Оборудование Технологии 17 Июня 2019

От контроля - к управлению: обзор климатических систем

От контроля - к управлению: обзор климатических систем

Текст: Ю. Белопухова, агроном, канд. биол. наук

Сооружения защищенного грунта изначально создавались для ограждения растений от неблагоприятных воздействий внешней среды: холода, сильного ветра, обильных осадков и других. Сегодня теплицы и вертикальные фермы не только защищают, но и дают возможность управлять состоянием и продуктивностью различных культур.

Известно, что величина урожая и его качество, а также себестоимость производства продукции зависят от баланса факторов: температуры, освещенности, режима влажности воздуха и субстрата, содержания кислорода и СО2 в помещении и доступных элементов питания. Поскольку оптимальный климатический режим способствует росту урожайности, улучшению качества, экономии воды, удобрений, средств защиты, энергоресурсов, снижению себестоимости и увеличению прибыльности производства овощей, цветов и другой тепличной продукции, главная задача агронома заключается в контроле и поддержании параметров в пределах оптимума и в соответствии с возрастом, физиологическими особенностями культуры и конкретного сорта.

Проще и выгоднее управлять всеми характеристиками климата в сооружениях замкнутого цикла, например, в полузакрытых теплицах пятого поколения и вертикальных фермах, в которых отсутствуют форточки, а обмен внутреннего и внешнего воздуха происходит в специальной камере рециркуляции и кондиционирования. Однако возведение таких сооружений может позволить себе не каждое предприятие. Кроме того, нередко в одном и том же хозяйстве используются разные типы теплиц — сезонные арочные, покрытые пленкой, и круглогодичные «Антрацит», в том числе ангарного типа. Поэтому рынок предлагает два вида климатических систем: контролирующие, управляющие одним фактором и комплексные решения.

НАЙТИ ОПТИМУМ

Нормализация температуры исторически и технологически занимает первое и главное место в создании подходящего климата в защищенном грунте, поскольку затраты на отопление и вентиляцию могут достигать 50% от всех издержек на выращивание тепличных овощей и цветов. Кроме того, с помощью температуры можно регулировать сроки и скорость получения товарной продукции. Например, прогрев почвы улучшает развитие корневой системы и поглощение питательных веществ, сокращает время вегетации растений в среднем на 2–3 недели, ускоряет рост плодов и повышает урожайность до 45%. Понижение температуры способствует развитию зеленных культур, цветению и завязыванию огурцов.

Для большинства используемых сегодня теплиц действует принцип: повысилась температура — срабатывают датчики и открываются форточки или включается вентиляция. В простейшей системе управления применяются электротермометры, которые определяют показатели текущей температуры, ее отклонение от максимального и минимального значений, сравнивают с данными последнего наблюдения. Поскольку температурный режим зависит от типа систем отопления и досвечивания, уровня солнечной радиации, габитуса растений, особенностей культуры и влияет на влажность воздуха, координировать показатели лучше с помощью беспроводных электронных термогигрометров либо программируемых контроллеров. Они передают сигнал операторской станции на модули дискретного ввода/вывода, а затем через подключенные к интерфейсу процессорные узлы активируют или выключают периферийные устройства — тепловое оборудование и экраны, форточки, вентиляторы. Для получения наиболее точных результатов датчики следует располагать в разных частях и на не одинаковых по высоте уровнях. Такие же устройства помогают выявить проблемы в теплице — зоны плохого прогрева либо большого потребления энергии, а затем в нужном месте установить горизонтальные вентиляторы или воздушные трубопроводы, уложить подпочвенные электротены, заменить слабые конструкции и покрытие, улучшить герметичность соединений, установить снижающие температуру листьев солнцезащитные либо энергосберегающие экраны.

