Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ систем обеспечения, параметров микроклимата в теплицах в теплый период года 7
1.1. Классификация способов снятия перегрева в теплицах в теплый период года 7
1.2. Агробиологические требования выращиваемых в теплице культур 16
1.3. Обзор методов расчета температурно-влажностного и воздушного режимов теплиц 23
1.4. Климатические особенности регионов страны в теплый период года 25
Цель и задачи исследования 29
ГЛАВА 2. Физико-математическая модель формирования теплового. влажностного и воздушного режимов в теплицах в теплый период года 30
2.1. Общие положения 30
2.2. Основные балансовые уравнения 31
2.3. Потоки теплоты от солнечной радиации в теплицу 31
2.4. Тепловые балансы и схемы снятия перегрева 35
Выводы по Главе 2 44
ГЛАВА 3. Анализ воздушного режима теплиц в теплый период года 43
3.1. Общие положения 43
3.2. Организованное проветривание 46
3.3. Лабораторные исследование моделей теплиц 49
3.4. Анализ результатов испытаний теплиц 51
3.4.1. Блочные теплицы 51
3.4.2. Трехзвенные теплицы 51
3.4.3. Эпюры аэродинамических коэффициентов 57
3.5. Система активной шахтной аэрации теплиц 72
Выводы по Главе 3 78
ГЛАВА 4. Разработка системы водоаэрозольного охлаждения 82
4.1. Физические характеристики водного аэрозоля 82
4.2. Разработка системы водоаэрозольного охлаждения и методика расчета ее отдельных элементов 87
4.2.1. Теплотехнический расчет системы водоаэрозольного охлаждения 89
4.2.2. Расчет рабочих органов системы водоаэрозольного охлаждения 91
4.2.3. Расчет режимов работы системы водоаэрозольного охлаждения 92
4.3. Термодинамические процессы в объеме теплиц при работе систем водоаэрозольного охлаждения 93
4.4. Экспериментальное исследование режимов работы системы водоаэрозольного охлаждения 99
4.4.1. Испытания характеристик генераторов водного аэрозоля 99
4.4.2. Исследования гидравлического режима работы систем водоаэрозольного охлаждения 101
4.5. Режимы работы системы обеспечение параметров микроклимата в теплице 106
Выводы по Главе 4 111
ГЛАВА 5. Натурные исследования и технико-экономические показатели эффективности комплексной системы обеспечения параметров микроклимата 113
5.1. Режим организованного проветривания 121
5.2. Режим активной шахтной аэрации и механической вентиляции 126
5.3. Количественные характеристики коэффициентов обеспеченности параметров воздуха в теплицах 128
5.5.1. Коэффициент обеспеченности параметров воздуха в теплице в течение суток 136
5.5.2. Коэффициент обеспеченности температурного режима в теплице в годовом цикле 133
5.4. Рекомендации по проектированию и эксплуатации комплексной системы обеспечения параметров микроклимата в теплицах в теплый период года 139
5.5. Экономическая эффективность внедрения комплексных систем обеспечения параметров микроклимата в теплице в теплый период года 154
Основные выводы по диссертации 160
Список использованной литературы 162
Приложение 172
- Агробиологические требования выращиваемых в теплице культур
- Потоки теплоты от солнечной радиации в теплицу
- Эпюры аэродинамических коэффициентов
- Термодинамические процессы в объеме теплиц при работе систем водоаэрозольного охлаждения
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Северо-восточная Азия (к востоку от Лены) - ги ram екая крайне своеобразная по природным условиям географическая страна, выделяющаяся
среди всех северных территорий жестким климатом Зима здесь наиболее холодная в Северном полушарии, лето в континентальных районах жаркое и засушливое (в верховьях Яны и Индигирки годовая сумма осадков не превышает 220 мм). Сочетание высоких летних температур и повсеместно развитой (кроме таликовьгх зон рек) вечной мерзлоты создаег огромный контраст термических условий в почвах порой даже в соседних биотопах - он достигает в верхних ее горизонтах более порялвга по суммам годовых положительных температур. Тем не менее, здесь существуют весьма разнообразные беспозвоночные животные, население и экология даже массовых форм которых изучена недостаточно. Экологическая же физиология и адаптационные стратегии беспозвоночных животных по отношению к столь жестким климатическим условиям вообще не исследованы. Среди позвоночных животных особое место занимает широко распространенная (кроме горных тундр) хвостатая амфибия - сибирский углозуб, существующий, казалось бы, в невероятных для амфибий условиях. Но этой причине углозуб может служить важным модельным объектом для исследования экофизио логических адаптации и адаптационных стратегий.
