Теплица — это специальная конструкция, которая предназначена для регулирования температуры и влажности окружающей среды внутри. Существуют различные типы теплиц, но все они имеют большие площади, покрытые прозрачными материалами, которые пропускают солнечный свет и блокируют его в виде тепла. Наиболее распространенными материалами, используемыми в современных теплицах для стен и крыш, являются жесткий пластик из поликарбоната, пластиковая пленка из полиэтилена или стеклянные панели. [1] Когда внутренняя часть теплицы подвергается воздействию солнечного света, температура повышается, обеспечивая защищенную среду для роста растений даже в холодную погоду.
Термины «теплица» , «стеклянная теплица » и «теплица» часто используются взаимозаменяемо для обозначения зданий, используемых для выращивания растений. Конкретный используемый термин зависит от материала и системы отопления, используемых в здании. В настоящее время теплицы чаще всего строятся из различных материалов, таких как дерево и полиэтиленовый пластик. [2] С другой стороны, теплица — это традиционный тип теплицы, сделанный только из стеклянных панелей, которые пропускают свет. Термин « теплица» указывает на то, что теплица искусственно отапливается. Однако как отапливаемые, так и неотапливаемые конструкции в целом можно классифицировать как теплицы.
Теплицы могут быть разного размера: от небольших сараев до промышленных зданий и огромных стеклянных теплиц. Самый маленький пример — это миниатюрная теплица, известная как холодный парник , обычно используемая дома, тогда как большие коммерческие теплицы — это высокотехнологичные производственные мощности для овощей, цветов или фруктов. Стеклянные теплицы заполнены оборудованием, включая экранирующие установки, отопление, охлаждение и освещение, и могут управляться компьютером для оптимизации условий роста растений. Затем используются различные методы для управления условиями выращивания, включая температуру воздуха, относительную влажность и дефицит давления пара , чтобы обеспечить оптимальную среду для выращивания определенной культуры.
До развития теплиц сельскохозяйственные методы были ограничены погодными условиями. В зависимости от климатической зоны общин люди были ограничены определенным диапазоном видов и временем года, в которое они могли выращивать растения. Тем не менее, около 30 г. н. э. Римская империя построила первую зарегистрированную попытку создания искусственной среды. [3] Из-за ухудшающегося здоровья императора Тиберия королевские врачи рекомендовали императору съедать по одному огурцу в день. [3] Огурцы , однако, являются довольно нежными растениями и не растут легко круглый год. Поэтому римляне спроектировали искусственную среду, например теплицу, чтобы огурцы были доступны императору круглый год. Огурцы высаживали в колесные тележки, которые ежедневно выставляли на солнце, а затем заносили внутрь, чтобы они оставались в тепле ночью. Огурцы хранили под рамами или в огуречных домах, застекленных либо промасленной тканью, известной как specularia, либо листами селенита (он же lapis specularis ), согласно описанию Плиния Старшего . [4] [5]
Следующий крупнейший прорыв в проектировании теплиц произошел в Корее в 15 веке во времена династии Чосон . В 1450-х годах Сун Ый Чон описал первую искусственно отапливаемую теплицу в своей рукописи под названием Сангайорок . [6] Сун Ый Чон был врачом королевской семьи, а Сангайорок был предназначен для того, чтобы предоставить знати важные сельскохозяйственные и домашние знания. [6] В разделе сельскохозяйственных технологий Сун Ый Чон написал, как построить теплицу, в которой можно было выращивать овощи и другие растения зимой. [6] Корейский дизайн добавляет к конструкции систему ондоль . [6] Ондоль — это корейская система отопления, используемая в жилых помещениях, которая запускает дымоходную трубу от источника тепла под полом. [6] В дополнение к ондоль , также нагревался котел, наполненный водой, для создания пара и повышения температуры и влажности в теплице. [6] Эти корейские теплицы были первыми активными теплицами, которые контролировали температуру, а не только полагались на энергию солнца. [2] В конструкцию по-прежнему входили пассивные методы отопления, такие как полупрозрачные промасленные окна ханджи для улавливания света и саманные стены для сохранения тепла, но печь обеспечивала дополнительный контроль над искусственной средой. [6] Анналы династии Чосон подтверждают, что тепличные сооружения, включающие ондоль, были построены для обеспечения тепла мандариновых деревьев зимой 1438 года. [6]
Концепция теплиц также появилась в Нидерландах , а затем в Англии в 17 веке, вместе с растениями. Некоторые из этих ранних попыток требовали огромного количества работы, чтобы закрыть их на ночь или подготовить к зиме. Существовали серьезные проблемы с обеспечением адекватного и сбалансированного тепла в этих ранних теплицах. Первая «печная» (обогреваемая) теплица в Великобритании была завершена в Chelsea Physic Garden к 1681 году. [7] Сегодня в Нидерландах есть многие из крупнейших теплиц в мире, некоторые из них настолько огромные, что способны производить миллионы овощей каждый год.
