В статье рассматривается эффективные, традиционные и возобновляемые источники энергии для отопления, освещения по усовершенствованию конструкции гелиосушилки- теплицы. Экспериментальное оборудование испытано в учебно-производственном хозяйстве КазНАУ «Саймасай» Енбекшиказахского района Алматинской области. Эффективность оборудования определяется низкими потерями тепла из-за использования нового прозрачного полимера-полигали, имеющей пористую структуру, в которой присутствует воздух, являющегося надежным теплоизолятором.
Введение
Организация тепличного хозяйства и выращивание различных видов сельскохозяйственных культур является довольно выгодным бизнесом да, к тому же, полезным для всех сторон.Постоянно функционирующее тепличное хозяйство позволит получать немалый доход круглый год. Прибыльность высокая, окупаемость быстрая, рентабельность хорошая, и это еще не все преимущества, которые дает тепличное хозяйство [1].
В Казахстане имеется более 100 метеорологических станций, которые ведут круглогодичное наблюдение за погодными условиями по всей территории республики.По данным метеостанций на юго-востоке Казахстана количество светлых дней составляет около 250 - 260 дней в году, что дает возможность в полной мере использовать энергию солнца [2].
Сотовый поликарбонат - наилучший материал для покрытия теплиц, представляет собой светопропускающие полые панели, полученные методом экструзии из гранул поликарбоната. Поликарбонаты - группа термопластов, сложные полиэфиры угольной кислоты и двухатомных спиртов общей формулы (-O-R-O-CO-)n. Наибольшее промышленное значение имеют ароматические поликарбонаты, в первую очередь, поликарбонат на основе БисфенолаА, благодаря доступности бисфенола А, синтезируемого конденсацией фенола и ацетона.
Поликарбонаты являются крупнотоннажными продуктами органического синтеза, мировые производственные мощности в 2006 года составляли более 3 млн тонн в год. Основные производители поликарбоната (2006), Bayer Material Science AG – торговой марки Makrolon, Apec, Bayblend, Makroblend обьем производства 900 000 т/год, Sabic Innovative Plastics - торговой марки Lexan обьем производства 900 000 т/год, Samyang Busines Chemicals-торговой марки Trirex обьем производства 360 000 т/год, Dow Chemical / LG DOW Polycarbonate торговой марки Calibre обьем производства 300 000 т/год, Teijin торговой марки Panlite обьем производства 300 000 т/год.
Поликарбонат был выбран в качестве материала для производства прозрачных вставок в медалях Зимних Олимпийских игр 2014 в Сочи, главным образом из-за его большого коэффициента теплового расширения, а также ввиду прочности, пластичности, удобства нанесения рисунка лазером[3].
Целью данного этапа является обоснование энергоснабжения полифункциональной гелиосушилки-теплицы за счет возобновляемого источника-солнечной энергии наряду с традиционными источниками энергии.
Материалы и методы
В соответствии с поставленными задачами нами была разработана блочная конструкция оборудования арочного типа, состоящая из 3-х блоков 8 м шириной и длиной 32 м каждый. Основой технологии является светопропускающий материал - поликарбонат (полигаль), имеющий ячеистую структуру, позволяющую значительно снизить тепло потери [4]. Данное оборудование было внедрено в учебно-производственном хозяйстве КазНАУ «Саймасай» Енбекшиказахского района Алматинской области.
