Сайт по созданию и продаже "Умных Теплиц" и сопутствующих товаров.

Расчёт количества вентиляторов. Часть 1.

Математические выкладки по расчёту нужного количества вентиляторов для полноценной работы умной теплицы на охлаждение.

Вентиляторы расчёт для работы умной теплицы.
Вентиляторы расчёт для работы умной теплицы.

На казалось бы простой вопрос потребовалось написать целую диссертация. В виду того, что есть некоторые проблемы с разбивкой текста на страницы, пришлось создать 4 отдельные статьи. Поэтому, их или нужно ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО читать, начиная с части №1 (в противном случае половину не поймёте) или сразу читать часть № 4.

Кому лень читать и вникать — в части №4 итоговые выкладки.

 

Здесь все просто. Пересечение нескольких областей точных наук: физики, теплотехники, строительства и ботаники. Краткая суть:

  1. Солнечный свет попадает на грунт. Учитывается время года и широта. В итоге получаем разное количество тепловой энергии на 1 м² грунта (в час). Блок = «Дополнение. Альтернативные расчёты».
  2. Растения отражают и перерабатывают солнечный свет. Не вся энергия солнца переходит в тепловую.
  3. Горячий воздух поднимается к крыше теплице. Естественная (свободная) конвекция воздуха. Здесь же расчёты — сколько может отвести тепла одна боковая верхняя форточка у теплицы.
  4. Накопление тепловой энергии в воздухе. Сколько воздух в себя вберет тепла. Нужно для того, чтобы понять, сколько тепла выбрасывается в 1 м³ воздуха при работе вентилятора. И есть бонус — расчёт для сумасшедших —  до какой температуры должен нагреться воздух внутри теплицы под крышей, чтобы впитать в себя всю тепловую энергию, полученную внутри теплицы от солнца (получаем выше, чем на Венере).
  5. Сотовый поликарбонат и пленка — естественные тепловые потери. Горячий воздух контактирует с крышей теплицы и с её стенками. Происходит естественная потеря тепла (теплопроводность от горячего к холодному). Рассмотрены разные формы теплиц, площадь стен и крыш. Площадь контакта теплицы с внешней средой. Приведены расчёты потерь тепла для разных материалов и форм теплиц.
  6. Итоговая таблица нужного количества вентиляторов. В результатах разные кубатуры и формы теплицы, разные материалы теплиц, разные широты (города).

Будут рассмотрены 3-4 стандартных решения для разных регионов России. От севера и ближе к югу. В разное время года (от апреля по октябрь).


Часть 1. Инсоляция. Солнечная радиация.

Формула довольна проста. Берётся за основу экватор = 0º. Это 100% от получаемой землёй энергии. Считается, что это 90°. Затем берётся любой город и его широта. Так для Ростова на Дону это 47,2 с.ш.. Для Москвы 55,75°. Затем, для месяца и дня вычисляется «Высота над горизонтом (градусов)». Максимально к 90° это у нас день летнего солнцестояния — 21 июня.

Солнечная радиация по месяцам и внутри суток. Тепловая энергия солнца.
Солнечная радиация по месяцам и внутри суток. Тепловая энергия солнца.

Получаем следующие данные по «Высота над горизонтом (градусов)»:

  • Краснодар или Ставрополь 45,06 с.ш. = 68,40°
  • Ростов на Дону 47,2 с.ш. = 66,22°
  • Волгоград 48,7 с.ш. = 64,73°
  • Воронеж или Саратов 51,6 с.ш. = 61,78°
  • Пенза или Самара 53,2 с.ш. = 60,25°
  • Москва 55,7 с.ш. = 58,28°
  • Ярославль 55,62 с.ш. = 57,82°
  • Томск 56,5 с.ш. = 56,93 (47,8 = 14 августа)
  • Санкт-Петербург 59,91 с.ш. = 53,5°

Проверить можете сами по ссылке «https://planetcalc.ru/320/»  или «http://timewek.ru/tblcity.php?SMOD=2». Есть еще пара интересных сайтов. Сайт Лаборатории климатологии атмосферного состава г. Томск «https://iao.ru/ru/structure/scidivs/1/42» и сами ФАКТИЧЕСКИЕ замеры «http://lop.iao.ru/» по солнечной радиации, правда архива нет.