РЕЖИМ ПРОВЕТРИВАНИЯ

У каждой культуры существует собственный оптимум относительной влажности воздуха: у огурца — 85–90%, баклажана и сельдерея — 70–75%, у томата, перца, салата, редиса, укропа и шпината — 60–65%. При низкой влажности и высокой температуре усиливается процесс транспирации, и может возникнуть дефицит влаги. Если данный показатель оказывается ниже 65%, культуры теряют тургор и не растут, а при увеличении обоих параметров начинается капель, провоцирующая развитие болезней. Угрозу образования конденсата можно снизить за счет применения антиконденсатных пленок. Помимо относительной влажности необходимо учитывать дефицит давления паров (ДДП). При его значении в пределах 7–11 г/куб. м фотосинтез осуществляется нормально, но при уменьшении этих показателей происходит закрытие 50% устьиц, в результате чего листья не поглощают СО2, а корни не усваивают ионы кальция и бора.

Влажностью и температурой воздуха в теплице проще управлять в высоких сооружениях. В этом случае автоматическая система должна учитывать влажность растений и покрытия — грунт дольше сохнет, чем закрытый пол, а испарительные системы охлаждения следует настраивать в соответствии с водным балансом культур, то есть соблюдать соотношение транспирации и количества поглощенной корнями воды. При этом один из наиболее простых способов снижения влажности теплице — автоматическое проветривание с помощью форточек, особенно эффективное в сухую погоду. Длительность и момент их открытия определяются по показаниям гигрометра и термометра, установленных снаружи и внутри помещения. Программа управления выбирается по принципу ее работы. Так, форточки с биметаллическими пластинами разного коэффициента расширения распахиваются при увеличении температуры, а при ее понижении закрываются за счет восстановления исходной прямой формы. Гидравлическая система работает по принципу сообщающихся сосудов, один из которых установлен снаружи, другой — в теплице. Масло в емкости при определенной температуре расширяется и выталкивает поршень механизма открытия форточек. Как только оно остывает, дверца закрывается. Линейные актуаторы функционируют с учетом атмосферного давления, внешней и внутренней температуры.

3.png

КОЛЕБАНИЯ ВЛАГИ

Другой метод понижения влажности — использование системы осушения и очистки воздуха, включающейся по сигналу датчиков. Чрезмерные показатели, превышающие 85%, можно снизить изменением режима отопления и вентиляции, причем последняя также уменьшает температуру воздуха в помещении. Полноценный спад влажности в теплице происходит при замене 40% объема на атмосферный воздух, то есть в теплице антрацитового типа должно быть открыто около 70% всех форточек. Поскольку через них с потоком воздуха в комплекс попадают вредители и возбудители инфекций, для быстрой смены воздуха подключаются вентиляторы, работающие от термореле. Для нормализации влажности в холодную и дождливую погоду форточки не используются. Зимой для осушения воздуха регулируется просвет закрытия термоэкранов, а весной и осенью, особенно в период осадков, делается главным нагрев верхнего регистра, поддерживающий температуру около 40ºС. Однако данный прием при герметичности помещения ниже одного процента оказывается неэффективным. В теплицах старше пятого поколения температура на разных поверхностях существенно отличается. Поскольку холодные плоскости охлаждают вокруг себя воздух, в подобного типа помещениях его можно осушить при направлении на поверхность с температурой ниже точки образования росы, а потом отвести капельную влагу за пределы комплекса. При этом автоматические датчики температуры и влажности следует располагать в местах потенциального холода, а также над растениями и в нижних уровнях, и не забывать их регулярно проверять с помощью психрометра.

В процессе выращивания растений в защищенном грунте также возникают ситуации, требующие увеличения влажности в помещении. Один из эффективных способов — пропускание воздуха через камеру распыла влаги либо водяные стенки. Для повышения влажности и одновременного снижения температуры и ДДП используются распылители, установки тумана и разбрызгиватели под крышей. Дефицит паров и повышенная транспирация устраняются с помощью систем туманообразования и испарительного охлаждения с разбрызгивателями. Самым экономичным вариантом оптимизации влажности воздуха является применение ультразвуковой технологии. Однако в данном случае может повышаться общая температура воздуха в теплице. Поэтому в качестве альтернативного варианта можно использовать насос высокого давления и специальные распыляющие форсунки. Ограничение вентиляции в солнечную погоду также способствует повышению влажности.

ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Для контроля влажности воздуха в высокой теплице устанавливаются специальные датчики и контроллеры, круглосуточно анализирующие показания, различные модели ультразвуковых увлажнителей, располагающиеся в верхней части помещения, или системы туманообразования с автоматической функцией отключения. Поскольку воздух увлажняется с учетом местной погоды, помимо измерителей влажности нужна локальная метеостанция и датчики, контролирующие перепады температур по профилю теплицы. При этом система управления должна учитывать, что в летний период, когда на улице сухо и жарко, форточки с наветренной стороны должны быть закрытыми. При отсутствии или недостаточном количестве систем образования тумана или приборов для рассеивания влажность воздуха можно нормализовать при помощи укладки на дорожки и подключения к водопроводной системе ПВХ-трубы с вкрученными в нее распылителями. Время работы такого приспособления также можно автоматизировать, подключив программное управление к кранам подачи воды. Оптимизировать влажность воздуха можно и за счет изменения температуры верхних и нижних регистров. Для этого в теплице должны быть установлены термометры и гигрометры. Однако следует помнить, что при стандартном распределении тепла, то есть снизу вверх, циркуляция воздушного потока очень сильная, поэтому испарение возрастает. Для исключения образования мощной струи воздуха автоматика должна усилить температуру верхнего регистра. Оптимальный режим управления влажностью и температурой в старой теплице типа «Антрацит» достигается при разделении тепловых контуров на равное количество верхних и нижних регистров, а также при наличии вертикального и подпочвенного каналов.

При регулировке влажности в невысоких теплицах стоит помнить, что горячий воздух от газоразрядных ламп при закрытых форточках меняет общий поток таким образом, что в нижних уровнях образуется застой воздуха. В итоге влажность может увеличиться вплоть до образования конденсата, а транспирация упасть. В этом случае целесообразно пользоваться электронными термогигрометрами для одновременного непрерывного контроля, способными рассчитывать температуру точки росы и выводить показатели на дисплей со световой LED-индикацией, предупреждающей о приближении параметра к критическому значению. В невысоких теплицах сенсоры и датчики влажности и температуры воздуха размещаются в нижней части, а также погружаются в субстрат. При этом следует помнить, что измерители — слабое звено, поэтому не стоит скупиться на дублирование анализирующих приборов управляющих систем.

ОСНОВЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Урожайность культур в защищенном грунте напрямую зависит от уровня их освещенности, на которую за счет применения специальных ламп расходуется до 50% от всего объема электроэнергии. Максимальная естественная освещенность характерна для теплиц пятого поколения за счет отсутствия форточек, однако даже в них данный показатель нередко оказывается недостаточным. Так, сумма дневного света (СДС), представляющая собой количество фотонов, полученных в течение одного дня в диапазоне ФАР, обычно внутри теплицы не превышает 3 моль/кв. м в день, в то время как минимальное необходимое значение — 10–12 моль/кв. м в день. При недостатке света растения начинают тратить энергию на наращивание листовой поверхности с целью оптимизации фотосинтеза, в результате чего ухудшается их рост и внешний вид, а также снижается урожайность. Поэтому большинство выращиваемых в отечественных тепличных хозяйствах культур нуждается в дополнительном освещении в осенне-зимнее время.

Один из способов повысить количество света — дополнить натриевые светильники электронным пускорегулирующим аппаратом (ЭПРА). В этом случае световые потоки и соответственно освещенность растений повышаются почти на восемь процентов, а прибавка света на один процент в среднем увеличивает урожайность на аналогичный показатель. Важно не только поддерживать общую освещенность, но и соблюдать режим досвечивания: включать газоразрядные лампы и (или) фитооблучатели утром и вечером либо обеспечивать необходимый уровень света на протяжении заданного светового дня. При этом следует помнить, что рослые индетерминантные культуры, то есть огурец, томат и перец, выгоднее выращивать в высоких теплицах с применением для досвечивания газоразрядных светильников мощностью не менее 1000 Вт. Для исключения перегрева растений такие лампы нужно подвешивать на высоте 5,5 м. Однако в этом случае листья нижних ярусов оказываются затененными и страдают от недостатка света.

