Управление круглогодовым накоплением солнечного тепла и холода в грунте под почвой полей и подачей тепла или холода в корнеобитаемую зону в период вегетации девяткина в.д.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, к устройствам для тепловоздушной мелиорации корнеобитаемого слоя полей. Устройство накопления солнечного тепла и холода в грунте под почвой для последующей подачи в корнеобитаемую зону в период вегетации растений включает кротовый дренаж на поле, поперек которого прорыта глубокая траншея. В траншее установлена система многоуровневых горизонтальных герметичных воздухопроводов, снабженных с одного конца устройством для всасывания горячего воздуха из камеры солнечного подогрева воздуха и клапаном-регулятором температуры входящего воздуха, а с другого конца устройством вытяжки воздуха из системы горизонтальных герметичных воздухопроводов. Предусмотрен также насос для принудительного закачивания холодного воздуха с поверхности почвы. Горизонтальные герметичные воздухопроводы за исключением верхнего почвообогревающего воздухопровода, расположенного под кротовым дренажом, установлены внутри теплоаккумуляторов, включающих слой насыпного теплоемкого материала. Часть воздухопроводов используется для накопления холода. Способ состоит в том, что солнечное тепло или холод передается воздуху, который транспортируется по воздухопроводам в глубоко лежащие под почвой слои грунта или в горизонтальные герметичные воздухопроводы, из которых тепло или холод передается в почвенный слой через почвообогревающий воздухопровод и кротовый дренаж, а также через систему горизонтальных воздухопроводов или через грунт. Техническим результатом является обеспечение возможности управления развитием растений при помощи почвенной температуры. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 15 ил.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам для тепловоздушной мелиорации корнеобитаемого слоя полей путем аккумулирования солнечного тепла или холода под почвой с последующим его использованием в процессе вегетации и предназначено для полеводства в качестве температуромелиоративного мероприятия ((от лат.temperatura - надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние и от лат.melioration - улучшение) в водной среде - это опускание нагретых слоев и поднятие холодных за счет внутренней энергии жидкости, без применения внешней энергии, в сельском хозяйстве - это управление развитием растений при помощи почвенной температуры).
Известно устройство «Солнечный обогрев подпочвенного слоя...», описанный в патенте RU 2716572, состоящее из камер обогрева воздуха, вытяжной вентиляционной системы и подземных трубопроводов.
Недостатком его является то, что оно не позволяет аккумулировать солнечное тепло под почвой.
Известно «Устройство для обогрева почвы», описанное в патенте RU 2651276 С1, состоящее из солнечного коллектора, системы теплообменников и системы циркуляции воздуха.
Недостатком устройства является затруднение его применения на поле.
Известен способ тепловоздушного обогрева подпочвенного слоя полей, патент №2 706 489, заключающийся в пропуске нагретого воздуха под почвой через кротовины.
Недостатком его является то, что избыток тепла (например, для помидора оптимальная температура для корней в почве +20…22 градусов С, а все что выше является избыточным, вредным, см. agrotehnika36.ru, к избытку тепла также относим солнечное тепло, получаемое вне периода вегетации, например, зимой) не аккумулируется на длительный срок.
Способов и устройств, позволяющих в течение года аккумулировать солнечное тепло и холод в грунте для последующей подачи в почвенный слой полей в период вегетации не выявлено.
Задачей изобретения является создание способа и устройств, позволяющих накопить солнечное тепло или холод в грунте под почвой, за счет этого увеличить период вегетации, ускорить набор суммы эффективных температур достаточных для созревания растений, а в период вегетации управлять тепловым режимом почв и за счет этого влиять на процесс формирования стадий развития растений, путем изменения баланса между стимуляторами роста растений и их ингибиторами при помощи термопериодизма (ovoshch.ru).
Техническим результатом изобретения является новое свойство, а именно: возможность управления развитием растений при помощи почвенной температуры, управления тепловым режимом почв путем аккумулирования солнечного тепла в грунте и последующего использования его в период вегетации для обогрева почв; возможность сглаживания колебания почвенных температур в весенний, летний и осенний период; возможность ранней посадки растений в весенний период в обогретую почву; возможность увеличения длительности вегетации в осенний период за счет подачи накопленного тепла из грунтовых теплоаккумуляторов в корнеобитаемый слой почвы; возможность уменьшения глубины промерзания почвы в зимний период и сохранения почвенной биоты; возможность в период вегетации добавления к солнечной энергии тепловой энергии из грунтовых теплоаккумуляторов для ускоренного роста и созревания растений; возможность защиты почвенного слоя от перегрева; возможность охлаждения почвенного слоя с конденсацией влаги в нем.
