Вопросы микроклимата. Часть 2


Олег Захаренко, г.Донецк, ООО «Укрмицелий»

Александр Чунихин, кандидат с.-х. наук, технолог-аналитк, г. Мариуполь

Для прочтения первой части материала перейдите сюда.

            В первой части статьи мы постарались кратко изложить физиологические механизмы в результате которых происходит выделение углекислого газа в процессе роста грибов, а также рассмотрели физические и химические процессы, которые приводят к неравномерному распределению концентраций СО2  в объёме помещения, где растут грибы. И так, действующие в нашем мире законы физики и химии приводят к тому, что концентрации СО в объёме помещений для выращивания грибов распределяются не равномерно. Наивысшие концентрации СОнаблюдаются в объёме, который непосредственно прилегает к области сростков примордий или плодовых тел. По мере удаления от этой области содержание углекислоты в воздухе снижается. Т.е., на разных расстояниях от поверхности плодовых тел содержание  СО2 в воздухе помещения разное. Такая разница в концентрациях в зависимости от расстояния называется градиентом концентрации. Именно эти градиенты являются главной причиной того, что при не правильной организации воздухообмена для поддержания необходимых параметров микроклимата приходится прокачивать через помещение неоправданно большие объёмы свежего воздуха. В переходные периоды такую «роскошь» в общем то можно себе позволить. Перерасход электроэнергии за счёт более продолжительной работы двигателей вентилятора в общем балансе энергопотребления не так велик. Однако, всё равно это неизбежно приводит к увеличению себестоимости продукции. Пусть на 5-7 %, но это, согласитесь, тоже деньги и выбрасывать их на ветер в прямом смысле этого слова как то не правильно. Давайте посчитаем. Допустим, у Вас имеется не большое производство вешенки. Где то в пределах 20 тонн в год. Минимальная оптовая цена вешенки составляет около $ 2 за 1 кг. Допустим, Ваша рентабельность составляет 30%. Т.е., годовой объём выручки в этом случае будет около $ 40000, в том числе прибыль $ 12000, себестоимость (текущие затраты) $ 28000 . Что такое 5 % от 28000 долларов ? Это $ 1400 . Эта сума могла бы «сидеть» в Вашей прибыли. Тогда годовой объём Ваших затрат составил бы $ 26600, объём прибыли -   $ 13400, а рентабельность около 50 %. За $ 1400 можно легко приобрести очень даже не плохой вентилятор, воздуховоды, заслонки и т.п. с тем, чтобы обеспечить грамотную организацию системы воздухообмена и в дальнейшем ежегодно получать прибавку к Вашей прибыли в сумме $ 1400. Средний срок службы хорошего вентилятора составляет  лет пять. А это уже $ 7000. Ровно такую сумму  Вы потеряете за 5 лет, если будете продолжать эксплуатировать систему воздухообмена, которая для обеспечения необходимых параметров микроклимата требует неоправданно больших объёмов подачи свежего воздуха. Согласитесь, разумнее было бы потратить эту сумму на что то более полезное. Но это только «цветочки». Мы рассмотрели лишь потери за счёт увеличения расхода электроэнергии из-за необходимости использовать более мощные вентиляторы или увеличивать время работы вентиляторов. В переходные сезоны, пожалуй, только это. «Ягодки» начинаются в холодные или жаркие периоды. Все прекрасно понимают, что при закачке каждого лишнего м3 свежего воздуха при наружных температурах – 15оС или +30оС требуются дополнительные килокалории энергии для соответствующего обогрева или охлаждения этих лишних кубов. А это уже не 5 %. В зимний и летний периоды затраты на энергоносители возрастают на 50-60 %. В общем балансе затрат это составляет не менее 15-20 %. Т.е. Ваша рентабельность упадёт с 30% до 12-15 %. Здесь уже стоимостью одного вентилятора и системы воздуховодов не обойдёшься. Как минимум высоко технологичная линия подготовки субстрата. Для Ваших объёмов, разумеется. По этой причине большинство грибоводов , работающих на кустарно организованных производствах, в эти периоды чаще всего останавливаются и ждут «погоды». Т.е., о 20 тоннах в год речи уже быть не может. Объёмы прибыли в годовом исчислении резко падают. Ни о каком развитии или реинвестировании речи не идёт. Хватило бы на жизнь да на начало оборота в следующем переходном периоде. Зато многие из них жутко гордятся тем, что они ТАК сэкономили на капитальных затратах при организации производства, отказавшись от  организации «учёных» схем воздухообмена. В данном случае мы рассмотрели достаточно малое производство. На малых объёмах последствия не правильно организованного воздухообмена не столь фатальны. Жить можно, хотя и трудно. На больших объёмах эти последствия таковы, что все благие намерения по организации производства заканчиваются банкротством, а вложенные в организацию производства деньги сгорают.  Следует заметить, что в первой и второй части нашей статьи мы рассмотрели в основном вопросы, которые касаются корректировки содержания    СО2  . В последующих публикациях мы рассмотрим вопросы обеспечения температурного и влажностного режимов. Забегая вперёд, скажем, что в помещениях для выращивания грибов кроме градиентов концентраций углекислого газа существуют так же градиенты температуры и влажности, которые при нарушении технологических требований к организации систем воздухообмена не менее «зловредны» чем концентрация  СО2 и «пожирают» лишние килокалории или качество и количество продукции не менее успешно. Поэтому, те расчёты, которые мы привели выше, это наиболее оптимистичный вариант. На самом деле, всё гораздо грустнее. Итак, мы вплотную подошли к главному вопросу: «Как сэкономить на  вентиляции помещений для выращивания грибов и одновременно повысить эффективность производства ?» На первый взгляд ответ на этот вопрос  весьма парадоксален. Ни в коем случае нельзя экономить на правильной организации системы вентиляции, которая бы соответствовала всем требованиям технологического регламента….  Однако парадоксальность тут же испаряется, если мы вернёмся к приведенным выше расчетам и логично продолжим ответ: «….в этом случае все дополнительные капитальные затраты на профессиональную организацию системы воздухообмена окупятся менее чем за год и будут приносить дополнительную прибыль в гораздо больших объёмах».

