Как спланировать вентиляцию и циркуляцию воздуха в коммерческой теплице?
Вентиляция напрямую влияет на температуру, влажность, качество воздуха и площадь выращиваемых растений в теплице. Для коммерческой теплицы необходимо разработать план вентиляции, учитывающий конструкцию теплицы, плотность посадки растений, климат и эффективность работы.
Речь идёт не только об увеличении движения воздуха. С инженерной точки зрения, план вентиляции должен обеспечивать заданную скорость воздухообмена в двух совершенно разных рабочих режимах: примерно 40–60 воздухообменов в час (ACH) при пиковом летнем охлаждении и всего 1 ACH зимой, когда единственная оставшаяся задача — контроль влажности. Практически все неисправности вентиляции, обнаруженные в зрелой коммерческой теплице, связаны с тем, что проект был рассчитан на один из этих режимов и никогда не проверялся на соответствие другому.
Грамотная конструкция от производителя коммерческих теплиц позволяет контролировать приток свежего воздуха, циркуляцию воздуха вокруг растений и его отток без образования застойных зон, сильного ветра или излишнего расхода энергии.
Спланируйте циркуляцию воздуха вокруг конструкции теплицы.
Перед выбором охлаждающего оборудования, вентиляторов или вентиляционных отверстий необходимо определить основную стратегию циркуляции воздуха, исходя из конструкции помещения. Даже при неправильном расположении отверстий, даже в коммерческой теплице с адекватным вентиляционным оборудованием может возникнуть дисбаланс температуры и влажности.
Карта зоны выращивания
Составьте карту рядов растений, стеллажей, дорожек, перегородок, оборудования и других элементов, которые могут влиять на циркуляцию воздуха. Учитывайте ожидаемый размер урожая в период полного роста, а не только размер пустой теплицы.
Определите участки, где густая растительность или оборудование могут ограничивать циркуляцию воздуха. Это поможет определить, где следует разместить вентиляционные отверстия и вентиляторы. На этом этапе полезно отметить открытую площадь пола и открытое поперечное сечение, остающееся при полном покрытии растениями, поскольку внутренняя циркуляция регулируется объемом свободного воздуха над растениями, а не общим объемом теплицы.
Обеспечьте пути входа и выхода воздуха.
Для любой вентиляции необходим налаженный путь для воздуха (приток и отток). Наружный воздух может проникать через боковые отверстия, а теплый воздух может подниматься через отверстия в крыше.
Эти элементы должны быть взаимосвязаны, а не использоваться по отдельности. При правильном расположении точки входа и выхода позволяют воздуху циркулировать по большей части зоны выращивания. Измеримой проектной целью является общая площадь вентиляционных отверстий: для обеспечения естественной вентиляции общая площадь вентиляционных отверстий на крыше и боковых стенках должна составлять не менее 15–20% от площади пола теплицы. Масштабирование этого соотношения до пролета в 1000 м² дает 150–200 м² эффективной площади вентиляционных отверстий, измеренной как свободный проем после установки рам и сеток, а не как номинальный размер вентиляционного отверстия.
Учитывайте высоту теплицы.
Учитывайте не только планировку, но и конструкцию здания. Высота крыши и высота водостока влияют на эффект тяги, обеспечивающий естественную вентиляцию, поскольку разница давлений между низким входным отверстием и высоким выходным отверстием увеличивается с увеличением вертикального расстояния между ними.
В типичных коммерческих конструкциях Венло высота водосточных желобов составляет 4–6 м, а высота опор в конструкциях с большими пролетами может превышать 10 м. Поднятие водосточного желоба не только увеличивает зазор для растений: оно повышает плавучесть, необходимую для выхода горячего воздуха через конек, и увеличивает буферный объем, который сглаживает кратковременные колебания температуры.
Густые посевы могут ограничивать циркуляцию воздуха и создавать зоны с повышенной влажностью. Оборудование, подвесные растения, экраны и другие конструкции могут оказывать аналогичное воздействие.
Выявите участки, где поток воздуха может ослабнуть, и обеспечьте свободное прохождение воздуха по запланированным каналам. Это поможет определить места для размещения вентиляционных отверстий и вентиляторов и обеспечит эффективность системы по мере развития урожая.
Выбор и координация вентиляционного оборудования
После определения параметров воздушного потока выбирайте компоненты системы вентиляции, исходя из условий окружающей среды и требований выращиваемых в теплице культур. В коммерческой теплице могут использоваться естественная вентиляция, механические вентиляторы и/или охлаждающее оборудование, но эти системы должны проектироваться как комплексная стратегия вентиляции.
Эффективное использование кровельных отверстий
Естественный приток воздуха к крыше может быть обеспечен за счет вентиляции крыши. Эффективность этого метода будет зависеть от положения отверстия, объема поступающего воздуха, конфигурации крыши и внешних условий.
