Як розрахувати водоспоживання теплиці? Повне керівництво

Точний розрахунок водоспоживання це не просто питання економії ресурсів. Це основа рентабельності тепличного бізнесу, запорука здоров'я рослин та фундамент для проектування ефективної системи зрошення. Помилка у розрахунках на етапі проектування може призвести до катастрофічних наслідків: від загибелі врожаю через нестачу води в пікові періоди до невиправданих капіталовкладень у надто потужне обладнання.

НоваТеплица підготували вичерпне керівництво, засноване на агрономічних та інженерних практиках. Ми детально розберемо всі фактори, що впливають на споживання води, розглянемо професійні та спрощені методики розрахунку, наведемо конкретні приклади та торкнемося нормативної бази України.

Фундаментальні фактори, що впливають на водоспоживання

Розрахунок споживання води в теплиці – це багатофакторне завдання. Не можна просто взяти "середнє" число. Споживання води - це динамічна величина, яка залежить від чотирьох ключових груп факторів.

Кліматичні та погодні умови

Це найпотужніший драйвер споживання води. Рослина випаровує воду для охолодження, і цей процес (транспірація) безпосередньо пов'язаний з енергією, яку вона отримує.

• Сонячна радіація (інсоляція): Головний фактор. Чим більше сонця (вимірюється в Вт/м2 або МДж/м2/добу), тим активніше йде фотосинтез і транспірація. Споживання води прямо пропорційне до рівня радіації.
• Температура повітря: Високі температури збільшують випаровування та транспірацію.
• Вологість повітря (Дефіцит тиску пари – VPD): Це один із ключових показників у сучасних теплицях. VPD - це різниця між тим, скільки водяної пари повітря може утримати при поточній температурі, і тим, скільки він реально містить.
  • Низький VPD (висока вологість): Рослинам "важко" випаровувати воду. Це може призвести до перегріву листа та проблем із засвоєнням кальцію (вершинна гниль).
  • Високий VPD (низька вологість): Повітря “витягує” вологу з рослин, викликаючи сильну транспірацію та водний стрес.
• Швидкість вітру: Впливає на теплиці з природною вентиляцією, збільшуючи повітрообмін та, як наслідок, випаровування.

Культура та її агротехніка

• Тип культури: Огірок (має велику площу листа) споживає значно більше води, ніж, наприклад, салат чи томат.
• Стадія розвитку (Фенофаза): Споживання води мінімальне на етапі розсади і досягає абсолютного піку в період масового плодоношення та збирання врожаю.
• Індекс листової поверхні (LAI – Leaf Area Index): Це загальна площа листя на 1 м² площі теплиці. У дорослого томату LAI може досягати 3-4 м²/м², що означає, що поверхня, що випаровує, в 3-4 рази більше площі ґрунту.
• Щільність посадки: Більше рослин на м2 - вище сумарне споживання.

Тип теплиці та її обладнання

• Матеріал покриття: Плівка, полікарбонат чи скло по-різному пропускають світло (особливо УФ-спектр) та утримують тепло, впливаючи на мікроклімат.
• Вентиляція: Примусова (вентилятори) чи природна (фрамуги). Ефективність вентиляції безпосередньо впливає на температуру та VPD.
• Системи зашторювання (Екрани): Енергозберігаючі та затіняючі екрани кардинально змінюють мікроклімат, знижуючи інсоляцію і, отже, споживання води.

Технологія поливу та субстрат

• Система зрошення:
  • Краплинний полив: Найпоширеніший і найефективніший (ККД 90-95%). Дозволяє подавати воду та харчування безпосередньо у прикореневу зону.
  • Гідропоніка (малооб'ємна технологія): Використовує інертні субстрати (мінеральна вата, кокос) або системи (NFT, DWC). Тут розрахунок ведеться з урахуванням обов'язкового дренажу.
• Тип субстрату:
  • Грунт: Має високу буферність і водоутримуючу здатність (ВУС).
  • Мінеральна вата / Кокосовий субстрат: Мають обмежену ВУС та вимагають частого, дробового поливу (до 10-20 разів на добу) для підтримки оптимальної вологості та EC.

Методи розрахунку водоспоживання

Існує кілька підходів до розрахунку від високоточних наукових до спрощених практичних.

Метод 1: На основі евапотранспірації (ET) – "Золотий стандарт"

Цей метод найбільш точний, оскільки базується на фізиці процесу. Загальне водоспоживання (ET) складається з:

• E (Evaporation): Випаровування з поверхні субстрату/грунту.
• T (Transpiration): Випаровування через листя рослини (95-99% всього споживання).

У професійних агрономічних розрахунках використовується опорна евапотранспірація (ET₀), розрахована за складною формулою Пенмана-Монтейта, яка враховує радіацію, температуру, вологість та вітер.

Далі обчислюється евапотранспірація культури (ETc): ETc = ET₀ * Kc Де Kc - Коефіцієнт культури, що залежить від її типу і фази зростання (наприклад, для томату в піку він може бути 1.05 - 1.2).

