Энергоэффективная теплица

Выходит на финишную прямую дачный сезон. Самое время наслаждаться урожаем.

Наконец у земледельца наступает время отдыха. Я очень люблю эту передышку. Летом обычно не хватает времени насладиться красотой, я стараюсь запечатлеть ее всеми доступными чувствами – вот теперь можно посидеть, полистать летние впечатления. А еще, пока не лег снег, можно снять размеры какой-нибудь спорной территории, чтобы зимой порисовать, почертить, помечтать, обложившись красивыми журналами.

Я предлагаю, пока не наступило время серьезной подготовки к весенним садово-огородным работам, подумать о реконструкции вашей теплицы (сани готовим летом, телегу – зимой, закрома – в конце весны, теплицу –  поздней осенью). Еще не скована земля морозами, и если у вас есть команда помощников, можно за неделю-другую усовершенствовать теплицу так, чтобы уже ранней весной почувствовать все преимущества. Если команды нет, можно детально разработать чертежи продумать все до мелочей, а команду собрать к весне, чтобы, как только растает, быстро сделать всю работу и успеть к высадке рассады.

Итак, теплица. Сооружение для создания искусственного микроклимата. Мы идем на существенные трудовые и материальные затраты  для того, чтобы продлить сезон выращивания и потребления витаминной продукции. Сегодня мы поговорим о неотапливаемом сооружении (строго говоря, это – парник), поговорим о том, как с помощью несложных приемов и приспособлений сделать теплицу максимально эффективной.

Что такое неотапливаемая теплица? Это сооружение,  которое позволяет получить и поддержать разницу температур внутри и вне ее. Разница температур получается за счет солнечных лучей, проникающих через прозрачное ограждение и нагревающих грунт внутри.  Воздух, как прозрачная для лучей субстанция, нагревается вторично от грунта и других элементов. Воздух, как более подвижная среда, переносит тепло, перемещаясь  вверх от нагретых поверхностей и сползая вниз по охлажденным. То же количество теплоты получает любая площадь, но нагреться ей вне теплицы мешает активное перемещение воздуха. Мы устраиваем для него ловушку, замкнув в прозрачную оболочку, и получаем, таким образом, аккумуляцию тепла (если свести передвижение воздушной массы к нулю, т. е. организовать вакуум, можно даже что-нибудь вскипятить:-), но это будет уже солнечный коллектор).

Работа теплицы состоит из трех, взаимосвязанных и уравновешивающих друг друга, процессов:

1 – нагрев за счет проникновения энергии солнечного света через прозрачную поверхность теплицы;

2 – аккумуляция  теплоты. Грунт может служить хорошим аккумулятором, пока он не прикрыт листвой растений. Нагреваясь на небольшую разницу, толща грунта «впитывает» в себя большое количество тепла, не давая тем самым перегреваться пространству теплицы в дневное время, и начинает отдавать запасенное  тепло, как только солнце перестает нагревать теплицу и температура воздуха снижается ниже температуры грунта;

3 – охлаждение за счет потерь тепла через стенки и вентиляцию.

Если процессы нагрева, аккумуляции тепла и охлаждения несбалансированны, мы получаем плохую теплицу – днем температура поднимается выше 40 градусов, а ночью остывает ниже допустимого минимума (рисунок 1).

За перераспределение тепла внутри теплицы отвечает циркуляция воздуха (рисунок 2), и на этот процесс мы можем оказывать влияние в нашу пользу. Так, например, укрывая дополнительно на ночь нетканым материалом посевы, мы препятствуем восходящему потоку нагретого грунтом воздуха и получаем стабилизацию температуры  приземного слоя – это очень важно для ранних посевов в период весенних заморозков. Но, если нетканый материал оставить на день, мы исключаем почву из процесса нагрева и получаем «плохую» теплицу (рисунок 1а). Можно и «разогнать» процессы конвекции для  усиления вентиляции в жаркое время (на этом ниже мы остановимся более подробно).

Рисунок 1 – Влияние добавки теплоаккумулирующей массы на температуру в теплице (данные для Хельсинки – солнечный день в апреле): а– без аккумулятора; б – с аккумулятором; в – интенсивность солнечного излучения. 1 – температура в теплице; 2 – наружная температура; 3 – температура аккумулятора.

Общепринято верхнюю часть теплицы (купол) сооружать из прозрачных материалов. Это самая ответственная часть теплицы – через нее поступает максимальное количество тепла и через нее же наибольшее количество теряется. Материал должен обеспечивать достаточную светопропускающую способность (прозрачность) и, одновременно с этим, обладать высокими теплоизолирующими свойствами (не выпускать тепло). По пригодности для этих целей материалы можно расположить в следующем порядке: поликарбонат -> стекло -> пленка.

Поликарбонат немного уступает стеклу в прозрачности, зато значительно превосходит его по теплосберегающей способности. Легкий, удобный в монтировании, имеет все же один недостаток – способствует перегреву в жаркое время.

