Автономная теплица, функционирующая на возобновляемых энергоресурсах

Введение. Несмотря на государственную поддержку и ускоренное развитие тепличного промышленного производства здоровой зеленой продукции в стране, сегодня количество потребляемых овощей на душу населения России меньше физиологически обоснованных и установленных норм. По рекомендации Минздрава потребление в год овощной продукции должно составлять 140 кг, в то время как по данным Росстата ежегодно каждый россиянин не доедает только здоровой зеленой продукции около 30 кг [1]. Это, по заявлению врачей, приводит к снижению иммунитета - так, при дефиците только витамина С мы чаще простужаемся, тяжелее болеем, ухудшается физическая и умственная активность. По предварительной оценке ассоциации «Теплицы России», урожай культур, выращенных в защищенном грунте, в 2018 году стал наилучшим за всю историю российского агробизнеса и составил около 1,1 млн т, об этом же заявляет компания «Технологии Роста». Согласно Росстату, в 2018 году сель-хозорганизации собрали 922 тыс. т тепличных овощей, с учетом КФХ урожай был еще больше - на уровне 975 тыс. т [2]. По данным Минсельхоза на 26 сентября 2019 г., валовой сбор овощей в защищенном грунте составил 713,6 тыс. т, что на 21,1% больше, чем к аналогичной дате предыдущего года. В том числе урожай огурцов достиг 4б0 тыс. т (прирост к 2018 г. + 12,8%), томатов - 243,7 тыс. т (+35,3%), прочих овощей - 11,2 тыс. т (+19,1%) [3].

Но не только крупные хозяйства обеспечивают круглогодичную, всесезонную «овощную» независимость страны. Так, в общий вклад в овощной урожай России вносят малые и средние тепличные хозяйства и комбинаты, которые занимают под возделываемые культуры как достаточно большие, так и небольшие площади, обеспечивая выращенной продукцией местные, региональные прилавки и рынки сбыта [4].

На данный момент отсутствуют готовые комплексные технические и технологические решения, позволяющие эффективно выращивать зеленую продукцию как в условиях ведения малого бизнеса при централизованном энергоснабжении, так и в энергетически автономном режиме. Кроме этого следует отметить, что и комплексная автоматизация процессов в сооружениях защищенного грунта зачастую пока еще не отвечает запросам полного автоматического цикла выращивания растениеводческой продукции. Поэтому любые исследования и технологические проекты, направленные на повышение эффективности производства продукции в культивационных сооружениях малых форм, снижение энергопотребления и улучшение условий труда являются актуальными задачами, требующими разнообразных решений с различными вариантами технологических и технических предложений.

Цель статьи – проанализировать существующие технологии, технические решения в культивационных сооружениях малых форм и обосновать структурное построение автономной теплицы, функционирующей на возобновляемых энергоресурсах.

Анализ существующих технических и конструкционных решений. Теплица - специальное (культивационное) сооружение с покрытием из светопропускающего материала для сезонного или круглогодичного выращивания овощных культур и рассады. Теплица - это, прежде всего, объект, зависимый от обеспеченности энергией, среди которых основным является поток лучистой энергии Солнца. Эти вегетационные сооружения также называют закрытыми грунтовыми или культивационными, которые функционируют при минимальном влиянии внешней окружающей среды на рост и развитие выращиваемых растительных объектов. Это позволяет скорректировать биологические ритмы растений для наибольшей эффективности получения от них зеленой массы, плодов или ягод [5, 6].

Рисунок 1 - Конструкционные виды теплиц

Форма культивационного сооружения выбирается исходя из ориентации на местности, места размещения и условий эксплуатации теплицы (см. рисунок 1). Из перечисленных на рисунке 1 отдадим предпочтение двускатной и арочной теплицам и детально рассмотрим их достоинства и недостатки, поскольку именно эти виды конструкций наиболее распространены в ЮФО (таблица 1).

Таблица 1 – Анализ наиболее распространённых из существующих конструкций культивационных сооружений

Арочная конструкция
Достоинства	Недостатки
Прочность конструкции – способна выдержать значительные снеговые нагрузки	Используется не весь объём внутритепличного пространства
Герметичность конструкции, удобство монтажа покрывного материала, отсутствие дополнительных стыков и швов при монтаже	Неудобство посадки растения вблизи примыкания стенок к почвенной поверхности
Возможность посадки высокорослых культур	Дополнительное укрепление каркаса при высоте конструкции более 2 метров
Сводчатая форма позволяет равномерно проникать солнечному свету	Влияние на конструкцию ветровых нагрузок, так как возможна ее деформация
Образовавшийся конденсат не капает на растения, а стекает по стенкам
Более равномерный обогрев внутритепличного пространства
Удобство монтажа фрамуг проветривания как вверху теплицы, так и внизу
Двухскатная конструкция
Используется весь полезный внутренний объем теплицы	Дополнительное утяжеление конструкции за счет использования более усиленной крыши и стен
Возможна постройка любой высоты стенок, высота конька регулируется в зависимость от снеговой нагрузки	Высокая зависимость прочности конструкции от снеговой и ветровой нагрузки
Удобство и легкость монтажа конструкции, а также форточек на крыше и по стенкам	Зачастую необходим фундамент для конструкции
При равных размерах теплицы по периметру имеется больший объем внутреннего воздушного пространства	Увеличение потерь тепла в угловых зонах

