СИСТЕМА ОРОШЕНИЯ ЗАКРЫТОГО ГРУНТА

Полезная модель относится к производству сельскохозяйственной продукции, в частности к оборотным системам орошения (водоснабжения) закрытого грунта, расположенного, например, в теплице, в том числе на гидропонике, и может быть использована для автоматического полива растений на ограниченных площадях, а также во всех условиях с дефицитом водных ресурсов, например, в пустынных территориях.
Широко известно, что вода, поступающая в растение через корневую систему, поднимается к листьям и там испаряется в атмосферу. Потеря воды с поверхности растения называется транспирацией. По существующим оценкам, в среднем растение теряет более 99% поглощаемой воды (см., например, Тейлор Д. и др. Биология, Том 2. - М.: Мир, 2002, с.108).
Необходимо отметить, что до половины влаги испаряется непосредственно с поверхности почвы или фильтруется в нижние горизонты почвы, минуя растение. Таким образом, для целей производства органических соединений используются доли процента, поступающей на орошение воды.
Известен способ водораспределения, включающий измерение подачи расходов в начало участков канала в зависимости от изменения расходов их потребителей и поддержание постоянного (заданного) расхода в конце участков. Этот способ реализован в виде системы автоматического регулирования водораспределения по уровню воды нижнего бьефа (см. Бочкарев Я.В. и др. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов в гидромелиорации. М.: Колос, 1969, с.292-300).
К недостаткам этого способа относится большой забор воды из внешних источников (водоемов) на орошение и последующее, ничем не ограниченное рассеяние испарившейся воды, как с поверхности почвы, так и с поверхности растений (транспирации) в атмосфере. При этом на нужды метаболических процессов в растениях используются ничтожные доли процента воды, забираемой из внешнего источника. К недостаткам этого способа относится также длительное время перестройки режима работы канала при изменении расходов потребителей, что приводит к большому резервированию воды для обеспечения потребителей на время перестройки.
Известны также гидравлические питательные установки для целей орошения, содержащие насос, подключенный входом к источнику, а выходом к напорному трубопроводу с установленными по длине гидрантами-водовыпусками, каждый из которых снабжен краном управления задвижкой, связанным рычагом с механизмом открытия крана по заданному давлению в управляющем трубопроводе (см. авторское свидетельство СССР №359339, МПК Е02В 13/00, 1970 г.).
К недостаткам этого способа также относится большой забор воды из внешних источников (водоемов) на орошение и последующее, ничем не ограниченное рассеяние испарившейся воды, как с поверхности почвы, так и с поверхности растений (транспирации) в атмосфере. На нужды метаболических процессов в растениях используются ничтожные доли процента воды, забираемой из внешнего источника. Недостатком этой установки является относительная сложность конструкции из-за наличия специального управляющего насоса и сложности механизма открытия крана по заданному давлению, а также недостаточная точность срабатывания.
Известна оросительная система, содержащая водозаборный узел, напорообразующее устройство, сеть распределительных трубопроводов, водовыпуски для капельного полива и дождевания с комбинированным запорным органом, генератор командных импульсов и водораспределительную арматуру, при этом водовыпуски выполнены в виде пневмогидроаккумуляторов, в нижней части которых размещены сливные клапаны, а в верхней части - разбрызгивающие насадки и редукционные клапаны, гидравлически связывающие гидропневмоаккумуляторы с разбрызгивающими насадками, причем напорообразующее устройство снабжено установленным перед генератором командных импульсов дроссельным регулятором давления (см. авторское свидетельство СССР №1687126, МПК A01G 25/02, опубл. 30.10.1991 г.).
Данная оросительная система, в сравнении с вышеописанными, позволяет за счет дождевания и особенно капельного орошения снизить потери от испарения с поверхности почвы. Однако остаются значительными потери влаги на испарение с поверхности почвы и в полном объеме остаются потери от транспирации.
Известна также система капельного орошения, включающая водоисточник, бассейн-отстойник, насосную станцию и оросительную сеть с капельницами, при этом система снабжена линейно-протяженными трубчатыми фильтрами, уложенными в грунте вдоль берега водоисточника и заглубленными под уровень грунтовых вод, причем трубчатые фильтры сообщены с бассейном-отстойником, который выполнен
закрытым (см. авторское свидетельство СССР №1551285, МПК A01G 25/02, опубл. 23.03.1990 г.).
Данная система орошения снижает возможность забивания капельниц и тем самым снижает перерасход воды на орошение и дополнительно снижает потери на испарение с поверхности почвы. Однако недостатки, отмеченные для ранее рассмотренной системы капельного орошения, остаются.