Более того, на северо-востоке Азии (как и на северо-западе Америки) на фоне ландшафтной монотонности северной тайги выделяются экзотические для региона степные группировки, служащие примерами удивительной сохранности и адаптированности к чуждой географической обсЕановке целых сообществ организмов. Они - реликгы плейстоценовой Берингии. Лїгантской суши с уникальными тундростепными ландшафтами, населенными «мамонтовой» фауной. Характер былых ландшафтов, их происхождение, эволюция и причины экологической катастрофы на рубеже плейстоцена и голоцена - одна из волнующих и чрезвычайно важных проблем палеоэкологии. Хорошо известна лишь флора степных экосистем ретона, тогда как почвы, почвенные микроорганизмы, фауна и население большинства гру mi беспозвоночных животных лишь за грону ты вниманием специалистов. Скудность сведений о фауне и населении беспозвоночных в фоновых ландшафтах и реликтовых степях, с одной стороны, с другой - о современной экологии массовых форм на северо-востоке Азии и северо-западе Америки гем более досадна, что в этих регионах выполнены блестящие исследования ископаемых насекомых (в основном - жесткокрылых плиоцена - толещека), освещающие многие моменты сложной истории формирования фауны Берингии (Киселев, 1981; Matthews, 19S2; Морган и др., 1986; Кузьмина, 2003; Шср, 2004). Цель исследования.
Провести комплексное изучение фауны, населения и пространственной организации сообществ беспозвоночных животных, экофизиологических адаптации некоторых доминантных видов к экстремальным факторам и на этой основе реконструировать плейстоценовые ландшафты в континентальных районах северо-востока Азии.
Задачи исследовании.
1. Описать закономерности пространственного распределения экосистем и массовых видов беспозвоночных животных, выявить основные контролирующие их факторы в ландшафтах верховьев Колымы и прилежащих регионов.
2. Выяснить пути адаптации животных разных таксономических групп (муравьи, дождевые черви, сибирский углозуб и др.) к низким температурам зимовки; сопоставить физиологические возможности животных переносить отрицательные температуры с реальными температурными условиями, складывающимися в различных биотопах, и оценить роль холодоустойчивости в ландшафтном распределении и географическом распространении животных.
3. Выявить фауну и население массовых групп беспозвоночных животных, главным образом насекомых, в реликтовых термофитных и гемикриофитных степях северо-востока Азии и северо-запада Америки; определить их зоогеографический и экологический статус.
4. Изучить современную экологию доминирующих на степных участках и известных в ископаемом состоянии насекомых и на этой основе реконструировать обстановку плейстоценовых тундростеией.
5. Изучить общность современной фауны некоторых групп беспозвоночных животных северо-востока Азии и северо-запада Америки, оценить характер трансконтинентальных обменов в прошлом; опираясь на них, реконструировать природную обстановку позднего плейстоцена восточной Берингии.
Научная новизна.
Впервые для северо-востока Азии, отличающегося крайне жестким ультраконтинентальным климатом и практически повсеместной вечной мерзлотой, изучены закономерности распределения сообществ и некоторых массовых видов беспозвоночных животных. Дифференцированно рассмотрены летние и зимние контролирующие распределение факторы.
Также впервые по единой методике в одно время и на одной территории изучены особенности экологии, циклы развития, холодоустойчивость и криопротекторы нескольких модельных групп животных (муравьи, дождевые черви, прямокрылые, некоторые другие беспозвоночные, сибирский углозуб). Выявлены системы адаптации (в том числе - биохимические и физиологические), обеспечивающие переживание крайне низких зимних температур в регионе.
Монографически рассмотрен уникальный пример длительной сохранности реликтовых (плейстоценового возраста) степных сообществ беспозвоночных животных в обстановке северной тайги на северо-востоке Азии и северо-западе Америки.
Реконструирована природная среда позднего плейстоцена Берингин на основе изучения видового разнообразия фауны, состава населения, экологических требований массовые форм.
Научное и практическое значение.
Выявленная сисіема факторов, контролирующая уникальное пространственное смешение разнородных экосистем, в ландшафтах Северо-востока, и выводы об итиачалыюм контроле состава населения беспозвоночных животных главным образом местоположением биоценоза на рельефе и затенением могут быть экстраполированы на значительные пространства горно-таежных континентальных территорий (с севера на юг - в пределах 8° широты).
Так же могут быть экстраполированы результаты изучения экологии и, в частности, адаптивных стратегий массовых видов, поскольку все они широко распространены в Евразии, а часті- их — и в Северной Америке.
