RU2739604C1

RU2739604C1 - Climatic chamber for growing plants

Info

Publication number: RU2739604C1
Application number: RU2020126041A
Authority: RU
Inventors: Алексей Семёнович Дорохов; Нарек Овикович Чилингарян; Александр Петрович Гришин; Андрей Александрович Гришин; Артём Александрович Дорохов; Александр Анатольевич Смирнов
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2020-12-28

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: invention relates to equipment for agriculture and biological research, in particular to climatic chambers for growing plants. Chamber includes radiation sources, microclimate systems, plants watering, irradiation mode control, parameters determination and plants gas medium composition control, air ducts and air conditioning device. Chamber 1 is two-sectional. Air ducts of microclimate system are located behind rear wall 11 inside climatic chamber for plants growing. In sections of chambers, parameters of temperature, humidity and gas composition of air are equal, and irrigation modes of plants and irradiation parameters in sections are individual. Radiation sources of 30 plants are located in ceiling part of each section of climatic chamber and are heat-insulated from internal medium. Plants watering system is equipped with separate tanks 24 with nutrient solution for each section of the chamber and nutrient solution aerator 25.

EFFECT: such chamber design will make it possible to reduce energy costs associated with air conditioning, to increase productivity of plants due to application of aeration and separate watering of plants in each section.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оборудованию для сельского хозяйства и биологических исследований, в частности к климатическим камерам для выращивания растений.The invention relates to equipment for agriculture and biological research, in particular to climatic chambers for growing plants.

Известна вегетационная установка, (патент RU 187369, Вегетационная установка, МПК A01G 9/24, 2018) включающая полый прямоугольный корпус с дверцами, который разделен на два отсека, источники света, вентиляторы, система управления приточным воздухом, датчики температуры, датчики влажности воздуха, систему капельного полива и подачи углекислого газа (CO₂).A known vegetation plant (patent RU 187369, Vegetation plant, IPC A01G 9/24, 2018) includes a hollow rectangular body with doors, which is divided into two compartments, light sources, fans, a supply air control system, temperature sensors, air humidity sensors, drip irrigation system and supply of carbon dioxide (CO ₂ ).

Недостатком известного устройства является узкий диапазон регулируемых микроклиматических условий, реализуемых при произрастании растений, который зависит от качественного состава приточного воздуха, его температуры и влажности, что ограничивает использование камеры для исследовательских целей.The disadvantage of the known device is a narrow range of controlled microclimatic conditions realized during plant growth, which depends on the qualitative composition of the supply air, its temperature and humidity, which limits the use of the chamber for research purposes.

Известна вегетационная установка, (патент RU 196200, Климатическая камера для выращивания растений, МПК A01G 9/24, 2019) включающая рабочую камеру с расположенными в нижней и верхней частях вентиляционными отверстиями, размещенные в рабочей камере температурный датчик, выполненные с вентиляционными пазами и окнами стеллажи для помещения контейнеров с растениями, установленную над контейнерами подсветку, включающую панели со светодиодами, и систему управления подсветкой, светодиоды размещены группами из светодиодов с различными спектральными диапазонами, воздухоохлаждающую установку с блоком выключения, панели изготовлены из теплопроводного материала и выполнены с сообщенными с воздухоохлаждающей установкой вентиляционными каналами и отверстиями, температурный датчик размещен в месте расположения контейнеров с растениями и соединен с системой управления воздухоохлаждающей установкой, при этом дополнительно содержит устройство для создания регулируемой газовой среды, включающее камеру сгорания, в нижней части которой расположен зольник и приемное окно, в верхней части камеры сгорания установлен эжектор, соединенный с воздухоохлаждающей установкой трубопроводом, под эжектором находится термозащитная планка, коаксиально эжектору закреплена выходная труба, переходящая в спиральный дымоход, выводную трубу, входящую в нижнюю часть рабочей камеры; сверху рабочей камеры расположен аппарат сорбционной очистки отработанной газовой среды, подключенный спаренным трубопроводом к вентиляционным отверстиям рабочей камеры.A known vegetation plant (patent RU 196200, Climate chamber for growing plants, IPC A01G 9/24, 2019) includes a working chamber with ventilation openings located in the lower and upper parts, a temperature sensor located in the working chamber, made with ventilation slots and windows, racks for placing containers with plants, a backlight installed above the containers, including panels with LEDs and a backlight control system, LEDs are placed in groups of LEDs with different spectral ranges, an air-cooling unit with a switch-off unit, panels are made of heat-conducting material and are made with ventilation systems connected to the air-cooling unit channels and openings, the temperature sensor is located at the location of containers with plants and is connected to the control system of the air cooling unit, while additionally contains a device for creating a controlled gas environment, including a chamber s fire, in the lower part of which there is an ash pan and a receiving window, an ejector is installed in the upper part of the combustion chamber, connected to the air cooling unit by a pipeline, under the ejector there is a thermal protection bar, an outlet pipe is fixed coaxially to the ejector, passing into a spiral chimney, an exhaust pipe entering the lower part working chamber; on top of the working chamber there is an apparatus for sorption purification of the exhaust gas medium connected by a coupled pipeline to the ventilation openings of the working chamber.

