с 01.01.1996 по 01.01.2019
Орел, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ТБК 5414 Строительные конструкции
Рассмотрены теплицы с поликарбонатной кровлей .Показана возможность трансформирования кровли для регулирования внутренней температуры воздуха посредством естественного воздухообмена. По результатам эксперимента на модели теплицы установлены необходимые для снижения внутренней температуры параметры аэрационного устройства культивационного сооружения. С целью снижения строительных единовременных затрат предложена конструктивная схема однопролётной рамной теплицы построечного изготовления из прокатных профилей с узловыми соединениями на сварке. Обоснованы строительные параметры каркаса для трёх снеговых районов.
поликарбонатная теплица, аэрация теплицы, параметры каркаса теплицы
Введение. Ограждающие конструкции теплиц из поликарбонатных панелей имеют ряд преимуществ по сравнению с плёночным и стеклянным ограждением (основное преимущество – снижение энергозатрат в холодное время года), что обусловило распространение поликарбонатных теплиц как в России, так и за рубежом [1–14].Однако в летнее время при отсутствии естественной вентиляции температура в сооружении может значительно превышать технологически требуемую и губительно отражаться на выращиваемых культурах, что определяет необходимость обеспечения эффективной аэрации теплицы. Заводская поставка поликарбонатных теплиц требует от застройщика значительных единовременных затрат, увеличивает срок окупаемости сооружения и снижает рентабельность производства. В связи с этим экономически приемлемым решением является изготовление каркаса теплицы в построечных условиях из прокатных стальных профилей с узловыми соединениями на сварке с последующей укладкой поликарбонатных панелей, позволяющее значительно сократить затраты на строительство и не требующее специального оборудования. Для практической реализации такого технического решения необходимо обоснование оптимальных строительных параметров каркаса.
Основная часть. Поликарбонатные теплицы круглогодового и сезонного использования находят всё большее применение в хозяйствах различных форм собственности. Спрос на теплицы обусловлен значительным увеличением выхода сельскохозяйственной продукции из культивационного сооружения по сравнению с открытым грунтом, а также экономией энергозатрат на отопление в холодный период года. Одним из факторов, отрицательно влияющим на выход тепличной продукции, является высокая внутренняя температура воздуха в тёплый период года. Так, по требованиям норм технологического проектирования теплиц НТП 10–95 температура воздуха для плодоношения огурцов и томатов должна находиться в пределах 22–
26 °С. Однако в летнее время температура в теплицах с поликарбонатной кровлей при отсутствии вентиляции вследствие парникового эффекта может достигать 45–50 °С, что значительно снижает урожайность выращиваемых культур.
Эффективно снизить внутреннюю температуру можно посредством удаления перегретого воздуха через ленточный аэрационный проём в верхней части покрытия теплицы [15]. Регулирование температуры в сооружении осуществляется подъёмом коньковой части кровли.
Необходимые для требуемого снижения внутренней температуры аэрационные параметры (ширина проёма в верхней части покрытия, высота подъёма коньковой части кровли) определялись на модели теплицы, изготовленной в масштабе 1:5 применительно к теплице пролётом 9 м (рис. 1, а). Устанавливаемые в процессе исследования параметры считались достаточными, если температура воздуха внутри модели незначительно отличалась от наружной. Для определения рациональных параметров варьировались ширина проёма (a) в покрытии модели теплицы и высота (h) подъёма верхней части кровли (рис. 1, б). Для измерения наружной и внутренней температуры воздуха использовался дистанционный пирометр. На рис. 1, б на раздельных осях абсцисс указаны соотношения исследованных аэрационных параметров, по оси ординат – перепад температур между наружным и внутренним воздухом
, (1)
где 
– температура воздуха на открытой местности, °С; 
– температура воздуха внутри модели теплицы при открытом вентиляционном проёме, °С.
Результаты исследования позволяют сделать следующие выводы:
- температура воздуха в модели сооружения примерно соответствовала наружной температуре (разность температур » 1 °С) при ширине открытого вентиляционного проёма равной 0,2 пролёта (ширины) модели – график 1 на рис. 1, б;
- примерное равенство наружной и внутренней температур (разность температур » 1 °С) обеспечивалось при высоте подъёма (h) коньковой части кровли равной 0,5 ширины вентиляционного проёма (a) равной 0,2L – график 2 на
рис. 1, б.