Заключение о возможности существования индивидуальных адаптивных стратегий у видов одного рода и даже полрода при близком адаптивном результате имеет общемстододогическое значение и должно учитываться при планировании последующих исследований.
Результаты оценки климатических условий и продуктивности ландшафтов Беринтии в плейстоцене, основанные на современной экологии массовых видов насекомых и противоречащие сложившейся в науке парадигме о природе позднего плейстоцена (с высокой численностью травоядных животных мамонтовой фауны), ставят новые задачи перед исследователями различных специальностей.
Защищаемые положения,
1. Состав доминантой населения беспозвоночных животных в экосистемах континентальных районов северо-востока Азии (на одинаковых горных породах) изначально контролируется в наибольшей мере местоположением на рельефе- обусловливающим дренаж и теплообеспеченностк а они, в свою очередь, - характер растительного покрова и почв; важную роль можег играть затенение, снижающее теплообесиеченвость. Шблюдаемый в регионе диапазон экосистем (от горно-лесотундровых до реликтовых степных) определяется контрастом тепло обеспеченности -- различие сумм положительных температур в почве крутых южных и северных склонов достигает 3.6 крат на глубине 5 см и 400-наглубине 20 см.
2. Адаптивные стратегии по отношению к низким температурам зимовки у изученных пойкидотермных животных строятся на вариациях соотношений компоненты, определяющей горизонт обитания (стереотипы строительного поведения у муравьев, выбора места зимовки у углозуба, морфо-экологический тин у дождевых червей), и физиологи-биохимических возможностей онтогенетических стадий, Страіегия может быть индивидуальной - не связанной с систематическим положением вила (т.е. не зависеть от родовой и даже под родово л принадлежности). Поэтому корректнее говорить о «видоспецифичной тактике». Более того, даже разные онтогенетические стадии у червей могуч использовать принципиально разные механизмы холодазащиты (или переохлаждение, или внеклеточное замерзание). Биохимическая стратегия также не едина: муравьи и углозуб, с одной стороны, и дождевые черви, с другой, обеспечены крнопротекторами разного физико-химического действия. Интегральный же адаптивный эффект реализации разных стратегий и тактик, оцениваемый по численности и широте спектра населяемых биотопов, в ряде случаев практически одинаков.
3. Степные группировки Северо-востока по фауне и населению беспозвоночных животных - несомненные плейстоценовые реликты, дериваты тундростеней. Основная причина их длительной сохранности - близкий к горным степям юга Сибири микроклимат. Реконструированные среднеиюльские температуры воздуха плейстоцена во времена формирования ОТЛОЖЄН71Й с остатками термофильных жуков составляли не менее 11-13°С. Реконструкции на основе экологии жука Moryvhus viridis свидетельствую!4 о крайне малой продуктивности растительности. Отсутствие азиатских степных видов насекомых-термофилов на Аляске и в Канадском Юконе ныне и в плейстоценовых отложениях указывает на то, что названные территории не были ландшафт ным продолжением азиатской ту наросте иной Берингии,
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на всесоюзных совещаниях «Проблемы почвенной зоологии» (Вильнюс,!975; Минск,1978; Киев, 1981; Тбилиси. 19В7; Новосибирск, 1991; Росгов-на-Дону, 1996: Йошкар-Ола, 2002); Всесоюзных симпозиумах «Биологические проблемы Севера» (Петрозаводск, 1976; Магадан, 1983; Якутск, 1986), VI и VIII Всесоюзных зоогеографических конференциях (Кишинев, 1975; Ленинград, 1985), Всесоюзном симпозиуме по биодиагностике почв (Москва, 1977), XIV Тихоокеанском конгрессе (Хабаровск, 1979), Международном конгрессе ИНКВА (Москва, 1982), Всесоюзном симпозиуме «Муравьи и защита леса» (Тарту, 1979; Новосибирск, 1987; Пермь, 2001), VI Всесоюзной конференции по экологической физиологии (Сыктывкар, 1982), III Всесоюзной конференции по поведению животных (Москва, 1983). Всесоюзной конференции «Вид, популяция, сообщество в жіремальньїх условиях» (Москва, 1986), Всесоюзной школе «Деструкция органическою вещества в почве» (Вильнюс, 1939), Всесоюзном совещании «Взаимодействие организмов в тундровых экосистемах» (Сыктывкар, Т989), Международной конференции «Криопедологин» (Пущнно, 1992; Сыктывкар, 1997), Всероссийской конференции «Биогеограф ля почв» {Сыктывкар. 2002), Сибирской зоологической конференции (Новосибирск, 2004), International Conference "Global Change and Arctic Terrestrial Ecosystems" (Norway, Oppdai, 1993), 45th Arctic science conference «Bridges of the science between North America and the Russian Far East» (Владивосток, І993), Beringian paleoenvironments Workshop (Colorado, 1997), IVth European Workshop of Invertebrate Ecopbysiology (Санкт-Петербург, 2001), Sixth Workshop Quaternary Environment of the Eurasian North (Swilzerland, Spiez, 2002).
