Указ «О применении отдельных специальных экономических мер в целях обеспечения безопасности Российской Федерации», подписанный В.В. Путиным 6 августа 2014 г., существенно ограничил ввоз сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия из стран — традиционных импортеров таких товаров. Уменьшение объемов импорта продовольствия привело к увеличению цен на него. Что, естественно, сказалось и на увеличении рентабельности производства всего спектра товаров, попавших под эмбарго, на территории России. Что, в свою очередь, подтолкнуло отрасли и компании к увеличению инвестиций в расширение производства сельхозпродукции и продовольственных товаров.
Немалую долю в этих объемах составило производство овощей в защищенных грунтах. По данным Росстата, валовой сбор овощей закрытого грунта только за 2016 год увеличился на 10,8%, а за 2017 год — более, чем на 20% относительно 2016 года. Понятно, что при увеличении инвестиций и, соответственно, увеличении площадей тепличных хозяйств мы наблюдаем экстенсивный рост объемов производства. Как показывает теория и практика, при экстенсивном экономическом росте капиталовложения значительно выше, чем при интенсивном. Интенсивный рост характеризуется применением новых технологий, материалов и методов работы. Поэтому страны, традиционно занимающиеся выращиванием растительной продукции в защищенных грунтах, уделяют большое внимание именно технологиям, ведущим к увеличению урожайности и качества производимой продукции на равных площадях тепличных хозяйств.
Растениям для эффективного роста и плодоношения необходимо достаточное количество воды, питательных веществ, углекислого газа и света. Свет для растений является той составляющей, которая отличает их сущность от других живых организмов. Свет обеспечивает фотосинтез и является основой для хорошей урожайности сельскохозяйственных культур. Поэтому целью большинства производителей является достижение максимального светопропускания через прозрачные конструкции их теплиц. В светопрозрачных конструкциях тепличных комплексов используются разнообразные материалы. Это может быть ПВХ пленка, поликарбонат или подобные им материалы. Такого типа полимеры, обладая некоторыми достоинствами (дешевизна, малый вес и т.п.), тем не менее, имеют существенные недостатки. Например, недолговечность: у пленок слабая способность противостоять атмосферным нагрузкам, что приводит к их повреждениям или снижению светопропускания. Они требуют регулярной замены вследствие потери физических свойств. Одним из самых традиционных и давно используемых при строительстве теплиц материалов является стекло. Его долговечность и способность к светопропусканию остаются вне конкуренции и сегодня. Но и в производстве стекла происходят качественные изменения. Появляются новые продукты с увеличенным светопропусканием и светорассеиванием.
Нидерланды, несомненно, являются авторитетной страной в области производства растительной продукции в защищенных грунтах. Голландские исследователи изложили материалы многолетних экспериментов по применению рассеянного света в теплицах. Wageningen UR Greenhouse Horticulture привели данные о том, что рассеянный свет благотворно действует на растения. Время производства сокращается до 25%. Урожайность для плодовых культур увеличивается на 6-12%, в зависимости от вида растений. Данный эффект достигается благодаря диффузному свету.
Так что же такое диффузный свет и как его получить в промышленных тепличных комплексах? Солнечный свет, проходя через обычное оконное стекло, претерпевает изменения согласно законам физики. Масса стекла и фазовая граница стекло-воздух вызывают такие эффекты, как отражение, поглощение, преломление, рассеивание света. На разные спектры светового излучения степень воздействия различна. В нашем случае, рассматривая эффект диффузии (светорассеивания), мы можем упростить схему и пренебречь различием в цифрах коэффициента светорассеяния для разных спектров солнечного излучения и наблюдать совокупный световой поток. Рисунок 1 ниже, схематично, отображает основные эффекты взаимодействия светового потока и обычного силикатного оконного стекла.
