Автоматизированный сельскохозяйственный тепличный комплекс
AUTOMATED AGRICULTURAL GREENHOUSE COMPLEX

Изобретение относится к сельскому хозяйству и энергетике и предназначено для получения продукции растениеводства, животноводства,  птицеводства, рыбы, биогумуса.
Известен способ очистки воздушной среды животноводческих помещений  (патент РФ  № 2230996, МПК F 24 F 3/16, A 01 L 9/00, 2003), заключающийся в обработке воздуха в помещении озоном. Помещение разделено на два яруса - верхний и нижний. В нижнем ярусе расположены клетки с птицей, а на верхнем ярусе – растения. Верхний и нижний ярусы соединены между собой воздуховодами. В центральном воздуховоде установлен вентилятор и озонатор. В верхнем ярусе расположены светильники.
2
Известен также наиболее близкий к заявленному Биоэнергетический комплекс (патент РФ № 2446672, МПК А 01 G9/14, А 01 K 31/00, 2006), выбранный в качестве прототипа, включающий изолированные от внешней среды блоки содержания животных,  птицы, разведения рыбы и вегетации растений, блок пиролизных процессов, блок альтернативного энергоснабжения - солнечные коллекторы, фундамент блоков выполнен из теплоемкого материала, водоснабжение, освещение и вентиляцию, систему утилизации отходов в бескислородной среде. Биоэнергетический комплекс содержит каркас теплицы, фундамент которого выполнен из теплоемкого пенобетона, кровля выполнена из прозрачного материала, под кровлей располагаются солнечные коллекторы, емкость, наклонные лотки с содержанием биогумуса и концентрированного почвенного раствора, емкость с водой  для разведения рыб, на поверхности которой располагается растение - эйхорния, стенки грядок, выполненные из теплоемкого материала, вентиляционные каналы, печь, предназначенная для пиролиза и сушки древесины, направление потока углекислого газа СО в нижние блоки по каналам газообмена, воздушные массы, поступающие в верхние блоки, вакуумные трубы.
Недостатком биоэнергетического комплекса по патенту № 2446672 является большая занимаемая площадь; необходим склон под углом 15°–35° к линии горизонта, этот комплекс может быть установлен только в ограниченном географически месте;  теплый воздух с углекислым газом от животноводческой продукции под действием физических свойств стремится в верхние слои, то есть потребуется дополнительная затратная энергия для выталкивания воздушных масс на нижнюю ступень биоэнергетического комплекса; отсутствие системы обеззараживания воды, что требует ее частой замены.
Технической задачей изобретения является уменьшение энергопотребления за счет возобновляемых источников питания и использования энергоэффективных элементов, повышение продуктивности теплицы, за счет комплексного выращивания растительной и животной продукции в замкнутых системах жизнеобеспечения при минимальной площади независимо от географического расположения.
Поставленная техническая задача достигается тем, что изолированные от внешней среды блоки содержания животных,  птицы, разведения рыбы и вегетации растений, печной котел, блок альтернативного энергоснабжения - солнечные коллекторы, фундамент блоков выполнены из теплоемкого материала, водоснабжение, освещение и вентиляцию, систему утилизации отходов в бескислородной среде, согласно изобретению, он снабжен связанными с блоком управления системой технического зрения, содержащей видеокамеры, системой обеззараживания воды, включающей ультрафиолетовую лампу, системой озонирования, механизмом аэрации воды, блоки расположены вертикально один над другим, система утилизации отходов выполнена с возможностью сжигания отходов в кислородной среде, блок альтернативного энергоснабжения снабжен ветрогенератором, солнечной батареей, тепловой комбинированной станцией с тепловым насосом «воздух-воздух», «воздух-грунт», земляным зондом и климат-контроллером, дизель генератором, связанными с контроллером заряда, аккумулятором,  инвертором и блоком управления, а освещение выполнено спектральным.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема автоматизированного сельскохозяйственного тепличного комплекса.
Тепличный комплекс включает в себя три основных блока А, Б и В, размещенных вертикально друг под другом. Блок «А» – разведения рыбы - размещен на нижнем уровне. Блок «Б» – содержания животных – над блоком А. Блок «В» – вегетации растений - размещен сверху. Все блоки изолированы от внешней среды и соединены между собой трубопроводными каналами водо- и газообмена. Блок «А» оснащен системой аэрации, технического зрения, освещения, кормления и обслуживания рыбы. Блок «Б» содержит системы технического зрения, системы обеззараживания воды, освещения, кормления и обслуживания животных или птицы. Блок «В» содержит емкость для гидропонного растениеводства, фильтрующий элемент корневой системы, систему технического зрения, озонирования воздуха и освещения для каждого вида растительности.
