АГРОБИОКОМПЛЕКС
AGRO-BIOCOMPLEX

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано при создании агрокомплексов (мини-ферм), работающих в промышленном масштабе, для выращивания большого ассортимента экологически чистой растительной и животной биопродукции (овощи, фрукты, ягоды, зеленные, яйцо и мясо птицы, свинина, козье молоко, рыба и т.п.) на ограниченной территории в течение круглого года с минимальным числом работников и низкой себестоимостью.
В известных устройствах недостаточно используется солнечная энергия и ее аккумуляция, тепловой объем и посевная площадь, допускается резкий перепад температур между днем и ночью, осуществляется вентиляция, приводящая к потере углекислого газа, что отрицательно сказывается на урожайности растений, осуществляется выращивание только растительной продукции, неэффективно используется тепловая энергия от отопительных устройств.
Известны подобные устройства, которые следует указать в качестве аналогов заявленному объекту, защищенные патентами RU 131941 U1 с публикацией 10.09.2013, RU 93208 U1 с публикацией 27.04.2010, RU 2124828 C1 с публикацией 20.01.1999.
По патенту 93208 полезная модель относится к альтернативной энергетике, в частности к теплицам с подогревом почвы от грунтовых теплообменников с жидкостью-теплоносителем, нагреваемой энергией солнечной радиации с помощью солнечных коллекторов. Техническим результатом полезной модели является снижение материалоемкости конструкции путем конструктивного совмещения функций прозрачного защитного купола и солнечного коллектора. Для достижения технического результата прозрачный защитный купол из светопрозрачного материала (например, ячеистого поликарбоната) снабжен торцевыми нижним водоподводящим и верхним водоотводящим патрубками, заполнен жидкостью-теплоносителем и включен этими патрубками в систему циркуляции жидкости-теплоносителя. В полезную модель введены и врезаны в систему циркуляции жидкости-теплоносителя трехходовые термоуправляемые вентили для отвода нагретой жидкости-теплоносителя в тепловой аккумулятор в жаркое время суток.
Недостатками этого устройства являются:
- решаются задачи только теплицы;
- технически сложно сделать герметичными соединения поликарбоната и водоподводящих и водоотводящих патрубков;
- из-за маленького сечения сот поликарбоната движение теплоносителя внутри будет очень медленным и основное тепло будет передаваться наружному воздуху. В сильные морозы это приведет к замерзанию теплоносителя с высокими температурами замерзания. Если применять теплоносители с низкими температурами замерзания, то это значительно увеличит стоимость и увеличит риски отравления при протечках системы. Применить циркуляционный насос и повысить давление внутри системы не позволит хрупкость поликарбоната.
По патенту 131941 полезная модель представляет собой солнечный био-вегетарий, составленный из неразрывно конструктивно взаимосвязанных между собой южной, покрытой сверху светопроницаемой оболочкой, и северной, покрытой сверху светонепроницаемой оболочкой, частей, установленных на фундаментной части и фундаментных опорах или без фундамента. Эти части снабжены системами аккумуляции тепла, вентилирования и распределения тепловых потоков, системами микрокапельного полива и освещения, а также автоматизированной системой управления и контроля микроклимата. При этом южная часть разделена вертикальными прозрачными перегородками на автономные секции в количестве, выбранном в пределах от 2 до 20 для выращивания экологически чистых растений, а северная часть составлена из четырех неравных по объему технической зоны хозяйственного блока, зоны для фасовки, упаковки и хранения готовой продукции, технологической зоны по производству биогумуса дождевыми червями, вспомогательной зоны для временного хранения органического компоста, ограниченных снаружи утепленной стеной. В технологической зоне оборудованы заполненные органическим компостом технологические гряды, разделенные дорожками с возможностью свободного перемещения на них рабочих с мобильными платформами;
Недостатками этого устройства являются:
- большое количество автономных секций требует индивидуального управления микроклиматом в каждой, что приведет к значительному повышению себестоимости выращиваемой продукции, и так как в конструкции предусмотрен прямой воздухообмен между южной и северной частями, то потребуются значительные затраты энергии для поддержания заданных параметров в каждой из секций и сведет на нет стабильный микроклимат в секциях южной части;
- из-за прямого воздухообмена между северной и южной частями температурный режим вермикультивирования в северной части не позволит поднять температуру в южной части, где выращиваются растения выше 25 градусов, что приведет к снижению урожайности;
- маленькая тепловая инерция сооружения и неэффективная схема передачи тепловой энергии от воздуха к воде в аккумуляторе не позволит охлаждать воздух в южной части в жаркое летнее время до 25 градусов, что приведет к повышению температуры в зоне растений и, соответственно, в грядах с червями и их гибели. Если проводить естественное вентилирование, то температура в зоне вермикультивирования сравняется с наружной и, если будет выше 25 градусов, то приведет к гибели червей, т.к. температура в грядах на 5 градусов выше наружной. Прямое вентилирование приведет также к потере углекислого газа, что в свою очередь приведет к снижению урожайности;
- для эффективного теплообмена в энергоаккумуляторе, его емкости должны быть сделаны из материала с высокой теплопроводностью (металлы), а это приведет к значительному удорожанию конструкции. Аккумуляции тепла в холодные солнечные дни зимой практически не будет, т.к. воздух под куполом не будет нагреваться больше, чем необходимо для роста растений и соответственно, устройство аккумулятора в таком виде бессмысленно;
- очень стесненные условия работы в северной части, наличие компоста и готовой продукции в одном помещении не соответствуют нормам санитарии.
