Aqu @teach: Системы управления теплицей

Системы управления включают системы освещения, отопления, охлаждения, относительной влажности и обогащения углекислого газа. Хотя это полезно иметь полностью контролируемую среду, аквапоническое культивирование также может процветать без нее, или только с некоторыми параметрами контролируются.

Свет

Максимальная светопропускание соответствующего количества и качества (PAR, 400-700 нм) имеет решающее значение для оптимального фотосинтеза, роста и выхода. Если летом слишком много света, на внешней стороне теплицы можно распылить краску или белую стирку. К концу вегетационного сезона это либо потерпит, либо его можно смыть. Внешние тканевые ткани, изготовленные из различной степени размера сетки, чтобы исключить определенное количество света (например, 30%, 40%, 50%), могут быть размещены на внешней стороне теплицы или подвешены внутри теплицы. Если в зимний период слишком мало света, белые отражающие почвенные покрытия могут значительно повысить уровень освещенности растительного навеса (Rorabaugh 2015).

Искусственное освещение может быть использовано для продления зимнего вегетационного сезона. В теплицах используются различные световые технологии, но наиболее распространенным типом являются светоизлучающие диоды (светодиоды). В отличие от всех других систем искусственного освещения, светодиоды не содержат стекла или газообразных компонентов: все компоненты являются твердотельными. Таким образом, они менее хрупки, чем другие типы ламп, и могут располагаться в местах, где могут быть повреждены другие огни, что создает угрозу для здоровья и безопасности. Тем не менее, одним из потенциальных негативных последствий использования светодиодного освещения в теплицах является отсутствие излучающего тепла, которое они производят, что снижает общую экономию энергии по мере увеличения спроса на отопление (Davis 2015).

Светодиоды теперь доступны практически с любой длиной волны от 200 до 4000 нм. Преимущества светодиодов заключаются в i) их высокой эффективности (выход света/электрическая энергия) по сравнению с другими источниками освещения; ii) в том, что излучаемый свет является направленным, что уменьшает количество рассеянного света и гарантирует, что максимальное количество света достигает урожая; и iii) что общий спектр могут быть изменены для различных применений путем изменения количества и цвета светодиодов, установленных в осветительном блоке. Таким образом, светодиоды дают возможность оптимизировать световые процедуры, которые позволяют улучшить специфические свойства растений или контролировать морфологию растений и время цветения. Для получения здоровых растений требуется как красный, так и синий свет. Красный свет наиболее эффективно используется для управления фотосинтезом, но растения, как правило, растут более эффективно, когда какой-то синий свет содержится в спектре света, потому что он помогает продвигать поглощение CO₂ , стимулирующее желудку. Однако устьичные реакции на свет различаются в зависимости от вида, поэтому не все виды получат равные выгоды после добавления синего света. Например, в салате темпы роста, как было установлено, снижаются по мере увеличения синего света (Davis 2015).

Бывают случаи, когда дополнительные цвета света могут дать дополнительные преимущества. Показано, что включение зеленого света увеличивает накопление свежей и сухой массы биомассы в растениях салата, когда зеленый свет заменяет часть синего или красного света в смеси. Зеленый свет также может проникать глубже в растительный навес и, следовательно, стимулировать больше фотосинтеза. Дальний красный свет имеет важное значение для развития и производительности растений на протяжении всего срока их существования. Хотя он может препятствовать прорастанию семян салата, он, тем не менее, может увеличить площадь листьев, потенциально обеспечивая более легкий захват и темпы роста. На более поздних этапах развития посевов, с другой стороны, это вызовет растяжку и болты. Область, где дальний красный свет может быть использован для наибольшего эффекта, - это контроль времени цветения (Davis 2015).

Светодиоды также дают возможность поджигать сельскохозяйственные культуры нетрадиционными способами. Светодиоды являются холодными источниками света и, как таковые, могут быть размещены вблизи посевов или внутри полога к светлым листьям, которые обычно получают мало естественного или дополнительного света. Добавляя свет к листьям, обычно в затененной области навеса, растения могут использовать свет более эффективно. Это означает, что «интеросвещение» может увеличить выход более того же количества света, добавляемого поверх навеса. Установлено, что интеросвещение синего света имеет смешанные результаты в урожайности огурцов и томатов (Davis 2015).

Спектральные манипуляции также могут использоваться для улучшения пигментации. Синий свет важен для синтеза антоцианина, который является одним из видов соединений, вызывающих красную пигментацию. Свет также играет важную роль в регулировании биосинтеза многих соединений, которые непосредственно изменяют вкус и аромат листьев, фруктов и цветов. Облучение UVB связано с увеличением содержания масла и летучих веществ в различных видах трав, включая мелимон и базилик (Davis 2015).

