сотрудник
Россия
УДК 631.544.7 Выращивание культур под различными защитными покрытиями. Укрытие и мульчирование
В закрытом грунте основным накопителем тепла выступает почва, и рациональное его использование – весьма актуальная задача, которая может быть успешно решена только при полной автоматизации передачи не до-стающей тепловой энергии. Для этого в теплице достаточно определить следующие параметры: максимальные дневные температуры воздуха и почвы внутри и снаружи, распределение температурных максимумов в течение суток, взаимное расположение и время уравновешивания темпера-тур воздушного и почвенного полупространства в теплице утром и вече-ром или точки реверса теплового потока. Температурные параметры определяли экспериментальным путем непрерывно с 10 по 20 апреля 2021 г., затем аппроксимировали в полиномиальные уравнения третьего порядка с достоверностью 0,92…0,96 и по ним проводили аналитические исследования. Максимумы дневных температур рассчитывали приравниванием первых производных нулю и решением квадратного уравнения. Суточные точки реверса тепла к почве и от почвы во времени определяли решением системы уравнений изменения температуры почвы и воздушного полупространства внутри теплицы (точки пересечения графиков). Аналогично из системы уравнений определяли критические точки во времени перехода температуры воздушного полупространства внутри теплицы в отрицательную зону (t=0 ºC). По такой же методике проводили расчет оптимальных температур в теплице или моментов во времени включения и выключения источника тепла, для чего в систему уравнений вводили tопт для каждого возделываемого растения. Предложена дифференцированная система отопления теплицы по расходу тепла почвы, заключающаяся в обеспечении минимальной подачи дополнительного тепла во время дневного оптимума и максимальной в точках ночного минимума.
термодинамика теплицы, автоматическое управление теплицы, максимум температуры, реверс тепла, система уравнений, квадратное уравнение, кубическое уравнение.
Введение. Рациональное использование тепловой энергии теплицы – актуальная проблема растениеводства защищенного грунта, причем независимо от подотрасли: овощеводства, цветоводства, выращивания лекарственных и экзотических культур [1]. В этом направлении проводятся исследования как по отдельным культурам [2, 3], так и по отдельным временным промежуткам [3]. Постановка опыта, получение данных, разработка методов расчета и аналитическое определение числовых параметров критических температур – важнейшие задачи прикладной термодинамики теплиц как в России [4, 5], так и за рубежом [6, 7]. Например, для автоматического управления системами вентиляции в жаркое время и отопления в холодное величины этих показателей выступают решающими при правильной расстановке и корректировке управляющих факторов [4, 7].
Цель исследования – создание базы данных для автоматического регулирования температуры в теплице на основе изучения температурных процессов в среде и почве вне и внутри теплицы.
Условия, материалы и методы. Основным аккумулятором тепла внутри теплицы выступает почва. Поэтому для автоматизации ее теплового обеспечения достаточно определить следующие параметры во времени (задачи исследования) [1, 8]:
максимальные дневные температуры воздуха и почвы вне и внутри теплицы;
распределение максимумов температуры воздуха и почвы вне и внутри теплицы в течение суток и взаимное расположение;
точки уравновешивания температур воздушного tв и почвенного tп полупространства (tв= tп) в теплице утром и вечером – точки реверса теплового потока;
оптимальный тепловой диапазон для каждого растения.
Для реализации перечисленных задач в апреле–мае 2021 гг. были выполнены экспериментальные работы в двух традиционных теплицах с поликарбонатным покрытием [9, 10]. Место проведения опыта – личные подсобные хозяйства Янышского поселения Чебоксарского района Чувашской республики. Измерение температуры проводили прибором Digitalmultimeter DT700C с набором термопар, предварительно проверенных на одинаковые показания. В качестве контрольных измерителей использовали спиртовой и ртутный термометры. Две термопары постоянно располагались вне и внутри теплицы. Остальными (5 шт.) термопарами измеряли температуру почвы. Аналогичную методику использовали В.И. Максимов и др. в [4].
Полученные диаграммы аппроксимированы в функции температуры среды от времени измерения с использованием программы «Excel 97-2003» с достоверностью не менее 0,90. Далее по полученным уравнениям проводили исследования с использованием дифференциального исчисления и систем уравнений с переводом в квадратные и кубические уравнения.