Эксперименты с дизайном теплиц продолжались в Европе в XVII веке, поскольку технологии производили лучшее стекло и совершенствовались методы строительства. Теплица в Версальском дворце была примером их размера и сложности; она была более 150 метров (490 футов) в длину, 13 метров (43 фута) в ширину и 14 метров (46 футов) в высоту.
Эндрю Фэнейл, преуспевающий бостонский торговец, построил первую американскую теплицу в 1737 году. [8]
Вернувшись в Маунт-Вернон после войны, Джордж Вашингтон узнал о теплице, построенной в поместье Кэрроллов в Маунт-Клэр (Мэриленд) . Она была спроектирована Маргарет Тилгман Кэрролл, трудолюбивым садоводом, которая выращивала цитрусовые деревья в этой оранжерее. [9] В 1784 году Вашингтон написала письмо с просьбой предоставить подробности о проекте ее теплицы, и она выполнила его просьбу. Вашингтон написал:
Я попытаюсь закончить свою теплицу этой осенью, но обнаруживаю, что ни я сам, ни кто-либо из моих близких не настолько искусны во внутренних конструкциях, чтобы продолжать без вероятности хотя бы наткнуться на ошибки. Могу ли я по этой причине попросить вас об одолжении дать мне краткое описание теплицы миссис Кэрроллс? Я убежден, теперь, когда я спланировал свою в слишком сжатом масштабе. Мой дом (из кирпича) 40 на 24 фута, по внешним размерам … [10]
Французскому ботанику Шарлю Люсьену Бонапарту часто приписывают строительство первой практичной современной теплицы в Лейдене , Голландия, в 1800-х годах для выращивания лекарственных тропических растений. [11] Первоначально только в поместьях богатых, развитие науки ботаники привело к распространению теплиц в университетах. Французы называли свои первые теплицы оранжереями , так как они использовались для защиты апельсиновых деревьев от замерзания. Когда ананасы стали популярными, были построены сосновые рощи , или ананасовые ямки .