Известна система капельного орошения, включающая магистральный трубопровод, соединенный с распределителями, и водовыпуски с тензиометрическими датчиками, каждый из которых содержит полый керамический пористый фильтр, при этом тензиометрические датчики снабжены каждый воздухоотводящей трубкой с запорным элементом, один из концов которой размещен внутри полого керамического пористого фильтра, а другой сообщен через запорный элемент с атмосферой (см. авторское свидетельство СССР №1500205, МПК А01G 25/02, опубл. 15.08.1989 г.).
Данная система орошения снижает возможность забивания капельниц и тем самым снижает перерасход воды на орошение и дополнительно снижает потери на испарение с поверхности почвы. Однако недостатки, отмеченные для ранее рассмотренных систем капельного орошения, остаются.
Известна система капельного орошения, включающая водоисточник, бассейн-отстойник, насосную станцию, фильтры и оросительную сеть с капельницами. В системе капельного орошения капельницы с широким диапазоном норм расхода поливной воды гидравлически связаны в группы по девять капельниц в каждой. Капельницы в группах соединены единым переключателем. В каждой группе сформировано шесть подгрупп по четыре капельницы в каждой. Каждая группа капельниц имеет равный суммарный расход воды (см. патент на изобретение РФ №2231951, МПК А01G 25/02, опубл. 10.07.2004 г.).
Известная система капельного орошения обеспечивает высокую степень надежности работы капельниц, качество полива и повышение урожайности возделываемых овощных культур. Однако недостатки, отмеченные для ранее рассмотренных систем капельного орошения, остаются.
Конструктивными признаками капельного орошения являются наличие на конечных точках орошения водовыпусков, представляющих собой тонкие водоотводящие трубки, погруженные в почву на глубину корнеобитаемой зоны. При этом расход воды регулируется таким образом, чтобы в районе водовыпускника было только пятно увлажнения (см. например, авторское свидетельство СССР №1500205,
МПК A01G 25/02, опубл. 15.08.1989 г., или патент на изобретение РФ №2231951, МПК А01G 25/02, опубл. 10.07.2004 г.).
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является известная теплица, включающая каркас, двухслойное пленочное светопроводящее покрытие, при этом внутренний слой пленочного светопроводящего покрытия выполнен перфорированным, причем в каждом отверстии покрытия размещен закладной элемент с отверстием (см. авторское свидетельство СССР №1371615, МПК А01G 09/24, опубл. 07.02.1988 г.).
Данная конструкция теплицы обеспечивает конденсацию испарившихся с поверхности почвы и при транспирации паров влаги. Однако, во-первых, конструкцией не предусмотрен возврат конденсата в систему орошения, во-вторых, конденсация в такой теплице возможна только в северных широтах и в холодное время года, когда возможен интенсивный отвод тепла в окружающую среду, обеспечивающий конденсацию. К тому же интенсивный отвод тепла сопровождается адекватным расходом энергии на отопление.
Изучение уровня техники показывает, что все ныне действующие системы орошения являются крайне расточительными при использовании воды для полива сельскохозяйственных культур. Для целей метаболизма используются малые доли процента потребляемой воды.
Таким образом, вода для орошения всех современных сооружений закрытого грунта (в том числе теплиц, например, на гидропонике) поступает из внешних водоемов (внешней среды). Затем вода, испаряясь из почвы теплицы и при транспирации из листьев растений, поступает в парообразном состоянии в атмосферу. Далее пар поднимаясь в верхние слои атмосферы, охлаждается, конденсируется и выпадает в виде дождя. Дождевая вода собирается во внешних водоемах, так осуществляется круговорот воды в природе. Проблема заключается в том, что дожди не выпадают над пустынными территориями.
Известно также, что кругооборот воды в малых объемах можно обеспечить, например, с помощью использования схем тепловых насосов. При этом тепловым насосом называется холодильная установка, с помощью которой можно передавать тепло от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. В нашем случае это обеспечит конденсацию пара из паровоздушной среды, откачиваемой из объема теплицы. Широко известны схемы и циклы тепловых насосов (см., например, книгу Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985 г., с.138-146, а также книгу Сушкин И.Н. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973 г., с.127-129). Если
сконденсировать испарившуюся в объеме теплицы воду и вновь направить ее на полив, то забор воды из внешнего источника сократится в сотни раз.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение производства сельскохозяйственной продукции при минимальных расходах воды на орошение за счет кругооборота воды в пределах тепличного хозяйства.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении полезной модели, является создание оборотной системы орошения (водоснабжения) закрытого грунта, расположенного, например, в теплице, за счет конденсации и повторного использования испарившейся влаги.