Отверстия на крыше должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить прохождение приточного воздуха через зону выращивания культур и быть согласованы с любыми нижними притоками. Отверстия на крыше не могут гарантировать равномерную циркуляцию воздуха. Полевые исследования комбинаций отверстий показывают четкую закономерность: боковое вентиляционное отверстие в сочетании с наветренными вентиляционными отверстиями на крыше обеспечивает самый высокий естественный расход воздуха, достигая примерно 12,3 воздухообменов в час при скорости ветра всего 0,5 м/с. Конфигурации, основанные только на вентиляционных отверстиях на крыше или только на наветренных отверстиях, показывают значительно более низкие показатели.
Используйте боковую вентиляцию для притока воздуха.
Боковые отверстия позволяют забирать наружный воздух с более низкого уровня, способствуя сквозной циркуляции внутри помещения для выращивания. Их следует планировать с учетом рядов растений, защитных экранов, оборудования и других построек.
При использовании боковой и кровельной вентиляции воздух может поступать в здание на уровне посевов или вблизи них и подниматься вверх по мере нагревания. Это может привести к более эффективной естественной циркуляции воздуха при благоприятных внешних условиях. Сочетание этих элементов также имеет значение при низких скоростях ветра: боковой приток с наветренным выходом с крыши обеспечивает наилучшее сочетание расхода воздуха и равномерности распределения воздуха, тогда как противоположные отверстия могут направлять воздух прямо через конек крыши, не достигая посевов.
Учитывайте противомоскитные сетки и сопротивление воздушному потоку.
В коммерческих теплицах противомоскитные сетки полезны, но они также могут ограничивать приток воздуха через вентиляционные отверстия. Это необходимо учитывать при планировании вентиляции.
Проверьте открытую область экрана
Тип и площадь отверстий сетки могут влиять на то, насколько легко наружный воздух поступает в теплицу. Слишком ограничивающая сетка может уменьшить естественную циркуляцию воздуха и увеличить потребность в механической вентиляции.
Опубликованные результаты аэродинамических испытаний противомоскитных сеток с пористостью от 25% до 53% показывают, что скорость вентиляции снижается с уменьшением пористости, поскольку сетка уменьшает коэффициент истечения воздуха через отверстие, а не просто сужает его. На практике стандартная противомоскитная сетка снижает поток воздуха через незащищенное отверстие примерно на 10–20%; переход от сетки с размером ячейки 40 меш к сетке с размером ячейки 75 меш может снизить естественную вентиляцию еще на 25%. Пример расчета: сетка с размером ячейки 50 меш и коэффициентом открытой площади 55%, установленная на отверстии площадью 100 м², пропускает воздух, эквивалентный лишь примерно 55–60 м² свободного пространства.
Поэтому при выборе размеров и расположении вентиляционных отверстий на крыше и боковых стенках следует учитывать наличие сетки. Необходимо содержать сетку в чистоте, поскольку пыль и растительные остатки могут еще больше уменьшить площадь открытого пространства.
Согласуйте вентиляцию с сетчатой конструкцией.
Если на вентиляционных отверстиях установлены противомоскитные сетки, производитель должен учитывать их влияние при проектировании системы вентиляции. Мощность вентилятора и площадь вентиляционного отверстия не следует выбирать без учета сопротивления, создаваемого сеткой. Правильная последовательность действий заключается в определении требуемой скорости воздухообмена, преобразовании ее в требуемый расход воздуха, а затем увеличении площади вентиляционного отверстия и мощности вентилятора с учетом сопротивления сетки и перепада давления самой сетки.
Это особенно важно в жарком климате, где теплица может в значительной степени зависеть от естественной вентиляции. Окончательная конструкция должна обеспечивать достаточный воздухообмен для растений в условиях, ожидаемых на открытом воздухе.
Установите вентиляторы там, где естественная циркуляция воздуха ограничена.
Когда естественная вентиляция не обеспечивает достаточного движения воздуха, используются механические вентиляторы. Они могут помочь обеспечить циркуляцию воздуха в тех местах, где она недостаточна из-за особенностей конструкции теплицы или изменений наружного климата.
Для циркуляции воздуха на уровне растений используется подход с горизонтальным потоком воздуха (ГПВ), основанный на давно устоявшемся эмпирическом правиле расчета: примерно 2 кубических фута в минуту на квадратный фут площади пола, что составляет приблизительно 0,6 м³/мин на квадратный метр. Вентиляторы ГПВ отличаются от охлаждающих вентиляторов. Охлаждающие вентиляторы отводят воздух от стены и работают с высокой скоростью теплообмена, необходимой для максимального отвода тепла; вентиляторы ГПВ работают непрерывно и просто поддерживают движение растительного покрова, выравнивая температуру, влажность и CO2 между зонами.