Схема прохождения светового потока через прозрачное стекло
Коэффициент рассеяния обычного силикатного оконного стекла составляет примерно 0,01-0,02. То есть через прозрачное оконное стекло проходит прямой солнечный свет с относительно небольшими светопотерями. Коэффициент светопропускания для стекла толщиной 4 мм составляет в среднем 0,88. Для увеличения светорассеяния можно использовать разные методы. Например, включить в состав стекломассы элементы, препятствующие прямому прохождению светового потока. Или же нанести покрытие на поверхность стекла с такими элементами. Но в этом случае мы неизбежно получим уменьшение светопропускания. Другой вариант – изменить структуру поверхности стекла таким образом, чтобы множественные преломления светового потока проходили сквозь стекло под различными углами, не теряя существенно своей энергии. Рассмотрим способы увеличения диффузии стекла путем изменения структуры его поверхности.
Каким образом можно воздействовать на поверхность стекла для достижения максимального эффекта диффузии света? Необходимо сделать поверхность стекла не гладкой, а шероховатой, имеющей многочисленные выступы и впадины. Например, используя старую технологию прокатного стекла. Она позволяет получить «рисунки» на поверхности стекла разной формы, размера и глубины, способствующие рассеянию света. В качестве примера можно рассмотреть такие виды прокатного стекла, как «Диамант», «Скрин», «Шиншилла». Имеющие достаточно однородный рисунок в виде углублений поверхности стекла с одной стороны. Но у прокатного стекла есть такие недостатки, как невозможность закаливания (упрочнения) ввиду неравномерной структуры поверхности, вызывающей напряжения. К тому же углубления, имеющие физические размеры от нескольких миллиметров, способствуют быстрому накоплению загрязнений, что приводит к увеличению светопотери. Толщина прокатного стекла в зависимости от узора находится в пределах от 3,6 до 4,1 мм, что делает его более хрупким и ведет к дополнительным сложностям при монтаже.
Другой, современный способ – метод химического травления обычного прозрачного стекла. На поверхность стекла наносится (наливается равномерным слоем) специальный химический раствор. Этот раствор вступает в химическую реакцию с молекулами стекла (оксидами кремния, натрия, кальция), растворяя их в неравномерной степени. При этом растворенные соединения вступают в реакцию с компонентами раствора и молекулами стекла и образуют на поверхности фториды кремния и натрия в виде конических кристаллов, очень прочно соединенных с молекулами стекла. Таким образом, поверхность матированного стекла представляет собой поле из конических выступов и впадин, равномерно распределенных по поверхности и имеющих размеры от сотых до десятых долей миллиметра. На фотографиях ниже представлены образцы прокатного стекла и матированного стекла химическим способом ЭкоМат в интерьере. Чтобы показать их рассеивающие свойства, сзади мы разместили один и тот же объект – ветку томатов.
Диамант
Скрин
Шиншилла
Матированное стекло «ЭкоМат»
Для сравнения размеров рельефа разных видов стекла сделаны макрофотографии тех же образцов с увеличением примерно в 20 раз.
Диамант
Скрин
Шиншилла
ЭкоМат
Также, для визуального восприятия, сделаны макрофотографии с аналогичным увеличением с нанесенной на поверхность стекла уличной пылью.
Скрин
ЭкоМат
Сторона квадрата углублений узора «Скрин» составляет около 2 мм. На фотографиях видно, что пылинки скапливаются в углублениях стекла с узором «Скрин» в гораздо больших количествах, чем на матированном стекле ЭкоМат. Это происходит из-за того, что размер углублений матированного стекла на порядки меньше углублений прокатного стекла. Да и размеры пылинок значительно больше, чем рельеф матовой поверхности. И только самые мелкие имеют сопоставимые размеры. При естественной влажности воздуха и процессов конденсации частички пыли будут коагулировать и адгезировать к стеклу. В случае с матированным стеклом они, большей частью, будут сдуваться и смываться осадками со стекла. Чистое матированное стекло способно пропускать количество света не меньше, чем исходное прозрачное стекло (85-90%). При этом коэффициент светорассеяния составляет 94-98%. А за счет того, что размеры этих выступов и впадин очень малы (гораздо меньше, чем размеры бытовых и атмосферных пылинок), на такой поверхности пыль скапливается в очень малых объемах, как на прозрачном стекле.
Неравномерность поверхности такого рода не создает напряжений, поэтому химически матированное стекло может обрабатываться теми же способами, что и обычное прозрачное стекло. Доступна закалка матированного стекла, обработка (шлифовка кромки, полировка, сверление и фрезеровка), если необходимо.
