1.2.4. Обеспечение и контроль микроклимата.

Микроклимат и фитоклимат культивационных сооружений.

Основное назначение культивационных сооружений — создание условий для выращивания овощных и других растений в течение периода, когда возделывание их в открытом грунте невозможно. В первую очередь это относится к температуре воздуха и почвы, освещенности, влагообеспеченности и содержанию диоксида углерода в воздушном пространстве сооружения. Поскольку эти факторы жизнеобеспечения растений создаются в ограниченном пространстве, совокупность их называют микроклиматом культивационного сооружения, а отдельные факторы жизнеобеспечения - параметрами микроклимата. Поддержание параметров микроклимата на оптимальном уровне — задача различных инженерных систем. Однако далеко не во всех типах культивационных сооружений этого можно добиться. В утепленном грунте, парниках и пленочных укрытиях улучшается лишь тепловой режим. В теплицах с помощью оборудования можно регулировать температуру и относительную влажность воздуха, содержание диоксида углерода, а в рассадных отделениях — и условия освещенности. В сооружениях защищенного грунта промышленного назначения некоторые параметры микроклимата в значительной степени зависят от метеорологических факторов, поэтому нет возможности поддерживать их на оптимальном уровне. Это относится к температуре воздуха (перегревы) и к содержанию диоксида углерода.

Оптимальное сочетание параметров микроклимата достигается лишь в камерах искусственного климата и фитотронах с использованием сложного инженерного оборудования и вычислительной техники. Наличие растений в культивационном сооружении существенно влияет на формирование микроклимата. Растения или их отдельные органы экранируют солнечную радиацию, снижая освещенность в нижних ярусах. Обладая значительной теплоемкостью и испарительной способностью, наряду с системами отопления и вентиляции они активно участвуют в создании температурно - влажностного режима. Поэтому, говоря о культивировании растений в сооружениях защищенного грунта, необходимо использовать более точный термин — фитоклимат сооружения, то есть микроклимат с учетом влияния растительного ценоза. Тепловой баланс культивационных сооружений. Оптимальную температуру воздуха и почвы для растений в сооружениях защищенного грунта создают с помощью системы отопления. Правильный расчет и конструирование системы отопления невозможны без учета всех тепловых воздействий на сооружение. Необходимо также принимать во внимание все тепловые потоки при прогнозировании расхода теплоты для поддержания заданной температуры. Алгебраическая сумма всех тепловых потоков сооружения составляет его тепловой баланс. В статическом режиме, то есть в периоды, когда температуры внутри и снаружи сооружения постоянны, тепловой баланс равен нулю. В этом случае приходные составляющие тепловых потоков равны расходным, в результате чего наблюдается равновесие температур. При переходных или динамических режимах соотношение между притоком и расходом тепловой энергии изменяется и температура в сооружении будет повышаться или понижаться в зависимости от этого отношения.

При отсутствии растений теплота солнечной радиации и лучистая составляющая системы отопления воспринимаются в основном почвой, частично аккумулируются в ней, а остальная часть излучается в воздушное пространство сооружения. Часть этой теплоты расходуется на испарение почвенной влаги. При наличии растений солнечная радиация почти полностью поглощается или расходуется большей частью на испарение влаги с поверхности листьев. В результате этого растения регулируют свою температуру и существенным образом влияют на температуру воздуха в сооружении. При тепловых расчетах культивационных сооружений пренебрежение влиянием растений может привести к значительным погрешностям. Однако для упрощения практические расчеты ведут по более простой схеме с использованием обобщающих коэффициентов.

Системы отопления тепличных комплексов. Системы отопления культивационных сооружений различают по степени централизации, виду и параметрам теплоносителя и первичной энергии, типу нагревательных приборов. По виду теплоносителя различают системы с водяным и воздушным обогревом.

