Расчет теплоаккумулятора для теплицы

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Ну так а толку, если грунт без воды и плёнки вообще - даёт результаты лучше? Ну а если просто плёнку прозрачную положить на грунт? Она ведь видимый спектр пропускает, а переизлучённые лучи более длинной длины волны (инфракрасные) - задерживает (парниковый эффект).
Боюсь, модель в этом случае при расчёте не учтёт образующийся конденсат под плёнкой, который, накапливаясь, создаёт дополнительную преграду для ИК-лучей.

 

Смотря какую задачу ставить. Если только побыстрее прогреть грунт, то лучше только пленку постелить. А если важнее выравнить суточные колебания температуры воздуха и влажности, то всю грядку сплошь закладываем прозрачными бутылками с водой лежа. Между бутылками и почвой не должно быть воздушных зазоров, поэтому утапливаем бутылки до середины. При этом температура почвы упадет незначительно. А почву можно дополнительно подогревать, закопав трубу на 10 см, и продувать днем теплым воздухом.

Со стеклом и СПК проще считать - у них степень черноты 0.95, можно округлить до 1 и считать, что они пропускают только солнечное излучение, а длинноволновое полностью задерживают. По степени черноты пленки информации мало, одни пишут 0.36, другие 0.5. Кроме того, непонятно какой следует считать температуру окружающей среды для теплообмена излучением. Со стеклом и СПК почва обменивается излучением только с остеклением, температуру которого можно принять средней между температурой почвы и наружного воздуха. С пленкой часть излучения уходит напрямую в космос, поэтому приходится учитывать радиационное охлаждение:
Понижение температуры земной поверхности при отрицательном радиационном балансе, т. е. под влиянием эффективного излучения при недостаточном притоке солнечной радиации или при отсутствии его (ночью). Р. О. является причиной образования радиационных туманов и заморозков.
В районах с сухим жарким климатом большое количество теплоты излучается в ночное время в открытый космос. Температура космического пространства близка к абсолютному нулю, однако атмосфера Земли влияет таким образом, что эффективная температура излучения ночного небосвода мало отличается от температуры наружного воздуха. В условиях прозрачной атмосферы эта температура ниже температуры воздуха на 8 - 14 °С в жарком влажном климате и на 14 - 20 °С в жарком сухом климате. Плотность потока излучения абсолютно черного тела при температуре небосвода - 11°С составляет 63 Вт/м2, а для материалов с высокой излучательной способностью при низких температурах, соответствующих длинам волн 8 - 12 мкм, плотность потока излучения может составлять 50 Вт/м2 и температура излучающей поверхности может понижаться на 20 - 40 °С. При ясном небе и прозрачной атмосфере вода в мелких открытых резервуарах в горах ночью замерзает.
Как побыстрее прогреть почву весной.
Нарисовал почву 10 см с начальной температурой 0 град., снизу и с боков идеальный теплоизолятор. Сверху покрытие с воздушным зазором в 10 мм. Снаружи +25, ветра нет, среднее апрельское солнце. Средняя температура почвы через 6 час.:
черная пленка +13.2
прозрачная пленка +20.2
стекло и СПК +23.

На первой картинке стекло, и видно, что горячая зона внутри пирога - работает как ловушка тепла. Черная пленка больше греет наружный воздух.

 

Я просто не очень понял сообщение в посте #15 - что за чёрная плёнка снизу? Имеется в виду просто цвет самого грунта?
Что касается материала, из которого сделаны пластиковые бутылки, то это полиэтилентерефталат (он же майлар, он же ПЭТ, он же полиэстер, он же лавсан). Его с успехом используют и в сельском хозяйстве из-за его высоких светопрозрачных свойств - пропускает до 90% излучения ФАР.

Это устаревшие плёнки, сейчас всё больше применяют сополимерные этиленвинилацетатные, которые задерживают до 60-65% теплового излучения и пропускают до 92% излучения ФАР.

 

Да, чем чернее, тем лучше - чтобы солнечные лучи не отражались обратно.

