WYKORZYSTANIE MAGAZYNÓW CIEPŁA DO OBNIŻENIA KOSZTÓW OGRZEWANIA SZKLARNI

Nr 4/5/6/91

WŁODZIMIERZ SMOLEC

Zakład Fizyki Ciała Stałego PAN w Zabrzu

WYKORZYSTANIE MAGAZYNÓW CIEPŁA DO OBNIŻENIA KOSZTÓW OGRZEWANIA SZKLARNI

Jedną z technik wykorzystywanych do obniżenia kosztów ogrzewania szklarni jest zastosowanie magazynów ciepła. Przez znaczną część roku, przy odpowiednich warunkach pogodowych, temperatura powietrza w tradycyjnych szklarniach w ciągu dnia podnosi się tak bardzo, że zacho- dzi konieczność ich wietrzenia. Przy zastosowaniu różnego rodzaju ma- gazynów ciepła w okresie wiosny, jesieni, a nawet zimą, zbyt wysoka temperaturę powietrza można obniżyć (bez potrzeby wietrzenia), a zma- gazynowane przy tym ciepło wykorzystać do ogrzewania szklarni wie- czorem 1 nocą. len ważny, praktyczny problem stał się przedmiotem badań w wielu krajach, począwszy cd lat 70-tych. W ich wyniku opra- cowano cały szereg różnych rozwiązań. Jednakże informujące o nich publikacje w prasie naukowej mają zwykle charakter jakościowy a nie ilościowy, z tego względu nie można z zadowalającą dokładnością ocenić jak duże oszczędności w zużyciu paliw można tą drogą osiągnąć w wa- runkach klimatycznych Polski.

Możliwości zaoszczędzenia paliw w szklarniach przy wykorzystaniu magazynów ciepła są u nas mało znane [1] mimo rosnących z roku na rok w minionej dekadzie trudności w uzyskaniu mazutu a nawet odpo- wiednich ilości węgla grubego i koksu niezbędnych do ich ogrzewania.

Stosowane w szklarniach magazyny ciepła można podzielić na dwa

typy: |

— magazyny należące do pierwszego nie mają możliwości regulowa- nia chłodzenia wnętrza szklarni ani ich ogrzewania (magazyny bierne).

Najczęściej są to pojemniki z wodą lub z piaskiem czy kamieniami umie- szczone we wnętrzu szklarni;

— magazyny drugiego typu dają zarówno możność regulowania chło- dzenia szklarni jak i cgrzewania (magazyny czynne, magazyny z wymu- szoaym przepływem powietrza). Zmagazyncwane ciepło może być w tym przypadku wykorzystane o dowolnej porze dnia.

Zmniejszenie zużycia paliw do ogrzewania szklarni osiągnąć można również stosując pompy ciepła lub zestawy kolektorów płaskich [2]. Są to jednak rozwiązania zdecydowanie droższe niż omawiane w artykule

techniki wykorzystujące do ogrzewania nadmiarowe ciepło powstające często w szklarniach.

Bierne magazyny ciepła

Prowadzone w Danii badania nad wykcrzystaniem energii promienio- wania słonecznego do ogrzewania szklarni wykazały możliwość nie kosz- townezo wydłużenia okresu wykorzystania szklarni (o 2 miesiące), bez dodatkowego zużycia paliw, dzięki zastcsowaniu prestych magazyrow ciepła [3].

Eksperyment przeprowadzono przy użyciu szk'arni o powierzchni 12 m? i cbjętości 18 m». W szklarni umieszczone zostały (przy jej pół- nocnej stronie) cztery stalowe beczki wypełnione wodą (z dodatkiem środka zapobiegającego zamarzaniu), o łącznej pojemności 0,8 m?. Beczki pomalowane były od zewnątrz czarną matową farbą. Przez cały czas trwania eksperymentu mierzono temperaturę ziemi w szklarni, tempera- turę powietrza w szklarni i na zewnątrz oraz temperaturę wcżzy w becz- kach. W szklarni uprawiano pomidory i melony od nasion do zbiorów.

Pomiary prowadzono od wicsny 1986 r. do jesieni 1987 r. (w tym okre- sie miała miejsce zima najzimniejsza od 30 lat).

