На текущий момент сооружения защищенного грунта от парников, теплиц, городских ферм до тепличных хозяйств, комплексов играют важную роль в обеспечении людей продуктами питания, хотя цена на плодовые, ягодные, овощные культуры высокая, причем обусловлено это, как правило, объективными причинами – значительной энергоемкостью производства.

Системы отопления и охлаждения, водоснабжения, ирригации, фертигации в совокупности с приводами исполнительных механизмов окон, дверей, различной техники, установками освещения (включая фотосинтетически активные) потребляют значительные объемы электроэнергии. Причем все системы в теплицах и городских фермах, тепличных хозяйствах и комплексах должны работать в автоматическом режиме, чтобы исключить риски критического изменения параметров микроклимата с угнетением, остановкой роста, порчей урожая, а это изначально требует больших инвестиций с немалым сроком окупаемости.

Условия и работа систем обеспечения микроклимата теплиц, городских ферм, тепличных хозяйств.

В аспекте поддержания оптимального микроклимата для роста и развития растений в теплицах, городских фермах, тепличных хозяйствах критическими следует признать системы:

1. вентиляции.

Потребность в тепличном проветривании очевидна и удовлетворяется во всех случаях естественной или принудительной вентиляцией, при использовании которой вентиляторы должны быть способны перемещать большое количество воздуха с относительно низким перепадом давления. Для выполнения этой задачи подходят вентиляторы широкого диапазона размеров, радиальные или осевые, которые в морально устаревших проектах систем вентиляции теплиц работают в режиме ON–OFF, т.е. они запускаются, когда температура или влажность в теплице превышают определенную заданную отметку, и останавливаются в случае выхода параметров в разрешенный диапазон значений.

Управление ON–OFF приводит к изменениям температуры и влажности в зависимости от времени, что в некоторых случаях может привести к появлению конденсата на растениях и развитию заболеваний, появлению трещин на плодах и т.д., что ведет к снижению урожайности. Для решения этой проблемы во многих теплицах обычно используются двухскоростные вентиляторы или параллельное подключение 2-х или более вентиляторов для ступенчатого увеличения расхода (аналогично работают насосы параллельного подключения – см. схему здесь) (ссылка на 11).

Такие решения улучшают вентиляцию, однако регулирование расхода по-прежнему остается дискретным, а применение двух и более вентиляторов параллельного подключения увеличивает неравномерность распределению температуры и влажности внутри теплицы, что приводит к появлению областей с низкой скоростью воздуха и высокой температурой и влажностью. «Неоднородность» микроклимата в теплице возрастает по мере увеличения, как интенсивности солнечного излучения в течение дня, так и относительной влажности, зависящей от установленного графика полива и самого способа ирригации. Кроме того, хотя вентиляция с дискретным регулированием интенсивности снижает температуру в теплице, но может повысить риски так называемого «водного стресса», поскольку увеличивает транспирацию (движение) воды через растения, а практикуемое сегодня использование затеняющих экранов непрактично, поскольку многочисленные исследования показывают, что эффективное снижение температуры на самом деле не пропорционально интенсивности затенения.

2. отопления/охлаждения.

Системы тепличного отопления могут быть:

• пассивными - аккумуляция воды, мульчирование, применение материалов с фазовым переходом, подвижной изоляции, тепловых завес и др.;
• активными - грунтовые коллекторы, геотермальная энергия, солнечные батареи и капиллярные теплообменники, и пр.

В активных системах, как правило, используются насосные агрегаты и станции (см. более детально о приводах насосных систем здесь) (ссылка на 5), а наиболее прогрессивными, но мало применяемыми (из-за высокой стоимости) пока остаются многозонные системы кондиционирования с переменным потоком хладоагента (Variable Refrigerant Flow - VRF) (см. подробно о системах VRF в этом материале) (ссылка на 16).

Из самых прогрессивных способов охлаждения теплиц выделяют испарительные системы, в которых задействованы и насосные агрегаты, создающие туман в теплице с помощью специальных распылителей, и вентиляторы, обеспечивающие интенсивную циркуляцию воздуха в пространстве с минимизацией рисков «водного стресса» для растений.

Вместе с тем, на практике может наблюдаться отсутствие равномерности параметров микроклимата в пространстве теплицы, что выражается в больших градиентах температуры и влажности, на амплитуду которых влияет геометрия теплицы, внешние климатические условия, скорость вентиляции и расход воды в системе орошения.

Частотные преобразователи и приводы воздушных заслонок в теплицах.

Частотные преобразователи и приводы воздушных заслонок, клапанов для дросселирования потока воды в теплицах используются для изменения скорости насосов и вентиляторов, что позволяет исключить главную проблему вентиляции, охлаждения – неравномерность параметров микроклимата.

Так, комплектные преобразователи для электропривода переменного (или постоянного) тока с регулируемой скоростью обеспечивают непрерывное движение воздуха внутри теплицы и, соответственно, это позволяет свести к минимуму области застоя горячего и влажного воздуха. В свою очередь плавное непрерывное регулирование напора в системе орошения по показаниям датчиков дает возможность удерживать влажность в допустимом (не критичном) диапазоне, что в совокупности с изменением расхода вентиляционной системы (с помощью частотных преобразователей и приводов воздушных заслонок) практически полностью нивелирует риски водного стресса и негативного влияния высокой температуры.

За счет того, что вентиляторы и насосы работают при более низких и, как правило, оптимальных скоростях их энергопотребление существенно ниже, чем при использовании систем с дискретным регулированием, что дает экономию электроэнергии, снижает себестоимость, цену продукции и увеличивает конкурентоспособность владельца теплицы, городской фермы, тепличного хозяйства.