Устройство состоит из кротового дренажа поперек которого прорыта на поле глубокая траншея, в которую устанавливают систему вертикальных и многоуровневых горизонтальных герметичных воздухопроводов, снабженных с одного конца устройством для всасывания горячего воздуха из преобразователя (в преобразователе солнечная энергия превращается в горячий воздух, благодаря использованию тепличного эффекта) и воздушным терморегулятором температуры входящего воздуха, а с другого конца устройством вытяжки воздуха из системы герметичных воздухопроводов, причем горизонтальные герметичные воздухопроводы устанавливаются внутри теплоаккумуляторов. В качестве теплоаккумулятора применяется грунт или теплоемкий материал, находящийся внутри гидрофобной теплоизоляционной оболочки, а в качестве воздушного терморегулятора входящего воздуха, применяется упругий шар, внутри которого находится незамерзающая жидкость или сыпучий материал. Для изменения направления движения воздуха в воздухопроводах применяются задвижки или втулки и пробки, устанавливаемые в вертикальных воздухопроводах при помощи тросов. Защита от перегрева почвы осуществляется почвенным температурным датчиком, состоящим из воздушной емкости и привода задвижки, перекрывающей почвообогревающий воздухопровод. Для охлаждения почвы могут использоваться дополнительные воздухопроводы, находящиеся вне зоны движения тепла от теплоаккумуляторов или горизонтальный воздухопровод расположенный ниже теплоаккумуляторов. В качестве хладоаккумуляторов могут использоваться воздухопроводы аналогичные по устройству с теплоаккумуляторами, только в них пропускается холодный воздух.
Способ состоит в том, что избыточное солнечное тепло преобразуется в горячий воздух, который транспортируется в глубоко лежащие под почвой слои грунта или в теплоаккумуляторы, из которых оно передается в почвенный слой через почвенный воздухопровод (воздухопровод, лежащий в зоне корнеобитаемого слоя) и кротовины по системе воздухопроводов, или по грунту, причем время поступления аккумулированного тепла в почвенный слой регулируют при помощи втулок или пробок или за счет глубины расположения теплоаккумуляторов. Охлаждение почвы (например, для условий засушливого Крыма) производится путем изоляции (перекрывания отверстий теплоаккумуляторов) теплоаккумуляторов с накопленным теплом от верхнего воздухопровода и подачей холодного воздуха в верхний воздухопровод из воздухопроводов находящихся в холодных слоях грунта или находящихся ниже теплоаккумуляторов, вне зоны движения тепла. Для охлаждения почвы могут использоваться отдельные воздухопроводы, в качестве хладоаккумулятора может применяться грунт или теплоемкий материал, находящийся внутри гидрофобной теплоизоляционной оболочки. Воздух в хладоаккумуляторы закачивается в зимнее время или в период заморозков и расходуется по мере надобности в период вегетации.
На фиг. 1 - изображена схема расположения кротовин, и траншеи на площади обогрева полей; на фиг. 2 - изображена схема расположения кротовин и воздухопроводов в траншее, сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 -изображена схема устройства, сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - изображена схема вариантов действия воздушного температурного клапана, сечение I на фиг 3; на фиг 5 - изображены клапаны регулирующие передвижение горячего воздуха, сечение II на фиг 3; на фиг 6, 7, 8, 9, 10, 11 - изображены варианты движения горячего воздуха по воздухопроводам; на фиг 12 - изображен теплоаккумулятор, сечение В-В на фиг 3; на фиг 13 - схема почвенного температурного клапана, сечение Г-Г на фиг 3; на фиг. 14 - изображены схемы расположения воздухопроводов охлаждающих почву; на фиг. 15 -изображена схема движения холодного воздуха при охлаждении почвы.
