Краткий ответ
Промышленный осушитель для закрытой фермы — это рассчитанный на интенсивную эксплуатацию агрегат, который удаляет водяной пар, выделяемый растениями при транспирации, обычно от 50 до нескольких сотен литров в день. Рассчитывайте его производительность по поглощению воды культурой, а не по объёму помещения: около 90–97% поглощённой воды испаряется при транспирации. Поэтому пересчитайте пиковую часовую транспирацию в производительность за 24 часа при ваших фактических температуре и влажности, затем добавьте запас 20–30%.
Что такое промышленный осушитель и зачем он нужен закрытой ферме?
Промышленный осушитель — это рассчитанная на интенсивную эксплуатацию машина, которая удаляет большие объёмы водяного пара из воздуха. Её номинальная производительность обычно составляет от примерно 50 L (более 100 пинт) до нескольких сотен литров в день; она предназначена для непрерывной работы на складах, в бассейнах, на производствах и закрытых фермах. На вертикальной ферме, контейнерной ферме или фабрике растений осушитель удаляет влагу, выделяемую растениями при транспирации, поддерживая влажность в диапазоне, необходимом культурам и оборудованию.
Растения возвращают в воздух почти всю поглощённую воду. В герметичном помещении без притока наружного воздуха эту влагу можно удалить только осушителем или теплообменником кондиционера. При недостаточной производительности осушения относительная влажность (RH) повышается, транспирация замедляется, транспорт кальция нарушается, а вероятность таких заболеваний, как серая гниль и мучнистая роса, возрастает. В этом руководстве объясняется расчёт системы осушения по транспирации культуры, сравниваются конденсационные, адсорбционные и встроенные в HVAC решения, а также рассматриваются организация воздушных потоков и проверки при закупке оборудования для закрытых ферм.
Какую влажность и температуру следует поддерживать на закрытой ферме?
Большинство видов листовой зелени и пряных трав хорошо растёт при температуре примерно 20–24°C (68–75°F) с включённым освещением и относительной влажности 60–75% RH, что соответствует дефициту давления водяного пара (VPD) примерно 0.6–1.2 kPa. VPD характеризует способность воздуха поглощать влагу и лучше подходит в качестве целевого параметра регулирования, чем одна лишь RH, поскольку одинаковая RH совершенно по-разному влияет на растение при 18°C и при 26°C.
- Рассада и размножение растений: повышенная влажность, часто 70–85% RH, для защиты молодых корней и черенков.
- Листовая зелень и пряные травы: около 60–75% RH. Очень высокая влажность снижает транспирацию и связана с краевым ожогом листьев салата — физиологическим нарушением, обусловленным недостаточным снабжением кальцием.
- Плодоносящие культуры, например клубника и томаты: такая же или немного более низкая влажность воздуха во время цветения способствует опылению и сдерживает грибные заболевания.
- Камеры выращивания грибов: очень высокая влажность, часто 85–95% RH, поэтому управление микроклиматом здесь отличается; см. наше руководство по грибной ферме.
Самый сложный момент — обычно выключение освещения. Температура падает, RH быстро повышается, и на прохладных поверхностях и листьях может образоваться конденсат. Правильная стратегия управления предусматривает постепенное снижение температуры и работу осушителя на протяжении переходного периода. Ночная влага на листьях часто провоцирует заболевания, рассматриваемые в нашем руководстве по борьбе с грибными комариками и мучнистой росой.
Какие типы систем осушения используют на закрытых фермах?
На закрытых фермах используют три основных подхода: автономные конденсационные осушители, адсорбционные осушители и осушение, встроенное в систему HVAC. Многие фермы сочетают кондиционирование для снятия явной тепловой нагрузки с отдельными осушителями для снятия скрытой тепловой нагрузки.
| Тип | Как это работает | Преимущества | Ограничения | Типичное применение на закрытой ферме |
|---|---|---|---|---|
| Мобильный промышленный осушитель | Конденсационный агрегат на колёсах со свободной подачей воздуха | Низкая стоимость, легко добавить или переместить | Ограниченная производительность, шум, занимает место на полу | Небольшие помещения для выращивания, временное осушение на коммерческих объектах |
| Потолочный или настенный осушитель | Конденсационный агрегат, установленный под потолком или на стене | Экономит место на полу, хорошо распределяет воздух | Нужны несущая конструкция и отвод конденсата | Контейнерные фермы, помещения для выращивания, небольшие фабрики растений |
| Промышленный канальный осушитель | Конденсационный агрегат, подключённый к подающим и возвратным воздуховодам | Тишина в помещении, равномерное распределение воздуха, возможность установки за пределами помещения | Затраты на воздуховоды и их проектирование | Многоярусные вертикальные фермы, крупные помещения |
| Осушение, встроенное в HVAC | Воздухообрабатывающая установка или моноблочный агрегат переохлаждает воздух для конденсации влаги, часто с последующим подогревом | Одна система для температуры и влажности, централизованное управление | Более сложное проектирование; без рекуперации тепла повторный подогрев увеличивает энергопотребление | Крупные фабрики растений, склады |
| Промышленный адсорбционный осушитель | Адсорбционный ротор удаляет влагу и регенерируется нагревом | Работает при низких температурах и обеспечивает очень низкую точку росы | Требует энергии для регенерации; нагревает обрабатываемый воздух | Холодильные камеры, сушильные помещения, выращивание культур при низкой температуре и хранение |
Конденсационные (механические) осушители — стандартный выбор для тёплых и влажных помещений для выращивания, поскольку в типичных условиях закрытой фермы они удаляют больше всего воды на kWh. Адсорбционные системы осушения целесообразны при низкой температуре воздуха, примерно ниже 15°C (59°F), когда производительность теплообменников конденсационных осушителей падает и возможно их обмерзание.
