракрасного отопления теплиц.

В основном, такая система является электрической, при работе которой нагревается не сам воздух, пересушиваясь при этом, а предметы, на которые попадают лучи. После, нагретые грунт, конструктивные элементы и сами растения отдают тепло в окружающую среду. Таким образом, по принципу своей работы система напоминает обогрев солнечными лучами. В состав оборудования системы инфракрасного отопления теплиц входят лишь сами инфракрасные обогреватель и терморегуляторы для автоматического поддержания постоянной температуры, выбросов продуктов сгорания в окружающую среду не происходит за неимением котла.

Так как такой как электричество является самым дорогостоящим способом обогрева, то в данный момент набирает популярность пленочная система отопления ПЛЭН, которая считается более экономичной, в то время как обогреватели типа ТЭН считаются менее эффективным и приводят к большим энергозатратам.

Инфракрасное излучение совершенно безвредно для людей и растений. Оно поможет создать комфортные условия для разных видов растений особенно для молодых посадок. Так как у них еще не сильно развита крона, то ИК лучи, попадая на большую площадь грунта, способствуют более равномерному распределению тепла.

Рис. 3. Схема работы ИК обогревателей

Сторонники такого способа отопления находят множество положительных моментом, связанных с ее применением:

− Эффективное распределение тепла внутри помещения (при отсутствии густого растительного многоярусного покрова) из-за нагревания окружающих предметов;

− Не нужна искусственная конвекция для предотвращения образования зон с разными температурами, так как основная нагретая зона располагается внизу;

− Экономный расход энергоносителей, благодаря непостоянной работе инфракрасных обогревателей, если система оснащена терморегулятором, который контролирует тепловой режим;

− Не образуются сквозняки (к которым могут быть крайне чувствительны некоторые сорта) в результате отсутствия движения воздуха из-за перепада температур.

− Высокий КПД (90 %);

− Возможность поднять за короткий промежуток времени температуру в теплице (тепло начинает появляться менее чем через 30 секунд);

− Не происходит скопления теплого воздуха в верхней части помещения, как при обычном нагреве пространства, следовательно, меньше энергии тратится чтобы достичь оптимальной температуры для растений в нижней зоне и покрыть затраты на нагрев окружающих предметов;

− Исключено просушивание воздуха, что позволяет получать урожаи на 30–40 % больше, чем при использовании другие виды отопления;

− При попадании на почву ИК лучи прогревают ее на глубину 50–70 мм и разогревают ее до 25–28 ˚С, тем самым крайне положительно сказываясь на всхожести растений. Впоследствии корневая система растений находится в самых комфортных условиях для роста и питания;

Такие обогреватели можно расположить у дверей и окон, в местах с пониженной тепловой изоляцией, за счет чего происходит снижение теплопотерь. Таким образом, при правильном подборе и использовании инфракрасных обогревателей удается сэкономить около 40 % электричества (от общей суммы энергозатрат при обычном расположении излучателей вдоль центральной оси). Для обогрева пространства 15 кв. метров достаточно одного инфракрасного обогревателя мощностью 1 кВт в зимний период.

Недостатками данных приборов являются:

− высокая стоимость оборудования;

− при густом лиственном покрове лучи не доходят до почвы, происходит перегрев верхней части, причем стебель и нижние ярусы листьев не прогреваются. Корневая система не получает нужного количества тепла.

3) Система водяного отопления.

Как видно из названия, теплоносителем в такой системе является вода, которая циркулирует по замкнутому контуру, состоящему из труб. Составными ее компонентами являются: водонагревательный котел, трубы, иногда радиаторы и автоматика, такая как термостаты и датчики. Принцип действия водяного отопления заключается в том, что теплоноситель, выходя из котла и проходя по трубам с помощью циркуляционного насоса, отдает тепло в грунт и пространство теплицы, а после снова поступает в котел для нагрева. Такая система считается традиционной.

Число труб можно регулировать и располагать в несколько ярусов для более эффективного обогрева всего помещения. Таким образом, система водяного отопления обеспечивает равномерное распределение тепла, что положительно влияет на растения. В теплице устанавливается и поддерживается оптимальный микроклимат, при котором не происходит сушки воздуха, как это наблюдается при некоторых способах отопления. А большее количество труб позволяет снизить температуру нагрева теплоносителя.

Обязательно следует предусмотреть систему прогрева грунта, расположенную на глубине более 40 см, так как прогревание почвы не только уменьшает сроки вегетации растений, но и поднимает урожайность культур. При монтаже системы полиэтиленовые трубы укладывают с шагом не менее 20 см на дренирующий слой (толщиной 10–30 см). Например, при использовании промытого и уплотненного песка толщина подушки составляет 10–15 см. Это будет способствовать равному прогреву толщи грунта и предотвращать пересушивание. Сверху насыпают примерно 40 см плодородного грунта. Для регулировки температуры в трубах на различных уровнях желательно использовать специальное оборудование, так как для того, чтобы корневая система растений не пересыхала, в нижнем контуре температура воды не должна превышать 40°С, а в надпочвенном ярусе, который отвечает за прогревание воздуха, устанавливают температуру 70–80°С. Таким образом, если дополнить систему подогрева почвы блоком автоматического управления, то можно будет обеспечить температурные режимы, соответствующие разным этапам развития растений, что увеличит скорость роста и повысит урожайность.

Рис. 4. Схема водяного отопления

Также нужно учитывать, что такие материалы, как сталь, не подходят для подпочвенного обогрева из-за коррозии металла, которая в считанные месяцы может разрушить и вывести из строя систему отопления. Для таких целей разумнее использовать высококачественный трубы из сшитого полиэтилена.

