Электрический обогрев сооружений защищенного грунта. Электрообогрев почвы и воздуха.

1. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

1.1.              Электрический обогрев сооружений защищенного грунта

К сооружениям защищенного грунта, т. е. к культивационным помещениям, относят теплицы, парники и малогабаритные укрытия. В зависимости от конструктивных особенностей, теплицы бывают зимние и весенние. Основным требованием к сооружениям защищенного грунта является микроклимат - температура воздуха и почвы, а также влажность того и другого. Рекомендуемая температура воздуха при выращивании рассады для открытого грунта для отдельных видов растений в зависимости от их возраста представлена в табл. 1.1.

Температура почвы имеет не менее важное значение, чем температура воздуха. Установлено, что перепад между температурами почвы и воздуха должен находиться в пределах от 3 до 5 °С, причем в дневное время суток температура воздуха должна быть больше, чем температура почвы, а ночью наоборот.

Электрический обогрев зимне-весенних сооружений применяют ограниченно из-за больших потерь тепла через каркас и существенных затрат на электроэнергию. Как правило, электрообогрев применяют в качестве аварийного обогрева при отключении теплосети или чрезвычайном снижении наружной температуры. На практике чаще применяют комбинированный обогрев весенних теплиц от котельных и электротермических устройств, которые позволяют относительно просто и точно поддерживать необходимую температуру как воздуха, так и почвы, обеспечивая при этом минимальные энергетические затраты.

1.2.              Электрообогрев почвы и воздуха

В сооружениях защищенного грунта применяют как прямой, так и косвенный нагрев. Для нагрева воздуха используют только косвенный нагрев: это чаще всего электрокалориферы или электротепловентиляторы разных модификаций. Для обогрева почвы применяют как прямой (за счет электрического сопротивления), так и косвенный индукционный нагрев. Для прямого и для косвенного нагрева используют стальную неизолированную оцинкованную проволоку диаметром 2-6 мм, нагревательные провода ПОСП, ПОСХВ, ПОСХВТ, ПНВСВ, а также специальные кабели [2].

При нагреве почвы при помощи стальной изолированной проволоки ее размещают в асбоцементных или керамических трубах диаметром 100-150 мм, которые укладывают в песке под слоем почвы (рис. 1.1).

При обогреве воздуха такие нагреватели монтируют вдоль парубней на крюках. Нагреватели нескольких парников, с целью подключения их к питающей сети напряжением 220-380 В, соединяют последовательно, исходя из расчета удельной мощности 80-100 Вт/м.

Иногда используют для нагрева и трубчатые электрические нагреватели (тэны), но их применение ограничено малым сроком службы (2-3 сезона) и дополнительной потерей полезной площади (до 20 %).

Нагревательные элементы из стальной изолированной проволоки могут выполняться и без труб. При таком способе берут проволоку диаметром 4-7 мм, укладывают параллельными нитями вдоль конструкции в слое песка толщиной 100-150 мм, находящегося под слоем почвы. Прослойка песка обеспечивает равномерный нагрев и хорошую теплоотдачу. Удельную мощность нагревательных элементов берут из расчета 15-25 Вт/м при питающем напряжении от 12 до 60 В. Температура проволоки при этом не должна превышать 40 °С, чтобы исключить перегрев или высушивание почвы. Данный способ отличается простотой конструкции, высокой надежностью, долговечностью и равномерным нагревом почвы.

Рис. 1.1. Устройство электропарника с почвенным обогревом трубчатыми нагревательными элементами по типовому проекту № 810-28: 1 - болт стяжной; 2 - парубни; 3 - фундаментная тумбочка; 4 - трубы почвенного обогрева; 5 - крышка; 6 - монтажный приямок; 7 - коробка У-79

Рис. 1.2. Теплица индивидуального пользования с обогревом почвы и воздуха при помощи калориферов: 1 — асбоцементные трубы; 2 — деревянный каркас; 3 — опорные фундаментные столбики; 4 — цоколь; 5 — дверь; 6 — отопительная печь; 7 — жилое помещение; 8 — вентилятор; 9 — бортик

Применение нагревательных проводов и кабелей предусматривает аналогичные требования к монтажу и эксплуатации. Расстояние между проводами рассчитывают таким образом, чтобы неравномерность температуры поверхности почвы не превышала 3—5 °С. Для защиты уложенного провода от повреждений его заливают цементно-песочной смесью (1:10) слоем толщиной 4—5 см. Кроме этого возможно применение и другого варианта: над уложенным проводом на расстоянии 50 мм укладывают металлическую сетку с ячейками 50x50 мм. Сетку присоединяют к нулевому проводу, а проволоку — к фазе. Питание можно осуществлять на напряжение как 220, так и 380 В.

