Коллектив авторов. Энергоактивная умная теплица

ДОКЛАДЫ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ УЧАСТНИКАМИ КОНФЕРЕНЦИИ:

Авторы: АЮПОВА А. Ф., МЕДВЕДЕВА В. П., БЕЛЯЕВА М. Д., ВИЛКОВА Е. С., ВОЛКОВА Е. А., ДОЛМАТОВА А. Н., КУЛАГИН В. А., студенты ГБПОУ «Свердловский областной медицинский колледж», г. Екатеринбург, Россия

Руководители: НИКИТИНА Галина Алексеевна, АГЕЕВА Юлия Александровна, УСТЬЯНЦЕВА Светлана Павловна, преподаватели, ГБПОУ «Свердловский областной медицинский колледж», г. Екатеринбург, Россия

ЭНЕРГОАКТИВНАЯ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ УМНАЯ ТЕПЛИЦА

Ограниченность запасов традиционных энергоносителей, огромные потери энергии при ее производстве, транспортировании и использовании, неэкономичность энергопотребления привели к идее энергосбережения. Одним из направлений энергосбережения является создание энергосберегающих сооружений, т.е. обеспечивающих снижение энергопотребления за счет усовершенствования систем их инженерного обеспечения, конструктивных элементов, определяющих характер и интенсивность энергообмена с внешней средой. Другим направлением энергосбережения является создание энергоактивных сооружений, ориентированных на эффективное использование энергетического потенциала внешней среды в целях частичного или полного энергообеспечения.

Одно из перспективных направлений энергосбережения – внедрение в народное хозяйство автоматизированных систем управления - или «умных», интеллектуальных систем. Автоматизированная система управления (АСУ) — человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности. АСУ в теплице – система, позволяющая создать наиболее благоприятные условия для выращивания растений - по температуре, освещенности  и влажности воздуха.

Поэтому цель работы - изучить возможности создания энергоактивных, энергосберегающих, «умных» сооружений для создания теплицы будущего.
Для достижения цели мы решали в процессе исследования следующие задачи:

1. Изучение возможности использования возобновимых источников энергии и технологий создания энергоактивных сооружений.
2. Рассмотрение возможности энергосберегающих технологий.
3. Анализ особенности создания и работы «умных» систем жизнеобеспечения зданий и хозяйственных сооружений.
4. Изучение особенности выращивания на Урале наиболее популярных (огурцы, томаты) овощей, требующих особых условий.
5. Разработка схемы управления системами жизнеобеспечения растений в «умной» теплице с учетом этих условий.
6. Создание лего-модели такой теплицы и программы управления ею.
7. Оценка эффективности применения такой теплицы на приусадебном хозяйстве.

В ходе работы мы рассмотрели возможности использования нетрадиционных видов энергии – солнечной, ветровой, рассмотрели различные варианты электростанций на данных источниках и спроектировали  комбинированную мини-электростанцию на энергии солнца и ветра для обеспечения электроэнергией теплицы.
Западная часть Свердловской области лежит преимущественно на восточных склонах Уральских гор. Поэтому климат Свердловской области умеренный континентальный, для него характерны значительные колебания температур, холодная зима с непродолжительным летом и короткими весенним и осенним сезонами (12-16 градусов). Количество осадков в теплое время года – от 254 до 455мм. Можно сделать вывод, что для получения наибольшей отдачи от выращивания таких тропических культур, как огурцы и помидоры, требуется создание специальных искусственных, тепличных условий. Поток солнечной радиации составляет 81-99 ккал/кв.см в год. Регулярность сильного ветра составляет 2,4-14% дней в году. Следовательно, получение альтернативной энергии целесообразно в Свердловской области при невысокой себестоимости электростанций. Можно выделить следующие статьи расхода при обслуживании теплиц, требующих энергосбережения: отопление, вентиляция, освещение, полив (1).

Мы решили в целях энергосбережения автоматизировать эти процессы в теплице, используя АСУ, которая будет включать: первичные датчики внешних воздействий и состояний (рецепторы); микропроцессор или ЭВМ с заложенной в памяти экспертной системой, сопоставляющей получаемые от первичных датчиков данные с параметрами в экспертной системе и делающей вывод о состоянии объекта и о необходимых последующих действиях; исполнительные механизмы (эффекторы), получающие команды от ЭВМ и меняющие отдельные параметры объекта (2).

