сотрудник с 01.01.2012 по 01.01.2025
Красноярск, Красноярский край, Россия
Описано поэтапное построение и применение экспериментально-аналитической модели теплотехнических характеристик контейнерной теплицы. Построена автоматическая система регистрации параметров микроклимата на основе Arduino. Выполнен анализ экспериментальных данных, полученных автоматизированной системой измерения и хранения информации о температурах и влажности воздуха в осенне-весенний период наблюдений. Разработана и апробирована математическая модель контейнерной теплицы, позволяющая определять теплотехнические характеристики объекта наблюдения в температурных условиях недоступных в месте проведения эксперимента. Исследование показало эффективность применения экспериментально-аналитической математической модели на этапе проектирования контейнерной теплицы для учета климатических особенностей места расположения и теплоизоляционных возможностей применяемых материалов.
контейнерная теплица, автоматизированное овощеводство, автоматическая система измерения и хранения информации, экспериментально-аналитическая модель, тепловые потери, количество теплоты
Введение
Контейнерные теплицы являются одним из перспективных направлений развития автоматизированного овощеводства в защищенном грунте, все чаще встречаются примеры производства овощной продукции в регионах ранее не пригодных для ведения тепличного овощеводства из-за холодного климата. Развитие овощеводства в таких регионах осложняется низкими отрицательными температурами, недостаточной естественной освещенностью и длинной дня, ограниченной транспортной доступностью. Сочетание этих факторов делает экономически не рентабельным выращивание овощей в «классических» светопрозрачных теплицах, в связи со сложностью их строительства и дальнейшей эксплуатацией в таких условиях. Отличительной особенностью контейнерных теплиц является возможная полная или частичная герметизация помещения для последующего автономного выращивания овощей или зелени в течении одного цикла от посева до сбора урожая. Такой тип теплиц может быть изготовлен производителем на базе стандартных утепленных контейнеров различного объема или в виде утепленной каркасной конструкции схожих размеров, и доставлен к месту эксплуатации доступным видом транспорта. Несмотря на преимущества предлагаемых конструкций существует проблемы: отсутствие данных длительной эксплуатации таких конструкции в северных регионах, а также математических моделей, описывающих изменение теплотехнических характеристик теплицы от колебаний внешних температур и выбранного микроклимат теплицы.
Актуальность данной работы заключается в том, что экспериментально-аналитическая модель теплотехнических свойств контейнерной теплицы является важной и необходимой при проектировании помещений такого типа для эксплуатации в регионах с экстремальными климатическими условиями.
Математическое моделирование изменения характеристик утепленных контейнеров и каркасных зданий схожих размеров осложняется невозможностью проведения замера необходимых параметров в месте эксплуатации, а также при построении модели необходимо учитывать возможное изменение места и условий эксплуатации, так как контейнерная теплица является мобильной конструкцией.
Цель данной работы разработать экспериментально-аналитическую модель для определения теплотехнических характеристик контейнерной теплицы, которая обеспечит требуемую точность получаемых данных в совокупности с приемлемыми трудозатратами и сокращением времени на определение применимости проектируемых контейнерных теплиц под определенные климатические условия места эксплуатации.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Получим экспериментальные данные, необходимые для создания математической модели, разработав контейнерную теплицу со стеллажной гидропонной установкой периодического подтопления. Теплица на данном этапе эксперимента снабжена автоматической системой приточно-вытяжной вентиляции. Контроль и управление системой обогрева и приточно-вытяжной вентиляции осуществляться с помощь программируемого контроллера температуры.
Запись изменения контролируемых параметров выполняет система автоматического измерения и хранения информации об изменении температуры. Измерения будут проводиться и записываться в файл автоматически через заданное время с помощь системы на основе Arduino. На данном этапе все измерения проводятся без установки технологического оборудования и системы освещения.
Полученные данные об изменении параметров проходят первичную обработку, участвуют в настройке математической модели и дальнейшем математическом расчете характеристик теплицы в предполагаемых, но недоступных в месте проведения эксперимента режимах. Обработка экспериментальных данных, расчеты и моделирование выполнены в программе Matlab.