Указанный технический результат достигается тем, что система орошения закрытого грунта, состоящая из насоса, распределительных трубопроводов, системы водовыпускников капельного орошения, согласно полезной модели, дополнительно снабжена вентилятором, конденсатором, тепловым насосом, почвенной ванной, емкостью и дополнительным насосом, при этом вентилятор соединен коробами с полостью конденсатора, сообщенного с тепловым насосом, а емкость сообщена через дополнительный насос с распределительными трубопроводами.
Введение вентилятора, соединенного коробами с полостью конденсатора, позволяет осуществлять отсос паровоздушной смеси из объема закрытого грунта (в том числе теплицы) и обеспечить кругооборот воды для орошения теплицы.
Введение конденсатора, сообщенного с тепловым насосом, создающим низкую температуру в полости конденсатора, позволяет обеспечить раздел паровоздушной смеси на сухой воздух и воду.
Введение почвенной ванны исключает фильтрацию влаги в нижние горизонты грунта.
Введение емкости и дополнительного насоса, соединенных с распределительными трубопроводами, позволяет при необходимости обеспечить подпитку оборотной системы орошения закрытого грунта.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где показана принципиальная конструктивная схема оборотной системы орошения закрытого грунта, расположенного в теплице. Чертеж имеет следующие цифровые позиции: 1 - теплица; 2 - потоки испарившейся из почвы и с поверхности растений влаги; 3 - короба для отвода паровоздушной смеси (влажного воздуха) из объема теплицы; 4 - конденсатор; 5 - вентилятор отсоса сухого воздуха из полости конденсатора 4; 6 - тепловой насос; 7 - водяной насос для подачи воды из конденсатосборника конденсатора 4 в трубопровод
орошения теплицы; 8 - трубопроводы орошения теплицы; 9 - емкость для хранения воды, используемой для подпитки; 10 - дополнительный водяной насос для подпитки оборотной системы орошения теплицы; 11 - стрелками условно обозначены водовыпускники капельного орошения; 12 - почвенная ванна.
Оборотная система орошения (водоснабжения) закрытого грунта расположена в теплице 1 (в том числе на гидропонике), в которой для отвода, испарившихся из почвы и с поверхности растений, потоков 2 влаги, размещены короба 3, связанные с полостью конденсатора 4. Отсос сухого воздуха из полости конденсатора 4 осуществляется вентилятором 5. Тепловой насос (холодильная установка) 6 создает низкую температуру в полости конденсатора 4. В качестве теплового насоса 6 могут быть использованы широко известные схемы и циклы тепловых насосов (см., например, книгу Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985 г., с.138-146, а также книгу Сушкин И.Н. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973 г., с.127-129).
Водяной насос 7 предназначен для подачи воды из конденсатосборника конденсатора 4 в трубопровод 8 орошения теплицы 1. Емкость 9 и дополнительный насос 10 обеспечивают подпитку оборотной системы орошения теплицы, т.е. незначительных количеств воды, использованной в процессах метаболизма растений. Водовыпускники капельного орошения 11 показаны на чертеже стрелками.
Почвенная ванна 12, выполненная из водонепроницаемого материала, например, полиэтилена, и заполненная почвой, исключает потери влаги за счет фильтрации в нижние горизонты грунта.
Оборотная система орошения теплицы работает следующим образом.
Влага 2, испарившаяся в объеме теплицы 1 из поверхности почвы теплицы и с поверхности растений при транспирации, отсасывается по коробам 3 с помощью вентилятора 5 в полость конденсатора 4. В полости конденсатора 4 при помощи теплового насоса (холодильной установки) 6 создается низкая температура, что приводит к конденсации влаги, содержащейся в паровоздушной смеси. В конденсаторе 4 происходит разделение паровоздушной смеси на воду и сухой воздух. Вода собирается в конденсатосборнике конденсатора 4, а сухой воздух отводится из конденсатора 4 с помощью вентилятора 5 в атмосферу или возвращается в объем теплицы 1. Далее вода подается насосом 7 по трубопроводам 8 на полив теплицы 1.
Предложенная система орошения закрытого грунта с минимальным водозабором обеспечивает кругооборот воды в пределах тепличного хозяйства. Для обеспечения подпитки незначительных количеств воды (доли процента), использованной в процессах метаболизма растений, предназначены емкость 9 и дополнительный насос
10. Теплосъем с системы теплового насоса 6 можно использовать на отопление теплиц в холодное время года.