Моделирование и расчет параметров малой гелиотеплицы с целью повышения энергоэффективности

В статье представлены результаты исследований, в ходе которых на примере климатических условий Кашкадарьинской области (Республика Узбекистан) разработана методика повышения энергоэффективности двухскатных солнечных теплиц. Литературный анализ показал наличие потенциала экономии энергии в тепличном хозяйстве агропромышленного сектора за счет оптимизации параметров солнечных теплиц. Одновременно показано, что, несмотря на обширность выполненных исследований в ряде стран в данном направлении, требуется продолжение изучения проблемы с выходом на практическое применение параметров их ориентации на местности для различных географических регионов по максимизации воспринимаемой суммарной солнечной радиации. В работе приведен анализ результатов исследований по установлению зависимости суммарной солнечной радиации, падающей на двухскатную теплицу, покрытую стеклом, с полезной площадью 50 м², высотой стен 2 м и высотой ската крыши 1,5 м, от конструктивных параметров последней и траектории движения солнца. Моделирование режимов функционирования гелиотеплицы осуществлено в пакете MATLAB с учетом изменения параметров окружающей среды местности в период с 15 ноября 2023 г. по 15 марта 2024 г. с широтой местности 38,87° и ориентацией от 0 до 90° с интервалом 5°. В результате моделирования определены оптимальные параметры теплицы для приведенного выше периода (азимутальный угол поверхности γ_опт = 45°, угол наклона поверхности β_опт = 50°) при максимальной суммарной солнечной радиации за указанный период, равной ∑I_мах = 35660 МДж, что превышает на 20 % радиацию для теплицы стандартных размеров. Обобщение результатов моделирования позволило разработать методику определения геометрических характеристик (размеров и параметров ориентации) солнечных двухскатных теплиц с заданными климатическими условиями по критерию максимизации падающей суммарной солнечной радиации в зимний период года, которая может быть распространена для применения на другие регионы Узбекистана с целью повышения энергоэффективности агропромышленного сектора.

1. Математическое моделирование комбинированной системы теплоснабжения солнечного дома / Г. Н. Узаков, В. Л. Червинский, У. Х. Ибрагимов [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 5. С. 412–421. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-65-5-412-421.

2. Седнин, А. В. Проблемы развития гибридных систем теплоснабжения / А. В. Седнин, К. М. Дюсенов // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 2. С. 173–188. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-2-173-188.

3. CFD-моделирование аэродинамического профиля лопастей ветроэнергетической установки с вертикальной осью в системе Ansys Fluent / Г. Н. Узаков, В. А. Седнин, А. Б. Сафаров [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т. 67, № 2. С. 97–114. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-2-97-114.

4. Safarov, A. B. Autonomous Heat-Cooling and Power Supply System Based on Renewable Energy Devices (Trigeneration System) / A. B. Safarov, O. I. Rakhmatov, Y. G. Uzakova // BIO Web of Conferences. 2023. Vol. 71. P. 02030. https://doi.org/10.1051/bioconf/20237102030.

5. Development of a System for Modeling the Design and Optimization of the Operation of a Small Hydroelectric Power Station / G. N. Uzakov, Z. E. Kuziev, A. B. Safarov, R. A. Mamedov // Digital and Information Technologies in Economics and Management. DITEM 2023 / ed. A. Gibadullin. Springer, Cham, 2024. P. 243–252. (Lecture Notes in Networks and Systems; vol. 942). https://doi.org/10.1007/978-3-031-55349-3_20.

6. Sethi, V. P. On the Selection of Shape and Orientation of a Greenhouse: Thermal Modeling and Experimental Validation / V. P. Sethi // Solar Energy. 2009. Vol. 83, № 1. P. 21–38. https://doi.org/10.1016/j.solener.2008.05.018.

7. Çakır, U. Using Solar Greenhouses in Cold Climates and Evaluating Optimum Type According to Sizing Position and Location: A Case Study / U. Çakır, E. Şahin // Computers and Electronics in Agriculture. 2015. Vol. 117. P. 245–257. https://doi.org/10.1016/j.compag.2015.08.005.

