АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЁННОГО ГРУНТА (СЗГ)

2.2.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Согласно научно обоснованным нормам питания человек должен равномерно в течение всего года потребить 130...150 кг овощей и 120 кг картофеля. Однако суровые климатические условия не позволяют получать овощи из открытого грунта равномерно в течение круглого года. Так, в первой половине года населению поступает менее 10% овощей, а в июле-сентябре – более 90% огурцов и 70 % томатов. С целью равномерного потребления населением овощей в течение года около 25 % всего их количества должно выращиваться в сооружениях защищенного грунта (теплицах, парниках, утепленном грунте и т. п.).

Теплицы, особенно зимние, представляют собой весьма сложные, дорогостоящие и энергоемкие технические объекты с разветвленными системами электро-, тепло- и водоснабжения и канализации.

На производство 1 кг тепличных овощей в средней полосе расходуется до 200 МДж тепловой и 2, 3 кВт·ч электрической энергии. Для обогрева 1 га площади зимних теплиц требуется за сезон более 2 тыс. т условного топлива, т. е. на порядок больше, чем для обогрева такой же плошали жилых помещений.

Механизация и автоматизация ТП в сооружениях защищенного грунта резко сокращают затраты труда и себестоимость продукции, повышают энерговооруженность труда и на 10... 15 % урожайность овощей, затраты труда на 1 га защищенного грунта достигают 180 тыс. чел·ч в год.

Сооружения защищенного грунта разделяют на утепленный грунт, парники и теплицы.

Утепленный грунт – это необогреваемые и обогреваемые земельные участки, предназначенные для выращивания рассады и ранних овощей. Необогреваемый грунт характеризуется малогабаритными пленочными укрытиями или переносными укрытиями из матов, рогож, пленок, используемых для укрытия огородных грядок на ночь и на период резких похолоданий. В необогреваемом грунте в качестве источника теплоты используется солнечная энергия. В обогреваемом грунте источником теплоты служит солнечная энергия, биотопливо (свежий навоз, растительные отходы), горячая вода или электрическая энергия.

Парники – это полностью или частично заглубленные в почву каркасные сооружения со съемным светопрозрачным покрытием на небольшой земельной площади, обслуживаемой снаружи. Парники предназначены для выращивания рассады для открытого грунта и получения ранних овощей. Парники, заглубленные на 0, 4...0, 8 м, шириной до 1, 4 м любой длины изготовляют из деревянных или железобетонных стен и закрывают стеклянными и пленочными рамами стандартного размера 1, 06 х 1, 60 м, а на ночь и на период похолодания —дополнительно соломенными матами размером 1, 2 х 2 м при толщине 50...60 мм. Почва в парниках обогревается солнечной энергией, биотопливом, горячей водой или электроэнергией. Наиболее совершенны парники с техническими видами обогрева, позволяющими легче управлять температурой воздуха и почвы в парниках.

Теплицы – это наиболее совершенный и технически оснащенный вид сооружений защищенного грунта. Теплица позволяет при помощи технических средств выращивать растения в любое время года. В отличие от парников все работы по выращиванию овощей в теплице ведут внутри культивационного сооружения. Теплицы предназначены для выращивания ранних и внесезонных овощей, а также рассады для открытого и защищенного грунта.

По виду профиля поперечного сечения зимние теплицы делят на ангарные (однопролетные) и блочные (многопролетные).

Ангарные теплицы представляют собой сооружения площадью 600...3000 м² с двухскатной арочной светопроницаемой кровлей без внутренних опорных стоек. Несущими опорами для крыши служат металлические или деревянные арки, закрепленные непосредственно на фундаменте или опорных стойках стен теплицы.

Блочные теплицы представляют собой объединение нескольких ангарных теплиц с заменой примыкающих одна к другой боковых стен опорными стойками. Стыки крыши смежных секций шириной 6, 4 м соединяют желобами, которые являются опорой для элементов кровли и служат для отвода дождевой воды. В целом все секции образуют единое помещение площадью от 1 до 3 га. Благодаря такой компоновке металлические конструкции блочных теплиц изготовляют на заводах. Эти теплицы самые экономичные при строительстве, так как расход металла составляет 7.., 9кг/м². Оптимальная площадь блочной теплицы 1 га, а тепличного комплекса, состоящего из 3...12 отдельных блоков, — 18...60 га.