В качестве основного энергозатратного процесса, искусственно организуемого в сооружениях такого рода, является поддержание температурно-влажностного режима воздушной среды и почвы. Поэтому следует проанализировать свойства, достоинства и недостатки покрывного материала теплиц, в качестве которого в основном применяют стекло, поликарбонат монолитный, поликарбонат сотовый и полиэтиленовую пленку [7] (таблица 2).

Проанализировав все свойства покрывных материалов, можно отметить, что сотовый поликарбонат в отличие от монолитного поликарбоната, полиэтиленовой пленки, стекла имеет хорошие характеристики по светопроницаемости и теплопроводности, обладает небольшим весом, выдерживает механические нагрузки и с его использованием можно создавать различные конфигурации несущих конструкций. Исходя из всего этого сегодня именно его используют для обустройства теплиц, вегетариев, культивационных сооружений малых форм для частного сектора и небольших крестьянско-фермерских хозяйств [7]. Благодаря своим теплоизоляционным свойствам и простоте монтажа, а также соотношению цена/качество сотовый поликарбонат интенсивно используется в хозяйствах и на предприятиях ЮФО.

Дополнительными показателями выбора вида культивационного сооружения могут также служить оценка его взаимодействия с централизованной системой энергоснабжения, долговечность использования и технико-экономические показатели. Анализ и используемые виды оценки применимости теплиц представлены в таблице 3.

Таблица 2 – Анализ достоинств и недостатков наиболее распространённых вариантов покрывного материала, используемого в теплицах

>s co о н о о н го о О. го S с; о с	Плюсы	Минусы
	Небольшой вес материала – 1,3–17,4 кг/м2	Низкая абразивная устойчивость – 2,1 Дж
	Хорошая светопроницаемость – 78%	Разрушение под воздействием УФ-излучения
	Возможность изгибаться при монтаже	Наличие деформации при воздействии высоких или низких температур
	Химическая устойчивость	Повышенная отражающая способность
	Хорошие теплоизоляционные свойства. Коэффициенты теплопроводности 0,14–0,2 Вт/м·К и теплопередачи – 3,9 Вт/м²·°С. Диапазон температур при эксплуатации -45… +120 ºС	Загрязняемость внутренних каналов при эксплуатации
	Преломление солнечных лучей позволяет получить рассеянный свет	Необходимость использования дополнительной специальной монтажной арматуры
	Парниковый эффект
	Оптимальное соотношение цена/качество
	Срок службы – не менее 10 лет
>s н S с; о X о 2 н го X о О. ГО S с; о с	Небольшой вес материала – 2,4–14,4 кг/м2	Высокий коэффициент линейного расширения при изменении температурного режима
	Отличная светопроницаемость – 96%	Разрушение под воздействием УФ-излучения
	Возможность изгибаться при монтаже	Более высокая стоимость
	Жесткость конструкции из материала, прошедшего горячую формовку	Наличие технологических особенностей при монтаже
	Хорошие теплоизоляционные свойства. Коэффициенты: теплопроводности – 0,72–1,0 Вт/м·К и теплопередачи – 5,09 Вт/м²·°С. Диапазон температур при эксплуатации -45…+120 ºС	Необходимость использования дополнительной специальной монтажной арматуры
	Химическая устойчивость	Повышенная отражающая способность
	Парниковый эффект
	Срок службы – не менее 10 лет
го X ф с; Е к го со о X ф с; S н го S с; о с	Легкость монтажа пленочного покрывного материала	Пленочная теплица недолговечна – монтаж и демонтаж каждый год. Максимальный срок службы – 5 лет
	Хорошая светопроницаемость – до 90%, степень прозрачности – 79–93%	Низкая прочность, несмотря на армирование
	Коэффициенты: теплопроводности – 0,25–0,3 Вт/м·К при плотности 916 кг/м3 и теплопередачи – 0,5–1,18 Вт/м²·°С	Зависимость от ветровой и снеговой нагрузки
	Возможность легкого демонтажа в зимний период	Поддается воздействию УФ-излучения
	Парниковый эффект
	Низкая цена материала
о S ф 1— о	Довольно длительный срок эксплуатации – до 50 лет	Создание очень прочного фундаментного основания и крепкой каркасной конструкции, вес материала – 10 кг/м2
	Отличная светопроницаемость – до 98%, степень прозрачности – 89–92%	Является очень хрупким материалом, который подвержен растрескиванию и разбивается при падении. Предел прочности – от 500 до 2000 МПа
	Обладает стабильно высоким показателем теплоизоляции. Коэффициенты: теплопроводности – 0,72–1,0 Вт/м·К и теплопередачи – 5,8 Вт/м²·°С. Диапазон температур при эксплуатации -70…+250 °С	Конструкции требуется мощный фундамент, а каркас занимает значительное место
	Стекла легко чистятся от загрязнений и не подвергаются порче с течением времени	Быстро прогревается под воздействием солнечных лучей, что требует обустройства качественной вентиляции
	Разбитые стёкла легко подлежат замене	Теплица из стекла может быть выполнена исключительно в форме двухскатного домика