Публикации. По избранной отрасли знании опубликовано 89 трудов (не считая тезисов), в том числе главы в двух монографиях и 56 работ в рецензируемых изданиях.
Структура и объем доклада. Научный доклад состоит из раздела «Общая характеристика работы», 3 глав основного текста (соответствующих 3 циклам исследований), выводов и списка опубликованных по теме работ. Доклад изложен на 56 страницам содержит 2 таблицы и 9 рисунков.
Благодарности, Выражаю признательность коллегам-специалистам по группам беспозвоночных H.R Винокурову, А.Ф, Емельянову, Г\Ш, Лаферу, Б.М. Калаеву, И.М. Кержнеру. Б.А. Коротяеву, С.К.Х Сторожспко, оказавшим помощь в определении полевых сборов и консультировавшим меня многие годы. Пользуюсь случаем поблагодарить коллег но лаборатории А,В, Алфимова, З.А. Жигулвскую, АЛ, Лсйрих, EII. Мещерякову за плодотворное сотрудничество, АЛ. Бельгер и О.Ф. Машукову за помощь в работе.
Агробиологические требования выращиваемых в теплице культур
В результате основных процессов жизнедеятельности (фотосинтез и дыхание) в растениях накапливаются органические вещества. Показателем интенсивности протекания этих двух процессов служит интенсивность нетто - фотосинтеза, которая представляет собой разность между количеством углекислого газа (СО)2, поглощенным и выделенным растениями за единицу времени на единицу лиственной поверхности. Интенсивность нетто -фотосинтеза, в свою очередь, зависит от свойств культивируемого растения, а также от уровня обеспеченности растений условиями внешней среды: облученности фотосинтетически активной радиацией (ФАР), температуры и влажности почвы и воздуха, концентрации СО2 в воздухе, режима минерального питания.
Как правило, интенсивность нетто - фотосинтеза Ф, мг/(м2ч), от факторов среды выражается полиномной функцией вида [21,49]:
В (1.1) Х]...хп - факторы среды: температура воздуха, растений, почвы, С; интенсивность облученности ФАР, Вт/м2; относительная влажность воздуха, %; подвижность воздуха, м/с, и др.; щ...ат - эмпирические коэффициенты для каждой культуры и стадии развития растений: Развитие растений обеспечивается совокупностью почвенных и атмосферных условий в соответствии с законом "минимум - оптимум -максимум": если хотя бы один из факторов будет в недостатке или избытке, то жизнедеятельность растений и урожай будут находиться в прямой зависимости от этого фактора [13,21].
Поддерживать конкретные параметры микроклимата в период перегрева, характеризующегося высокой tB, низкой рв и подвижностью воздуха Ve, - задача систем обеспечения микроклимата теплиц, которые представляют собой совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих внутренние климатические условия. Нормативные значения параметров микроклимата в теплице при выращивании различных овощей приведены в приложении 1.
Для определения эффективных инженерных средств борьбы с перегревом от солнечной радиации в теплице в теплый период года необходимо рассмотреть влияние на продуктивность растений факторов, обусловленных первопричиной перегрева - солнечной радиацией, а именно: температуры внутреннего воздуха; радиационной температуры теплицы; освещенности; спектра проникающей в теплицу радиации.
Зависимость интенсивности продуктивного фотосинтеза от температуры воздуха для томатов и огурцов, выращиваемых в климатической камере, представлена на рисунке 1.5. В реальных условиях в теплицах даже на небольших площадях совокупность оптимальных условий роста соблюсти практически не удается. Поэтому для обеспечения высоких урожаев физиологи рекомендуют поддерживать в теплицах температурные режимы для каждой фенологической фазы роста культур, приведенные в приложении 1.
В остекленной теплице в переходный и теплый периоды при высокой интенсивности солнечной радиации наблюдается значительное повышение значений температуры внутреннего воздуха tB.. Изменение интенсивности фотосинтеза в теплице приведено на рис. 1.6.
Если проанализировать графики на рисунках 1.5 и 1.6, то можно сделать вывод, что в теплицах в период перегрева интенсивность фотосинтеза не достигает максимального значения, равного в фитотроне 3.10"3кг С(У(м2ч) при е=35С для томата и te=36 С для огурца. Она не превышает 1,8.10 кг СОг/ (м ч), что составляет лишь 60% максимальной продуктивности растений. Второй максимум интенсивности фотосинтеза приходится на 18...20 часов и равен «1,1 кг СОгДм ч) или 37% от максимально возможной, интенсивности фотосинтеза.