Преимущества ангарных теплиц – лучшая освещенность, возможность применения почвообрабатывающих и транспортных машин. Но из-за большой высоты и ширины ангарной теплицы площадь светопроницаемых ограждений ее завышена, что увеличивает теплопотери. Эти теплицы на 30...35 % дороже, но зато выдерживают большие снеговые нагрузки, не требуют специальных устройств для стаивания снега зимой и хорошо вентилируются летом. Ограждения теплиц выполняют из листового стекла толщиной 4 мм, укладываемого внахлест по металлическим направляющим.

Применяют также двойное остекление и полимерные покрытия достаточной прочности и высокой теплоизолирующей способности. С целью уменьшения теплопотерь используют трансформирующиеся (свертывающе-развертывающиеся) экраны из полимерных материалов (акрил), след., экономия теплоты достигает 30-40 %.

По срокам использования теплицы делят на зимние (работающие круглогодично) и весенние (функционирующие с февраля по октябрь). Зимние теплицы в 2...3 раза дороже весенних из-за массивных строительных конструкций и большей насыщенности теплотехническими установками.

Башенные гидропонные теплицы – это многоэтажные стеклянные или светонепроницаемые сооружения высотой 20…40 м при экономном использовании земли. По высоте теплицы сооружен непрерывный конвейер со стеллажами для растений и питательного раствора. При движении конвейера растения на стеллажах в нижнем положении получают минеральную подкормку и увлажнение. Такую теплицу можно строить в любом месте: на бросовых землях или как пристройку к многоэтажному дому в городе.

2.2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СООРУЖЕНИЙ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА СЗГ

Для сравнительной оценки СЗГ используют ряд показателей, характеризующих световой, тепловой, водный, воздушно-газовый и питательный режимы.

Световой режим определяется степенью использования солнечной энергии, которая характеризуется интегральным коэффициентом проницаемости световой и инфракрасной солнечной энергии через светопроницаемые ограждения ЗГ.

Коэффициент проницаемости k_П равен отношению потока солнечной энергии Ф_T, прошедшего через ограждения, к потоку энергии Ф_П, поступившему от солнца: k_П = Ф_T / Ф_П. Его значение зависит от коэффициентов пропускания k_М, затенения k_З и загрязнения k_Г светопроницаемого материала и к-та k_У, зависящего от угла падения светового потока на плоскость светопроницаемого материала:

k_П=k_М(1–k_З)(1–k_Г)k_У.

Коэффициент пропускания k_М характеризует светопроницаемость материала (например, для стекла k_М = 0, 8...0, 85, для синтетических пленок k_М = 0, 85…0, 9, для стеклопластика k_М = 0, 75...0, 85. Коэффициент затенения характеризует площадь светонепроницаемых ограждений. Он равен отношению площади тени от светонепроницаемых ограждений S_Н, закрывающей защищенный грунт, к общей плошали защищенного грунта S_T: k_З = S_Н/S_Т. Коэффициент затенения для современных теплиц составляет 0, 03...0, 1, а для воздухонаполненных приближается к нулю.

В процессе эксплуатации поверхность ограждения может загрязняться, вследствие чего светопроницаемость снижается до 50% (k_Г≤ 0, 5). Для уменьшения значения проникающего потока солнечной энергии на летний период остекленные ограждения забеливают 10%-м раствором мела.

В теплицах (на Севере России) овощи выращивают при искусственном свете (электросветокультура). Для этого применяют электрические лампы накаливания и люминесцентные лампы с установочной мощностью для огурцов до 700 Вт и для томатов до 900 Вт на 1 м², стремясь создать освещенность растений не менее 5...8 тыс. лк. В центральной климатической зоне России электродосвечиванние применяют только в рассадном отделении с удельной мощностью до 200 Вт/м2.

Тепловой режим сооружений должен обеспечивать оптимальные температуры воздуха и почвы в соответствии с фазами роста и типом растений, способом выращивания и освещенности. Оптимальная температура воздуха для теплолюбивых культур (томат, огурец, баклажан, перец) при солнечной погоде равна 24±4°С, в пасмурную погоду 22°С, ночью 15...20°С, для умеренно требовательных к теплоте культур (редис, салат, сельдерей, укроп и т. п.) 16±4°С. Оптимальное значение среднесуточной температуры почвы для первых культур должно быть 22...26°С, для вторых – на 3...4°С ниже. При прорастании семян всех культур температуру почвы поддерживают на уровне 20...25°С, а после появления всходов снижают до 18...20 °С для теплолюбивых и до 6...8 °С для умеренно требовательных к теплоте растений.

