Исследование параметров внутренней среды автономной теплицы в осенне-зимний период

Введение. В условиях продовольственных санкций со стороны различных стран, которые на протяжении последних лет поставляли продовольственные товары в Россию, особое значение приобретает бесперебойное снабжение населения страны качественными продуктами питания. Особое значение приобретает наполнение прилавков отечественных рынков и магазинов свежими овощами, фруктами и зеленой продукцией такими поставщиками, как Китай, Египет, Азербайджан, Турция и Израиль, так и отечественными производителями. Как показывает анализ статистических данных [1], основной период импорта овощ- ной продукции приходится на осенние и зимние месяцы года.

Крупнейшие тепличные холдинги России, такие как группа компаний «РОСТ», «Агропромышленный Холдинг ЭКО-культура», «Группа компаний Горкунов», проекты которых направлены на увеличение товарного производства овощей и зелени в условиях защищенного грунта, еще не могут полновесно наполнить продовольственную корзину и обеспечить круглогодичную поставку овощной продукции к столу россиян. По данным [2] импорт овощей тепличной группы в 2021 году составил более 750 тысяч тонн. Эту незаполненную продоволь- ственную нишу можно заполнить отечественными овощами, создав хороший стимул для интенсивного развития мощностей российского защищенного грунта.

Исследования конструктивных особенностей культивационных сооружений и технологий защищенного грунта [3–13] показывают, что российская тепличная отрасль развивается за счет внедрения в производство овощей современных агротехнологий, достижений селекционной науки, совершенствования конструкционных материалов и форм теплиц, оптимального использования имеющегося оборудования. Но в то же время значительная протяженность территории Российской Федерации и региональные различия на них климатических условий еще не позволяют перейти на непрерывный вегетационный цикл выращивания овощной продукции и поточный круглогодичный сбор урожая. При этом тепличные сооружения 5-го поколения для непрерывного всесезонного производства овощей требуют создания и поддержания в них особых условий микроклимата – залога нормального развития растений и получения больших урожаев.

Основополагающими физическими факторами внутренней среды культивационных сооружений являются температура и влажность. Микроклимат внутри теплицы в осенне-зимний период зависит от множества факторов и, в первую очередь, от географической зоны расположения сооружения закрытого грунта, его обеспеченности достаточным количеством свободной энергии, наличия устройств обогрева теплицы и особенностей их функционирования.

Цель исследований заключается в определении средних значений основных микроклиматических показателей автономной теплицы с обогревом почвы солнечной энергией, обеспечивающей непрерывное круглогодичное производство овощей и зелени в защищенном грунте, добиваясь тем самым снижения потребления электроэнергии на функционирование энергетического оборудования сооружения.

Материалы и методы исследований. Исследования температуры и влажности проводились в осенне-зимний период как внутри экспериментальной автономной теплицы, так и снаружи.

Факторы, прямо влияющие на проведенное экспериментальное исследование: температура северной утепленной стены внутри и снаружи; температура покрывного материала – поликарбоната внутри и снаружи; температурные параметры воздушной среды в теплице [14–17].

Факторы, которые были приняты за константу во время исследований: влажность воздуха, кратность воздухообмена, скорость ветра [18].

Изучение осуществлялось в осеннезимний период, когда экспериментальная автономная теплица находится в самых тяжелых эксплуатационных условиях, так как имеет место недостаточная солнечная активность, наблюдаются низкая температура окружающей среды и сильные порывы ветра. Продолжительность экспериментального исследования составляла пять месяцев – с 28 октября 2020 г. по 31 марта 2021 г.

Эксперимент реализовывался посредством снятия температурных показателей в одних и тех же точках на поверхностях элементов конструкции теплицы. Точки замера температуры располагались в четырех частях поверхности северной утепленной стены и поверхности поликарбоната (см. рисунок 1). Температурные показатели поверхностей снимались при помощи инфракрасного пирометра, который имел следующие технические характеристики и параметры: оптическое разрешение D:S (отношение расстояния к диаметру замеряемой площади): 12:1; спектральная чувствительность: 5–14 мкм; погрешность измерения: +/- 1,5 °C; индикация низкого заряда батареи; автоматическое отключение термометра-пирометра через 7 секунд; питание: 2 батареи ААА 1,5 В.