Наиболее близким техническим решением предлагаемому солнечному агробиокомплексу по совокупности существенных признаков (прототипом) является агробиокомплекс (RU 2124828 C1 с публикацией 20.01.1999), предназначенный для комплексного выращивания растений, рыб и птиц. Он включает теплицу с водоемом, сообщенным с птичником. Это позволяет одновременно и комплексно выращивать разнообразную как по видовому составу, так и по происхождению, как растительную, так и животную продукцию в любых широтах и независимо от экологии. Так как каждое изолированное отделение имеет свой микроклимат, а биогумус для подкормок растений и живой корм для рыб и водоплавающих птиц производится в культиваторе биокомплекса из червей, растительных остатков и компоста, то исключается необходимость в применении химических средств и обеспечивается использование безотходной технологии. Использование в одном биокомплексе теплицы, водоема и птичника, оснащенных системами жизнеобеспечения, позволяет получать в течение года несколько урожаев растительной продукции, а также животную продукцию с увеличенной биомассой.
Недостатками этого устройства являются:
- конструкция основной теплицы с водоемом выполнена полностью из светопрозрачного материала с низким тепловым сопротивлением, что увеличит теплопотери помещения особенно с северной стороны и, соответственно, значительно увеличит расходы на отопление;
- использование водоема для аккумулирования энергии солнца будет неэффективным, т.к. основная часть его поверхности закрыта, трубы отопления проходят над поверхностью и основная часть теплового потока будет направлена вверх, а теплообмен по схеме вода-воздух-вода будет незначительным. Нагрев водоема будет происходить естественным способом от окружающего воздуха, что потребует дополнительной энергии и затрат;
- использование водоема для выгула водоплавающих птиц требует дополнительной площади и снизит площадь под растениями, что приведет к снижению доходности комплекса;
- водоплавающие птицы будут загрязнять водоем своими фекалиями, что негативно будет сказываться на рыбах и ухудшать общую санитарную обстановку комплекса из-за ограниченного объема водоема. Замена воды и дезинфекция водоема будут снижать общую температуру в помещении и негативно сказываться на урожайности и себестоимости продукции;
- растения, расположенные в верхних лотках, будут затенять нижние растения, что отрицательно скажется на общей урожайности;
- в связи с отсутствием вентиляции в зимнее время испарения от водоема будут конденсироваться на поверхности ограждающих конструкций, что приведет к снижению светопропускаемости и, соответственно, к дополнительным затратам на отопление и досветку;
- большая площадь водоема способствует большому испарению влаги, которое сопровождается большим потреблением энергии и понижением температуры окружающего воздуха, что приведет к дополнительным расходам на отопление;
- прямое вентилирование помещения в жаркое время приведет к потере углекислого газа и, соответственно, к снижению урожайности.
Задачей изобретения является разработка такого агробиокомплекса, который позволит выращивать большой ассортимент экологически чистой растительной и животной биопродукции на ограниченной территории в течение круглого года, с минимальным числом работников при низких затратах.