Uzyskane wyniki wykazały, iż w listopadzie temperatura powietrza w szklarni nie spadła poniżej 0C, mimo 1ż były dni, gdy na zewnątrz opadała ona do —5C. Dopiero w połowie grudnia, gdy temperatura po- wietrza na zewnątrz opadła do —10?C, temperatura w szklarni spadła poniżej 0?C. Wiosną 1987 roku, począwszy cd drugiej połowy n:arca, tem- peratura w szklarni stale była dodatnia, pomimo występujących do kcńca kwietnia spadków temperatury otoczenia do —59C.

Autor publikacji [3] pozytywnie ocenia uzyskane wyniki i twierdzi, że zastosowanie tego rozwiązania w dużych szklarniach da jeszcze lepsze . wyniki niż w małej doświadczalnej szklarni, w ktćrej eksperyment zo- stał przeprowadzony.

Użycie wody jako medium magazynującego ciepło posiada jednak istotną niedogodność wynikającą ze stosunkowo szybkiego oddawania nagromadzonego ciepła. Jest to związane z ruchem konwekcyjnym wody w zbiorniku, spowodowanym różnicą temperatur wcdy w ро- bliżu ściany zbiornika i wody znajdującej się w jego głębi. W wyniku ruchu konwekcyjnego stosunkowo szybko następuje spadek temperatury wody w zbiorniku. Celem zapobieżenia zbyt szybkiemu oddawaniu ciepła przez magazyn ciepła, w szklarniach stosowane jest inne rozwiązanie,

w których obok wody wykorzystuje się piasek lub żwir jako media ma- . gazynujące. Rozwiązanie to jest przedmiotem badań w różnych krajach.

Wykorzystanie magazynów ciepła 77

b

Poniżej przedstawione są wyniki doświadczalne uzyskane dla takiego kombinowanego magazynu ciepła w ZSRR.

Eksperyment przeprowadzono przy użyciu dwóch takich samych szklarni, w których zainstalowane były oba rozważane powyżej typy magazynów ciepła [4]. W jednym przypadku był to prostopadłościenny zbiornik wypełniony wodą (rozmiary 200X30X33 cm). Masa wody wy- nosiła 200 kg. W drugim przypadku obok prostopadłościennego zbiornika wypełnionego wodą (rozmiary 140X15X50 cm) umieszczone były dwa stelaże, na których na trzech poziomach umieszczone były po trzy po- jemniki z piaskiem (uzyskiwano tym sposobem dużą powierzchnię kon- taktu piasku z otaczającym powietrzem). Łączna masa wody i piasku wynosiła 200 kg, tyle samo ile masa wody w pierwszej szklarni.

W ramach eksperymentu mierzono temperatury powietrza w szklarni 1 па zewnątrz oraz temperatury wody i piasku. Wyniki pomiarów prze- prowadzone w dniach 21—22 XI 1982 r. przedstawione są na rysunku 1.

Jak wynika z wykresów, kombinowany magazyn ciepła posiada wyraźną

2° 1

oF _{2 £} # 1 _{7% :}

8 5- _{2 AM} i 7 NG ₄

а id %e

3 $4 4

20- $9. + %

—4 T T T T 7 T T T T T —

7 9 17 I 15 7 i? 2] 23 1 3 5 7

( godz.)

Rys. 1. 1 — temperatura powietrza w szklarni ze zbiornikiem wody jąko magazy- nem ciepła; 2 — temperatura powietrza w szklarni z kombinowanym ma- gazynem ciepła (woda i piasek); 3 — temperatura otoczenia.

przewagę nad magazynem wodnym. Jego użycie zapewnia większe wy- chłodzenie wnętrza szklarni podczas silnego nasłonecznienia. Ponadto, w godzinach popołudniowych i nocnych pozwala utrzymać w szklarni wyższą temperaturę niż magazyn wodny.

Na rysunku 2 przedstawicny jest schemat doświadczalnej szklarni (Francja) wykorzystującej również kamienie i wodę do magazynowania ciepła [2]. Na uwagę zwraca wykorzystanie przez konstruktorów natu-

COLLIE JE 7

| W

L 3

|

Rys. 2. Szklarnia z kombinowanym magazynem ciepła (Francja: 1 — półki; 2 — zbiorniki z wodą; 3 — kamienie; 4 — zwierciadło kierujące odbite promie- niowanie słoneczne na południową stronę szklarni.

ralnej rzeźby terenu w celu zmniejszenia strat ciepła: od północy szklar- nia opiera się na zboczu wzgórza. Wykorzystanie obu tych czynników umożliwiło uzyskanie znacznych oszczędności w zużyciu paliw. W okre- sie listopad—marzec, kiedy temperatura powietrza zmieniała się w za- kresie od —4 do +15'C zużycie oleju opałowego w tej doświadczalnej szklarni wynosiło 6 l na 1 m? a w szklarni tradycyjnej 20 | na 1 m.