Таблица 3 – Степень энергозависимости теплиц и их эксплуатационная оценка

Культивационное сооружение	Степень энергозависимости	Использование в осенне-зимний период	Долговечность покрывного материала	Затраты и срок окупаемости
Пленочные теплицы	Зависимая от централизованного энергоснабжения. Основной энергетический поток тепла и света получает от солнца	Не используется. Использование лишь 5–6 месяцев в году	Срок службы 1–2 года	Незначительные затраты; окупается в первый год; существенные   тру довые затраты
Поликарбонатные теплицы	Зависимая от централизованного энергоснабжения. Досвечивание и полив электрифицированы. Основной энергетический поток тепла и света получает от солнца	Использование 7–8 месяцев в году	Срок службы 10 лет	Затраты средние; окупается в течение двух лет
Поликарбонатные теплицы с применением ВИЭ	Частично зависимая от централизованного энергоснабжения. Основной энергетический поток тепла и света получает от солнца	Использование 7–8 месяцев в году	Срок службы 10 лет	Затраты средние; окупается в течение двух с половиной лет
Солнечные вегетарии	Зависимая от централизованного энергоснабжения, дополнительно предусмотрена система отопления. Основной энергетический поток тепла и света получает от солнца	Используется круглогодично	Срок службы 10–12 лет	Затраты высокие; окупается в течение пяти лет

Предлагаемое решение и его обсуждение. Малый бизнес и индивидуальные предприниматели заинтересованы во всесезонном производстве и реализации овощной зеленой продукции рядом с местом ее выращивания, и, следовательно, их интерес распространяется и на создание круглогодичной, автономной, малоэнергозатратной теплицы или комплекса теплиц, функционирующих на основе местных, возобновляемых энергоресурсов. Технологической особенностью разрабатываемого культивационного сооружения и инновационным подходом при таком решении является автономность, независимость от централизованного энергообеспечения и существенное снижение затрат энергии за счет внедрения энергосберегающих решений, использования возобновляемых энергоресурсов, реализации концепции умного управления процессами и операциями.

Поиск готовых решений и уже реализованных отдельных компонентов, а также изучение существующих аналогов выявил некоторые их недостатки, а именно – обязательное наличие системы централизованного энергоснабжения; в большинстве случаев их функционирование возможно только в теплый период года, очень часто используется автоматизация только отдельных технологических операций; отсутствуют системы резервирования и аккумулирования энергии.

Исправить обозначенные пробелы и недостатки можно, используя местные возобновляемые первичные энергоносители, такие как низкопотенциальная энергия земли и энергия солнца.

Отсутствие на рынке такого рода культивационных сооружений позволило спроектировать и разработать конструкцию автономной теплицы, обосновать функциональную структуру системы автоматизации, предложить спецификацию требуемых материалов и оборудования, оценить затраты энергии на технологические операции, обеспечив их электрической и тепловой энергией, а также разработать 3D-модель теплицы и размещаемого в ней оборудования.

На схеме (см. рисунок 2) показано расположение технологического оборудования и представлены энергетические потоки, согласованное использование которых необходимо в зимне-осенний период для обогрева теплицы и организации досвечивания растений, а в весен- не-летний период – для охлаждения воздушного пространства внутри помещений теплицы и дополнительного освещения. Массивное темное тело в основании теплицы позволяет накапливать и сохранять тепловую энергию не только внутри теплицы, но и не дает промерзать грунту возле нее. Тепловой баланс можно поддерживать при помощи автоматической системы управления для теплиц пятого поколения «Мик- роКлиф». Влажность воздуха и почвы контролируется при помощи датчиков влажности, сигнал с которых оцифровывается и поступает в управляющий орган при помощи GPS-трекера. Подача воздуха внутрь помещения происходит в летний период через систему «МикроКлиф», а в зимний – через вентиляторы, встроенные в корпус теплицы, с контролем включения, осуществляемый через управляющий орган [5, 6, 8].

