[Abstract]Attualmente, i dispositivi per la piantumazione domestica adottano solitamente un design integrato, che comporta notevoli disagi per gli spostamenti e le operazioni di carico e scarico. Sulla base delle caratteristiche dello spazio abitativo dei residenti urbani e dell'obiettivo progettuale della produzione di piante per uso familiare, questo articolo propone un nuovo tipo di dispositivo prefabbricato per la piantumazione familiare. Il dispositivo è composto da quattro parti: un sistema di supporto, un sistema di coltivazione, un sistema di irrigazione e fertilizzazione e un sistema di integrazione luminosa (principalmente, luci di coltivazione a LED). Presenta un ingombro ridotto, un elevato sfruttamento dello spazio, una struttura innovativa, facilità di smontaggio e montaggio, costi contenuti e un'elevata praticità. Può soddisfare le esigenze dei residenti urbani in termini di lattuga, sedano, ortaggi a rapida crescita, cavolo nutriente e begonia fimbristipula. Dopo modifiche su piccola scala, può essere utilizzato anche per la ricerca sperimentale scientifica sulle piante.

Progettazione complessiva delle attrezzature di coltivazione

Principi di progettazione

Il dispositivo di coltivazione prefabbricato è principalmente orientato ai residenti urbani. Il team ha studiato a fondo le caratteristiche dello spazio abitativo dei residenti urbani. L'area è piccola e il tasso di utilizzo dello spazio è elevato; la struttura è innovativa ed esteticamente gradevole; è facile da smontare e montare, semplice e intuitiva; ha un costo contenuto e una solida praticità. Questi quattro principi permeano l'intero processo di progettazione e mirano a raggiungere l'obiettivo finale di armonizzarsi con l'ambiente domestico, offrire una struttura bella e dignitosa e un valore d'uso economico e pratico.

Materiali da utilizzare

Il telaio di supporto è disponibile presso i rivenditori di prodotti multistrato, lungo 1,5 m, largo 0,6 m e alto 2,0 m. Il materiale è acciaio, verniciato a spruzzo e antiruggine, e i quattro angoli del telaio di supporto sono saldati con ruote universali con freno; la piastra nervata è stata selezionata per rinforzare la piastra dello strato del telaio di supporto, realizzata in lamiera d'acciaio spessa 2 mm con trattamento antiruggine a spruzzo, due pezzi per strato. La vasca di coltivazione è realizzata in tubolare idroponico in PVC con tappo aperto, 10 cm × 10 cm. Il materiale è un pannello in PVC rigido, con spessore di 2,4 mm. Il diametro dei fori di coltivazione è di 5 cm e la spaziatura tra i fori di coltivazione è di 10 cm. Il serbatoio della soluzione nutritiva o il serbatoio dell'acqua è costituito da una scatola di plastica con uno spessore di parete di 7 mm, con una lunghezza di 120 cm, una larghezza di 50 cm e un'altezza di 28 cm.

Progettazione della struttura del dispositivo di coltivazione

Secondo il progetto generale, il dispositivo prefabbricato per la coltivazione familiare è composto da quattro parti: un sistema di supporto, un sistema di coltivazione, un sistema di irrigazione e fertilizzazione e un sistema di integrazione luminosa (principalmente, lampade a LED). La distribuzione nel sistema è mostrata nella Figura 1.

Nella figura 1 è mostrata la distribuzione nel sistema.

Progettazione del sistema di supporto

Il sistema di supporto del dispositivo di coltivazione familiare prefabbricato è composto da un palo verticale, una trave e una piastra di supporto. Il palo e la trave vengono inseriti attraverso la fibbia a farfalla, che è comoda da smontare e rimontare. La trave è dotata di una piastra di supporto rinforzata con nervature. I quattro angoli del telaio di coltivazione sono saldati con ruote universali con freni per aumentare la flessibilità di movimento del dispositivo di coltivazione.

Progettazione del sistema di coltivazione

Il serbatoio di coltivazione è un tubo quadrato idroponico di 10 cm x 10 cm con coperchio aperto, facile da pulire e utilizzabile per la coltivazione con soluzione nutritiva, substrato o terreno. Nella coltivazione con soluzione nutritiva, il cestino per la semina viene posizionato nella buca di semina e le piantine vengono fissate con una spugna di specifiche appropriate. Durante la coltivazione del substrato o del terreno, una spugna o una garza vengono inserite nei fori di collegamento su entrambe le estremità del serbatoio di coltivazione per evitare che il substrato o il terreno ostruiscano il sistema di drenaggio. Le due estremità del serbatoio di coltivazione sono collegate al sistema di circolazione tramite un tubo di gomma con un diametro interno di 30 mm, che evita efficacemente i difetti di solidificazione strutturale causati dall'incollaggio con colla in PVC, che non favorisce il movimento.

Progettazione del sistema di circolazione dell'acqua e dei fertilizzanti

Nella coltivazione con soluzione nutritiva, utilizzare una pompa regolabile per aggiungere la soluzione nutritiva al serbatoio di coltivazione di livello superiore e controllare la direzione del flusso della soluzione nutritiva attraverso il tappo interno del tubo in PVC. Per evitare un flusso irregolare della soluzione nutritiva, la soluzione nutritiva nel serbatoio di coltivazione a strato uniforme adotta un metodo di flusso unidirezionale a "S". Per aumentare il contenuto di ossigeno della soluzione nutritiva, quando lo strato più basso di soluzione nutritiva fuoriesce, viene progettato un certo spazio tra l'uscita dell'acqua e il livello del liquido nel serbatoio dell'acqua. Nella coltivazione su substrato o terreno, il serbatoio dell'acqua viene posizionato sullo strato superiore e l'irrigazione e la fertilizzazione vengono effettuate tramite un sistema di irrigazione a goccia. Il tubo principale è un tubo in PE nero con un diametro di 32 mm e uno spessore di parete di 2,0 mm, mentre il tubo di derivazione è un tubo in PE nero con un diametro di 16 mm e uno spessore di parete di 1,2 mm. Ogni tubo di derivazione deve essere installato con una valvola per il controllo individuale. Il sistema Drop Arrow utilizza un gocciolatore a freccia dritta autocompensato, 2 per foro, inserito nella radice della piantina nel foro di coltivazione. L'acqua in eccesso viene raccolta attraverso il sistema di drenaggio, filtrata e riutilizzata.

Sistema di integrazione leggera

Quando il dispositivo di coltivazione viene utilizzato per la produzione sul balcone, la luce naturale del balcone può essere utilizzata senza luce supplementare o con una piccola quantità di luce supplementare. Quando si coltiva in soggiorno, è necessario progettare l'illuminazione supplementare. L'apparecchio di illuminazione è una lampada a LED lunga 1,2 m e il tempo di illuminazione è controllato da un timer automatico. Il tempo di illuminazione è impostato su 14 ore, mentre il tempo di illuminazione senza luce supplementare è di 10 ore. Ci sono 4 luci a LED in ogni strato, installate nella parte inferiore dello strato. I quattro tubi sullo stesso strato sono collegati in serie e gli strati sono collegati in parallelo. In base alle diverse esigenze di illuminazione delle diverse piante, è possibile selezionare luci a LED con diversi spettri.

Assemblaggio del dispositivo

Il dispositivo prefabbricato per la coltivazione domestica ha una struttura semplice (Figura 2) e un processo di assemblaggio semplice. Nella prima fase, dopo aver determinato l'altezza di ogni strato in base all'altezza delle colture coltivate, inserire la trave nel foro a farfalla del palo verticale per costruire lo scheletro del dispositivo; nella seconda fase, fissare il tubo luminoso a LED sulla nervatura di rinforzo sul retro dello strato e posizionare lo strato nella vasca interna della traversa del telaio di coltivazione; nella terza fase, la vasca di coltivazione e il sistema di circolazione dell'acqua e dei fertilizzanti sono collegati tramite un tubo di gomma; nella quarta fase, installare il tubo a LED, impostare il timer automatico e posizionare il serbatoio dell'acqua; nella quinta fase, debug del sistema, aggiungere acqua al serbatoio. Dopo aver regolato la prevalenza e la portata della pompa, controllare il sistema di circolazione dell'acqua e dei fertilizzanti e il collegamento del serbatoio di coltivazione per eventuali perdite d'acqua, accendere e controllare il collegamento delle luci a LED e il funzionamento del timer automatico.