В системах с водяным обогревом используют горячую или перегретую воду, имеющую температуру на входе в систему 95 и 130°С, на выходе 70°С. При обогреве почвы применяют воду, имеющую температуру 40 °С.В системах с воздушным обогревом используют различные воздухонагреватели или теплогенераторы, нагревающие воздух в сооружениях. В качестве первичной энергии в таких устройствах используют тепловую (пар или горячая вода), химическую, преобразуемую в тепловую при сгорании жидкого или газообразного топлива, электрическую энергию. Как правило, воздухонагреватели имеют узел преобразования энергии и вентилятор с электроприводом, интенсивно снимающий теплоту с узла преобразования воздушным потоком. Устройства, где в качестве первичного теплоносителя выступают пар или вода, называют калориферами или отопительно-вентиляционными агрегатами (объединение калорифера и вентилятора). Газовые и жидкотопливные воздухонагреватели часто называют теплогенераторами. По конструкции и типу нагревательных приборов различают: гладкотрубные и конвекторные водяные системы отопления, воздушные системы с сосредоточенной раздачей теплого воздуха и распределением его при помощи воздуховодов, комбинированные системы отопления. Наиболее распространена, особенно в зимних блочных теплицах, водяная трубная система обогрева. Трубы отопления размещают вдоль бокового ограждения (5...6 труб по высоте), на почве и непосредственно под остеклением шатра. Для обеспечения равномерности температурного поля по высоте теплицы 40-50% всех приборов размещают в припочвенном пространстве (в рабочей зоне теплицы). Трубы надпочвенного обогрева соединяют попарно, в результате образуются удобные пути для транспортирования урожая при помощи тележек. К магистральным трубопроводам система надпочвенного обогрева присоединяется гибкими шлангами. Для циркуляции горячей воды в системе отопления устанавливают насосы, включаемые обычно в обратный трубопровод (создается более благоприятный режим работы).Трубная система отопления проста по конструкции, создает равномерное температурное поле и обогревает не столько теплицу, сколько растения. При температуре поверхности труб 90-100 °С доля радиационного обогрева составляет около 50%. Это особенно важно в зимнее время. Для экономии металла и снижения инерционности в некоторых проектах зимних теплиц применяют комбинированную систему отопления (трубы и воздушно-отопительные агрегаты). Ее используют в ангарных (проект 810-95) и блочных (проект 810-82)теплицах. В теплицах всех типов почву обогревают при помощи полиэтиленовых труб диаметром 25-40 мм, укладываемых на глубине 40-50 см, с шагом 0,4-1 м (определяют расчетом). В системах подпочвенного обогрева поддерживают невысокую температуру теплоносителя (40 °С), чтобы обеспечить равномерный обогрев почвы и предотвратить ее подсыхание. Сплошной почвенный обогрев в некоторых случаях усиливают контурным обогревом, предотвращающим утечку теплоты из почвы через фундамент при низких расчетных температурах наружного воздуха. Система контурного обогрева почвы состоит из металлических труб диаметром 80-100 мм с хорошей гидроизоляцией для предотвращения коррозии. Их закладывают по периметру теплицы на глубину 0,8-0,9 м. Встречаются и другие системы обогрева почвы в культивационных сооружениях: электрический обогрев при помощи нагревательных проводов, асфальтобетонных блоков со стальным оцинкованным проводом в качестве нагревателя, воздушно-газовый. Электрический обогрев почвы применяют в тех случаях, когда площадь культивационных сооружений не превышает 6 га. Если площадь больше, резко возрастают затраты на строительство линий электропередач и трансформаторных подстанций. Воздушно-газовый обогрев обеспечивают при помощи теплого воздуха, пропускаемого по асбоцементным трубам, уложенным в почве. Этот способ обогрева перспективен: он дает возможность не только обогревать почву за счет энергии сжигаемого топлива, но и аккумулировать солнечную радиацию. Днем нагретый солнцем воздух, проходя по асбоцементным трубам, часть теплоты передает почве, а ночью, наоборот, почва отдает теплоту в воздушное пространство [14].

Вентилирование и охлаждение сооружений защищенного грунта

Если в холодный период эксплуатации сооружений защищенного грунта их необходимо отапливать, то весной и летом вследствие высокой проницаемости для солнечной радиации в культивационных сооружениях нередко воздух перегревается. Повышенная и пониженная температуры воздуха опасны, так как резко снижают урожайность растений. Наличие системы снятия перегревов обязательно в сооружениях защищенного грунта всех типов. В простейших каркасных и бескаркасных пленочных укрытиях нецелесообразно устанавливать сложные вентиляционные или охлаждающие системы, лучше предусматривать ручную вентиляцию путем частичного раскрытия пленочного ограждения. Однако такое решение оказалось неэффективным и практически неприемлемым из-за дефицита рабочей силы. Более практичен способ, предусматривающий применение перфорированных светопроницаемых материалов, хотя подобрать оптимальную площадь перфорации для конкретных климатических условий сложно. Тем не менее, этот технический прием дает возможность избежать резких колебаний температуры воздуха под укрытием без применения ручного труда. Теплицы, как правило, оборудуют системами естественного вентилирования с автоматизированным электроприводом. Система естественного вентилирования не обеспечивает оптимального температурного режима в помещениях, особенно в летнее время в южных районах. Разработаны и находят практическое применение различные приемы, направленные как на предотвращение возникновения перегревов, так и на дополнительное искусственное охлаждение воздуха в теплицах. Из примеров первого типа следует отметить забеливание кровли, зашторивание и применение экранов. В тепличных комплексах южных районов приготовляют меловой раствор и разбрызгивают его на кровле при помощи стационарной системы. Недостаток метода — снижение освещенности в теплице. Использование трансформирующихся затеняющих экранов устраняет этот недостаток. Эффективен прием снижения солнечной радиации в результате подачи на кровлю воды или специальных растворов, интенсивно поглощающих инфракрасное тепловое излучение. В теплицах наиболее часто используют водоиспарительное охлаждение воздуха. Техническая реализация этого метода предусматривает либо систему распыления воды, либо увлажнения панелей. Существенного снижения температуры воздуха можно добиться, интенсифицируя при помощи вентиляторов процесс транспирации воды растениями [12].