Система автоматической подачи газа СО2 в тепличные помещения

424039, Россия, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Дружбы, д. 77 E-mail:

Вовощеводстве защищенного грунта рост урожайности культур и повышение качества продукции достигается за счет внедрения в производство новых высокопродуктивных сортов и гибридов и совершенствования технологии их возделывания. Так как физиология растений овощных культур глубоко изучена, то новые сорта и гибриды не дают значительных повышений урожайности. Таким образом, увеличения урожайности можно добиться только при использовании новых технологий выращивания основных овощных культур.

Например, использование малообъемной технологии позволяет повысить раннюю и общую урожайность за счет контролируемого питания и возможности управления ростом и развитием растений, а также снизить себестоимость продук- ции за счет экономии минеральных удобрений, тепла, воды, и т.д. Большие возможности увеличения урожайности в тепличном овощеводстве заключены во внедрении технологии углекислотных подкормок.

Углекислый газ является основным субстратом фотосинтеза, его содержание предопределяет продуктивность фотосинтеза и урожай овощных культур.

Природное содержание СО2 в окружающем воздухе составляет 0,03% (300 ppm). При этом интенсивность фотосинтеза составляет не более 50%. Для обеспечения максимальной интенсивности фотосинтеза растений необходимо поддерживать повышенную концентрацию СО2 в воздухе. В условиях же защищенного грунта содержание углекислого газа в воздухе теплицы опускается ниже природного фона, что приводит к углекислотному голоданию растений. На сегодняшний день значительный дефицит СО2 у растений защищенного грунта – это основной из факторов, лимитирующих фотосинтез и ассимиляцию углеводов, и, как следствие, снижающий продуктивность овощных культур. Создание нормальной газовой среды в теплицах так же необходимо, как и создание нормальных температурных условий.

Роль углекислотных подкормок заключается в следующем: изменяется длительность определенных стадий органогенеза (появляется возможность растянуть или укоротить выгодные для повышения продуктивности этапы); повышается интенсивность нетто-ассимиляции (что позволяет повысить эффективность работы листьев); повышается число цветочных зачатков; увеличивается продуктивность растений. Согласно многочисленным исследованиям продуктивность овощных культур при использовании углекислотных подкормок возрастает на 20-80% (Пухальская Н.В., 2000).

В мире используются разные способы подачи СО2 в теплицы, но все они имеют свои недостатки и их использование малоэффективно по разным причинам, а при неправильном использовании приносит ущерб. Например, некоторые производители оборудования для теплиц предлагают газогенераторы или оборудование для подачи в теплицы отходящих дымных газов котельной (голландская технология). Газогенераторы вырабатывают газовую смесь (дым), содержащий СО2, посредством сжигания природного газа или керосина. Ведущие физиологи растений на основании многочисленных опытов сходятся во мнении, что подкормки неочищенным СО2 приносят больше вреда, чем пользы, так как в дыму при сжигании природного газа, жидкого или твердого топлива содержится огромное количество разнообразных сопутствующих ядовитых и вредных газов. Потери урожая при этом могут составлять от 5% до 13% общего урожая. При использовании отходящих газов котельной с примесями этилена, угарного газа, окислов азота и других соединений, которые образуются в результате неполного сгорания, наблюдается низкая или отрицательная эффективность подкормок СО2 из-за токсичного действия последних.

Кроме этого, подача дыма в теплицы является весьма энергоемким процессом, так как системе приходится замещать 36000 м3 воздуха теплицы дымом из трубы, выталкивая при этом 2500м3 чистого воздуха каждый час. В результате этой работы в теплице полностью заменяется воздух на дым.

Типичные ошибки при применении углекислотных подкормок очищенным СО2

Известно, что существует несколько типов подачи углекислоты к растениям: в точке роста, в ассимилирующей массе растения и прикорневая подкормка. Так как СО2 в два раза тяжелее воздуха и стремится скапливаться внизу теплицы, то целесообразно использовать подачу СО2 в наиболее высокой точке – в точке роста (при закрытых фрамугах).

Так, в Агрокомбинате «Майский» уже длительное время используется зарубежное оборудование для углекислотных подкормок 100% чистым СО2, при этом осуществляется только прикорневая подкормка. Результатом такой подкормки является значительная разница градиента концентрации СО32 на разной высоте растения, т.е. в зоне максимальной ассимиляции наблюдается пониженная концентрация СО2, а в прикорневой зоне она может достигать значения выше допустимого. Учитывая легкую растворимость СО2 в воде при высокой влажности, концентрация СО2 в почве может быстро увеличиваться и достигать критического значения. Это может отрицательно сказаться на соотношении в растении процессов дыхания и фотосинтеза (замедление процессов роста и накопления асси-милятов). В случае превышения в почве концентрации СО2 (1%), происходит отравление растений.

