Введение

Актуальность проблемы. Наращивание объемов производства разнообразной сельскохозяйственной продукции, развитие агропромышленного комплекса, рациональное использование земли и воды, селекционная работа, выведение новых сортов сельскохозяйственных культур, научные основы повышения их урожайности, повсеместная организация тепличных хозяйств все это обеспечивается в стране продовольственного изобилия. Это является  стратегическим ориентиром и важнейшим приоритетом проводимой Президентом Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедовым политики продовольственной программы [1].

Продовольственной программой страны пре­дусматривается значительное увеличение производства продуктов ово­щеводства. Для нормального обеспечения овощами населения по рас­четам специалистов необходимо не менее 2 м площади на человека. Важную роль при решении Продовольственной программы играют разра­ботка и создание сооружений, обеспечивающих производство овощей при минимальных затратах.

В настоящее время выращива­ние овощных культур в тепличных хозяйствах, является энергоемким производством. Овощная продукция, выращенная в защищенном грунте, обходится дорого из-за высокой стоимости культивационных сооружений и отопительных систем, например, на производ­ство 1 кг овощей в теплицах затрачивается 10-13 кг у.т. и удельный вес расхода на отопление составляет от 40 до 60%, оплата рабочей силы обходится от 15 до 25%, амортизационные отчисления от 10 до 15% [2-9].

Поэтому при проектировании и районировании теплично-парникового хозяйства первостепенное внимание следует уделять выбору наиболее рациональных источников технического обогрева, обосновывая его технико- экономическими расчетами. Вопросы удешевления теплофикации и уменьшения капиталовложений в строительство котельных можно решить, комбинируя возобновляемые источники энергии (солнце, термальных вод) с промышленными тепловыми отходами.

В последние годы все чаще поднимается вопрос о программировании урожая. В задачу входят, разработка комплекса взаимосвязанных мер своевременного и высококачественного осуществления инновационных технологий, что позволит обеспечить достижение заранее рассчитанного уровня урожая высокого качества. К числу таких мер можно отнести:

1. создание путем мелиорации и агротехники таких условий среды, которые лучше бы соответствовали потребностям культивируемых растений;

2. оптимальное природно-климатическое районирование выбранных сортов в соответствии с агроклиматом и созданным микроклиматом;

3. использование сортов, наиболее соответствующих условиям окружающей среды в данном регионе.

Указанным мероприятиям должны предшествовать:

- агроклиматическая оценка потенциальных возможностей формирования урожая в отдельных регионах;

- выяснение энергоэффективности и научное обоснование необходимости перечисленных мероприятий;

- прогноз их эффективности (оценка прироста урожая по отдельным культурам).

 Целями и задачами исследования является, составить  математическую модель прогноза технико-экономической энергоэффективности для создания микроклимата солнечной теплицы траншейного типа. На основе решенной математической модели с использованием геоинформационной системы составить климатическую карту районирования и разработать номограмму оптимального микроклимата солнечной теплицы в Туркменистане.

 Для достижения этих целей  решались следующие задачи:

- исследованы природно-климатические условия с целью определения возможности круглогодично выращивания различных сельскохозяйственных культур  в климатической зоне Туркменистана;

- изучены агрометеорологические факторы, влияющие на микроклимат солнечной теплицы по регионам страны;

- составлена математическая модель теплотехнических параметров микроклимата солнечной теплицы траншейного типа с учетом климатических условий регионов Туркменистана и на их основе составлена районированная климатическая карта и построена номограмма для прогноза температурного режима солнечной теплицы траншейного типа для северного, восточного, центрального, юго-западного регионов страны;

- рассчитана технико-экономическая энергоэффективность использования традиционных источников топлива для обогрева теплиц зимой и охлаждения от перегрева теплицы летом  по регионам Туркменистана  и проведен их сравнительный анализ.

Научная новизна работы заключается в составленной математической модели теплотехнических параметров микроклимата солнечной теплицы траншейного типа с учетом агроклиматических факторов регионов Туркменистана и на их основе разработана и составлена климатическая карта районирования, построена номограмма для прогноза температурного режима теплицы траншейного типа для северного, восточного, центрального, юго-западного регионов страны.