1 – светопропускающий материал (сотовый поликарбонат толщиной 10 мм); 2 – фотоэлектрические модули; 3 – бак-накопитель горячей воды (тепловой энергии); 4 – нагревательный элемент бака-накопителя; 5 – северная утепленная стена; 6 – песчано-гравийная засыпка активной подпочвенной системы отопления; 7 – контуры теплоснабжения; 8 – бетонная плита; 9 – гряды для выращивания зеленой овощной продукции; 10 – внутренний объем регистров контуров отопления с теплоносителем (горячая вода); 11 – аппаратура контроля и управления технологическими процессами в теплице; 12 – циркуляционный насос; 13 – теплоизоляция активной подпочвенной системы отопления от внешнего окружающего периметра грунта; 14 – расположение точек для снятия температуры с внутренних и наружных поверхностей теплицы

Рисунок 1 – Модель теплицы с обогревом почвы солнечной энергией в поперечном разрезе

• 1    – transparent material (cellular polycarbonate 10 mm thick); 2 – photovoltaic modules; 3 – hot water (thermal energy) storage tank; 4 – storage tank heating element; 5 – north insulated wall; 6 – sand and gravel fill of the active subsoil system heating; 7 – circuits of heat supply; 8 – concrete slab; 9 – beds for growing green vegetable products; 10 – internal volume of air heater circuits with a heat carrier (hot water);

• 11    – equipment for monitoring and controlling technological processes in a greenhouse; 12 – circulation pump; 13 – heat insulation of the active subsoil heating system to protect the external soil surrounding the perimeter; 14 – location of marked points for checking the temperature of both internal and external surfaces of the greenhouse

Figure 1 – Model of a greenhouse to heat soil with the help of solar energy in cross section

Для контрольной поверки получаемых результатов эксперимента в основных точках дополнительно устанавливались спиртовые термометры.

Периодичность снятия данных во время одного дня – 2 часа. Эксперимент начинался в 8:00 и продолжался 10 часов с окончанием в 18:00. Экспериментальные данные, снятые в течение дня, обрабатывались с помощью персонального компьютера в программе MicrosoftExcel до получения средних значений, по результатам которых строились графики.

Результаты исследований и их обсуждение. Модель экспериментальной автономной теплицы (рисунок 1) представляет собой светопроницаемый прозрачный купол 1, на котором установлены фотоэлектрические модули 2. Внутри теплицы располагается бак-накопитель тепловой энергии 3 с теплоносителем (водой), снабженный элек- тронагревателем 4, а также теплообменник, состоящий из теплоаккумулирующего материала 6 с тепловыми контурами 7, расположенными под бетонным основанием 8, на котором установлены гряды с почвой 9. Активная подпочвенная система отопления автономной теплицы изолирована от внешнего грунта теплоизолирующим материалом 13 и разделена на секции, в каждой из которых тепловые контуры расположены в виде параболической спирали для более равномерного нагрева поверхности. В течение календарного года параметры окружающей среды – температура наружного воздуха tн.в., °С, и его относительная влажность φн.в., %, непрерывно изменяются [10]. Как следует из анализа рисунка 2, среднемесячная температура для города Зернограда существенно отличается не только по месяцам, но и по времени суток отдельно взятого месяца года.

■ День; август; 30,7

■ День; июнь; 26,7

■ День; март; 7,8■ Ночь; апрель; 7,7

Ночь

Nighttime

Ночь; сентябрь;

16,2

■ День; апрель; 14,6

■ Ночь; май; 12,8

■ День; май; 20,4  ■ Ночь; август; 20,9

■ День; сентябрь; 24,7 День Daytime

Ночь; ноябрь; 3,9

Ночь; декабрь; 1,8

Ночь; июнь; 18,1

День; февраль; 2,7 Ночь; март; 2,5

День; январь; 1,4

• ■    Ночь; январь; -0,8

• ■    Ночь; февраль; -0,4

Ночь; октябрь; 10,8 ■ I        I

День; ноябрь; 8,1

январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь January February March April     May June July August September October November December

Рисунок 2 – Среднесуточная температура воздуха в городе Зернограде Ростовской области по месяцам

Figure 2 – Average daily air temperature for each month in Zernograd, Rostov region

Так, средняя суточная амплитуда температуры воздуха наиболее холодного месяца (января) по проведенным измерениям составляет 2,2 °С, а колебание средних температур по данным метеослужб составляет от +1,4 °С днем до -0,8 °С ночью. Следует отметить, что в отдельные дни температура наружного воздуха в январе опускалась ниже отметки -10 °С, а недостаток сол- нечных дней не всегда могут обеспечить соответствующие значения параметров микроклимата внутри теплицы без дополнительных нагревательных устройств и соответствующих дополнительных энергозатрат. Это хорошо видно из таблицы, где представлены развернутые данные погодных условий в городе Зернограде за период проведения исследований.