а) б)
Рис. 1. а – модель теплицы; б – результаты исследования:
1 – влияние соотношения ширины проёма (a) к пролёту модели (L) на перепад температур ∆t, °C;
2 – влияние соотношения высоты подъёма кровли (h) к ширине проёма(a) на перепад температур ∆t, °C
Рис. 2. Конструктивная схема теплицы:
1 – сплошная рама из швеллеров;
2 – прогоны из гнутых или прокатных профилей;
3 – затяжка
Полученные результаты могут быть экстраполированы на реальные культивационные сооружения, в том числе и рамной конструкции (рис. 2), характеризуемой лучшим коэффициентом ограждения (отношением площади ограждающих конструкций к площади застройки), чем арочная теплица. Так, для рамной теплицы площадью 500 м2 с оптимальными объемно-планировочными параметрами коэффициент ограждения равен 1,55, для арочной теплицы такой же площади – 1,65. То есть, примерно на
6 % площадь поликарбонатного ограждения и теплопотери в холодное время года у рамной теплицы будут меньше.
Заводская поставка и монтаж теплиц требуют значительных единовременных затрат, изменяющихся в зависимости от типа сооружения и его инженерного оснащения от 2 до 5 тысяч руб/м2 [6], что в дальнейшем может обусловить нерентабельность производства. Значительно сократить затраты на строительство (в 2–3 раза) возможно при изготовлении теплицы непосредственно в хозяйстве. С целью снижения затрат обосновывались объёмно-планировочные параметры сооружения, разрабатывалась и оптимизировалась конструктивная схема теплицы построечного изготовления из прокатных профилей с узловыми соединениями на сварке (рис. 2). Площадь теплицы в соответствии с номенклатурой теплиц для фермерских хозяйств в нормах технологического проектирования теплиц НТП10-95 принималась равной 500 м2. Определялся оптимальный пролёт сооружения, соответствующий минимуму коэффициента ограждения (КОГР)
, (2)
где h– высота продольного светопрозрачного ограждения (в соответствии с СП 107.13330.2012 «Теплицы и парники» для ангарных теплиц минимально равная 1,5 м); L и А – соответственно пролёт и длина теплицы (А = F/L, где F – принятая площадь теплицы); α – угол наклона скатов кровли (не менее 25о по СП 107.13330.2012).
Заменив 
в формуле (2) и продифференцировав выражение по L, после преобразований получим кубическое уравнение, из которого после подстановки h иtgαустановим пролёт теплицы, соответствующий минимуму коэффициента ограждения: 
Для определения оптимальных строительных параметров каркаса устанавливались закономерности изменения расхода металла на основные конструктивные элементы теплицы (прогоны, рамы) в зависимости от влияющих на них факторов. Для прогонов из швеллеров при угле наклона скатов α=30о установлена зависимость расхода стали на 1м2 площади теплицы
, (3)
где a – пролёт прогона (шаг рам каркаса), м;
– нормативное значение нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия, кН/м2; b – расстояние между прогонами, м.
Из зависимости (3) следует, что с увеличением шага прогонов расход стали на них снижается (величина b находится в знаменателе). Максимальный шаг прогонов (bмах), ограничиваемый предельно допустимой деформацией кровельных поликарбонатных панелей (f), определялся из формулы
, откуда
, (4)
где Е – модуль упругости поликарбонатных листов равный 2 300Н/мм2 по DIN 53457; I – момент инерции 1м ширины поликарбонатного листа толщиной 16 мм равный
9,75 см4[6]; k – коэффициент, учитывающий прогиб листов при многопролётной схеме опирания равный 0,0068 [16].
Установлено, что для I снегового района по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»
(qH =0,22 kH/м2) bmax = 1,20 м, для II района (qH = 0,424кH/м2) – 1,0 м, для III района
(qH =0,636 kH/м2) – 0,85 м.
Для нахождения закономерностей расхода стали на рамы каркаса теплицы применялась статистическая обработка результатов вычислений [17–19]. Так, для I – III снеговых районов установлены следующие зависимости расхода стали на рамы каркаса
кг/м2, (5)
кг/м2, (6)
кг/м2, (7)
Cварные рамы каркаса сплошного сечения рассчитывались как бесшарнирные. По сравнению с более лёгкими сквозными рамами сплошные рамы проще в изготовлении, монтаже и защите от коррозии в условиях фермерского хозяйства. Элементы рам подбирались из прокатных швеллеров по ГОСТ 8240 – 97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент». Расход стали на рамы определялся в основном вертикальной нагрузкой, изменение ветровой нагрузки от 0,20 до 0,40 кН/м2 расход стали увеличивало незначительно.