Пленка – недолговечный недорогой материал, уступает поликарбонату по теплоизолирующим свойствам, практически равен ему по прозрачности, легко монтируется.

Стекло – самый долговечный и самый прозрачный материал, зато его достаточно большой вес требует упрочнения конструкции, да и купол смонтировать из стекла не получится.  И по теплоизоляционным свойствам стекло уступает поликарбонату. Вот если вы сможете раскошелиться на стеклопакет, хотя бы двухкамерный – это, конечно же, на века.

Допустим, купол теплицы готов. Оптимальное сочетание геометрических параметров и свойств материала позволяет нам заполучить в теплицу максимум света. Чтобы свет преобразовался в тепло, он должен нагреть грунт и другие материалы внутри теплицы. Они, нагретые, будут отдавать тепло в то время, когда солнечные лучи больше не проникают в объем теплицы. Значит, такие материалы должны обладать большой теплоемкостью (способностью аккумулировать большее количество тепла, нагреваясь на 1 градус). Объем почвы вполне справляется с этой задачей. Но еще лучше аккумулирует тепло вода. Если поместить в теплицу емкости с водой темного цвета достаточного объема, вы «погладите сразу двух зайчиков» :-): сгладите суточные колебания температуры (рис.1б) (прохладная емкость днем не даст воздуху перегреться, а ночью, отдавая тепло, согреет пространство внутри теплицы) и будете всегда иметь под рукой достаточное количество воды для полива нужной температуры. Чем больше объем воды, и чем равномернее размещены емкости, тем лучше. Не забудьте только оставить место для растений :-), и закрывайте емкости крышками, чтобы не повышать влажность воздуха.

Даже поместив закрытые бутылки из-под минералки, наполненные водой, в небольшом пленочном парнике на даче,  вы меньше можете переживать, что ваши огурчики некому открыть жарким майским днем до вашего приезда в выходные (рисунок 2).

Рисунок 2 – пластиковые бутылки с водой служат аккумуляторами тепла

Рассмотрим значение геометрии теплицы. Ориентация теплицы должна обеспечивать попадание солнечных лучей в «нужное» время под углом, максимально приближенным к прямому к поверхности прозрачного покрытия. С углом понятно, а вот «нужное» время – это тот период, когда солнце греет, но не печет – т. е. до 11:30 и после 15 часов. Это примерно соответствует ориентации оси теплицы с севера на юг. Из этих соображений можно варьировать и форму покрытия. Купол обеспечивает вам возможность получать небольшую, но гарантированную часть солнечного света, независимо от угла стояния солнца над горизонтом. Односкатное же покрытие с южной стороны под углом около 60 градусов к горизонту позволит получить максимум солнечной энергии в феврале – апреле, но в такой теплице летом без принудительной вентиляции не обойтись. Такая теплица нам не подходит. Поэтому все дальнейшее повествование будет касаться купольной теплицы, ориентированной с юга на север.

Как видно на рисунке 3, часть прозрачного покрытия h практически не принимает участия в освещении теплицы, при этом способствует значительной потере тепла. Есть несколько вариантов решения этой проблемы. Можно вертикальную часть купола выполнить в виде стенок с теплоизоляцией (полкирпича + утепление в виде земляной насыпи, соломенных тюков, засыпки сухой древесной щепы или опилок и т. д.), как показано на рисунке 4. Теплоизоляционная часть должна быть надежно укрыта от влаги, иначе она теряет свои свойства. Этот вариант, легкий в исполнении, имеет, тем не менее, недостаток, (увеличивающийся с увеличением высоты стенки): часть поверхности грунта внутри теплицы (А) недополучает света, что весьма существенно.

Можно приподнять грядки до высоты стенок, или чуть ниже, как показано на рисунке пунктиром зеленого цвета.

Можно избавиться от вертикальных частей прозрачного купола вовсе, углубив проход на нужную глубину, таким образом, чтобы уместиться в полный рост под наивысшей точкой купола (рисунки 5 и 6). При этом облегчается доступ к растениям и появляется две дополнительные теплопринимающие и аккумулирующие поверхности (В). Теплоаккумулятором служит также весь корнеобитаемый слой (С).  Этот вариант, пожалуй, самый экономный по затратам на строительство. Есть еще недостаток – вроде бы пространство для растений сократилось. Если расширить теплицу, можно получить дополнительную приподнятую гряду по центру сооружения (рисунок 7, 8). Причем гряда эта будет особенно хорошо защищена от холода.

Рисунок 6 – Автор в теплице с углубленным проходом	Рисунок 7 –  Теплица с приподнятой грядой в центре

Рисунок 8 – Заглубленная теплица большой ширины с центральной приподнятой грядой

Если укрыть такую теплицу дополнительно, сезон можно начать на 2 недели раньше без использования отопления. А если в ее основу заложить разогревающуюся органику (конский навоз К), то можно выиграть у нашего климата еще недели 2 (примерно со второй декады марта можно высеять ранние зеленные культуры).