Когда целесообразна централизованная система осушения?
Централизованная система осушения целесообразна, когда на ферме есть несколько помещений для выращивания или большой многоярусный зал. Вместо множества небольших устройств один или два крупных промышленных осушителя либо осушитель HVAC, встроенный в воздухообрабатывающую установку, обслуживают помещения через воздуховоды — по аналогии с осушением воздуха в офисных зданиях или бассейнах. Такие высокопроизводительные осушители проще обслуживать за пределами зоны выращивания; они также позволяют отвести от растений источники шума и тепла. Промышленный осушитель, используемый на складе, может работать и на закрытой ферме, если он рассчитан на непрерывную эксплуатацию при высокой влажности, а его теплообменники защищены от коррозии.
Как рассчитать производительность промышленного осушителя для закрытой фермы?
Производительность промышленного осушителя для закрытой фермы рассчитывают по водопотреблению культуры, поскольку в герметичном помещении большая часть поглощённой растениями поливной воды испаряется при транспирации. Расчёт только по объёму помещения, применяемый для подвалов и офисов, сильно занижает нагрузку в помещении для выращивания.
- Измерьте суточное поглощение воды. Записывайте, сколько воды поступает в систему за день, например при доливе резервуара гидропонной системы, за вычетом любого сброса раствора без возврата в систему. Если ферма ещё не построена, используйте данные поставщика по культуре и системе и считайте их предварительной оценкой.
- Оцените долю воды, расходуемую на транспирацию. В помещении растения обычно испаряют при транспирации около 90–97% поглощённой воды; лишь небольшая доля остаётся в собираемой биомассе. Для первоначальной оценки используйте 95%.
- Определите пиковую часовую интенсивность. Основная транспирация происходит при включённом освещении. Разделите объём испарённой воды на количество часов работы освещения, предусмотрев некоторую поправку на ночную транспирацию.
- Пересчитайте в суточную производительность. Производительность осушителей указывается за 24 часа, поэтому умножьте пиковую часовую интенсивность на 24. Один литр равен примерно 2.1 американской пинты.
- Внесите поправку на условия определения номинальной производительности. Производительность сильно зависит от температуры воздуха и RH. В США бытовые устройства оценивают при 65°F (18°C) и 60% RH, а многие промышленные осушители и модели для помещений выращивания — при 80°F (27°C) и 60% RH. Используйте кривую производительности производителя для ваших фактических заданных параметров.
- Осторожно вычитайте влагу, удаляемую другими устройствами. Теплообменники кондиционеров удаляют часть влаги, но только во время работы; не рассчитывайте на них после выключения освещения, когда потребность в охлаждении снижается.
- Предусмотрите запас и резервирование. Добавьте 20–30% на пиковые нагрузки и загрязнение теплообменников, а общую производительность распределите как минимум между двумя агрегатами, чтобы отказ одного не погубил урожай.
Пример расчёта
Предположим, растения контейнерной фермы поглощают 120 L (около 32 американских галлонов) воды в день. При доле транспирации 95% в воздух поступает около 114 L/сут. Если примерно 80% этого объёма испаряется за 16 часов освещения, пиковая интенсивность составляет около 5.7 L/h, что эквивалентно номинальной производительности 137 L/сут (около 290 пинт/сут) в условиях помещения. С запасом 25% следует задать производительность примерно 170 L/сут (около 360 пинт/сут) при ваших фактических температуре и RH, желательно распределив её между двумя агрегатами. Рассматривайте этот расчёт как иллюстрацию; лучший источник исходных данных — ваши собственные записи водопотребления.
Какая холодопроизводительность нужна системе HVAC закрытой фермы?
На герметичной закрытой ферме почти вся электроэнергия, потребляемая внутри помещения, в итоге превращается в тепло, которое должна отводить система HVAC. Светильники LED, насосы, вентиляторы и сами осушители создают явную тепловую нагрузку; лишь несколько процентов энергии света запасается благодаря фотосинтезу.
