Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для управления температурным режимом в теплице

Предлагаемое устройство относится к сельскому хозяйству, к области теплоэнергетики в сооружениях защищенного грунта, и может быть использовано для автоматического регулирования температуры в замкнутом пространстве упомянутых сооружений.

Технический результат - повышение эффективности использования теплиц достигается за счет более экономичной системы управления температурным режимом. Новым является то, что в устройство дополнительно включен приемный блок прогноза погоды, выполненный на базе микропроцессорной техники, для надежного приема сигнала включающий в себя антенну и коаксиальный кабель, а теплоносителем для исполнительных устройств является воздух, который циркулирует внутри теплицы по теплообменным контурам, а способ отличается тем, что в теплице создают дополнительный запас тепла (холода) который позволит поддержать (обеспечить и сохранить) установленную температуру в теплице с учетом прогноза погоды.

Известен способ (пат. РФ №2586923, МПК A01G 9/24, A01G 9/24, заявлен 27.11.2014) автоматического управления свето-температурным режимом в теплице, в котором авторы предлагают рассчитывать прогнозируемую температуру на основе средней за прошедшую ночь температурой, и с ее учетом компьютерный задатчик вычисляет и устанавливает многомерные оптимальные значения температуры. Этот способ управления применительно к регулированию температурного режима не позволяет оперативно реагировать на изменение текущей температуры воздуха и не использует термоаккумулирующие свойства грунта и почвы, что делает его малоэффективным в условиях резкоконтинентального климата, в котором находится большая часть территории России, где интенсивно используются тепличные хозяйства.

Известно также устройство (пат РФ №80308, МПК A01G 9/24, заявлен 04.05.2008, Кольцевая система теплоснабжения теплицы), указывается возможность повышения эффективности регулирования температуры в теплице за счет управления замкнутым контуром тепловой энергии. Система выполнена в виде замкнутого контура, состоящего из водяного циркулирующего насоса и аккумулятора тепловой энергии, в которую включены два тепловых насоса, один из которых соединен с грунтовым коллектором, а другой с воздушно-водяным коллектором. Данное утверждение ничем не подтверждается, но очевидно, что это крайне сложно выполнить, т.к. неизвестны условия регулирования контурами, а эффективность регулирования такой системы сложна ввиду использования различных носителей тепловой энергии. Управление системой основывается на текущих показателях температуры, что затрудняет управление системой из-за ее инерционности и при резком изменении погодных условий.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является система для управления микроклиматом в теплице (пат. РФ №2467557, МПК A01G 9/24, заявлен 02.06.2011), содержащая блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные устройства (ИУ), подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице и датчики параметров окружающей среды, которые подключены к входам блока контроллера, в качестве ИУ система включает обогревающий и охлаждающий контур, выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров, а вход блока управления соединен с выходом блока управляющего контроллера. Используемые для регулирования температурного режима фрамуги оказываются не эффективными при внешних температурах воздуха выше оптимально необходимого для роста растений, при повышенной влажности воздуха подсистема испарительного охлаждения также оказывается не эффективна.

Задачей предлагаемого устройства является обеспечение постоянного диапазона в теплице при любых изменениях климата.

Под воздействием внешних факторов функционирование теплицы связано с постоянным периодическим изменением температурного режима в теплице, как в течение года, так и суток. Поддержание оптимального температурного режима требует дополнительных энергетических затрат на снижение высоких температур и повышение низких. Колебания суточных температур могут достигать 40°С, а годовых 70°С в то время как колебания температур благоприятных для роста растений, как правило, не превышает 10°С. Наиболее изменяющимся параметром является температура воздуха в теплице, на его показания могут временно влиять: наличие облаков, перекрытие солнечной энергии листвой и конструктивными элементами теплицы, месторасположение датчика. Такие временные изменения температуры в течение нескольких минут могут достигать до 10°С. Неравномерность распределения температурного поля в теплице связана с ее расположением на местности, например, в южной части теплицы температура может быть выше оптимальной, а в северной ниже.