В большинстве исследований влияние светового качества на качество сельскохозяйственных культур рассматривается в период роста сельскохозяйственных культур, но в последнее время также рассматривался эффект легкой обработки после сбора урожая. Обработка сельскохозяйственных культур после сбора урожая дает возможность повысить качество сельскохозяйственных культур во время транспортировки, чтобы задержать начало старения и тем самым продлить срок годности. Обнаружение двух часов слабоинтенсивного красного света задерживает старение листьев базилика на два дня при хранении при температуре 20° C в темноте (Davis 2015).

Реакция растений на различные цвета светового спектра может быть использована для манипулирования растениями для удовлетворения различных потребностей, включая следующие:

• Ультрафиолетовый свет может быть использован для сокращения междоузлий

• Синий и ультрафиолетовый свет может быть использован для повышения устойчивости растений к стрессу перед пересадкой

• Синий свет может быть использован для стимулирования вегетативного роста и предотвращения цветения растений более коротких дней во время их распространения

• Красный свет может быть использован для стимулирования цветения и удлинения междоузлий для производства растений с более длинными стеблями и большими цветами

• Дальний красный свет может быть использован для контроля фотопериода растений

Измерители Lux широко используются в садоводстве для измерения интенсивности натриевых ламп высокого давления (HPS). Измерители Lux были разработаны таким образом, чтобы иметь такую же чувствительность к различным областям электромагнитного спектра, что и человеческий глаз, который наиболее чувствителен к зеленому свету. Однако для многих садоводческих светодиодных ламп, особенно с красными и синими светодиодами, спектры излучения падают в районах, где люкс-метры относительно нечувствительны, и дают очень низкие оценки даже при высокой фактической интенсивности этих спектров. Наиболее подходящим измерением света для использования с растениями является излучение фотонов PAR (также называемая плотностью фотосинтетического фотонного потока, PDFD). Фотоизлучение PAR указывает количество фотонов, падающих на поверхность, измеренное в микромолях на метр квадрата в секунду (мкмоль м^-2 с^-1 ). Поскольку фотосинтез измеряется в аналогичных единицах (мкмоль\ [CO₂] м^-2 с^-1 ), использование излучения фотонов PAR позволяет проводить прямые сравнения между количеством света и количеством фотосинтеза (Дэвис 2015).

Рисунок 13: Рост под ультрафиолетовым светом < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Aquaponics#/media/File:Light_on_Aquaponics.jpg >

Температура и влажность

Отопительные приборы будут поддерживать температуру в оптимальном диапазоне в периоды холодной погоды. Изоляционный материал (тканевые или пленочные занавески) может быть расположен над посевом или рядом с крышей, чтобы сохранить тепло вблизи посева. Изоляционный материал, используемый в ночное время, может быть таким же, как и материал, используемый для затенения в течение дня (Rorabaugh 2015).

Высокие температуры могут отрицательно сказаться на росте растений, особенно при низкой доступности света. Высокая температура может вызвать такие проблемы, как тонкие, слабые стебли, уменьшение размера цветка, задержка цветения и/или плохое опыление/оплодотворение и фруктовый набор, а также аборт цветка и плодов. Пассивные системы вентиляции включают в себя тентовые ткани или тени краски/белой стирки, которые, помимо регулирования интенсивности света, также могут помочь охладить теплицу. Хребтовые вентиляционные отверстия в крыше теплицы позволяют горячему, внутреннему воздуху бежать. Площадь вентиляционных отверстий должна составлять 25% от площади пола. Свернутые боковые стенки могут использоваться в теплицах с гибким остеклением (полиэтиленовая пленка) для обеспечения естественного горизонтального потока воздуха над растениями. Как и в случае с коньковыми отверстиями, площадь отверстий боковых стенок должна составлять 25% от площади пола. Насадки с водяным охлаждением в верхней части градирни могут использоваться для охлаждения окружающего воздуха, который затем падает, тем самым вытесняя более теплый воздух ниже. Последние конструкции теплиц могут включать крышу, которая полностью втягивается для естественной вентиляции. Это позволяет выращиваемым тепличным растениям адаптироваться к внешним условиям (Rorabaugh 2015).

Активные системы охлаждения включают вентиляторы и прокладки «испарительное охлаждение», где воздух извне вытягивается через пористые влажные прокладки (обычно целлюлозная бумага). Тепло из поступающего воздуха испаряет воду из колодок, тем самым охлаждая воздух. Испарительное охлаждение также поможет увеличить относительную влажность в теплице. В качестве альтернативы в противотуманных системах также используется испарительное охлаждение, но они включают диспергирование капель воды, испаряющих и извлекающих тепло из воздуха. Эта система обеспечивает лучшую однородность, так как запотевание распределяется по всей теплице, а не только рядом с одним концом прокладки, как в случае с вентилятором и системой прокладки. Чем меньше размер капельки, тем быстрее испаряется каждая капелька, и, следовательно, тем быстрее скорость охлаждения. Относительная влажность воздуха может быть увеличена путем запуска охлаждающих колодок или затумания, а также может быть уменьшена с помощью работающих нагревателей или просто с помощью вентиляции (Rorabaugh 2015).