Несоблюдение соотношения концентрации СО2 и суточной ритмики фотосинтеза. Потребление СО2 растениями в течение суток меняется в зависимости от интенсивности освещенности и изменения качества света (спектральный состав светового потока). Наибольшая необходимость СО2 имеется в утренние и послеобеденные часы, когда процесс фотосинтеза находится в пиковом значении (рис.3). Если не соблюдаются потребности растений и в темное время суток концентрация СО2 продолжает оставаться повышенной, происходит замедление процессов роста и плодообразования, вследствие подавления дыхания растений.

Несоблюдение нормирования концентрации СО₂ в зависимости от изменения факторов окружающей среды. При завышенных концентрациях СО₂ снижается интенсивность фотосинтеза. При снижении освещенности, высоких температурах и влажности необходимо понижать уровень одного из данных факторов, так как в противном случае ухудшается процесс транспирации у растений.

Несовершенство используемого измерительного оборудования не позволяет точно определять наличие заданного уровня концентрации. В результате этого концентрация СО₂ может постоянно изменяться (от низких до высоких значений), а не удерживаться в зоне необходимого оптимума.

На сегодняшний день наиболее эффективным и экологически чистым считается оборудование, которое подает в теплицы не дым, а очищенную от примесей пищевую углекислоту. Для такого способа подачи необходима система газопроводов для распределения углекислого газа по теплицам и система автоматизированного управления подачей газа. Кроме этого, необходима емкость для хранения жидкой углекислоты (типа УДХ, РДХ или ЦЖУ), газификатор, подогреватель и другое оборудование.

Такой комплекс по автоматической подаче СО2 в теплицы для углекислотной подкормки растений «CASCAD» разработан ООО НПФ «Каскад», которое успешно занимается системами углекислотных подкормок более 10 лет. В настоящее время «CASCAD» успешно внедрен в технологический процесс на комбинатах: ОАО «Волга» г. Балаково (14,26 га), ОАО «Тепличный» г. Самара (9,7 га), ООО Агрофирма «Радость» г. Тольятти (3,2 га), СХОАО «Овощевод» г. Тольятти (12 га), ООО «Овощевод» г. Волжский

(Волгоградская обл.)(1,2 га), ТК «Ждановский» Нижегородская область (6 га), МУСП «Тепличный комбинат» г. Заречный (Пензенская область) (4 га), ООО «Лазурный» г. Партизанск (Приморский край) (1 га с перспективной 7 га).

Назначение комплекса

Комплекс предназначен для автоматической подачи и регулирования процентного содержания СО₂ в тепличные помещения. Задачей комплекса является осуществление подкормки растений углекислотой путем подачи СО₂ в помещения теплиц и поддержания в них концентрации СО₂ на заданном уровне в течение определенного промежутка времени. При этом концентрация СО₂ может изменяться в пределах от 0,03% до 0,1% в зависимости от освещенности, температуры воздуха и времени суток по решению оператора или в соответствии с заданной программой.

Комплекс оснащен интеллектуальным самообучающимся модулем, который в состоянии прогнозировать повышенный или пониженный расход СО2 как в отдельно взятом помещении теплицы так и во всех помещениях в целом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОДКОРМКИ.

Подача газа в теплицы:

Углекислота в жидком состоянии хранится в транспортной или стационарной углекислотной емкости. Из емкости жидкая фаза СО2 подается в газификатор, который в автоматическом режиме поддерживает давление в емкости постоянным. Газовая фаза СО2 подается в углекислотный подогреватель, откуда газ под давлением 4-6 атмосфер нагнетается в магистральную систему газоходов выполненных из полиэтиленовых труб различного диаметра, способных выдержать давление до 10 атмосфер. Узлы распределителя газа также выполнены из полиэтиленовых труб. Для каждого тепличного хозяйства сечение труб сегментов магистрального трубопровода и системы распределения рассчитывается индивидуально.

Газ из магистрального трубопровода через кран шаровой аварийный, далее через редуктор (понижающий давление до 2 атмосфер), блок датчиков «РТ» запорный клапан и блок датчика «Р» поступает в теплицу. Схема подключения устройств показана на рисунке ниже.

Внутри теплицы газ распределяется «поконтурно» , то есть концентрация углекислого газа в различных частях теплицы поддерживается одинаковой. Независимой подачей газа в контуры теплицы управляют датчики СО₂, которые в свою очередь по команде от контроллера управляют клапаном, закрепленным за данным контуром.