В чем же отличия в пропускании света прозрачным стеклом и матированным стеклом? Рассмотрим схему (Рисунок 2).
Схема прохождения светового потока через матированное стекло
Сравнивая обе схемы, можно увидеть, что у матированного стекла гораздо меньше поток отраженного света, а прошедший через матовое стекло свет распался на множество разнонаправленных потоков (диффузный или рассеянный свет). Причем суммарное количество диффузного света практически идентично проходящему сквозь прозрачное стекло.
Что нам дают такие изменения? Из физики известно, что количество отраженного света зависит от спектра и угла падения на границу фаз (воздух-стекло). Следовательно, в случае с прозрачным стеклом количество отраженного света будет зависеть от угла падения солнечного света. В случае с матированным (матовым) стеклом количество отраженного света будет минимально при любом положения солнца над горизонтом.
Второй момент. При остеклении теплиц прозрачным стеклом степень освещения различных участков будет неоднородна. При низком положении светила прямые солнечные лучи будут освещать только те растения, которые обращены к солнцу, затеняя те, которые расположены за ними. При высоком положении солнца солнечные лучи будут освещать верхние листья растений, затеняя нижние. Остекление теплиц матированным химическим способом стеклом, пропускает внутрь такое же количество света, что и прозрачное, но этот свет рассеянный. Рассеянный свет более равномерно освещает растущие культуры, улучшая фотосинтез на средних и нижних уровнях растений. Помимо этого, в случае активного наружного излучения на листьях растений не возникает локальных участков пересвета и перегрева.
Такой эффект может наблюдать любой человек, делающий фотоснимки. На ярком солнечном свете люди и предметы выглядят очень контрастно. Участки, обращенные к солнцу, «выгорают», выглядят очень яркими, вплоть до потери цвета на готовой фотографии. А участки, находящиеся в тени, наоборот, очень темными, на которых не видно деталей фактуры и цвета. Если же небо закрывает дымка или легкая облачность (естественный диффузный свет), то предметы и люди получаются на фотографиях равномерно освещенными, с хорошей детализацией в светах и тенях.
Посмотрим на примере фотографий плодов томата, сделанных на модели теплицы, в прямом солнечном свете, проходящем через прозрачное стекло и через матовое. Прямой солнечный свет имитирует точечный источник (студийная фотовспышка) с цветовой температурой 5500К, что примерно соответствует цветовой температуре полуденного солнца.
Модель теплицы с прозрачным стеклом
Фотография плодов в теплице с прозрачным стеклом
Увеличенный фрагмент томатов в теплице с прозрачным стеклом
Модель теплицы с матированным стеклом «ЭкоМат»
Фотография плодов в теплице с матированным стеклом «ЭкоМат»
Увеличенный фрагмент томатов в теплице с матированным стеклом «ЭкоМат»
Сравнивая количественные показатели коэффициентов светопропускания, светопреломления, светоотражения и светорассеяния матированного стекла ЭкоМат, производимого в г.Воронеж компанией ЗАО «АвтоСтройСтекло», приведенные в Таблице, можно сделать вывод, что матированное химическим способом стекло обеспечивает более равномерное освещение коммерческих культур, выращиваемых в теплице. Это приводит к увеличению фотосинтеза, ускорению роста и увеличению урожайности. Матированное стекло, используемое при остеклении теплиц, позволяет получить меньшую зависимость от положения солнца. Количество света, попадающего на растения, будет более равномерным в периоды низкой активности солнца и его положения, и не будет возникать фотоингибирования в периоды высокой активности солнца и его положения. То есть, матированное стекло создает поток света в теплице, обеспечивающий более эффективный фотосинтез при любых условиях внешнего освещения.
На данный момент, ЗАО «АвтоСтройСтекло» осуществляет поставки матированного стекла в рамках контракта по остеклению тепличного комплекса в Краснодарском крае. Непосредственно работы по изготовлению светопрозрачных конструкций с использованием матированного стекла ЭкоМат выполняет компания АО «РСК» (г.Краснодар).