Тепловой режим культивационных сооружений поддерживают при помощи технических средств обогрева и вентиляции. Он определяется коэффициентами теплопроводности и теплопередачи ограждений, а также конструктивными особенностями сооружений.

Коэффициент теплопроводности зависит от материала ограждения: для стекла – 0, 34 Вт/(м·К), для синтетических пленок – 0, 26...0, 29, для стеклопластика – 0, 24 Вт/(м·К).

Коэффициент теплопередачи зависит не только от материала ограждения, но и от условий теплообмена. В существующей практике для теплиц с ограждением из стекла толщиной 4 мм его принимают равным 6, 38 Вт/(м²·К), для однослойных пленочных ограждений – 9, 1…1, 6, для двухслойных пленочных ограждений – 4, 72...6, 94 Вт/(м²·К).

Конструктивные особенности сооружений характеризуются коэффициентами ограждения k₀ и объема k_V. Коэффициент ограждения k₀ равен отношению площади светопроницаемого ограждения S_C к инвентарной площади S_П теплиц: k₀ = S_C / S_П. Для ангарных теплиц k₀ = 2...2, 5, а для блочных теплиц – 1, 15.

Коэффициент объема k_V определяют как отношение объема теплицы к инвентарной ее площади. Этот коэффициент численно равен средней высоте сооружения. При вычислении коэффициента объема исходят из возможности создания оптимальных условий для роста растений и механизации технологических процессов.

Однако с увеличением высоты теплицы повышаются коэффициент ограждения и соответственно затраты на обогрев.

Водный режим. Урожайность в культивационных сооружениях существенно зависит от влажности почвы и относительной влажности воздуха.

Влажность почвы необходимо поддерживать на уровне 75...90% полной полевой влажности (ППВ), а относительную влажность воздуха для рассады огурцов и баклажанов — 65...75 %, томата и перца — 55...65, салата и капусты — 60...70 %. В послерассадный период относительная влажность воздуха для огурцов и баклажанов должна быть 85...95%, томата и перца — 55...65, салата и капусты — 75...85 %.

Влажностью почвы и воздуха управляют при помощи различных устройств орошения (дождевание, полив из шлангов, подпочвенный полив, капельный полив). Температура воды для полива должна быть на уровне температуры почвы и воздуха в теплице (20...25°С).

Воздушно-газовый режим в значительной мере определяет продуктивность фотосинтеза и конечную урожайность овощных культур.

Растениям необходим кислород для дыхания и диоксид углерода (углекислый газ) для фотосинтеза. Наибольшее значение имеет диоксид углерода (С0₂), оптимальное значение которого в воздухе для огурцов должно составлять 0, 25...0, 35%, для томата — 0, 1...0, 15%, т. е. в 3...12 раз больше, чем в открытой воздушной среде. Содержание С0₂ в теплицах повышают, сжигая природный газ в специальных горелках или используя газы из котельных.

Для нормального роста растений и предохранения их от заболеваний необходима постепенная смена воздуха в надземной части растений. Оптимальный воздушно-газовый режим обеспечивает повышение урожая до 20 %.

Режим питания. Интенсивное использование почвы в теплицах под две-три культуры за сезон предъявляет повышенные требования к составу субстратов и минеральному питанию.

Почвенные смеси для теплиц и парников приготавливают легкими, плодородными, структурными. Для приготовления таких смесей используют дерновую и полевую землю, перегной, торф, песок, древесные опилки, навоз, соломенную резку и т. п. с оптимальным содержанием азота, фосфора, калия, магния и других минеральных удобрений. На основе агрохимических анализов почвенных смесей применяют корневые и внекорневые подкормки растворами минеральных макро- и микроэлементов.

Большую роль в жизнедеятельности растений играет реакция среды, которая определяется значением рН. Необходимость управления величиной рН возникает при подготовке и внесении в почву жидких минеральных удобрений.