Развернутые данные погодных условий в г. Зернограде Ростовской области с октября 2020 г. по март 2021 г.

Detailed weather data in Zernograd, Rostov region from October 2020 to March 2021

№	Наименование показателя Available indicators	Октябрь 2020 г. October 2020	Ноябрь 2020 г. November 2020	Декабрь 2020 г. December 2020	Январь 2021 г. January 2021	Февраль 2021 г. February 2021	Март 2021 г. March 2021
1	Средняя температура днем, оС Average daytime temperature, оС	21,5	8,2	0,7	1,4	1,9	6,4
2	Средняя температура ночью, оС Average nighttime temperature, оС	10,1	0,6	-4,5	-0,8	-5,4	-1,4
3	Количество солнечных дней Number of sunny days	16	7	7	4	2	6
4	Длина светового дня, ч Length of daylight hours, h	11	9,4	8,5	8,6 – 9,6	10,5	12
5	Количество дождливых дней Number of rainy days	5	2	5	5	10	16
6	Количество осадков, мм Amount of precipitation, мм	15	8	16	75	30	82
7	Количество снежных дней Number of snow days	–	-	1	2	6	8

Представленная на рисунке 1 экспериментальная автономная теплица с обогревом почвы теплоносителем, нагреваемым от солнечной энергии, позволяет накапливать тепловую энергию за счет активной подпочвенной системы обогрева и плавно регулировать параметры микроклимата в сооружениях защищенного грунта.

Основными характеристиками регулировки параметров микроклимата является температура теплоносителя в контурах теплоснабжения t тн . , °С, скорость движения теплоносителя v тн ., м/c, количество подключенных контуров теплоснабжения m , шт., и интенсивность полива почвы в грядах G пол , кг/м² [12].

На рисунках 3, 4 и 5 представлены экспериментально снятые графики изменения температуры и влажности воздуха внутри экспериментальной автономной теплицы по дням соответственно утром, вечером и влажности утром и вечером.

Как следует из анализа рисунка 3, наиболее низкая температура окружающей среды наблюдалась утром 24 января 2021 года и составляла около -17 °С и в конце февраля, когда столбик термометра опускался до отметки -18 °С. Внутри теплицы температура воздуха в эти периоды составляла соответственно +5 °С и +4 °С, что наглядно подтверждает эффективность функционирования теплицы с активной подпочвенной системой обогрева в холодное время года.

Дата Date

Рисунок 3 – Изменение температуры воздуха внутри теплицы в зависимости от температуры воздуха окружающей среды в 9:00

Figure 3 – Changes in air temperature inside the greenhouse depending on ambient temperature at 9:00

Похожие результаты измерения температуры воздуха внутри теплицы были сняты и в вечернее время. Разница заключалась лишь в том, что за счёт повышения температуры наружного воздуха в эти пери- оды днем на 2–3 °С температура внутри теплицы оставалась практически неизменной. Это объясняется инерционностью температуры теплоносителя.

Рисунок 4 – Изменение температуры воздуха внутри теплицы в зависимости от температуры воздуха окружающей среды в 17:00

Figure 4 – Changes in air temperature inside the greenhouse depending on ambient temperature at 17:00

Дата Date

Рисунок 5 – Изменение влажности в теплице в течение дня

• Figure 5 – Changes in humidity in the greenhouse during the daytime

Как видно из анализа рисунка 5, влажность воздуха в теплице днем и вечером колебалась в зависимости от интенсивности полива, но имела один характер изменения, что вполне может удовлетворять условиям производства зеленых овощей в осеннезимний период.

Выводы. Проведенные измерения основных микроклиматических показателей автономной теплицы с обогревом почвы теплоносителем, нагреваемым солнечной энергией, показали достаточно высокую эффективность применения активной подпочвенной системы обогрева в осеннезимний период. Такая система зарекомендовала себя как устойчивый источник тепла, нагревающий не только почву под грядками, но и влияющий на формирование температуры внутреннего воздуха в теплице. Такое конструктивное решение, позволяющее поддерживать температуру внутреннего воздуха в технологически необходимых для развития растений пределах, позволяет выращивать овощную продукцию при низких температурах наружного воздуха. Средняя температура воздуха в теплице в течение ноября–января 2020–2021 годов составляла утром 10 ºС, а вечером 15 ºС, что является достаточным условием круглогодичного производства свежих овощей и зелени в южной зоне Ростовской области.