Недостатками водяного отопления для теплиц являются:

− Сложность монтажа системы труб;

− Необходимость постоянного контроля особенно подпочвенной части;

Несмотря на это, эксплуатационные расходы на обогрев будут небольшими по сравнения с электрическими системами. Система может работать от котла, используя более дешевое топливо, такое как газ.

Также огромным плюсом является одновременный обогрев воздуха и грунта. Тогда как обычное радиаторное отопление или обогрев теплиц воздухом (без почвенного подогрева) ведет к большим энергозатратам и, как следствие, менее выгодно в экономическом плане.

4) Кабельный обогрев, называемый также системой «теплого пола».

В данном случае при заложении на фундамент теплицы закрепляется электрический контур. Это могут быть как карбоновые ленты с нитью накаливания, забранные с двух сторон в пленку, так и обогревательные кабели, используемые для теплых полов. Такая система практически не занимает пространства постройки и при этом обеспечивает неплохой подогрев прогрев воздуха и почвы.

Также кабель, уложенный змейкой, может укладываться на слой песка и сверху засыпаться растительным грунтом. Предотвратить потери тепла вниз можно с помощью слоя теплоизолирующего материала, который должен быть устойчив к воздействию влаги и механическим нагрузкам.

Подобные нагревательные элементы дают совсем небольшую температуру, до 60 градусов, но и электричества при этом потребляют меньше иных электрических систем. К тому же, будет достаточно и меньшей мощности (температуры нагревания), так как корни растений не переносят температуру выше 30°С.

Также положительными аспектами при выборе такой системы отопления являются: небольшие затраты на установку, экономичность эксплуатации, простоте управления, возможность автоматического контроля температуры и равномерное распределение тепла в толще грунта.

Основных недостатков два:

− В случае эксплуатации теплицы в зимний период необходимо использовать дополнительные системы для обогрева воздушного пространства;

− При повреждении в одной точке, выходит из строя вся система, тогда как это бы не помешало инфракрасной ленте эффективно функционировать далее.

5) Комбинированный способ отопления.

В регионах, где температура воздуха в зимнее время может опуститься ниже -20°С, следует применять комбинированную систему отопления. Например, в дополнение к кабельному отоплению подключают и воздушное отопление. Воздушный теплогенератор разогревает воздух до температуры примерно 40°С, впоследствии теплоноситель равномерно распределяется по всей теплице при помощи сети воздуховодов, расположенных по ее периметру на высоте 2,5 метра, тогда как кабель осуществляет подогрев корневой системы.

Применение нескольких схем дает возможность моментально отреагировать на изменение эксплуатационных условий, изменить температуру в определенном месте или просто обеспечить экономичный расход того или иного энергоресурса. Минусы одного способа обогрева могут успешно перекрываться преимуществами другого, обеспечивая при этом эффективный и сбалансированный обогрев помещения.

Выводы.

Чтобы сделать отопление теплицы рациональным, создать комфортные условия для роста растений, особенно зимой, следует выбрать такой его вид, который обеспечит полноценный обогрев грунта и воздуха. Самым оптимальным решением на данный момент является использование водяного отопления, которое, благодаря возможности располагать трубы на разных ярусах, а так же под корневыми системами растений, способно обеспечить максимально комфортные условия, несмотря ни на густоту растительного покрова, ни на стадию роста. Подпочвенный подогрев позволяет снизить затраты на обогрев воздушного пространства, так как сама почва будет равномерно передавать тепло в воздушное пространство.

В настоящее время на базе кафедры «Гидравлика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого проводится исследование на тему «Создание оптимальных тепловых условий в теплицах и оранжереях», которое поможет дать ответы на данные вопросы.

Для достижения цели будут решаться следующие задачи:

− Расчет коэффициента теплопроводности мокрого керамзита;

− Расчет времени распространения тепла в грунте и за его границы;

− Нахождение зависимости времени нагревания окружающей среды от типа грунта, через который оно будет проводиться;

− Сравнение полученных результатов с иными способами отопления.

Решение данных вопросов позволит выявить оптимальный способ отопления в зимний период, создать идеальный микроклимат и собрать наибольший урожай.

Литература:

1. Акимцев В. А. Разработка системы автоматического регулирования климатических параметров в помещении: бакалаврская работа: 02.03.03 / В. А. Акимцев; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. — СПб., 2016. — 48 с.
2. Пленочные теплицы. Режим доступа: http://parnikiteplicy.ru/ustrojstvo/teplicy-plenochnye.html
3. Морозова М. П. Поликарбонатные листы Macrolux и Newlite / М. П. Морозова, К. И. Стрелец // Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Межвузовская научно-техническая конференция, Неделя науки (33; 2004; Санкт-Петербург). — СПб., 2005. — С. 110.
4. Теплица из пленки своими руками — основные тонкости сборки и использования покрытия. Режим доступа: http://parnik-teplitsa.ru/teplica-iz-plenki-svoimi-rukami-69
5. Как сделать отопление в теплице: выбираем экономичную систему. Режим доступа: http://obogreem.net/otoplenie-zdanij/dom/otoplenie-teplici.html
6. Как рассчитать мощность отопления для зимней теплицы. Режим доступа: http://www.gradaplast.ru/article/kak-rasschitat-moschnost-otopleniya-dlya-zimnej-teplitsy
7. Чем интересны промышленные газовые инфракрасные обогреватели. Режим доступа: http://gidotopleniya.ru/specpomeshhenie/promyshlennye/promyshlennye-gazovye-infrakrasnye-obogrevateli-chem-interesny-8536
8. Системы отопления теплиц. Режим доступа: http://dizajn-sada.ru/blagoustrojstvo/stroitelstvo-na-uchastke/otoplenie-teplic/
9. Как организовать круглогодичное отопление теплицы. Режим доступа: http://teplicnik.ru/obustrojstvo/otoplenie-teplic.html.