Практичный чертеж вентилятора от производитель коммерческих теплиц выглядит так:
Направление воздушного потока: Расположите вентиляторы таким образом, чтобы обеспечить необходимое движение воздуха по всей площади выращивания.
Зона охвата: проверяйте удаленные участки посевов, а не оценивайте поток воздуха только вблизи оборудования.
Регулирование: Допускайте изменение уровня воздушного потока в зависимости от условий и потребностей культуры.
Техническое обслуживание: Обеспечьте доступность вентиляторов и элементов управления для осмотра и обслуживания.
Координированная вентиляция с охлаждением
Вентиляция и охлаждение должны идти рука об руку. Если температура на улице становится слишком высокой для охлаждения с помощью естественной вентиляции, механическое охлаждение может помочь в контроле температуры. Однако охлаждающее оборудование не должно заменять фундаментальное планирование воздушных потоков. Путь для прохладного или свежего воздуха должен обеспечивать хорошую циркуляцию воздуха и не иметь участков с недостаточной циркуляцией воздуха в посевах.
Расчет размеров этих двух компонентов в совокупности означает работу в соответствии с заявленной эффективностью. Системы с испарительными подушками обычно проектируются с эффективностью увлажнения 70–80% от разности температур по влажному термометру; при общей эффективности системы около 80% практическое падение температуры на хорошо построенной стенке подушки составляет примерно 9 °F (5 °C), а общее разность температур подаваемого воздуха относительно окружающей среды обычно находится в диапазоне 10–20 °F. Подушка, которая не может достичь своей проектной эффективности, почти всегда является проблемой увлажнения, распределения воздушного потока или скорости потока на поверхности, а не проблемой самого фильтрующего материала.
Проверка и техническое обслуживание системы вентиляции
Вентиляционную систему следует проверить после установки и в процессе производства. Поток воздуха может изменяться по мере роста культур, использования сеток или добавления оборудования. Настройки вентиляции могут потребовать корректировки в зависимости от плотности посадки, погодных условий или производственных условий.
Проверьте циркуляцию воздуха в зоне выращивания культур.
Проверьте, достигает ли воздух разных частей зоны выращивания. Ищите зоны со слабым или чрезмерным воздушным потоком. Густые посевы, оборудование и сетки могут изменять воздушный поток по мере развития культуры. Дымовая проба или измерение с помощью ручного анемометра на высоте листового покрова — самый быстрый способ преобразовать ощущение неподвижности воздуха в измеримую карту воздушного потока.
Контроль температуры и влажности
Измерение температуры и влажности может помочь выявить участки, где вентиляция работает не так, как ожидалось. Измерения следует проводить в разных частях теплицы, а не полагаться на одно конкретное место.
В большом многопролетном доме один датчик не может отразить состояние всего здания. Сравните показания по зонам — возле водостока, на уровне навеса, на фронтонах и в центре — как по температуре, так и по относительной влажности, и рассматривайте устойчивый вертикальный или горизонтальный градиент как свидетельство проблемы с циркуляцией воздуха, а не с системой управления.
Поддерживайте в рабочем состоянии вентиляторы и вентиляционные отверстия.
Вентиляторы, вентиляционные отверстия на крыше, боковые вентиляционные отверстия и противомоскитные сетки следует регулярно осматривать. Удаляйте пыль, растительные остатки и другие препятствия, которые могут уменьшить поток воздуха. Движущиеся части также следует проверять и обслуживать в соответствии с требованиями к оборудованию.
Обеспечьте свободный доступ воздуха к путям циркуляции.
Когда существующие вентиляционные каналы перекрываются оборудованием, материалами для хранения, сетками, подвесными растениями или растущими культурами, эффективность вентиляционной системы может снизиться. Эти изменения могут быть постепенными и незаметными в повседневной работе.
При каждом значительном изменении производственных процессов необходимо пересматривать планировку коммерческих теплиц. Поддержание открытых путей циркуляции воздуха обеспечивает бесперебойную работу системы вентиляции.
Корректируйте систему в соответствии с изменениями в производстве.
Идеальная схема циркуляции воздуха может меняться в зависимости от высоты растений, плотности посадки, расположения оборудования и сезонных условий. Поэтому план вентиляции следует рассматривать как регулируемую систему, а не как фиксированную установку. Как правило, график вентиляции, рассчитанный для пустой теплицы, потребует повторной корректировки после закрытия растительного покрова, поскольку объем свободного воздуха и сопротивление горизонтальному потоку существенно изменяются.
Ведите учет повторяющихся проблем с температурой, влажностью или циркуляцией воздуха. Эти записи от производителя коммерческих теплиц помогут операторам определить, необходимы ли изменения в работе вентилятора, положении отверстий или распределении воздушного потока. Полезные проверки технического состояния включают в себя:
Вентиляционные отверстия: Убедитесь, что вентиляционные отверстия открыты, закрыты и не заблокированы.