Основные источники энергии защищенного грунта

Предмет исследования. Энергетической базой защищенного грунта могут служить лю­бые источники энергии (рис.1). До недавнего времени ими в ос­новном были природные органические топлива: уголь, нефть, газ. В настоящее время большое внимание уделяется возобновляемым источникам энергии (солнце, геотермальным источникам энергии). 

Рис. 1. Энергетические ресурсы защищенного грунта

Fig. 1. Power resources of the protected ground

Краткий обзор. Например, в Германии в конце 70-х годов: 73% суммарной площади теплиц обо­гревалось легким жидким топливом, 18% -тяжелым, 7% - твер­дым топливом и 2% - природным газом [2]. В Нидерландах топливный баланс иной и 80% защищенного грунта обогревалось природным газом [4].

Однако по мере истощения мировых запасов органического топ­лива, все большее внимание уде­ляется возможностям использования вторичных теплоэнергоресурсов (ВТЭР), т.е. тепла, которое является побочным продуктом различных технологических процессов. К таким процессам относится обжиг клинкера при производстве цемента, тушение кокса, охлаждение доменных печей, перегонка нефти, охлаждение конден­саторных установок тепловых и атомных электростанций и т.д.

Перспективными источниками ВТЭР являются тепловые отходы тепловых и атомных электростанций (ТЭС и АЭС). Дело в том, что коэффициент полезного действия современных турбоагрегатов не превышает 40%. Следовательно, 60% топлива, затрачиваемого на производство электроэнергии, полезно не используется. В работе [4] указывается, что суммарный сброс тепла всеми ТЭС в Советском Союзе составлял свыше 4,19*10⁹ ГДж/год. В 90-е годы тепловые отходы ТЭС и АЭС в Европейской части и СНГ составили 10¹⁰ ГДж/год, что эквивалентно сжиганию 0,4*10 т условного топ­лива в год. Тепловые отходы ТЭС в США оцениваются в 56,3*10⁶ т условного топлива: во Франции - 13,96*10⁶ т, в Англии - 5,12*10⁶ т, в Бельгии - 3,23*10⁶ т [5].

Следует отметить, что термический потенциал таких энерго­ресурсов, как правило, весьма низкий. Например, температура воды, сбрасываемой после охлаждения конденсаторных установок тепловых и атомных станций, равна (в среднем) зимой 12-15°С, летом 15-25 °С [3,6].

Другим мощным источником ВТЭР являются тепловые отходы газокомпрессорных станций. Продукты сгорания имеют темпера­туру около 250-300°С, что позволяет получать теплоноситель в виде горячей воды с температурой 90-130°С.

Большое внимание в настоящее время уделяется возможностям использования глубинного тепла Земли. СНГ обладает весьма большими запасами геотермальных вод (ГТВ). Наи­более перспективными районами, является Кавказ, южная часть Средней Азии, Западная Сибирь и Камчатка. Температура ГТВ определяется районом рас­положения источника (скважины) и варьирует от 35 до 90°С.

Накоплен положительный опыт по использованию ГТВ в защи­щенном грунте. В частности, на Камчатке на Паратунском место­рождении ГТВ (температура 80-90°С) построен тепличный ком­бинат [4]. В пригороде г. Махачкала (Тернаир) подземная вода с температурой 63°С используется для обогрева парников и теп­лиц. Теплично-парниковые хозяйства, обогреваемые термальной водой, построены в городах Циами и Охурей [2-5].

Аналогичные исследования проводятся и за рубежом. Во Фран­ции [2-5] для обогрева теплиц используется термальная вода с температурой 69°С, получаемая из скважины глубиной 1800 м. Дебит скважины 2000 м³/ч. В работе [4] указывается, что такой источник тепла позволяет обогреть 10 га зимних теплиц. В Венгрии в 1974 г. термальными водами обогревалось 50 га теплиц и 100 га теплофицированного грунта [5]. Запасы ГТВ в Чехословакии оцениваются в (3, 5... 4)*10⁶ кВт [2-5].