Итак, вернемся к конструкции широкой теплицы с двумя заглубленными проходами (рисунок 8):

Ширина центральной гряды делается большей, потому что доступ к ней – двухсторонний.

О-О₁ – укрепляющая перемычка. При желании ее можно связать с ребрами теплицы. Она нужна, чтобы предупредить деформацию центральной гряды. Обычно используется для подвязки растений.

Проход получается не очень широким, но из-за небольшой глубины он не будет стеснять передвижение.

Гряды необходимо заправить органикой (хорошо также было бы добавить некоторое количество суглинка). В любом случае для влагоудержания поверхность гряд необходимо мульчировать.

Рисунок 9 – Система  полива

Система полива состоит из емкостей, установленных на высоту не ниже уровня центральной гряды. Она обеспечивает полив водой необходимой температуры, а также служит аккумулятором теплоты в  объеме теплицы, что позволит несколько сгладить суточные колебания температуры. Расположенные по периметру теплицы малые емкости с водой (пластиковые баллоны, бутылки) будут существенно сглаживать суточные колебания температуры на самом напряженном рубеже. Линией капельного полива могут служить обычные садовые шланги с проплавленными отверстиями малого диаметра.

Для обеспечения интенсивного проветривания теплицы ее необходимо установить с наклоном «конька» купола по длине 5-10^о (рисунок 10), таким образом, чтобы теплый воздух смещался от входа к вентиляционному отверстию Входная форточка для проветривания Вх устраивается в нижней части двери, а выходная Вых в самом верху задней стенки так, чтобы не оставалось кармана в выходной зоне. Это обеспечит естественную конвекцию, которая увеличит расход воздуха с повышением температуры внутри теплицы. Если в выходное вентиляционное отверстие установить металлическую трубу и окрасить ее снаружи

Рисунок 10 – Система естественной конвективной вентиляции

Рисунок 11

Рисунок 12

черной матовой краской (рисунок 11), процесс вентиляции усилится в солнечную погоду из-за  подъемной силы восходящего потока, нагретого внутри трубы воздуха. Процесс этот будет саморегулирующимся: солнце светит – труба греется – вентиляция усиливается (рисунок 13); солнце спряталось – труба остыла – вентиляция замедлилась (рисунок 14). В теплице длиной до 6 м. достаточно будет выходной форточки. В более длинной теплице без такой трубы в летний жаркий полдень естественная вентиляция не будет обеспечивать достаточного снижения температуры.

Можно организовать «продвинутую» систему вентиляции, вкопав несколько отрезков пластиковой или металлической трубы В (через каждые 2-2,5 м.), как показано на рисунках 13, 14. Воздух, проходя под землей через приточные трубы,  дополнительно охлаждается. Нижнюю форточку в двери при этом можно держать закрытой. Нижний край трубы В₁  (рисунок 13) выходит в самом низу прохода. Сама труба не должна перегибаться, чтобы не образовался карман для конденсата.  В холодное время достаточно закрыть верхнюю выходную форточку и плотно закрыть дверь. Во избежание дополнительного подсоса холодного воздуха по трубам  в случае заморозков их закрывают снаружи.

Ранней весной поверхность почвы может быть некоторое время непокрытой – так она быстрее прогревается. Но уже с начала мая почву лучше замульчировать органическим материалом – это надежная защита от перегрева и пересыхания корнеобитаемого слоя и переувлажнения воздуха. Слой мульчи также предотвратит диффузию спор патогенных грибов с поверхности почвы в воздух. А если вы этот материал обработаете заранее биологическим фунгицидом – это будет надежной профилактикой грибных заболеваний.

Рисунок 15

Вот такая теплица у вас может получиться, если вы не пожалеете труда и времени (рисунок 15). Для ее правильной работы не понадобится электричество и ваше ежедневное присутствие. Всю работу выполняют естественные процессы теплоомассообмена, совершенно независимо от того, знаете вы о них или нет. А результат – меньшие разницы ночных и дневных температур, меньше стрессов для растений, меньше болезней, выше и качественней урожай, меньше энерго- и трудозатраты.

Рассчитано по науке, проверено на опыте!

Ольга Щиглинская

Авторы фото:

рисунки 2, 11 – 15  – Щиглинская О.А.;

рисунок 6 – Семенас С.Э.;

рисунок 7 – Суша А.В.

Список использованных  источников

1. Эрат Б., Вулстон Д. Индивидуальные теплицы в современном жилище /перевод с финн. В.П.Калинина; под ред. Н.В.Оболенского. – М.: Стройиздат, 1987г. – 143с.
2. http://spareworld.org/eng/sites/default/files/GreenhouseManualFinal.pdf – энергоэффективная теплица Норвежского общества охраны природы
3. Н.В. Харченко «Индивидуальные солнечные установки», М. «Энергоатомиздат», 1991г.