Самые большие из когда-либо задуманных оранжерей были построены в Англии в викторианскую эпоху. Как прямой результат колониальной экспансии, цель оранжерей изменилась с сельского хозяйства на садоводство. [12] Ускоренная передача растений и садоводческих знаний между колониями способствовала викторианскому увлечению «экзотическими» растениями и средами. [13] Оранжереи стали зрелищами для развлечения широкой публики. Кураторская среда в оранжереях была направлена на то, чтобы запечатлеть «западное воображение идеализированного ландшафта» и поддержать фантазию культурного «другого». [13] Как следствие, считается, что коллекции растений являются истинными отражениями мира, но на самом деле являются стереотипными композициями «экзотических» растений, символизирующими то, где именно находятся британские колонии и насколько далеко простирается их власть. [12] Для поддержания британской гегемонии оранжереи стали аргументом колониальной власти, которая выставляла напоказ «абсолютный контроль над колонизированной средой и флорой... [используя растения] как символ британской имперской власти». [14]
Известным проектом 19-го века были оранжереи с достаточной высотой для крупных деревьев, называемые пальмовыми домами . Они обычно находились в общественных садах или парках и служили примером развития архитектуры из стекла и железа в 19-м веке. Эта технология широко использовалась на железнодорожных станциях, рынках, выставочных залах и других больших зданиях, которым требовалась большая открытая внутренняя площадь. Один из самых ранних примеров пальмовой оранжереи находится в Ботаническом саду Белфаста . Спроектированное Чарльзом Лэньоном , здание было завершено в 1840 году. Оно было построено производителем железа Ричардом Тернером , который позже построит Пальмовый дом в Королевских ботанических садах Кью в Лондоне в 1848 году. Это произошло вскоре после Большой оранжереи Чатсуорта (1837–40) и незадолго до Хрустального дворца (1851), оба спроектированные Джозефом Пэкстоном , и оба в настоящее время утрачены. [15]
Другие крупные теплицы, построенные в 19 веке, включали нью-йоркский Хрустальный дворец , мюнхенский Гласпаласт и Королевские теплицы Лакена (1874–1895) для короля Бельгии Леопольда II . В Японии первая теплица была построена в 1880 году Сэмюэлем Кокингом , британским торговцем, который экспортировал травы .
В 20 веке геодезический купол был добавлен ко многим типам теплиц. Известными примерами являются проект «Эдем» в Корнуолле , Институт Родейла [16] в Пенсильвании, Климатрон в Ботаническом саду Миссури в Сент-Луисе, штат Миссури, и Toyota Motor Manufacturing в Кентукки [17] . Пирамида — еще одна популярная форма для больших высоких теплиц; несколько пирамидальных теплиц есть в оранжерее Маттарта в Альберте ( около 1976 г. ).
Конструкции теплиц были адаптированы в 1960-х годах, когда стали широко доступны более широкие листы полиэтиленовой (полиэтиленовой) пленки. Дома-кольца производились несколькими компаниями, а также часто изготавливались самими производителями. Строительство изготавливалось из алюминиевых профилей, специальных оцинкованных стальных труб или даже просто отрезков стальных или ПВХ водопроводных труб, что значительно снизило затраты на строительство. Это привело к тому, что на небольших фермах и в садовых центрах стало строиться гораздо больше теплиц. Прочность полиэтиленовой пленки значительно возросла, когда в 1970-х годах были разработаны и добавлены более эффективные ингибиторы УФ-излучения; они продлили срок службы пленки с одного-двух лет до трех и, в конечном итоге, четырех или более лет.
Теплицы, соединенные желобами, стали более распространенными в 1980-х и 1990-х годах. Эти теплицы имеют два или более отсеков, соединенных общей стеной или рядом опорных столбов. Расходы на отопление были сокращены, поскольку соотношение площади пола к площади внешней стены было существенно увеличено. Теплицы, соединенные желобами, в настоящее время широко используются как в производстве, так и в ситуациях, когда растения выращиваются и продаются населению. Теплицы, соединенные желобами, обычно покрываются структурированными поликарбонатными материалами или двойным слоем полиэтиленовой пленки с продуваемым воздухом между ними для обеспечения повышенной эффективности отопления.
Более высокая температура в теплице возникает из-за того, что падающее солнечное излучение проходит через прозрачную крышу и стены и поглощается полом, землей и содержимым, которые становятся теплее. Они, в свою очередь, нагревают окружающий воздух внутри теплицы. Поскольку конструкция не открыта для атмосферы, нагретый воздух не может выйти посредством конвекции из-за наличия крыши и стен, поэтому температура внутри теплицы повышается.