Устройство состоит из кротового дренажа 1, расположенного в корнеобитаемой зоне на площади обогрева 2 (фиг. 1). Середина кротовин заглублена, а концы заглушены (фиг. 1). Посередине заглубленных кротовин вырыта траншея 3, в которой (по первому варианту устройства теплоаккумулятора) установлен верхний почвообогревающий воздухопровод 4 средний 5 и нижний теплоаккумулирующий горизонтальный воздухопровод 6 (фиг.2), которые располагаются на разной глубине в грунте 7. При необходимости ниже или в боку от теплоаккумулирующих воздухопроводов 5 и 6 укладывают хладоаккумулирующие воздухопроводы 29. По второму варианту изготовления теплоаккумулятора воздухопроводы 5 и 6 проходят через теплоемкий материал 8 (например, камень, щебень, бетонные отходы и т.п.) завернутый в гидрофобный теплоизолирующий материал в виде ленты 9 (фиг.12). Хладоаккумулирующие воздухопроводы 29 устроены также как и теплоаккумулирующие 5 и 6. Воздухопроводы 4, 5, 6 и 29 концами соединены с вертикальными воздухопроводами 10, один из которых который входит в, использующий тепличный эффект (см. СНиП 2.10.04-85, СП.107.13330.2012 «Теплицы и парники») преобразователь 11 солнечной энергии в горячий воздух и имеет на конце воздушный терморегулятор 12, ограничивающий вход воздуха с низкой температурой (фиг. 4а). Воздушный терморегулятор 12 состоит из корпуса 13 в верхней и нижней крышке, которой имеются отверстия 14, а внутри упругий (например, резиновый) герметичный шар 15 с жидкостью 16, например, ацетальдегид с температурой кипения +20,2 (см. infotables.ru). Количество жидкости 16 и давление воздуха внутри шара 15 тарируется на определенную температуру, например +30 градусов С. При более низкой температуре поступающего в воздухопроводы воздуха шар 15 сплющивается, оседает, благодаря давлению жидкости 16, и закрывает нижние отверстия 14, предотвращая поступление холодного воздуха в воздухопроводы (фиг. 4б). При высокой температуре шар 15 надувается, и приподнимается, открывая доступ горячего воздуха в воздухопроводы (фиг. 4а). Вместо жидкости 16 или вместе с ней может применяться сыпучий материал, например, крупные однородные фракции песка. В качестве регуляторов направления движения воздуха по воздухопроводам используют втулки 17 и пробки 18, устанавливаемые внутри вертикального воздухопровода 10 (фиг. 5). К втулкам и пробкам прикреплены троса 19 и 20 выведенные наружу, при помощи которых втулки 17 и пробки 18 устанавливаются в заданном положении, перенаправляя потоки горячего воздуха в горизонтальных воздухопроводах 4, 5, 6 и 29. Вторым концом воздухопроводы 4, 5, 6 и 29 соединены с другим вертикальным воздухопроводом 10 на верхнем конце, которого находится вытяжное устройство 21 с дефлектором 22 (фиг. 3). На вытяжном устройстве 21 устанавливают датчик 23 измеряющий температуру выходящего воздуха, что позволяет косвенно определить количество тепла накопленного в теплоаккумуляторах. Для предохранения почвы от перегрева устанавливается почвенный температурный клапан, состоящий из емкости 24 помещенной в почвенный слой, например на глубину 5-10 см. Емкость 24 соединена с приводом 25 задвижки 26, помещенные в камеру 27, установленную на воздухопровод 4 (фиг. 13). С емкостью 24 соединен выходящий наружу кран 28. Охлаждающие почву воздухопроводы 29 расположены вне зоны движения тепла от воздухопроводов 5 и 6 и могут находиться ниже воздухопроводов 5 и 6 или устанавливаться в боку траншеи 3 с обязательной теплоизоляцией от нагретого грунта.
Для охлаждения почвы (в районах с жарким климатом) в устьях теплоаккумулирующих воздухопроводов 5 и 6 устанавливают задвижки 30 (например, задвижка шиберная ножевая с электроприводом, см. www.promarm.ru), а движение холодного воздуха от хладоаккумулирующего воздухопровода 29 к воздухопроводу 4 обеспечивается воздушным циркуляционным насосом 31 (фиг. 15). Этим же насосом 31 производится принудительное закачивание с поверхности почвы холодного воздуха в зимнее время в хладоаккумуляторный воздухопровод 29.
Устройство изготавливается следующим образом. Сначала прорывается глубокая траншея 3, в которую укладываются горизонтальные 4, 5, 6, 29 и вертикальные воздухопроводы 10 над которыми устанавливают преобразователь солнечной энергии 11 и вытяжное устройство 21 с дефлектором 22 и датчиком температуры 23.
По первому варианту с пассивным регулированием поступления тепла в почву на дно глубокой траншеи 3 укладывается горизонтальный воздухопровод 6 с повышенной теплопроводностью, например, металлическая. По концам траншеи 3, устанавливаются вертикальные воздухопроводы 10, к которым присоединяется горизонтальный воздухопровод 6 и затем другие горизонтальные воздухопроводы 29, 5, 4. Траншея 3 может засыпаться грунтом 7 или слоем теплоемкого материала 8, например, камнем, щебнем, бетонными отходами и т.п., затем покрывается слоем грунта 7 и на него укладывается средний горизонтальный воздухопровод 5, который также засыпается слоем теплоемкого материала 8. Верхний почвообогревающий воздухопровод 4 укладывается под почвенным слоем на глубине, например, 1 метр, и засыпается почвой до уровня поверхности. Кротователем прокладывают кротовины 1, постепенно заглубляя от края площади обогрева 2 до траншеи 3, а от траншеи 3 постепенно поднимают до противоположного края площади обогрева 2, что обеспечивает движение теплого воздуха от центра (почвообогревающей траншеи 3) к краям площади обогрева 2 (фиг. 2).