Выращивание овощей без почвы на питательных растворах называется гидропонным методом (гидропоника в переводе с греческого означает «работа водой»).

При использовании гидропонного метода в качестве заменителя почвы используют твердые инертные субстраты (щебень, гравий, керамзит), органические субстраты (древесные опилки, мох, верховой торф) и ионитные смолы. Заменители почвы засыпают в стеллажи, в которые затем высаживают рассаду и по соединительным каналам из резервуара подают специальный питательный раствор.

Стоимость таких теплиц в два раза выше, чем почвенных, из-за необходимости оснащения гидропонных теплиц стеллажами для размещения субстрата, растворным узлом с резервуарами для хранения отдельных видов жидких концентрированных удобрений и приготовления растворов минерального удобрения, системой распределительных трубопроводов питательного раствора. Технология использования раствора предусматривает периодическое (через два-три дня) регулирование значения рН, проведение еженедельного агрохимического анализа на содержание основных элементов питания и через месяц – полную замену питательного раствора.

В связи с уменьшением затрат из-за отсутствия обработки почвы удельные затраты труда в них в два раза ниже, а урожайность, по многолетним наблюдениям, выше на 20...50 %. Кроме того, сокращается период от посева до плодоношения овощей. Гидропонный способ незаменим там, где невозможно использовать грунтовые теплицы.

2.2.3. СПОСОБЫ ОБОГРЕВА ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

В практике СЗГ обогревают за счет солнечного излучения, биологического топлива (биотоплива), горячей водой или паром от котельных, отходами теплоты промышленных предприятий, а также электронагревательными установками.

Солнечный обогрев используют в сооружениях защищенного грунта наряду с другими дополнительными видами обогрева. Солнечные лучи, проникая через светопрозрачные ограждения, нагревают почву, воздух, растения. Нагретые тела испускают инфракрасные тепловые излучения, которые через светопрозрачные ограждения обратно практически не проникают. Поэтому внутри сооружений происходит накопление теплоты. Однако при солнечном обогреве сильно колеблются значения суточной температуры: днем – повышается, ночью – резко снижается.

Солнечный обогрев в утепленном грунте и парниках широко распространен в южных районах России, а также на Крайнем Севере в период полярного дня.

Биологический обогрев осуществляют за счет теплоты, выделяемой органическими материалами в процессе их разложения микроорганизмами. В качестве биотоплива используют навоз животных, городские отбросы и органические отходы промышленных предприятий.

После заправки защищенного грунта биотопливом температура его постепенно за одну-три недели повышается до 60...70 °С, затем снижается до 20...30 °С и держится на этом уровне до двух месяцев. Биологический обогрев наиболее удобен в парниках и весенних небольших теплицах, где постепенное снижение температуры биотоплива компенсируется увеличением солнечного излучения. Однако на заправку биотопливом требуются большие затраты труда, и в то же время практически невозможно управлять температурой его разложения.

Водяной обогрев – самый распространенный вид обогрева благодаря высоким эксплуатационным и экономическим показателям. Он характеризуется простотой устройства и низкой трудоемкостью, легкостью управления и безвредностью для растений и обслуживающего персонала, доступностью и высоким процентом использования теплоты (65...70%).

Зимние теплицы обогревают водой при t-ре 70...90°С, парники - 50...70°С, утепленный грунт - 40°С.

Для водяного обогрева почвы в парниках на глубине 60...65 см в песчаной подушке укладывают асбоцементные трубы диаметром 50...100 мм, а для обогрева воздуха вдоль стен под рамами прокладывают металлические трубы диаметром 50 мм с уклоном 0, 003. Циркуляцию горячей воды создают принудительно при помощи электронасоса.

В блочных теплицах трубы для циркуляции горячей воды укладывают внутри и по поверхности почвы, а также вдоль стен и под стеклянной кровлей (рисунок 1).

Рисунок 1 – Расположение нагревательных элементов в многопролетной (а)

и ангарной (б) теплицах: 1 – кровельных; 2 – подлотковых; 3 – шатровых;

4 – надпочвенных; 5 – подпочвенных; 6 – калориферного

Основные потребители теплоты в защищенном грунте — системы обогрева воздуха и почвы в теплице. Еще примерно 14% ее суммарного количества расходуется на обогрев коридора и служебных помещений, нагрев поливной воды и т.д.

