Выращивание растений в городских условиях

рослей на стенках установки, негативно влияющих на процесс роста растений.

Ферма Fibonacci (рис. 2d) является российской разработкой, представляет собой замкнутые системы («климатические камеры»), включает в себя множество датчиков контроля и управляется через современное программное обеспечение.

Установка Growbox (Германия) предназначена как для жилых, так и для нежилых помещений (рис. 2e). Она потребляет минимальное количество электроэнергии. Установки данного типа бывают как автоматизированными, так и неавтоматизированными.

Модульная климатическая камера (рис. 2f) разработана в ФНАЦ ВИМ в целях научно-практического изучения особенностей выращивания растений в подобных устройствах. Кроме того, в данной установке может быть исследовано влияние качества света на рост и развитие различных сельскохозяйственных культур.

Существуют установки по выращиванию растений, которые разработаны в виде многоуровневых систем (рис. 2g, 2h). Их особенность заключается в экономии пространства и возможности получения большего объема выпускаемой продукции на единицу полезной площади.

Рассмотренные установки для выращивания растений (рис. 2) имеют значительный недостаток, заключающийся в отсутствии возможности модульного проектирования таких устройств. Разработка модульных систем выращивания растений обеспечит существенный выигрыш в гибкости этого производства и его экономической эффективности.

Анализ выращивания растений в тепличных условиях (промышленное сити-фермерство) и личных подсобных хозяйствах (личное сити-фермерство) позволил выявить основные факторы, оказывающие влияние на процесс выращивания растений. К ним относятся технологические факторы, параметры установки, разнообразие культур и сортов и пр. (рис. 3).

Изучение влияния отмеченных факторов осуществляется в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева совместно с Федеральным научным агроинженерным центром ВИМ. Для обеспечения необходимых условий микроклимата в пределах агротехнических требований для различных культур в промышленных и личных сити-фермах устанавливают современные средства и методы автоматического контроля и управления.

Поддержание температуры окружающей среды в тепличных условиях в основном осуществляется естественной вентиляцией. Для поддержания температуры в теплицах применяют фрамуги. Для закрытия и открытия фрамуг используют ручной, механический или гидравлический приводы. В основном применяют механические фрамуги, снабженные электрическим приводом (рис. 4), так как они легко поддаются автоматизации и имеют более низкую стоимость.

Для управления системой вентиляции в тепличных условиях используются приводы серии RW45. Данный привод включает в себя мотор-редуктор, имеющий червячную передачу с самоторможением; реечную передачу, предназначенную для опускания и подъема фрамуг; блок позиционирования RPU Positioning Unit для отслеживания текущего положения системы привода

ВЕСТИ ИЗ ТИМИРЯЗЕВКИ

и отправления данных на компьютер или контроллер климат-контроля.

Степень вентиляции и воздухообмена в теплицах во многом зависит от скорости подъема и опускания приводом фрамуг, а также от скорости и направления наружного ветра и постоянного контроля наружной температуры.

В закрытых теплицах, которые чаще всего расположены в подвальных помещениях, в качестве поддержания микроклимата при выращивании растений целесообразно использовать рекуператоры (рис. 5). Такие системы необходимо рассчитывать под определенное помещение, с учетом его площади, работы в определенных температурах, разновидности выращиваемой культуры и других факторов.

Важным фактором, влияющим на рост растений в условиях систем интенсивного культивирования, является абсолютная и относительная влажность воздуха. Для разных культур оптимальные значения данного показателя варьируются от 40 до 90%. Контроль влажности воздуха осуществляется при помощи встраиваемых датчиков, которые хорошо поддаются автоматизации. Для поддержания влажности воздуха в тепличном хозяйстве используют систему форсунок, которую также применяют для борьбы с болезнями и вредителями. Существуют автоматизированные спринклерные системы, управляемые при помощи пульта и осуществляющие не только равномерный полив растений, но и обработку их инсектицидами и фунгицидами, что позволяет избежать попадания вредных веществ на кожу и слизистую оболочку человека (рис. 6).

Влияние качества света играет особую роль в формировании урожая растений, выращиваемых в системах интенсивного культивирования.

“

Для каждой культуры необходимо отдельно разрабаты- вать технологию возделывания в сити-ферме с внедрением специальных установок для выращивания, основывающихся на проектных расчетах по поддержанию микроклимата в тепличных условиях. Важным направлением развития является модульное проектирование таких устройств. Это позволит формировать сборочное оборудование, которое значительно снизит объем конструкторских работ и сократит сроки проектирования, повысит качество и надежность оборудования вследствие предварительной отработки унифицированных узлов и технологии их изготовления.

Для тепличных растений в летний и поздний весенний периоды применяют, как правило, естественное освещение; в осенний, зимний и ранний весенний периоды применяют естественное освещение с дополнительным искусственным освещением (досвечиванием); при полном отсутствии естественного света используют только искусственное освещение.