По второму варианту с активным регулированием поступления тепла в почву, на дно траншеи 3 укладывается лента 9, изготовленная из гидрофобного теплоизолирующего материала, на ленту 9 укладывается горизонтальный воздухопровод 6. Сверху на воздухопровод 6 насыпается слой теплоемкого материала 8, края ленты 9 заворачиваются внахлест и присыпаются грунтом 7, образуя протяженный теплоаккумулятор, способный нагреться до высоких температур и долго удерживать тепло. Лента 9 из гидрофобного теплоизолирующего материала не позволяет оказывать вредного теплового воздействия (температура выше 40-50 градусов С) на окружающий грунт и почву, сохраняя почвенную биоту. В траншею 3 могут укладываться несколько теплоаккумуляторов рядом или друг над другом. Почвообогревающий воздухопровод 4 укладывается без ленты 9. При высоком уровне стояния грунтовых вод воздухопроводы 5 и 6 с теплоемким материалом 8, находящиеся в зоне подтопления, герметично закрываются лентой 9, не допуская передачи тепла в окружающую воду.
Третий вариант с активным регулированием поступления тепла или холода в почву, отличается от второго укладкой на дно траншеи 3 хладоаккумулятора, устроенного также как и теплоаккумулятор из гидрофобной теплоизолирующей ленты 9 на которую укладывают воздухопровод 29, насыпают хладоемкий материал 8 (например, камень, щебень, бетонные отходы и т.п.) края ленты 9 заворачиваются внахлест и присыпаются грунтом 7, образуя протяженный хладоаккумулятор, способный охладится до низких температур и долго удерживать холод. Сверху укладывается теплоаккумулирующий воздухопровод 6, затем 5 и 4. В этом варианте на устья воздухопроводов 4, 5, 6 и 29 устанавливаются задвижки 30 с радио- или электроуправлением, а воздушный циркуляционный насос 31 устанавливается в вертикальном воздухопроводе 10 через технологический люк (на чертеже не показан) в период необходимости подачи холодного воздуха в почву. В зависимости от теплофизических и механических свойств грунтов и количества необходимого холода, хладоаккумулирующие воздухопроводы 29 могут устанавливаться в боку траншеи 3 и их может быть несколько.
На поверхности почвы над воздухопроводом 10 устанавливается преобразователь 11, в котором солнечная энергия превращается в горячий воздух (например, в виде «нагревательной камеры 6, в которой через южную светопроникающую стенку солнцем 7 производится нагрев воздуха, поступающего в трубопроводы» (см. патент №2716572). На вертикальный воздухопровод 10, находящийся в преобразователе 11, устанавливают воздушный терморегулятор 12, состоящий из корпуса 13, отверстий 14,шара 15 с жидкостью 16, на другой воздухопровод 10 устанавливают вытяжное устройство 21 с дефлектором 22 и в стенку этого воздухопровода 10 вставляют датчик температуры 23. Предварительно в вертикальные воздухопроводы 10 на тросах 19 и 20 опускают на дно пробки 18 и втулки 17 (фиг. 5).
Для исключения перегрева почвы, на глубине 5-15 см под поверхностью почвы устанавливают емкость 24 с приводом 25, связанным с задвижкой 26, входящей в воздухопровод 4. Привод 25, задвижка 26 и место входа задвижки 26 в воздухопровод 4 закрывают камерой 27. Предварительно нагревают емкость 24 до определенной температуры (оптимальной для развития корней растения, например, +18 градусов С), затем через кран 28 откачивают из емкости 24 воздух до поднятия задвижки 26 и открытия воздухопровода 4, после этого перекрывают кран 28 (фиг. 13). В этом случае, при превышении заданной температуры в почве, в емкости 24 возникает увеличенное давление воздуха, и задвижка 26 опускается, перекрывая движение горячего воздуха по воздухопроводу 4.
Устройство работает следующим образом.