8. Chen J. A Mathematical Model of Global Solar Radiation to Select the Optimal Shape and Orientation of the Greenhouses in Southern China / J. Chen, Y. Ma, Z. Pang // Solar Energy. 2020. Vol. 205, № 6. P. 380–389. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.05.055.

9. Dragichevich, S. M. Determining the Optimum Orientation of a Greenhouse on the Basis of the Total Solar Radiation Availability / S. M. Dragichevich // Thermal science. 2011. Vol. 15, № 1. P. 215–221. https://doi.org/10.2298/tsci100220057d.

10. Effects of Orientation and Structure on Solar Radiation Interception in Chinese Solar Greenhouse / D. Xu, Y. Li, Y. Zhang [et al.] // PLOS ONE. 2020. Vol. 15, № 11. Art. e0242002. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0242002.

11. Optimal Solar Greenhouses Design Using Multiobjective Genetic Algorithm / B. M. Karambasti, M. Naghashzadegan, M. Ghodrat, A. Lalbakhsh // IEEE Access. 2022. Vol. 10. P. 73728–73742. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3189348.

12. A comparative study of greenhouse shapes and orientations under the climatic conditions of Marrakech, Morocco / A. Mellalou, A. Mouaky, A. Bacaoui, A. Outzourhit // International Journal of Environmental Science and Technology. 2022. Vol. 19. P. 6045–6056. https://doi.org/10.1007/s13762-021-03556-z.

13. Пенджиев, А. М. Математическая модель расчета температурного режима листа в условиях солнечной теплицы / А. М. Пенджиев // Альтернативная энергетика и экология. 2010. № 11. С. 65–68.

14. Вардиашвили, А. Б. Гидравлический и теплотехнический расчет подпочвенной аккумулирующей системы гелиотеплиц / А. Б. Вардиашвили, В. Д. Ким // Гелиотехника. 1980. № 6. C. 48–53.

15. Modeling the Heat Balance of a Solar Greenhouse with a Passive Heat Accumulator / A. G. Khalimov, B. E. Khairiddinov, V. D. Kim, G. G. Khalimov // Applied Solar Energy. 2013. Vol. 49, No 4. P. 211–214. https://doi.org/10.3103/S0003701X13040063.

16. Study of the Thermal Regime of Solar Greenhouses for the Individual Purpose for Their Design Features / Sh. I. Klychev, B. S. Rasakhodzhaev, Zh. Z. Akhadov [et al.] // Applied Solar Energy. 2022. Vol. 58, No. 1. P. 121–126. https://doi.org/10.3103/S0003701X22010091.

17. Akhatov, J. S. Numerical Calculations of Heat Engineering Parameters of a Solar Green-house Dryer / J. S. Akhatov, A. S. Halimov // Applied Solar Energy. 2015. Vol. 51, No 2. P. 107–111. https://doi.org/10.3103/S0003701X15020024.

18. Samiev, K. A. Study of the Performance of Greenhouse with Short Term Heat Storage and Night Insulation / K. A. Samiev, J. S. Akhatov // Proceedings of the ISES Solar World Congress, 2011. P. 826–830. https://doi.org/10.18086/swc.2011.15.11.

19. Investigation of Solar Greenhouses with Transformable (Adjustable) Body Depending on Indoor and Outdoor Air Temperature / B. S. Rasakhodzhaev, U. Z. Akhmadjanov, M. O. Boboeva [et al] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1070, No 1. Art. 012030. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1070/1/012030.

20. About the Production of Lemons Grown in an Autonomous Gabled Solar Greenhouse / I. A. Yuldashev, B. M. Botirov, N. S. Kholmirzayev, Y. M. Qurbanov // Applied Solar Energy. 2023. Vol. 59, No 1. P. 44–47. https://doi.org/10.3103/S0003701X23600431.