Недостатком известной климатической камеры является низкая энергоэффективность, так как облучатели оказывают непосредственное влияние на микроклимат внутри камеры, а именно приводят к выделению избыточной тепловой энергии, которая требует частого включения воздухоохлаждающей установки для поддержания заданных температурных значений. The disadvantage of the known climatic chamber is low energy efficiency, since the irradiators have a direct effect on the microclimate inside the chamber, namely, lead to the release of excess thermal energy, which requires frequent switching on of the air cooling unit to maintain the set temperature values.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, является выбранная в качестве прототипа многосекционная вегетационная установка, которая содержит камеру для выращивания растений, источники излучения, систему микроклимата, систему полива растений, устройство управления режимом облучения, систему определение параметров и регулирование состава газовой среды растений, воздуховоды, систему кондиционирования воздуха. Воздуховоды системы микроклимата и трубопроводы системы полива растений проходят через все секции камеры, при этом в каждой камере параметры температуры, влажности, газового состава воздуха и режим полива растений в них поддерживаются на одном уровне, а параметры облучения могут варьироваться в отдельных секциях (патент RU 132309 U1, Вегетационная установка, МПК A01G 9/24, 2013).The closest in technical essence to the claimed invention is a multi-section vegetation plant selected as a prototype, which contains a chamber for growing plants, radiation sources, a microclimate system, a plant watering system, a device for controlling the irradiation regime, a system for determining parameters and regulating the composition of the gas environment of plants. air ducts, air conditioning system. The air ducts of the microclimate system and the pipelines of the plant watering system pass through all sections of the chamber, while in each chamber the parameters of temperature, humidity, gas composition of the air and the mode of watering plants in them are maintained at the same level, and the irradiation parameters can vary in individual sections (patent RU 132309 U1, Vegetation plant, IPC A01G 9/24, 2013).