shema 1На рисунках 1-3 приведен пример схемы организации системы воздухообмена, которая гарантирует наиболее экономичный  режим работы и , в тоже время  обеспечивает поддержание тех параметров микроклимата, которые максимально соответствуют биологическим потребностям грибов. За счёт чего это достигается ?

  1. Обязательным элементом системы воздухообмена для любого помещения, в котором выращиваются грибы, является система притока — рециркуляции. При этом, должна быть предусмотрена возможность ручного или автоматического регулирования соотношений свежего и рециркулируемого воздуха от «0 % свежего – 100 % рециркуляции» до «100 % свежего – 0 % рециркуляции». shema 2
  2. Вторым обязательным элементом должна быть     активная вытяжная вентиляция. В случае автоматического управления должна быть обеспечена её работа не зависимо от первой системы. В дальнейших публикациях мы очень подробно рассмотрим некоторые варианты алгоритмов для контроллеров, которые обеспечивают максимально эффективную работу систем воздухообмена. А пока двигаемся дальше.
  3. Обязательным условием правильной организации систем воздухообмена в помещениях для выращивания грибов является следующее. Конфигурация, взаимное расположение воздуховодов, их сечение, длина, диаметры и форма выходных отверстий и т.п. параметры должны быть строго рассчитаны и привязаны к конкретному помещению: с учётом его геометрических размеров, объёма, особенностей ограждающих конструкций (в т. ч.- их теплотехнических характеристик). При этом также должны быть учтены вид культивируемых грибов, характер плодоносящих поверхностей (горизонтальные или вертикальные), плотность загрузки, форма и размеры блоков и т.п. Профессионалы, которые занимаются проектированием грибных производств знают, какие параметры учесть и как привязать систему воздухообмена, которая обеспечит наиболее оптимальный режим работы.