При нормализации освещения в теплице нужно учитывать тот факт, что растения чувствительны к количеству фотонов или квантов, энергия которых неодинакова и зависит от длины волны. Отсутствие контроля над спектральным составом света приводит к различным нарушениям — например, культуры быстро растут, но цветение у них не наступает. Поэтому важно не просто дать больше света, а подобрать для каждого растения индивидуальный спектр в зависимости от естественного светового потока в теплице. В этом случае можно использовать специальные LED-лампы. Они различаются спектром излучения, причем при одинаковом количестве энергии источники красного света излучают фотоны более эффективно, чем синие. При помощи комбинации неодинаковых светодиодов можно подобрать спектр для каждого сорта. Более того, температура нагрева подобных излучателей не превышает 40ºС, поэтому их можно размещать непосредственно над растениями или между ними. Данный факт позволяет использовать такие лампы в специальных вертикальных фермах. Помимо оптимизации спектра LED-источники снижают потребление электроэнергии в среднем на 40%. Один из важных недостатков подобных светильников — низкий ресурс работы их блоков питания, составляющий лишь 15–25 тыс. часов, и длительный срок окупаемости, достигающий 8–10 лет.

2.png

ИЗМЕРИТЬ СВЕТ

Стандартной схемы досвечивания растений не существует, поскольку на освещенность влияет множество факторов. Среди них — географическое положение теплицы, степень ее затенения окружающими объектами, характер ограждения, климат региона, стоимость энергии, типы ламп и даже виды и сорта возделываемых культур. Наиболее перспективной для управления климатом системой для большинства теплиц считается гибридная, сочетающая светодиодное LED-освещение между рядами растений, увеличивающее ФАР непосредственно в зоне листьев, и верхнее досвечивание натриевыми лампами высокого давления, тепловое излучение которых, кстати, позволяет компенсировать расход энергии на отопление. Гибридная досветка повышает урожайность до 15%.

Для измерения источников света, например солнечной радиации, ламп дневного света, натриевых светильников высокого давления и других, используется люкс-мультиметр с фотоэлектрическим датчиком. Энергия освещения в диапазоне ФАР, в том числе LED-излучателей, контролируется ФАР-метрами, или квантометрами. Устройства для правильного контроля освещенности растений следует располагать на внешней стороне теплицы, между светильниками и на разной высоте между рядами растений. Сегодня выпускаются модели, учитывающие в режиме реального времени снижение естественной освещенности, оценивающие плотность излучения непосредственно в области ФАР и указывающие, насколько излучаемый свет соответствует потребностям растения. Более сложные модели датчиков дополнительно определяют температуру воздуха, поскольку она влияет на интенсивность фотосинтеза. Кроме того, подобные приборы могут взаимодействовать с программой, которая подстраивает алгоритмы управления ДДП, концентрацией СО2 и требованиями конкретной культуры, а также фоторезистором, включающим или отключающим элементы осветительного контура.

ПОЛИВ И КОРМЛЕНИЕ

Экономическая эффективность тепличного хозяйства также зависит от оптимального расхода воды и удобрений, необходимое количество которых обусловлено типом используемого субстрата и способа полива. График орошения может полностью управляться датчиками либо с их помощью корректироваться по установленным расчетным параметрам. В грунтовых теплицах система контроля ограничена измерителями влажности почвы. При гидропонной технологии выращивания дозирующие устройства контролируют уровень и объем потока воды, влажность субстрата, расход и концентрацию рабочего питательного раствора, и другие показатели. На капельных линиях устанавливаются датчики контроля расхода жидкости в поливной емкости. От них сигналы поступают к насосам и запорным электромагнитным клапанам.

