Telebayev E.E., Zakiruly O., BeisembekovZh.Zh

 

18 

«ЗАМАНАУИ СЫН-ТЕГЕУРІНДЕР МЕН ҚОҒАМНЫҢ ЖАҺАНДАНУ ЖАҒДАЙЫНДА ҚАЗАҚСТАНДАҒЫ 

БІЛІМ МЕН ҒЫЛЫМНЫҢ ИННОВАЦИЯЛЫҚ ҼЛЕУЕТІ» 

халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары 

28-29 қазан, 2016 ж.

 

 

 

control to achieve these challenging goals, including lower emissions and reduced production 

costs. The most important stage in the research of algorithms of management of technological 

objects  is  to  develop  a  model  of  the  object,  which  reflects  the  processes  occurring  in  the 

object.  Typical  solutions  for  managing  objects  are  based  on  simple  models,  operating  with 

abstract parameters. Such models, in connection with the abstract nature of the parameters do 

not  allow  in-depth  study  and  changes  in  the  characteristics  of  the  object.  For  more  in-depth 

research  and  synthesis  of  automatic  control  systems  of  interest  are  models  that  reveal  the 

physical  basis  of  operation  of  the  facility.  This  article  describes  a  practical  approach 

aboutgreenhouse control system 

Keywords: parameters of microclimate, thermos greenhouse, optimal environment 

1. Introduction 

The world population is expected to grow by one more billion people within the next 

13  years.  Conventional  agricultural  methods  show  obvious  limitations  and  are  not  efficient 

enough  to  produce  sufficient  food  for  everyone.  Land  that  is  unprofitable    for  traditional 

farming  contributes  to  shortages,  by  urban  conditions  that  prevent  self-sufficiency.  Drought 

conditions and the lack of access to certain resources exist all over the world and are the most 

important cause of food insecurity on the continent. There is, however, enough sun light and 

water to sustainably feed the world population. 

Development of small-scale and even large-scale greenhouses all over Kazakhstan can 

have  a  significant  impact  on  food  security,  malnutrition  and  economic  development  in 

Kazakhstan. The national government of Kazakhstan is in support of projects like these and it 

is critical to ensure that the outcome is successful and sustainable. Several different types of 

greenhouse  structures  are  available  in  Kazakhstan.  However,  there  is  limited  sufficient 

scientific information available on the performance of different types of greenhouses, cooling 

systems,  heating  systems  and  climate  control  installations.  Since  the  typical  climate  of 

Kazakhstan generally causes supra-optimum temperatures in greenhouses, the focus of studies 

should  be  on  comparing  the  performance  of  different  cooling  systems  in  the  country. 

Similarly, there are no comprehensive studies aimed at screening and analyzing the low-cost 

greenhouses concerning the sustainability of producing food crops, with less intensive climate 

control.  Typical  cooling  systems  installed  in  Kazakhstan  include  evaporative  cooling 

(fogging, pad and fan) and natural ventilation (roof/side or roof and side ventilation or the use 

of shade netting). Based on the above analysis, a study on the engineering of sustainable and 

appropriate  greenhouse  technologies  in  Kazakhstan  needs  to  be  undertaken,  in  order  to 

identify or develop the best greenhouse technologies that can be the best-fitted to the different 

agro-climatic conditions in the country. 

2. Substantiation of parameters of microclimate in greenhouses 

2.1 Greenhouse climate parameters 

Plants  require  specific  factors  that  enhance  growth  resulting  from  photosynthesis. 

Physiological  fluxes  are  optimized  by  limiting  plant  stress  caused  by  unfavourable  climate 

parameters.  These  parameters,  namely,  temperature,  relative  humidity,  light  and  carbon 

dioxide, are given in the sections below. 

Temperature 

Temperature has a direct impact on the physiological development phases (flowering, 

germination,  development)  of  the  plant,  controls  the  transpiration  rate  and,  in  turn,  controls 

the  plant  water  status  through  stomatal  control  during  the  photosynthesis.  Temperature 

requirements in a greenhouse depend largely on the type of crop to be grown.  

Each  crop  and  its  development  process  responds  differently  to  temperature.  High 

temperatures generally cause an escalation in plant growth rates, with an increase in leaf area. 

