Костицын Я.В., Зекин В.Н.
МНОГОЭТАЖНЫЕ ТЕПЛИЦЫ *
Аннотация:
перед человечеством остро стоит проблема продовольственной безопасности. Согласно долгосрочным прогнозам развития мирового сельского хозяйства, в ближайшие 10 лет сохранится тенденция роста потребления продуктов. Учитывая растущее количество жителей планеты и изменение климатических условий, ученые ищут новые пути производства сельхозпродукции. В статье представлена альтернатива традиционному сельскому хозяйству многоэтажная теплица – новый вид индустрии. По сути, она представляет собой большую теплицу, оборудованную по принципу многоярусного освоения пространства. Данное изобретение поможет аграриям выйти на более высокий уровень производства
Ключевые слова:
многоэтажная теплица, гидропоника, продовольственная безопасность, вертикальная ферма, экоферма, биомиметика, микроклимат, технологии плазменной газификации и плавления, энергосбережение
УДК 728.98
Костицын Я.В.
Магистрант
ФГБОУ ВО «Пермский ГАТУ»
(г. Пермь, Россия)
Зекин В.Н.
к.т.н., профессор кафедры строительных технологий
ФГБОУ ВО «Пермский ГАТУ»
(г. Пермь, Россия)
МНОГОЭТАЖНЫЕ ТЕПЛИЦЫ
Аннотация: перед человечеством остро стоит проблема продовольственной безопасности. Согласно долгосрочным прогнозам развития мирового сельского хозяйства, в ближайшие 10 лет сохранится тенденция роста потребления продуктов. Учитывая растущее количество жителей планеты и изменение климатических условий, ученые ищут новые пути производства сельхозпродукции. В статье представлена альтернатива традиционному сельскому хозяйству многоэтажная теплица – новый вид индустрии. По сути, она представляет собой большую теплицу, оборудованную по принципу многоярусного освоения пространства. Данное изобретение поможет аграриям выйти на более высокий уровень производства.
Ключевые слова: многоэтажная теплица, гидропоника, продовольственная безопасность, вертикальная ферма, экоферма, биомиметика, микроклимат, технологии плазменной газификации и плавления, энергосбережение.
Введение.
Половина населения Земли в начале XXI столетия проживает в городах и, по прогнозам экспертов, в дальнейшем процент городских жителей будет лишь расти. Это означает, что в будущем города должны будут не только решить современные многочисленные городские проблемы (от транспортного коллапса до экологии), но и создать комфортные условия для существования. Обеспечение городских жителей продуктами питания - одна из главных задач.
Человечество научилось выращивать огромное количество самых разных сельскохозяйственных культур. Ежегодно в мире культивируется более полутора миллиардов тонн овощей и фруктов, с каждым годом это число растет. Требуется выращивать все больше растений, но место на планете ограничено. Поэтому со временем появляются многоэтажные теплицы, которые способны, не занимая много места, выращивать большие объемы различных культур. Такие теплицы способны работать автономно, с минимальным участием человека.
Цель исследования
Целью данного исследования является поиск оптимального решения высотных теплиц. Разработка и внедрение современных инновационных технологий для строительства многоэтажных теплиц. В XXI веке достаточно остро стоит проблема обеспечения человечества продовольствием. Ни двух-трехкратный рост урожайности основных агрокультур во второй половине XX века, ни внедрение генетически модифицированных видов растений не решают двух важнейших проблем сельского хозяйства — деградации почв и зависимости урожаев от природных катаклизмов.
Материалы и методы исследования
Теоретической основой исследования послужили труды по вопросам строительства многоэтажных теплиц, современное направление архитектуры биомиметика, труды ученых, посвященных строительству высотных теплиц и использования альтернативных источников электроэнергии и тепла.
Результаты исследования
В шведском городе Линчепинге полным ходом идет строительство первой в мире фермы-небоскреба. Это совместный проект Швеции и США. Реализует его фирма Plantagon International, созданная для строительства многоэтажных инновационных теплиц — плантагонов (рис.1).