- Пересчитайте электрическую нагрузку в тепловую: оборудование мощностью 1 kW в помещении добавляет около 3,412 BTU/h. Одна холодильная тонна равна 12,000 BTU/h, или примерно 3.5 kW.
- Пример: освещение мощностью 20 kW плюс насосы, вентиляторы и средства управления мощностью 3 kW добавляют около 78,500 BTU/h, что требует примерно 6.5 холодильных тонн холодопроизводительности без учёта теплопритоков через ограждающие конструкции, притока наружного воздуха и запаса.
- Осушители выделяют тепло: при конденсации воды её скрытая теплота, около 0.68 kWh на литр, возвращается в помещение в виде явного тепла в дополнение к теплу от энергопотребления компрессора и вентилятора самого агрегата.
- Теплоизоляция важна: хорошо утеплённые герметичные ограждающие конструкции делают нагрузку предсказуемой и предотвращают конденсацию на стенах.
Освещение обычно создаёт наибольшую отдельную нагрузку, поэтому эффективные светильники снижают и потребление электроэнергии, и требуемую мощность HVAC; см. фитолампы для выращивания в помещении. HVAC в теплицах работает иначе: влажный воздух обычно удаляют через форточки и с помощью вентиляторов, а не конденсируют содержащуюся в нём влагу; этот подход рассматривается в нашем руководстве по вентиляции и отоплению теплиц.
Как должен двигаться воздух на вертикальной ферме?
Осушение работает только тогда, когда воздух действительно проходит через растительный полог. На плотно заполненных многоярусных стеллажах между листьями образуются застойные зоны влажного воздуха, даже если датчик в помещении показывает нормальное значение.
- Обеспечьте мягкое движение воздуха на каждом ярусе, обычно со скоростью около 0.3–1 m/s (60–200 ft/min) на уровне растительного полога, используя вентиляторы горизонтальной циркуляции или подачу воздуха по воздуховодам вдоль каждой полки.
- Расположите пути возвратного воздуха так, чтобы влажный воздух от стеллажей поступал в осушитель, а не циркулировал по короткому пути рядом с ним.
- Установите датчики температуры и относительной влажности на уровне растительного полога на нескольких ярусах, а не только под потолком или у двери.
- Отводите конденсат по трубопроводу в канализацию или накопительный бак. Конденсат содержит мало растворённых минеральных веществ, и после фильтрации и обеззараживания его часто можно повторно использовать для орошения, возвращая в оборот значительную часть воды фермы.
Управлять климатическими данными из нескольких точек удобнее всего через центральный контроллер; о датчиках и оповещениях читайте в статье IoT в умном сельском хозяйстве.
Контрольный список для покупателя промышленных осушителей
При сравнении коммерческих осушителей запрашивайте у всех поставщиков одинаковые данные, чтобы сопоставлять производительность в ваших условиях, а не рекламные показатели. Именно эти параметры мы проверяем при подборе климатического оборудования для наших фабрик растений.
- Производительность при ваших заданных параметрах, например при 24°C и 65% RH, а не только при номинальных условиях испытаний.
- Энергоэффективность в литрах на kWh или пинтах на kWh при этих условиях; эффективные коммерческие модели часто достигают примерно 2–4 L/kWh при номинальных испытаниях в тёплом и влажном воздухе.
- Рабочий диапазон: минимальная температура воздуха, способ размораживания и максимальная температура окружающего воздуха.
- Электропитание: однофазное 220–240 V или трёхфазное 380–480 V, 50 или 60 Hz, а также пусковой ток.
- Конструкция: теплообменники с защитным покрытием для влажного воздуха, содержащего частицы удобрений, корпус из нержавеющей стали или с порошковым покрытием, моющиеся фильтры.
- Управление: встроенный гигростат или внешнее управление, сухие контакты или Modbus для интеграции с контроллером фермы.
- Монтаж: подключение к воздуховодам или свободная подача воздуха, насос для конденсата, уровень шума и доступ для обслуживания.
Следующие шаги
Коммерческий осушитель, подобранный по объёму транспирации, в сочетании с правильно рассчитанным охлаждением и хорошей циркуляцией воздуха обеспечивает стабильный климат закрытой фермы на протяжении каждого светового цикла. Mars Vertical Farm проектирует контейнерные фабрики растений и фабрики растений в помещениях, согласуя освещение, HVAC, осушение и фертигацию с планом выращивания культур. Примеры — наша полностью автоматизированная контейнерная фабрика растений и индивидуальные решения для помещений в линейке фабрик растений. Более подробное сравнение форматов приведено в статье «Контейнерная ферма или фабрика растений в помещении». Сообщите нам, какие культуры вы планируете выращивать, размеры помещения и местные климатические условия, и мы предложим комплект климатического оборудования напрямую с завода, рассчитанный под ваш проект.