It  then  stimulates  a  greater  transpiration  rate  in  the  plants,  which  try  to  cool  down,  and  this 

 

19 

«ЗАМАНАУИ СЫН-ТЕГЕУРІНДЕР МЕН ҚОҒАМНЫҢ ЖАҺАНДАНУ ЖАҒДАЙЫНДА ҚАЗАҚСТАНДАҒЫ 

БІЛІМ МЕН ҒЫЛЫМНЫҢ ИННОВАЦИЯЛЫҚ ҼЛЕУЕТІ» 

халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары 

28-29 қазан, 2016 ж.

 

 

 

 

can  result  in  water  loss  and  an  imbalance  of  the  distribution  of  photosynthesis.  This  can,  in 

turn, cause physical disorders and restrict the reproductive development of plants. 

The  difference  between  day  and  night  temperatures,  as  well  as  the  average  24-hour 

temperatures can also affect plant growth. Low temperatures can have a significant effect on 

growth rates  and  can influence  fruit and seed production. As further described in  Section 6, 

Kazakhstan is characterized by several different  climatic conditions. Temperature of climate 

area  plays  a  large  role  in  greenhouse  design.  When  it  comes  to  greenhouse  production, 

Kazakhstan generally has very high temperatures that can limit the success of all-year-round 

greenhouse crop production. This will be carefully considered when designing structures and 

control systems. 

 

Relative Humidity 

It  is  critical  that  the  correct  balance  of  temperature  and  humidity  kept  in  the 

greenhouse.  Humidity  control  remains  a  challenge  and  high  or  low  humidity  levels  affect 

plant development. Vapour pressure deficit (VPD) is the difference between the air‘s moisture 

content  and  the  amount  of  moisture  air  can  hold  when  it  is  saturated.  High  VPD  usually 

caused  by  high  temperatures  and  low  humidity  and  affects  plant  growth  by  causing  high 

stomatal  resistance  and  plant  water  stress  and  the  plant  transpires  more  water  than  it  can 

absorb. Low VPD, in turn, caused low plant transpiration and associated physical disorders. 

The  main  challenge  with  humidity  control  is  the  interaction  with  temperature.  Many 

greenhouse  operations  are  moving  towards  controlling  the  greenhouse  according  to  VPD  or 

moisture deficit, which measure the combined effect, rather than controlling only the relative 

air humidity (RH). Areas specifically on the Kazakhstan‘s line have very high humidity and 

the effect of such external conditions can have detrimental implications on greenhouse crops. 

Designs and control systems have thus to be adjusted for these specificconditions. Moreover, 

the effectiveness of different greenhouse designs and control systems in terms of maintaining 

the optimum inside relative air humidity needs are understood. 

Light Intensity 

The  growth  of  plants  is  controlled  by  three  light  (photo)  processes,  namely 

photosynthesis, photomorphogenesis and photoperiodism. Every variation in light has a direct 

effect  on  these  processes.  Light  is  part  of  the  photosynthesis  process,  by  converting  carbon 

dioxide  into  organic  material  and  then  releasing  oxygen  in  the  presence  of  light. 

Photomorphogenesis is the way of plants developing under the influence of different types of 

light and photoperiodism is how the plant reacts to different day-lengths  and whether it will 

seed or flower. The most important process is photosynthesis and light is the primary energy 

source to enable this process. In Kazakhstan, light levels are generally sufficient for effective 

plant production and artificial lighting is only for crops that need longer day lengths. 

Carbon Dioxide 

Carbon  dioxide  (CO2)  is  the  primary  substrate  for  the  creation  of  photosynthates 

during photosynthesis. It accelerates plant growth by increasing net photosynthesis in plants. 

A  well-ventilated  greenhouse  in  Kazakhstan  with  healthy  gas  exchange  rates  and  air 

circulation  should  ultimately  have  CO2  levels  of  approximately  300ppm.  Increasing  CO2 

levels from the natural level to a concentration of between 700 and 900 μ11-1 enhances plant 

growth. Recent studies have shown that plants do not really benefit much from dosing when 

CO2  levels  exceed  1000  μ11-1.  CO2  is  absorbed  via  stomata  in  the  plant  and  effective 

absorption of CO2 in a greenhouse is, therefore, strongly dependent on other climate factors 

affecting the stomata openings in the plant. 