Добрачев Ю.П., Федотова Е.В. [5] в аналогичных исследованиях проводили измерение температуры каждые три часа, мы для повышения точности делали это каждые два часа с перекрытием 10 мин из-за установления постоянного показания прибора Digitalmultimeter DT700C и спиртового термометра. Предварительные исследования с 1 по 10 апреля 2021 г. показали, что температура внутри теплицы различна по высоте измерения. Например, в 9.00 часов 08.04.21 г. на поверхности почвы она составила +9 °С, на высоте 0,9 м от поверхности почвы – +10 °С, 1,40 м и выше – +11°С. Поэтому все последующие измерения температуры внутри теплицы проводили на высоте её среднего значения, то есть 0,9…1,0 м, а вне теплицы – на расстоянии не менее 1,0 м от отражающих строений и поверхности почвы.
Также в ходе предварительных исследований было определено место измерения температуры почвы – посередине теплицы. Поскольку теплица в пространстве стационарна, а солнечная радиация изменяется по мере хода солнца в течение светлого периода суток, на наш взгляд, это оптимальная точка. Измерения проводили тремя термопарами, расположенными в ряд по оси симметрии вдоль теплицы. За результат принимали одинаковое показание двух термопар. Почва к моменту основных измерений была в естественном состоянии, то есть после осенней перекопки за зиму осажденная и уплотненная.
Подбор и наладку приборов, определение точек измерения проводили согласно ранее разработанной методике [11], к изучению температурного режима теплиц (рис. 1) приступили в октябре 2020 г., а основные исследования проведены в апреле 2021 г.
Результаты и обсуждение. В ходе предварительных опытов установлено [12], что нагрев воздуха в теплице в солнечные дни выше, чем в окружающей среде почти в 2 раза. При этом в роли аккумулятора тепла при сушке сена или других продуктов выступают сами продукты внутри теплицы и почва.
Рис. 1 – Динамика суточного температурного режима теплицы в облачный осенний день [8].
Графики предварительного исследования с достаточной достоверностью аппроксимации (0,98 и 0,97) описывают полиноминальные уравнения не ниже четвертого порядка [13]. Это создает трудности при дальнейших расчетах. Поэтому при проведении основных исследований было принято решение об измерении и фиксации только дневной температуры и уменьшении тем самым порядка полиноминального уравнения (рис. 2).
Температура поверхности почвы не всегда достоверно отражает её истинное значение из-за наличия таких возмущающих факторов, как неравномерная конвекция внутри теплицы, временное затенение участка каркасом теплицы, особенно вблизи стен или других препятствий, и др. В ходе предварительных исследований установлено, что наиболее достоверная информация по температуре почвы достигается при ее измерении на глубине 5,0 см, на которой и размещали датчики температуры (термопары).
Анализ графиков, построенных по данным, полученным в ходе экспериментальных измерений температуры (рис. 2), свидетельствует, что наиболее стабильна температура внутреннего воздушного полупространства теплицы и почвы. Диаграммы воздушного полупространства вне теплицы имеют больший разброс.
а)
б)
в)
Рис.2 – Графики изменения температуры окружающего воздуха (а), внутри теплицы (б) и почвы на глубине 5 см в теплице (в).
Рис.3 – Графики изменения температуры воздушного полупространства внутри теплицы, почвы на глубине 5 см в теплице и окружающей среды вне теплицы 10.04.2021 г.
Время точки перегиба (максимальная температура) графиков находили по первой производной, приравняв её к нулю [13]. Например, для диаграммы от 10.04.21 г. (рис. 3) для воздушного полупространства внутри теплицы:
y' = (-0,916x2 + 8,869x – 5,142)'=0;
-1,832х+8,866=0;
х=4,87 по аргументу, а при переводе в часы и минуты t=13 ч 44,4 мин.
Далее аналогично находили время остальных точек перегиба. Для температуры почвы на глубине 5 см:
y' =( -0,392x2 + 4,892x – 2,571)'=0;
-0,784х+4,892=0;
х=6,2 по аргументу, а при переводе в часы и минуты t=16 ч 24 мин.
Время максимума для наружного воздуха:
y' = (-0,678x2 + 6,392x – 7,142)'=0;
-1,356х+6,392=0;
х=4,714 по аргументу, а при переводе в часы и минуты t=13 ч 25,7 мин.
