АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина I, брой 6, 2013

Системи за контрол на микроклимата в оранжерии

Отглеждането на селскостопански култури в оранжерия има предимството, че всички аспекти на производствената среда могат да се контролират, за разлика от отглеждането на открито. Един от основните фактори, влияещи върху растежа на растенията, е микроклиматът. Отделните видове култури имат различни оптимални температура и влажност на отглеждане и те могат да бъдат различни за почвата и за надземната част на средата, както и за различните вегетационни етапи. Светлината, съставът и движението на въздуха са други решаващи фактори. Тъй като стопаните са заинтересовани от бързи растеж и развитие на растенията, те трябва да осигурят оптимални параметри на микроклимата по време на целия цикъл на отглеждане. Това е възможно със съвременните системи за контрол на микроклимата в оранжерии.


текст Вела Динкова

Ако оранжериите бяха като жилищни или обществени сгради, контролирането на температурата щеше бъде много по-лесно, тъй като тези сгради са изолирани и въздействието на външните условия се намалява значително. За разлика от тях, оранжериите се проектират да осигурят навлизане на максимално количество слънчева светлина, необходима за фотосинтезата. В резултат изолационните свойства на структурата са значително намалени и средата на растеж е под сериозно влияние от постоянно променящите се метеорологични условия. Слънчевата радиация под формата на светлина и топлина оказва най-силно въздействие върху микроклимата в оранжериите. Тя е най-голямото предизвикателство пред системите за постигане и поддържане на оптимални климатични параметри в оранжериите. За щастие, в практиката успешно се прилагат няколко техники, които намаляват въздействието на слънчевата радиация и други външни фактори в оранжериите и помагат за постигане на максимални добиви.

Вентилационни системи
При липса на подходяща вентилация, оранжериите и растенията в тях могат да станат податливи на проблеми. Ето защо вентилацията е сред най-важните аспекти на микроклимата. Основните цели на вентилацията са да регулира температурата на оптимални нива и да осигури движение на въздуха, като по този начин предотвратява натрупването на растителни патогени, например Botrytis Cinerea (гъбичка, предизвикваща сивото гниене), които предпочитат застоял въздух. Вентилацията осигурява достъп на чист въздух за дишане и може да позволи на важните опрашители да достигнат до парниковите култури.

Оранжериите могат да се вентилират механично или с естествена вентилация. Механичната вентилация изисква входни отвори, вентилатори и електроенергия за работа на вентилаторите. Когато е проектирана правилно, механична вентилация е в състояние да осигури адекватно охлаждане при голямо разнообразие от метеорологични условия.

Естествената вентилация работи въз основа на две физични явления: топлинна конвекция (топлият въздух е с по-малка плътност и се издига, а мястото му се заема от по-студен) и така наречения "ефект на вятъра" (вятърът извън оранжерията създава малки разлики в налягането между наветрената и подветрената страна на парника и предизвиква въздуха да се движи към подветрената страна). Всичко, което е необходимо, е стратегически разположени входни и изходни отвори, моторни вентилаторни прозорци и електроенергия за работата на двигателите. В някои случаи позициите на вентилационните прозорци се променят ръчно, което премахва необходимостта от двигатели и електроенергия, но увеличава размера на труда, тъй като често са необходими корекции. В сравнение с механичните вентилационни системи, електрическите естествени вентилационни системи използват много по-малко електричество и произвеждат шум само когато позицията на вентилационния прозорец се променя. При използване на естествена вентилационна система, допълнително охлаждане може да бъде осигурено от система за мъглуване (охлаждане с водна мъгла). Недостатък на естествената вентилация е че не работи добре в топли дни с ниска скорост на вятъра.

Поради дългата и тясна структура на повечето самостоятелно стоящи оранжерии, механичните вентилационни системи обикновено движат въздуха по цялата дължина на оранжерията като смукателните вентилатори и входните отвори са монтирани в противоположните напречни стени, а естествените вентилационни системи предоставят напречна вентилация, използвайки отвори в надлъжните стени и покрива.