Безопасные пластики - это полиэтилен и полипропилен, а что происходит с ПЭТ при нагревании?

 

Источник?
Дело в том, что из бутылок, сделанных из ПЭТ, мы пьём, а бутылки в качестве ТА в теплицах применяются давно.

 

Продолжаем мучать 1-литровую пластиковую бутылку с водой. Начальная температура +15. Далее 6 часов греем на солнце при +25, затем 6 часов ночь +15. Вычисляем дельту, как разницу между максимальной дневной температурой и минимальной ночной.
Прозрачная бутылка: 24.5 - 15.5 = 9 град. Реальная пластиковая бутылка не совсем прозрачна, и максимальная температура будет повыше.
Покрасим бутылку черной краской: 32.8 - 16 = 16.8

Черная бутылка с алюминиевой фольгой на северной половине боковой поверхности 34.3 - 17.6 = 16.7 град. Стала лучше нагреваться, но хуже остывать.
Покрасим черной краской только заднюю боковую поверхность 32.5 - 15.8 = 16.7
Добавим фольгу сзади 34.3 - 17 = 17.3
Добавление сзади утеплителя повышает и максимальную и минимальную температуру, а дельта не увеличивается. Лежа бутылка нагревается на пол-градуса больше.
Итак, для увеличения эффективности пластиковой бутылки как ТА, проще всего покрасить ее черной краской или зачернить воду.

 

Посчитаем расходы за сезон для поддержания температуры не ниже 15 гр., если использовать электрообогреватель. Для теплицы 3 * 6 м его мощность д. б. 2350 Вт. Здесь можно скачать архив погоды для любого региона за любой период времени. Этот период времени должен начинаться весной и заканчиваться осенью при переходе средненочной температуры через ноль. Я выбрал с 15 апреля до 30 сентября. Скачиваем с сайта файл Excel, открываем, выделяем столбец B, копируем. Открываем файл Энергозатраты. xlsx, выделяем столбец B, вставляем. Программа отсекает температуры выше 15 гр. Можно изменить площадь остекления, коэф. теплопередачи остекления и тариф. У меня получилось 1500 кВт*час за сезон или 4 000 руб. Допустим срок службы ТА 10 лет, тогда его имеет смысл строить при цене менее 40 000 руб.

 

Тему прочел на одном дыхании!
5+
Зачет!
Респект!

Не будет ли любезен многоуважаемый топик стартер заглянуть в тему
https://www.forumhouse.ru/threads/426428/#post-20283276
(уж очень нужна подсказка)
Заранее благодарю!

 

@YUNIS, Все очень интересно. Теперь я не один. Надо готовиться к соединению Ваших расчетов по аккумулятору в теплице с моими.
Программу в которой ведется моделирование расчетов не подскажете?

 