Результаты
Экспериментально-аналитическая математическая модель описывает изменение: внешней и внутренней температуры воздуха, влажности воздуха, удельной теплоемкости воздуха в теплице, количества теплоты, необходимого для нагрева воздуха в теплице до необходимой температуры, тепловых потерь от разности температур в зависимости от размеров теплицы и теплотехнических характеристик применяемых материалов. Объектом исследования является контейнерная теплица с внешними размерами 2100×2650×2400 мм, площадью пола 5,5 м2 и полезным объёмом 12 м3, что соответствует стандартному контейнеру, рассчитанному на пять тонн, и упрощает дальнейшее применение полученных результатов. Каркас изготовлен из профильной трубы или доски толщиной 50 мм, внутренняя часть стен, пола и потолка утеплена отражающей изоляцией ВПЭ (вспененный полиэтилен) толщиной 5 мм, далее конструкция утеплена слоем пенополистерола ПСБ-15У толщиной 50 мм, слой паро-ветро изоляции и внешняя сторона теплицы выполнена из оцинкованного профнастила НС-10.40.
Предварительный расчет тепловых потерь контейнерной теплицы, по упрощенным методикам теплотехнических расчетов, составляют 51 Вт/м2 или 1600 Вт суммарных тепловых потерь при длительно установившейся температуре наружного воздуха -45 ºС и нормированной температуре воздуха в теплице 18 ºС [1 – 3].
Проверка теплотехнических характеристик будет проведена на основе данных, полученных от системы автоматического измерения и хранения информации об изменении температур и влажности. Измерения температур и влажности проводятся автоматически каждые 120 минут и записываться в файл в формате .txt с помощь системы Arduino (рис. 1). Измерения проводятся без установки технологического оборудования, необходимого для выращивания растений и системы освещения.
Рис. 1. Система автоматического измерения и хранения информации
Fig. 1. Automatic measurement and information storage system
Система автоматического измерения и хранения информации состоит из: 1 – платы Arduino Uno; 2 – датчика температуры и влажности в теплице DHT 11; 3 – датчика внешней температуры DS18B20; 4 – модуля часов DS3231; 5 – дисплея LCD1602; 6 – подтягивающего резистора для датчика DS18B20; 7 – модуля карты памяти MicroSD Card Adapter; 8 – зуммера.
Автоматическая запись измерений температур и влажности проводилась с 16.09.2025 г. по 22.02.2025 г., всего 1000 записей по каждому контролируемому параметру, дальнейшая запись не проводиться, так как среднесуточная температура воздуха и длинна дня увеличиваются и период максимально низких температур окончен [4]. Полученные данные обработаны в приложении Matlab и представлены в виде графических зависимостей температур (i – температура в теплице, ºС; o – внешняя температура, ºС;) (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость температур воздуха
Fig. 2. Dependence of air temperatures
Получена графическая зависимость температуры и влажности воздуха в теплице (i – температура в теплице, ºС; w – влажность воздуха, %;) (рис. 2).
Рис. 3. Зависимость температуры и влажности воздуха в теплице
Fig. 3. The dependence of temperature and humidity in the greenhouse
На протяжении всего эксперимента проводился контроль потребления электрической энергии системой автоматического обогрева теплицы (табл. 1).
Таблица 1
Table 1
Потребление электрической энергии на обогрев теплицы
Electric energy consumption for greenhouse heating
|
Дата снятия показаний прибора учета |
16.09.2024 |
02.10.2024 |
18.11.2024 |
22.02.2025 |
|
Показания кВт·ч |
7489,8 |
7500,0 |
7629,9 |
7899,9 |
|
Потребление, кВт·ч |
0 |
10,2 |
129,9 |
270,0 |
|
Среднее в сутки, кВт·ч |
- |
0,64 |
2,76 |
2,81 |
|
Время работы обогрева, час |
- |
8,16 |
103,92 |
216,00 |
|
Среднее в сутки, час |
- |
0,51 |
2,21 |
2,25 |
|
Среднее в сутки, мин |
- |
30,60 |
132,66 |
135,00 |
Анализируя данные о потреблении энергии на компенсацию тепловых потерь теплицы можно сделаны предварительные выводы о:
– среднесуточное потребление энергии в зависимости от среднесуточной температуры и длинны дня на протяжении эксперимента изменялась от 0,64 до 2,81 кВт·ч в сутки;
– снижение температуры окружающего воздуха увеличивало время работы электрического конвектора, мощностью 1250 Вт, а диапазон изменения времени работы составляет 0,51…2,25 часов или 30,6…135 мин в сутки;
– тепловые потери теплицы меняются от 0,86 до 3,77 Вт/м2 или 120 Вт суммарных тепловых потерь при температуре наружного воздуха -25 ºС и поддерживаемой внутренней температуре 18 ºС [5].