В свързаните оранжерии, входовете и изходите на механичните вентилационни системи могат да бъдат монтирани в страничните и крайни стени, а естествените вентилационни системи обикновено се състоят само от отварящи се покриви. Големите отварящи се покривни покрития позволяват максимална естествена вентилация, при която вътрешната температура може да се регулира така че почти никога да не надвишава външната температура. Това често не е постижимо в механично вентилирани оранжерии, където за да се постигнат същите резултати, системите трябва да предвижват големи количества въздух през оранжерията.

Когато в отворите за вентилация се монтират мрежи против насекоми, те до известна степен възпрепятстват преминаването на въздушния поток и това трябва да се вземе предвид, за да се осигурят подходящи нива на вентилация. Обикновено зоните с мрежи са по-големи, за да се осигури достатъчно количество въздух в оранжерията. Независимо каква вентилационна система се използва, важно е еднаквото разпределение на въздуха вътре в оранжерията, защото еднаква продукция е възможна само когато всички растения са при еднакви условия на средата. Ето защо се използват хоризонтални вентилатори за равномерно смесване на въздушния поток в целия обем на оранжерията.

Контрол на влажността
Здравите растения транспирират големи количества вода, което води до повишаване на влажността на парниковия въздух. В същото време високата относителна влажност (над 80-85%) в оранжериите трябва да се избягва, тъй като може да увеличи честотата на заболяванията и да намали транспирацията, която е жизнено важна за охлаждането на растенията и за движението на водата и хранителните вещества от почвата към листата. Подходяща вентилация или последователно отопление и вентилация може да предотврати кондензация върху повърхностите на културите и парниковите структура. Използването на охладителни системи (например, изпарителни подложки или системи за мъглуване) през топлите летни месеци увеличава влажността на въздуха в парника. По време на периоди с високи температури и влажност навън, контролът на влажността във въздуха на оранжерията може да бъде предизвикателство. От друга страна оранжерии в сух и топъл климат изпитват голяма полза от системите за охлаждане с изпарения, защото големи количества вода се изпаряват във входящия въздух, което води до значителни спадове на температурата.

Тъй като относителната влажност не показва абсолютната, е важно да се знае дефицита на насищането, т.е. количеството водни пари, което не достига до пълно насищане на даден обем въздух при определена температура. По-високите стойности стимулират транспирацията (но твърде високите може да причинят изсъхване), а по-ниските стойности потискат транспирацията и може да доведат до кондензация върху листата.

Системи за охлаждане
Когато вентилационната система не е в състояние да осигури достатъчно охлаждане на оранжерията, е необходимо допълнително охлаждане. Има две системи за охлаждане, подложки за изпаряване с вентилатори и системи за мъглуване. При тях се използва охлаждащият ефект в резултат от изпарението на водата. Процесът на изпаряване изисква топлина, която се отделя от въздуха около изпаряваната вода. Системите с изпарителни подложки и вентилатори могат да работят само в комбинация с механична вентилация. С помощта на синтетичните иновативни материали с кръстосани връзки, те осигуряват голяма абсорбираща способност, висока устойчивост на вода и мухъл и дълъг експлоатационен живот. Поради голямата си площ на изпаряване, имат охлаждаща ефективност по-висока от 80%. Продуктът включва повърхностно активно вещество, което абсорбира водата по естествен начин. Водата прониква бързо в структурата, осигурявайки трайна ефективност. Продуктът е безвреден и енергийно ефективен. Капацитетът на вентилатора се избира според дебелината на подложката.

Изпарителните подложки се инсталират във вентилационните отвори и охлаждат входящия въздух. Когато въздухът се движи през оранжерията към смукателните вентилатори, той улавя топлината от парниковата среда. Ето защо изпарително-вентилаторните системи работят при температурен градиент между входа (подложката) и изхода (вентилатора) на вентилационната система на оранжерията. Този температурен градиент трябва да бъде минимален, за да предостави на всички растения в оранжерията сходни условия.