21. Nasa Power. Data Access Viewer (DAV). URL: https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer.

22. Assessment of Solar Radiation on Diversely Oriented Surfaces and Optimum Tilts for Solar Absorbers in Malaysian Tropical Latitude / K. M. Ng, N. M. Nor Mariah Adam, O. Inayatullah, M. Z. Ab Kadir // International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2014. Vol. 5, No 1. https://doi.org/10.1007/s40095-014-0075-7.

23. Kendirli, B. Structural Analysis of Greenhouses: A Case Study in Turkey / B. Kendirli // Building and Environment. 2006. Vol. 41. P. 864–871. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.04.013.

24. Hailu, G. Optimum Tilt Angle and Orientation of Photovoltaic Thermal System for Application in Greater Toronto Area, Canada / G. Hailu, A. S. Fung // Sustainability. 2019. Vol. 11, No 22. P. 6443. https://doi.org/10.3390/su11226443.

25. Gheyrati, M. Optimum Orientation of the Multi-Span Greenhouse for Maximum Capture of Solar Energy in Central Region of Iran / M. Gheyrati, A. Akram, H. Ghasemi-Mobtaker // Journal of Renewable Energy and Environment. 2022. Vol. 9, No. 3. P. 65–74. https://doi.org/10.30501/jree.2022.305780.1259.

26. Gairaa, K. Maximisation and Optimisation of the Total Solar Radiation Reaching the Solar Collector Surfaces / K. Gairaa // Progress in Clean Energy / eds.: I. Dincer, C. Colpan, O. Kizilkan, M. Ezan. Springer, Cham, 2015. Vol. 2. P. 873–886. https://doi.org/10.1007/978-3-319-17031-2_57.

27. Duffie, J. A. Solar Engineering of Thermal Processes / J. A. Duffie, W. A. Beckman. New Jersey: John Wiley & Son, 2013. 944 р. https://doi.org/10.1002/9781118671603.

28. Optimization of Angle of Inclination of the Hybrid Photovoltaic-Thermal Solar Collector Using Particle Swarm Optimization Algorithm / T. Ismail, K. Touafek, N. Bellel, N. Bouarroudj // Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2014. Vol. 6, iss. 5. Art. 053116. https://doi.org/10.1063/1.4896956.

29. Jafarkazemi, F. Optimum Tilt Angle and Orientation of Solar Surfaces in Abu Dhabi, UAE / F. Jafarkazemi, A. S. Saadabadi // Renewable Energy. 2013. Vol. 56. P. 44–49. https://doi.org/10.1016/j.renene.2012.10.036.

30. Singh, R. D. Energy conservation in the greenhouse system: A steady state analysis / R. D. Singh, G. N. Tiwari // Energy. 2010. Vol. 35, iss. 6. P. 2367–2373. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.02.003.

31. Solar Energy Conservation in Greenhouse: Thermal Analysis and Experimental Validation / H. G. Mobtaker, Y. Ajabshirchi, S. F. Ranjbar, M. Matloobi // Renewable Energy. 2016. Vol. 96, Part A. P. 509–519. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.04.079.

32. Optimum Design and Orientation of a Greenhouse for Seasonal Winter Drying in Morocco under Constant Volume Constraint / A. Mellalou, W. Riad, A. Mouaky [et al.] // Solar Energy. 2021. Vol. 230. P. 321–332. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.10.050.

33. El-Maghlany, W. M. Optimum Design and Orientation of the Greenhouses for Maximum Capture of Solar Energy in North Tropical Region / W. M. El-Maghlany, M. A. Teamah, H. Tanaka // Energy Conversion and. Management. 2015. Vol. 105. P. 1096–1104. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.08.066.

34. Karambasti, B. M. Optimum Design of a Greenhouse for Efficient use of Solar Radiation Using a Multi-Objective Genetic Algorithm / B. M. Karambasti // Energy Efficiency. 2022. Vol. 15, № 8. Art. 66. https://doi.org/10.1007/s12053-022-10073-6.