В качестве распределительной систе-

мы газа внутри теплицы является «несущая», выполненная из полиэтиленовых труб. В точках отбора газа над каждой грядкой к «несущей» присоединяются гибкие полимерные перфорированные рукава. Рукава, имеющие длину равную длине грядки, подвешиваются вдоль нее на уровне, определенном, агрономом для подкормки. Крепление рукава выполнено таким образом, что существует возможность регулирования высоты подвеса.

Контроль процентного содержания СО₂ в воздухе теплицы осуществляется с помощью газоанализаторов, специально разработанных компанией НПФ «Каскад» для тепличных условий. Минимальное количество датчиков, необходимое для контроля СО₂ в теплице, площадью 1 Га -4. Все газоанализаторы имеют интерфейс RS-485 с протоколом. Они подключаются

параллельно с остальными необходимыми датчиками, тем самым, позволяя делать выборочный отбор проб из контрольных точек. Блок автоматической калибровки позволяет производить автоматическую или ручную калибровку газо- анализаторов.

Система контроля подачи СО2 и уровня содержания СО2 в теплице конструктивно состоит из нескольких блоков взаимодействующих между собой. В минимальном комплекте система способна обслуживать одну теплицу любого размера. Система может быть каскадной и увеличена до любых размеров. Под размером подразумевается количество обслуживаемых теплиц от 1 до 128. Оборудование, регулирующее подачу СО2 в теплицу, выполнено в виде системного блока. В системном блоке расположены все электронные устройства и приборы (см. рисунок).

Электромагнитными клапанами управляет блок регулирования подачи газа. Контроль расхода газа осуществляется системой расхода газа.

Дозирование подачи СО₂ происходит с помощью электрической запорной арматуры на основании обработки результатов измерений, полученных контроллером, с применением ПИД (пропорционально- интегрально-дифференциального) регулирования и в соответствии с заданием заданным оператором. В качестве управляемой запорной арматуры используются электрические или пневматические клапаны.

Системой в целом , не считая замкнутых режимов автоматики, управляет компьютер, на котором установлено специальное программное обеспечение, контролирующее работу каждого отдельного узла системы и всей системы в целом. Каждый локальный узел управления системы (на рисунке CC-Robo 1, CC-Robo

2…CC-Robo N) рассчитан на контроль и управление параметрами теплиц и может работать автономно , независимо от того работает ли главный компьютер. Это обстоятельство повышает надежности системы, позволяя продолжать подачу газа в теплицы по заданному оператором графику в аварийных ситуациях. Причем оператор может задавать или изменять суточный график подачи газа вручную с помощью клавиатуры на каждом узле.

Все измеряемые параметры (концентрация СО2 в помещениях каждой теплицы, температура и влажность в теплицах, состояние дверей и фрамуг теплиц, температура и влажность окружающей среды, освещенность, давление газа в трубопроводе, расход газа по каждой карте и по всей системе в целом и др.) поступают в контроллер сбора данных,

где происходит их первичная обработка. Затем они передаются в контроллер обработки и управления для их дальнейшей обработки. Все обработанные данные, а также данные о состоянии автоматики поступают в компьютер, где регистрируются в базе данных. База данных содержит полную информацию о работе системы и каждого ее блока. Кроме этого, в ней содержатся все задания и режимы подачи газа в теплицы, составленные оператором. На основании всех данных происходит анализ состояния системы и выбирается наиболее оптимальный режим ее работы в целом.

Самообучение системы:

Программное обеспечение системы специально разработано для тепличных хозяйств и работает таким образом, что способно проанализировать некоторые субъективные и объективные параметры:

• •    скорость нарастания концентрации СО₂ до верхнего предела;

• •    время расхода СО₂ до нижнего предела концентрации;

• •    скорость расхода СО₂ в целом;

• •    время выхода на норму концентрации содержания СО₂ в воздухе теплицы с момента запуска;

• •    иные параметры;

  
  
  

На основании описанных параметров и используя некоторые алгоритмы субъективного и объективного анализа, система способна само обучаться и управлять процессом подачи смеси «осмысленно». Т.е. выбрать наиболее оптимальный режим подачи смеси. Тем самым достигается значительное сокращение потребления СО2. В сравнении с аналогичными комплексами производства других фирм данный комплекс экономичнее на 30-40%.

Рабочая станция оператора:

Рабочей станцией оператора может служить компьютер с процессором частотой не ниже 1000МГц, ОЗУ – 256 Мб и оснащенный операционной системой Windows-XP, 2007. Программное обеспечение для рабочей станции оператора поставляется в комплекте «CASCAD».