Суммарная мощность систем обогрева зимних теплиц в средней полосе России составляет около 7 МВт на 1 га.

Важнейшая характеристика теплицы – конструкция системы обогрева. В большинстве зимних теплиц применяют трубный водопой обогрев с использованием гладкотрубных регистров, размещение которых в теплицах разного типа (рисунок 1).

Основа системы обогрева — регистры обогрева шатра, лотков и кровли, требующие почти 80 % суммарной мощности системы. Остальной обогрев обеспечивается надпочвенными 4 (14%) и подпочвенными 5 (6%) регистрами.

Высокую экономическую эффективность обогрева защищенного грунта дает использование отходов теплоты промышленных предприятий. Так, в себестоимости тепличных овощей около 60 % затрат приходится на стоимость обогрева. В то же время, используя теплоту, получаемую только от тепловых электростанций, можно обогревать около 120 тыс. га теплиц, т. е. на порядок больше имеющихся площадей теплиц. Построены теплицы, которые обогреваются низкотемпературными тепловыми отходами промышленных предприятий или геотермальными водами. Они позволяют снизить себестоимость продукции на 5...10 % и сократить расход топлива в 3...10 раз.

Электрический обогрев (ЭО) используют в основном в парниках. Бывает почвенный, воздушный, комбинированный (почвенно-воздушный). Для ЭО применяют специальные нагревательные провода, трубчатые, оголенные проволочные, асфальтобетонные, электродные и другие нагревательные элементы.

В качестве трубчатых нагревательных элементов используют оцинкованную проволоку диаметром 2, 5…3 мм, протянутую внутри керамических или асбоцементных труб диаметром 75...100 мм. Трубы прокладывают в слое песка на глубине не менее 200 мм от поверхности почвы на теплоизоляционной подложке из шлака и гравия.

Средняя удельная мощность нагревательных элементов в теплицах для южных зон России должна составлять 150...180 Вт/м², а для остальных зон России 180…200 Вт/м².

Оголенные проволочные нагревательные элементы выполняют из стальной оцинкованной проволоки диаметром 3...4 мм, которую укладывают в теплоаккумулирующем слое песка петлями под обогреваемой почвой и закрепляют на натяжных планках в торцах обогреваемого участка. При этом используют сниженное напряжение питания элементов (12...50 В) от специальных понижающих трансформаторов.

Электропромышленность выпускает специальные нагревательные провода ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВТ (провод обогревательный сельскохозяйственный с изоляцией соответственно из поливинилхлорида, полиэтилена или поливинилхлоридного пластика). Длительно допустимая температура нагрева изоляции не должна превышать 90 °С, что соответствует удельной мощности 8...11 Вт на 1 м длины провода. Провода заливают теплоаккумулирующим слоем, состоящим из цементно-песочной смеси (1: 10), а сверху насыпают слой почвы. Провод подключают к напряжению 380/220 В.

Асфальтобетонные нагревательные элементы выполняют в виде плит толщиной 6...7 см на все дно площади парников. В плиту закладывают зигзагом стальную оцинкованную проволоку диаметром 2...3 мм, и подключают к напряжению 380/220 В.

Электродный способ обогрева заключается в том, что в почву закладывают металлические электроды и при их помощи через почву пропускают ток, нагревающий ее. Однако этот способ не используют в практике из-за большого расхода металла (8...9 кг на 1 кВт установленной мощности обогрева), непостоянства сопротивления почвы и большой неравномерности распределения температуры по площади почвы. Как правило, установленная мощность 1 м длины электронагревателя для парника составляет 100...230 Вт, а для пленочной весенней теплицы — 100... 120 Вт.

2.2.4. ТП (ОПЕРАЦИИ), МЕХАНИЗИРУЕМЫЕ И АВТОМАТИЗИРУЕМЫЕ В СЗГ

Защищенный грунт характеризуется ежегодными затратами труда ~18 чел.ч на 1 м² площади. Растения хорошо развиваются и плодоносят только при оптимальных значениях параметров микроклимата теплиц. Степень механизации и автоматизации технологических процессов в теплицах достаточно высокая.