Количественные исследования показывают, что эффект инфракрасного радиационного охлаждения не является пренебрежимо малым и может иметь экономические последствия в отапливаемой теплице. Анализ проблем ближнего инфракрасного излучения в теплице с экранами с высоким коэффициентом отражения пришел к выводу, что установка таких экранов снижает потребность в тепле примерно на 8%, и было предложено нанесение красителей на прозрачные поверхности. Композитное менее отражающее стекло или менее эффективное, но более дешевое простое стекло с антибликовым покрытием также давали экономию. [18]
Вентиляция является одним из важнейших компонентов успешной теплицы. Если нет надлежащей вентиляции, теплицы и растущие в них растения могут стать подверженными проблемам. Главные цели вентиляции — регулировать температуру и влажность до оптимального уровня, а также обеспечивать движение воздуха и, таким образом, предотвращать накопление фитопатогенов (таких как Botrytis cinerea ), которые предпочитают неподвижные условия воздуха. Вентиляция также обеспечивает подачу свежего воздуха для фотосинтеза и дыхания растений и может позволить важным опылителям получить доступ к тепличной культуре.
Вентиляция может осуществляться с помощью вентиляционных отверстий, часто автоматически управляемых с помощью компьютера, и рециркуляционных вентиляторов.
Отопление или электричество являются одними из самых значительных расходов при эксплуатации теплиц по всему миру, особенно в холодном климате. Основная проблема с отоплением теплицы по сравнению со зданием со сплошными непрозрачными стенами заключается в количестве тепла, теряемого через покрытие теплицы. Поскольку покрытия должны позволять свету проникать в конструкцию, они, наоборот, не могут обеспечить хорошую изоляцию. При использовании традиционных пластиковых покрытий теплиц с коэффициентом сопротивления теплопередаче около 2 большие суммы денег тратятся на постоянное восполнение потерянного тепла. Большинство теплиц, когда требуется дополнительное тепло, используют природный газ или электрические печи .
Существуют пассивные методы отопления, которые ищут тепло, используя низкое потребление энергии. Солнечная энергия может быть получена в периоды относительного изобилия (день/лето) и выпущена для повышения температуры в более прохладные периоды (ночь/зима). Отработанное тепло от скота может быть использовано для обогрева теплиц, например, размещение курятника внутри теплицы восстанавливает тепло, вырабатываемое курами, которое в противном случае было бы потрачено впустую. [19] Некоторые теплицы также полагаются на геотермальное отопление . [20]
Охлаждение обычно осуществляется путем открытия окон в теплице, когда для растений внутри становится слишком жарко. Это можно делать вручную или автоматически. Приводы окон могут открывать окна из-за разницы температур или могут открываться электронными контроллерами. Электронные контроллеры часто используются для контроля температуры и регулировки работы печи в соответствии с условиями. Это может быть таким же простым, как базовый термостат, но может быть более сложным в более крупных тепличных операциях.
В очень жарких ситуациях можно использовать затененный домик, обеспечивающий охлаждение за счет тени.
В течение дня свет проникает в теплицу через окна и используется растениями. Некоторые теплицы также оборудованы лампами для выращивания (часто светодиодными лампами), которые включаются ночью, чтобы увеличить количество света, получаемого растениями, тем самым увеличивая урожайность определенных культур. [21]
Преимущества обогащения углекислым газом до примерно 1100 частей на миллион при выращивании в теплицах для улучшения роста растений известны уже около 100 лет. [22] [23] [24] После разработки оборудования для контролируемого последовательного обогащения углекислым газом эта технология была внедрена в широких масштабах в Нидерландах. [25] Вторичные метаболиты, например, сердечные гликозиды в Digitalis lanata , производятся в больших количествах при выращивании в теплицах при повышенной температуре и при повышенной концентрации углекислого газа. [26] Обогащение углекислым газом также может значительно сократить потребление воды в теплицах за счет снижения общего потока воздуха, необходимого для обеспечения достаточного количества углерода для роста растений, и тем самым снижения количества воды, теряемой на испарение. [27] Коммерческие теплицы теперь часто располагаются вблизи соответствующих промышленных объектов для взаимной выгоды. Например, питомник Cornerways Nursery в Великобритании стратегически расположен вблизи крупного сахарного завода, [28] потребляя как отработанное тепло, так и CO2 с завода, который в противном случае был бы выброшен в атмосферу. Нефтеперерабатывающий завод сокращает выбросы углерода, а питомник получает более высокие урожаи томатов и не нуждается в собственном отоплении теплицы.