Указанный результат достигается тем, что агробиокомплекс, расположенный строго с севера на юг, включающий теплицу с изолированными прозрачными перегородками, оснащенную системами отопления, холодного и горячего водоснабжения, орошения, освещения и вентиляции, водоем с системой аэрации, культиватор для размножения червей и получения биогумуса, птичник, представляет собой сооружение на едином фундаменте с замкнутой системой воздухообмена кислорода из южной части и углекислого газа из северной части, замкнутым циклом движения и переработки органических отходов, при котором отходы овощеводства идут на корм животным и птицам, помет и навоз перерабатывается дождевыми червями в биогумус, который, в свою очередь, служит удобрением для растений, а прирост дождевых червей идет на корм рыбе, включающее несколько автономных помещений:
- южное (A) со светопроницаемым покрытием 1 из сотового поликарбоната, с несущими стропилами 2, одновременно используемыми для контура водяного отопления 3, глухими утепленными боковыми стенами 4, присыпанными грунтом, с северной глухой стеной 5, снабженной воздуховодами 6, тепловыми карманами и воздушным контуром отопления с системой рекуперации топочных газов 7, и включающее в себя водоем для рыбы 8 со встроенным контуром водяного отопления и охлаждения 9, системой принудительного насыщения кислородом, расположенный вдоль южной стены помещения, закрытый сверху разборным настилом 10 для выращивания рассады, водяной теплоаккумулятор 11 с аварийным электронагревателем 12, насосом подкачки 13, циркуляционным насосом 14, расположенный под полом, солнечный коллектор 15, теплообменник 16, связанный с теплоаккумулятором 11, встроенный в систему отопления, расположенный на глухой крыше северного помещения и автоматическое тепловое одеяло 17 с внутренней свето-теплоотражающей поверхностью, которое летом заменяется на светозащитное, с механизмом закрытия и открытия светопрозрачной южной части, расположенное с торца вдоль южной светопрозрачной части, при этом механизм закрытия и открытия работает таким образом, что при открытии происходит очистка закрываемой поверхности от снега в зимнее время, для чего наматывание одеяла в рулон производится сверху вниз, систему конденсации влаги в корневой зоне растений 18, состоящую из перфорированных труб, связанных с системой воздухообмена 6, проходящих под корнями растений, систему мелкодисперсного водяного полива и охлаждения в жаркое время, закрепленную на несущих стропилах 2, систему комбинированного освещения и досветки на натриевых зеркальных и светодиодных лампах переменной высоты, капельное орошение корневой зоны растений, автоматическую систему контроля микроклимата всех помещений,
- северное (Б), имеющее общую с южным помещением глухую стену 5, с утепленной кровлей и стенами 4, присыпанными грунтом, имеющее одно и более помещений для выращивания животных и птиц, включающие в себя систему воздуховодов 6 с верхним магистральным воздуховодом 19, центральным вентилятором 20, автоматическими заслонками с вентиляторами 21, холодного и горячего водоснабжения, склады готовой продукции с грузовыми лифтами 23, лестницами 24, холодильник, служебные помещения, выходы на площадки для выгула 25,
- подвал (В), расположенный под северным помещением, включающий в себя котельные 26 с котлами 22, помещения для вермикультивирования в вертикальных кассетах, участок подготовки и переработки кормов, склады биогумуса и биотоплива, и,
- кроме этих помещений, отдельно расположены со стороны южной части здания - искусственный водоем природного типа, служащий для доращивания рыбы, сбора дождевой и талой воды, используемой для полива и охлаждения южной части в жаркое время, а с северной стороны здания - площадки для выгула животных и птицы и посевами кормовых культур.
Несущие стропила 2 светопрозрачного покрытия 1 южной части представляют собой трубы любого сечения и служат в системе водяного отопления и охлаждения 3 для циркуляции теплоносителя и как дополнительные теплообменники.
Система отопления и охлаждения работает по нескольким кругам циркуляции с помощью 3-х ходовых автоматических клапанов.
Автоматическое тепловое одеяло 17 связано с системой электронного управления микроклиматом и освещенностью.
Все помещения агробиокомплекса поддаются масштабированию и могут быть разбиты на отсеки (блоки) для выращивания культур и животных, требующих разного микроклимата.
Предложенное устройство поясняется следующими фигурами чертежей:
Фиг. 1. Схема водяного теплового контура.
Фиг. 2. Схема воздухообмена.
Фиг. 3. План первого этажа.
Фиг. 4. План подвала.
Принцип работы агробиокомплекса
Зима. День.