Около 40% общих затрат труда приходится на подготовительные работы, которые выполняют при помощи машин: приготовление почвенных смесей; замена, стерилизация и предпосевная обработка почвы; дезинфекция конструкций теплиц; текущий ремонт; предпосевная обработка семян: изготовление питательных кубиков; предпосевное внесение удобрений и т. д. В процессе выращивания и сбора урожая средства механизации и автоматизации используют при посеве семян и уходе за рассадой, поливе и подкормке растений, опылении растений и их защите от болезней, сборе и транспортировке овощей и растительных остатков, а также для управления параметрами микроклимата.

Для механизации подготовительных работ используют как специальные, так и сельскохозяйственные и строительные машины общего назначения. Дерн для почвенных смесей вскрывают тракторным плугом, сгребают бульдозером, погружают на транспортные средства погрузчиком-бульдозером или экскаватором. Аналогичным образом механизирована доставка навоза, рыхлящих материалов и минеральных удобрений. При составлении почвенных смесей применяют различные экскаваторы, бульдозеры, погрузчики и специальные машины для приготовления почвенных грунтов.

В СЗГ почву рыхлят на глубину 10...12 см перед каждым посевом, а перед пропариванием и при заделке навоза – на глубину не менее 22 см с оборотом пласта. Для этого используют, если позволяют конструкции культивационных сооружений, почвообрабатывающие машины общего назначения, а также специальные ротационные плуги и самоходные электрофрезы. Для междурядной обработки почвы в теплицах в непосредственной близости от растений и сплошной обработки почвы в парниках используют ручные электромотыги.

В малых теплицах почвосмеси при сильном заражении их болезнями и вредителями меняют один раз в 2…4 года, а в тепличных комбинатах ежегодно дезинфицируют и затем промывают почвосмеси без их замены. Из многих способов дезинфекции наиболее эффективно пропаривание. При этом почву покрывают термостойкой пленкой и подводят под нее пар температурой 110...120 °С при давлении до 50 кПа. Расход пара 45...50 кг/м², длительность пропаривания 8...10 ч. После пропаривания почвосмеси для уменьшения концентрации солей промывают дождеванием в 3…5 приемов с общим расходом воды 200...400 л/м².

Для борьбы с вредителями и болезнями используют также химические методы протравливания семян, обрабатывают конструкции сооружений и опрыскивают растения. Стоимость обработки почвы пестицидами составляет 20...70% паровой, но при этом в почву вносят токсические вещества. Торфоперегнойные питательные кубики (горшочки) изготовляют на специальных станках конвейерного типа, станок который состоит из бункера, конвейера и штампа с электроприводом, а принцип работы: при подъеме штампа лента конвейера загружается из бункера ровным слоем торфоперегнойной массы и перемешается под штамп. Когда штамп идет вниз, лента останавливается, происходит прессовка и нарезка нескольких сот кубиков размером до 100 x100 мм.

В защищенном грунте должен быть точный высев, благодаря чему экономится до 40 % дорогостоящих семян овощных культур и снижаются затраты на последующее прореживание. Для посева применяют специальные парниковые сеялки. Для полива и подкормки растений минеральными удобрениями в крупных тепличных комбинатах используют стационарную систему дождевания, а в малых теплицах и парниках -передвижные насосные станции.

При подвязке растений к шпалерам, обрезке побегов и листьев, уборке и перевозке урожая применяют передвижные платформы, стремянки и ручные тележки. Готовую продукцию и оборудование перевозят с помощью электрокаров и самоходных шасси, снабженных для облегчения труда тепличными специальными поддонами и подъемниками. Для перевозки рассады из блока в блок теплиц по открытому холодному воздуху применяют крытые фургоны. Автоматизация технологических операций в СЗГ дает существенный эффект: увеличивается производительность и улучшаются условия труда, экономится топливо и электроэнергия, снижается заболеваемость посадочного материала и взрослых растений, повышается урожайность и сокращаются сроки созревания растений и овощей. Условия труда и быта рабочих на автоматизированных тепличных комплексах не хуже, а иногда лучше, чем на промышленных предприятиях.

В малых теплицах и парниках уровень автоматизации по контролю и управлению микроклиматом пока невысокий и ограничивается в основном одним параметром - t°С.