При переработке поликарбонатов применяют большинство методов переработки и формовки термопластичных полимеров: литьё под давлением (производство изделий), выдувное литьё (разного рода сосуды), экструзию (производство профилей и плёнок), формовку волокон из расплава. При производстве поликарбонатных плёнок также применяется формовка из растворов — этот метод позволяет получать тонкие плёнки из поликарбонатов высокой молекулярной массы, формовка тонких плёнок из которых затруднена вследствие их высокой вязкости
Результаты исследований и их обсуждение
Сотовый поликарбонат представляет собой светопропускающие полые панели, полученные методом экструзии из гранул поликарбоната. Панели производятся с различной толщиной: 4, 6, 8, 10, 16, 25мм и более. Для теплиц используется преимущественно до 8мм. Толщина наружных слоев и ребер жесткости 0,2мм. Панели производятся шириной В=2,1м и поставляются длиной L=6; 12м. Панели допускают значительный упругий изгиб вдоль ребер жесткости: образцом панели толщиной 4мм можно обогнуть трехлитровую банку, после чего образец восстановит первоначальную форму. Панели сотового поликарбоната, для транспортировки, скручиваются руками в рулон, диаметром около 1м. Теплица из сотового поликарбоната обладает значительными преимуществами перед парниками из стекла. Светопропускание двухслойной панели - 80%. Причем преобладающая часть световых лучей проходит в рассеянном виде. Полная освещенность растений очень важна, поскольку ее отсутствие приводит к заболеваниям растений и к их увяданию. У панелей ячеистой конструкции рассеивание света значительно выше. Солнечные лучи "оседают" на верхнем и нижнем листах и на ребрах и "выходят" из панели в разных направлениях. Лучи, проходящие через панель под разными углами, попадают на стены и другие поверхности, отражаются от них и доходят до всех частей растений. "Жесткие" ультрафиолетовые лучи (диапазон менее 390 нм), которые являются наиболее разрушительными для растений, практически не проходят через панель.
Даже самые тонкие панели по теплоизоляционным свойствам значительно превосходят простое остекление. Панели легко гнутся, а один лист способен перекрыть сразу 24 кв.м. Гарантийный срок такого покрытия - не менее 10 лет. Поликарбонатные соединительные профили надежно закрепят листы на металлической или деревянной основе каркаса и придадут теплице законченный и очень красивый вид. Легкость этого материала позволяет применять в теплицах простейшие терморегуляторы для открывания форточек. Целесообразно использовать панели толщиной от 6 до 10 мм (для неотапливаемых теплиц). Листы сотового поликарбоната выдерживают значительные снеговые и ветровые нагрузки и сохраняют все механические и оптические свойства в диапазоне температур от - 60° до +80°С. Материал горит только в открытом пламени, не образует горящих капель и является самозатухающим. Кроме того, горение поликарбоната не сопровождается выделением ядовитых веществ.
Воздушная прослойка в панелях сотового поликарбоната - великолепный теплоизолятор. Панели толщиной 4 мм сопоставимы с однокамерным стеклопакетом 12 мм (термосопротивление R = 0,26, температура запотевания предположительно минус 5 - 7С, температура внутри + 6С, коэффициент потерь К = 3,9 вт/кв.м.). Для панелей толщиной 6 мм - соответственно 18 мм (R = 0,28, температура запотевания предположительно минус 7 - 10С, температура внутри + 8С, коэффициент потерь К = 3,6 вт/кв.м.). С утолщением панелей теплоизоляционные свойства существенно улучшаются. При этом конструкции из сотового поликарбоната не бьются, весят на порядок меньше конструкций из стекла, что дает возможность существенно упростить каркас и т.д. Высокие теплоизоляционные свойства, низкая теплопроводность (коэффициент теплоотдачи - 2,5 Вт/м2К, сопротивление пропусканию тепла выше, чем у обычного однослойного стекла, что позволяет снизить расходы энергии на обогрев и охлаждение примерно на 30 - 50%; благодарянизкой теплопроводности листы используются при остеклении зданий, теплиц, оранжерей).
Таблица 1 - Теплоизоляционные свойства поликарбоната
Теплоизоляция сотовых панелей почти в 3 раза лучше, чем у стекла. Например, теплопроводность панели сотового поликарбоната толщиной 8 мм сравнима с теплопроводностью окна с двойным остеклением, а толщиной 16мм - с тройным
Поликарбонатные панели пригодны к применению в диапазоне температур от -40 до +100 градусов. Данный диапазон температур поликарбонатные панели способны выдерживать в течение длительного времени. При кратковременном воздействии поликарбонат может выдержать и более низкие температуры.