Тепличный комплекс включает несущий каркас 1, например трех уровневой теплицы из основных блоков А, Б и В, размещенных вертикально один над другим.
Блок А – блок разведения рыбы – выполнен в виде фундамента, заглубленного в грунт 2 на 2 – 5 м, в зависимости от необходимости, состоящего из двух слоев бетона 3 и теплоизоляционного материала 4 между слоями для хорошей теплоизоляции от грунта 2. Бассейн  заполнен водой. В нижней части бассейна размещен теплообменник 5. В верхнем перекрытии блока А над уровнем воды размещены: система аэрации 6, которая насыщает кислородом воду в бассейне,  система технического зрения 7 (видеокамера), осуществляющая контроль за биологической жизнедеятельностью организмов, подсветка водоема 8, автоматическая кормушка 9 с люком 10 для обслуживания бассейна. Предусмотрены трубопроводы для подачи 11  и забора 12 воды. На конце трубопровода 12 есть ограждающая сетка 13, препятствующая засасыванию в него рыбы.
Блок А - бассейн наполнен водой, которая  является одним из самых эффективных аккумуляторов тепла на 1°С/кг.
Долив воды в бассейн может осуществляться из реки, озера, скважины или централизованной сети водоснабжения.
Блок Б - содержания животных - размещен на верхнем перекрытии и поверхностном фундаменте 3 блока А. В блоке Б размещены: автоматическая кормушка и поилка 14, система технического зрения 7, освещение спектральными светильниками 15 для животных. В трубопроводе 11 подачи воды в бассейн, проходящем через блок Б, размещена система обеззараживания воды, включающая ультрафиолетовую обеззараживающую лампу 16. В потолочном перекрытии расположены воздуховод 17 с вентиляционным механизмом 18 и озонатором 19, приточный воздуховод 20. Воздуховоды 17 и 20 связаны с блоком В. В нижней части блока Б размещен люк 10.
На боковой стенке блока Б расположен водяной насос 21 для подъема воды из блока А в блок В. Блоки Б и В оснащены вспомогательной приточной вентиляцией 22 для восполнения дефицита кислорода, расходуемого для поддержания жизнедеятельности животных и растений.
На поверхностном фундаменте 3 блока А размещена  комбинированная тепловая станция 23 с тепловым насосом  «воздух-воздух», «воздух-грунт» (на фиг. не показан) с земляным зондом 24, климат-контроллером, солнечным коллектором 25, связанными трубопроводами  26 с теплообменником 5. Запасным источником тепла может служить сеть централизованного теплоснабжения.
Тепловой насос  «воздух-воздух» обеспечивает приток  воздуха нужной температуры в блок Б в соответствии с заданными климат-контроллером параметрами.
Блок В - вегетации растений  - размещен на вернем перекрытии блока Б. Он содержит гидропонный лоток (или связанные между собой лотки) 27 с размещенными в нем растениями, связанный трубопроводом 28 с насосом 21 и  трубопроводом 12 с блоком А для подачи воды, обогащенной микро и макроэлементами для их питания. Лоток 27 связан через оградительную сетку 29 трубопроводом 11 с блоком А.
Крыша 30 блока В выполнена скатной из прозрачного материала, например стеклянная. В верхней части блока В расположены спектральные светодиодные светильники 15 и система технического зрения 7.  Под стеклянной крышей 30 размещен вентилятор 31, нагнетающий  воздух в приточный воздуховод 20, связанный с блоком Б.
Теплица оснащена электронным блоком управления 32 тепличным комплексом связанным с интернетом – кабелем или беспроводной сетью сотового оператора GSM, WI-Fi модулем и так далее. Интернет необходим для удаленного доступа и контроля всех систем жизнеобеспечения тепличного комплекса.
Электроснабжение тепличного комплекса осуществляется от альтернативных источников энергии, от энергосети 220/380 В или аварийного дизель генератора 33. Альтернативными видами источников энергии являются солнечные батареи 34 и ветрогенераторы 35. Электрическая энергия от источников питания поступает на контроллер заряда 36, аккумулятор 37 и инвертор 38.
