26.11.2002 10:08
Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства .СЗНИИМЭСХ
189625 Санкт-Петербург-Павловск, п.о. Тярлево, Фильтровское шоссе, 3
В статье рассмотрены новые методы использования биотоплива для получения тепловой энергии в плёночных теплицах, основанные на комплексном использовании переработанных твёрдых бытовых отходов (ТБО) и .внепиковой. электроэнергии. Приведена структура системы биоэлектрообогрева и обоснование выбора этой системы.
ВВЕДЕНИЕ
Овощеводство защищённого грунта вообще и плёночные теплицы в частности является весьма энергоёмкой отраслью сельского хозяйства. Тепловая энергия в овощеводстве защищённого грунта расходуется на нагрев почвы и воздуха, поливной воды и т.д.. Суммарное значение совокупных затрат на отопление, т.е. стоимость топлива и тепловой энергии, амортизационные отчисления от стоимости оборудования, заработная плата персонала, обслуживающего систему отопления, стоимость текущего ремонта и другие затраты, составляют от 30% до 50% всех расходов на производство овощей в защищённом грунте в течении отопительного периода [1].
Основным культивационным сооружением для производства рассады и овощей является плёночная теплица. Обогрев плёночных теплиц осуществляется следующими способами:
1) за счёт тепличного эффекта, возникающего в культивационных сооружениях в результате проникновения солнечной радиации (солнечный обогрев);
2) путём разложения аэробными бактериями органических материалов с выделением тепла (биологический обогрев);
3) сжигании топлива (технические виды отопления .водяное, воздушное, прямое сжигание газа в теплицах);
4) использованием геотермальных вод (технические виды отопления .водяное и калориферное);
5) трансформацией электрической энергии в тепловую путём пропускания электрического тока через проводники с большим удельным сопротивлением (технический вид отопления .электрическое).
Специфика эксплуатации плёночной теплицы заключается в сезонности её работы, в обязательной консервации на зиму, в необходимости размораживать и разогревать тепличный грунт весной. Особенности работы систем обогрева плёночной теплицы предопределяют способы экономии энергозатрат на производство рассады и овощей.
Рост цен на традиционные энергоносители приводит к увеличению себестоимости продукции овощеводства защищённого грунта, и снижению рентабельности тепличного овощеводства. В этих условиях ведётся разработка новых, более дешёвых способов получения тепловой энергии для обогрева теплиц.
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Одним из таких способов может являться комплексное использование технического обогрева культивационных сооружений с биологическим обогревом, ресурсы которого огромны и разнообразны. По определению Н.В.Виноградова [2], П.В.Шереметьевского [3], А.Ф.Касаткина [4]и др. мусор, навоз, корьё, орешек хлопчатобумажных фабрик и другие отбросы растительного и животного происхождения называются биотопливом. Основываясь на работах П. В. Шереметьевского [3], В.И.Эдельштейна [5] Н.Н.Юскевича [6] к биотопливу также можно отнести и переработанные механизированным способом ТБО.
Биотопливо как источник тепловой энергии для обогрева теплиц применяется давно. Значение биотоплива в овощеводстве настолько велико, что на его основе до начала 60-х годов развивалось почти всё теплично-парниковое хозяйство страны. Применение биотоплива, не смотря на ряд существенных недостатков (затраты большого количества ручного труда, трудность регулирования температуры, наличия в некоторых случаях опасных концентраций тяжёлых металлов), имеет свои преимущества: углекислота, выделяющаяся при разложении органических веществ биотоплива, способствует росту и развитию растений; в процессе разложения органического вещества образуется перегной, который может служить хорошим органическим удобрением.
При выборе видов биотоплива должны быть учтены следующие свойства и показатели [1]: быстрое разогревание (5.7 дней) до максимальной температуры; продолжительный период .горения. в культивационном сооружении (60.100 дней в зависимости от культуры и климатических условий); удовлетворительные величины максимальной (60.70 0С) и средней (25.32 0С) температуры .горения.; отсутствие токсических для растений веществ и вредных для людей газов, опасных включений; возможность последующего использования перегноя в качестве удобрения или для других производственных нужд.
