Умная теплица - Николай Иванович Курдюмов
Сколько энергии дойдет до поверхности земли в теплице и превратится в тепло, определяют пять факторов:
• Продолжительность светового дня;
• Угол падения солнечных лучей (минимальный — в декабре, максимальный — в июне);
• Прозрачность атмосферы.
• Прозрачность покрытия теплицы;
• Отражающая способность (альбедо) поверхности почвы в теплице.
Мы не можем влиять на продолжительность светового дня, угол солнца над горизонтом и облачность. Но прозрачность покрытия и степень черноты поверхностей в нашей власти. А эти два фактора могут изменять эффективность использования солнечного тепла в два–три раза! Например, через чистое стекло или пленку проникает около 90% света и тепла, а пыль и грязь на поверхности могут поглощать до 50%. А светлая мульча может еще и отражать до 30% этой проникшей через грязь половины энергии обратно в космос.
То есть в лучшем случае мы можем уловить около 70% энергии, а в худшем — около 30%!
Вывод: чтобы уловить максимальное количество тепла весной, нужно максимально увеличить про пускание света и свести к минимуму его отражение поверхностью почвы и предметами. То есть все поверхности должны быть максимально черными, а покрытие максимально прозрачным. Летом, особенно на юге, наоборот: приходится белить, притенять покрытия и класть светлую мульчу на почву.
Рис. 8
Нагретые солнцем предметы, в свою очередь, тоже излучают тепло, но интенсивность этого излучения существенно меньше солнечной радиации. Теоретический расчет показывает: при температуре поверхности +30 °C и температуре воздуха 0 °C потери тепла, излучённого с квадратного метра, будут составлять лишь около 100 Ватт в час.
Однако воздух в теплице греется не от излучения — для лучей воздух совершенно прозрачен. Если подвесить совершенно прозрачный кубик из плёнки, воздух в нём почти не нагреется. И слава Богу! Если бы воздух мог нагреваться лучами, верхние слои атмосферы пылали бы жаром, а мы внизу мёрзли бы, как на морском дне!
Воздух получает тепло непосредственно от предметов, контактно, через передачу движения молекул — как чайник от плиты. Горячий предмет нагревает воздух, и тёплый воздух поднимается вверх, перенося тепло нагретой поверхности. Так возникает конвективный перенос тепла. Горячая поверхность планеты нагревает атмосферный воздух в основном благодаря конвекции.
В теплице воздух так быстро нагревается именно потому, что мы не позволяем ему улетать — ограничиваем конвективный перенос тепла в очень небольшом объёме. И кардинально удалить лишнее тепло из теплицы мы можем только вместе с воздухом — путём проветривания или охлаждения воздуха. Это еще раз подтверждает, что тепло намного больше переносится нагретым воздухом, чем излучением. Намного — это примерно раз в 5-6. Почва или любой камень в теплице, получая от солнца примерно 600 Вт энергии на каждый квадратный метр, отдает, в грубом приближении, около 100 Вт в виде излучения и около 500 Вт через конвекцию.
Для ясности: Ватт — это Джоуль энергии в секунду.
Чем горячее предмет, тем быстрее он и отдаёт тепло! Когда почва нагрелась до максимума, потоки энергии уравновешиваются: сколько пришло, столько и ушло. Солнце продолжает греть, но температура почвы уже не растет. Некоторое время растёт температура воздуха — почва отдаёт ему своё тепло. Но и воздух отдаёт своё тепло через покрытие теплицы. Вскоре и тут всё уравновешивается: нагрев и остывание воздуха сравниваются. Воздух нагрелся до максимума и больше не греется. В конце концов, потоки энергии вовнутрь теплицы и наружу приходят в равновесие: температуры больше не меняются. Но остаётся разница: внутри намного теплее. Эта разница и поддерживается притоком энергии солнца.
Но Солнце не висит в небе сутки на пролёт!
Аккумуляторы для тепла
Итак, мы поймали энергии, сколько хотели. Точнее, сколько смогли. Воздух в теплице нагрелся до искомых +35 °C. Но если нагрев продолжается, надо немедленно отводить лишнее тепло во избежание перегрева! Открываются форточки, пошел сброс тепла в атмосферу…
Но вот солнце заходит, и температура внутри начинает быстро снижаться, стремясь уравняться с температурой окружающего воздуха. А воздух холодеет все сильнее. А если случится заморозок? Как бы сейчас пригодилось то «лишнее» тепло, которое мы сбросили в атмосферу, опасаясь перегрева! А нельзя ли его запасти впрок?
Можно! Неплохо запасают тепло камни и бетон. Можно делать бетонные стены и полы, складывать «каменки» у стен. Изучая тепличные «каменки», финны обнаружили: самые эффективные камни — диаметром 4-5 см. Они успевают полностью прогреться, а потом полностью отдать запас тепла. Однако хлопотно это! Чтобы полностью сгладить ночной холод, на каждый квадратный метр стекла нужно до половины кубометра камней или кирпичей.
Но лучше всего запасает тепло вода. Многие хитрые граждане с успехом используют для этой цели обычную воду, выстраивая целые батареи из пластиковых бутылок, наполненных водой. И они совершенно правы: вода почти вдвое более теплоёмка, чем песок и гравий, и даже более теплоёмка, чем металл. Один литр воды запасает столько же тепла, сколько 3,25 кубометра воздуха! Иначе говоря: если нагреть на солнце 100 литров воды на 20 градусов, этого тепла хватит, чтобы нагреть на 10 градусов 650 кубометров воздуха. Это, конечно, очень впечатляет.
Куда тепло девается?
Но еще больше впечатляют потери тепла. Вы знаете, сколько тепла теряет обычный жилой дом? Всё, что даёт система отопления! Хорошая теплоизоляция может уменьшить мощность обогревателей, в идеале, до нуля. Это когда дом, как термос. На Севере у нас были такие, очень герметичные финские домики–вагончики, которым хватало тепла бытовых приборов (типа лампочек и электроплиток), чтобы поддерживать внутри тепло при морозе в -30 °C!
А наши обычные дома — постоянно тлеющие костры, которыми мы старательно отапливаем атмосферу. Что уж говорить о теплицах!
Утечка тепла через один слой стекла или пленки даже при полной герметизации чудовищна. При разнице температур в 20 градусов, покрытие остывает с интенсивностью от 100 до 500 Вт/кв. м — в зависимости от погодных условий. В среднем можно принять этот отток тепла за 250 Вт/кв. м. То есть с одного квадратного метра улетает 250 Дж каждую секунду!
Возьмем для примера обычную садовую тепличку площадью 20 кв. м. Её объем — около 40 куб. м, общая площадь покрытия — около 40 кв. м. Наша разница температур — примерно 20 °C. В этом случае суммарная