Обогащение становится эффективным только там, где, по закону Либиха , углекислый газ становится ограничивающим фактором . В контролируемой теплице орошение может быть незначительным, а почвы могут быть плодородными по умолчанию. В менее контролируемых садах и открытых полях повышение уровня CO2 увеличивает первичную продукцию только до точки истощения почвы (при условии отсутствия засух, [29] [30] [31] наводнений, [32] или того и другого [33] [34] [35] [36] [37] ), как показано на первый взгляд, продолжающимся ростом уровней CO2 . Кроме того, лабораторные эксперименты, тестовые участки обогащения углеродом в свободном воздухе (FACE) [38] [39] и полевые измерения обеспечивают воспроизводимость . [40] [41]
В домашних теплицах обычно используется стекло толщиной 3 мм (или ⅛ дюйма) сорта «садовое стекло», которое является стеклом хорошего качества и не должно содержать пузырьков воздуха (которые могут вызывать ожоги листьев, действуя как линзы). [42]
В качестве пластмасс чаще всего используются полиэтиленовая пленка и многослойные листы поликарбонатного материала или акрилового стекла ПММА .
Коммерческие стеклянные теплицы часто являются высокотехнологичными производственными объектами для овощей или цветов. Стеклянные теплицы заполнены оборудованием, таким как экранирующие установки, отопление, охлаждение и освещение, и могут автоматически управляться компьютером.
В Великобритании и других странах Северной Европы панель садового стекла, называемая «голландским светом», исторически использовалась в качестве стандартной единицы конструкции, имея размеры 28¾″ x 56″ (приблизительно 730 мм x 1422 мм). Этот размер обеспечивает большую площадь остекления по сравнению с использованием панелей меньшего размера, таких как ширина 600 мм, обычно используемых в современных внутренних проектах, которые затем требуют большего поддерживающего каркаса для данного общего размера теплицы. Стиль теплицы, имеющий наклонные стороны (что приводит к более широкому основанию, чем на высоте карниза) и использующий эти панели неразрезанными, также часто называют конструкцией «голландского света», а холодный парник , использующий целую или половинную панель, — «голландским» или «полуголландским» размером.
Китайские солнечные теплицы разработаны для максимального использования солнечной энергии, что делает их высокоэффективными в холодном климате без необходимости использования дополнительных систем отопления. Возникнув в 1978 году, эти теплицы имеют три сплошные стены, часто сделанные из кирпича или глины, с прозрачной южной стороной, которая улавливает солнечное тепло в течение дня. Такая конструкция может поддерживать внутреннюю температуру на 25 °C (45 °F) теплее, чем внешнюю, даже зимой. [46] Со временем были внедрены инновации, такие как современные изоляционные материалы и автоматизированные ночные шторы, что повысило их эффективность и поддерживало стабильную среду для сельскохозяйственных культур.
Несмотря на свою простоту и экономическую эффективность, китайские солнечные теплицы имеют некоторые ограничения, такие как необходимость правильной ориентации для максимального использования солнечного света и проблемы с прочностью пластиковых пленочных покрытий [47] . Тем не менее, они остаются практичным решением для круглогодичного земледелия в регионах со значительными колебаниями температуры и широко используются по всему северному Китаю.
Теплицы позволяют лучше контролировать среду роста растений. В зависимости от технических характеристик теплицы, ключевые факторы, которые можно контролировать, включают температуру, уровень света и тени, орошение , внесение удобрений и влажность воздуха . Теплицы могут использоваться для преодоления недостатков в качестве роста участка земли, таких как короткий вегетационный период или слабый уровень освещенности, и они могут тем самым улучшить производство продуктов питания в маргинальных условиях. Теневые дома используются специально для обеспечения тени в жарком, сухом климате. [48] [49]
Поскольку они позволяют выращивать определенные культуры в течение всего года, теплицы становятся все более важными в продовольственном снабжении стран высоких широт. Один из крупнейших комплексов в мире находится в Альмерии , Андалусия , Испания , где теплицы занимают почти 200 км 2 (49 000 акров). [50]
Теплицы часто используются для выращивания цветов , овощей , фруктов и рассады . Специальные парниковые сорта определенных культур, таких как томаты, обычно используются для коммерческого производства.