 shema 3Для того, чтобы выполнить эти требования и в будущем избавить себя от «головной боли» и убытков, больших затрат не требуется : пару дополнительных воздуховодов, да один дополнительный вентилятор (если нет активной вытяжки – её необходимо организовать, система притока-рециркуляции обеспечивается одним вентилятором). Почему такая система является наиболее оптимальной. На рисунке 1  схематично изображены направления потоков свежего и рециркулируемого воздуха. В отсутствии рециркуляции для того,  чтобы «продавить» поток свежего воздуха (особенно подогретого) до самого пола необходимо использовать более мощный вентилятор и создавать большую скорость движения воздуха на выходе. . Но,  при этом всё равно «разрушение» градиентов концентраций СО2 в полной мере не обеспечивается. Потому что отсутствует ламинарное, «нежное» омывание плодоносящих поверхностей. Углекислота удаляется только за счёт диффузии в проносящийся мимо поток свежего воздуха. Без дополнительной конвекции  процесс  удаления углекислого газа из зон, которые непосредственно прилегают к поверхности плодовых тел  занимает  на 30-40 % больше времени, чем при прямом «проветривании» этих зон. Значит вентилирование будет длиться на 30-40 % дольше. При этом, следует учесть, что обдув примордиев и плодовых тел остро направленными потоками воздуха, имеющих большую скорость, не допустим.  По мере движения из сопла вниз скорость потока падает и воздух начинает «растекаться». В идеальном варианте система должна быть организована так, чтобы в точке встречи с полом скорость потока была бы не более 1 м/с. Начиная от центра потока , где скорость движения воздуха достаточно снизилась и продолжает падать по направлению вниз, «эстафету» подхватывает рециркуляция. При правильном соотношении объёмов «подача/рециркуляция» исходящий свежий воздух «подхватывается» рециркуляцией, и мягко «омывает» плодоносящие поверхности. Часть его снова попадает в приточный воздуховод. Если включается вытяжка, создаются дополнительные потоки , которые перпендикулярны направлению движения свежего воздуха и воздуха, всасываемого в систему рециркуляции.  При правильном расчёте и грамотной конфигурации системы создаётся своего рода «вихревой поршень», в котором сочетаются вихревые и ламинарные потоки, которые равномерно и мягко обтекают плодоносящие поверхности и выравнивают градиенты. В результате смешивания объёмов где концентрация СО2  низкая с теми,  где она высокая, происходит усреднение концентраций. Если концентрация СО2 в этот период падает до заданного на контроллере значения, то автоматика отключает вентиляцию. Если же происходит нарастание концентрации СО2 , автоматика увеличивает приток свежего воздуха за счёт снижения рециркуляции и параллельно увеличивает объём удаляемого воздуха и т. д.  В критических ситуациях объёмы подачи свежего и удаляемого воздуха  увеличиваются до 100 %, а рециркуляция перекрывается. На практике такое бывает исключительно редко, лишь в тех случаях, когда рассматриваемая система не правильно рассчитана и сконфигурирована. Поэтому, сам факт присутствия  в системе воздухообмена притока, вытяжки и рециркуляции ещё не является 100 % гарантией успеха. Повторимся: система должна быть грамотно просчитана и сконфигурирована. Поэтому, предостерегаем от слепого копирования схемы, которая  приведена на рисунках 1-3. Эта схема рассчитана и сконфигурирована под конкретное помещение с учётом всех параметров, которые мы перечисляли выше в третьем пункте перечня требований к системе воздухообмена. В вашем конкретном случае всё, может быть,  должно быть выполнено иначе. За счёт чего при использовании таких систем достигается снижение текущих, а в некоторых случаях, и капитальных затрат ?