Влажностный режим теплицы. Основным источником влаги в теплице является поливочная вода. Она расходуется растениями на транспирацию С?и, испаряется G"u с поверхности почвы, удаляется через дренажную систему Gd,c:
Для огурца характерен расход воды около 450 мл на 1 г сухого вещества. При урожайности 33 кг/м растения синтезируют около 39,6 кг сырой массы, что составляет в пересчете на сухое вещество 1,782 кг, для получения которого необходимо 802 л воды.
Учитывая количество воды, содержащейся в сухом веществе (32 л), и величину непродуктивного испарения влаги с поверхности почвы, общая средняя потребность в воде составляет около 911 л на 1м . Одно взрослое растение огурца в теплице испаряет в процессе транспирации ежедневно в период плодоношения 1,2... 1,5 л воды. Потребность растений томата в воде в течение всего периода вегетации составляет 800...900 л/м .
На рисунке 1.7 приведены потребности культур томата и огурца в воде в течение года, восполняемые поливами [13.23]. При высокой солнечной радиации наряду с вегетационными поливами используются дополнительные поливы в середине дня, норма полива составляет 0,5...1,5 л/м [13]. Функции дождевания и поддержания влажностного режима растений в теплице могут выполнять система водоаэрозольного охлаждения.
Для удаления избытков влаги из воздуха теплицы следует применять проветривание, активную аэрацию или механическую вентиляцию.
Воздушно-газовый и радиационный режимы в теплице имеют большое значение для роста и развития растений. Растения в процессе газообмена поглощают или выделяют через устьицы углекислый газ С02, кислород ( и водяной пар. Если перенос газов, окружающих растение, с воздушным потоком незначителен, то недостаток углекислого газа у поверхности листа затрудняет фотосинтез, а медленное выделение водяного пара ограничивает транспирацию, что приводит к значительному повышению температуры листа. Значительные колебания концентрации С02 обусловлены газообменом между растением и воздухом вследствие фотосинтеза и дыхания и воздухообменом в теплице. Концентрации СОг в теплице показаны на рисунке 1.8 [13].
Потоки теплоты от солнечной радиации в теплицу
Воздушный режим теплиц в теплый период года формируется под влиянием многих взаимосвязанных друг с другом факторов: климатических условий, воздухопроницаемости наружных ограждений, работы систем снятия перегрева, организованной аэрации. При круглогодичной эксплуатации блочных теплиц возникают проблемы обеспечения заданных воздухообменов, которые в зависимости от периодов роста и параметров наружного воздуха имеют разную величину и выполняют различные функции. Например, в переходный период воздухообмен должен ассимилировать влаговыделения в теплице, образующиеся в результате испарения поливочной воды и транспирации растений. При интенсивном поступлении солнечной радиации и превышении температуры внутреннего воздуха над допустимой из-за тепличного эффекта задачей организации теплообмена является снятие перегрева внутреннего воздуха в теплице. Кроме того, приток наружного воздуха необходим для обогащения внутреннего воздуха в теплице углекислым газом, а также для обеспечения подвижности воздуха в теплице в пределах от 0,5 до 1,0 м/с.
Нами предлагается способ решения этих проблем через устройство организованного проветривания, активной шахтной вентиляции и вытяжной механической вентиляции. Эти три вида организации воздухообмена предполагают пользование наружным воздухом без его предварительной обработки.
Наружные климатические условия (tH, v„, роза ветров) определяют воздухообмен в теплице. Температура и плотность воздуха снаружи и внутри обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление снаружи и внутри оказываются разным, что и определяет величину зон инфильтрации и эксфильтра-ции по высоте сооружения.
Ветровое давление вызывает горизонтальное перемещение воздуха с наветренной стороны на заветренную. Аэрация оказывает существенное влияние на формирование тепловлажностного режима теплицы. Анализ влияния наружных факторов на воздухообмен показал, что необходим учет изменения направления ветра, его скорости, сочетания наружной температуры и скорости ветра, распределения аэродинамических коэффициентов на поверхности здания.
Обтекание здания воздушным потоком для выявления его аэродинамических характеристик и распределения аэродинамических коэффициентов на поверхностях простых и сложных форм зданий изучались В.В.Батуриным, Е.В.Константиновой, Э.И.Реттером и другими. Известны работы, посвященные экспериментальному исследованию аэродинамических характеристик отдельных видов теплиц [69,70], результаты которых однако не могут быть экстраполированы на теплицы других типов и размеров.