Дальше используем разбивку внутри дня и реальную тепловую передачу энергии на землю на 1 м² поверхности теплицы по формуле Q=Qι*sinα, где α это угол «Высота над горизонтом (градусов)» и где  — это максимально возможное значение мощности солнечного излучения на данный период года и времени  суток (расчёт для северной широты).

К примеру, для Москвы получаем, что максимум тепловой энергии поступает в июне 971 Вт/час на 1м², (май пропускаем, т.к. земля более холодная и это существенно влияет на нагрев — в мае окружающий воздух более холодный, чем в июне). Но так как это очень короткий промежуток времени (не более 1,5 часа в день), я рекомендую принимать в расчетах другую цифру = 950 Вт/час на 1м².
Получаем, 950*sin(58.28°) = 950*0.850= 808 Вт/час на 1м².

Я не брал более южные регионы, так как в июне навряд ли кто то будет в Ростове на Дону держать растения в накрытой теплице! В мае же земля и более холодный окружающий воздух существенно снижают на накопление горячего воздуха внутри крытой теплицы.

Итак, имеем для Москвы в самое пиковое время в самый горячий летний день и в максимальном зените на 1 м² = 808 Вт тепловой энергии.
Севернее, для Санкт-Петербурга это будет уже 950 * sin (53,5)= 764 Вт на 1 м².

Еще раз повторюсь — это максимально возможное созданное солнцем тепло внутри вашей теплицы от нагрева грунта (абсолютно черного к тому же). В реальности, в полдень не должно быть облаков на небе и не должно быть никакой тени внутри теплицы. А это уже маловероятно. Но все равно, в расчетах будут участвовать именно эти — максимально теоретические возможные значения.


Часть 1. Дополнение. Альтернативные расчёты.

Было проанализировано 4 устоявшихся методики расчёта:

  • Первая — та что выше (часть №1).
  • Вторая — с советских времён, изложенная в справочнике 1969-1979 годов.
  • Третья — по реальным замерам. Была найдена только лаборатория из г. Томска за 14 августа. Но реальной информации по солнечной радиации в России нет (в открытом доступе). Но можете каждый день смотреть на текущий график (открытый доступ). Лаборатории климатологии атмосферного состава г. Томск «https://iao.ru/ru/structure/scidivs/1/42» и сами ФАКТИЧЕСКИЕ замеры «http://lop.iao.ru/» по солнечной радиации.
  • Четвертый — самый хороший источник. Это «Мировой Центр Радиационных Данных»  по адресу: Главная геофизическая обсерватория имени А.И.Воейкова, Мировой центр радиационных данных, ул. Карбышева, д.7,  194021, Санкт-Петербург, Российская Федерация. Там много реальных данных от солнечной суммарной радиации. Замеры излучений в диапазоне от 305 до 2800 нм. Мощность солнечного излучения получается выше, чем по стандартным методикам, но обнаружились очень и очень интересные детали.

Так как данная тема в Российском сегменте интернета вообще никак не рассмотрена (точнее у всех одно и то же и в зачаточном состоянии) остановлюсь на этих анализах подробнее.
Вторая — с советских времён. В советские времена книг на эту тему было не много. Но наиболее часто сейчас всплывающая — это книга «Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. — М.: Стройиздат, 1979», в которой приведён график, согласно которому солнечное излучение в районе Москвы составляет 900 Вт. Проверял — для августа совпадает, а вот для июня нет, а для зимы вообще данные очень завышены! В реальности зимой эта схема очень сильно врет. Угол наклона зимой при 23 ° по схеме должно выдавать 670 Вт/м². По реальным замерам на 2017-2018 года выходит в ясную погоду получается 450-500 Вт максимум. Да, табличка примерно показывает верно и я согласен, что в 1979 году это было хоть что то и давало отправную точку, которая давала приемлемые результаты, особенно летом. Но на дворе 2018 год, а большинство сайтов ориентируются на эту табличку.

