Разработка контурной системы электрического обогрева почвы индивидуальных весенних грунтовых теплиц (Введение к дипломному проекту)

ВВЕДЕНИЕ

          Главной задачей в области сельского хозяйства является значительное увеличение производства продуктов питания для удовлетворения растущих потребностей населения. Один из путей решения этой задачи – всемерное развитие защищенного грунта почти во всех природных зонах страны.

          Защищенный грунт, эта агроинженерная, по определению ученых, отрасль сельского хозяйства является в растениеводстве сосредоточением большого количества наук. Обычно под термином «защищенный грунт» подразумевают участки земельных территорий или помещений, в которых создан в той или иной степени благоприятный микроклимат для внесезонного выращивания растений. С помощью защищенного грунта мы не только раздвигаем жесткие сроки, отпущенные природой для роста растений, но создаем для них условия, при которых урожайность значительно выше, чем в открытом грунте. Если учесть, что урожайность в культивационных помещениях значительно выше, чем в открытом грунте, и за один год в теплицах может быть выращено несколько урожаев, то станет ясно: общий выход продукции может быть в десятки раз больше, чем в открытом грунте.

За время перестройки в РФ значительно сократились площади защищенного грунта и сейчас мы вернулись по этому показателю к тридцатилетней давности. Особенно пострадала Новосибирская область, в которой в указанный период были  уничтожены два ведущих в стране тепличных комбината: совхоз «Кировец» (22 га теплиц) и агрофирма «Иня» (40 га). В итоге в 2000 году площадь защищенного грунта в стране составила около 2 тысяч гектаров.

Капитализация общественных отношений в России дала мощный импульс к созданию многих мелких производств и, как следствие, к развитию и совершенствованию существующих малых сооружений защищенного грунта в фермерских хозяйствах и личных усадьбах. Анализ строительства индивидуальных теплиц указывает на то, что наибольшим спросом пользуются теплицы, в среднем, площадью 20 м².

 В защищенном грунте в настоящее время производится примерно по 1 кг овощей  в год на одного жителя страны, что составляет лишь 1% общего их производства в стране. На одного жителя РФ приходится чуть более 0,1 квадратного метра теплиц, а, по расчетам специалистов, их необходимо иметь не менее 1 квадратного метра.

          Себестоимость тепличных овощей в среднем по стране пока еще высокая: более 1000 рублей за центнер. Немаловажная причина этому – чрезвычайно большие затраты на обогрев. Они составляют не менее 40-65% себестоимости продукции [91].

          В настоящее время ярко выражена тенденция расширения площадей защищенного грунта за счет строительства пленочных весенних теплиц (без обогрева и с обогревом как воздуха, так и воздуха и почвы одновременно). При этом особенно важна роль системы отопления культивационных сооружений, в частности, системы обогрева почвы.

          Обогреваемый грунт, в котором находятся нагревательные элементы, представляет собой сложную энергетическую систему – коллоидное капиллярно-пористое полуограниченное пространство (массив) с внутренними источниками теплоты. С агробиологической точки зрения он является средой, в которой происходит рост и развитие растения. Важнейшим фактором, определяющим физико-механическое, химическое состояние, степень плодородия почвы, а следовательно, и условия жизни растения, является ее тепловой режим. Он влияет на интенсивность микробиологической деятельности в почве, степень замерзания при остановке и оттаивания при разогреве ее, активность процессов газообмена, интенсивность растворимости солей и всех химических процессов в почве.

          В последнее время все большее признание и применение особенно в ранних весенних пленочных грунтовых теплицах в южных областях Сибири, находит электрический обогрев почвы проводами ПНВСВ. Электрообогрев по сравнению с другими способами обогрева (от внесенного навоза, паром, горячей водой) имеет ряд преимуществ: возможность регулирования температуры почвы для различных стадий развития растений, прогрев по всему объему ее, гигиеничность («сухое тепло» препятствует развитию вредных бактерий и паразитов в почве), простота конструкции, экономия труда в обслуживании.

          Как правило, в таких теплицах отсутствует тепловая изоляция котлована, а обогрев почвы осуществляется по всей площади (так называемый сплошной обогрев). Поэтому тепловые потери в окружающий грунт значительные и по данным наших исследований составляют, например для теплиц шириной 3 м, 56% от мощности нагревателей, уложенных в почве. Температурное поле по ширине обогреваемого грунта крайне неравномерное и у боковых стен температура на глубине корнеобитаемого слоя в большинстве случаев намного ниже агротехнических требований, в то время, как в средней части теплиц иногда наблюдается даже перегрев.

Целью работы является разработка контурной системы электрического обогрева почвы индивидуальных весенних грунтовых теплиц, обеспечивающей получение в обогреваемом грунте равномерного температурного поля, а следовательно и одинакового урожая с 1 м² инвентарной площади культивационных сооружений.     

Задачи исследований поставлены в соответствии с целью работы:

- изучить состояние и перспективы развития обогрева почвы теплиц в РФ и за рубежом;

- создать математическую модель обогрева почвы в культивационном сооружении;

- исследовать температурные поля в почве действующих индивидуальных весенних грунтовых теплиц и на математической модели;

- разработать предложения по рациональной системе контурного обогрева почвы индивидуальных весенних грунтовых теплиц для южных областей Сибири.

Q_п, Q_ак – энергетические потоки от подсистемы обогрева субстрата (почвы) и аккумулированной почвой теплоты (от солнечной энергии и подсистемы обогрева воздуха), Вт/м²; Q_кп - конвективный поток тепловой энергии на поверхности почвы, Вт/м²; Q_по, Q_нп – потоки лучистой энергии между поверхностями: почвы и ограждения, нагревателей воздуха и почвы, Вт/м²; Q_и – энергетический поток на испарение влаги, Вт/м²; к_п – коэффициент, учитывающий поглощение длинноволнового излучения трехатомными газами, находящимися в объеме сооружения, принимаемый для теплиц равным 0,88. Схема рассмотренных потоков энергий и массы приведена на рисунке.