Результат интеллектуальной деятельности: ТЕПЛИЦА И СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В НЕЙ

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к области растениеводства в сооружениях защищенного грунта, и может быть использовано для создания и поддержания оптимальных условий жизнедеятельности растений.

Известна теплица с обогревом, включающая каркас, светопрозрачное ограждение, нагнетательный вентилятор, установленный в торце теплицы, и систему воздушного отопления (см. патент РФ №2283578, МПК A01G 9/24, опубл. 20.09.2006 г.). В данной теплице система воздушного отопления выполнена в виде труб, расположенных в подпочвенном слое, по которым циркулирует нагретый воздух, а также перфорированных труб, через которые нагретый воздух подается во внутреннее пространство теплицы, расположенных вдоль боковых стенок.

Недостатками аналога являются, во-первых, высокие энергетические затраты на обогрев теплицы и низкий коэффициент полезного действия. Это связано с тем, что большая часть тепла уходит в почву и рассеивается в окружающей среде, а меньшая полезно используется в теплице, обогревая ее внутреннее пространство. Во-вторых, расположение перфорированных труб системы отопления вдоль боковых стен создает большой градиент температуры между воздухом у стены теплицы и наружным воздухом. Это приводит к повышенным потерям тепла за счет теплопередачи через кровельное ограждение, так как интенсивность тепловых потерь пропорциональна градиенту температуры. При этом у стен теплицы будет наблюдаться естественная конвекция с интенсивным стеканием потока холодного воздуха в прикорневое надпочвенное пространство. Этот процесс негативно влияет на развитие и рост растений. В-третьих, применение только одной отдельной системы отопления не позволяет получить оптимальные температурно-влажностные параметры воздуха в теплице и тем более регулировать эти параметры, что также негативно влияет на продуктивность.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является теплица Ultra-Clima^® компании KVR, включающая каркас, светопрозрачное ограждение, камеру смешивания воздуха с нагнетательными вентиляторами, установленную в торце теплицы, системы воздушного отопления и регулирования температуры, влажности и концентрации углекислого газа в нагнетаемом воздухе и регулируемые вентиляционные отверстия, расположенные в кровле теплицы (см. http://www.kvrgp.ru. или http://www.hortidaily.com/article/2902/Russia-Lipetsk-Agro-opts-for-9.5-ha-of-KUBO%E2%80%99s-Ultra-Clima%C2%AE-greenhouse). В данной теплице система воздушного отопления выполнена в виде перфорированных рукавов из полимерного материала, расположенных в подлотковом пространстве, в результате чего создаются восходящие потоки в зоне расположения растений. Для подготовки воздуха, направляемого в рукава, используют системы регулирования его влажности с помощью «мокрых матрасов» и обогащения CO₂ из специальных резервуаров.

Недостатками такой теплицы являются сложность конструкции, повышенная материало- и энергоемкость и высокая стоимость. Это связано с наличием сложных, энергоемких и громоздких систем регулирования параметров воздушного потока, которые имеют высокую стоимость и занимают значительную часть площади теплицы. Еще одним недостатком такой теплицы является выполнение каркаса блочного типа. В зимний период времени на кровле и в желобах такой теплицы скапливается снежный покров, который снижает количество солнечного излучения и затеняет растения, а расплавление снега требует значительных энергозатрат. Кроме того, в таких теплицах нет возможности создавать индивидуальные температурно-влажностные условия для всех выращиваемых культур, так как конструкцией не предусмотрено разделение внутреннего помещения на изолированные отсеки.

Наиболее близким к заявляемому способу поддержания и регулирования микроклимата является способ, реализуемый также в теплице Ultra-Clima^® компании KVR, включающий нагнетание во внутреннее пространство теплицы воздушного потока заданных параметров, равномерное распределение его по площади теплицы, рециркуляцию потока через камеру смешивания, в которой его насыщают углекислым газом, нагревают или охлаждают при необходимости, а регулирование температуры и влажности воздушного потока осуществляют заменой перегретого и переувлажненного воздуха, удаляемого через вентиляционные отверстия, сухим внешним воздухом, подаваемым в камеру смешивания (см. http://www.kvrgp.ru или http://www.hortidaily.com/article/2902/Russia-Lipetsk-Agro-opts-for-9.5-ha-of-KUBO%E2%80%99s-Ultra-Clima%C2%AE-greenhouse). В данном способе регулирование влажности осуществляют увлажнением или сушкой в зависимости от содержания водяных паров во внутреннем помещении теплицы. Причем увлажняют воздушный поток и одновременно охлаждают его при пропускании через «мокрые матрасы» методом испарительного охлаждения, а сушат за счет конденсации влаги на торцовых стенках теплицы и частичной замены внутреннего влажного воздуха, удаленного за счет избыточного давления в теплице через вентиляционные отверстия, на сухой внешний.

Недостатками способа являются, во-первых, повышенные энергетические затраты, связанные с необходимостью наличия вентилятора большой мощности для преодоления гидравлического сопротивления системы перфорированных рукавов и «мокрых матрасов» при его увлажнении. Во-вторых, узкий диапазон работоспособности системы в различных климатических условиях регионов, сезона, времени суток и периодов солнечной или пасмурной погоды.

Результатом предлагаемого технического решения является снижение материальных и энергетических затрат и улучшение условий жизнедеятельности растений в широком диапазоне климатических условий.

Технический результат достигается тем, что теплица, включающая каркас, светопрозрачное ограждение, камеру смешивания воздуха с нагнетательными вентиляторами, установленную в торце теплицы, системы воздушного отопления и регулирования температуры, влажности и концентрации углекислого газа в нагнетаемом воздухе и регулируемые вентиляционные отверстия, расположенные в кровле теплицы, согласно изобретению теплица дополнительно снабжена второй камерой смешивания воздуха, установленной в противоположном торце, а внутреннее помещение снабжено продольными шторами из светопрозрачного материала, разделяющими его, по крайней мере, на четыре ряда воздушных коридоров, причем одна из штор расположена по центру теплицы, а другие вдоль боковых стенок, при этом камеры смешивания установлены относительно друг друга по диагонали теплицы и снабжены воздушными клапанами, соединяющими их с внутренним пространством теплицы и окружающей средой с возможностью регулирования расхода воздушного потока, и, по крайней мере, одной газовой горелкой и калорифером, а вентиляционные отверстия снабжены вытяжными вентиляторами.

Каркас теплицы выполнен туннельного типа.

Клапаны подачи наружного воздуха снабжены фильтрами.

Камеры смешивания снабжены датчиками температуры и относительной влажности, установленными на выходе из них.

Технический результат достигается также способом поддержания и регулирования микроклимата, включающим нагнетание во внутреннее пространство теплицы воздушного потока заданных параметров, равномерное распределение его по площади теплицы, рециркуляцию потока через камеру смешивания, в которой его насыщают углекислым газом, нагревают или охлаждают при необходимости, а регулирование температуры и влажности воздушного потока осуществляют заменой перегретого и переувлажненного воздуха, удаляемого через вентиляционные отверстия, сухим внешним воздухом, подаваемым в камеру смешивания, согласно изобретению насыщение углекислым газом и регулирование влажности осуществляют смешиванием потока воздуха с продуктами сгорания природного газа, а нагнетание осуществляют из камер смешивания в нижнюю часть теплицы вдоль внутренних воздушных коридоров, создавая встречные конвекционные потоки, разделяющиеся на две части, одну из которых направляют к противоположной камере смешивания, а другую в воздушный коридор вдоль боковых стен ограждения с последующим возвратом ее к камере смешивания, при этом воздушный поток сушат во внешних коридорах конденсацией влаги на боковых стенках теплицы, а дальнейшее регулирование параметров нагнетаемого воздушного потока осуществляют смешиванием потоков из внутреннего и наружного воздушных коридоров с окружающим воздухом, регулируя соотношение их расходов воздушными клапанами камеры смешивания.

Данное техническое решение позволит снизить материальные и энергетические затраты и улучшить условия жизнедеятельности растений в широком диапазоне климатических условий.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема движения воздушных потоков во внутреннем помещении теплицы, на фиг.2 - движение потоков в камеру смешивания и из нее во внутренние помещение теплицы, на фиг.3 - камера смешивания, на фиг.4 - то же, вид А.

Теплица включает каркас 1, светопрозрачное ограждение 2, камеры смешивания воздуха 3 с нагнетательными вентиляторами 4, установленные в противоположных торцах теплицы, а также системы воздушного отопления, регулирования температуры, влажности и концентрации CO₂ в нагнетаемом воздухе и регулируемые вентиляционные отверстия 5, расположенные в кровле теплицы. Внутреннее помещение снабжено продольными шторами 6 и 7 из светопрозрачного материала, разделяющими его, по крайней мере, на четыре ряда воздушных коридоров 8 и 9. Причем одна из штор 6 расположена по центру теплицы, а другие шторы 7 вдоль боковых стенок. Камеры смешивания 3 установлены относительно друг друга по диагонали теплицы и снабжены воздушными клапанами 10, 11 и 12, соединяющими их с внутренним пространством теплицы и окружающей средой с возможностью регулирования расхода воздушных потоков. Камеры смешивания 3 снабжены, по крайней мере, одной газовой горелкой 13 и калорифером 14, а вентиляционные отверстия 5 оснащены вытяжными вентиляторами (на фиг. не показаны). Каркас 1 теплицы выполнен туннельного типа. Клапаны 12 подачи наружного воздуха снабжены фильтрами (на фиг. не показаны), препятствующими попаданию пыли и насекомых в теплицу, а камеры смешивания 3 датчиками температуры и относительной влажности (на фиг. не показаны), установленными внутри и на выходе из них.