Многие овощи и цветы можно выращивать в теплицах в конце зимы и начале весны, а затем пересаживать на улицу, когда погода становится теплее. Стеллажи для семенных лотков также можно использовать для укладки семенных лотков внутри теплицы для последующей пересадки на улицу. Гидропоника (особенно гидропонные А-образные рамы ) может использоваться для максимального использования внутреннего пространства при выращивании культур до зрелого размера в теплице.
В качестве опылителей для опыления можно использовать шмелей , но также используются и другие виды пчел , а также искусственное опыление.
Относительно закрытая среда теплицы имеет свои уникальные требования к управлению по сравнению с производством на открытом воздухе. Вредители и болезни , а также экстремальные температуры и влажность должны контролироваться, а орошение необходимо для обеспечения водой. Большинство теплиц используют разбрызгиватели или капельные линии. Могут потребоваться значительные затраты тепла и света, особенно при зимнем производстве овощей для теплой погоды.
Теплицы также имеют применение за пределами сельскохозяйственной отрасли. GlassPoint Solar , расположенная в Фремонте, Калифорния , заключает солнечные поля в теплицы для производства пара для солнечной добычи нефти . Например, в ноябре 2017 года GlassPoint объявила, что она разрабатывает установку солнечной добычи нефти недалеко от Бейкерсфилда, Калифорния, которая использует теплицы для ограждения своих параболических желобов . [51]
«Альпийский дом» — это специализированная теплица, используемая для выращивания альпийских растений . Цель альпийского дома — имитировать условия, в которых растут альпийские растения; в частности, защищать от сырости зимой. Альпийские дома часто не отапливаются, поскольку растения, выращиваемые в них, выносливы или требуют максимум защиты от сильных морозов зимой. Они спроектированы так, чтобы иметь отличную вентиляцию. [52]
По оценкам, во всем мире насчитывается около девяти миллионов акров (около тридцати шести с половиной тысяч квадратных километров) теплиц. [53]
В Нидерландах находятся одни из самых больших теплиц в мире. Масштабы производства продовольствия в стране таковы, что в 2017 году теплицы занимали почти 5000 гектаров. [54]
Теплицы начали строить в регионе Вестланд в Нидерландах в середине 19 века. Добавление песка к болотам и глинистой почве создало плодородную почву для сельского хозяйства, и около 1850 года виноград выращивали в первых теплицах, простых стеклянных конструкциях с одной из сторон, состоящей из сплошной стены. К началу 20 века теплицы начали строить со всеми сторонами, построенными из стекла, и они стали отапливаться. Это также позволило выращивать фрукты и овощи, которые обычно не росли в этом районе. Сегодня Вестланд и область вокруг Алсмера имеют самую высокую концентрацию тепличного сельского хозяйства в мире. [55] Вестланд производит в основном овощи, помимо растений и цветов; Алсмер известен в основном производством цветов и горшечных растений. С 20 века область вокруг Венло и части Дренте также стали важными регионами для тепличного сельского хозяйства.
С 2000 года технические инновации включают «закрытую теплицу», полностью закрытую систему, позволяющую производителю полностью контролировать процесс выращивания, потребляя при этом меньше энергии. Плавающие теплицы используются в водоемких районах страны.
В Нидерландах насчитывается около 4000 тепличных предприятий, которые управляют более чем 9000 гектарами [56] теплиц и нанимают около 150 000 рабочих, производя овощи, фрукты, растения и цветы на сумму 7,2 млрд евро [57] , около 80% из которых идет на экспорт. [ необходима ссылка ] [58] [59]
Медиа, связанные с теплицами на Wikimedia Commons