На тепличных комплексах промышленного типа площадью от 3 га используют СА контроля и управления многими параметрами (температурой и влажностью почвы и воздуха, содержанием диоксида углерода, степенью освещенности, температурой воды для полива почвы, влажностью воздуха, вентиляцией и скоростью перемещения воздуха в теплице, концентрацией растворов минеральных удобрений почвы, значением рН и др.)

Для выбора оптимального режима в соответствии с внешними погодными условиями предусмотрено автоматическое слежение за ними (температурой, скоростью ветра и освещенностью) и соответствующее изменение внутренних параметров микроклимата. Средства автоматики также широко используют на вспомогательных установках тепло-, энерго-, водоснабжения и др.

Проектный объем автоматизации ТП в зимних теплицах на примере блока многопролетной теплицы площадью 6 га показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема автоматизации ТП в блоке многопролетной теплицы:

1 - подогреватель поливной воды; 2 - насосы-дозаторы; 3 - растворные баки с мешалками; 4 - клапаны полива; 5 - насосы; 6 - клапан сброса; 7 - генератор С0₂;

8 - регистры обогрева; 9 – 3^Хходовой смесительный клапан; 10 –подмешивающий

насос; 11-циркуляционный насос

Допустимые отклонения температуры воздуха в теплице от уровня, заданного агротехническими требованиями, составляют ±1 °С, относительной влажности воздуха ±5 %, температуры воды в системе надпочвенного обогрева ±2 °С и т.д.

2.2.5. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРОЙ ВОЗДУХА И ПОЧВЫ

Важнейшие факторы, определяющие рост растений: температура, освещенность, влажность воздуха и газовый состав окружающей среды.

На Земле существует равновесие между теплотой, поступающей за счет солнечного излучения, и ее потерей. В теплице это равновесие менее устойчиво, ибо ограждение задерживает часть теплоты солнечного излучения, отраженного от почвы. Это явление называется «парниковым эффектом». Равновесие, конечно, наступает. Однако важно, чтобы это произошло при той температуре, которая нужна растению. Следует также иметь в виду, что температура самого растения может значительно (иногда на 5...10 °С) отличаться от температуры почвы и окружающего воздуха.

Регламентации подлежит не только температура окружающего воздуха, но и скорость изменения, поскольку массивные части растения прогреваются медленнее и на них возможна конденсация влаги, приводящая к заболеваниям растений.

Задача системы управления микроклиматом состоит в обеспечении условий для максимальной интенсивности фотосинтеза, который зависит от температуры, так как при высоких ее значениях дыхание (обратный фотосинтезу процесс) начинает превалировать над фотосинтезом. Оптимальное значение внутренней температуры зависит от вида и фазы развития растения.

Внутренняя температура должна возрастать при увеличении освещенности. Нарушение этого условия зимой, когда температура в теплице может быть высокой, а освещенность недостаточной, вызывает дефицит углеводов и истощение растений.

Известно, что структура и параметры любой САУ определяют в соответствии с характеристиками объекта автоматизации и требованиями к качеству стабилизации параметра.

Теплицы, как ОУ температурным режимом, относятся к наиболее сложным объектам автоматизации. Определение их характеристик сопряжено с известными трудностями, обусловленными особенностями объектов и условиями их функционирования.

Основные управляющие воздействия в холодное время года — изменения температуры и расхода теплоносителя в системе обогрева теплицы, режима работы калориферов, в теплое время года — открытие вентиляционных форточек.

Основные контролируемые возмущающие воздействия — изменения наружной температуры, скорости ветра и уровня естественной освещенности. Кроме перечисленных параметров, на температурный режим теплицы влияют также влажность наружного воздуха, осадки и другие метеорологические факторы.

Статические и динамические характеристики объекта зависят от начальных значений расхода и средней температуры воды в системе трубного обогрева. Эта зависимость слабеет только при больших расходах теплоносителя, что объясняется стабилизацией коэффициента теплоотдачи от воды к внутренней поверхности труб при скоростях движения воды, превышающих 0, 1 м/с.

Постоянная времени теплицы по каналам управляющих воздействий определяется тепловой емкостью системы трубного обогрева и собственно теплицы. Запаздывание изменения температуры воздуха в теплице при изменении мощности системы трубного обогрева зависит от конструкции самой теплицы и ее системы обогрева, направления движения теплоносителя в трубах и места расположения измерительных преобразователей. Время запаздывания для различных каналов управления неодинаково.