Ученые решили, что ферма должна расти не вширь, а вверх. Это поможет сохранить большое количество территории для других нужд человечества. Основатели небоскребов-теплиц – плантагонов хотят сочетать вертикальное земледелие с жилыми или деловыми пространствами в симбиозе с муниципальной инфраструктурой (охлаждение, отопление, биогаз и вода).
Городская ферма - плантагон задумана для бесперебойного обеспечения горожан свежими овощами. Еще не так давно идея вести городское сельское хозяйство считалась невыполнимой и несоизмеримо затратной. Проект плантагона доказал обратное. С появлением подобных вертикальных ферм городское сельское хозяйство сможет успешно противостоять грядущему продовольственному кризису.
Растения планируется выращивать методом гидропоники, при котором все необходимые для роста и развития элементы будут проникать из водного раствора. Для обеспечения необходимых климатических параметров в теплицах будет использоваться компьютерная техника, а на некоторых стадиях выращивания людей заменят роботизированные системы. Сама идея сити-фермерства не нова, и похожие концепции реализуются по всему миру. Стремление производителей продуктов питания стать ближе к потребителям вполне закономерно, ведь во время транспортировки уменьшается срок хранения, а значит, и качество продукции. Поэтому современные компании все чаще прибегают к сооружению тепличных комплексов по производству зелени и овощей прямо в мегаполисах, используя для этого заброшенные производственные помещения. В то же время компаний, занимающихся именно вертикальным выращиванием не так много, и они работают в основном на территории США. Подобные проекты сталкиваются с рядом трудностей, связанных как с финансированием, так и с поиском нестандартных технических решений, в частности с подбором освещения. Но несмотря на это, за вертикальными фермами будущее, так как именно такой формат позволяет сэкономить место, столь ценное в условиях мегаполисов [3].
Примерно пять лет назад французская лаборатория дизайна ABF-lab предложила проект городской экофермы под названием «Agro-main-ville», которую намеревались возвести в пригороде Парижа. Сооружение представляет собой огромную, вытянутую по вертикали пирамиду, способную обеспечить горожан свежей зеленью.
Дело в том, что известные нам вертикальные фермы почти «поголовно» рассчитаны на искусственное освещение.
Так вот, создатели «Agro-main-ville» пошли другим путем – они решили отказаться от искусственного освещения. Их теплица, напоминающая башню, обращена основной своей стороной прямо к солнцу (рис. 2). Причем, проектировщики подошли к делу так, чтобы солнечный свет использовался здесь по максимуму. По сути, это большой солнечный вегетарий с предельно рациональной организацией внутренних посевных площадей. Возможно, на фоне известных американских вертикальных ферм такое решение выглядит теперь инновационным. На самом же деле оно далеко не новое [2].
Рис.2. Городская экофермы «Agro-main-ville»
В самом начале 1960-х Отмар Рутнер австрийский инженер-изобретатель изобрел так называемую высотную теплицу, напоминающую вытянутую башню с прозрачными поверхностями. Она могла иметь цилиндрическую или же прямоугольную форму. Подобные сооружения уже тогда тесно спрягали с городским фермерством. Считалось, что десяти га производственной площади таких теплиц будет достаточно для того, чтобы полностью обеспечить овощами современный город-спутник с населением в 100 тысяч человек.
В скученной Европе, где на счету был каждый клочок земли, создание высотных теплиц связывали с решением проблемы дефицита сельхозугодий. В то же время теплица-башня имела и другие преимущества, в частности – весьма эффективное (в сравнении с обычными, горизонтальными теплицами) использование солнечного света. Параллельно рассматривалась возможность полной механизации и автоматизации основных процессов, включая управление микроклиматом [2].
Современное воплощение биомиметики (направления архитектуры) можно наблюдать в проектировании вертикальных ферм-небоскрёбов. Архитекторы, которые создают концепт проекты вертикальных ферм-небоскрёбов в основном и обращаются к природным формам и процессам, то есть активно используют биомиметические принципы формообразования для своих проектов. Они используют эти принципы как в построении внешней, так и внутренней структуры архитектурного объема.