Грунтовой ТА
Достоверность расчетов зависит от исходных данных, в данном случае от плотности, теплоемкости и теплопроводности грунта. В справочниках большой разброс этих параметров, зависящих от состава и влажности. Я накопал на огороде ведро глинистой земли средней влажности с температурой 1.8 гр., слегка утрамбовал. Плотность получилась ρ = 1400 кг/м3. Занес в дом, где газовый котел поддерживает постоянную температуру. Через 11 час. земля нагрелась до 19.2 гр. В программе смоделировал это ведро с землей, и подобрал теплоемкость и теплопроводность так, чтобы график температуры за 11 час. совпал с реальным. Получилось теплоемкость c = 1600 Дж/кг/град = 0.444 Вт*час/кг/град, теплопроводность 0.8 Вт/м/град. Эти параметры и будем использовать для дальнейших расчетов.
По сравнению с емкостями с водой, где за день бочка нагревалась до 29.5, а бутылка до 35 град., в грунтовом ТА можем рассчитывать на температуру воздуха лишь 25 град. Эта температура является оптимальной для томатов, и ее превышение уже нештатная ситуация. Кроме того, теплоемкость грунта существенно ниже, чем у воды (в 2.6 раза). Из плюсов: плотность грунта выше и есть возможность регулировать мощность грунтового ТА, включая и выключая вентиляторы. Также, утром можно отказаться от зарядки ТА, чтобы теплица быстрее прогрелась, чего не сделаешь с бочками. А главное - не занимает драгоценную площадь в теплице, не затеняет растения, не добавляет тепла в жаркие дни.
Итак, днем будем продувать ТА теплым воздухом +25 в течение 6 час., а ночью +15 также 6 час. Т. к. ТА суточный, он должен полностью заряжаться за 6 час. и разряжаться за 6 час. Ждать пока ТА нагреется до +25 или остынет до +15 придется слишком долго, поэтому ограничем диапазон температур для грунта до +16. .. +24. Зная теплопотери теплицы за ночь (14100 кВт*час) и дельту температур (24 - 16 = 8 град.), можем рассчитать массу и объем грунта в ТА:
m = Q/ΔT/c = 14100/8/0/444 = 3970 кг
V = m/ρ = 3970/1400 = 2.836 куб. м.
Добавив к этому объему объем труб, получим общий объем ТА.
От объема труб зависит площадь грунтового теплообменника, которая определяет мощность ТА. Необходимую мощность ТА мы рассчитали в первом сообщении P = 2350 Вт. Площадь теплообменника равна площади внутренней боковой поверхности труб, и рассчитывается по формуле S = P*R/ΔT, где R - сопротивление теплопередаче [кв.м.*град./Вт] от воздуха к грунту. R и ΔT нам неизвестны, т. к. зависят от скорости продувки, изменяются как по длине трубы, так и по времени. Поэтому мы пойдем другим путем, а именно методом тыка.
Вырежем из ТА кусок земли с одной трубой длиной 6 м. Задача - определить размеры поперечного сечиня куска земли, который будет нагреваться за 6 час. с 16 до 24 град. Если нагрев произойдет раньше 6 час., объем земли недостаточен, и ТА не получит всю доступную солнечную энергию, а если позже - земли слишком много и будет недозаряд аккумулятора.
Результаты для трубы 110 мм:
Сечение земли, мм / Время нагрева с 16 до 24 град., час.
170*170 / 7.5
160*160 / 6.5
150*150 / 5.5
Для трубы 50 мм:
150*150 / 22
90*90 / 6.5
80*80 / 5
Выбираем 160*160 мм (масса грунта m = 142 кг) для трубы 110 мм, и 90*90 мм (масса грунта m = 53.8 кг) для трубы 50 мм.
Зная, что грунт вокруг трубы остывает на 8 град., можем посчитать, сколько энергии он отдаст в теплицу: Q1 = c * m * ΔT = 0.444 * 142 * 8 = 504.5 Вт*час для трубы 110 мм, и 191.2 Вт*час для трубы 50 мм. Делим энергоемкость ТА (14100 Вт*час) на энергоемкость одной трубы, получаем необходимое кол-во труб:
Диаметр 110 мм длиной 6 м 28 шт., всего 168 м или 19 152 руб.
Диаметр 50 мм длиной 6 м 74 шт., всего 444 м или 18 870 руб. по ценам в Леруа.
Общий объем ТА 4.3 м3 и 3.6 м3 соответственно. Если трубы распологать по всей площади теплицы, то в 1 слое уместятся 18 толстых или 33 тонких трубы.
В теме Современная теплица расчет был более оптимистичен, благодаря более теплому воздуху (30 град. вместо 25) и грунту с лучшими параметрами плотность 1600, теплоемкость 2000 и теплопроводность 1.75.