Освещение тепличного комплекса осуществляется в автоматическом режиме «день-ночь» в зависимости от потребностей животных и растений на каждом уровне.
Автоматизированный сельскохозяйственный тепличный комплекс работает следующим образом.
Из скважины, реки, озера или централизованного водоснабжения заполняется объем бассейна в блоке А, производится запуск всех электрических компонентов, включенных в тепличный комплекс. Воду в бассейне нагревают до комфортных условий для выращивания растений, животных и рыбы, например +21÷24°С, с помощью теплового насоса 23 и солнечного коллектора 25. Запускают в бассейн мальков, в гидропонные лотки 27 высаживают посадочный растительный материал, а в блок Б  содержат животных или птицу.  Климат-контроллер регулирует температуру воды в бассейне. При снижении температуры, происходит ее подогрев, а при повышении температуры выше допустимой автоматически включается тепловой насос 23 «воздух-грунт» с земляным зондом 24 и охлаждает воду.
В блоке А  вода обогащается кислородом аэратором 6, необходимым для дыхания рыбы. Кормление рыбы или других водных организмов, например ракообразных, осуществляется автоматически по часам из кормушки 9. Подсветка светодиодами в блоке А необходима для жизнедеятельности рыб,  ракообразных и для системы технического зрения 7. Для обслуживания бассейна или отлова рыбы служит люк 10, когда она достигает товарных размеров. После отлова рыбы в бассейн запускают новую партию и процесс продолжается.
Вода вместе с продуктами жизнедеятельности рыб насосом 21 подается по трубопроводу 12 из бассейна блока  А  в лоток 27  блока В, где растения поглощают микро и макроэлементы, растворенные в воде, частично очищая ее. Вода  протекает по всей длине лотка и возвращается через трубопровод 11 со встроенной в него обеззараживающей ультрафиолетовой лампой 16 в блок А уже очищенная. Перед трубопроводом 11 размещена оградительная сетка 29, которая служит фильтром и препятствует попаданию в трубопровод 11 крупных частиц. Возникает круговорот водообмена между блоками А и В.
Для создания благоприятных условий развития растений в блоке В осуществляется спектральное светодиодное освещение. Светильник 15 включает пять типов светодиодов с максимумами полос излучения в пределах: синяя – 434-450 нм, красная – 630-632 нм и 660-670 нм, и дальняя красная – 730-735 нм.
После созревания урожая, например огурцов, салата и т.д., производят их сбор. При необходимости производят посев новых культур.
В блоке Б размещены животные или птицы. В процессе жизнедеятельности животных воздух насыщается углекислым газом, аммиаком, сероводородом и другими вредными компонентами и  через воздуховод 17 с вентилятором 18 поступает в блок В. Озонатор 19, размещенный в воздуховоде очищает воздух от аммиака, сероводорода и других вредных компонентов. На конце трубопровода 17 размещен деструктор 39, в котором происходит нейтрализация озона. Углекислый газ поступает в блок В, где растения поглощают его и насыщают воздух кислородом. Воздух, обогащенный кислородом, под действием теплого воздуха от осветительных приборов и самого тепличного комплекса устремляется в верхние слои,  и через трубопровод 20 с вентилятором 31 направляется в блок Б, тем самым замыкая круговорот воздухоочистки между блоками Б и В.
Спектральное освещение светодиодными светильниками 15 в блоке Б происходит в спектральном диапазоне для животных и птиц 400-700 нм, которое существенно экономят электроэнергию и повышают их продуктивность. Освещение в блоке Б производится в автоматическом режиме «день-ночь». Предусмотрена техническая возможность уборки помещения и автоматическая заправка кормушки-поилки.
Система утилизации отходов тепличного комплекса, например навоза и растительных остатков,  включает их сушку, как естественную конвекционную, так и принудительную с использованием тепловой энергии от печного котла 40.  Высушенный продукт поступает в печь 40 для сжигания, с последующим получением зольных отложений и высвобождением тепловой энергии. Тепловая энергия может быть использована для сушки отходов и отопления, например тепличного комплекса. Зола из камеры сгорания может использоваться в качестве удобрения или добавки к настилу в курятнике.
Так как все блоки связаны между собой и расположены в функциональной последовательности с тепловым энергообменом.
Автоматизированный сельскохозяйственный тепличный комплекс может работать круглый год и производить разнообразную продукцию: мясо, рыбу, зелень и т.д.