Известно, что избыточная кислотность губительно воздействует на корни растений, тормозит деятельность полезной микрофлоры, способствует развитию патогенных микроорганизмов и блокирует потребление макроэлементов, а защелачивание раствора препятствует потреблению микроэлементов и сульфатов. Поскольку сбалансированное питание способствует повышению иммунитета растений, снижает затраты на пестициды и их внесение, позволяет получать более качественную, вкусную, внешне привлекательную и дольше сохраняющую товарный вид продукцию, в автоматизированных системах орошения и фертигации обязательно контролируется поступление необходимого количества микро- и макроэлементов. Для определения кислотности субстрата используются рН-метры прямого измерения, концентрации солей в маточном и питательном растворах — кондуктометры. Показания датчиков также определяют подачу жидкости и концентрацию смеси, управляют системами рекуперации, термической и ультрафиолетовой очистки дренажной и дождевой воды. Данная разработка дает возможность экономить до 30% расходов на воду, удобрения и энергию. Без автоматической системы управления водным режимом субстрата не сможет функционировать и технология частичной аэропоники, позволяющая уменьшить издержки на туки для огурца до 300 тыс. руб/га и расходующая меньше всего воды на создание единицы продукции.

ПОМОЧЬ ФОТОСИНТЕЗУ

В атмосферном воздухе концентрация углекислого газа составляет в среднем 340–360 ppm. Однако этого количества недостаточно, например, для выращивания качественной рассады или хорошего плодоношения огурцов. В этих случаях данный показатель должен равняться 800 и 1000–2000 ppm соответственно. По этой причине в теплицах необходимы углекислотные подкормки, причем важен не только общий объем углекислоты, но и оптимальное время ее подачи, которое зависит от освещенности растений. К примеру, летом, когда ФАР максимальна, огурцы после восхода и до захода солнца потребляют до 700 ppm в день. Зимой потребность в углекислотной подкормке коррелирует с периодом работы искусственного освещения. Кроме того, нужно избегать высоких концентраций углекислого газа: его излишек может вызвать ожоги растений. Регулировать расход этого вещества можно с помощью газового клапана, портативных СО2-метров, специальных датчиков для автоматизированной системы и автономных измерителей параметров микроклимата с функцией контроля концентрации углекислого газа.

4.png

МАСШТАБНЫЙ НАДЗОР

Схема любой системы управления состоит из датчика, взаимодействующего с микропроцессорным реле, а далее — с оборудованием, которое в соответствии с программой включает в нужное время и на требуемый по длительности период установки обогрева, вентилирования, увлажнения, освещения, полива и подкормки. Например, датчики, установленные в грунте, при понижении температуры передают сигнал на реле и с помощью специальных диммеров или их аналогов постепенно увеличивают нагрузку на электротены либо газовый котел с теплоносителем. Как только температура над растениями достигает заданного параметра, контроллер отключает нагревательные приборы либо снижает расход газа. Системы контроля также могут включать видеокамеры и устройства для оповещения о критическом значении какого-либо показателя, отправляющие сообщения на смартфон или компьютер. Поэтому при отсутствии у предприятия возможности сразу построить современную, полностью оснащенную контрольно-управляющим комплексом теплицу хорошим решением станет постепенное дополнение имеющегося помещения индивидуальными системами контроля и управления, а также наращивание базы данных климата и совершенствование программного обеспечения. Однако надо понимать, что в перспективе, когда значительно подорожают или будут ограничены ресурсы, все теплицы будут вынуждены перейти на замкнутый цикл производства. В этом случае производить продукцию с выгодой без комплексного учета всех факторов, причем с привязкой к особенностям конкретного сорта, станет проблематично.

МНОЖЕСТВО РЕШЕНИЙ

Отдельные элементы систем контроля и управления микроклиматом можно приобрести в компаниях, специализирующихся на электротехническом оборудовании. Например, ООО «Энергоспецтехника» предлагает установки, в том числе прибор РЭВ-302, для нормализации освещенности в теплице в зависимости от ее естественного уровня и в соответствии с заданным временным интервалом. Компания «Фабрика тумана» поставляет ультразвуковые увлажнители и контролеры для регулирования влажности и объема углекислого газа. Голландская фирма Hortilux выпускает систему управления освещенностью в теплице, которую контролируют итальянские люксметры Delta OHM с фотоэлектрическим датчиком. Для корректировки уровня CO2 также можно использовать решение Cascad от АО «НПО “Каскад”» либо разработки от ООО «Агрополис». Отдельные компании предлагают комбинированные системы контроля климата в теплице. Например, ООО «Сертон Рус» использует для управления проветриванием и охлаждением теплицы технологию SuprimeAir.