Углекислый газ (CO₂)

Скорость фотосинтеза зависит от наличия углекислого газа. Вентиляция может обеспечить достаточное количество CO₂ весной, летом и осенью, но зимой или в любое время в холодном климате это приведет к тому, что холодный воздух будет доставляться в теплицу. Затем потребуется отопление для поддержания надлежащей температуры, которая может стать неэкономичной. Таким образом, поколение CO₂ является эффективным способом повышения уровня содержания в теплице в зимний период или в холодный климат. Генераторы CO₂ могут сжигать различные виды топлива, включая природный газ (наиболее экономичный) или пропан. Генераторы открытого пламени также производят тепло и водяной пар в качестве побочных продуктов. Поэтому гидропонные производители иногда используют генераторы CO₂ зимой, когда приветствуется дополнительное производство тепла, а летом разливают CO₂ и дозаторы, так как они не производят дополнительного тепла или влажности. Поскольку CO₂ высвобождается растениями через дыхание в ночное время, к утру уровень увеличивается до 0,045% до 0,070%. Установка таймера для начала дозирования CO₂ через час после включения света, с последней дозой за один час до выключения света, является наиболее экономичным способом обеспечения дополнительного CO₂ . Чтобы поддерживать CO₂ на оптимальном уровне, лучше всего дозировать в течение коротких периодов времени при больших объемах, чем дозировать в течение более длительных периодов времени при низких объемах. (Рорабо 2015). В аквапонике резервуары для рыбы часто находятся в том же помещении, что и гидропонный компонент. Дыхание рыбы повышает уровень CO₂ системной воды, и CO₂ также попадает в атмосферу. Поэтому дополнительные входы CO₂ либо не требуются, либо являются очень низкими (Körner et al. 2014).

Циркуляция воздуха

Одной из причин наличия теплицы является создание «контролируемой среды» для всех растений. Однако, особенно в периоды, когда системы отопления и охлаждения не работают, могут возникать очаги высокой или низкой температуры, относительной влажности или углекислого газа, которые могут быть менее оптимальными для роста растений или развития цветков/плодов. Вентиляторы горизонтального потока воздуха (HAF) могут размещаться в стропилах теплицы для циркуляции воздуха над посевом. Это помогает минимизировать очаги теплого или холодного воздуха и высокой или низкой влажности или углекислого газа. Вентиляторы HAF могут использоваться в сочетании с системами отопления горячим воздухом для циркуляции теплого воздуха по всей теплице (Rorabaugh 2015).

Системы экологического контроля

Системы экологического контроля могут быть очень простыми или очень сложными. Простейшие системы включают ручную прокатку бокового вентиляционного отверстия, открытие вентиляционного отверстия крыши или двери или включение нагревателя или охладителя. Простые контроллеры работают от термостата в теплице и автоматически устанавливают дневной и ночной температурный диапазоны, открывают и закрывают вентиляционные отверстия, а также включают или выключают обогреватели и охладители. Контроллеры ступеней также автоматически управляют 1 или 2 ступенями нагрева в зависимости от количества нагревателей и управляют несколькими ступенями охлаждения с помощью охлаждающих вентиляторов и насосов для мокрых колодок. В самых сложных системах экологического контроля используются современные компьютеры, которые работают от датчика температуры в теплице и автоматически устанавливают дневной и ночной температурный диапазоны, контролируют отопительное оборудование, включая котлы, отопление корневой зоны, теплоудерживающие шторы и т.д., контролируют другое оборудование включая вентиляторы HAF, вытяжные вентиляторы, вентиляционные отверстия, накладки насосов, противотуманных систем и т.д., контролируют относительную влажность, а также регулируют занавески и искусственное освещение в зависимости от требований к освещению. Сложные компьютеры также могут контролировать внешнюю метеостанцию и использовать собранные данные (свет, температура, относительная влажность, дождь и ветер) для контроля внутренних условий в теплице. Они также могут управлять системой фертигаторов, автоматически используя количество света (например, X мл раствора/Y количество света) и контролируя сроки полива, продолжительность полива, pH и EC питательных веществ и туман (Rorabaugh 2015).

*Авторское право © Партнеры проекта Aqu @teach. Aqu @teach является стратегическим партнерством Erasmus+ в области высшего образования (2017-2020), возглавляемым Университетом Гринвича, в сотрудничестве с Цюрихским университетом прикладных наук (Швейцария), Техническим университетом Мадрида (Испания), Люблянским университетом и Биотехническим центром Naklo (Словения) . *