Виды биотоплива можно разделить на три группы (см. табл): навоз различных животных, органические отходы города и промышленности, прочие виды биотоплива [7]:
Таблица
Вид биотоплива
Максимальная температура при .горении., 0С
Средняя температура .горения. в теплице, 0С
Продолжительность .горения., сутки
Заводской компост из бытового мусора
Навозная масса :
- конская
- коровья
- овечья
Древесные опилки
50.60
60.65
40.52
55.60
30.40
30.35
33.38
12.20
30.35
15.20
120.180
70.90
75.100
90.120
40.60
В наибольшей степени вышеперечисленным требованиям отвечает компост из ТБО, переработанных механизированным способом на мусороперерабатывающих заводах. Кроме хороших температурных показателей (см. табл.), он отличается почти полным отсутствием неорганических включений, однородностью, отсутствием вредных и неприятных запахов, возбудителей болезней, опасных для растений и человека, -компост на заводе стерилизуется. При этом решается одна из важных экологических проблем больших городов .утилизация ТБО.
Метод укладки биотоплива в теплицу достаточно традиционен и претерпел незначительные изменения с течением времени использования биотоплива для обогрева в защищённом грунте [8]. Укладка биотоплива в теплицу, ранее производимая при помощи ручного труда позднее заменённого машинами, производиться во второй декаде февраля .первой половине марта. К недостаткам данного метода можно отнести:
1) низкую скорость разогрева биотоплива .равномерное по всей площади теплицы .горение. компоста наблюдается через 14 дней после набивки теплиц;
2) необходимость разрыхления биотоплива для активизации процесса .горения.;
3) невозможность управления процессом .горения. биотоплива.
Для уменьшения влияния вышеперечисленных недостатков в лаборатории применения электротехнологий в овощеводстве защищённого грунта СЗНИИМЭСХ ведётся работа по комплексному использованию биотоплива из ТБО и .внепиковой. электроэнергии для обогрева весенне-летних плёночных теплиц. Исследования различных нетрадиционных источников энергии, проведённые в СЗНИИМЭСХ показали, что совместное использование биотоплива и .внепиковой. электроэнергии позволит экономить до 30% тепловой энергии при выращивании продукции в весенне-летних плёночных теплицах.
Нами предлагается иной метод укладки биотоплива в теплицу. В основе этого метода лежит система биоэлектрообогрева (рис.1). Все исследования ведутся на экспериментальной установке расположенной на территории СЗНИИМЭСХ.
Экспериментальная установка представляет собой теплицу площадью 13 м2, с двумя параллельными грядами (5x0,9 м) . В каждой гряде уложено устройство биоэлектрообогрева (рис.1), состоящее из нагревательного провода, расположенного в слое песка (П), поверх которого уложены биотопливо (Б) и грунт (Гр) на котором произрастают растения
Рис.1 Система биоэлектрообогрева теплицы (вариант 1):
Гр .растительный слой почвы теплицы; Б .слой биотоплива; П .слой песка;
Н.Э. .нагревательный элемент
На рисунке 2 представлены графики изменения температуры .горения. биотоплива уложенного в теплице [7], снятые в разные годы эксплуатации теплицы.
а)
б)
Рис.2 Интенсивность .горения. биотоплива а) .данные за 1972 .1974 гг.; б) .данные за 1975 .1976 гг.
Как видно из рисунка 2 в 1975 .1976 г.г. процесс разогрева биотоплива проходил медленнее, чем в 1972 .1974 г.г.. Максимальной температуры биотопливо достигло только в конце июля. Такое различие в скорости разогрева, а следовательно и в скорости прохождения микробиологических процессов объясняется различной влажностью компоста, которая, как известно, является одним из факторов, регулирующих интенсивность размножения микроорганизмов. Кроме физико-химического состава биотоплива на скорость разогрева и интенсивность .горения. биотоплива влияют следующие факторы: степень разогрева компоста перед набивкой, толщина слоя биотоплива, способ укладки биотоплива, погодные условия. Такой сдвиг пика .горения. биотоплива в зависимости от внешних воздействий окажет отрицательное влияние на рост и развитие растений, особенно в ранние сроки эксплуатации теплицы. Поэтому использование дополнительного подпочвенного обогрева, в виде нагревательного провода расположенного в слое песка, представляется ещё более актуальным.