2.2 Climate control installations 

Cooling Systems 

 

20 

«ЗАМАНАУИ СЫН-ТЕГЕУРІНДЕР МЕН ҚОҒАМНЫҢ ЖАҺАНДАНУ ЖАҒДАЙЫНДА ҚАЗАҚСТАНДАҒЫ 

БІЛІМ МЕН ҒЫЛЫМНЫҢ ИННОВАЦИЯЛЫҚ ҼЛЕУЕТІ» 

халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары 

28-29 қазан, 2016 ж.

 

 

 

A  big  challenge  of  greenhouse  growing  and  greenhouse  production  is  cooling  of  the 

internal  climate.  High  summer  temperatures  directly  influence    the  success  of  year-round 

greenhouse crop production. Greenhouse designers should consider the economic viability of 

a cooling system that successfully controls the microclimate of the greenhouse in relation to 

external climatic conditions. A brief description of the different technologies and challenges 

are provided in the subsections below. 

Greenhouse ventilation systems 

The greenhouse structure will be specifically designed to the choice of ventilation and 

cooling.  Net  solar  radiation  in  a  greenhouse  can  reach  values  ranging  between  500  and  600 

W.m-2.  To  maintain  the  inside  temperatures  of  the  greenhouse  close  to  the  outside 

temperatures, about 200-250 W.m-2 of sensible heat will be removed. 

Ventilation  will  provide  temperature  control  to  prevent  the  extreme  build-up  of  heat 

during  the  summer  months,  to  control  excessive  humidity  in  the  greenhouse  and  to  ensure 

sufficient  air  exchanges  size  outside  and  inside  of  a  greenhouse  (to  manage  carbon  dioxide 

and oxygen levels in the greenhouse). 

Natural  ventilation  is  the  result  of  pressure  differences  created  by  wind  and 

temperature  gradients  between  the  inside  and  outside  of  a  greenhouse.  It  occurs  through 

openings in the greenhouse structure. It controls humidity and temperature build-up within the 

greenhouse and can ensure sufficient air exchange. It requires less energy, in some cases no 

energy  (fixed  ventilation  openings),  and  is,  therefore,  the  cheapest  method  for  cooling 

greenhouses.  Natural  ventilation  works  better  than  other  cooling  technologies  for 

greenhouses,  especially  in  humid,  tropical  and  subtropical  regions.Ventilation  openings  will 

be  optimized  in  order  to  attempt  to  cool  of  the  greenhouse,  even  in  low  wind  speed 

conditions. Ventilation areas should at least be 25-30% of the greenhouse floor area for most 

of our local Kazakhstan regions. However, limited data is available in Kazakhstan on which 

designs  and  ventilation  systems  are  scientifically  proven  the  most  effective,  with  specific 

outside conditions. 

Forced ambient air ventilation will be also implemented by installing exhaust fans and 

blowers.  Forced  ventilation  can  reduce  the  internal  air  temperature  of  the  greenhouse  and 

improve  greenhouse  conditions.  Certain  experiments,  however,  have  shown  that  forced 

ventilation  without  evaporative  cooling  pads  might  actually  increase  internal  greenhouse 

temperatures with outside conditions of low humidity and hightemperatures. 

In  several  regions  of  Kazakhstan,  closed  greenhouses  have  been  built,  where  forced 

ventilation  is  used,  but  because  of  rising  electricity  costs  in  the  country,  developers  are 

moving  away  from  this  concept.  The  cost-effectiveness  and  performance  of  certain  designs 

will  be,  therefore,  be  evaluated  in  detail,  prior  to  deciding  on  a  system.  Scientific  empirical 

data and accurate modelling are required to property evaluate this. 

Shading 

Direct solar radiation is the primary source of heat gain in greenhouses. This should be 

controlled by shading or reflection. Shading will be done using several different approaches, 

such  as  internal  and  external  shade  screens,  paints  and  nets.  Shading  might  negatively 

influence  plant  development  and  photosynthesis  because  of  the  reduction  of  light  and  the 

possible effect on ventilation rates/gas exchanging. Hence, care will be taken, when deciding 

on  the  type  of  shading  and  associated  control  strategies.  Partially  reflected  internal  shade 

screens  will  be  installed  and  have  been  proven  to  reduce  the  greenhouse  air  temperature  by 

6˚C,  compared  to  ambient  temperatures.  The  screens  contain  highly  reflective  aluminized 

materials, usually woven with plastic thread. The screens reflect the unwanted solar radiation 

from the greenhouse roof, while still allowing some light transmittance. 

