ТЕПЛИЦА И СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В НЕЙ Российский патент 2015 года по МПК A01G9/14 A01G9/24 

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.

Изобретение относится к области растениеводства в сооружениях защищенного грунта и может быть использовано для создания и поддержания оптимальных условий жизнедеятельности растений. Теплица включает каркас, светопрозрачное ограждение, камеры смешивания воздуха с нагнетательными вентиляторами, установленные в торцах теплицы по диагонали относительно друг друга, системы воздушного отопления и регулирования температуры, влажности, концентрации углекислого газа в нагнетаемом воздухе и регулируемые вентиляционные отверстия с вытяжными вентиляторами, расположенные в кровле теплицы. Внутреннее помещение теплицы 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. Камеры смешивания снабжены воздушными клапанами, соединяющими их с внутренним пространством теплицы и окружающей средой с возможностью регулирования расхода воздушного потока, а также, по крайней мере, одной газовой горелкой, калорифером и датчиками температуры и влажности, установленными внутри и на выходе из камер. Способ включает нагнетание воздушного потока заданных параметров 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. В камере смешивания воздушный поток насыщают углекислым газом - продуктами сгорания природного газа, нагревают или охлаждают при необходимости. Регулирование температуры и влажности осуществляют заменой перегретого и переувлажненного воздуха, удаляемого через вентиляционные отверстия, сухим внешним воздухом, подаваемым в камеру смешивания, и рециркуляцией потоков из внутреннего и наружного воздушных коридоров, регулируя соотношение их расходов воздушными клапанами. Это позволит снизить материальные и энергетические затраты и улучшить условия жизнедеятельности растений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. 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, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена второй камерой смешивания воздуха, установленной в противоположном торце теплицы, 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 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.

2. Теплица по п.1, отличающаяся тем, что ее каркас выполнен туннельного типа.

3. Теплица по п.1, отличающаяся тем, что клапаны подачи наружного воздуха снабжены фильтрами.

4. Теплица по п.1, отличающаяся тем, что камеры смешивания снабжены датчиками температуры и относительной влажности, установленными внутри и на выходе из них.

5. Способ поддержания и регулирования микроклимата в теплице, 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, отличающийся тем, что 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.