Системы уравнений диаграмм динамики температур внутри теплицы и почвы на глубине 5 позволяют определить точное время реверса потока тепла от почвы в воздушное полупространство и обратно [12, 13]:
Суммированием системы уравнений получим квадратное уравнение:
-0,524 x2 + 3,977х – 2,571=0.
Корни квадратного уравнения:
х1=6,876, соответственно t1=17 ч 45 мин;
х2=0,714 или t2=5 ч 16 мин.
Таким образом, при t1=17 ч 45 мин начинается реверс тепла из почвы в воздушное полупространство теплицы, при t2=5 ч 16 мин происходит изменение направления потока тепла обратно в почву.
Однако, на наш взгляд, более важным будет предельное значение температуры (t=0ºC или у=0), при котором необходимо включать вечером или выключать утром отопление теплицы. Для этого решаем следующую систему уравнений:
Корни уравнения х1=-0,54 (t1=5 ч 26 мин) х2=10,23 (t2 =24 ч 28 мин). При этом точку х2(t2) перехода в отрицательные температуры внутреннего помещения теплицы следует считать приближенной, поскольку ночная динамика тепловых потоков иная, что было отмечено в ходе исследования предыдущего года (см. рис. 1).
Рис. 4 – Графики изменения температуры воздушного полупространства внутри теплицы, почвы на глубине 5 см в теплице и окружающей среды вне теплицы (15.04.2021 г.).
Аналогичное решение по точкам перегиба для диаграмм от 15.04.21 г. время максимальной температуры воздушного полупространства внутри теплицы:
y' =( -2,238x2 + 19,40x – 8)'=0;
х=4,334 по аргументу, а при переводе в часы и минуты t=12 ч 40 мин.
Время наибольшей температуры почвы в теплице получено из уравнения:
y' = (-0,444x3 + 4,535x2 - 9,662x + 15,85)'=0;
-1,416х2 + 9,618х – 10,43=0,
х=5,43 по аргументу, а при переводе в часы и минуты t=14 ч 51,6 мин.
Время максимальной температуры окружающей среды вне теплицы определили по производной:
y' = (-1,178x2 + 9,892x – 0,714)'=0;
х=4,199 по аргументу, а при переводе в часы и минуты t=12 ч 24 мин.
Точки пересечения диаграмм изменения температуры почвы и воздушного полупространства определяли из системы уравнений:
Общее кубическое уравнение:
-0,444 x3 + 6,773 x2 – 29,062+23,85=0.
Действительные корни кубического уравнения:
х1=7,0 или t1=18 ч 00 мин, х2=1,07 или t2=6 ч 09 мин.
Система уравнений, выражающая переход в отрицательные температуры внутри теплицы (tпр=0°C):
Корни уравнения: х1=-0,394 (t1= 5 ч 12 мин) х2=9,06 (t2=22 ч 07 мин).
Аналогично получены числовые значения указанных точек для исследований, проведенных 20.04.2021 г. (рис.5).
Рис. 5 – Графики изменения температуры воздушного полупространства внутри теплицы, почвы на глубине 5 см в теплице и температуры окружающего воздуха вне теплицы (20.04.2021 г.).
Решение по точкам перегиба для диаграмм от 20.04.21 г следующее. Время максимальных температур воздушного полупространства внутри теплицы: х=4,97 и t=13ч 56 мин; почвы внутри теплицы: х=5,425 и t=14ч 51 мин; окружающего воздуха вне теплицы: х=4,826 и t=13ч 31 мин.
Далее решением системы кубических уравнений температур воздушного полупространства и почвы внутри теплицы получаем точки пересечения диаграмм (точки реверса тепловых потоков):
Действительные корни системы кубических уравнений:
x1=6,55 или t1=17 ч 06 мин; x2=-0,07 или t2=5 ч 02 мин.
Решением системы уравнений перехода критической температуры воздушного полупространства внутри теплицы (tпр=0 °С) получаем корни (время): х1=-2,21 (t1= 1 ч 35 мин) х2=7,77 (t2=19 ч 32 мин).
Аналогично можно обработать остальные диаграммы за все дни эксперимента. Таким образом, внутреннее воздушное полупространство внутри теплицы нагревается на 25…30 минут позже, чем в окружающей среде вне теплицы, а динамика температуры почвы еще белее инертна и запаздывает, по сравнению с максимальным нагревом окружающей среды, на 2,0…3,5 ч. В пределах рассматриваемого небольшого промежутка времени (с 10.04.21 по 20.04.21) продолжительность аккумулирования тепла почвой и его расходования приблизительно равны и составляет около 12 ч. Однако за 20 дней (до 30.04.21 г.) продолжительность аккумулирования уже увеличивается до 12 ч 25 мин. при времени расхода 11 ч 35 мин.