Применение нагревательного провода наиболее распространено при нагреве почвы в сооружениях защищенного грунта из-за его простоты, надежности и экономичности. В качестве недостатка следует отметить сложность замены нагревательного элемента.

В весенних теплицах, парниках и песочных укрытиях обогрев почвы и воздуха осуществляют при помощи калориферов. Подогрев почвы ведется по системе воздуховодов, уложенных в землю ниже гумусного слоя на 50—100 мм. Воздуховоды изготавливаются из керамических или асбоцементных труб. По торцам трубы сообщаются с воздухопроводами, смонтированными по всему периметру сооружения, как показано на рис. 1.2. Электрокалориферы для нагрева воздуха, как правило, размещают в отдельных помещениях. Данный способ обогрева прост и безопасен в эксплуатации и легко может быть автоматизирован.

Мощность электрокалориферной установки при воздушном обогреве сооружения рассчитывается в каждом конкретном случае с учетом климатических условий и конструктивных особенностей сооружения по формуле

P = kF(t2 –t1)              (1.1)

где Р - мощность системы обогрева, Вт; k - коэффициент теплоотдачи через ограждение, Вт/(м2*°C); F - площадь поверхности ограждения, м2; t1 - температура воздуха в сооружении, °C; t2 - расчетная температура наружного воздуха, °C.

Коэффициент теплопередачи k, приведенный к единице площади поверхности защищенного сооружения и к температурному перепаду (t2 - t1), учитывает передачу тепла в почву и через ограждения сооружения наружному воздуху. При расчете коэффициент теплопередачи наружного воздуха для данного климатического района берут таким, при котором сооружение имеет наибольшие потери теплоты.

Мощность системы обогрева можно определить по формуле

P = pF,              (1.2)

где р - удельная поверхностная мощность обогрева, Вт/м2.

При расчетах для парников и малогабаритных укрытий в зависимости от климатического района значение р берут в пределах 150-200 Вт/м2. Соотношение мощностей почвенного и воздушного обогрева для парников и малогабаритных укрытий берут 1: (1-2), а для теплиц - 1: (2-3).

Для обеспечения оптимального температурного режима почвы, воздуха (в зависимости от выращиваемых растений) и экономии электроэнергии широко применяется комплектное устройство КЭПТ. Оно позволяет не только поддерживать температуру в заданных пределах, но и осуществлять полив и увлажнять воздух. Принципиальная схема устройства КЭПТ представлена на рис. 1.3. Мощностью почвенных нагревательных элементов ЕК1-ЕК3 управляют тиристоры VS1-VS6, коммутацию которых осуществляют с помощью реле KV1-KV3. Реле KV1 включается контактами UK1 двухпозиционного регулятора температуры. Реле времени KT1 в зависимости от положения переключателя SA4, изменяя соотношение времени включенного и отключенного состояния, выполняет две программы работы, обеспечивающие 50 и 25 % мощности нагревательных элементов.

Рис. 1.3. Принципиальная схема управления почвенными нагревательными элементами устройства КЭПТ

Реле времени KT1 работает по заданной программе. При токах утечки более 100 мА срабатывает защитное устройство AF, отключающее систему обогрева при помощи автоматического выключателя QF1.

Устройство КЭПТ имеет световую сигнализацию наличия напряжения на нагревательных элементах. Переключатель SA1 и вольтметр PV1 сигнализируют об исправности нагревательных элементов при закрытых тиристорах VS1-VS6. Кроме этого в устройстве предусмотрен как ручной, так и автоматизированный режим работы.