Солнечное излучение, проникая в преобразователь 11, нагревает находящийся там воздух, который в свою очередь нагревает воздушный терморегулятор 12, состоящий из корпуса 13 и шара 15. При нагревании шара 15 жидкость 16 вскипает, шар 15 надувается и приподнимается, открывая находящиеся под ним отверстия 14. Через отверстия 14 горячий воздух из преобразователя 11 поступает в вертикальный воздухопровод 10. Распределение потоков горячего воздуха по горизонтальным воздухопроводам 4, 5 и 6 производится при помощи находящихся в вертикальном воздухопроводе 10 втулок 17 или пробок 18, которые поднимают или опускают тросами 19 и 20. Втулки 17 и пробки 18 устанавливаются на входе горизонтальных воздухопроводов 4, 5 и 6 в вертикальных воздухопроводах 10. Варианты установок втулок 17 и пробок 18 приведены на фиг. 6, 7, 8, 9, 10, 11. Горячий воздух, проходя через воздухопровод 4, нагревает его, тепло через грунт 7 в траншее 3 проникает в заглубленную середину полости кротовины 1 и, поднимаясь по ней к концам, по пути подогревает почву на площади обогрева 2. При проходе горячего воздуха по воздухопроводам 5 и 6 нагревается теплоемкий материал 8, завернутый в ленту 9, до температуры, например 100 градусов С. Температуру нагрева косвенно определяют по датчику 23, установленному на вытяжном устройстве (трубе) 21. После нагрева воздухопровода 5 производят нагрев воздухопровода 6. Движение воздуха по воздухопроводам происходит за счет всасывающего действия вытяжной трубы и дефлектора 22 (принцип вентиляции погреба). При охлаждении перегретой почвы задвижками 30 перекрывают устья воздухопроводов 5 и 6, опускается воздушный циркуляционный насос 31 до уровня устья воздухопровода 4, при этом входы вверху воздухопроводов 10 перекрываются пробками 18. За счет принудительной циркуляции воздуха через холодный воздухопровод 29, холодный воздух, проходя через воздухопровод 4, снижает температуру в грунте 7 траншеи 3, и холод попадает в кротовины 1, а затем и в почву площади 2.
Температура в почве автоматически регулируется почвенным температурным клапаном, следующим образом: почва нагревает воздух, находящийся в емкости 24, создается давление, привод 25 выталкивает задвижку 26 и она перекрывает воздухопровод 4, останавливая движение горячего воздуха и предохраняя почву от перегрева. Камера 27 защищает привод 25 и задвижку 26 от повреждения норными животными. Температуру, при которой задвижка 26 перекрывает воздухопровод 4, устанавливают для каждого растения путем увеличения или уменьшения давления воздуха в емкости 24, закачивая или выкачивая воздух через кран 28. С целью охлаждения почвы почвенный температурный кран отключается, для этого воздух через кран 28 высасывается, в емкости 24 создается разряжение, привод 25, воздействуя на задвижку 26, приподнимает ее, открывая воздухопровод 4 для принудительной циркуляции воздуха от хладоаккумулирующего воздухопровода 29 к почвенному воздухопроводу 4 (фиг. 15). При необходимости для охлаждения почвы в вертикальном воздухопроводе 10 на устьях воздухопроводов 4, 5, 6, 29 устанавливают задвижки 30 с дистанционным управлением и циркуляционный насос 31. Перекрывают теплоаккумулирующие воздухопроводы 5, 6 и открывают хладоаккумулирующий воздухопровод 29, затем при помощи циркуляционного насоса 31 принудительно холодный воздух прогоняет по воздухопроводу 4, охлаждая почву.
Способ управления накоплением солнечного тепла в грунте и его распределение (для районов которым требуется обогрев почв) осуществляется следующим образом.
Известно, что в Тверской области годовая продолжительность солнечного сияния составляет 1521 час. В июне 246 часов, в июле - 252 часа, в августе - 204 часа, итого 702 часа (см. «Климат Твери», ru.wikipedia.org). Остальные 809 часов приходятся на зимний, весенний и осенний период, из этого следует, что 54% солнечного сияния не используется и тепло от него может быть собрано в нагревательных камерах (использующих тепличный эффект), воздух, нагретый в них (например, выше температуры около +20 градусов С) может подаваться в подпочвенную систему аккумулирования тепла. Кроме того в июне средняя температура 16,5 градусов С (от 3,2 до 31,9 градусов), в июле средняя температура 19 градусов (от 7,7 до 32,5 градусов), в августе средняя 17,6 градусов (от 4,6 до 31,6 градусов) (см. clobal-weather.ru), т.е. половина солнечного сияния избыточна (не ускоряющая рост и развитие культур умеренного пояса). Из 46% летнего тепла можно на обогрев грунта подпочвенного слоя использовать 23%, в годовой сумме это составит около 77%. Следовательно, теоретически годового солнечного сияния достаточно для выращивания 4-х урожаев сельскохозяйственных культур в умеренном поясе. Задачей изобретения является приближение к 4-х кратному урожаю.
В межвегетационный период вся солнечная энергия, превращенная в нагретый воздух, подается в нижележащие слои грунта, где тепло передается грунту 7 или теплоаккумуляторам 8, накапливается в них и в последующем расходуется в период вегетации. Накопление холода производится в зимнее или весеннее время или летом в ночное время.
В период вегетации (в летнее время) при нагреве почвенного слоя до температуры оптимальной для развития корней возделываемого растения (например, +18 градусов С для моркови, см. «Ботаническая характеристика и сорта моркови» Пережогина В., www.floriaprice.ru) избыток тепла направляется в глубокие слои грунта, где тепло аккумулируется в теплоаккумуляторах или в грунте.