Для не отапливаемой теплицы целесообразна пересадка рассады, выращенной в стабильных теплых условиях, в начале апреля поскольку температура почвы и воздушного полупространства теплицы достаточна для ее развития, за исключением рассады томатов, перца и баклажан.
Таблица 1 – Оптимальные режимы температуры для основных культур защищенного грунта (по [14]), ºС
|
Культура |
От посева до появления всходов |
Первые 4…7 дней после всходов |
В последующее время |
|||
|
день |
ночь |
солнечный день |
пасмурный день |
ночь |
||
|
Капуста белокочанная, брюссельская, савойская |
20 |
6…10 |
6…10 |
14…18 |
12…16 |
6…10 |
|
Капуста цветная |
20 |
6…10 |
6…10 |
16…18 |
12…16 |
8…10 |
|
Томаты |
20…25 |
12…15 |
8…10 |
20…25 |
15…18 |
8…12 |
|
Перцы, баклажаны |
25 |
13…16 |
8…10 |
20…25 |
15…20 |
10…13 |
|
Огурцы, кабачки |
25 |
15…17 |
12…14 |
19…20 |
17…19 |
12…14 |
|
Лук-порей, сельдерей |
20 |
13…16 |
8…10 |
18…20 |
15…18 |
8…10 |
Таблица 2 – Рекомендуемые режимы температур для культур защищенного грунта (по [1]), ºС
|
Культура |
Воздух |
Почва |
||||||
|
до плодоношения |
в период плодоношения |
до плодоношения |
в период плодоношения |
|||||
|
день |
ночь |
день |
ночь |
|||||
|
солнечно |
пасмурно |
солнечно |
пасмурно |
|||||
|
Огурец (зимне-весенний) |
22…24 |
20…22 |
17…18 |
24…28 |
22…24 |
19…20 |
20…24 |
20…24 |
|
Огурец (осенний) |
25…26 |
20…22 |
19…20 |
21…23 |
19…21 |
17…19 |
22…24 |
20…22 |
|
Томат (зимне-весенний) |
22…24 |
19…20 |
16…17 |
24…26 |
20…22 |
18…19 |
18…20 |
18…20 |
|
Томат (осенний) |
24…26 |
18…20 |
16…17 |
24…26 |
20…22 |
18…19 |
18…20 |
18…20 |
|
Салат кочанный |
20…23 |
16…18 |
10 |
18…20 |
14…16 |
10…12 |
15…16 |
15…16 |
|
Редис |
20…22 |
7…9 |
5…6 |
18 |
14 |
8…10 |
15…16 |
15…16 |
|
Капуста пекинская |
20 |
14…16 |
12…13 |
20 |
17…18 |
15…16 |
15…16 |
15…16 |
|
Укроп, шпинат |
17…18 |
8…10 |
5…6 |
18…20 |
16…18 |
10…12 |
15…16 |
15…16 |
|
Капуста цветная |
- |
- |
- |
16…22 |
14…16 |
10…14 |
15…16 |
15…16 |
|
Лук репчатый на перо |
- |
- |
- |
25 |
20 |
15…17 |
18…20 |
18…20 |
Аналогично методами математического анализа на примере томата весеннего определяли критические точки рекомендуемых температур среды и почвы (см. табл. 2) и температуры внутреннего полупространства теплицы и почвы, посаженного 15.04.21 г. (рис.4).
Системы уравнений для воздушной среды:
для почвы
Корни первой системы уравнения х1=6,84 (t1=17ч 41 мин), х2=1,83 (t2=7ч 40 мин), второй – х1=7,003 (t1=18ч 7 мин), х2=3,405 (t2=10 ч 49 мин). Таким образом, оптимальная температура воздушного полупространства внутри теплицы и почвы для большинства растений закрытого грунта (см. табл. 1 и 2) на 15.04.21 г. отмечается всего в течение 7…10 ч, что, безусловно, требует включения отопления после t1 и отключения отопления после t2. Причем оно должно быть дифференцированным в плане обеспечения: в точках t1 и t2 – минимальным, а в точке ночного минимума – максимальным.
