Отопление на оранжерии

Съвременни отоплителни системи, концепции за повишаване на енергийната ефективност

Като част от сектора на хранително-вкусовата промишленост, който се радва на икономически подем през последните години, оранжериите налагат нов прочит на традиционно използваните решения за отоплението им. Спецификите в конструкцията и функционалното предназначение на оранжериите обясняват наличието на изисквания към отоплителните системи и управлението им, различни от характерните за битови или индустриални сгради. Въпреки традициите, които има България в хранително-вкусовата промишленост, икономическата стагнация през деветдесетте години на миналия век обяснява техническата амортизация на малкото стари, запазени оранжерии и отсъствието на ноу-хау при изграждането на нови. А технологиите на оранжерийното производство не са спрели развитието си през последните години в посока използването на съвременни технически съоръжения и системи, осигуряващи оптимален за отглежданите култури микроклимат.

Важна част от цялостната техническа база на съвременната оранжерия е отоплителната система. Изборът на най-ефективните - технически и ценово, както на топлинния енергоресурс, така и на топлоносителя е сред най-важните фактори една оранжерия за изпълнява успешно предназначението си. И то така, че във възможно най-кратък срок немалката инвестиция, необходима за изграждане на мащабно и съвременно оранжерийно производство, да се възвърне. В статията ще ви запознаем с възможни технически решения за отопление на оранжерии, поставяйки акцент върху съвременните средства и системи. Ще ви представим и основни подходи за повишаване на енергийната ефективност на една оранжерия.

Топлинни източници

Наред с традиционно използваните котелни инсталации, изграждани в непосредствена близост до оранжериите, заслужено внимание през последните години се обръща на термопомпите. Осигуряват отопление и охлаждане, пренасяйки топлинна енергия от и към земята. Най-общо действието им се основава на относително постоянната температура на земните пластове на определена дълбочина под повърхността.

Термопомпените инсталации са различни видове - отворено или затворено изпълнение, хоризонтални, вертикални и т.н. Изискват немалки първоначални инвестиции, необходими за предварително проучване на терена и климатичните особености на региона с цел избор на най-подходящия за спецификите на приложението вид термопомпа. Фактор, стимулиращ изграждането на термопомпена инсталация, е и възможността за освобождаване от данък сгради след съответното й обследване и сертифициране. Тенденцията към дългосрочно повишаване на цената на електроенергията и продуктите от преработката на нефта налага приоритетно внимание и върху останалите възобновяеми енергийни източници. Например геотермални води или отпадъчни продукти от дърбопреработвателната промишленост.

С развитието на централната газификационна мрежа през последните години стана възможно и изграждането на отоплителни инсталации, захранвани с природен газ. Икономически изгодно би било и оранжерията да оползотворява и отпадъчната топлина от други промишлени дейности, извършвани в близост до нея.

Лъчисто отопление

Пробива си път успешно в различни сектори от българската индустрия едва през последните години. Сред основните предимства на лъчистото отопление е равномерното разпределение на температурата на въздуха по височина в помещението. Помещенията, които се отопляват с лъчисти нагреватели, обикновено се отличават и с по-ниска степен на запрашеност поради по-малката подвижност на въздуха. В това се състои и една от основните разлики между лъчистото и конвективното отопление, свързано с непрекъснато движение на въздуха в помещенията.

Широкото използване на лъчистото отопление в промишлеността се дължи и на обстоятелството, че нагревателните повърхности обикновено се разполагат в непосредствена близост до тавана или по пода, което не затруднява реконструкцията и модернизацията на производствените помещения. Не на последно място е и фактът, че лъчистият принцип на отопление позволява да се реализира т.нар. зоново отопление, което е сериозен аргумент в битката за икономическа ефективност.

Сред разнообразието от видове лъчисто отопление в оранжериите преимуществено се използва отоплението с излъчващи ленти. Притежава всички предимства, характерни за лъчистото отопление. Както и недостатъците му, а именно - невъзможността за ефективното му прилагане в помещения, в които се намират голямогабаритни предмети, спиращи лъчистия топлообмен. Съществува и препоръка отоплението с излъчващи ленти да не се използва в ниски помещения и в приложения с висока температура на топлоносителя.