В летний период управление движением тепла во время вегетации при высокой солнечной активности происходит следующим образом. В установленных на поверхности преобразователях 11 солнечной энергии образуется горячий воздух. Преобразователи 11 солнечной энергии использующие тепличный эффект могут нагревать теплоноситель (например, воздух и др.) выше 100 градусов С (см. remoo.ru «Солнечные коллекторы для отопления дома как альтернативный источник энергии», солнечный коллектор FPC-220 нагревает теплоноситель до температуры 135 градусов С). Горячий воздух через терморегулятор 12 по вертикальному воздухопроводу 10 подается в верхний горизонтальный почвенный воздухопровод 4 из него через грунт 7 траншеи 3 поступает в кротовины 1 и при их помощи распределяется по площади 2, при нагреве почвенного слоя до температуры оптимальной для развития корней возделываемого растения (например, для моркови +18 град С) срабатывает почвенный температурный клапан и задвижка 26 перекрывает воздухопровод 4, т.е. прекращается подача тепла в верхний горизонтальный почвообогревающий воздухопровод 4. Избыток тепла (горячий воздух) подается в нижележащий горизонтальный воздухопровод 5 или 6, где тепло аккумулируется. В летнее время, при погодном понижении температуры воздуха, происходит остывание верхнего почвенного слоя, при этом задвижка 26 открывает воздухопровод 4, в этом случае из теплоаккумулятора (трубы 5 или 6) горячий воздух подается в верхний воздухопровод 4 и в почву, благодаря чему быстро поднимается (восстанавливается) температура почвенного слоя и соответственно температура приземного слоя воздуха. По данным советских харьковских ученых при повышении температуры почвы на 1 градус С урожайность в среднем увеличивается на 6%
По первому варианту (пассивное регулирование поступление тепла в почву) при использовании грунта 7, окружающего горизонтальные воздухопроводы 5 или 6 в качестве теплоаккумулятора, нагрев нижележащего теплоаккумулятора (воздухопровод 6) производится до заданной температуры (например, +50 градусов). При достижении заданной для этого теплоаккумулятора температуры переключают поток горячего воздуха на вышележащий теплоаккумулятор (воздухопровод 5) и нагревают его до температуры, например, +40 градусов С, так как нагрев грунта более +50-60 градусов С отрицательно действует на почвенную биоту (симбиоз почвенных микроорганизмов, микробов, червей, животных, растений).
Вследствие инерционности теплопереноса в почвенной толще следует учитывать что, установление максимальной температуры почв отстает от максимума температур воздуха (на глубине 3 м. максимум устанавливается на несколько месяцев позже, чем на поверхности) (см. Т.П. Марчик, А.А. Ефремов, «Почвоведение с основами растениеводства», глава 9, параграф 2). В среднем имеет место запаздывание температуры в 2-3 часа на каждые 10 см. глубины, поэтому, например, подача тепла в верхний слой почвы из верхнего почвенного воздухопровода 4 и через кротовины 1 должна происходить за несколько часов до наступления похолодания. Время поступления тепла в почву из грунта 7 зависит от теплофизических характеристик грунта и глубины укладки воздухопроводов 5, 6. Например, для поступления тепла в почву в марте, движение этого тепла должно начаться за 6 месяцев с глубины около 6 метров (см. Т.П. Марчик, А.А. Ефремов, «Почвоведение с основами растениеводства», глава 9, параграф 2). Поэтому, при пассивном регулировании поступления тепла в почву, в зависимости от характеристик грунта подстилающего почву и заданного времени подачи тепла, расположение нижних горизонтальных воздухопроводов 5 и 6 может находиться на глубине 3-6 метров. Возможно увеличение количества горизонтальных воздухопроводов 5, 6 и расположение их по высоте, например, через метр, тогда можно будет быстрее сглаживать колебания температур в почве и в надземном воздухе. Следует при закладке воздухопроводов 5 и 6 учитывать, что естественный годовой ход температуры в грунте характеризуется проявлением двух постоянных периодов: летнего с потоком тепла от верхних горизонтов к нижним горизонтам (период нагревания почвы) и зимнего - с потоками тепла от нижних слоев грунта к верхним (период охлаждения почвы) и эти потоки зависят от конкретного грунта и его влагонасыщения.
По второму варианту (активному регулированию поступления тепла в почву) когда горизонтальные воздухопроводы 5 и 6 проходят через теплоаккумулятор 8 с гидрофобной теплоизоляционной оболочкой 9, нагрев теплоаккумулятора 8 может производиться до более высоких температур, в этом случае почвенная биота теплоизолирована от губительных высоких температур. Температура нагрева определяется теплоемкостью теплоаккумулятора 8, которая зависит от заключенного в оболочку 9 материала (вода, грунт, песок, щебень, гравий, бетон и др.) и теплоизоляционных свойств оболочки и может быть более 50 градусов С.