Данный вариант системы биоэлектрообогрева, сочетая в себе как достоинства систем электрообогрева (постоянная готовность к действию, обеспечение более равномерного нагрева почвы и воздуха, возможность автоматизации и минимальные затраты на их обслуживание), так и биообогрева, обладает следующими преимуществами:
1) использование нагревательного провода в сочетании с биотопливом позволит использовать электроэнергию лишь в часы провалов графика нагрузок энергосистемы, так как в данном случае электрообогрев используется для разогрева биотоплива на начальном этапе эксплуатации теплицы и далее используется только как источник аварийного обогрева;
2) заглубление биотоплива в грунтовый массив должно обеспечить высокую скорость разогрева биотоплива уложенного в теплице (при этом необходимо обеспечить хорошую теплоизоляцию устройства электрообогрева).
Для хозяйств, в которых уже имеется технический обогрев почвы предпочтительнее будет вариант размещения слоя биотоплива поверх устройства технического обогрева (без заглубления биотоплива в почву). Затраты на работы как по подготовке теплицы к эксплуатации, так и при консервации теплицы на зиму будут минимальны, по сравнению с первым вариантом. Кроме того, при использовании специально разработанных СЗНИИМЭСХ и СоюзДорНИИ асфальтобетонных нагревательных устройств [9], обладающих высокими механическими и электроизоляционными свойствами, будут все достоинства систем электрообогрева и хороший теплоаккумулятор на основе асфальтобетона, что позволит более эффективно использовать .внепиковую. электроэнергию.
ВЫВОДЫ
1) Традиционно применяемый метод использования биотоплива для обогрева теплицах обладает некоторыми недостатками (низкая скорость разогрева биотоплива, необходимость разрыхления биотоплива для активизации процесса .горения., невозможность управления процессом .горения. биотоплива), которые снижают эффективность использования для этих целей биотоплива из ТБО.
2) Предложенные варианты систем биоэлектрообогрева позволят поддерживать требуемые параметры микроклимата весенне-летней плёночной теплицы при меньшем расходе электроэнергии затрачиваемой на обогрев. Кроме того, наиболее равномерный нагрев питательного слоя почвы позволит получать одинаковый выход продукции по всей площади весенне-летней плёночной теплицы.
3) Первый вариант системы биоэлектрообогрева целесообразно применять в случае проектирования и строительства новых систем обогрева плёночных теплиц. Достоинствами данного варианта являются высокая скорость разогрева биотоплива и, в случае хорошей теплоизоляции, небольшие теплопотери в грунтовый массив. К недостаткам можно отнести высокие капитальные затраты на строительство и затраты на работы по запуску в эксплуатацию и консервации теплицы.
4) В случае модернизации имеющейся системы технического обогрева (подпочвенного) следует применять второй вариант системы биоэлектрообогрева теплицы. К достоинствам данного варианта можно отнести меньшие (по сравнению с первым вариантом) капитальные затраты на модернизацию и затраты на работы по запуску в эксплуатацию и консервации теплицы. Однако, вследствие увеличения теплопотерь с боковых поверхностей биотоплива, возникает необходимость в повышении мощности системы технического обогрева.
5) В обоих вариантах систем биоэлектрообогрева остаётся открытым вопрос о скорости протекания процессов разложения органических остатков в компосте в случаях анаэробного и аэробного процессов разложения (в первом варианте .без доступа воздуха, во втором .при наличии открытых боковых поверхностей биотоплива). Кроме того, физиологическая сторона явления самосогревания не может ещё считаться до конца выясненной, так как спорным остаётся вопрос о том, какие вещества .белки, жиры или углеводы имеют наибольшее значение в этих процессах. Имеются различные взгляды на данные проблемы [6, 10, 11, 12], и эффективность того или иного варианта системы биоэлектрообогрева плёночных теплиц будет зависеть как от внешних климатических условий окружающей среды, так и от физико-химических и теплофизических свойств самого компоста.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А.Брызгалов, В.Е. Советкина, Н.И.Савинова .Овощеводство защищённого грунта. .Л., .Колос., 1983. .352 с.