Недостатком устройства является отсутствие растворного узла в системе полива растений для проведения сравнительных параллельных экспериментов с варьированием кислотно-щелочного баланса питательного раствора и его концентрации при поддержании других параметров микроклимата и режима освещения на одном уровне.The disadvantage of the device is the absence of a solution unit in the watering system of plants for conducting comparative parallel experiments with varying the acid-base balance of the nutrient solution and its concentration while maintaining other parameters of the microclimate and the lighting regime at the same level.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение продуктивности растений и энергоэффективности работы климатической камеры.The technical problem of the present invention is to increase the productivity of plants and the energy efficiency of the climatic chamber.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в климатической камера для выращивания растений, включающей источники излучения, системы микроклимата, полива растений, управления режимом облучения, определения параметров и регулирования состава газовой среды растений, воздуховоды и устройство кондиционирования воздуха, согласно изобретения, камера выполнена двухсекционной, воздуховоды системы микроклимата расположены за задней стенкой внутри климатической камеры для выращивания растений, при этом в секциях камер параметры температуры, влажности, газового состава воздуха одинаковы, а режимы полива растений и параметры облучения в секциях индивидуальны, источники облучения растений расположены в потолочной части каждой секции климатической камеры и теплоизолированы от внутренней среды, система полива растений оснащена раздельными емкостями с питательным раствором для каждой секции камеры и аэратором питательного раствора.The technical problem posed is achieved by the fact that in the climatic chamber for growing plants, including radiation sources, microclimate systems, watering plants, controlling the irradiation regime, determining the parameters and regulating the composition of the gas environment of plants, air ducts and an air conditioning device, according to the invention, the chamber is made two-section, air ducts of the microclimate system are located behind the rear wall inside the climatic chamber for growing plants, while in the sections of the chambers the parameters of temperature, humidity, gas composition of the air are the same, and the modes of irrigation of plants and the parameters of irradiation in the sections are individual, the sources of irradiation of plants are located in the ceiling of each section of the climatic the chambers are thermally insulated from the internal environment, the plant watering system is equipped with separate containers with a nutrient solution for each section of the chamber and a nutrient solution aerator.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема климатической камеры для выращивания растений; на фиг. 2 - то же, разрез А-А.FIG. 1 is a schematic diagram of a climatic chamber for growing plants; in fig. 2 - the same, section A-A.

При проведении экспериментальных исследований по определению влияния климатических факторов на рост и развитие растений, является необходимым обеспечение различия режимов микроклимата, прежде всего температуры, влажности, содержания углекислоты в воздухе, а также режима освещения и полива растений.When conducting experimental studies to determine the influence of climatic factors on the growth and development of plants, it is necessary to ensure the differences in microclimate regimes, primarily temperature, humidity, carbon dioxide content in the air, as well as the lighting and watering regimes of plants.

Климатическая камера представляет собой теплоизолированный шкаф 1 параллелепипедной формы с вертикальной компоновкой и стеклянной теплоизолированной дверью 2. На внутренней стороне боковых стенок 3, 4 камеры жестко закреплены горизонтальные направляющие 5, 6, 7, 8 по две с левой и правой сторон, на которых размещены лотки 9, 10 с субстратом, в которые посажены растения. The climatic chamber is a thermally insulated cabinet 1 of a parallelepiped shape with a vertical layout and a thermally insulated glass door 2. On the inner side of the side walls 3, 4 of the chamber, horizontal guides 5, 6, 7, 8 are rigidly fixed, two on the left and right sides, on which trays are placed 9, 10 with the substrate in which the plants are planted.

Система микроклимата состоит из установленных по всей поверхности внутренней задней стенки 11 вентиляционных каналов 12 с подающими 13 и отводящими 14 вентиляторами, содержит холодильный агрегат 15, датчики 16 параметров микроклимата, подключенные к системе управления 17 с панелью индикации 18, электромагнитный клапан 19 с баллоном углекислоты 20.The microclimate system consists of 11 ventilation ducts 12 installed over the entire surface of the inner rear wall with 13 supply and 14 exhaust fans, contains a refrigeration unit 15, microclimate parameters sensors 16 connected to the control system 17 with a display panel 18, a solenoid valve 19 with a carbon dioxide cylinder 20 ...

Система полива включает электромагнитный клапан 21 для подачи воды в растворный узел 22 (реализованный известными техническими решениями), трубопровод растворного узла 23, раздельные емкости 24 с питательным раствором или водой отдельно для каждой секции, аэратор 25, подающие трубопроводы лотков 26, отходящие трубопроводы лотков 27, насосы 28 и датчики уровня 29 питательного раствора, подключенные к системе управления 17.The irrigation system includes a solenoid valve 21 for supplying water to the solution unit 22 (implemented by known technical solutions), a pipeline for the solution unit 23, separate containers 24 with nutrient solution or water separately for each section, an aerator 25, supply pipelines for the trays 26, outgoing pipelines for the trays 27 , pumps 28 and level sensors 29 of the nutrient solution connected to the control system 17.