Основен елемент на излъчващите ленти са

панелните излъчватели

В зависимост от начина на подреждане на панелните излъчватели се формират ленти с различна широчина и дължина. В конструктивно отношение панелните излъчватели представляват сноп успоредни тръби, които са монтирани към стоманена рама така, че да се осигури минимално термично съпротивление между тях. В приложения, при които топлоносителят е пара или вода, се използват стоманени безшевни тръби. При работа на инсталацията с въздух или други горещи газове се използват тръби с по-голям диаметър. В този случаи тръбите обикновено са шевни. Разработени са и конструкции панелни излъчватели със спирално навити канали. За да се ограничи до минимум топлоотдаването, над панелния излъчвател се поставя топлоизолация.

Средната повърхностна температура на излъчващата повърхност на един панелен излъчвател е функционално свързана с експлоатационните условия и конструкцията му. Специфичният топлинен поток от единица излъчваща повърхност е силно зависим от температурите на околната повърхност. Според мнението на експерти, цветът на излъчващите ленти не оказва съществено влияние върху топлинните им характеристики. Обикновено, излъчващите ленти се боядисват с бои, които не съдържат органични свързващи вещества и метали.

Използват се във вид на

системи от излъчващи ленти

обикновено подредени успоредно на дългата страна на отопляваното помещение. Ако дължината на оранжерията е много голяма, е възможно монтирането на излъчващите ленти и успоредно на ширината й. Основни критерии за избор на височина на окачване на лентите са спецификите на дейността, която се извършва в съответното помещение, и изискванията към микроклимата, който трябва да се поддържа в оранжерията. Оразмеряването на една отоплителна инсталация с излъчващи ленти се прави с отчитането на обстоятелството, че монтажната равнина на лентите разделя помещението в две зони - горна и долна. Топлинният баланс в долната зона се изразява чрез уравнението:

aлиз. Ал(qл - qд.з.) + aг.зиз. А´г.з.(qг.з. - qд.з.) = aд.зк. Ад.з.(qд.з. - tп) + Lд.з.Ад.з. (qд.з. - tвн.),

където aлиз е коефициентът на топлопредаване чрез излъчване от долната страна на лентите; Ал e общата площ на лентите в m2; qл е повърхностната температура на лентата в градуса по Целзий; qд.з. - повърхностната температура на елементите от долната зона, а съответно qг.з. е повърхностната температура на елементи от горната зона; aг.зиз - коефициент на топлопредаване чрез излъчване между елементите от горната и долната зона; А´г.з. e фиктивната площ на строителните елементи от горната зона в m2. С Lд.з. е означена средната топлопроводност на стените от долната зона в W/m2К. Други параметри, включени във формулата - tп и tвн, са съответно температурата на въздуха в долната и горната зона.

Повърхностната температура на елементите от долната зона qд.з се пресмята от балансовото уравнение на въздуха в помещението. Изключва се конвекцията в горната зона, включително от лентите.

(cr)вз.Vвз.(tп - tвн) = aд.зк.Ад.з.(qд.з - tп).

Системата уравнения, чрез която се изчисляват повърхностната температура на лентата qл, повърхностната температура на елементите от долната зона

qд.з и температурата на въздуха в помещението, включва и т.нар.

уравнение на топлинния комфорт
при човека

което се изразява по следния начин:

tп+bл,k.d/s.jк,пк.qл+(1-d/s).jк,пк.qг.з.+(1-jк,пк).qд.з.=2tk.

В уравнението с d е означена широчината на лентата в m, с s - стъпката между отделните ленти в m, с

jк,пк - число на облъчване спрямо контролната точка К, която се намира в средата на помещението на височина 1 m и равнината, в която са монтирани лентите. С tk е означена температурата на усещане при човека, а с bлк - температурен фактор, характеризиращ лъчистия топлообмен между лентите и контролната точка.

Описаната система уравнение се пресмята на базата на предварително приет брой и разположение на лентите. Изчислява се необходимата топлинна мощност на подгревателя и пълната топлинна мощност на излъчващите панели.

Когато топлоносителят в системата с излъчващи ленти е вода, свързването на отделните панелни излъчватели се прави по начин, аналогичен на еднотръбните конвективни инсталации. Необходимият брой на последователно свързаните в система панелни излъчватели се определя от условието за осигуряване на турбулентен режим на течение в тръбите.

Когато се говори за съвременно отопление на оранжерии, не трябва да се пропускат и друг вид лъчисти системи -

инфрачервените високотемпературни нагреватели

Отоплителното тяло също представлява сноп от тръби с различен диаметър, покрити с топлоизолационен кожух. Дължината на тръбите варира в зависимост от габаритите и формата на отопляваното помещение. Обикновено монтажната височина е от 3.5 до 15 метра. Основната разлика със системите с излъчващи ленти е принципът на загряване на тръбите. Инфрачервените нагреватели излъчват топлина, генерирана в резултат на директно изгаряне на газ - най-често пропан-бутан или природен газ.