Бельгийский архитектор Венсан Каллебо разработал свой концепт-проект вертикальной фермы для выращивания сельскохозяйственных культур (Рис. 3). Здание состоит из 132 этажей и его высота составляет около 600 м. Внутри здания будут не только выращиваться сельскохозяйственные культуры, но, а также находятся офисы и исследовательские лаборатории. Небоскрёб будет оборудован ветряными и солнечными источниками энергии. Нужная температура в здании будет поддерживаться за счёт естественной вентиляции и испарения растений. Данный проект планируют реализовать к 2030 году.
В основу структуры остекления этой фермы взята природная структура, то есть структура крыла стрекозы, жилки которого образуют множество маленьких ячеек. Эти жилки обеспечивают крылу насекомого необходимую жесткость. В этой утопической ферме есть офисы, исследовательские лаборатории, жилые помещения и общественные пространства, а так же фруктовые сады, фермы и производственные помещения. Растениеводство и животноводство располагаются вдоль крыльев Стрекозы из стали и стекла, для поддержания соответствующего уровня питательных веществ в почве и возможности повторного использования биологических отходов.
Пространства между крыльями спроектированы таким образом, чтобы максимально использовать преимущество солнечной энергии посредством накопления тёплого воздуха во внешней части конструкции во время зимнего периода. Охлаждение в летний период будет осуществляться через систему естественной вентиляции и испарения от растений [4].
Одним из важных аспектов ведения тепличного хозяйства является экономичное использование энергии. Из-за большой площади светопрозрачных поверхностей в тепличных комплексах возникают существенные теплопотери, чтобы их компенсировать требуется значительный расход топлива для системы отопления. По данным тепличных хозяйств, доля энергоносителей в общей структуре затрат промышленных теплиц в первую очередь зависит от конструкции. В старых теплицах из «стекла и бетона», построенных 20 – 30 лет назад, на энергоносители уходит от 45% до 80% всех производственных затрат тепличного комплекса. Современные конструкции снижают потребление энергии за счет сокращения ее потерь до 20% – 40% в общей структуре затрат тепличного комплекса. Именно поэтому повышение энергосбережения зачастую является главной целью всех тепличных комплексов [5].
Многоэтажных тепличных комплексов, создающих единую систему теплиц с постоянно восполняемым альтернативным источником электроэнергии и тепла (способ 100% утилизации ТКО с применением технологии плазменной газификации и плавления).
Если принять в качестве альтернативного источника электроэнергии и тепла «Технологический комплекс по переработке и утилизации твёрдых отходов обеспечивающий защиту окружающей среды, предотвращение и ликвидацию её загрязнения»
Тепличные хозяйства, использующие последние достижения науки и практики выращивания сельхозпродукции – гидропонику и светодиодное освещение (фитоосвещение) могут в значительной мере обеспечить необходимую урожайность различных культур.
Учитывается возможность строительства тепличных хозяйств с комплексом альтернативных источников электроэнергии и тепла, их размещение возможно на любых грунтах в любой климатической зоне нашей страны, исходя из потребностей окружающих населенных пунктов.
На основе проведенного анализа с нашей точки зрения, наиболее эффективными для внедрения на территории Российской Федерации являются многоэтажные теплицы (12-14) этажей с высотой этажа до 8 метров, которые в свою очередь дополнительно сокращают посадочные площади почти в 10(десять) раз.
В качестве основы можно принять здание высотой 14 этажей из металлических конструкций диаметром 100 метров, с центральным ядром, в котором установлены 4 лифта грузоподъемностью 1500 кг, кроме того, диаметрально противоположно расположены еще 4 лифта, обеспечивающие перемещение людей и грузов между этажами.