Другая возможность использования глубинного тепла Земли заключается в вентиляции глубоких шахт. Например, в работе [2-6] указывается, что в США имеется около 200 тыс. не эксплуа­тируемых шахт и других подземных выработок, температура воз­духа в которых равна 10-18°С. Эксперименты по обогреву теп­лиц от такого источника тепла дали положительные резуль­таты [2-9].

При использовании традиционных источников энергии происхо­дит интенсивное загрязнение окружающей среды. В меньшей сте­пени это явление наблюдается при утилизации ВТЭР и глубинного тепла Земли. Поэтому, наряду с изысканием и освоением новых месторождений природного топлива и интенсификацией использо­вания вторичных энергоресурсов и геотермальных вод, большой практический интерес представляют поиски и освоение так называемых «чистых» источников энергии, т.е. таких источников, ис­пользование которых не приводит к загрязнению окружающей среды.

К «чистым» источникам энергии можно отнести климатические ресурсы и, прежде всего, солнечную радиацию. Известно, что на поверхность Земли поступает около 7,5*10¹⁷ кВт ч солнечной энер­гии в год. Примерно половина ее расходуется на испарение, около 1% аккумулируется растениями. Таким образом, количество энер­гии, которое в принципе может быть полезно использовано, состав­ляет около 4*10¹⁷ кВт-ч в год. Наглядно оценить эту вели­чину в Туркменистане можно с помощью карты (рис.2). Энергетический потенциал ВИЭ огромен и  составляет: Солнца – 4*10¹⁵ кДж или 1,4*10⁹ у.т. в год; ветра – 640*10⁹ кВт ч в год;  геотермальных вод - 2,5 млн. у.т в год, кроме того еще достаточно энергия биомассы и малых рек.

Рис.2. Солнечный радиационный баланс ккал/см² год

Fig. 2. Solar radiation balance, kcal/сm² year

Применение солнечной энергии для обогрева защищенного грунта осуществляется двумя путями. Первый основан на особен­ностях светопрозрачного ограждения пропускать солнечную радиа­цию в культивационное сооружение и препятствовать выходу теп­ловой энергии наружу. Иными словами, культивационное сооруже­ние является ловушкой для солнечной энергии.

Основным недостатком этого способа является отсутствие возможности для накопления энергии. Поэтому второй путь исполь­зования солнечной энергии для обогрева защищенного грунта пре­дусматривает создание специальных конструкций, позволяющих не только улавливать, но и аккумулировать солнечную радиацию. Основные результаты исследований в этой области изложены в ра­ботах [3-8,12-14].

На тепловой режим защищенного грунта большое влияние ока­зывают такие климатические факторы, как температура воздуха и скорость ветра. Затраты энергии на обогрев культивационного сооружения находятся в прямой зависимости от этих факторов. Таким образом, формирование теплового режима в значительной степени определяется климатическими ресурсами.

Цель климатическое районирование защищенного грунта

Цель агроклиматического районирования, как известно, состоит в оценке благоприятности природно-климатических характеристик террито­рии для того или иного объекта сельскохозяйственного производ­ства. В данном случае речь идет о целесообразности размещения защищенного грунта в разных климатических районах Туркменистана.

К основным характеристикам климата, как уже указывалось, относятся температура и влажность воздуха, солнечная радиация и скорость ветра. Температура воздуха и скорость ветра опреде­ляют в холодное время года с учетом теплопотери культивационного соору­жения и затраты энергии на его обогрев. От интенсивности сол­нечной радиации зависит освещенность в культивационном соору­жении. Как известно, зимой, особенно в северных районах страны в Дашогузском велаяте (области), естественная освещенность является лимитирующим растениевод­ство фактором. В теплое время года температура воздуха и сол­нечная радиация являются причиной перегревов.

Соответствие климата технологическим и энерготехническим требованиям защищенного грунта можно количественно оценить с помощью микроклиматических критериев (освещенность солнеч­ной радиацией и температура воздуха в культивационном сооруже­нии), энергетических показателей (расходы энергии на обогрев, длительность отопительного периода) и конструктивных характе­ристиках (мощность отопительной системы, производительность вентиляционных устройств).