Также мы рассмотрели особенности выращивания томатов и огурцов и разработали для них систему условий для наиболее эффективного выращивания. Эти условия мы реализовали в программах управления лего-моделью нашей «умной» теплицей. Студенты из деталей Лего собрали модель «умной» теплицы, написали программы на языке Лого в среде ControlLab. Процесс работы и описание работы теплицы был заснят на цифровую фотокамеру и сделан монтаж видеоролика с помощью программы Windows Movie Maker.

Оценка эффективности применения энергоактивной, энергосберегающей «умной» теплицы представлена нами в таблице.
Примерная стоимость "умной" теплицы
Наименование товара Характеристика товара Цена Кол-во Стоимость
Электростанция
Система освещения
Галогеновая лампа MHT-T 400W  E40 398 2 796
Датчик освещенности Instabus EIB   HELLIGKEITS-SENSOR MODUL 11376 3 34128
ИК прибор управления освещенностью с подключением датчиков STAND JALOUSIEST.M.F;HLER CRW 716 1 716
Система вентиляции
Форточка автоматическая с механизмом STERT JALOKOLEST.ASDERIR SDW 650 4 2600
Вентилятор форточный MUT-T E40 R 40 600 4 2400
Система отопления
Нагреватели электрические CVB-Y HF NPK 2500 2 5000
Нагревательная панель водного отопления EIB GERE-SERVER 1700 1 1700
Расходные материалы
Солнечная батарея H;USE.TECHNIK 300000 1 300000
Генератор солнечной батареи MHT-T 4000 60000 1 60000
Ветряк CVB-Y HF NPKIJH 47000 1 47000
Генератор ветряка MHT-T 1520 63000 1 63000
Труба Сталь R=0.9м 250 10м 2500
Доска Сосна 5м 190 208 39520
труба металическая  R=0.1м 190 20м 3800
уголок металлический 120 52м 6240
арматура металлическая 140 60м 8400
Система управления
Кабельный канал 15*15 мм, 2 м STAND KABELKANAL 15*15    CRW 50 5 250
Соединительная часть WGSYS VERBINDUNGSST;CK 70 5 350
Корпус с крышкой для  подключения приборов к вычислительной техники WGSYS GEH;USE DATENAN.TECHNIK 500 1 500
Встроенный блок управления STEUEREINHEIT 1-10V EB 10200 1 10200
Радио пульт управления мини FUSYS HANDSENDER MINI 5400 1 5400
Прибор радиоуправления для выключателей и светорегуляторов STAND F-AUFS.SCHALT/DIMM. REWE 7200 1 7200
Домашний сервер EIB   HOME-SERVER KOMPLETT 175000 1 175000
Программа управления системой через  компьютер 12000 1 12000
Разное
Датчик температуры HELLIGKEITS-SENSOR MODUL 2000 8 16000
Датчик влажености GSYS VERBIN 5000 4 20000
Итого: 236720 824700
Стоимость работ
Монтаж оборудования «Умная теплица» 45000

«Умная теплица» имеет три основных системы для эффективного выращивания огурцов и помидоров. Для каждой системы написаны программы управления. Мы рассчитали примерную стоимость такой теплицы и, в соответствии с этими расчетами, экономия электроэнергии при использовании комбинированной мини-электростанции составит приблизительно 70%, а применение технологии автоматического управления позволит сэкономить до 30% электроэнергии.

Результаты данной работы могут пригодиться для садоводов-огородников, желающих эффективнее и экономнее расходовать разные виды ресурсов на своем участке. Также этот материал может пригодиться в качестве дополнительного материала на занятиях по биологии. Изучение описанной нами системы автоматического управления теплицей и самих процессов управления может быть полезно на уроках информатики при изучении информационных систем с обратной связью. В ходе работы нам удалось доказать, что создание такой энергоактивной, энергосберегающей «умной» теплицы, хотя и обойдется хозяину дорого, но в дальнейшем позволит сэкономить расходы на оплату электроэнергии, воды, позволит выращивать максимально возможные урожаи.

ЛИТЕРАТУРА:
1. Капустин В. Г, Корнев И. Н. Свердловская область. Природа, население, хозяйство, экология. Екатеринбург: УрГУ. 2013
2. Тетиор А. Н. Экологическая инфраструктура. М.: МГУП, 2012

(Опубликовано в сборнике научных трудов
по материалам
Всероссийской научно-практической конференции
28 апреля - 16 мая 2016 г.
г. Екатеринбург

Издательская группа «Знание»
Главный редактор: С. Ю. Радченко)