Способ поддержания и регулирования микроклимата в теплице осуществляют следующим образом.

Внутреннее помещение теплицы разделяют шторами 6 и 7 на внутренние 9 и внешние 8 воздушные коридоры. В нижнюю часть воздушных коридоров 9 из камер смешивания 3 нагнетают навстречу друг другу воздушные потоки заданных параметров, равномерно распределяют по площади теплицы и одновременно разделяют на две части. Одну часть направляют к противоположной камере смешивания 3 за счет всасывания потока нагнетательными вентиляторами 4. Другую часть, поднимающуюся вверх и охлаждающуюся о кровлю, направляют во внешние коридоры 8, в которых поток стекает вдоль боковых стен ограждения вниз, и возвращают его в камеру смешивания 3. Разделению потока на части способствует естественная конвекция, при которой теплый воздух поднимается к кровле, охлаждается и движется вдоль нее вниз, а движению потоков в направлении камер смешивания 3 еще и искусственная конвекция за счет тягового режима, создаваемого нагнетательными вентиляторами 4. При стекании воздушного потока вдоль боковых стен ограждения осуществляют его сушку и охлаждение. В результате рециркуляции воздушных потоков в камеру смешивания 3 подают поток из внешнего «холодного» коридора 8 через клапаны 11 и поток из внутреннего «теплого» коридора 9 через клапаны 10, а также всасывают наружный воздух из окружающей среды через клапаны 12. Соотношение расхода этих потоков через камеру смешивания 3 регулируют изменением сечения проточного канала каждого из клапанов 10, 11 и 12, которые при необходимости полностью закрывают.

В камере смешивания 3 в зависимости от погодных условий производят регулирование температуры и влажности воздушного потока перед нагнетанием. Для этого его нагревают или охлаждают с помощью калорифера 14 путем пропускания через него необходимого количества горячей или холодной воды. Нагрев снижает относительную влажность воздуха, а охлаждение повышает ее. Насыщение углекислым газом и доувлажнение производят сжиганием природного газа в горелках 13 камеры смешивания 3. Регулирование заданных параметров нагнетаемого воздуха осуществляют в соответствии с показаниями датчиков температуры и относительной влажности, установленных внутри и на выходе из камер смешивания 3 системой автоматического управления.

В результате рециркуляции воздушных потоков из внутреннего помещения теплицы через камеры смешивания 3 в теплице поддерживается постоянный температурно-влажностный режим. Кроме того, это позволяет существенно снизить энергозатраты на нагнетание и равномерное распределение воздушного потока по площади теплицы, так как организованные таким образом естественные конвекционные потоки устраняют необходимость прокачивания воздуха через перфорированные трубы, как это делают в прототипе.

В жаркое время года, при интенсивном солнечном облучении осуществляют приточно-вытяжной режим работы, при котором засасываемый через клапаны 12 наружный воздух охлаждают калорифером 14, а перегретый и переувлажненный от дыхания растений воздух удаляют из теплицы вытяжными вентиляторами.

В холодное время года при недостатке тепла используют в основном циркулирующий внутренний воздух, который сушат и затем нагревают калорифером 14. Шторы 7, благодаря которым, образуют внешние коридоры 8, позволяют изолировать растения от воздействия холодного воздуха и, следовательно, ограждают их от стрессовых условий. Кроме того, наличие коридоров 8 позволяет снизить потери тепла теплопередачей через светопрозрачное ограждение 2 за счет уменьшения градиента температур между воздушным потоком в коридорах 8 и наружным воздухом, что также позволит сократить энергозатраты на отопление теплицы в холодный период.

Выполнение каркаса теплицы туннельного типа позволит исключить затраты энергии на расплавление снега и удаление его с кровли.

Данная теплица и способ поддержания и регулирования микроклимата в ней позволит по сравнению с прототипом снизить материальные и энергетические затраты и улучшить условия жизнедеятельности растений в широком диапазоне климатических условий.