Климатическое районирование защищенного грунта изучали М.Т. Гликман и С.С. Клинникова, Н.И. Гаврилов, М.А. Миронов, Д.А. Куртнер, А.Ф. Чудновский [2-6] и др. В работах туркменских ученных [3,5-14] осуществлен анализ расходов тепловой энергии на отопление зимних теплиц в различных климатических зонах страны. В частности, из выпол­ненных расчетов для однослойных стеклянных солнечных теплиц получено, что расход тепла в долях единицы изменяется по территории Туркменистана в ши­роком диапазоне: в южном 35^о08^´ до северных 42^о 48^´.

Довольно четкая связь наблюдается между географическим положением пункта и продолжительностью отопительного периода, началом и концом отопи­тельного периода приняты моменты перехода средней суточной температуры воздуха весной и осенью через 15°С; за единицу принята разная продолжительность отопительного периода - от 120 до 151 дня. В южных районах продолжительность отопительного периода существенно короче и коэффициент  равен  0,61.

Методология. Разработка, создание и исследования энергетических параметров солнечной теплицы для выращивания сельскохозяйственных  культур.

Все большее практическое значение приобретает решение задач, направленных на теплофизическую достоверность расчетов, характеризующих процессы формирования энергетических режимов в сельскохозяйственных производственных зданиях, на улучшение теплозащитных качеств ограждающих конструкций и совершенствование систем отопления и вентиляции этих сооружений.

Учеными проделана большая научно-исследовательская работа по расчету и испытанию различных культивационных сооружений.

Во всех этих работах в той или иной форме разрабатывались математические модели, и рассчитывался тепловой режим наземных теплиц.

Но среди трудов нет ни одной разработки, которую можно было бы непосредственно использовать для расчета солнечной теплицы траншейного типа. Процесс теплообмена в наземных теплицах существенно отличается от теплообмена, происходящего в траншейной теплице, так как боковые стены траншеи с грунтовым массивом обладают большой инерционностью. Естественно, это будет влиять на формирование микроклимата: температурно-влажностного, радиационного и режима освещенности теплицы [6-12].

 С углублением траншеи появляется неоднородность освещения почвы и стен, что в свою очередь, усложняет задачу расчета. Для реализации разнообразных задач (проектирования, районирования, экономических расчетов и научных исследований), необходимо прогнозировать возможный уровень параметров микроклимата теплиц траншейного типа при различных наружных климатических условиях. Знание энергетических возможностей не отапливаемых культивационных сооружений позволит проводить их районирование на территориях Туркменистана, существенно отличающихся друг от друга природно-климатическими условиями. Но в отличие от наземных теплиц, в траншейных теплицах вводится понятие коэффициента траншейности, который определяет углубление теплицы в почву, отношением площади стен к площади почвы. Физическая модель тепловых процессов, происходящих в солнечной теплице траншейного типа, принятая расчетная схема теплотехнического баланса приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Одномерная расчетная модель теплотехнического баланса солнечной траншейной теплицы

Fig. 3. One-dimensional calculation model of the heating-performance balance of a solar trench-type greenhouse

Расчет теплового баланса солнечной теплицы траншейного типа выглядит как система уравнений теплового баланса. Для культивационного сооружения воздушного пространства для промежутка времени d c учетом обогрева можно записать в следующем виде:

где dQ_об - тепловыделение системы отопления;  dQ_р- поток тепла солнечной радиации, поступающей в культивационное сооружение;  dQ_в.т  - количество тепла, отдаваемое окружающей среде в результате  воздухообмена и теплопередачи через ограждения; dQ_ст  = dQ*_ст   + dQ⁰_ст  - поток тепла в стенку; dQ_п  = dQ_п^*  + dQ_п⁰  - поток тепла в почву,  dQ^*_{п (ст)} , dQ_{п (ст)}⁰ - поток тепла на освещенную и неосвещенную части стенки и почвы; dQ_а- поток тепла, аккумулируемый в воздухе за время d; dQ_р  - поток тепла на растительный покров (при условии, если теплица с растениями).