Дюзите за мъглуване се разпределят на равни разстояния по цялата площ на оранжерията и чрез тях охлаждането е по-равномерно в сравнение с изпарителните подложки. Налягането на водата, използвана в системите за мъглуване е много високо, за да произвежда много фини капчици, които се изпаряват преди да достигнат повърхността на растенията. Необходима е помпа за високо налягане и водни филтри, които предпазват дюзите от запушване. Водоснабдяващите тръби, които в случая са с малък диаметър, трябва да издържат на високо налягане. Следователно, системите за мъглуване са по-сложни за инсталиране в сравнение с изпарителните подложки и вентилаторите.

Засенчване
Инвестиране в подвижни покрития за засенчване на оранжерии е добра идея, особено като се имат предвид високите цени на енергията. Засенчващите завеси помагат за намаляване на енергийното натоварване на парниковите култури по време на топли и слънчеви дни и намаляват топлинните загуби през нощта. С тях се постига икономия на енергия до 30% и бързо възвръщане на инвестицията. Подвижните завеси могат да се управляват автоматично, с моторизирана система за отваряне и затваряне, която се контролира от сензор за осветление. Всяка оранжерия може да се възползва от система за засенчване.

Материалите за завесите предлагат разнообразни проценти на засенчване в зависимост от изискванията на културите, както и от местните условия на слънчева радиация. Подвижните завеси за засенчване могат да се инсталират във или извън (отгоре или над остъкляването) оранжерията. Когато системите за засенчване са разположени в непосредствена близост до източници на топлина (например единични нагреватели или горелки на CO2), добра идея е да се инсталират завеси от материал с ниска запалимост. Тези незапалими материали могат да предотвратят бързо разпространение на пожар в оранжерията, когато всички завеси са затворени.

Системи за изкуствена светлина и CO2
Развитието на растенията зависи от продължителността на светлите и тъмните периоди, както и от качеството и интензивността на светлината. Изкуственото осветление се използва широко в оранжериите за контрол на растежа и продукцията на растенията при различни условия. Със системи за изкуствено осветление може да се осигури точното ниво на интензивност на светлината, от което даден вид се нуждае в определен вегетационен период и може изкуствено да се удължи светлата част от денонощието, като се ускорява развитието на растенията и се улеснява работата на работниците в оранжериите, особено рано сутрин и късно вечер през зимата. За оранжерии се избират източници на изкуствена светлина, чиито спектър съдържа лъчи с дължина на вълната 300-750nm, тъй като те въздействат най-силно в положителна посока върху процеса фотосинтеза. Обикновено се използва луминесцентно и LED осветление, с измерване и автоматичен контрол на интензивността на светлината.

Въглеродният диоксид (СО2) е основен компонент на фотосинтезата, а в оранжериите често е в недостатъчно количества. Увеличеното съдържание на CO2 във въздуха увеличава продуктивността чрез подобрен растеж на растенията, изразен в ранен цъфтеж, по-големи цветове, по-високи добиви на плодове и подобрено състояние на културите. Разпределението на СО2 зависи главно от движението на въздуха в оранжерията. Когато един източник на CO2 се използва за голяма повърхност или няколко свързани оранжерии, се препоръчва да се инсталира система за равномерно разпределение на СО2, особено когато се използват димни газове CO2 или течен СО2. За целта се използват вентилатори, които смесват големи обеми въздух в оранжерията при затворени отвори на вентилационната система. Генераторите на СО2 могат да са бутилки с СО2, конвертори на кубчета сух лед или горелки за изгаряне на несъдържащи сяра горива.

Отопление
Един от най-значителните разходи в експлоатацията на оранжерии по целия свят, особено в по-студен климат е отоплението. Основният проблем при нагряване на парници и оранжерии за разлика от други сгради е размерът на топлинните загуби през парниковите покрития. Тъй като покритията трябва да позволяват светлината да се филтрира от вън вътре в структурата, те не могат да осигурят добра изолация в обратна посока.