 

Сравнение теплозащитных свойств пленки, стекла и сотового поликарбоната.
Теплозащита определяется сопротивлением теплопередаче (R) ограждения, чем больше R, тем теплее.
Сопротивление теплопередаче равно сумме:
1. Сопротивление тепловосприятию (сопротивление при переходе тепла от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения) Rв = 0.115 м2*град/Вт
2. Термическое сопротивление ограждения Rо = d/λ, где d - толщина ограждения, м, λ - коэф. теплопроводности, Вт/м/град. Для пленки 150 микрон Rо = 0.00015/0.3 = 0.0005 м2*град/Вт, для стекла 4 мм Rо = 0.004/0.76 = 0.0053 м2*град/Вт.
3. Сопротивление теплоотдаче (сопротивление при переходе тепла от наружной поверхности к наружному воздуху) Rн = 0.043 м2*град/Вт.
1 место. СПК 4 мм Rо = 0.25 - 0.3 у разных производителей. При моделировании получается 0.28
2 место. Стекло Rо = 0.1633
3 место. Пленка Rо = 0.1585
А два слоя стекла (0.3266) или пленки (0.317) с воздушным зазором лучше СПК 4 мм.
Однако, пленка, в отличие от СПК и стекла, пропускает около 50% длинноволнового теплового излучения Поэтому ночью, особенно в ясную погоду, под ней будет холодней.

 

Для сополимерной этиленвинилацетатной плёнки ("Светлица") нет данных? Собираюсь к весне сделать теплицу в теплице - внутренний каркас, на который просто накидывается плёнка, а в тёплый период снимается и растения получают максимум света - у этой плёнки прозрачность - 93%. К тому же она служит до 10 лет, не трескается и не рвётся, лучше сохраняет тепло, чем плёнка ПВХ, в т. ч. ИК-лучи. Т. е, я получаю как бы демисезонную теплицу, которая может раздеваться и одеваться одним движением руки, кабы знать ещё насколько эффективна 2-х слойная - так вообще гут.

 

Пропускает 40% теплового излучения, тоже не мало.

 

Грунтовой ТА
Теперь самое интересное - выбор вентилятора.
Вследствие трения воздуха о стенки трубы давление по длине трубы падает. При низких скоростях воздуха падение давления пропорционально скорости - ламинарное течение. При высоких пропорционально квадрату скорости - турбулентное течение. Узнать тип течения и падение давления в конкретной трубе можно в калькуляторе. Вводим:
Расход жидкости 3390 л/мин, что соответствует скорости 6.5 м/с в трубе 110 мм
Коэффициент кинематической вязкости 0,0000149 м2/с
Диаметр трубопровода 0.1052 м (внутренний диаметр трубы 110 мм)
Длина трубопровода 6 м
Плотность жидкости 1.205 кг/м3
Тип трубопровода - оцинкованные стальные
Результат: потеря давления 35.5 Па. Такой же результат был получен при расчете по формуле и при моделировании конкретной трубы на компьютере.
Умножаем на кол-во труб в ТА (28шт.), получается 994 Па. Общий объемный расход 28 * 203.4 = 5695 м3/час. Я нашел подходящий вентилятор, который обеспечит требуемую скорость продувки - Вентс ВКП 4Д с ценой 139 961 руб. и потребляемой мощностью 4 кВт.
С трубами 50 мм результат еще более чудовищный: 7 326 Па, 2930 м3/час. У Вентса таких вентиляторов нет.
Снижение скорости продувки до 3 м/с привело к недозаряду аккумулятора. Пришлось распологать трубы чаще. Оказалось, что приемлемая толщина слоя земли всего 10 мм, а кол-во труб 110 мм составило 66 шт, что по ценам Леруа 45 144 руб, что превышает бюджет в 40 т. р. Требования к вентилятору не сильно снизились: 558 Па и 6 195 м3/час.
Вывод: грунтовой ТА, поддерживающий +15 в теплице из СПК 4мм 3 * 6 м при нуле за бортом полный абсурд.

 

По идее грунтовой ТА это буфер, ёмкость. Который "сглаживает" броски температуры и рассматривать его как единственный отопитель не стоит. Площадь излучения очень мала при таких низких температурах. Получается инерция поглощения-отдачи тепла очень большая по времени. Увеличивая скорость и мощность вентиляторов мы забываем для чего нужен грунт в теплице. Мы должны обеспечить нужную температуру для корней растений. Всё.