Mô hình nhà trồng cây với điều khiển tự động ứng dụng tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh

Mô hình nhà trồng cây với điều khiển tự động ứng dụng tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh Mô hình nhà trồng cây với điều khiển tự động ứng dụng tại khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh The Model of The Automated Greenhouse used for HoChiMinh City’s Area Nguyễn Ngọc Lâm, Đỗ Quang Minh, Trần Công Thịnh, Phạm Hữu Nhượng/1/ Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học và Tự động hoá (Phân Viện Tp.HCM) /1/Khu Nông nghiệp Công Nghệ Cao, Tp.HCM e-Mail: lamnguyenngoc_ne@yahoo.com.vn, doquangminh19960@yahoo.com.vn, trancthinh@yahoo.com, nhuongphcnc@gmail.com Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Chỉ Sáng-Viện Nghiên cứu Cơ khí Phản Biện 2: PGS. TS. PGS. TS. Lê Hùng Lân, Trường Đại học Giao thông vận tải Tóm tắt Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu và ứng dụng nhà trồng cây có điều khiển tự động được xây dựng phù hợp với điều kiện sinh thái Tp.HCM. Nhà trồng cây GH-300 đã được thiết kế, lắp đặt có mái dạng tam giác liền kế, với diện tích tổng cộng ~ 300m2, gồm 3 nhà (kích thước: 6x16,6x3,5m(máng)–5,3m(nóc) có hệ điều khiển riêng, phủ lợp bằng tấm polycarbonate, bao quanh bằng màng plastic và lưới. Hệ thống đã áp dụng các công nghệ cho nhà trồng cây, gồm điều khiển tự động đóng mở mái, kéo rèm, điều hoà vi khí hậu, tưới – cấp dịch và điều khiển ánh sáng theo chương trình, kết nối với máy tính và điều khiển từ xa. Mùa khô, nhiệt độ ban ngày ngoài trời cao (37÷580C), độ ẩm thấp (15÷20%), hệ thống GH-300 cho phép hạ nhiệt độ trong nhà với chênh lệch ~12÷150C. Mùa mưa, những ngày nắng, hệ thống GH-300 cho phép hạ nhiệt độ trong nhà với chênh lệch ~ 8÷120C. Thời gian sau mưa, hệ thống cho phép hạ nhiệt độ trong nhà với chênh lệch ~ 5÷70C. Ở mức tự động hoá trung bình, hệ thống đã thực hiện có giá thành bằng 40÷50% so với giá ngoại nhập). Các thực nghiệm canh tác để lựa chọn giống cây phù hợp, chế độ dinh dưỡng, tưới, quy trình canh tác, đã được thực hiện cho các loại rau ăn lá (rau muống và rau cải xanh) và ăn quả (dưa chuột, dưa lưới - giống A Liên và Dưa lê - Kim cô nương), các loại hoa nền (dạ yên thảo, thu hải đường), Từ các kết quả trên, cấu hình rút gọn mô hình nhà trồng cây và danh mục cây trồng được đề xuất để có thể triển khai rộng trên địa bàn Tp.HCM. Abstract The GH-300 three-section 300m2- area greenhouse is designed and produced for use to plant the vegetables and flowers in HCMC. The GH-300 is the automatic system that included the greenhouse environmental control with the roof and shading control, coolpad equipment, fogging, automated irrigation, nutrient dosing and lighting. The system allows to reduce the greenhouse temperature about 12-150C in a dry season and 8-120C or 5-70C in a rain season depended on the environmental humidity. The GH-300 system is effectively used to plant the musk melon, cucumber, small colza, water morning glory, flowers (begonia, ...). The fertilizer and plant procedures in this greenhouse for these greens are proposed. Từ khoá:Nhà trồng cây; điều khiển; vi khí hậu; nhiệt độ; độ ẩm. 1. Mở đầu Nhà trồng cây đã được nhiều Hãng – Nhà sản xuất trên thế giới (như Richel Greenhouses; Netafim; Sundance,) nghiên cứu, thiết kế và cung cấp cho thị trường [1, 2, 3, 9, 14]. Các kỹ thuật tạo nhà trồng cây cũng đã được phổ biến rộng rãi trên mạng Internet. Ở nước ta, trong những năm gần đây, sự phát triển nhảy vọt mang tính tự phát về nhà màng-nhà lưới công nghệ thấp (70.000-100.000 đ/m2) ở các địa phương, cùng với sự đầu tư nhà trồng cây (Greenhouse) công nghệ cao của các công ty có vốn đầu tư nước ngoài đã làm thay đổi bức tranh về nông nghiệp hướng công nghệ cao ở nước ta. Điều này thúc đẩy nhiều địa phương nhập khẩu nhà trồng cây có điều khiển tự động. Thoạt nhìn thì vấn đề này có vẻ dễ đạt hiệu quả. Tuy nhiên, việc triển khai canh tác nông nghiệp công nghệ cao trong các hệ thống nhà trồng cây này đang gặp những khó khăn, cản trở sự thành công của việc áp dụng công nghệ mới. Nguyên nhân là, ngoài việc giá thành đầu tư cao (3÷5 triệu đ/m2), việc nghiên cứu chọn lựa mô hình và hệ thống điều khiển thích hợp cho nhà trồng cây trong điều kiện khí hậu cụ thể của địa phương, việc chọn lựa loại cây trồng thích hợp, chế độ dinh dưỡng,chưa được giải quyết. Nhìn chung, các nghiên cứu này cần có sự kết hợp chặt chẽ giữa nhà nông-sinh với người thiết kế kỹ thuật nhà trồng cây. Các kết quả điều tra ở một số địa phương [22] cho thấy tới hơn 90% diện tích nhà trồng cây hiện nay là tự phát và ở mức công nghệ thấp, được lợp phủ bằng lưới hoặc màng plastic. Nhà thường cao không quá 3m, bao quanh bằng lưới hoặc để trống. Loại nhà này dễ xây dựng, rẻ tiền, sử dụng trong các hộ gia đình để trồng các loại cây nhỏ, ươm giống. Phần nhỏ còn lại là các nhà trồng cây nhập khẩu, công nghệ chủ yếu ở mức trung bình, được lợp phủ màng plastic (1 hoặc 2 lớp), có chiều cao 4-5m và được tự động điều khiển làm mát, thông gió tự nhiên hoặc cưỡng bức. Loại này phần nào kiểm soát môi trường canh tác, được bảo vệ tốt hơn (hạn chế vật nuôi phá hoại cũng như sự lây nhiễm bệnh từ bên ngoài), có giá thành tương đối cao, sử dụng tại các trang trại, khu nông nghiệp để trồng các loại cây lớn, canh tác phục vụ sản xuất thương mại và ươm giống. Một tỷ lệ nhỏ là các nhà trồng cây công nghệ cao sử dụng ở các công ty đầu tư nước ngoài. Nhà được lợp phủ bằng 2 lớp màng Plastic hoặc bằng tấm nhựa polycarbonate, chiều cao 5-8m. Nhà trồng cây loại này được tự động điều khiển điều hoà khí hậu và có hệ thống kiểm soát dinh dưỡng và tưới tự động công nghệ cao, có giá tương đối đắt. Hệ thống này thích hợp cho cho sản xuất sản phẩm chất lượng cao, cho thương mại và ươm giống với số lượng lớn, lý tưởng cho việc kiểm soát các tác động của môi trường lên việc canh tác. Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, song khí hậu các miền khá khác nhau, đặc biệt có những vùng quanh năm mát và lạnh như Đà Lạt, Tam Đảo,.. rất thuận tiện cho việc phát triển nhà trồng cây. Vấn đề xây dựng nhà trồng cây ở những vùng nóng, vùng có độ ẩm cao là khó khăn hơn nhiều. Chính vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng mô hình nhà trồng cây với trang bị điều khiển tự động, phù hợp với điều kiện khí hậu và canh tác ở từng địa