Верхний этаж здания используется для сбора и хранения атмосферных осадков, а также лаборатории для водообеспечения тепличного хозяйства. На этом этаже в лабораториях готовятся растворы для каждого вида выращиваемого растения для гидропоники на каждый этаж. Обеспечение проводится самотеком без применения насосов. Первый этаж используется для хранения (холодильная камера), упаковки и отгрузки продукции потребителю. На средних этажах высаживается выращиваемая продукция. На каждом этаже монтируются тельферы, перемещающиеся по кольцу, грузоподъемностью до 300 кг, что помогает работникам хозяйства убирать урожай и доставлять продукцию к лифтам. Весь объем теплицы защищается от атмосферы двойным кольцом из поликарбоната, что обеспечивает сооружению эффект термоса. Территориальное совмещение тепличного хозяйства с комплексом экологически чистой безотходной утилизации ТБО с использованием технологии плазменной газификации и плавления позволяет обеспечить тепличные хозяйства дешевыми энергоресурсами (электроэнергией и теплом), что позволит снизить себестоимость продукции тепличных хозяйств и обеспечить конкурентоспособность по сравнению с закупаемой за рубежом, повысить уровень рентабельности производства и окупаемость затрат на их возведение [6].
Заключение
Предлагается техническое решение фермерского хозяйства в условиях современного мегаполиса применительно к условиям России. Несомненно, этот способ имеет много преимуществ, среди которых снижение транспортных расходов, и реальные условия своевременного обеспечения городского населения свежей с/х продукцией, а не искусственно поддерживаемая, свежесть овощей. Важнейшим техническим решением является возведение высотной фермы в рамках решения проблем экономии ресурсов в масштабах мегаполисов, страны и мире в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Plantagon - первая в мире ферма-небоскреб строится в Швеции [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://moskvadeluxe.livejournal.com/146
Вертикальные фермы - будущее городских теплиц [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://travelask.ru/blog/posts/16962-vertikalnye-fermy-buduschee-gorodskih-teplits
Высотные теплицы-башни [Электронный ресурс]. - Режим доступа
https://academcity.org/content/vysotnye-teplicy-bashni
Крыло стрекозы [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.terracorp.ru/news/kryilo-strekozyi
П.В. Шишкин, В.О. Олейников. Полностью закрытая теплица с технологией поддержания параметров микроклимата на основе управления разделенными воздушными потоками (технология CODAControl Of Devided Airflows). – Теплицы России. – 2016, №2. – С.15-20
О возможности ежеквартального планирования производства сельскохозяйственной продукции в Российской Федерации при выращивании её в тепличных хозяйствах, совмещённых с дешёвым альтернативным источником электроэнергии и тепла. [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnosti-ezhekvartalnogo-planirovaniya-proizvodstva-selskohozyaystvennoy-produktsii-v-rossiyskoy-federatsii-pri-vyraschivanii
Kostitsyn Ya.V.
Master student
Permskiy GATU
(Perm, Russia)
Zekin V.N.
Candidate of Technical Sciences, Professor
of the Department of Building Technologies
Permskiy GATU
(Perm, Russia)
MULTI-STOREY GREENHOUSES
Abstract: the problem of food security is acute for humanity. According to long-term forecasts of the development of world agriculture, in the next 10 years the trend of growth in food consumption will continue. Given the growing number of inhabitants of the planet and changing climatic conditions, scientists are looking for new ways to produce agricultural products. The article presents an alternative to traditional agriculture, a multi-storey greenhouse - a new type of industry. In fact, it is a large greenhouse equipped according to the principle of multi-tiered space development. This invention will help farmers to reach a higher level of production.
Keywords: multi-storey greenhouse, hydroponics, food security, vertical farm, eco-farm, biomimetics, microclimate, plasma gasification and melting technologies, energy saving.
Номер журнала Вестник науки №11 (44) том 2
Ссылка для цитирования:
Костицын Я.В., Зекин В.Н. МНОГОЭТАЖНЫЕ ТЕПЛИЦЫ // Вестник науки №11 (44) том 2. С. 95 - 105. 2021 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/4920 (дата обращения: 27.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2021. 16+