Нуждите от отопление на оранжерията зависи от оптималната температура, необходима за развитието на растенията, местоположението и структурата на оранжерията. Около 25% от дневната потребност от топлина може да идват от слънцето, но не добре изолираните парникови структури ще се нуждаят от много топлина в студените зимни нощи. Системата за отопление е необходимо да поддържа оптимални дневни и нощни температури. Отоплителните системи за оранжерии обикновено се захранват с електричество, газ или петрол. Те действат чрез горещ въздух, лъчиста топлина или топла вода. Изборът на система за отопление, както и вида на използваното гориво зависи от локалното предлагане, изискванията на растенията, разходите, както и индивидуалните предпочитания.

В генераторите на горещ въздух горивото се изгаря в горивна камера и горещите газове се пропускат през тънкостенни метални тръби (топлообменници). Топлината се пренася чрез топите газове. Горещият въздух може да бъде издухван директно в оранжерия или да преминава по дължината на оранжерията. Тези системи могат да използват керосин, течен пропан или природен газ като гориво.

При отоплителните системи на основата на гореща вода, горещата вода се образува в централен котел и обикновено се изпомпва през оранжерията. Предимство тук е че горещата вода в тръбите действа като топлинен резервоар за кратък период от време. Една стандартна такава система включва тръби за подаване на вода, топлообменници, циркулационни помпи за всеки цикъл и клапани. Освен за отопление на въздуха, тези системи могат да се използват и за загряване на почвата в оранжерии. За пренос на топлата вода обикновено се използват пластмасови спирални тръби, които се разполагат около корените на растенията, което спомага за увеличаване на добивите и намаляване на производствените разходи за отопление през зимата до 50%.


Софтуерни решения за контрол на микроклимата в оранжерии
Мониторингът и контролът на микроклимата в оранжериите може да се извърши чрез голямо разнообразие от гъвкави софтуерни пакети, които отговарят на изискванията на почти всеки производител без необходимост от промени. Използват се вътрешни (в оранжерията) сензори за температура, влажност, CO2, светлина и външни датчици за скорост и посока на вятъра, слънчева радиация, дъжд, външна температура и влажност. В програмата са заложени изискванията за температура, влажност на въздуха, слънчева радиация и други параметри на микроклимата според сегментацията на денонощието. Едно денонощие може да бъде разделено на 8 части, всяка с необходимите параметри. Контролът се осъществява според настройките на параметрите за целия ден. Използвайки сензорите, системата работи с разнообразни парникови компоненти. Могат да бъдат настроени и контролирани няколко системи за климатичен контрол в оранжерията.

Повечето софтуерни решения позволяват да се контролират десетки прозорци или завеси, включително покривни, като всички могат да се затварят и отварят на няколко етапа, т.е. да заставят в различни позиции в зависимост от температура, влажност, вятър, дъжд и т.н. Могат да се регулират и многобройни вентилатори. Те са програмирани да работят в съответствие с условията, определени за прозорците и завесите на циклични програми, като циклите могат да се променят автоматично в зависимост от температурата. Вентилаторите могат да бъдат програмирани да зависят от други процеси, например натрупването на СО2. По аналогичен начин се програмират отоплителните и охлаждащите системи в зависимост от температурата, влажността или други условия. Отоплителната система обикновено се програмира да поддържа определена температура на въздуха от пускане до спиране на отоплението.

Тези софтуерни системи поддържат и други процеси в оранжерията като пръскане с пестициди, които са свързани със системите за микроклимата. Когато се прилагат препарати за растителна защита, прозорците и завесите се затварят, вентилационните отвори също, за определен период от време, за да се гарантира, че съдържанието на пестициди достига всички необходими части на оранжерията. Системата може да регулира няколко вентилатора, осигуряващи нужната циркулация. Предвидено е и активиране на аларма в случай на повреда в системата като неконтролирано изтичане на вода и екстремни климатични условия. Алармите могат да се подават чрез външно устройство, като сирена или мигаща светлина, или се изпращат като текстово съобщение SMS към мобилен телефон или по електронната поща. С помощта на автоматичния контрол производителите могат ефективно да обединят работата на всички системи в оранжерията.