Шаг рам, соответствующий минимуму расхода стали на каркас сооружения для конкретного снегового района, устанавливался суммированием зависимости (3) и соответствующей зависимости из (5–7), дифференцированием полученного выражения по a и подстановкой в производную значений LОПТ и qН. Так, для I
снегового района при LОПТ = 12 м и
qH = 0,22 kH/м2 оптимальный шаг рам каркаса a ОПТ = 6,35 м, для II района a ОПТ=5,55м, для III района a ОПТ= 5,15 м. Для установленных оптимальных значений шага рам удельный расход стали на каркас в I, II и III снеговых районах соответственно равен 7.9, 10.0 и 11.8 кг/м2.
Выводы. Показана возможность аэрации поликарбонатных теплиц арочной и рамной конструктивных форм посредством устройства ленточного вентиляционного проёма в коньковой части сооружения и перемещения верхней части кровли в вертикальной плоскости. Экспериментом на модели теплицы определены необходимые для требуемого снижения внутренней температуры аэрационные параметры в функции пролёта теплицы.
С целью снижения единовременных затрат для малых форм хозяйствования предложена однопролётная теплица построечного изготовления с рамным каркасом из прокатных профилей с узловыми соединениями на сварке. Обоснованы рациональные строительные параметры сооружения.
1. Блажнов А.А. О применении сотового поликарбоната в ограждающих конструкциях зимних теплиц // Вестник строительства и архитектуры. 2017. №6. С. 96–106.
2. Саттарова Р. Сотовый поликарбонат – теплосберегающее покрытие для фермерских теплиц // ГАВРИШ. 2017. №2. С. 48–49.
3. Мухачёв А.Д. Применение поликарбонатов в качестве энергоэффективной светопрозрачной конструкции // Образование, наука, производство: материалы VII Междунар. молодежного форума. БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород: Изд-во БГТУ. 2015. С.1326-1329.
4. Нуралин Б.Н., Некрасов В. Г., Мурзагалиев А.Ж., Шевченко С.А., Константинов М.М. Зимние теплицы для континентального климата // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. №3(65). С.81–84.
5. 5.Новикова Ю.К., Голованова Л.А. Обзор современных светопрозрачных материалов // Новые идеи нового века - 2015: материалы ХV Междунар. науч. конф. ФАДТОГУ. Хабаровск: Тихоокеанский государственный университет. 2015. Т.3. С. 260–265.
6. Блажнов А.А., Фетисова М.А. Производственные сооружения для фермерских хозяйств. Орёл: ООО ПФ «Картуш». 2017,132с.
7. Юдаев И.В. Изучение светопропускающих свойств сотового поликарбоната–покровного материала круглогодичных теплиц // Научный журнал Кубанского ГАУ. 2016. №120(06). С. 239-252.
8. Свойства поликарбоната и его широкое применение в современном мире [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL: https://promresursy.com/materialy/polimery/policarbonat/svoistva.html(дата обращения: 14.10.2019).
9. Преимущества поликарбонатных теплиц[Электронный ресурс].Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL:https://samostrojka.ru/materialy/preimushhestva-polikarbonatnyh-teplic.html (дата обращения: 14.10.2019).
10. Теплицы Фермер от производителя [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader.URL:msk.teplicy.ru(дата обращения:14.10.2019).
11. Теплицы из поликарбоната: преимущества и недостатки [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL:https://dekoriko.ru/teplica/iz-polikarbonata-preimushchestva-i-nedostatki(дата обращения: 14.10.2019).
12. Қазақстанда поликарбонаттан жасалған жылыжайлар [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL:https://satu.kz/Teplitsy-iz-polikarbonata.html (дата обращения: 11.10.2019).
13. 13.Теплиці з полікарбонату в Україні [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL: https://prom.ua/Teplitsy-iz-polikarbonata.html (дата обращения: 15.10.2019).
14. Цяпліцы беларускай вытворчасці [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL:https://pan.by/dacha-i-sad/teplitsy-parniki-i-ukryvnoy-material/teplitsy-belarus(дата обращения:15.10.2019).
15. Пат.193004, Российская Федерация, МПК А01G9/24(2006.01). Устройство для естественной вентиляции теплиц / А.А.Блажнов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Орловский ГАУ. № 2019102444; заявл. 29.01.2019; опубл. 09.10. 2019, Бюл. №2 8.
16. Справочник проектировщика. Расчётно-теоретический/ под ред. А.А.Уманского. В 2 кн. Кн.1. М.: Стройиздат. 1972, 600 с.
17. Елисеева И.И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики. М.: Финансы и статистика. 2004, 656 с.
18. Айвазян С.А. Прикладная статистика. Основы эконометрики. М.: ЮНИТИ-ДАНА. 2013, 432 с.
19. Елисеева И.И. Практикум по эконометрике. М.: Финансы и статистика. 2005, 192 с.