Many  producers  use  paint/whitening  on  the  roofs  of  the  greenhouse  for  the  cooling 

effect. It is an inexpensive method, has proven to effectively reduce the VPD, air temperature 

 

21 

«ЗАМАНАУИ СЫН-ТЕГЕУРІНДЕР МЕН ҚОҒАМНЫҢ ЖАҺАНДАНУ ЖАҒДАЙЫНДА ҚАЗАҚСТАНДАҒЫ 

БІЛІМ МЕН ҒЫЛЫМНЫҢ ИННОВАЦИЯЛЫҚ ҼЛЕУЕТІ» 

халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары 

28-29 қазан, 2016 ж.

 

 

 

 

and  canopy-to-air  temperature,  and  has  a  positive  effect  on  the  microclimate  of  the 

greenhouse.  Whitening  also  transforms  a  large  part  of  the  direct  radiation  into  diffused 

radiation,  which  willbeen  proven  to  increase  the  absorbed  radiation  by  the  crop.  Another 

benefit  of  this  cooling  method  is  that  it  does  not  influence  the  ventilation  rate  of  the 

greenhouse. 

External  mobile  shade  clothes  are  also  used  for  shading  and  have  been  proven  to 

reduce crop transpiration and internal VPD. They are preferable because it prevents the heat 

input in the greenhouse. External screens have to withstand all atmospheric conditions and are 

therefore  expensive  to  install.  Internal  shade  screens  are  often  used  in  Kazakhstan‘s 

greenhouses, but they also have a negative effect on light and ventilation rates, as described 

above. 

Evaporative cooling 

Evaporative  cooling  does  not  only  decrease  the  air  temperature  in  greenhouses,  but 

also  increases  the absolute internal  humidity and is  therefore often more desirable in  certain 

regions  than  the  other  cooling  technologies.  Fan-pad  systems,  fogging  systems  and  roof 

evaporative  cooling  systems  are  generally  the  most  common  and  effective  evaporative 

cooling  installations  for  greenhouses.  Its  suitability  is  restricted  to  certain  regions  due  to 

limited evaporation in most humid regions and it seldom suits tropical and subtropical climate 

regions. With evaporative cooling, water evaporates and absorbs the heat from the air and, in 

turn  reduces  the  air  temperature.  It  is  as  the  most  effective  way  to  control  temperature  and 

humidity inside a greenhouse. 

The fan-pad system consists of a fan on one gable end and a wet pad on the opposite 

end. A small stream of water runs over the pad continuously and air is drawn through the pad 

by the fans, absorbing heat and water vapour in the greenhouse. It also increases the humidity 

of  the  internal  air.  This  installation  has  shown  a reduction  in  air  temperature  of  up  to  12˚C, 

even under very high ambient temperatures. The length of the greenhouse will be considered, 

as  the  efficiency  might  decrease  and  large  temperature  gradients  can  be  expected  across 

greenhouses of longer lengths. Other disadvantages are that it is an expensive installation with 

high operation costs, namely, freshwater supply, electricity and the maintenance costs.  

Fogging  installations  are  used  to  increase  relative  humidity  and  cooling  inside  of 

greenhouse.Water  is  pumped  through  high  pressure  nozzles  and  sprayed  as  extremely  fine 

droplets into the air. The decrease in droplet size increases the surface area per unit mass of 

water,  which  increases  the  heat  and  mass  exchange  between  water  and  air  and,  in  turn, 

increases  the  evaporation  rate.  The  evaporation  effect  causes  cooling,  as  well  as 

humidification.  Nozzles are  usually  installed  just  below  gutter  height  and  can  be  distributed 

throughout the greenhouse to ensure a uniform effect, which has proven more effective than 

the fan-pad system in terms of variations in temperature and humidity across the greenhouse. 

Roof evaporative  cooling includes spraying water onto  the  external  surface of a roof 

and  this  creates  a  thin  water  layer  on  the  surface.  This  decreases  the  solar  radiation 

transmissivity  to  the  greenhouse  and  increases  the  evaporation  rate,  which  consequently 

decreases  the  water  temperature  and  closely  surrounding  air.  Again,  this  system  will  work 

most  effectively  in  hot,  dry  climate  regions.  Literature  shows  that  evaporative  cooling 

(fogging, and pad and fan) has potential for controlled farming under the arid and semi-arid 

conditions of Africa, as well as Kazakhstan. 