 1.Объём подаваемого свежего воздуха не исчисляется в метрах кубических на одну тонну субстрата в час согласно инструкциям, изложенным в различных источниках. Как очень уважаемых, так и не очень.  Подача свежего воздуха регулируется в реальном режиме времени и зависит от реального состояния параметров микроклимата в данный момент времени с погрешностью, которая соответствует погрешности и инерционности используемых датчиков и автоматики. В реально проверенных условиях объёмы подачи свежего воздуха, а также время работы вентиляционного оборудования на 25-50 % ( в разных случаях, в разные сезоны и т. п.) меньше от озвучиваемых в различных источниках литературы и Интернет ресурсах.

2.Благодаря снижению объёмов подачи свежего воздуха, соответственно снижаются затраты энергии на его обогрев или охлаждение, увлажнение или осушение. В сочетании с п.1 это даёт в среднем 20-25 % экономии энергоносителей (в отдельные периоды – до 50%).

3.95-98 % времени растущие грибы находятся в условиях, которые максимально соответствуют их биологическим потребностям. Следовательно,  увеличивается их выход с единицы субстрата и снижается процент брака, отходов и не товарных грибов.

4.Существенно упрощается задача размещения датчиков. Все датчики могут быть размещены по одному в «критических» или «средних» точках (по каждому параметру). Полностью отпадает необходимость размещения нескольких датчиков по одному параметру в разных точках помещения. В связи с этим отпадает необходимость в интегрировании и дополнительной обработке сигналов процессором. Следовательно, для автоматизации управления можно использовать гораздо более простые, доступные и дешёвые (не в ущерб надёжности, разумеется) контроллеры. Учитывая стоимость датчиков, контроллеров, элементов согласования, стоимости эксплуатации и обслуживания, экономия может быть не малой. Это ещё один аргумент в пользу того, что вместо того, чтобы «лепить» дорогую автоматику , лучше направить дополнительные средства на организацию системы воздухообмена.

            Ниже мы приводим некоторые обобщённые фрагменты результатов исследований, которые проводились в период 2000 – 2008 г. на различных предприятиях, выращивающих вешенку и шампиньоны с соответствующими комментариями.

           1novent На рисунке 1-1 приведены данные серии измерений концентрации СО2 через 4 часа после полного выключения вентиляции. При этом заслонки на всех воздуховодах были открыты, следовательно, пассивный воздухообмен имел место. В отсутствии активной  вентиляции чётко прослеживаются градиенты концентрации СО2 . Так же прослеживается строгая закономерность убывания концентрации по мере удаления от плодоносящих поверхностей в горизонтальной плоскости и по вертикали помещения в направлении снизу вверх. Т.е., в условиях данного конкретного помещения скорость диффузии такова, что в течении 4 часов установились градиенты, показанные на рисунке. В связи с тем, что более продолжительное прекращение воздухообмена может привести к нарушениям развития плодовых тел, более длительные отключения не использовали. И так, основной вывод, который можно сделать, исходя из полученных результатов: при отсутствии активной вентиляции простая диффузия не может обеспечить выравнивания градиента концентрации СО2 по всему объёму помещения. В результате, в областях , которые не посредственно примыкают к зонам плодоношения образуются локальные очаги с повышенной концентрацией углекислоты. Далее, после каждого такого отключения вентиляции в разных камерах включался один из режимов, которые приведены на рисунках 1-2  — 1-6.           