Метод расчета, разработанный Э.И.Реттером [79], основанный на аэродинамических испытаниях моделей, позволяет определить аэродинамические характеристики на основе формул в функции от безразмерных критериев, характеризующих форму и размеры сооружения. Полученные аэродинамические характеристики относятся к однопролетным и многопролетным промышленным зданиям, которые с некоторыми допущениями могут быть приняты аналогами ангарных и блочных теплиц.
Как показали исследования [9,79,97], аэродинамические характеристики здания мало зависят от формы кровли, а определяются общими размерами зданий, шириной и высотой фонарей. Полученные расчетные формулы могут быть использованы для различных видов фонарей, в том числе треугольных, под которыми в нашем случае следует понимать шатры теплицы.
Несколько способов оценки величины теплообмена предложил В.З.Павлов [68]: по скорости изменения и установившемуся уровню относительной влажности воздуха после полива растений; расчетно-экспериментальный, когда искомый воздухообмен определяется из решения системы балансовых уравнений для ограждения, площади лиственной поверхности растений; для объема сооружения по измеренным значениям параметров наружного и внутреннего воздуха. Расчет режимов организованного воздухообмена теплиц имеет целью определение расхода воздуха через все элементы ограждающих конструкций при перетекании воздуха за счет ветрового и гравитационного давлений.
Для определения расхода воздуха через конструктивные элементы ограждений и фрамуг необходимо знать распределение давлений изнутри и снаружи здания. Среди способов построения эпюр давления на ограждении здания наиболее удобным для расчета теплиц являются способы избыточных, фиктивных давлений и относительного нуля давлений, разработанные и внедренные в практику проектирования П.Н.Каменевым [121], В.В.Батуриным [9], В.П.Титовым {98].
Метод внутренних избыточных давлений П.Н.Каменева [121] широко используется при расчете аэрации производственных зданий. Он основан на выделении понятия избыточного внутреннего давления на уровне пола, которое равно положительному или отрицательному повышению давлению воздуха внутри здания над давлением снаружи его. Этот способ использовался в работе для расчетов воздухообменов в теплице с шахтой под действием гравитационных сил. Метод фиктивных давлений, предложенный В.В.Батуриным [9], состоит в выборе уровня для отсчета нуля давления. Методом фиктивных давлений были рассчитаны воздухообмены и кратности в теплицах при совместном действии ветрового и гравитационного давлений.
В существующих методиках для расчета промышленных зданий фильтрацию через стены не учитывают, неорганизованный воздухообмен рассматривается через высокие и низкие отверстия в ограждении, при этом аэродинамические коэффициенты принимаются постоянными.
Эпюры аэродинамических коэффициентов
При высокой дисперсности аэрозольного облака и г \ мкм частицы постоянно коагулируются и вследствие диффузии осаждаются на более крупные частицы, строительные конструкции и биомассу.
За максимальный размер капель следует принимать радиус, при котором капля полностью испаряется у нижней границы охлаждаемого объема теплицы. Для достижения каплей аэрозоля этой границы необходимо, чтобы ее конечный радиус был не меньше радиуса практического испарения Гд/ЛЪ мкм [32]. Таким образом, при падении после выброса из форсунки капля испаряется от начального радиуса гам до ее конечного значения гак.
В зависимости от высоты Нф (расстояние между форсункой и верхним ярусом растений) максимальный радиус гам должен составлять 30...55 мкм, а минимальный гак=15 мкм [29,32,74,77]. При расчете не учитывалась возможная коагуляция капель аэрозоля и скорость горизонтального перемещения их после выброса из форсунки. Влияние коагуляции может сдвинуть верхнюю границу размеров капель в сторону уменьшения, наличие же горизонтальной составляющей скорости у капель, ускоряя их испарение, сдвигает эту границу в сторону увеличения размеров капель. Поэтому максимальный радиус капель может быть принятым 50.. .55 мкм.
При образовании аэрозольного облака частицы аэрозоля оседают на внутренних ограждениях верхней части теплицы, что приводит к избирательному пропусканию солнечной радиации. Водный аэрозоль поглощает до 40% проникающей инфракрасной радиации - БИКР (0,66...3,0 мкм) при практически неизменной ФАР, что приводит к обогащению спектра интегральной радиации, приходящей к растениям в области ФАР (0,4...0,7 мкм).