Solar radiation filtration 

Global solar radiation enters a greenhouse as three different types of radiation, namely, 

ultraviolet  radiation  (UV), photosynthetic active  radiation  (PAR)  and near infrared  radiation 

(NIR).  Most  of  the  UV  radiation  is  absorbed  by  the  Earth‘s  atmosphere.  The  extreme 

exposure of plants to UV can result in the degradation of the photosynthetic process. PAR is 

absorbed  by  the  plant  and  is  important  for  photosynthesis  and  plant  growth.  NIR  is  less 

 

22 

«ЗАМАНАУИ СЫН-ТЕГЕУРІНДЕР МЕН ҚОҒАМНЫҢ ЖАҺАНДАНУ ЖАҒДАЙЫНДА ҚАЗАҚСТАНДАҒЫ 

БІЛІМ МЕН ҒЫЛЫМНЫҢ ИННОВАЦИЯЛЫҚ ҼЛЕУЕТІ» 

халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары 

28-29 қазан, 2016 ж.

 

 

 

absorbed  by  the  plant  and  more  by  the  greenhouse  structure  and  equipment,  causing  the 

increase  in  ambient  temperature  in  the  greenhouse.  Cooling  of  greenhouse  is  by  modifying 

covering  materials  has  been  investigated  and  implemented  for  many  years.  NIR-filtering  is 

also  done  by  using  specific  plastic  cellophanes,  glass  for  greenhouses,  moveable  screens  or 

NIR filtering shading paint. 

Internal Air Circulation System 

Internal air velocities of a greenhouse are recommended to be between 0.5 to 0.7 m.s-1 

for  optimal  plant  growth,  by  facilitating  gas  exchange  (CO2  and  water  vapour).  To  ensure 

this,  fans  are  often  installed  above  the  crop.  The  number  of  fans  that  have  installed  in  the 

greenhouse calculated to ensure 0.01m3.s-1 per m

2 

and have installed in  the direction of the 

ridge. Distances between the fans should not exceed 30 times the diameter of the fans. 

Air Humidification 

Other than using fogging installations for cooling and humidity control, the following 

systems are also generally used for humidification only: 

a) Steam, 

b) High pressure humidifiers, and 

c) Pulsators. 

Steam boilers are often used in colder countries to supply heat or for humidity control 

in greenhouses. Heaters  will be used to  create saturated vapour that is then pumped into the 

greenhouse. 

For high pressure humidifiers, compressed air is used to split water into tiny droplets 

and  then  propel  through  the  greenhouse  in  an  air  stream.  Pulsators  are  generally  used  for 

irrigation, but are often used for overhead irrigation and then also serve for humidification of 

the greenhouse. Pulsator drops are thus much larger than high pressure humidifiers, but will 

still be successful. 

Carbon Dioxide Control 

As  previously  described,  carbon  dioxide  (CO2)  enrichment  systems  have  shown 

positive effects on plant growth for many  years. CO2 enrichment is usually a source of fuel 

combustion. A brief description of some CO2 enrichment systems that are available are given 

below: 

- Liquid CO2: Pure CO2 pumping from containers to the greenhouse is the purest type 

of CO2 enrichment. Like many other systems, it does not have the greenhouse heating effect. 

The disadvantage of this system is the high cost of transporting gas containers. 

-  Fuel  combustion:  Burning  liquid  kerosene,  propane-butane  gas  or  natural  gas 

produces CO2 as part of the gas emissions through the burners. Heat is also produced by this 

type of operation and is often the primary reason for the installation. The constraint of these 

systems  is  that  CO2  can  only  be  dosed  when  heat  is  also  required  in  the  greenhouse.  The 

choice of the type of fuel is general based on availability and cost per unit and the purity of 

the gas emissions.  

Dosing  will  be  specifically  controlled  according  to  light  levels,  temperature  and 

ventilation in greenhouses, to ensure the efficiencies are optimized. 

 

3.Uundergroundthermos-greenhouse 

Underground  thermos-greenhouse  has  been  installed  in  the  training  and  production 

phase  of  Zhetysustate  University  named  after  I.  Zhansugurov,  Almaty  region,Taldykorgan. 

(Fig. 5). 

 

 

23 

жүктеу/скачать 5,27 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: