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.