Принудительная циркуляция воздуха происходит постоянно и обеспечивает более интенсивный теплообмен между радиаторами отопления и окружающим воздухом, конденсируя влагу под корнями растений и нагревая прикорневую зону по трубам 18. При этом происходит рекуперация тепла от дымовой трубы котла отопления в рекуператоре 7, в тепловых каналах 6 и создание защитной теплой воздушной подушки под светопрозрачным покрытием 1. По показаниям газоанализаторов и датчиков температуры происходит обмен кислорода и углекислого газа между южной частью и северной при помощи заслонок с вентиляторами 21, а также подача дополнительного наружного воздуха через рекуператор 7.
Солнце нагревает воздух под куполом и теплоноситель в солнечном коллекторе 15. Коллектор 15 нагревает воду в теплообменнике 16, а циркуляционный насос 14 гонит ее по кругу - 14, 16, 3-1, 3, 2, 3-2, 9, 8, 3-5, 3-3, 11, 3-4, 14. При достижении температуры воды в водоеме 8 до +28°С, он исключается из круга циркуляции при помощи клапана 3-2. При достижении температуры у поверхности в зоне растений +28°С, срабатывает клапан 3-1 и коллектор 15 через теплообменник 16 продолжает нагревать воду только в аккумуляторе 11 по кругу - 16, 3-1, 11, 3-4, 14, 16, тем самым запасая энергию. При падении заданных температур в куполе, водоеме или на поверхности почвы на 3 градуса до +25°С, циркуляция снова идет по большому кругу. Если энергии солнца не хватает (сильные морозы или пасмурно) и исчерпана энергия теплоаккумулятора 11, то, чтобы прогреть воду и воздух до заданных температур, автоматически включаются отопительные котлы 22 и циркуляция идет по кругу - 14, 16, 3-1, 3, 2, 3-2, 9, 8, 3-5, 3-3, 22, 14.
Зима. Ночь.
После захода солнца автоматически включается досветка растений и закрывается тепловое одеяло 17 над светопрозрачной южной частью. В зависимости от температуры воды в аккумуляторе 11, циркуляция идет по большому кругу через аккумулятор 11 и водоем 8, а при их остывании до +18°C (ночной режим) включаются отопительные котлы 22 и циркуляция идет мимо аккумулятора 11 и водоема 8 по кругу - 14, 16, 3-1, 3, 2, 3-2, 3-5, 3-3, 22, 14.
Лето. День.
Воздушная и водяная системы работают в режиме охлаждения. Циркуляция воздуха происходит постоянно и обеспечивает более интенсивный теплообмен между радиаторами и окружающим воздухом, конденсируя влагу под корнями растений в трубах 18 и охлаждаясь в корневой зоне. Солнечные коллекторы 15 отключены.
При достижении температуры в зоне растений +30°C, включается циркуляционный насос 14 и вода циркулирует по кругу -14, 16, 3-1, 3, 2, 3-2, 9, 8, 3-5, 3-3, 11, 3-4, 14. Аккумулятор 11, охладившись за ночь, способствует охлаждению воды в системе и, соответственно, воздуха. При достижении температуры воды в водоеме 8+30°С, он исключается из круга циркуляции при помощи автоматического клапана 3-2. При достижении температуры воды в аккумуляторе 11+30°C, включаются мелкодисперсные распылители воды под куполом помещения. Интенсивное испарение способствует понижению температуры и происходит ее контроль в заданных пределах. Если и это не снизит температуру, то происходит частичное закрывание светозащитного одеяла 17 для частичного затенения зоны растений. Если и это не поможет снизить температуру, то производится аварийный сброс теплой воды из аккумулятора 11 в наружный водоем через клапан 3-5 с заменой воды на более холодную из наружного водоема через насос подкачки 13 или из внутреннего водопровода подпитки котлов отопления. Охлажденная вода снова начинает циркулировать по большому кругу и охлаждать воздух в зоне растений до заданной температуры.
Лето. Ночь.
Циркуляция воды продолжается до сравнивания ее температуры с температурой окружающего воздуха. Аккумулятор 11 будет отдавать накопленное тепло в течение ночи и поддерживать заданную температуру. При прохладных ночах закрывается светозащитное одеяло 17.
В межсезонье, в зависимости от времени суток, температуры наружного воздуха и освещенности, электронная система управления микроклиматом будет автоматически управлять всеми агрегатами и механизмами, исходя из заданных параметров в помещениях агробиокомплекса.
Применение предложенного агробиокомплекса позволит эффективно выращивать большой ассортимент экологически чистой растительной и животной биопродукции на ограниченной территории в течение круглого года с минимальным числом работников при низких затратах.