Система водоаэрозольного охлаждения (СВАО) предусматривает изменение параметров микроклимата в объеме теплицы, включая зону вегетации растений, при изменении интегральной облученности объекта солнечной радиацией. Одновременно СВАО изменяет спектр солнечной радиации, поглощая его тепловую инфракрасную часть с Я 750 нм водным аэрозолем. Создание в верхней части объема теплицы зоны повышенной влажности способствует уменьшению лучистого теплообмена поверхности обращенных вверх листьев (до 16%) за счет изменения физических параметров полупрозрачной среды, вызванной повышенным содержанием 3-х атомных молекул воды [29]. СВАО более эффективна в блочных теплицах высотой не менее 2,5 м при наличии в них фрамужной вентиляции (или шахтной вентиляции [20] при температуре воздуха в объеме сооружения (без систем снятия перегрева) до 45С, суммарной падающей солнечной радиации до 700...750 Вт/м и при интенсивности солнечной радиации в период, когда прямая радиация значительно преобладает над рассеянной. СВАО представляет собой систему генераторов водного аэрозоля, расположенных на трубопроводах в объеме теплицы так, чтобы поток аэрозоля равномерно распределялся во всей верхней части объема сооружения. Генераторы водного аэрозоля (форсунки) - это устройство для дробления струи в аэрозоль (капли установленного размера с отклонениями этих размеров в заданных (±10%) пределах. СВАО конструктивно представляет собой один, два или три ряда форсунок вдоль конька теплицы с одним и тем же шагом Бф, который определяется радиусом факела форсунки (8ф 2,0ц, где гф - радиус факела распыла форсунки). Режим работы генератора определяется временем его действия и паузой между включениями. Время действия тд определяется количеством аэрозоля, который следует подать в объем сооружения для ассимиляции избыточной теплоты. Пауза тп определяется временем, необходимым для испарения поданной аэрозольной влаги. Таким образом, режим работы СВАО носит импульсный характер, что достигается автоматизацией системы в режиме «подача-пауза». Минимальное время включения системы принимается, исходя из условия ограничения потерь потока влаги при переходных режимах (включение и выключение) на уровне 10% генерируемого потока влаги. Теплотехнический расчет СВАО сводится к научно обоснованному проектированию системы обеспечения теплового и радиационно - влажностного режимов, позволяющих поддерживать необходимые поцессы фотосинтеза и продуктивности растений. Расчет сводится к определению необходимых влаго-потоков и термодинамических процессов, оптимизирующих нормируемые технологические параметры микроклимата, т. е. определяется необходимая интенсивность потока испаряющейся фракции (аэрозоля) для поглощения теплопо-тока солнечной радиации при условии усвоения влаги объемом воздуха в теплице. Теплотехнический расчет определяет инженерное решение, которое сводится к выявлению плотности установки форсунок с учетом высоты подвески, производительности и качества диспергированной влаги, к определению необходимого диапазона изменения плотности потока влаги для обеспечения нормируемого климатического режима теплицы. Расчет режимов работы СВАО сводится к обеспечению расчетного значения плотности потока диспергированной влаги для поглощения теплоизбыт-ков, обеспечению испарения всего влагопотока с заданными характеристиками в соответствии с параметрами рабочих органов системы, обеспечения температуры и относительной влажности воздуха в теплице при применении форсунок с заданными параметрами. По формулам (2.1...2.6) балансовых уравнений достаточно точно, но с определенной сложностью, можно определить необходимое количество диспергированной влаги, количество теплоты, поглощаемой при испарении в заданном импульсном режиме работы СВАО для расчетных значений тд и т„. При эксплуатации теплиц в связи с естественным в течении светового дня изменением интенсивности солнечной радиации, а также вследствие изменений погодных условий, расчетные значения параметров режима работы т и тп. приходится корректировать. Поэтому необходимо разработать упрощенный метод инженерного расчета режимов работы СВАО.
Термодинамические процессы в объеме теплиц при работе систем водоаэрозольного охлаждения
В весенний период при интенсивности солнечной радиации в полуденные часы С &,р 550 Вт/м ) включается система СВАО, которая работает до конца плодоношения (конец июля - начало августа ) в рассматриваемом переходном культурообороте. Далее, в период подготовки теплицы под новый культуро-оборот работают системы проветривания, активной шахтной аэрации и механической вентиляции. В то же время в течение дня отдельные вентиляционные системы включаются в зависимости от теплопоступлений в следующей последовательности (для случая, изображенного на рис. 4.13 ). В самый жаркий пе-риод с конца июня до конца июля ( Qc,p 600 Вт/м ) около 8 часов утра включаются системы организованного проветривания 1, затем вытяжная система ак-тивной аэрации 11, в 9 -10 час. включается вентилятор в режиме 111, СВАО включается в 10 час. и работает в импульсном автоматическом режиме до 18 час, вентилятор работает в режиме механической вентиляции при необходи-мости до 18 час.