2ventpritokНа рисунке 1-2 показаны результаты измерений в камере, где использовался режим, который особенно популярен среди грибоводов. Активная подача свежего воздуха сочетается с пассивной вытяжкой. На рисунке видно, что полное выравнивание градиента концентрации СО2 наблюдается лишь в верхней трети объёма, занятого массой блоков. В этом же объёме наблюдается наименьшая его концентрация. В средней части концентрация более высокая, хотя ещё и не достигает критического порога. Появляется чёткий градиент в горизонтальной плоскости. В нижней части концентрация достигает критического порога, градиенты увеличиваются, особенно по центральной оси. Теперь представим себе, что датчик СО2 (или визуальный прибор)  установлен в верхней части. В этом случае автоматика или оператор отключит подачу свежего воздуха в тот момент, когда в этой зоне установится заданная величина концентрации. В результате нижние и, отчасти средние блоки окажутся в зоне риска. За то время, пока в верхней части концентрация достигнет заданного порога включения, блоки нижней части будут находиться в зоне концентрации СО2, которая существенно превышает критический порог, а блоки средней части в зоне, где концентрация СО2 критическая или немного выше. Таким образом, более 30 % блоков окажутся в условиях, которые явно не способствуют нормальному формированию и развитию плодовых тел. Если датчик или показывающий прибор разместить в средней части (большинство так и делают), то вентиляция будет продолжать работать ещё некоторое время после того, как в верхней части установится норма. При этом, нижняя часть останется в зоне риска. Получаем увеличение времени работы вентиляторов и объёмов подачи свежего воздуха. В зимний и летний периоды вдобавок получаем дополнительные затраты энергии на обогрев или охлаждение. А около 30 % блоков находятся в зоне риска и не факт, что в период ожидания концентрация СО2 в окружающем их пространстве не установится выше критической. Неизбежно часть  продукции окажется несколько худшего качества. Если же установить датчик в нижней части, то в ещё большей степени увеличим время работы вентиляторов и, соответственно, объёмов прокачки свежего воздуха. Качество продукции улучшится, а энергозатраты возрастут в ещё большей степени. Т.е., улучшение качества не приведёт к ожидаемому увеличению прибыли. Прибыль вылетит на ветер. Простое повышение мощности вентилятора, установка вентиляторов с более высоким давлением подачи в этом случае мало эффективно. Это не даёт ожидаемого эффекта, а только увеличивает расход энергии. Такие тщательные исследования в этом ключе не проводились, но статистика эпизодических измерений на ряде предприятий свидетельствует о том, что использование вентиляторов с более высоким давлением подачи и большей производительности просто смещает градиент от центра к периферии. Вопрос куда ставить датчик или где измерять снова решается наугад. А более высокая мощность двигателя вентилятора и те же лишние кубы воздуха  только за более короткий промежуток времени оставляют проблему перерасхода энергии не решённой. Двигатель мощностью 1 кВт за 2 часа работы съест столько же электроэнергии и подаст столько же свежего воздуха, сколько двигатель 2 кВт за 1 час. Таким образом, при схеме воздухообмена, которая предполагает наличие активной приточной и пассивной вытяжной вентиляции неизбежно приходится выбирать между ухудшением качества продукции или повышением её себестоимости.

На рисунке 1-3 приведены результаты использования режима, 3vent vitкоторый является самым примитивным и не эффективным. В то же время его использование практикуется среди грибоводов, хотя и менее популярно по сравнению с описанным выше. Это активная вытяжка и пассивный приток. Сразу заметим, что мы изучали этот режим в самой «продвинутой» модификации – когда пути входа свежего воздуха строго определены и даже рассчитаны. Что происходит в «экстремальном» варианте, когда воздух попадает в помещение через случайные «щели», не плотности и т. п. одному Богу известно. Ясно, что ни чего хорошего.

            Итак, при правильном расчёте вентиляции такого типа, на первый взгляд, выравнивание градиентов концентрации даже более эффективно, чем при использовании  описанного выше варианта. Зато  добиться  концентрации ниже 600 ppm в зонах, которые прилегают к плодовым телам и примордиям, ну ни как не удаётся. Даже если качать непрерывно. Если же использовать более мощную вытяжку, концентрацию можно вывести на нужный уровень. Но затраты энергии при этом ни как не уменьшатся (читайте выше).  И более эффективное выравнивание градиентов в данном случае абсолютно ни чего не даёт. Да и выравнивание градиентов в данном случае совсем не то. Мы не приводим рисунок, на котором были бы отражены градиенты вдоль оси помещения. Замеры проводили, но графически не фиксировали, поскольку данный режим для производственного использования мало пригоден и изучался чисто ради интереса. Так вот, при использовании вытяжки , когда воздух забирается не по всей длине помещения, в дальнем торце концентрация СО2 на 30-40 % выше, чем в первой трети помещения. Эту проблему в принципе можно решить, продлив заборные воздуховоды вдоль всего помещения. Но, во первых по затратам это то же самое, что организовать рукава рециркуляции. Во вторых, проблему эффективного удаления СО2 это всё же не решает. Как не крути, нужен второй вентилятор для притока. А в этом случае разумнее организовать рециркуляцию, оставив вытяжку,  как она есть. И для этого есть очень веские аргументы.