В качестве искусственного освещения применяются современные светодиодные лампы. Основными достоинствами светодиодного освещения являются малое потребление электроэнергии, низкое тепловыделение, не снижающее влажность воздуха в теплице, возможность варьирования спектрального состава света для различных культур и автоматическое управление.

Использование светодиодного освещения позволяет собрать светильник такого спектрального состава (рис. 7), который максимально удовлетворил бы потребность растений в световой энергии.

Световая энергия в процессе фотосинтеза перед преобразованием в химическую должна быть поглощена пигментами – хлорофиллами и каротиноидами.

При этом пигменты поглощают свет в диапазоне видимой части спектра, называемой фотосинтетически активной радиацией (ФАР, 380…720 нм). Фотосинтетические пигменты поглощают видимый свет избирательно. Важнейшая особенность спектра поглощения хлорофилла а и b – это наличие у них двух выраженных максимумов: в красной области – 660…640 нм, в сине- фиолетовой – 430…450 нм. Каротиноиды (ксантофиллы и каротины) поглощают свет только в сине-фиолетовой части спектра.

Автоматизация всех систем при выращивании растений в искусственных условиях на сегодняшний день является основным научно-техническим направлением, что в свою очередь развивает роботизацию. Перед современными сити-фермерами стоят задачи автоматизации и роботизации полива растений, обработки их от болезней и вредителей, приготовления и внесения питательных смесей.

Сити-ферма будущего – полностью автономная система с минимальным вмешательством со стороны человека. Для этого необходимо решить ряд технических задач: во-первых, разработать системы автоматизированного контроля за функциональным состоянием растений, позволяющими максимально быстро реагировать на малейшие изменения в его организме и корректировать систему выращивания (полив, освещение, температуру и т.д.); во-вторых, минимизировать контакты между человеком и растением. Идеальная сити-ферма – та, в которую человек загружает семена растений, а на выходе получает готовую продукцию.

Сегодня имеются роботы, которые осуществляют полив растений без участия человека; роботы, которые оценивают степень спелости ягод земляники и осуществляют их сбор; роботы, перемещающие растения в пределах теплицы (рис. 8).

Рис. 3. Факторы, влияющие на рост растений в условиях системы интенсивного культивирования

ВЕСТИ ИЗ ТИМИРЯЗЕВКИ

аb

Рис. 4. Привод фрамуг в теплицах:

а – электропривод фрамуг; b – мотор-редуктор RW45

Применяемое оборудование (датчики освещения, температуры, влажности, контроля качества, промышленные роботы, приводы и др.) в сити-фермах в основном является импортным и дорогостоящим. Необходимо отказываться от зарубежных поставщиков оборудования для сити-ферм, чтобы снизить стоимость доставки и увеличить его качество. Для этого необходимо разрабатывать российские устройства, датчики и детали для сити-ферм. Контролировать качество изготавливаемых деталей для сити-ферм можно при помощи современных методов и средств контроля качества сельскохозяйственных изделий.

Для каждой культуры необходимо отдельно разрабатывать технологию возделывания в сити-ферме с внедрением специальных установок для выращивания, основывающихся на проектных расчетах по поддержанию микроклимата в тепличных условиях. Важным направлением развития является модульное проектирование таких устройств. Это позволит формировать сборочное оборудование, которое значительно снизит объем конструкторских работ и сократит сроки проектирования, повысит качество и надежность оборудования вследствие предварительной отработки унифицированных узлов и технологии их изготовления. При организации серийного производства модулей сократятся сроки сборочных работ, затраты на освоение машин и линий, что существенно снизит себестоимость оборудования.

а

Рис. 5. Виды рекуператоров:

а – Tion Бризер Lite Eco; b – Благовест ФЬОРДИ ВПУ-CF-500/3-

230/1 EC-H-GTC

Выводы

О На рост растений в сити-фермах влияют технологические факторы (влажность, температура, освещенность, наличие СО₂, температура окружающей среды, влажность воздуха, минеральное питание), параметры установок (расстояние от источника излучения до листовой поверхности растений и механическое воздействие, время выращивания, качество продукции), разнообразность культур и сортов (антоцианы, витамины, урожайность, вторичные метаболиты, нитраты) и такие факторы, как фотопериодизм, зараженность болезнями, вредителями, а также человеческий фактор.

0 Формирование технических систем модульного принципа проектирования, сбалансированных по компонентному составу и производительности конкретных элементов технологических блоков, обеспечит максимальную эффективность производства востребованных видов растительной продукции в условиях городской среды.

Рис. 6. Подвижная верхняя спринклерная система

Спектр излучения светильника iMminairee mission spectrum

Рис. 7. Зависимость интенсивности излучения от длины волны

Сити-фермерство – актуальное направление развития не только в крупных городах, но и на тех территориях, где в течение года преобладают пониженные температуры, вследствие чего постоянное выращивание витаминной продукции в открытом грунте невозможно.

Ерохин М. Н., академик РАН, д-р техн. наук, Скороходов Д. М., канд. техн. наук, Скороходова А. Н., канд. биол. наук, Анисимов А. А., ассистент, Потемкин Р. А.

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева

Источник: Агроинженерия f