Натурный эксперимент подтвердил способность контейнерной теплицы эффективно сохранять тепловую энергии. Значительное отклонения тепловых потерь, рассчитанных по общепринятым методикам и определяемых по энергопотреблению системы компенсации тепловых потерь, объясняется аномально теплым периодом наблюдений, в течении которого температура редко и на непродолжительное время опускалась до -25 ºС при расчетной температуре в -45 ºС. Для определения тепловых потерь за пределами наблюдаемого диапазона необходимо разработать экспериментально-аналитическую математическую модель теплицы.
Разработана программа, рассчитывающая удельную теплоемкости воздуха в теплице (c), количество теплоты необходимое для нагрева воздуха в теплице до необходимой температуры (Qa), изменение тепловых потерь от разности температур (Qi) в зависимости от размеров теплицы (h, l, b), значений внешней и внутренней температуры воздуха (o, i), влажности воздуха, полученных в ходе эксперимента (w) и теплотехнических характеристик применяемых материалов (r) (рис. 4) [6, 7].
Рис. 4. Программа для определения параметров теплицы
Fig. 4. A program for determining greenhouse parameters
Результат работы программы отображается в рабочей области Matlab (рис. 5).
Построим графики изменения количества теплоты, необходимого для нагрева воздуха в теплице до необходимой температуры (Qa, Дж), и тепловых потерь теплицы (Qi, Вт) за весь период проведения эксперимента (рис. 6).
Полученный график показывает плавный рост и снижение экстремумов Qa и Qi в течении всего периода наблюдения, что объясняется снижением среднесуточной температуры воздуха в период с сентября по декабрь и повышение этого параметра с января по февраль, когда эксперимент был завершен. Эксперимент не дал информации как будут меняться Qa и Qi при длительном снижении температуры до -45 ºС, для получения необходимых данных проведем моделирование изменения параметров теплицы, уменьшив экспериментально полученные данные о изменении внешней температуры на 25 ºС. Для этого необходимо добавить дополнительные действия в код программы (рис. 7).
Рис. 5. Рабочая область с результатами работы программы
Fig. 5. A workspace with the results of the program
Рис. 6. Изменение количества теплоты, необходимого для нагрева воздуха, и тепловых потерь теплицы
Fig. 6. Changing the amount of heat needed to heat the air and heat losses of the greenhouse
Рис. 7. Программа для определения Qa и Qi при снижении температуры до -45 ºС
Fig. 7. A program for determining Qa and Qi when the temperature drops to -45 ºС
Данные полученные в результате работы программы обработаны в приложении Matlab и представлены в виде графических зависимостей температур (i – температура в теплице, ºС; o25 – внешняя температура при похолодании на 25 ºС) (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость температур воздуха при похолодании
Fig. 8. Dependence of air temperatures during cooling
Построим графики изменения количества теплоты, необходимое для нагрева воздуха в теплице до необходимой температуры (Qa25, Дж), и тепловых потерь теплицы (Qi25, Вт) при похолодании на 25 ºС без изменения нормированной температуры воздуха в теплице (рис. 9).
Рис. 9. Изменение необходимого количества теплоты и тепловых потерь теплицы при похолодании
Fig. 9. The change in the required amount of heat and heat losses of the greenhouse during cooling
Результаты работы программы, обрабатывающей данные, полученные при проведении эксперимента и при похолодании, отображаются в рабочей области Matlab (рис. 10).
Проведя анализ полученных результатов, можно сделать вывод об увеличении количества теплоты, необходимого для нагрева воздуха в теплице до необходимой температуры, и тепловых потерь теплицы при похолодании. Также наблюдается изменение тепловых потерь (u, Вт/м2) теплицы в ходе эксперимента и их повышение (u25, Вт/м2) при похолодании до -45 ºС. Значения тепловых потерь, полученные в ходе эксперимента и на основе данных от работы модели эмитирующей похолодание, не превышают возможности источника тепловой энергии выбранного ранее, что говорит о возможности применения контейнерной теплицы в регионах с экстремально низкими температурами [8 – 12]. На данном этапе модель не имеет возможности учитывать влияние направления и скорости ветра.