Zatem oszczędność paliwa wynosiła 70%.

Magazyn z wymuszonym przepływem powietrza

| Powstające w ciągu dnia w szklarniach nadmiarowe ciepło może być gromadzone również przy wykrzystaniu złóż kamiennych. Ten typ ma-

Wykorzystanie magazynów ciepła 79

gazynów ciepła przewyższa możliwościami rozwiązania omówione po- wyżej. Oto jego najważniejsze zalety:

-—- zapewnia możliwość regulowania szybkości chłodzenia szklarni a później jej ogrzewania,

— złoże kamienne będące magazynem ciepła umieszczone jest zwy- kle pod ziemią i nie zajmuje miejsca w szklarni,

— uzyskanie zamkniętego obiegu powietrza między wnętrzem szklar- ni a złożem kamiennym pozwala znacznie obniżyć koszt utrzymywania atmosfery o zwiększonej i kontrolowanej zawartości CO2 (rozgrzane po- wietrze z wnętrza szklarni nie musi być usuwane na zewnątrz gdyż jest schładzane w złożu.) |

Zastosowanie złóż kamiennych do magazynowania ciepła w szklar-- niach w umiarkowanej strefie klimatycznej umożliwia zaoszczędzenie znaczących ilości paliw [5]. Z tego względu zagadnienie to stało się przed- miotem badań w krajach EWG, USA, Kanadzie i w ZSRR. Poniżej przedstawione zostały przykłady rozwiązań konstrukcyjnych złóż kamien- nych współpracujących ze szklarniami.

Na rysunku 3a przedstawiony jest przekrój poprzeczny segmentu

LK GL

TELULLELLEAL, УТРАТИТ

400

Вуз. 3. Szklarnia ze złożem kamiennym (ZSRR): a — przekrój szklarni i jej wy- miary; b — rozmieszczenie złóż kamiennych; I — złoże kamienne; 2 — ka- nały, którymi rozprowadzane jest powietrze do złóż; 3 — wentylator; 4 — wypływy powietrza.

szklarni wraz z umieszczonym poniżej poziomu powierzchni ziemi zło- żem kamiennym (kanałem wypełnionym kamieniami) [6]. Na rysunku 3b przedstawiono schematycznie drogi przepływu powietrza oraz lokalizację złóż. Cała szklarnia miała 80 m długości i 25 m szerokości. Złoża kamien- ne miały wymiary 100X100X900 m i wypełnione były kamieniami o średnicy 5—10 cm. Praca wykonana została w ZSRR.

W ciągu dnia ciepłe powietrze z wnętrza szklarni tłoczone przez wen- tylator, rozprowadzane jest dwoma kanałami do umieszczonych pod zie- mią złóż kamiennych. Powietrze ogrzewa zarówno kamienie wypełnia- jące złoża jak i ziemię. Wieczorem i nocą chłodne powietrze ze szklarni przedmuchiwane jest tą samą drogą przez złoża kamienne i ogrzane powraca do jej wnętrza. Oczywiście, w razie potrzeby szklarnia ogrze-

wana była w sposób tradycyjny. |

Badania przeprowadzono w okresie listopad—marzec (temperatura powietrza spadała do —14C). Obok szklarni wyposażonej w magazyn ciepła znajdowała się identyczna szklarnia kontrolna, która magazynu takiego nie posiadała. Porównując temperaturę powietrza w szklarniach, okazało się, że w dniach słonecznych temperatura w szklarni kontrolnej była o 10—12? wyższa niż w szklarni z magazynu ciepła (wynosiła 35—

40°С). Ма zakończenie autorzy pracy piszą, iż istnieje możliwość za- oszczędzenia tą drogą od 35 do 55% używanego do ogrzewania gazu ziem- nego, w zależności od liczby słonecznych dni w okresie grzewczym.

Na tej <.mej zasadzie co przedstawiony powyżej magazyn ciepła dzia- ła podobny system zbudowany we Francji [7]. W tym przypadku zamiast kamieni materiałem użytym do magazynowania ciepła jest CaCl>: 6H>O.