Система облучения растений включает независимые теплоизолированные от внутренней среды светодиодные источники излучения 30 расположенные в верхней части каждой секции камеры для выращивания растений, подключенные к управляемым источникам питания с возможностью раздельного управления режимами облучения 31 в каждой секции посредством системы управления 17.The plant irradiation system includes independent, thermally insulated from the internal environment, LED radiation sources 30 located in the upper part of each section of the plant growing chamber, connected to controlled power supplies with the possibility of separate control of the irradiation modes 31 in each section by means of the control system 17.

Источники облучения растений расположены в потолочной части каждой секции климатической камеры и теплоизолированы от внутренней среды, для повышения энергоэффективности установки.Sources of irradiation of plants are located in the ceiling of each section of the climatic chamber and are thermally insulated from the internal environment to increase the energy efficiency of the installation.

Система полива растений выполнена из раздельных емкостей с возможностью приготовления питательного раствора индивидуально для каждой секции камеры (по составу питательного раствора и его кислотно-щелочному балансу).The plant watering system is made of separate containers with the possibility of preparing a nutrient solution individually for each section of the chamber (according to the composition of the nutrient solution and its acid-base balance).

Система полива оснащена аэратором питательного раствора, для удовлетворения физиологического процесса растений, связанного с дыханием и поглощением корнями воды с питательными веществами.The irrigation system is equipped with a nutrient solution aerator to satisfy the physiological process of plants associated with respiration and absorption of nutrient water by the roots.

Климатическая камера для выращивания растений работает следующим образом.The climatic chamber for growing plants works as follows.

Растения 32 высаживают в лотки 9 и 10. Отводящими вентиляторами 14 воздух засасывает из внутреннего объема климатической камеры в вентиляционные каналы 12, где при контакте с испарителем 33 холодильного агрегата 16 воздух охлаждается за счет передачи тепла кипящему в испарителе хладагенту. На выходе из испарителя 33 по вентиляционным каналам 12 охлажденный воздух подающими вентиляторами 13 нагнетается во внутренний объем климатической камеры для поддержания в нем требуемого температурного режима.Plants 32 are planted in trays 9 and 10. Exhaust fans 14 suck air from the internal volume of the climatic chamber into ventilation ducts 12, where, in contact with the evaporator 33 of the refrigeration unit 16, the air is cooled by transferring heat to the refrigerant boiling in the evaporator. At the outlet of the evaporator 33 through the ventilation ducts 12, cooled air is pumped into the inner volume of the climatic chamber by the supply fans 13 to maintain the required temperature regime in it.

В потоке отводящего воздуха датчики 16 параметров микроклимата (реализованный известными техническими решениями, например, как совокупность датчиков отдельных параметров микроклимата) измеряют температуру, влажность воздуха, содержание в нем углекислоты и передают полученную информацию в систему управления 17 (реализованную известными техническими решениями, на базе микропроцессорной техники). При необходимости система управления 17 подает сигнал на электромагнитный клапан 19, регулирующий подачу углекислоты в поток подаваемого к растениям воздуха. Если температура и влажность воздуха внутри камеры удовлетворяют требованиям эксперимента, то циркуляция воздуха через вентиляционные каналы 12 камеры для выращивания растений происходит без его кондиционирования. Таким образом, при вентиляции секций поддерживаются одинаковые температура, влажность воздуха и содержание в нем углекислоты.In the flow of exhaust air, sensors 16 microclimate parameters (implemented by known technical solutions, for example, as a set of sensors for individual microclimate parameters) measure temperature, humidity, carbon dioxide content in it and transmit the information received to the control system 17 (implemented by known technical solutions, based on microprocessor technique). If necessary, the control system 17 sends a signal to the solenoid valve 19, which regulates the supply of carbon dioxide to the flow of air supplied to the plants. If the temperature and humidity of the air inside the chamber meet the requirements of the experiment, then air circulation through the ventilation ducts 12 of the chamber for growing plants occurs without air conditioning. Thus, during ventilation of the sections, the same temperature, air humidity and carbon dioxide content are maintained.