Программное обеспечение:

Комплект программного обеспечения «CASCAD» специально создан для тепличных хозяйств России. Этот комплект предназначен для работы с оборудованием «CASCAD», производящим углекислотную подкормку растений в закрытом грунте. «CASCAD» позволяет контролировать любые параметры системы, программировать режимы работы, производить анализ работы системы в целом, вести статистику и создавать отчеты. Интерфейс программы выполнен по технологии «интуиция» и позволяет специалисту с любым уровнем подготовки освоить работу с программой.

Программное обеспечение «CASCAD» отвечает всем техническим требованиям и создавалось с учетом всех особенностей производства углекислотных подкормок и рекомендаций ведущих российских специалистов в этой области. Более подробное описание программного обеспечения вы можете получить, обратившись в офис фирмы «КАСКАД».

Монтаж системы газоходов для подачи смеси внутрь тепличных помещений

Монтаж системы газоходов может быть произведен без нарушения текущих процессов в помещениях теплицы. Ввиду того, что трубы газохода выполнены из полимерного материала, они могут быть смонтированы на существующих несущих конструкциях без ущерба для них. Распределительная часть системы предназначена для равномерного распределения смеси по всему помещению теплицы размером 75х140м. Полимерные перфорированные рукава присоединяются к распределительной части с помощью муфт, оборудованных фиксаторными канавками, и закрепляются пластиковыми бандажными лентами. Рукав может быть подвешен на любом уровне от пола. В свою очередь, это позволит подавать СО2 в непосредственной близости от растений на любой высоте. Данное конструктивное решение выгодно отличает комплекс «CASCAD» от других систем как Российского, так и импортного производства.

СОВМЕЩЕННАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ ДЫМОВЫХ (ОТХОДЯЩИХ) ГАЗОВ ОТ КОТЕЛЬНОЙ И ЖИДКОЙ СО2 В ТЕПЛИЧНЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ (СИСТЕМА «ВПРЫСКА»)

Компания «Каскад» в 2015 году также разработала новую систему совмещенной автоматической подачи дымовых (отходящих) газов от котельной и жидкой СО2 в тепличные помещения (система «впрыска»). Система позволяет интегрировать систему подачи жидкого СО2 в существующую систему подачи отходящих газов от котельной. Она предназначена для подмешивания «чистого» СО2 в существующую систему подкормки отходящими газами. Система «впрыска» имеет два типа исполнения: «Коллекторная система впрыска» и «Магистральная система впрыска».

лицу, путем врезки в существующие тру-

бопроводы. При этом концентрация СО2 задается непосредственно для каждой теплицы в отдельности. Так же как и в предыдущем варианте, система имеет два режима работы:

• •    самостоятельная система подачи СО₂

• •    вспомогательная система подачи СО₂

Регулирование концентрации СО2 в теплице производится автоматически по заданным параметрам с использованием закона регулирования «ПИД».

Преимущества системы «впрыска» СО2:

• •    система позволяет экономить ресурсы котлов (газ, электричество, обслуживающий персонал) в теплое время, а

• «Коллекторная система впрыска»:

Предназначена для впрыска в общий коллектор, после нагнетательного вентилятора. Уровень концентрации СО2 задается общим на весь объем воздуха.

Система имеет два режима работы:

• •    самостоятельная система подачи СО₂ при которой отключается работа котлов, нагнетательный вентилятор обеспечивает подачу воздуха и происходит подмешивание «чистого» СО₂ в систему;

• •    вспомогательная система подачи СО₂

  

  • — Кабельные линии- • —

  
  

совместно с отходящими газами для доведения уровня СО2 до заданного значения при которой «чистый» СО2 подмешивается в отходящие газы.

Регулирования концентрации СО2 в коллекторе производиться автоматически по заданным параметрам с использованием закона регулирования «ПИД».

«Магистральная система впрыска» предназначена для подмешивания «чистого» СО2 непосредственно на входе в теп- также улучшать показатели поддержания задания концентрации в теплицах;

• •    использование существующих трубопроводов;

• •    управление существующим оборудованием (клапаны, задвижки, вентиляторы и т.д.).

Наша компания профессионально занимается углекислотными подкормками с 2002 года. За это время мы приобрели колоссальный опыт в разработке, производстве и поставках углекислотного оборудования для углекислотных подкормок. Мы проводим весь комплекс работ под ключ: от проекта до пуско-наладки. Более того, НПФ «Каскад» выполняет гарантийное и постгарантийное обслуживание комплекса «CASCAD».

Комплекс «CASCAD» постоянно совершенствуется. Нашим клиентам мы предлагаем обновление оборудования и программного обеспечения, а также учитываем все пожелания клиента при внедрении комплекса.