2. Н.В.Виноградов .Использование мусора в совхозах и колхозах. -М., .Биомедгиз., 1938
3. П.В.Шереметьевский .Использование городского мусора в овощеводстве. -М, 1951
4. А.Ф.Касаткин .Использование навоза и его заменителей для обогрева парников и утеплённого грунта. .Минск, 1950
5. В.И.Эдельштейн .Набивка парников биотопливом. / Московский колхозник, ≤2, 1956
6. Н.Н.Юскевич "Исследование применения биотоплива из городского мусора при механизированной биотермической подготовке" Автореф. на соиск. уч. ст. к.с.н.,М,1966
7. А.В. Попов, З.С. Васяева, И.И. Багрова .Применение удобрений из бытовых отходов.. .Л.: .Лениздат., 1977. .62 с
8. .Рекомендации по использованию компоста из твёрдых бытовых отходов в качестве биотоплива в плёночных теплицах.. .М.: .Россельхозиздат., 1983. .20с.
9. .Методические рекомендации по эксплуатации автоматических систем электрообогрева и подпочвенного орошения плёночных теплиц. .Л., 1979
10. .Обезвреживание, переработка и использование ТБО. -М,ОНТИ АКХ им. К.Д.Памфилова,1975,вып.119;
11. В.И.Одесс .Использование ТБО. -М, ЦНИИТЭИМС, 1990, вып.1;
12. С.В.Дуденков .Рациональное использование ТБО. -М, ВИНИТИ, 1984, т.15.
METHODS OF MUNICIPAL SOLID WASTE USTILIZATION IN PROTECTED VEGETABLE-GROWING
Vadim V. Bugaev
North-West Research Institute of Agricultural Engineering and Electrification .SZNIIMESH
Saint-Petersburg-Pavlovsk, P.O.Tiarlevo, 189625, Russia
Summary
Protected vegetable-growing is a highly power-consuming branch of agriculture. The prices on fossil fuels and electricity are constantly going up and the use of these conventional sources of thermal energy for greenhouse heating results in high heating costs and, consequently, in high prime cost of vegetables grown on protected grounds - hence the urgent need for new methods of obtaining thermal energy for this purpose.
A possible solution is a combination of technical and biological heating of greenhouses. The investigation into various renewable energy sources conducted at SZNIIMESH has shown that application of biofuel together with off-pick electric power allows to economise up to 30% of thermal energy in plastic film greenhouses in spring and summer. The SZNIIMESH laboratory of electrical technologies application in protected cultivation is working on the combined use of biofuel obtained from municipal solid wastes and off-pick electric power for greenhouse heating.
Experiments are set up in a 13 m2 greenhouse with two parallel planting beds (5x0,9 m). In each planting bed a bio-electrical heating device is installed that consists of a heating cable placed in a sand layer with overlying biofuel and soil with growing plants.
Municipal solid wastes, processed at wasteplex, serve as biofuel. Despite a number of essential drawbacks (substantial manual labour expenses, the difficulty in temperature control, presence of hazardous concentrations of heavy metals in some cases), biofuel application has its own advantages: decomposing of biofuel organic matter results in carbon dioxide emission that promotes plants growth and development and humus formation that serves as a good organic fertilizer. The use of processed municipal solid wastes as biofuel improves general environmental conditions on farms, cities and industrial enterprises.
The impossibility to monitor the process of biofuel warming up and to control biofuel combustion mode when applying it in a greenhouse is one of the of pricipal biofuel drawbacks. The solution of this problem lies in the heating cable as a part of a bioelectrical heating system underlying biofuel. The heating cable is placed in a layer of sand and is actuated in the hours of the off-pick electric power usage.
The offered system of bio-electrical heating allows to maintain required parameters of greenhouse microclimate consuming less electric power for heating. Besides more even heating of a nutrient layer of planting beds allows to receive the same yield of vegetables from all over the plastic film greenhouse in spring and summer.
РОТОРНО-ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СЖИГАНИЯ МАЗУТА
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.