1.3.              Правила технической эксплуатации электротермических устройств в теплицах и парниках

Согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ) техническое обслуживание электротермических устройств в тепличных сооружениях или парниках проводят раз в три месяца их непрерывной работы, а текущий осмотр и ремонт - один раз в год, как правило, осенью, до наступления устойчивых холодов и замерзания почвы. Ремонтные работы и техническое обслуживание электрооборудования и токопроводящих сетей должно выполняться при снятом напряжении обслуживающим персоналом, имеющим II группу допуска.

При техническом обслуживании необходимо проверить:

а)              равномерность прогрева почвы согласно агротехническим требованиям;

б)              надежность контактных соединений, обеспечивающих подключение нагревательных элементов к сети (величина переходного сопротивления контактных соединений не должна превышать 0,1 Ом);

в)              измерить сопротивление изоляции нагревательных элементов - проводов и кабелей (оно должно быть не менее 0,5 МОм);

г)              проверить на надежность присоединения к нулевому проводу все металлические кожухи, сетки и корпуса электрооборудования.

Во всех хозяйствах, использующих электротермические установки обогрева как воздуха, так и почвы в теплицах или парниках, должны быть разработаны и утверждены главным энергетиком инструкции по эксплуатации электрооборудования, определяющие права, обязанности и ответственность обслуживающего персонала, а также порядок и сроки технических осмотров и ремонтов оборудования.

Парники с электрообогревом бывают двух категорий - А и Б, в зависимости от типов нагревательных элементов, используемых для обогрева:

категория А: напряжение питания электронагревательных элементов - выше 65 В при обогреве с помощью электродов, заложенных в земле, или неизолированных сопротивлений, проложенных в земле или воздухе;

категория Б: напряжение питания нагревательных элементов - не более 65 В при обогреве с помощью электродов, заложенных в земле, или неизолированных сопротивлений, проложенных в земле или воздухе. При напряжении выше 65 В прокладка нагревательных элементов осуществляется в асбоцементных трубах, возможно также применение специальных кабелей.

В парниках используемые для нагрева тэны или провода марок ПОСХВ и ПОСХП, а также провода из стальной проволоки, которые могут быть заложены в бетон или защищены металлической сеткой, подсоединенной к нулевому контакту, запитывают, как правило, на пониженное напряжение 6, 12, 36 В. Их относят к категории Б.

Главным условием надежной и безопасной работы электронагревательной системы парниковых сооружений является строгое соблюдение ПТЭ и Правил техники безопасности (ПТБ) в электроустановках. Территория, отведенная под парники с электрообогревом, должна быть огорожена забором высотой не менее 2 м, а на въездные ворота должны быть прикреплены предупреждающие таблички: «Под напряжением», «Опасно для жизни» и «Вход на территорию запрещен». За все действия обслуживающего персонала парникового хозяйства с электрообогревом несет закрепленный за ним электромонтер.

Экономическая эффективность электрообогрева парников была доказана во всех случаях, где такой обогрев применялся. При этом она превзошла в 1,5-2 раза экономическую эффективность парников, обогреваемых другими видами топлива.

Основным требованием к сооружениям защищенного грунта является микроклимат - температура воздуха и почвы, а также влажность того и другого. Для выращивания растений в таких сооружениях применяют прямой и косвенный нагрев. Воздух нагревают косвенным способом с помощью электрокалориферов и электровентиляторов. Для нагрева почвы используют оба способа. Прямой нагрев осуществляется за счет электрического сопротивления проволоки или нагревательных проводов

ПОСП, ПОСХВ и др. С целью обеспечения оптимального температурного режима почвы и воздуха для выращиваемых растений и экономии электроэнергии широко применяется комплектное устройство КЭПТ.

В сооружениях защищенного грунта для электроотопления или электрообогрева применяется целая серия различных электронагревательных устройств: электрокалориферы, фены, различные установки радиационного обогрева, электрокотлы, устройства для оттаивания почвы и грунта, обогрева бетона, дорожных покрытий и т. д.

Главным условием надежной и безопасной работы любых электронагревательных установок является строгое соблюдение ПТЭ, ПТБ и инструкций, которые разрабатывает и утверждает главный энергетик данного хозяйства.