При максимальной интенсивности радиации до 600 Вт/м системы проветривания включается около 8 часов утра, затем включается система шахтной аэрации, вентилятор включается в 10 часов утра и работает до 15 час. Система СВАО включается в 11 часов и работает в импульсном режиме до 14 час. При этом период работы энергопотребляющих систем составляет: механическая вентиляция 5 час, СВАО 3...3,5 час. в импульсном режиме.
Система проветривания 1 снижает перегрев на 6...7С, проветривания с шахтной вентиляцией (режим 11) - на 10... 11 С, система проветривания при совместном действии с механической вентиляцией ( режим 111 ) - на 12...13С, при работе СВАО в комплексе ( режимы IV, V, VI) - на 18...25С, при этом в самостоятельном режиме СВАО снижает температуру ( перегрев ) на8...12С.
Поэтапное включение режимов комплексной системы в течение культу-рооборота и в течение дня в зависимости от поступающей солнечной радиации дает возможность решить проблему обеспечения заданного микроклимата в объеме теплицы в течение года практически до конца плодоношения (уборки).
Работа системы СВАО совместима с работой любых других систем в любо режиме работы и дает наибольший эффект в этом комплексе, хотя эффективность работы по сравнению с обособленной снижается на 10...15%.
Преимуществом комплексной системы обеспечения параметров микроклимата является использование в довольно длительный период пассивных конструктивных элементов (продольные фрамуги, технологические проемы, аэрационные шахты) и кратковременное включение механической вентиляции и СВАО в период максимального поступления солнечной радиации. 1. Подробный анализ имеющейся технической литературы позволил выявить физические характеристики водного аэрозоля, оказывающие основное влияние на формирование, структуру и теплофизические показатели аэрозольного облака. 2. Разработана система водоаэрозольного охлаждения и методика расчета ее отдельных элементов, включающая теплотехнический расчет системы, расчет рабочих органов и режимов работы. 3. Разработаны и обоснованы термодинамические процессы в объеме теплиц при работе систем водоаэрозольного охлаждения воздуха, включающие область саморегулирования параметров микроклимата растениями, а также при работе систем водоаэрозольного охлаждения в зависимости от интенсивности воздухообмена в теплицах. Результатов является научное обоснование термодинамических процессов изменения параметров воздуха в теплицах с биомассой при аэрозольном охлаждении. Выявлены качественные и количественные характеристики формирования температурно-влажностных режимов в теплицах в теплый период года при работе систем водоаэрозольного охлаждения. 5. Проведены экспериментальные лабораторные исследования гидравлических характеристик систем водоаэрозольного охлаждения при различных начальных условиях и типах форсунок; определены характерные показатели аэрозольного обмена. Выявлена количественная динамика температурного режима в теплицах в теплый период года при следующих условиях: без снятия перегрева; при работе системы организованного естественного проветривания; при совместной работе систем организованного естественного проветривания и шахтной вентиляции; при совместной работе систем организованного естественного проветривания и механической вентиляции; при совместной работе систем естественного организованного проветривания и систем водоаэрозольного охлаждения; при совместной работе систем естественного организованного проветривания, активной шахтной (механической) вентиляции и систем водоаэрозольного охлаждения. Натурные исследования комплексной системы обеспечения параметров микроклимата, состоящей из систем проветривания, активной аэрации, механической вентиляции и водоаэрозольного охлаждения воздуха были проведены в течение 2-х теплых периодов года в мае - сентябре 2004 и 2005 гг. в теплице расположенной по адресу: Московская Область, Носовихинское ш., ЗАО Агрофирма «Косино». Период исследований охватывал все наиболее характерные для района Московской области климатические режимы теплого периода года, а технологические режимы теплицы соответствовали нормальным рабочим циклам. Цель натурных исследований заключалась в выявлении динамики темпера-турно-влажностного и воздушного режимов в теплице, оборудованной рекомендуемыми системами, аэродинамических режимов работы систем, а также в определении последовательности включения систем комплекса, в выявлении эффективности снятия температуры внутреннего воздуха в теплице при эксплуатации в реальных условиях. Объектом испытаний служили секции остекленной блочной зимней теплицы (т. п. 810-99 - Гипронисельпром). Каркас теплицы металлический. Кровля и стены выполнены из листового стекла толщиной 4 мм, укрепленного на металлических шпросах. Ширина звена блока 6,4 м, высота в коньке 4,2 м, в карнизе 2,6 м, длина 43 м. Конек теплицы ориентирован в направлении «восток - запад».