Максимальная полуденная температура воздушного полупространства в этот день в теплице уже приближается к 34…35 ºС, которая превышает диапазон оптимальных температур растений (см. табл. 1 и 2). Сейчас она используется не рационально.
Выводы. Опытным путем определена динамика температурного режима воздушного полупространства вне и внутри теплицы и почвы на глубине 5,0 см внутри теплицы в светлое время суток. Полученные данные аппроксимированы в полиномы третьего порядка от времени суток, аналитически определено время точки максимума, точек пересечения графиков температуры почвенного и воздушного полупространства теплицы (время прямого потока и реверса тепла). Также определено время наступления критической температуры 0 ºС и оптимальной температуры согласно агробиологическим требованиям растений в теплице.
Полученные результаты служат базой автоматизации теплового обеспечения теплицы.
1. Методические рекомендации по технологическому проектированию теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады РД-АПК 1.10.09.01-14. М.: Департамент научно-технологической политики и образования Минсельхоза России, 2014. 108 с
2. de Gelder A., Kempkes F. Raaphorst M.G.M. Energy saving greenhouse systems for sweet pepper production // Acta Hortic. 2020. Vol. 1296. P. 535-540. doi:https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2020.1296.69.
3. The Influence of Different Cooling Systems on the Microclimate, Photosynthetic Activity and Yield of a Tomato Crops (Lycopersicum esculentum Mill.) in Mediterranean Greenhouses / M.Á. Moreno-Teruel, F.D. Molina-Aiz, A. López-Martínez, et al. // Agronomy. 2022. 12. No. 2. 524. URL: https://www.mdpi.com/2073-4395/12/2/524 (дата обращения: 17.09.2022).
4. Анализ преимуществ систем обеспечения теплового режима локальных рабочих зон на основе газовых инфракрасных излучателей по сравнению с традиционными конвективными системами отопления / В.И. Максимов, Т.А. Нагорнова, Н.И. Куриленко и др. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. № 9. С. 128-141.
5. Добрачев Ю.П., Федотова Е.В. Факторный анализ влияния температурного режима на урожайность риса // Природообустройство. 2021. № 5. С. 44-51. doi:https://doi.org/10.26897/1997-6011-2021-5-44-51.
6. Innovative technologies for an efficient use of energy / J.C. Bakker, S.R. Adams, T. Boulard, et al. // Acta Hortic. 2008. Vol. 801. P. 49-62. doi:https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2008.801.1.
7. Innovations in greenhouse systems - energy conservation by system design, sensors and decision support systems / S. Hemming, J. Balendonck, J.A. Dieleman, et al. // Acta Hortic. 2017. Vol. 1170, P. 1-16. URL: https://www.actahort.org/books/1170/1170_1.htm (дата обращения: 17.09.2022). doi:https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2017.1170.1.
8. Kuroyanagi, T. Prediction of leakage rate of a greenhouse using computational fluid dynamics. Acta Hortic. 2017. Vol. 1170. P. 87-94. doi:https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2017.1170.9.
9. ГОСТ Р 56712-2015. Панели многослойные из поликарбоната. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2016. 28 с.
10. Greenhouse and screenhouse cover materials: literature review and industry perspective / M. Teitel, H. Vitoshkin, F. Geoola, et al. // Acta Hortic. 2018. Vol. 1227. P. 31-44. doi:https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2018.1227.4.
11. Смирнов П. А., Виеру Т. П. Экспериментальные данные термодинамических процессов в помещениях мансардного типа для яровизации картофеля // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (46). С. 32-36.
12. Смирнов П.А. Тихонова А.В., Хашимова И.М. Экспериментальное изучение расширенного использования теплицы в мелкотоварном производстве // Вестник Чувашского ГСХА. 2020. № 4 (15). С. 109-115.
13. Бронштейн И. Н. Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986. 544 с.
14. Справочник агронома Нечерноземной зоны / В.С. Алексашова, В.И. Анискин, Б.П. Асякин и др.; под ред. Г.В. Гуляева. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1990. 574 c.
15. Экспериментальные исследования температуры нагрева тепличных облучательных установок / Н. П. Кондратьева, Д. А. Филатов, П. В. Терентьев, Б. Г. Зиганшин // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2020. - Т. 15. - № 1(57). - С. 76-80.