Вентиляторы: проверьте лопасти, двигатели, защитные кожухи и элементы управления на предмет нормальной работы.
Пути циркуляции воздуха: Ищите новые препятствия, вызванные оборудованием или ростом растений.
Экологические показатели: сравните температуру и влажность в разных зонах.
Органы управления: Убедитесь, что ручная или автоматическая регулировка работает правильно.
Часто задаваемые вопросы
Важны две цифры, а не одна. Рассчитывайте на примерно 40–60 воздухообменов в час в пиковые летние условия охлаждения и обеспечьте контролируемый минимум около 1 воздухообмена в час зимой для регулирования влажности и CO2. Система, которая соответствует только летнему показателю, обычно слишком много думает о нагреве в середине дня и не может поддерживать заданную зимнюю температуру без чрезмерного подвода тепла.
В качестве отправной точки, общая площадь вентиляции крыши и боковых стен должна составлять не менее 15–20% от площади пола для обеспечения естественной вентиляции. Это измеряется как эффективная свободная площадь проема после стропильных конструкций, вентиляционных механизмов и любых противомоскитных сеток, а не как номинальный размер вентиляционного отверстия. В масштабе для проема площадью 1000 м² это составляет 150–200 м² эффективной площади проема.
Стандартная противомоскитная сетка обычно снижает естественную вентиляцию на 10–20% по сравнению с аналогичным открытым проемом. Сетчатые сетки с мелкими ячейками стоят дороже: переход от сетки с 40 ячейками к сетке с 75 ячейками уменьшает естественную вентиляцию еще на 25%, а опубликованные результаты испытаний в аэродинамической трубе сеток с пористостью 25–53% подтверждают эту тенденцию. Если сетка с 50 ячейками и коэффициентом открытой площади 55% покрывает проем площадью 100 м², то эффективную площадь проема следует считать примерно 55–60 м².
Используйте эмпирическое правило горизонтального воздушного потока: примерно 2 CFM на квадратный фут площади пола, что эквивалентно примерно 0,6 м³/мин на квадратный метр, распределенного по всему дому таким образом, чтобы воздух двигался по замкнутому контуру. Циркуляционные вентиляторы рассчитываются с учетом перемешивания воздуха в прихожей и равномерности распределения, а настенные вентиляторы охлаждения — с учетом скорости воздухообмена; эти два расчета следует проводить отдельно.
Открытые вентиляционные отверстия не являются равнозначными адекватной вентиляции. Если общая площадь вентиляционных отверстий составляет менее примерно 15% от площади пола, если отверстия закрыты сеткой и не компенсируют потери, или если в здании отсутствует приток воздуха с наветренной стороны, который можно было бы соединить с выходом воздуха с крыши, измеренная скорость теплообмена может быть значительно ниже 40–60 ACH, необходимых в пиковый летний день. Сравните измеренную разницу температур между внутренним и внешним пространством с расчетным значением, прежде чем добавлять мощность охлаждения.
Испарительные подушки обычно проектируются с эффективностью увлажнения 70–80% от разрежения по влажному термометру. При общей эффективности системы около 80% практическое падение температуры составляет примерно 9 °F (5 °C); система, обеспечивающая лишь половину этой эффективности, как правило, страдает от плохого увлажнения подушки, чрезмерной скорости потока воздуха на поверхности или обтекания поверхности подушки воздухом, а не от недостаточного размера подушки.
Эффективная циркуляция воздуха начинается с планирования конструкции, а не с выбора оборудования. Хорошо спланированная коммерческая теплица должна обеспечивать свободные воздушные потоки, согласованные вентиляционные отверстия, соответствующую механическую поддержку и достаточную гибкость для реагирования на изменения в выращиваемых культурах и погодных условиях.
Это также помогает уточнить параметры до покупки оборудования: соотношение площади вентиляционных отверстий к площади пола должно составлять 15–20%, расчетная максимальная производительность – 40–60 воздухообменов в час, сопротивление сетки – 10–20% (больше для мелкоячеистой сетки), циркуляционный контур должен обеспечивать производительность около 2 CFM на квадратный фут, а система охлаждения должна иметь КПД 70–80%. Эти пять параметров определяют, осуществима ли данная схема вентиляции, и их гораздо дешевле изменить на чертеже, чем на готовом здании.
При проектировании коммерческих проектов необходимо учитывать требования к вентиляции, а также требования к конструкции и контролю микроклимата. Сотрудничество с опытным производителем коммерческих теплиц поможет согласовать планировку теплицы, вентиляционные отверстия, оборудование для циркуляции воздуха и эксплуатационные требования еще до начала монтажа.