Теплового баланса поверхности почвы для освещенной и неосвещенной частей, при отсутствии растительного покрова, имеет вид, и записывается отдельно:

dQ^*_п  = dQ _п  - dQ^*л_п–dQ^*к_п – dQ^*л_п       (2);

dQ^о_п  =  dQ^рс_п + dQ^ол_п + dQ^ок_п + dQ^ои_п       (3);

где dQ_п- суммарный поток тепла приходящей солнечной радиации в почву; dQ^рс_п - поток тепла приходящей рассеянной радиации на неосвещенную часть почвы; dQ^и_п - поток тепла излучаемого почвой; dQ^и_п - затраты тепла на испарение; dQ^к_п - поток тепла, конвективный тепловой поток почвой на поверхностью почвой; dQ^кон_п- конденсированного  тот же промежуток времени d, здесь индексы; «п», «*», «о» - соответственно почвы, освещенной и неосвещенной поверхностей.                                                                                                                                            

Уравнение теплового баланса поверхности стенки записывается аналогичным образом, как уравнение теплового баланса для почвы, освещенной и неосвещенной ее части, имеет вид:

dQ^*_ст    = dQ_ст  - dQ^*л_ст–dQ^*к_ст–dQ^*и_ст             (4);

dQ^о_ст    = dQ^рс_ст  - dQ^ол_ст–dQ^ок_ст–dQ^окон_ст                (5);

dQ^*и_ст0  - не учитывали.

Уравнение теплового баланса ограждения можно записать в следующем виде:

dQ_огр    = dQ^л_в + dQ^к_в + dQ^кон_в  + dQ^р(с)_пог   - dQ^л_н–dQ^к_н – dQ^и_н      (6);

Ясно, что при кратковременных периодах осадков учитывать dQ^и_н нет смысла. Здесь dQ^р(с)_пог   - поток тепла солнечной радиации, поглощаемой стеклом. Индексы «н» и «в» - обозначают наружную и внутреннюю поверхности ограждения.

Подставляя найденное решение интегрального уравнения  в решение первой задачи (1), получим искомый результат формулы:

   (7).

Математическая моль определения температуры листа растений в солнечных теплицах. Температура листа взаимосвязана с воздушным пространством, гелиосооружением и внешней средой, в связи с этим в математическую модель введено уравнение теплового баланса листа в виде:

(8).

С учетом приведенного сложного балансового уравнении температуры листа (8) можно составив упрощенное балансовое уравнение:

 (9).

   Проделав ряд математические преобразований, получим формулу для определения температуры листа:

(10).

При экспериментальном исследовании температурного режима листа наблюдается следующая картина - на температуру растительного покрова, в основном, влияет солнечная радиация. В летний период теплица затенялась и там, где освещение было неравномерным, и лучи солнца не попадали на листья дынного дерева, там температура была выше или равнялась температуре воздуха, это видно на рисунке 4.

Рис. 4. Температурный режим листа и воздуха в теплице: 1 – температурный режим листа рассчитанный по формуле 8; 2 - температурный режим листа рассчитанный по формуле 10; 3 - температурный режим (эксперимент); 4 - температурный режим воздуха в теплице; 5 - температурный режим наружного воздуха; 6 – температурный режим плода дынного дерева.

Fig. 4. A temperature mode of a plant leaf and the air in a greenhouse: 1 - a temperature mode of the leaf calculated according to formula 8; 2 - a temperature mode of the leaf calculated according to formula 10; 3 - a temperature mode (experiment); 4 - a temperature mode of the air in the greenhouse; 5 - a temperature mode of the external air; 6 - a temperature mode of a fruit of a melon tree.

Обсуждение полученных результатов. На основании решений и сравнения уравнений сложной и упрошенной математической модели теплотехнических параметров использовались методы прикладной математической статистики. С помощью регрессивного анализа осуществлялось построение зависимости между факторами экспериментального материала по температурному режиму в теплице, наружного воздуха и других параметров.  Анализ данных, показал, что полученные результаты расчета по формуле (8) и (10) адекватно воспроизводят результаты эксперимента, причем наиболее точный расчет дает формула (8) с ошибкой аппроксимации 12,35%, а по формуле (10) ошибка составляет 23,11 %.