Рисунок 2 – Структурная схема автономной теплицы, функционирующей на местных возобновляемых источниках энергии

Рисунок 3 – 3D-модель комбинированного применения возобновляемых энергоносителей для полностью энергонезависимой теплицы

В сельской местности ЮФО в большинстве случаев эксплуатируются устаревшие линии электропередачи, которые не всегда способны осуществить бесперебойную подачу энергии к теплицам, да и в некоторых районах до сих пор отсутствует центральное энергоснабжение, а местные жители применяют дизельные генераторы для домашних бытовых приборов. Для эффективной работы современного технологического оборудования в проектируемых теплицах необходимо применять электроэнергию без перебоев и с требуемыми параметрами качества.

Преимущество представленного конструкторского решения в том, что монтаж тепличного комплекса предполагается на удаленных территориях Ростовской области и ЮФО, в условиях отсутствия централизованного энергоснабжения, в туристско-рекреационных зонах, природных заповедниках и местах отдыха, не нанося урона и вреда окружающей среде. Ис- пользование альтернативных источников энергии прогнозирует с течением временем снижение себестоимости производимой продукции. Следующим позитивным фактом является возможность организации системы удаленного мониторинга за режимами как в самом тепличном комплексе, так и за режимами работы энергетического оборудования [9]. Предлагаемый тепличный комплекс проектируется согласно требованиям СП 107.13330.2012 Теплицы и парники. Актуализированная редакция СНиП 2.10.0485 (с Изменением № 1).

К данной теплице можно применить понятие и «умная теплица», так как управление процессами в теплице может осуществляться с помощью мобильного телефона или персонального компьютера удаленно, а применение системы timelapse позволяет наглядно отследить динамику роста растений и изменения параметров сред выращивания.

Рисунок 4 – Схема применения и работы оборудования с использованием цифровых технологий для управления техническими процессами

Рисунок 5 - Круглогодичная малогабаритная блочная теплица, разработанная с учетом климатических и технологических особенностей

Преимущества автономно функционирующей теплицы, спроектированной для ЮФО:

• 1)    предложенная конструкция теплицы нергоэффективнее существующих аналогов;

• 2)    цифровизированы все технологические операции;

• 3)    экологичность производства;

• 4)    энергонезависимость от внешнего энергоснабжения;

• 5)    материально-финансовая доступность для небольших предприятий или подсобных и фермерских хозяйств.

Идея разработки автономной малоэнергозатратной теплицы на основе альтернативных источников не имеет подобных технологических решений, так как применение возобновляемых энергоносителей не приводит к загрязнению экологической среды региона. Тепличный комплекс представлен из двух помещений: технического помещения и зоны выращивания. В проектируемой теплице предусматривается применение солнечной энергии для генерации электрического тока и его резервирования для последующего выполнения технологических операций. Также солнечная энергия применяется для водяного обогрева почвы при помощи солнечного коллектора [10]. Солнечное излучение непостоянно, поэтому в отсутствие солнечной радиации тепловые потери компенсируются за счет функционирования теплового насоса «земля - вода» - для обогрева почвы, а для досвечивания растений и организации их полива в качестве источника электрической энергии применяют блок электрохимических аккумуляторов. Для наибольшего телоэнергетического эффекта под почвой планируется разместить песчано-гравийный аккумулятор, который способен накапливать дневное тепло и отдавать его, поддерживая необходимую температуру в ночное время суток.

Конструктивная особенность теплицы заключается в адаптивной конструкции ската крыши под солнечную панель, оптимальный средний угол наклона солнечной панели равен 39° [11]. Конструкция полностью адаптирована под климатические условия Ростовской области.

Для технико-экономической оценки рассчитан мини-бизнес-план по выращиванию зеленых овощных культур в горшечно-лоточном исполнении в блочном тепличном комплексе. Срок окупаемости одного блочного комплекса -1,5 года. Предлагаемый блочный комплекс быстро окупается, он легко монтируется, не требует централизованного энергоснабжения. Финальным завершением проекта может стать экологически чистое зеленое кафе, где посетители могут наблюдать за приготовлением здоровой пищи и выбирать ингредиенты блюд самостоятельно, практически на «грядках».

Вывод. Тепличная отрасль в России развивается интенсивно, но на данный момент импорт зарубежной зеленой продукции составляет около 70%, что не отвечает требованиям «овощной безопасности» страны. Внутренний сбор овощей и зелени экологичнее, чем привезенная продукция из-за рубежа. Поэтому пред- лагаемая конструкция позволяет решить целый ряд обозначенных проблем и снизить себестоимость готовой продукции. Применение тепличного комплекса экономически обосновано мини-бизнес-планом, где просчитан срок окупаемости и приведены все затраты.