Предлагаемое устройство направлено на увеличение эффективности регулирования температуры в теплице за счет введения блока, принимающего прогнозируемые изменения погодных условий, рассчитывающего и подающего блоку управления данные для опережающего реагирования ИУ с учетом прогнозируемой температуры. Для надежного приема сигнала блок, принимающий прогнозируемые изменения погодных условий, включает в себя антенну и коаксиальный кабель. Для более оперативного реагирования теплоносителем для исполнительных устройств является воздух, который циркулирует внутри теплицы по теплообменным контурам. В теплице создают дополнительный запас тепла (холода) который позволит поддержать (обеспечить и сохранить) установленную температуру в теплице с учетом прогноза погоды.

Данный технический результат достигается за счет того, что устройство для управления температурным режимом в теплице содержит блок, принимающий прогнозируемые изменения погодных условий, антенну и коаксиальный кабель, блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные механизмы, подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха в теплице и вне ее. Причем теплоносителем для исполнительных устройств является воздух, который циркулирует внутри теплицы по теплообменным контурам. Все это в теплице создает дополнительный запас тепла (холода) который позволит поддержать (обеспечить и сохранить) установленную температуру в теплице с учетом прогноза погоды.

Работа устройства

В блок контроллера загружается программа поддержания температурного режима с учетом вида, сорта, этапа роста и развития растения. Программа содержит данные, с которыми сравниваются показания датчиков: t^в_опт, t^п_опт - оптимальные температуры воздуха и почвы; t^в_min, t^п_min, t^в_max, t^п_max - минимальные и максимальные значения температур воздуха и почвы при которых еще возможен эффективный рост растения.

Для эффективного развития растений необходимо поддерживать температуру воздуха (t^в_опт) и почвы (t^п_опт) в оптимальном режиме, который лежит в интервале между минимальным (t_min) и максимальным (t_max) значением температур. В процессе управления принимаем

t_опт=(t_min+t_max)/2.

Время необходимое для корректировки температурного режима в теплице зависит от размеров теплицы, массы и теплоемкости ее составляющих, мощности; расположения и конструкции устройств, регулирующих нагревающие и охлаждающие потоки. Мощное оборудование позволяет подавать или отводить большое количество теплоты, но при этом наблюдается неравномерность температурного поля. Например, растения находящиеся рядом с нагревательным устройством перегреваются, а в отдалении от него попадают в зону пониженных температур. Использование такого оборудования, хотя и позволяет оперативно изменять температурный режим, приводит к повышенным затратам. Использование оборудования меньшей мощности не позволяет оперативно реагировать на резкое изменение внешних условий. Устранение подобных недостатков позволит использование при управлении температурным режимом дополнительного блока получения данных прогнозируемой температуры (t_прогн). Сравнивая внешнюю температуру воздуха (t_внеш) и прогнозируемую появляется возможность заранее увеличить или уменьшить количество аккумулированной теплоты в связи с предстоящим похолоданием или наступлением жаркой погоды при этом не выходя из режима оптимального роста растений.

Управление температурным полем теплицы (см. фиг. 1) осуществляется через блок управления связанный с автономным модулем (см. фиг. 2), содержащим: датчик температуры потока воздуха (1), подаваемого на вентилятор; датчик температуры потока воздуха (2), прошедшего через вентилятор; вентилятор воздушный (3); обогреватель воздуха (4); переключатель потоков воздуха (5); теплообменные контуру (6), (7) и (8). При необходимости в исполнительные устройства (вентилятор воздушный (3), обогреватель воздуха (4), переключатель потоков воздуха (5)) могут включаться дополнительные нагревательные и охлаждающие элементы. Температурные датчики модуля связаны с общим для теплицы блоком контроллера.

Количество модулей определяется размером и расположением теплицы. Пример теплицы, содержащей два модуля, представлен на фигуре 1.