На основе научно-обоснованных  теоретических и практических расчетов и полученных результатов математической модели с учетом геоинформационных систем разработана и составлена климатическая карта районирования, номограмма для определения средней температуры воздуха в теплице траншейного типа в зависимости от количества солнечной радиации, для конкретного случая. Суммарная солнечная радиация зафиксирована в пределах от 0 - 30 000 Вт/ м² мес., при коэффициенте ограждения F₁ /F₂  = 1,1, скорость ветра меняется в зависимости от времени года и естественно конвективный теплообмен по регионам Туркменистана [5-7].

Результаты составленной номограммы по регионам Туркменистана приведены на рис.5 (а,б,в,г). 

Рис. 5. Номограмма для определения температур воздуха в теплице в зависимости от количества солнечной радиации в областях Туркменистана: а- Ахалской области; б- Балканской области; с- Дашогузской области; д- Лебапской области

Fig. 5. A nomogram for measuring temperatures of the air in a greenhouse depending on the quantity of solar radiation in the areas of Turkmenistan: a - Akhal area; b - Balkan area; с - Dashoguz area; d - Lebap area

На основании научно-обоснованных результатов, экспериментальных исследований и полученных данных с использованием элементов геоинфармацинных систем (ГИС) составлена карта районирования средней изотермы наружного воздуха гелиотеплицы траншейного типа в июле (отмечены черными цветом), в январе (красным) месяце по регионам Туркменистана (рис.6, 7).

Рис.6. Карта средней изотермы наружного воздуха и гелиотеплицы траншейного типа (черным)  в июле по регионам Туркменистана

Fig. 6. A map of an average isotherm of the external air and a solar trench-type greenhouse (black) in July in the regions of Turkmenistan

Рис.7. Карта средней изотермы наружного воздуха и гелиотеплицы траншейного типа (красным)  в январе по регионам Туркменистана

Fig. 7. A map of an average isotherm of the external air and a solar trench-type greenhouse (red) in January in the regions of Turkmenistan

Заключение

На основе научных исследований проанализирована имеющаяся географическая информация различных альтернативных вариантов для проведения оценки и вариантов проектирования солнечных теплиц, в той или иной области для дополнительного подбора обогрева зимой, охлаждения от перегрева летом с целью обеспечения энергоэффективности и устойчивого развития регионов Туркменистана. Исходя из полученных результатов пришли к выводу:

1. Природно-климатические условия Туркменистана и возможности выращивания различных сельскохозяйственных культур в условиях защищенного  грунта, являюся энергоемким хозяйством. Решение вопроса удешевления теплофикации и уменьшения капиталовложений в строительство можно решить, с использованием возобновляемых источников энергии: первичных (солнечную энергию, комбинируя теплоту грунта и геотермальных вод) и вторичных (тепловые отходы промышленных предприятий), а также различных конструкций теплиц.

2. Разработанные математические модели теплотехнических расчетов теплицы траншейного типа для определения температуры листьев и воздуха адекватно воспроизводят результаты эксперимента и теории, и дают точность решения в пределах 15 - 23 %.

На основе математических моделей и разработанной геоинформационной системы карты районирования, составленной номограммы по регионам страны для прогноза температуры воздуха в теплице, в зависимости от солнечной радиации по месяцам года. Номограммы найдут свое применение при проектировании и составлении технико-экономического обоснования теплиц; ввода в эксплуатацию сооружений, мощностей обогревателя, необходимых затрат на тепловой обогрев, охлаждение и так далее. С помощью ГИС карты и номограммы можно  решить энергетические, экономические, экологические, социальные вопросы для реализации государственной продовольственной программы  Туркменистана и энергосбережения.

3. Приведенные методы расчета, предложенные средства экономии энергии дают возможность составить график распределения тепловой энергии по месяцам года, определить стоимость, необходимую для поддержания оптимальной температуры воздуха в гелиотеплице при различных видах топлива в течение года.

4. Технико-экономические показатели, приведенные в работе, подтверждают возможность энергоэффективности, а также несомненную перспективность и экономическую рентабельность выращивания различных культур в Туркменистане и в условиях защищенного грунта с использованием возобновляемых источников энергии и промышленных тепловых отходов.