Полив растений осуществляется питательным раствором или водой, предварительно подготовленными в растворном узле 22 в емкостях 24, через подающий трубопровод 26 в лотки с растениями 9 и 10. Режим полива регулируется системой управления 17, изменяющей подачу насоса 28. Излишки питательного раствора или воды через отходящий трубопровод 27 из лотков 9 и 10 возвращаются в емкости 24. Размеры емкостей 24 и их расположение выбраны таким образом, чтобы обеспечить одинаковый режим полива в каждой секции.Watering of plants is carried out with nutrient solution or water, previously prepared in the solution unit 22 in containers 24, through the supply pipeline 26 into trays with plants 9 and 10. The irrigation mode is regulated by the control system 17, which changes the supply of the pump 28. Excess nutrient solution or water through the outgoing pipeline 27 from trays 9 and 10 are returned to containers 24. The sizes of containers 24 and their location are chosen so as to ensure the same irrigation regime in each section.

Различие параметров облучения в каждой секции камеры для выращивания растений достигается тем, что система облучения в каждой секции имеет независимое управление. Возможно использование в качестве источников излучения 30 различные типы источников. Источники питания 31 каждой секции камеры для выращивания растений (реализованное известными техническими решениями), через систему управления 17 обеспечивают изменение интенсивности потока излучения, его пространственного распределения и спектрального состава в соответствии с целями экспериментальных исследований.The difference in the irradiation parameters in each section of the plant growing chamber is achieved by the fact that the irradiation system in each section has independent control. It is possible to use 30 different types of sources as radiation sources. Power supplies 31 of each section of the chamber for growing plants (implemented by known technical solutions), through the control system 17, provide a change in the intensity of the radiation flux, its spatial distribution and spectral composition in accordance with the objectives of experimental research.

По сравнению с прототипом, микроклиматическая система камеры выполнена таким образом, что параметры температуры, влажности, газового состава воздуха в них поддерживаются на одном уровне, в то время как режим и параметры полива растений с облучением растений могут варьироваться в отдельных секциях (например, спектральный состав, продолжительность и интенсивность облучения, состав питательного раствора и его кислотно-щелочной баланс).Compared to the prototype, the microclimatic system of the chamber is designed in such a way that the parameters of temperature, humidity, gas composition of the air in them are maintained at the same level, while the mode and parameters of watering plants with irradiation of plants can vary in individual sections (for example, the spectral composition , duration and intensity of irradiation, composition of the nutrient solution and its acid-base balance).

Использование климатической камеры позволит снизить энергозатраты связанные с кондиционированием воздуха, повысить продуктивность растений за счет применения аэрации и раздельного полива растений в каждой секции.The use of a climatic chamber will reduce energy costs associated with air conditioning, increase plant productivity through the use of aeration and separate watering of plants in each section.

Claims

A climatic chamber for growing plants, including radiation sources, microclimate systems, watering plants, controlling the irradiation regime, determining the parameters and regulating the composition of the gas environment of plants, air ducts and an air conditioning device, characterized in that the chamber is made of two-section, the air ducts of the microclimate system are located behind the rear wall inside the climatic chamber for growing plants, while in the sections of the chambers the parameters of temperature, humidity, gas composition of the air are the same, and the modes of irrigation of plants and the parameters of irradiation in the sections are individual, the sources of irradiation of plants are located in the ceiling of each section of the climatic chamber and are thermally insulated from the internal environment, the plant watering system is equipped with separate containers with nutrient solution for each section of the chamber and a nutrient solution aerator.