Практичне застосування у теплиці: Формула Пенмана-Монтейта складна. Насправді агрономи, використовують клімат-комп'ютери, спираються на прямі виміри сонячної радіації.

• Емпіричне правило: Рослина використовує приблизно 0.6 - 0.8 літра води на кожен МДж (Мегаджоуль) сумарної сонячної радіації, отриманої на 1 м2.
• Приклад: Сонячного літнього дня в Україні теплиця може отримати 18 МДж/м² радіації. Споживання = 18 МДж/м² * 0.7 л/МДж = 12.6 л/м² Це чисте споживання рослиною.

Метод 2: Спрощений (за площею та культурою)

Цей метод використовує усереднені, перевірені практикою норми водоспоживання на 1 м або 1 гектар. Він менш точний, але достатній для попереднього проектування та теплиць без складної автоматики.

Орієнтовні норми пікового водоспоживання (Літо, Україна):

Культура	Технологія	Середнє пікове споживання (л/м²/добу)	Максимальне (на випадок спеки) (л/м²/добу)
Томат	Малооб'ємна (мінвата/кокос)	6.0 – 9.0	12.0
Томат	Грунтова теплиця	5.0 – 7.0	9.0
Огірок	Малооб'ємна (мінвата/кокос)	7.0 – 10.0	14.0
Огірок	Грунтова теплиця	6.0 – 8.0	11.0
Салат	Проточна гідропоніка (NFT)	3.0 – 5.0	7.0
Перець	Малооб'ємна (мінвата/кокос)	5.0 – 8.0	10.0

Примітка: У весняний/осінній періоди ці значення можуть бути в 2-3 рази нижче (2-4 л/м2/добу).

Метод 3: Розрахунок через дренаж (для гідропоніки)

Це не стільки метод проектування, скільки метод щоденного управління поливом. Його мета - не дати накопичитися надлишкам солей (EC) у субстраті.

Логіка: Ми подаємо води більшечим рослина може спожити, і вимірюємо надлишок (дренаж).

V_споживання = V_подача - V_дренаж

Цільовий відсоток дренажу:

• Мінеральна вата: 25-35%
• Кокосовий субстрат: 20-30%

Це означає, що якщо ми хочемо, щоб рослина споживало 6 л/м², ми повинні подати йому: V_подача = V_споживання / (1 - %дренажу) V_подача = 6 л/(1 - 0.30) = 6/0.7 = 8.57 л/м²

Таким чином, система поливу має бути розрахована на подачу 8.57 л/м², з яких 6 л піде в рослину, а 2.57 л (30%) піде в дренаж.

Приклад комплексного розрахунку (Проектування системи)

Розрахуємо добову потребу та необхідну потужність насоса для фермерської теплиці.

Вихідні дані:

• Об'єкт: Теплиця 1500 м ² (0.15 га).
• Розташування: Черкаська область, Україна.
• Культура: Томат (індетермінантний).
• Технологія: Малооб'ємний, кокосовий субстрат.
• Система поливу: Крапельне зрошення.

Крок 1. Визначення пікового добового споживання

Ми проектуємо систему на найспекотніший, сонячний день у липні (пік плодоношення).

• Беремо максимальну норму таблиці (Метод 2) для томату на кокосі: 9.0 л/м² (це чисте споживання рослиною).
• Додаємо запас на аномальну спеку: +20% = 9.0*1.2 = 10.8 л/м².

Крок 2. Облік дренажу

Для кокосу нам потрібний дренаж ~30% для вимивання солей.

• V_подача (загальна) = V_споживання / (1 - %дренажу)
• V_подача = 10.8 л/м²/(1 - 0.30) = 10.8/0.7 = 15.43 л/м²
• Округлюємо до 15.5 л/м².

Крок 3. Розрахунок загального добового обсягу

• V_доба = V_подача * Площа
• V_доба = 15.5 л/м² * 1500 м² = 23250 літрів
• Разом: 23.25 м³ на добу. Це обсяг води, який має бути доступний (накопичувальна ємність, свердловина).

Крок 4. Розрахунок необхідної продуктивності насоса (Q)

Полив у теплиці не триває 24 години на добу. Він здійснюється циклами (наприклад, 15 циклів по 5 хвилин). Загальний час роботи насосної станції за добу (сума всіх циклів) у піковий день може становити, наприклад, 3-4 години.

• Візьмемо до розрахунку 4 години (240 хвилин) роботи насоса на добу.
• Q (м³/год) = V_доба / Час роботи
• Q = 23.25 м / 4 години = 5.81 м / год
• Додаємо інженерний запас 15% (на втрати в трубах, знос насоса):
• Q_необхідний = 5.81 * 1.15 = 6.68 м³/год

Висновок: Для даної теплиці потрібна насосна станція продуктивністю не менше 6.7 м3/год (або ~112 л/хв), здатна створювати необхідний робочий тиск (зазвичай 1.5-2.5 атм для краплинних систем).

