АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СООРУЖЕНИЯХ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

7.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Согласно научно обоснованным нормам питания человек должен равномерно в течение всего года потребить 130...150 кг овощей и 120кг 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 площади 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...0,8м, шириной до 1,4м 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 4а 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...3000м² 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). При этом экономия теплоты достигает 30...40 %.

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

Башенные гидропонные теплицы — это многоэтажные стеклянные или светонепроницаемые сооружения высотой 20...40м 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.

7.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СООРУЖЕНИЙ ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Для сравнительной оценки сооружений защищенного грунта 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 защищенного грунта.

Коэффициент проницаемости k_П равен отношению потока солнечной энергии Ф_т, прошедшего через ограждения, к потоку энергии Фп, поступившему от солнца: k_п=Ф_Т/Ф_П.

Значение k_П зависит от коэффициентов пропускания k_M, затенения k₃ и загрязнения k_Г светопроницаемого материала, а также от коэффициента k_y, зависящего от угла падения светового потока на плоскость светопроницаемого материала:

K_П = k_M(l-k₃)(l-k_Г)k_y.

Коэффициент пропускания kM харакгеризует светопроницаемость материала. Например, для стекла он равен 0,8...0,85, для синтетических пленок — 0,85...0,9, для стеклопластика — 0,75... 0,85.

Коэффициент затенения характеризует площадь светонепроницаемых ограждений. Он равен отношению площади тени от светонепроницаемых ограждений S_H, закрывающей защищенный грунт, к общей площади защищенного грунта S_Т: k₃ — S_H/S_T. 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 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 электродосвечивание применяют только в рассадном отделении с удельной мощностью до 200 Вт/м2.

Тепловой режим сооружений дслжен 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 ^оС, 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 ^оС, 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 ^оС для теплолюбивых и до 6...8 ^оС 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 он равен 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... 11,6, для двухслойных пленочных ограждений —

4,72...6,94Вт/(м²К).

Конструктивные особенности сооружений характеризуются коэффициентами ограждения k_Q и объема k_V. Коэффициент ограждения k₀ равен отношению площади светопроницаемого ограждения Sc к инвентарной площади S_П теплиц:

.

Для ангарных теплиц k₀ = 2...2,5, а для блочных теплиц — 1,15.

Коэффициент объема 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 режимв 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 (СС₂), 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 СО₂ 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.