В начале роста растений в весеннее время необходимо поддержать тепло в почве и сгладить погодные температурные колебания, а также создать в почве оптимальные природные колебания температуры (термопериодизм) для роста корней, семян. В середине вегетации термопериодизм оказывает благотворное влияние на рост, цветение и дальнейшее плодоношение особенно на растения с ярко выраженным термопериодизмом. Когда растение сформируется, необходимо создание суточной термопериодичности, путем понижения ночных температур в почве для этого используют хладоаккумулятор на воздухопроводе 29. В конце срока вегетации снижение температуры в почве стимулирует ускоренное созревание плодов. При выращивании корнеплодов, производимый ночью нагрев почвы позволит увеличить количество Сахаров в корнеплоде, т.к. транспортировка Сахаров происходит преимущественно в сторону более теплых частей растений (см. «Влияние температуры на растения» https://zen.yandex/ru). При выращивании плодов производят охлаждение корней.
Пример планирования температуромелиоративных мероприятий для двух урожаев сельскохозяйственных культур в условиях климатического лета продолжительностью 90 дней. Для получения двух урожаем растений с периодом вегетации (от посадки до уборки) около 75 дней, общая длительность вегетации составит 150 дней Для первой посадки при выборе растений, следует отдать предпочтение тем, у которых в качестве урожая используют надземную часть, (плоды или ботву), а также преимущественно растения длинного дня так как до середины лета почва бывает холоднее, чем воздух, поэтому сахара из холодной подземной части (корней) переходят в теплую надземную часть (стебли). Для второй посадки следует применять растения короткого дня или образующие корнеплоды, т.к. в это время воздух холоднее и соответственно холоднее надземная часть (ботва), а почва теплее и сахара идут в корнеплоды. Время первой посадки сдвигают к времени весеннего равноденствия и применяют растения длинного дня (например, морковь, свекла, капуста, лук, репа, пшеница и другие). Если конец климатического лета приходится на 31 августа, то начало вегетации должно приходиться на 1 апреля. К этому времени почву прогревают до температур благоприятных для роста семян (например, около +20 градусов С). Время второй посадки начинается в середине июля. Уборка второго урожая производится в конце сентября.
Осенний период после уборки урожая (от окончания вегетации до появления устойчивого снежного покрова) используют для накопления тепла, отключается верхний почвенный воздухопровод 4, а горячий воздух пропускается через теплоаккумуляторы по нижележащим горизонтальным воздухопроводам 5, 6 где запасается максимально большое количество тепла. По первому варианту при использовании грунта, окружающего горизонтальный воздухопровод в качестве теплоаккумулятора. Рассчитывается скорость подъема тепла для данного грунта (например, известна скорость распространения тепла в грунте для черноземов 1 град мм\час) и прогнозируется достижение тепла до слоя почвы (например, через 2 месяца). Исходя из этого тепло, например, направляется в воздухопровод 5 находящийся на среднем уровне. При первой подаче тепла в почву находящуюся под снегом происходит оттаивание почвы промороженной в бесснежный период, но не допускается оттаивание снега, так как он является теплоизолятором от морозов. При второй подаче тепла (в начале весны) тепло (горячий воздух) направляется в глубокие слои грунта (например, воздухопровод 6) из которых он начинает поступать в почву к началу весны, например, через 6 месяцев. Уменьшается разрыв между температурой почвы и температурой воздуха, что позволит увеличить период вегетации. Глубина заложения горизонтальных воздухопроводов 5, 6 программирует время поступления тепла в почву, траншея 7 в этом случае может быть с большой глубиной, около 3-6 метров. По второму варианту, когда горизонтальные воздухопроводы 5, 6 проходят через теплоаккумулятор с гидрофобной теплоизоляционной оболочкой 8 желательно аккумулирование тепла начинать с глубоко находящихся теплоаккумуляторов воздухопроводов 6. В зимний период (период начала устойчивого снежного покрова до начала снеготаяния) в дни солнечного сияния производят оттаивание промороженной в осенний период почвы. Для защиты почвы от сильных морозов путем сохранения теплоизоляционного снежного покрова, почву прогревают в это время до -4 - 0 градусов С. При регулировании прогрева почвы учитывается тепло поступающее из глубин земли. Излишнее тепло (горячий воздух) подается в теплоаккумуляторы, накапливаясь там. В весенний период необходимо часть накопленного тепла сохранять на случай кратковременных заморозков, которые в большинстве случаев длятся не более 5-10 дней. Во время этих заморозков усиленно подается тепло через верхний почвенный воздухопровод 4. Ранний посев в почву насыщенную талой снеговой водой стимулирует быстрое развитие растений. Весенний процесс накопления тепла идет до начала продолжительности дня более 9 часов (1 марта). После этого дня горячий воздух из преобразователя солнечной энергии 11 подается в верхний почвенный воздухопровод 4 и из теплоаккумуляторов.