Поликарбонат отличает высокая ударопрочность и поэтому теплице не страшны ни град, ни брошенный камень [5].Важно отметить, что теплопроводность сотового поликарбоната напрямую зависит от его толщины. Если сравнивать его со стеклом, то в пределах 3-6 миллиметров они примерно равны – отставание по показателям у поликарбоната минимальны. Учитывая разницу в весе и прочности – это очень хороший показатель. При увеличении толщины стекло понемногу начинает лидировать, это, безо всяких сомнений, его минус – лист толщиной в один-два сантиметра устанавливать на террасу, навес или гараж бессмысленно – требуется очень мощная рама и идеальные погодные условия круглый год. Теплопроводность поликарбоната – один из параметров, заставляющих считать его одним из лучших материалов для загородного строительства и для промышленного использования [6].
На рисунке 1 представлены отдельные фрагменты реализации проекта. Необходимо отметить, что для данной конструкции не страшны ветер, большое количество снега, так как она имеет обтекаемую форму. Зимой снег не задерживается на поверхности. В прошлом году данная теплица выдержала аномальный для г. Алматы снег толщиной около 1 метра.
Рис.1 - Разработанная по проекту гелиосушилка-теплица и установленная в учебно- производственном хозяйстве КазНАУ «Саймасай» Енбекшиказахского района Алматинской области (отдельные фрагменты).
Теплопроводность поликарбоната – один из параметров, заставляющих считать его одним из лучших материалов для теплицы и для промышленного использования.
Рис.2- Характеристики светопропускания: U.V.: ультрафиолет 136-400 нанометров V.: видимый свет 400-780 нанометров I.R.p.: инфракрасные 780-1400 нанометров I.R.m.: инфракрасные >1400-3000 нанометров I.R.I.: инфракрасные 3000-1000000 нанометров.
Кривая показывает общие параметры светопропускания для листа толщиной 6 мм. Различная степень светопропускания тонированных и белых панелей составляет в пределах 20 – 42%.
Светопропускание прозрачных двухслойных панелей достигает 86%. Жесткое ультрафиолетовое излучение (диапазон менее 390 нанометров), оказывающее вредное влияние на человека, растения и оборудование, практически не проходит сквозь панель. Пропускание полезных лучей - оптимально. Пропускание сотовым поликарбонатом лучей, расположенных в крайней части инфракрасной зоны спектра (более 5000нм) минимально, вследствие чего тепло, излучаемое объектами внутри ограждаемого помещения, остается внутри, создавая "тепличный эффект", что является дополнительным преимуществом при использовании этого материала в качестве остекления теплиц, оранжерей, зимних садов и т.д. Все виды панелей сотового поликарбоната благоприятно рассеивают свет, многократно отражая лучи проникающего света от всех поверхностей.
Выводы
Поликарбонат конструктивен сочетание высокой прочности панелей, способных выдерживать значительные снеговые и ветровые нагрузки и теплоизоляционных свойств. Срок службы поликарбоната напрямую зависит от области применения и внешних факторов. Теплоизоляция сотовых панелей почти в три раза лучше, чем у стекла. Сотовый поликарбонат невозможно разбить, и это, в совокупности с его пожаробезопасностью выгодно отличает этот материал от других видов прозрачных материалов.
Литература
- Программа развития агропромышленного комплекса в РК на 2010-2014годы Бизнес-план. Теплица по выращиванию овощей (помидоры, огурцы).
- Солнечная инсоляция- http://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/ д.п. 28.06.2014г.
- Лукьянченко С. Олимпийский инструмент // Наука и жизнь. - 2014. - № 1. -С. 20-25.
- Касымбаев Б.М., Атыханов А.К.,Караиванов Д.П.Состояние солнечного теплоснабжения теплиц в учебно-производственном хозяйстве КазНАУ. Материалы международной научно-практической конференции «УАЛИХАНОВСКИЕ ЧТЕНИЯ – 18» 25-26 апреля. Том 7. 38-41стр. Көкшетау, 2014г.
- Мазаев Л.Р. Метод расчета и проектирования солнечной теплицы для региона Сибири. Автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук, Барнаул,
- Атыханов А.Қ., Касымбаев Б.М., Юсупов Ж. Е. Көпсалалы гелиокептіргіш- жылыжайдың тиімділігі. «Ізденістер, нәтижелер» журналы. №4.2012 ж. 152-155 б.