Съществуват и конструкции, работещи с дизелово гориво. За разлика от газовите инфрачервени излъчватели, при които се извършва открито безпламъчно изгаряне на горивото, при високотемпературните нагреватели процесът протича вътре в тръбите. Димните газове се изхвърлят извън отопляваното помещение. Счита се, че тръбните нагреватели са икономически и технически рационално решение за отопление на големи производствени помещения с различно предназначение. Коефициентът им на полезно действие достига 95%.

В зависимост от използваното схемно решение системите с високотемпературни тръбни нагреватели са два основни вида - рециркулационни и правотокови. При първите отоплителните тела образуват затворен контур, в който са включени горелката и вентилаторът. Наричат се рециркулационни, защото след като премине през системата образуваната в резултат на горенето газова смес с много висока температура, не я напуска. Обогатена с гориво, тя се възпламенява отново от горелката и така непрекъснато циркулира в системата. С цел ограничаване на налягането част от сместа непрекъснато се изхвърля в атмосферата.

При второто схемно решение - правотокова система с високотемпературни тръбни излъчватели, тръбите изпълняват ролята на горивна камера, а продължението й - на димогарна тръба. Отдалите топлинната си енергия газове се изхвърлят над покрива.

Традиционно за отоплението на оранжерии се използва

топловъздушно отопление

Специалисти в областта на отоплителната техника заявяват, че при коректно проектирана и изпълнена топловъздушна отоплителна инсталация е възможно постигане на висока равномерност на температурата в отоплявания обем. Подобни системи се отличават с ниска акумулационна способност, което се оценява като благоприятно за регулирането, но крие риск от измръзване на растенията в случай на авария на инсталацията.

Най-често топловъздушните системи за отопление на оранжерии се изпълняват с топловъздушни апарати, в топлообменника на които циркулира вода или пара. Възможните монтажни повърхности са стените и подпокривното пространство. Счита се, че температурното поле, което се постига при окачени по стените топловъздушни апарати, е в по-голяма степен равномерно в сравнение с монтажа им в подпокривното пространство. Практиката показва, че равномерността на температурното поле се увеличава при използването на перфорирани въздухоразпределители от изкуствени материали.

Топловъздушното отопление би могло да се реализира и с газови топловъздушни агрегати. Отоплението на оранжерията е резултат от топлообмена между газовете, отделени при изгарянето на гориво-въздушната смес и въздух. По този начин предварително загретият въздух се подава с висока скорост в оранжерията. Счита се, че подобна отоплителна система е подходяща за отглеждане на нискостеблени растения. Използването на газови топловъздушни агрегати, според уверенията на специалисти, трудно води до постигането на равномерност в температурата на въздуха.

Сред възможните отоплителни системи заслужено място намират все още най-широко разпространените

водни системи за отопление

Отоплителните тела във водните системи за отопление на оранжерии представляват хоризонтално монтирани гладки стоманени тръби с различен диаметър, от които се изработват лири. От своя страна, лирите се свързват към разпределителни мрежи. Основните причини, поради които в системите за отопление на оранжерии не се използват оребрени тръби, са лесното им замърсяване и обикновено високата влажност в помещението. Предпоставка за ефективна работа на водната отоплителна система е изборът на оптимален вариант за разполагане на лирите в оранжерията. В този аспект съществува голямо разнообразие от възможности за монтаж на тръбите - по ограждащите стени и колони, високо в подпокривното пространство, под почвата или в непосредствена близост до нея.

Всеки от вариантите се характеризира с предимства и недостатъци, характерни за конкретната култура, която се отглежда в оранжерията. Например, подпочвеното разположение на тръбите е добър вариант в приложения, при които е необходимо да се поддържа определена температура на корените на растенията. Логично, за изграждане на такива системи се използват корозионноустойчиви тръби. Монтажът на тръбите в близост до почвата се препоръчва в случаи, при които е необходимо постигането на сравнително изравнено температурно поле. В този случай тръбите се поставят на височина от 50 до 100 мм над почвата. Въздушните потоци минават между стеблата на растенията, което обяснява постигането на равномерна температура.