Рис. 10. Рабочая область с результатами расчетов в двух режимах
Fig. 10. A workspace with calculation results in two modes
Обсуждение/Заключение
Экспериментально-аналитическая модель для определения теплотехнических характеристик контейнерной теплицы на данном этапе позволяет определять зависимость тепловых потерь от изменения климатических условий в месте размещения объекта проектирования. Есть возможность определять, как изменение габаритных размеров контейнерной теплицы или метода утепления повлияет на затраты тепловой энергии для поддержания температуры, необходимой для выращивания растений. Можно прогнозировать изменение затрат энергии на выращивание при смене климатической зоны – это необходимо в связи с мобильностью рассматриваемой конструкции. Модель позволяет с высокой точностью определять затраты энергии на обогрев в течение одного периода выращивания растения с учетом теплового режима и времени роста. На основе этих данных рассчитывается себестоимость получаемой продукции на этапе проектирования теплицы и выбора места ее размещения.
Представленная экспериментально-аналитическая модель является результатом обработки экспериментальных данных, полученных в течение осенне-весеннего периода наблюдения в 2024…2025 годах, по результатам наблюдений 2025…2026 годов модель будет обновляться и усложняться, так как планируется анализировать работу теплицы в полнофункциональном режиме с учетом режимов работы всего спектра технологического оборудования и урожайности выращиваемых культур.
1. Стратегия наукоемкого ресурсосберегающего круглогодичного производства высококачественной растительной продукции / Г.Г. Панова, В.А. Драгавцев, Ю.И. Желтов и др. // Аграрная Россия. – 2009. – № 5. – С. 7-10.
2. Фитотехкомплексы в России: основы создания и перспективы использования для круглогодичного получения качественной растительной продукции в местах проживания и работы населения / Г.Г. Панова, И.Н. Черноусов, О.Р. Удалова и др. // Общество. Среда. Развитие. – 2015. – № 4. – С. 196-203.
3. Семенов А.Ф. Контейнерная вертикальная теплица для выращивания микрозелени // Материалы международной научно-практической конференции. – Красноярск. – 16-18 апреля 2024.
4. Книга Ю.А., Макеева Ю.Н. Прибор для мониторинга температуры и влажности воздуха на основе Arduino // Материалы Всероссийской научно-практической конференции для преподавателей и научных сотрудников. – Иркутск. – 2024.
5. Семенов А.Ф. Экспериментальное определение тепловых потерь вертикальной контейнерной теплицы // Материалы международной научно-практической конференции. – Красноярск. – 2025.
6. Семенов А.Ф. Моделирование энергосберегающих режимов выращивания овощей в теплице: Диссертация канд. тех. наук по специальности 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве. Красноярск.: КрасноярскийГАУ, 2011. – 167 с.
7. Черемных С.В. Методика расчета теплотехнических характеристик многослойной ограждающей конструкции // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Строительство. Электротехника и химические технологии. – 2022. – № 2. – С. 30-39.
8. Кондратьева Н.П., Владыкин И.Р., Логинов В.В., Большин Р.Г. Математическая модель температурного поля в теплице// Инновации в сельском хозяйстве. – 2015. – №5 (15). – С. 165-169.
9. Компьютерный анализ основных задач строительной теплотехники / Б.С. Матозимов, М.Д. Кутуев, А.К. Супибекова и др.// Наука и инновационные технологии. – Бишкек. – 2016.
10. Пенджиев А.М. Математическая модель теплотехнических расчетов микроклимата траншейной солнечной теплицы // Международный научный журнал альтернативная энергетика и экология. – 2010. – №8 (88). – С. 48-52.
11. Попов М.Ю. Нестационарная математическая модель теплового баланса автономной зимней теплицы // Вестник НГИЭИ. – 2025. – № 3. – С. 59-70.
12. Семенов В.Г., Крушель Е.Г. Математическая модель микроклимата теплицы \\ Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2009. – №6 (54). – С. 32-35.