Związek ten jest jednym z wielu używanych do magazynowania ciepła, w których wykorzystuje się do tego celu przemianę fazową [8]. Wyko- rzystanie przejścia fazowego umożliwia użycie wielokrotnie mniejszej ilości odpowiednio dobranego materiału (np. CaCl.: HO) niż kamieni lub wody do zmagazynownia takiej samej ilości ciepła.

Użyta w doświadczeniu szklarnia miała powierzchnię 2000 m? (rys. 4). | Jej wnętrze podzielone zostało folią polietylenową na 4 części. W bada- niach brały udział tylko dwie części środkowe, jedna część — badawcza i druga — kontrolna. Uwodniony chlorek wapnia zapakowany był w szczelne plastikowe torebki w porcjach o wadze 1,5 kg każda. Torebki te (w sumie 9000 sztuk) umieszczone były w betonowych kanałach pod powierzchnią ziemi, tak że płyty, które te kanały przykrywały wykorzy- stywane były jako przejścia wśród uprawianych w szklarni kwiatów.

Ciepłe powietrze z wnętrza szklarni tłoczone było w ciągu dnia za po- mocą wentylatora przez kanały, po czym wracało ochłodzone. Wieczo- rem i nocą bez zmiany kierunku przepływu powietrza ogrzewano szklar-

nię korzystając z ciepła zawartego w uwodnionym chlorku wapnia.

Wykorzystanie magazynów ciepła 81

Część badawcza szklarni wyposażona była ponadto w izolację cieplną ' wykonaną z pęcherzykowej folii polietylenowej. Wyniki eksperymentu wykazały, że oba elementy, czyli magazyn ciepła i izolacja cieplna po- zwoliły na osiągnięcie oszczędności paliw w ilości 70% w okresie sty- czeń—marzec.

Rys. 4. Szklarnia z magazynem ciepła wykorzystującym przemianę fazowq CaCle-

«6H+O (Francja): a — podział szklarni doświadczalnej, I — część kontrolna;

;II — część badawcza; b — przekrój przez kanał z materiałem magazynują- cym ciepło; 1 — paczki z CaCle:6H20; 2 — izolacja cieplna; 3 — łuki be- tonowe.

77 =- F 5 > ST и

R fa — Lod Z

| \

4 3 2

+

4 | 2 3

Rys. 5. Szklarnia ze złożem kamiennym (USA); a — chło-

dzenie szklarni; 6 — ogrzewanie szklarni; 1 — szkla- rnia; 2 — złoże kamienne; 3 — przepustnice; 4 — wentylator.

6 — Postępy Nauk Rolniczych Nr 4/91

Na rysunku 5 przedstawione jest jeszcze jedno, najbardziej zaawanso- wane spośród omawianych, rozwiązanie magazynu ciepła współpracują- cego z szklarnią. Szklarnia o konstrukcji cylindrycznej ma wymiary 670X1220 cm; magazyn ciepła (złoże kamienne) ma wymiary 300X

X1340X1900 cm [5]. Całość powstała w USA. W warunkach, w których przeprowadzono badania (ciepły klimat Północnej Karoliny) złoże ka- mienne służyło głównie do chłodzenia rczgrzanej atmosfery ze szklarni posiadającej zwiększoną koncentrację CO». Uzyskane wyniki wykazały przydatność złóż kamiennych w takim zastosowaniu.

W niektórych rozwiązaniach we wnętrzach szklarni instaluje się ko- lektory powietrzne i z nich dopiero tłoczone jest powietrze do magazynu ciepła, tak jak pokazano na rys. 6 (Belgia). Kolektor wykonany jest w

„lektor słoneczny ogrzewający powietrze; 2 — złoże kamienne; 3 — wentylator.

tym przypadku z czernionej blachy aiuminiowej i umieszczony w górnej części szklarni. Niekorzystną stroną tego rozwiązania jest zacienienie części upraw przez kolektor. Zapewne z tego powodu jest ono stosowane

bardzo rzadko [2]. |

Podsumowanie

Jak widać z przytoczonych przykładów, magazynowanie ciepła w szklarniach mające na celu ograniczenie zużycia paliw do ich ogrzewania, jest przedmiotem prac badawczych w wielu krajach. Mając na uwadze, że prace te wykonane zostały w krajach o klimacie umiarkowanym, w

Wykorzystanie magazynów ciepła 83

którym znajduje się również nasz kraj, można mieć przekonanie, iż pod- jęcie tej tematyki badawczej byłoby. u nas w pełni uzasadnione. Byłoby to tym bardziej celowe, że produkcja szklarniowa napotyka barierę po- pytu, podczas gdy wykorzystanie magazynowania ciepła może obniżyć koszty ogrzewania szklarni wpływając tym samym na obniżenie cen uzy- skiwanej produkcji. Znajdujące się w zagranicznej prasie fachowej pu- blikacje poświęcone temu problemowi nie są na tyle szczegółowe, by można było w oparciu o nie zaprojektować odpowiadające naszym wa- runkom magazyny ciepła; mogą natomiast posłużyć jako podstawa na- szych badań.