Счита се, че вариантът с монтирани в близост до почвата тръби е добър при отглеждането на определен вид растения за дълъг период от време. При смяна на културата предстои трудоемък демонтаж на тръбите. Разработени са и по-гъвкави конструкции, базирани на специални повдигателни съоръжения, позволяващи регулиране на височината на тръбите. Вариантът с високо монтирани тръби не е широко разпространен, тъй като се характеризира със значителна неравномерност в разпределението на температурата, заявяват специалисти. Когато се монтират по ограждащи стени и колони, лирите се разполагат ниско във вертикални редове.

Известно е, че инвестиционният интерес е функция и на

енергийната ефективност

на даденото производство. В случая с оранжериите енергийните разходи за отопление и вентилация формират съществен дял от общите производствени разходи. Следователно, оказват сериозно влияние върху цената на единица готова продукция. И тъй като всеки компромис с оптималния микроклимат в помещението води до понижаване на качеството, а оттам и на продажната цена, въпросът с енергийната ефективност има и ще продължи да добива все по-голяма важност. Възможните пътища за минимизиране на енергийните разходи са много и, по мнението на специалисти, внимателното обследване на цялата производствена дейност е инструментът, чрез който се получава необходимата информация за отделните енергийни потоци. На базата на резултатите от направено обследване се дефинират критични точки и съответстващите им мероприятия за повишаване на енергийната ефективност.

В конкретния случай с оранжериите подходът за ограничаване на енергийните разходи освен чисто технически би могъл да бъде и технологичен. Последният включва селекция на растенията, внедряване на нови технологии за отглеждане на културите. Значение оказва и конструкцията, местоположението и размерите на оранжерията.

Сред техническите мероприятия за повишаване на енергийната ефективност все по-важна роля играе

управлението на параметрите на микроклимата

в оранжерията. Реализира се чрез внедряване на подходяща като структура, изпълнение и възможности автоматизирана система, чрез която се мониторират, контролират и управляват основните параметри на микроклимата в оранжерията. Основните параметри, които подлежат на контрол, са температура и влажността на въздуха, но в зависимост от вида на отглежданите култури този списък би могъл много да се разшири.

Трябва да се отдаде нужното значение и на възможностите на съвременните системи напълно автоматично да поддържат различни технологични режими в рамките на едно денонощие, цяла седмица и т.н. Всичко е въпрос на конкретни изисквания и размер на инвестицията. Освен отоплителната инсталация, автоматизираната система би могла да управлява вентилационна и поливната система, например. Както локално - на място, така и дистанционно. На българския пазар предлагането и на техника и на инженерингови услуги в областта е на високо ниво.

Други технически мероприятия, които биха допринесли да повишаване на енергийната ефективност, са свързани с оптимизиране работата на самата отоплителна инсталация. Например, използването на

топлината на изходящите газове

от котелните инсталации би оказало положително влияние върху енергийния баланс. Сред възможните мерки е уплътняването на оранжерийната конструкция, което е свързано с ограничаване на топлинните загуби, но и води до повишаване на относителната влажност на въздуха и концентрацията на въглероден диоксид в помещението. Широко използвано средство за намаляване на топлинните загуби са термоекраните. Изработват се от светлинноустойчиво неабсорбиращо водните пари платно.

Термоекраните се монтират в близост до външните стени на оранжерията. Разстилат се - напълно автоматично според съвременните концепции, през нощта, а през деня се събират. Специалисти твърдят, че използването на термоекрани би могло да доведе до енергоспестяване до 25%. При необходимост термоекраните биха могли да се използват и във функцията на засенчващи устройства.

Сред решенията за намаляване на енергийните разходи е монтирането на акумулиращи подове, както и използването на многослойни покрития върху носещата конструкция на оранжерията. Използването на последните трябва да се прецизира внимателно предвид сериозните проблеми, до които би могло да доведе. Причините са намалената светлопропускливост, необходимостта от изпълнението на специални мерки за разтопяване на снега и др.

Конструкции оранжерии

Изборът на оптимална за конкретните условия на работа отоплителна система налага не само познаване на различните видове, но и отчитане на конструктивните специфики на оранжерията. В зависимост от вида на светлопроницаемото покритие оранжериите са стъклени, полиетиленови, полипропиленови, многопластови и др. Друг критерий за класификация на оранжериите е видът на покрива. На основата на този критерий се делят на единични и блокови. При проектирането на отоплителна инсталация за оранжерия би следвало да се отчете и наличието на вградени отваряеми крила на покрива и страничните стени за реализиране на естествена вентилация.