Я разу обращу внимание, что вариант №1 (в предыдущей части текущей статьи) даёт гораздо более точные данные, так что рекомендую ориентироваться на них. Согласно методике, учитывается месяц года и одновременно угол наклона к солнцу (в расчётах текущей статьи берётся максимально возможный угол = день летнего солнцестояния). Этот метод позволяет получать очень близкие результаты к реальным замерам «Мировой Центр Радиационных Данных» (солнечное излучение).

Третья — по реальным замерам. Здесь полное разочарование. Есть замеры из Томска, но там нет доступа к архивным данным. В общем, что то реальное получить и тем более по городам в России с разбивкой по датам и часам вообще не реально.

Четвертый — самый хороший источник. А вот это самое интересное. России и Украины там нет (хотя по подписке наверное есть).  И вот тут самое интересное. Данные иногда выше теоретических, рассчитанных по первому способу. Но чаще всего ниже. То есть если ориентироваться на теоретический пик солнечного излучения (предыдущая часть статьи схема «МОЩНОСТЬ * (sin α)»), то получается примерное совпадение в 90% случаев. Иногда есть превышение (я так понимаю всплеск на солнце), но нужно учитывать еще одну вещь — учитывается максимальное значение в часе! То есть 59 минут 30 секунд интенсивность солнца была 800 Вт/м², а 30 секунд был всплеск и в таблице зафиксировалось значение по данному всплеску, который может равняться 970 Вт/м2 и соответственно в таблице появится значение не 800 Вт, а пиковое, равное 970 Вт/м².
Для справки — в таблице для широты г. Москвы значения в мае — июне средние на полдень около 650-830 Вт/м2, но 2-3 раза в месяц на 1 час идут всплески до 950-970 Вт/м². А в районе г. Краснодар бывают всплески до 1050 Вт/м²,  но это опять же 2-3 раза за 1 месяц и длятся они 1 час (данные в таблице часовые).

Средние же показатели для широты Москвы на май = 270 Дж/1см², а для июня 246 Дж/1см². Всплеск солнечной радиации (максимальные значения) длятся 1 час, а затем падение на 10% сразу. Для справки, перевести Дж/1 см² в Вт нужно *100*100/3600 = Вт.
Так для 56,1° с.ш. (г. Москва) среднее значение за месяц в полдень было 270 Дж/1 см², сто составило 270*100*100/3600=750 Вт/1 м².  Пиковое в июне было 312-314 дж/1 см² (4 часа за месяц), что составило 866-872 Вт/1 м². По используемым формулам (предыдущая часть), расчёт выдал пиковый результат 808 Вт/м².

Как получить данные из Мировой Центр Радиационных Данных:

Ниже приведены данные (основной срез по широтам с.ш. ) по солнечному излучению с разрезом по часам. Данные в таблицах приведены в Дж/см².

Напомню основные координаты городов: Краснодар или Ставрополь 45,06 с.ш.; Ростов на Дону 47,2 с.ш.; Волгоград 48,7 с.ш.; Воронеж или Саратов 51,6 с.ш.; Пенза или Самара 53,2 с.ш.; Москва 55,7 с.ш.; Ярославль 55,62 с.ш.; Томск 56,5 с.ш.; Санкт-Петербург 59,91 с.ш.

Таблица со средне годовой солнечной инсоляцией по городам Евразии и с разбивкой по месяцам (данные в Мдж/м² и вт/м²).

И ещё пара картинок:

 

Добавить комментарий

Войти с помощью: 
Закрыть меню
×

Корзина