Figura 2, progettazione complessiva del dispositivo di coltivazione prefabbricato

Applicazione e valutazione

Applicazione di coltivazione

Nel 2019, il dispositivo sarà utilizzato per la coltivazione indoor su piccola scala di ortaggi come lattuga, cavolo cinese e sedano (Figura 3). Nel 2020, sulla base della precedente esperienza di coltivazione, il team di progetto ha sviluppato la coltivazione su substrato organico dell'ortaggio omologo per alimenti e medicinali e la tecnologia di coltivazione in soluzione nutritiva di Begonia fimbristipula hance, che ha arricchito gli esempi di applicazione domestica del dispositivo. Negli ultimi due anni di coltivazione e applicazione, lattuga e ortaggi a rapida crescita possono essere raccolti 25 giorni dopo la coltivazione a una temperatura interna di 20-25 °C; il sedano deve crescere per 35-40 giorni; Begonia fimbristipula hance e cavolo cinese sono piante perenni che possono essere raccolte più volte; Begonia fimbristipula può raccogliere i primi 10 cm di steli e foglie in circa 35 giorni, mentre i giovani steli e foglie possono essere raccolti in circa 45 giorni per la coltivazione del cavolo. Una volta raccolti, la resa di lattuga e cavolo cinese è di 100~150 g per pianta; la resa di sedano bianco e sedano rosso per pianta è di 100~120 g; la resa di Begonia fimbristipula Hance nel primo raccolto è bassa, 20-30 g per pianta, e con la germinazione continua dei rami laterali, può essere raccolta per la seconda volta, con un intervallo di circa 15 giorni e rese di 60-80 g per pianta; la resa del foro del menu nutriente è di 50-80 g, raccolto una volta ogni 25 giorni e può essere raccolto continuamente.

Figura 3, Applicazione produttiva del dispositivo di coltivazione prefabbricato

Effetto dell'applicazione

Dopo oltre un anno di produzione e applicazione, il dispositivo può sfruttare appieno lo spazio tridimensionale della stanza per la produzione su piccola scala di una varietà di colture. Le operazioni di carico e scarico sono semplici e facili da apprendere e non richiedono una formazione professionale. Regolando la portata e la portata della pompa dell'acqua, è possibile evitare il problema del flusso eccessivo e del traboccamento della soluzione nutritiva nel serbatoio di coltivazione. Il design a coperchio aperto del serbatoio di coltivazione non solo è facile da pulire dopo l'uso, ma anche facile da sostituire in caso di danni agli accessori. Il serbatoio di coltivazione è collegato al tubo di gomma del sistema di circolazione dell'acqua e dei fertilizzanti, realizzando così il design modulare del serbatoio di coltivazione e del sistema di circolazione dell'acqua e dei fertilizzanti, evitando gli svantaggi del design integrato dei tradizionali dispositivi idroponici. Inoltre, il dispositivo può essere utilizzato per la ricerca scientifica in condizioni di temperatura e umidità controllabili, oltre che per la produzione agricola domestica. Non solo consente di risparmiare spazio di prova, ma soddisfa anche i requisiti dell'ambiente di produzione, in particolare per quanto riguarda la coerenza dell'ambiente di crescita delle radici. Dopo un semplice miglioramento, il dispositivo di coltivazione può anche soddisfare i requisiti di diversi metodi di trattamento dell'ambiente della rizosfera ed è stato ampiamente utilizzato negli esperimenti scientifici sulle piante.

Fonte dell'articolo: account Wechat diTecnologia di ingegneria agricola (orticoltura in serra) 

Informazioni di riferimento: Wang Fei, Wang Changyi, Shi Jingxuan, et al.Progettazione e applicazione di dispositivi di coltivazione domestica prefabbricati[J].Agricultural Engineering Technology,2021,41(16):12-15.