При использовании стандартного оборудования одинаковые модули могут поддерживать температуру на разных площадях. При многомодульной системе при аварийном отключении модуля возможно продолжение функционирования теплицы в аварийном режиме (при повышенной нагрузке на остальные модули).

Работа модуля осуществляется следующим образом избыточная теплота, содержащаяся в воздухе теплицы, через вентилятор отправляется на обогрев грядки или термоаккумуляцию в грунт, откуда охлажденный воздух подается опять в теплицу. При низких температурах проводят обогрев части воздуха, который используется для поддержания оптимальной температуры почвы и воздуха в теплице. Из-за низкой теплоемкости воздуха его температура подвержена кратковременному, быстрому и сильному изменению в различных точках теплицы, что может привести к ошибкам в управлении исполнительными устройствами. Для устранения этого недостатка предлагается устанавливать датчики в потоке воздуха, подаваемого на вентилятор (датчик 1) и после его нагрева или охлаждения (датчик 2), что позволит получать усредненные параметры и оценивать эффективность того или иного энергетического воздействия. Показания температуры t₁ и ее сравнение с t^в_min и t^в_max являются основанием для оперативного воздействия на тепловой режим внутри теплицы. Эффективность такого воздействия в краткосрочной перспективе оценивается по t₂. Показания датчиков внешней температуры воздуха (t_внеш) и прогнозируемой температуры (t_прогн) используют для задания эффективного температурного режима в среднесрочной перспективе, уменьшения влияния внешних факторов, сглаживания пиковых нагрузок на нагрев и охлаждение. В целях более эффективного управления температурным режимом и уменьшения энергозатрат рекомендуется использовать подвесные грядки или отделять их от грунта с помощью теплоизоляционного материала.

Функционирование теплицы в условиях, когда вне теплицы среднесуточные температуры много меньше оптимальных (холодный период) осуществляется с помощью обогревательного контура.

Управление температурным полем каждого автономного модуля осуществляется следующим образом:

1. Показания t₁ датчика (1) температуры воздуха, входящего в вентилятор, сравниваются с t^в_min.

2. Если t₁<t^в_min включается обогрев воздуха (теплообменный контур 1), до t₁>t^в_min.

3. Направляют поток воздуха в теплообменный контур 2 и замеряют t₂.

4. При t₂<t^п_min оставляют нагрев до t₂>t^п_min.

5. При t₁>t^в_min и t₂>t^п_min проводится сравнение показания t_внеш внешней температуры воздуха с прогнозируемой t_прогн полученной от блока прогноза погоды. При t_внеш≤t_прогн температуры в теплице поддерживают на уровне t^в_опт и t^п_опт.

6. При t_внеш>t_прогн температуры в теплице поддерживают на уровне t^в_max, t^п_max.

Теплый период начитается, когда дневная температура воздуха в теплице без использования нагревателя превышает t^в_max, а температура в грядке не достигла t^п_min. в этом случае используют как охлаждение так и обогрев.

1. Если t₁>t^в_max воздух пропускается через теплообменный контур 2 при выключенном нагревателе, измеряют t₂

2. При t₂<t^п_min продолжают пропускать воздух через теплообменный контур 2 до t₂≥t^п_min.

3. При t₂≥t^п_min воздух направляют через теплообменный контур 3 до t₁≤t^в_max.

4. При t₁≤t^в_max проводится сравнение показания t_внеш внешней температуры воздуха с прогнозируемой t_прогн.

5. При t_внеш≤t_прогн температуры в теплице поддерживают на уровне t^в_min.

6. При t_внеш>t_прогн температуры в теплице поддерживают на уровне t^в_опт.

Данная регулировка позволит избежать пиковых нагрузок на нагревательные приборы, получить равномерное температурное поле в теплице в оптимальном режиме, уменьшить негативное влияние инерционности при изменении погодных условий. При этом система управления не требует перенастройки при смене тепловых режимов.