Наличие зеленой массы растений в значительной степени определяет нестационарность теплицы как ОУ температурным режимом. За время от высадки рассады до начала сбора урожая из-за увеличения зеленой массы в объеме теплицы постоянная времени объекта увеличивается в 1, 1...1, 3 раза, коэффициент теплопередачи уменьшается в 1, 5 раза, а время запаздывания, зависящее от скорости распространения воздушных потоков, увеличивается на 300...400 с.

Рисунок 3 - Схема механизма открытия форточек в теплице:

1 - форточка; 2 - рейка; 3 – вал; 4 - редуктор

Т. о., если инерционность объекта оценивать по отношению τ /Т, то теплица относится к числу наиболее сложных объектов. Кроме того, решение задачи автоматизации осложняется большими абсолютными значениями τ и Т, очень малой инерционностью объекта по каналам передачи возмущающих воздействий и достаточно жестким требованием к точности стабилизации температуры (± 1 °С).

В теплый период года температурный режим в теплице поддерживается системой естественной вентиляции, образованной многочисленными поворотными форточками (фрамугами), приводимыми в движение специальными исполнительными механизмами.

Суммарная площадь поднимающейся кровли составляет 25...50 % в зависимости от зоны размещения тепличного комбината. Технические решения по автоматизации управления температурным режимом в многопролетных блочных и ангарных теплицах различаются, а потому далее рассмотрены самостоятельно.

2.2.6. САУ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ В БЛОЧНЫХ ТЕПЛИЦАХ

СУ температурным режимом для холодного (режимом обогрева) и теплого (режимом вентиляции) времени года существенно различаются.

СУ режимом обогрева. В холодное время года управление температурным режимом в теплице может быть обеспечено за счет изменения температуры t (качество) или расхода G (количество) теплоносителя.

Температуру теплоносителя изменяют с помощью трехходового смесительного клапана 9 (см. рисунок 2), сконструированного таким образом, что при перемещении плунжера h (рисунок 4, а ) расходы горячей G₁ и охлажденной G₂ воды изменяются в равных долях, но с разным знаком.

Рисунок 4 - Трёхходовой смесительный клапан (а) и

кривые разгона [1, 2, 3] для теплицы по каналу h→ t_ВН (б)

Поэтому суммарный расход воды через клапан G_T от положения плунжера не зависит, но температура t_Т ее изменяется. Заметим, что это положение выполняется только при стабильном и одинаковом давлении в обоих входных патрубках (р₁ = р₂).

Типовой вариант САУ – одноконтурная СУ отклонением температуры t_ВН внутри теплицы (рисунок 5).

Горячая вода из тепловой сети поступает во входной горизонтальный патрубок трехходового смесительного клапана 2. Одновременно насос 3 подает во входной вертикальный патрубок определенное количество охлажденной воды, прошедшей уже по трубам системы обогрева теплицы 1. Образующаяся в результате смешивания потоков вода с температурой t_Т поступает в систему обогрева теплицы. Температура в средней точке теплицы (измерительный преобразователь ТЕ1) поддерживается ПИ-регулятором ТС1, управляющим клапаном 2.

Рисунок 5 - Функциональная схема САУ температурой в блочной теплице в режиме обогрева (а) и в режиме вентиляции (б): 1 - системы трубного обогрева; 2 - трехходовой смесительный клапан; 3 - насос; 4 - форточки; 5 - ИМ привода форточек

В ночные часы, когда фотосинтеза нет, температура в теплице д.б. понижена на 4...6°С. Операция понижения температуры называется технологическим переходом «день—ночь» и выполняется по команде реле времени KT1 (рисунок 5, а). Это реле д.б. настроено т.о., чтобы к восходу солнца теплица была уже разогрета.

В дневные часы температура воздуха в теплице автоматически корректируется в зависимости от уровня естественной освещенности, измеряемой преобразователем NE1. В корпусе преобразователя объединены фотодиод и усилитель. Корпус накрыт рассеивателем света шарообразной формы.

Кривая 3 разгона для теплицы (рис. 4, б) представляет собой результирующую двух кривых: 1 — по каналу t_Т→ t_ВН и 2 — по каналу G_Т→ t_ВН.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