           4recirk Обратимся к рисунку 1-4.  Это режим 100 % рециркуляции абсолютно без подачи свежего воздуха. Состояние после 3 часов работы системы в автоматическом режиме. Данные снимались во время работы рециркуляции. Датчик был установлен в центральной точке. Заданная концентрация включения составляла 600 ppm.  Как видим, рециркуляция в течении 3 часов успешно справляется с поддержанием заданной концентрации в 2/3 объёма. Заметим, что в течении первых двух часов она прекрасно справлялась с этим по всему объёму. Наблюдаем повышенную концентрацию только в нижней трети после трёх часов полного отсутствия подачи свежего воздуха. И то, это произошло лишь потому, что система была рассчитана и сконфигурирована для работы в «триаде». Т.е., рассчитана на то, чтбы избыточное давление в помещении не превышало определённую величину. А за это отвечает вытяжка, которая в период проведения эксперимента была отключена и перекрыта. А теперь представьте себе, что значат лишние 2 часа без подачи свежего воздуха при наружных температурах -15оС или +30оС. Комментарии, как говорится, излишни. Мы не будем подробно рассматривать за счёт чего рециркуляция на столько эффективно способна определённое время поддерживать заданный уровень СО2 в помещении. Сравните рисунки 1-1 и 1-4 и сможете успешно ответить на этот вопрос самостоятельно. 

            5vent50-50-50Переходим к рисункам 1-5 и 1-6. Очевидно, что здесь комментировать особенно не чего. Абсолютно понятно, что «триада» обеспечивает стабильное поддержание заданных параметров концентрации СО2 в любой точке помещения и полностью исключает образование «застойных», «проточных» и прочих зон. Единственное, что следует отметить в данном случае. Средний объём подачи свежего воздуха в час в режиме, который изображён на рисунке 1-6, составил 97 м3 /тонну субстрата. Сравните эти показатели с рекомендуемыми 6vent70-70-30150-180 м3 , представьте себе, что на улице -15оС или +30. Предоставляем уважаемому читателю возможность посчитать и сравнить экономику самостоятельно. Итак, подводя итоги, можно сделать следующие выводы:

1.Принятые «классические» объёмы подачи свежего воздуха при выращивании вешенки оправданы только в случае серьёзных ошибок в проектировании, расчётах и организации систем вентиляции. Оправданы с точки зрения биологических потребностей грибов, но никак не экономически.

2.Существуют системы вентиляции помещений для выращивания грибов, которые позволяют сократить объёмы подачи свежего воздуха минимум на 30 % и, при этом , обеспечить качество поддержания параметров микроклимата , которые соответствуют биологическим потребностям грибов, на более высоком уровне чем при использовании прокачки больших объёмов свежего воздуха.

3.Системы вентиляции не должны быть абстрактными. При их проектировании необходимо учитывать все параметры каждого конкретного помещения и технологические параметры конкретного будущего или уже действующего (при модернизации) производства.

4.Профессионально спроектированные системы вентиляции в грибоводстве могут обеспечить до 40% экономии энергоносителей без ущерба для объемов и качества продукции.

В заключении следует отметить, что от организации вентиляции в значительной степени зависят тепловой баланс помещения, влажностной режим и другие важные технологические параметры. Но об этом в наших следующих публикациях.

 

cropped-micoprom1.jpg

Вопросы микроклимата. Часть 2: Один комментарий

  1. Уведомление: Вопросы микроклимата. Часть 1 | Выращивание грибов: всё для успешного производства

Комментарии запрещены.