phương, tạo điều kiện để tiến hành thử nghiệm và xác lập quy trình công nghệ canh tác cho một số loại cây hoa – rau trồng theo hướng công nghệ cao – là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Các vấn đề trình bày trong bài báo này là những nghiên cứu chúng tôi thực hiện cho nhà trồng cây công nghệ trung bình, ứng dụng tại thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) và khu vực. 2. Thiết kế cấu trúc nhà trồng cây Cấu trúc nhà được thiết kế trên cơ sở xem xét ảnh hưởng của các tham số môi trường đối với cây trồng. Với mái nhà vòm cong, bức xạ mặt trời suốt ngày luôn vuông góc với mái cho phép đa phần tia sáng đi vào trong nhà và tia phản xạ sẽ ít, do vậy lượng bức xạ nhận được trên diện tích canh tác rất lớn. Loại mái vòm thường được dùng ở những vùng có lượng bức xạ mặt trời yếu (vùng ôn đới – vùng có tuyết vì khả năng chịu tải của mái lớn). Ở vùng nhiệt đới nhiều nắng, với loại mái tam giác, bức xạ mặt trời vào sáng và chiều mới vuông góc với mái nhà. Vào giữa trưa nắng gắt, lượng bức xạ nhận được trên diện tích canh tác lại được giảm đi do bị phản xạ nhiều trên hai phần mái nhà.Vì vậy nhà mái tam giác thường được dùng ở những vùng nhiều nắng (nhiệt đới, sa mạc). Ngoài ra, các phân tích tác dụng nâng mái của gió (theo Định luật Bernuli) cho thấy dạng mái vòm dưới tác dụng của gió chịu lực nâng lớn hơn dạng mái tam giác. Các phân tích dòng khí khí đối lưu tự nhiên trong nhà với mái vòm và dạng mái tam giác có các kiểu thông hơi trên mái cho thấy sự đối lưu tuỳ thuộc mạnh vào vị trí cửa thoát trên mái. Những nhà mái tam giác dễ thực hiện cửa thoát ở phần nóc, nên sẽ có đối lưu tự nhiên tốt, dễ dàng cho phép khí nóng tích tụ ở phần trên mái thoát ra ngoài. Căn cứ phân tích ở trên, cấu hình nhà lựa chọn là dạng mái tam giác, được xây dựng liên kế để giảm bớt vật liệu xây dựng và cho phép tạo diện tích canh tác rộng. Nhà trồng cây GH-300 gồm 3 nhà liên kế (3x100m2), thực hiện cho 3 đối tượng cây trồng cụ thể: Nhà trồng rau ăn lá; Nhà trồng rau ăn quả, dưa các loại trên giá thể; và Nhà trồng hoa chất lượng cao (xem H.1). Với nhiều loại vật liệu làm khung nhà, việc chọn thép ống mạ trong xây dựng là phù hợp về độ bền và giá cả. Kết cấu khung nhà sử dụng thép ống dài 6m (đường kính 21mm, 27mm và 60mm), đảm bảo sức chịu tải của nhà cũng như các đà ngang theo tiêu chuẩn quốc tế là 100pound/foot2 (90kg/929cm2 ), chịu được sức nặng của 1 công nhân trèo lên mái và các cấu kiện khác treo hay gắn trong nhà. Để giải lượng nhiệt tích tụ tại vùng trung tâm nhà, cấu trúc cơ khí phải đảm bảo các yêu cầu điều khiển của hệ thống như đóng/mở mái tự động, thông gió cưỡng bức, thông gió mái và đảo gió bằng quạt, hệ thống làm mát không khí trong nhà, có màn che nắng bên ngoài và thoát nước bằng máng xối. Tại Tp.HCM tháng nóng nhất là tháng 3 - tháng 4 cuối mùa khô, hướng nhà được đặt theo hướng bắc - tây bắc –> nam - đông nam để có thể khai thác gió Tín phong theo hướng nam - đông Nam (có trong khoảng từ tháng 3 đến tháng 5. Các dãy nhà GH-300 tại Khu Nông nghiệp Công Nghệ Cao Tp.HCM (Xã Phạm Văn Cội, Huyện Củ Chi Tp.HCM) dựng theo hướng bắc - tây bắc/nam-đông nam (xem H.2). H. 1 Nhà trồng cây GH-300