LITERATURA

1 Jarzębski Z.M.: Postępy Nauk Rolniczych, 1/2, 117—130, 1987.

Goedseels V.. Stuyft van der J. (red.): New perspectives for energy sa- vings in agriculture, D. Reidl Publ. Co., Dordrecht, 54—65, 1986.

Sorensen B.: Solar Energy 42, 293—301, 1989.

Radzhbov N.K., Muminov VAA.: Geliotekhnika 1, 44—50, 1984.

Willits DH., Peet M.M:: Trans. ASAE 30, 221—232, 1987.

Umarov G.Y.: Geliotekhnika 4, 67—71, 1981.

Vogt F. (red.): Energy conservation, Pergamon Press, Oxford, 55—73, 1981.

KimuraH., Kai J.: Solar Energy 33, 557—563, 1984. |

>

Ss 2 oF me w

PAŃSTWOWE WYDAWNICTWO ROLNICZE I LEŚNE

POLECA

PTAKI EGZOTYCZNE

Paweł Pogodała -

WARSZAWA 1991, NAKŁAD 30000 EGZ., STRON 215

Jest to pierwsze wydanie książki, którego autorem jest miłośnik i hodowca oraz ekspert międzynarodowy. Ta pięknie ilustrowana publikacja zawierająca 30 barwnych plansz, 8 fotografii i 5 rysunków — wprowadza Czytelnika w cza-

rodziejski świat egzotycznych ptaków.

Autor udziela wyczerpujących odpowiedzi na wiele pytań nurtujących miłośników tych, niezwykle kolorowych ptaków. Autor informuje w jaki spo- sób urządzić klatkę jak należy postępować, aby ptaki wyglądały zdrowo i do- starczały wiele przyjemnych doznań domownikom. Autor uczula Czytelnika — hodowcę ptaków, aby pamiętał o godnych warunkach w naszych domach i dużej odpowiedzialności za ptaki, które są naszymi współlokatorami.

Autor podzielił ptaki na 3 grupy.

1. Ptaki egzotyczne krzywodziobe.

2. Ptaki egzotyczne grubodziobe i cienkodziobe.

3. Kanarki.

W grupie pierwszej podano 26 ptaków. Po krótkim wstępie podano krótką charakterystykę: wygląd ptaka, warunki chowu, pomieszczenia, rozmnażanie i okresy pierzenia. Sporo miejsca poświęcono papużkom falistym, jako jed- nemu z najpospolitrzych ptaków centralnej części Australii. Zamieszczone ta- blice ilustrują podział barwnych papużek falistych w układzie stosowanym przez PZHKiPE, a także skalę punktów dla poszczególnych grup, a także świadectwo oceny papużek falistych.

Drugą grupę stanowią ptaki egzotyczne grubodziobe i cienkodziobe. Autor opisał 37 ptaków, ilustrując siedmioma barwnymi tablicami. W tej grupie znajdują się mewki japońskie, czyżyki, bengaliki, kardynałki, przepiórki. Po- dano, podobnie jak w grupie pierwszej, wygląd ptaków, warunki chowu i rozmnażanie.

- Trzecią grupę stanowią kanarki. Autor dzieli je na: kanarki śpiewaki, kanarki kształtne i kanarki kolorowe. Na dziesięciu barwnych tablicach przedstawiono odmiany kanarków. Podano charakterystykę kanarków rzędu drugiego — czarne. Autor szereguje tę grupę kanarków w VII klas. Kończąc podano nowe mutacje kanarków kolorowych, Omówiono żywienie kanarków

kolorowych w poszczególnych fazach rozwoju.

Publikację kończy piśmiennictwo i skorowidz.

Książka przeznaczona dla miłośników ptaków egzotycznych oraz hodowców, tych zaawansowanych i początkujących. ,

Książkę można nabyć w księgarniach „Domu Książki” oraz w Państwo- wym Wydawnictwie Rolniczym i Leśnym w Warszawie, al. Jerozolimkie 28, po znacznie niższych cenach. ₄