Технічні аспекти та маркування обладнання

Крапельне зрошення

• Крапельниці: Для теплиць використовуються майже виключно компенсовані (PC – Pressure Compensated) крапельниці. Вони видають однаковий об'єм води (наприклад, 2 л/год) при різному тиску в системі (в межах 0.5-3.0 бар), що є критичним для рівномірності поливу.
• Маркування: Ключовий параметр – водовилив (л/год).
  • 2.0 л/год: Стандарт для більшості субстратів (мінвата, кокос)
  • 3.0 - 4.0 л/год: Використовуються рідше, для ґрунтів або культур, що дуже “питають”.
• Відстань між крапельницями:
  • Томат, Огірок (на субстраті): 30-40 см.
  • Перець: 25-33 см.
• Розрахунок лінії: Якщо у вас 100-метровий ряд із крапельницями 2 л/год через кожні 30 см (3.3 шт/м), то: Витрата ряд = 100 м * 3.3 шт/м * 2 л/год/шт = 660 л/год (0.66 м³/ч) Це знання потрібне для правильного підбору діаметра магістральних труб.

Труби та розміри

• Крапельна трубка (сліпа) з крапельницями: 16 мм або 20 мм.
• Розвідні (другорядні) магістралі: ПНД (HDPE) труба 32 мм, 40 мм, 50 мм.
• Головна магістраль (від насоса): ПНД (HDPE) або ПВХ (PVC) 50 мм, 63 мм, 75 мм, 90 мм (залежить від загальної витрати).

Норми та допуски в Україні

Якість води

Немає єдиного "ДСТУ на поливну воду". Агрономи керуються параметрами, що рекомендуються. Вихідна вода (зі свердловини або водойми) ДО змішування з добривами повинна в ідеалі відповідати:

Параметр	Позначення	Рекомендована межа (Україна)	Проблеми при перевищенні
Електропровідність	EC	< 1.0 мСм/см (макс. 1.5)	Складно готувати поживний розчин, ризик засолення
Кислотність	pH	5.5 – 7.0	Проблеми з розчинністю добрив, корозія
Загальна жорсткість	–	< 4.0 ммоль/л	Засмічення крапельниць (кальцій, магній)
Бікарбонати	HCO₃⁻	< 120 мг/л	"Залужування" субстрату, блокування крапельниць
Натрій	Na⁺	< 50 мг/л	Токсичний для рослин, руйнує структуру ґрунту
Хлор	Cl⁻	< 70 мг/л	Токсичний для рослин (особливо огірок, троянда)
Залізо (загальне)	Fe	< 0.5 мг/л (макс. 1.0)	Сильне засмічення крапельниць (залізисті бактерії)

Висновок: Перед проектуванням теплиці лабораторний аналіз води є обов'язковим. Від нього залежить вибір системи водопідготовки (знезалізнення, пом'якшення, зворотний осмос).

Утилізація дренажу

Це одне з найгостріших екологічних питань. Водний кодекс України та інші нормативні акти забороняють скидання дренажних вод (що містять високі концентрації нітратів, фосфатів) у відкриті водойми або на рельєф.

• Рішення: Сучасні тепличні комплекси повинні проектувати системи рециркуляції (замкнутого циклу).
• Процес: Дренаж збирається, фільтрується, знезаражується (зазвичай УФ-стерилізаторами або озонуванням) та повертається назад у розчинний вузол для повторного використання. Це заощаджує до 20-30% води та добрив і вирішує екологічну проблему.

Поради експертів та часті помилки

• Помилка: Проектування "впритул". Ніколи не проектуйте насос та магістралі точно за розрахунковим піковим споживанням. Завжди майте запас 15-25%. В аномально жаркий тиждень система, що працює на 100% потужності, вийде з ладу.
• Порада: Почніть із аналізу води. Це є фундамент. Система зворотного осмосу може коштувати дорого, і це потрібно знати до початку будівництва
• Економія на автоматиці. Полив "по годинниках" (таймером) - це минуле століття. У похмурий день він заллє рослини, сонячний — не доллє. Мінімально необхідна автоматика – контролер поливу за сумою сонячної радіації. Він подає поливні цикли тільки тоді, коли рослина "заробила" (отримало дозу сонця).
• Порада: Думайте про нагромадження. Свердловина або колодязь рідко можуть забезпечити піковий витрата (наприклад, 7 м3/год). Необхідна накопичувальна ємність (бак, резервуар), яка повільно наповнюється з джерела та швидко спустошується насосом поливу. Її обсяг має покривати хоча б 1-2 добову пікову потребу.
• Порада: Моніторинг. Найточніший розрахунок – це щоденний вимір. Встановіть у теплиці прості лізиметри (ваги під 1-2 матами) або просто міряйте об'єм дренажу з кількох рядів. Це дасть вам реальну картину споживання та дозволить вчасно скоригувати полив.