Меньше ошибок можно допустить при одновременной установке климатического или осветительного оборудования и необходимых систем контроля, например, влажности либо температуры воздуха в теплице. Подобные решения предлагают многие компании, которые строят или модернизируют предприятия защищенного грунта. Например, разработки ООО «СИН-Автоматика» обеспечивают контроль и управляют внутри теплицы температурой воздуха и листа, содержанием CO2, влажностью cубстрата, окружающей среды и листа с учетом погоды. Подобные системы при монтаже теплиц также размещают ООО «АгроСтройСистема», ООО «Королев-Агро», ООО НПО «Компас», ООО «Агрисовгаз», ООО «Профит-Агро», ООО НПФ «ФИТО» и другие. Данные предприятия могут устанавливать действующие системы вентиляции и проветривания, досвечивания и зашторивания, испарительного охлаждения, подкормки растений углекислым газом и фертигации, отопления и энергосбережения, капельного орошения, взвешивания и анализа матов не только отдельно друг от друга, но и комплексно. При этом оборудование будет настраиваться как вручную, так и с помощью компьютерной программы в каждой теплице либо через интернет-диспетчеризацию.

ЕДИНАЯ СИСТЕМА

Автоматизация технологических процессов позволяет увеличить производительность и существенно сократить издержки. Сейчас на рынке представлено достаточное количество зарубежных и отечественных комплексных систем централизованного управления микроклиматом в промышленных теплицах и вертикальных фермах. В таких решениях все элементы, контролирующие и регулирующие влажность, температуру воздуха и грунта, уровень освещенности, расход воды и удобрений, взаимосвязаны, соединены в одну систему и управляются централизованно. Такие разработки предусматривают полный набор датчиков, показания которых поступают в компьютер, устанавливающий с помощью программы режимы отопления всей теплицы и ее отдельных контуров, включения актуаторов, управляющих форточками, и зашторивания, определяющий интенсивность работы вентиляторов либо осушителей, осветительного оборудования, водяного насоса, клапанов подачи воды и углекислого газа. Помимо обозначенных факторов, программа учитывает физиологические особенности выращиваемой культуры, состояние, соответствующее ее возрасту, сезонные колебания температуры и освещенности, характерные для климата местности, где находится теплица. Более того, уже были разработаны системы контроля тепла, способные предвидеть скачки температуры и освещенности, а также корректировать в соответствии с изменениями температуру теплоносителя, режим полива, дозировку и электропроводность раствора. Такие разработки также могут при резком усилении мороза или ветра быстро закрывать или менять положение форточек.

Ежегодно согласованный алгоритм управления климатом в теплице усложняется, пополняется новыми данными и коэффициентами, за счет чего минимизируется риск возникновения ошибок, которые может допустить оператор при ручном управлении данными нескольких независимых систем контроля. Программные сервисы позволяют регулировать микроклимат в теплицах любой конфигурации, вести полный учет всех операций и сведений о работе технологического оборудования, архивировать данные в электронном формате, составлять технологические карты для каждой культуры севооборота, просчитывать затраты всех участков и даже создавать задания. Более того, компьютер отдельной теплицы через Интернет или мобильное приложение может быть соединен с центральным ПК либо смартфоном, что позволяет одновременно регулировать несколько производственных площадок с разным набором культур, а также использовать меньшее количество обслуживающего персонала. Поэтому сегодня агроном-овощевод должен разбираться не только в физиологии растений и агротехнологиях, но и в системах управления теплицей, которая все больше напоминает космический корабль.


Популярные статьи