Контроль за работой устройства (за температурой и равномерностью обогрева поля), ведется путем замера температуры поверхностного слоя почвы, который может производиться вручную - инфракрасным пирометром или при помощи дрона (беспилотного летательного аппарата) с тепловизором и системой передачи сигналов, а при больших площадях наиболее перспективно использование системы ГЛОНАСС. При компьютеризированном управлении теплом и холодом на воздухопроводы 4, 5, 6, 29 (на теплоаккумуляторы, хладоаккумуляторы), почвенный температурный клапан 26, задвижки 30, 31 устанавливаются датчики температур и датчики положения, которые передают информацию на компьютер. Компьютер на основании прогноза погоды, температуры почвы и стадии развития растения управляет термопериодизмом, амплитудой и частотой колебаний температуры в почве.
Способ и устройство позволяют без применения химических средств, при правильно подобранном режиме температуры в почве и соответственно в приземном слое воздуха в соответствии с оптимальными биоритмами растений, повысить жизнедеятельность и продуктивность выращиваемых растений, не прибегая к дополнительным затратам. Тепловоздушный обогрев подпочвенного слоя полей, а также регулирование температуры подпочвенного слоя в зависимости от потребности в тепле растений, а также увеличение длительности вегетации за счет раннего оттаивания почв и более позднего замерзания увеличивает урожайность с минимальными эксплуатационными затратами.
Такое конструктивное решение позволяет сделать способ и устройство простым, регулируемым и эффективно действующим.
1. Устройство накопления солнечного тепла и холода в грунте под почвой для последующей подачи в корнеобитаемую зону в период вегетации растений, включающее кротовый дренаж на поле, поперек которого прорыта глубокая траншея, отличающееся тем, что в траншее установлена система многоуровневых горизонтальных герметичных воздухопроводов, снабженных с одного конца устройством для всасывания горячего воздуха из камеры солнечного подогрева воздуха и клапаном-регулятором температуры входящего воздуха, а с другого конца устройством вытяжки воздуха из системы горизонтальных герметичных воздухопроводов, а также воздушным насосом для принудительного закачивания холодного воздуха с поверхности почвы, причем горизонтальные герметичные воздухопроводы за исключением верхнего почвообогревающего воздухопровода, расположенного под кротовым дренажом, установлены внутри теплоаккумуляторов, включающих слой насыпного теплоемкого материала, при этом часть воздухопроводов используется для накопления холода.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кротовины имеют заглушенные концы и наибольшее заглубление над траншеей.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что горизонтальные герметичные воздухопроводы снабжены управляемыми воздухозапорными клапанами.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве регулятора температуры входящего воздуха применяется лежащий на входном отверстии воздухопровода упругий шар, внутри которого находится незамерзающая жидкость или сыпучий материал.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит датчик для регулировки температуры в почве, состоящий из воздушной емкости и привода задвижки, перекрывающей почвообогревающий воздухопровод.
6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что управляемые воздухозаборные клапаны для регулировки поступления горячего или холодного воздуха в горизонтальные воздухопроводы выполнены, например, в виде втулок и пробок.
7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве теплоаккумулятора применяется грунт, находящийся внутри гидрофобной теплоизоляционной оболочки.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве теплоаккумулятора применяется насыпной теплоемкий материал, например камень, щебень, бетонные отходы.
9. Способ накопления солнечного тепла или холода в грунте под почвой для последующей подачи в корнеобитаемую зону в период вегетации растений с использованием устройства по п. 1, заключающийся в том, что солнечное тепло или холод передается воздуху, который транспортируется по воздухопроводам в глубоко лежащие под почвой слои грунта или в горизонтальные герметичные воздухопроводы, установленные внутри теплоаккумуляторов и снабженные устройствами всасывания-вытяжки горячего воздуха, из которых тепло или холод передается в почвенный слой через почвообогревающий воздухопровод и кротовый дренаж, а также через систему горизонтальных воздухопроводов или через грунт, причем в горизонтальные герметичные воздухопроводы с поверхности почвы может принудительно закачиваться холодный воздух.
10. Способ по п. 9, характеризующийся тем, что время поступления аккумулированного тепла в почвенный слой регулируют при помощи клапанов.
11. Способ по п. 9, характеризующийся тем, что время поступления аккумулированного тепла или холода в почвенный слой регулируют за счет глубины расположения теплоаккумуляторов.
