CREATIVITATE. INVENTIC Ă. ROBOTIC Ă Buletinul AGIR nr. 1/2014 ● ianuarie-martie 78 INVESTIGA ȚII PRIVIND FLUXUL DE AER ÎN INTERIORUL SPA ȚIILOR… [608262]

CREATIVITATE. INVENTIC Ă. ROBOTIC Ă

Buletinul AGIR nr. 1/2014 ● ianuarie-martie 78 INVESTIGA ȚII PRIVIND FLUXUL DE AER ÎN
INTERIORUL SPA ȚIILOR SPECIAL AMENAJATE
PENTRU CRE ȘTEREA INTENSIV Ă A CIUPERCILOR
AGARICUS BISPORUS – CHAMPIGNON
Horia-Gheorghe SCHIAU
Universitatea „Transilvania“ din Bra șov
REZUMAT. Aceast ă lucrare prezint ă un studiu asupra fluxurilor de aer din unit ățile de cre ștere ciuperci. O
investiga ție experimental ă anterioar ă asupra naturii fluxurilor de aer în tunelurile de tip irlandez [2]a
demonstrat importan ța controlului microclimatului asupra productivit ății sistemelor de cre ștere intensive a
ciupercilor. Elaborarea unor solu ții de flux de aer pentru o gam ă largă de sisteme noi de cre ștere a ciupercilor
ar fi dificil de realizat folosind metode empirice și, prin urmare, pentru a completa și a ajuta activitatea
experimental ă, a fost utilizat ă o abordare prin modelare matematic ă.
Cuvinte cheie: Agaricus Bisporus, camer ă de creștere, flux aer, controlul microclimatului.
ABSTRACT. This paper is an examination of the airflows in mushroom growing rooms. A previous experimental
investigation on the nature of the air flow in Irish tunnels, demonstrated the im portance of environmental
control systems to the productivity of intensive growth of mushrooms. The development of solutions for the air
flow, for a wide range of growing rooms of new systems would be difficult to achieve using empirical methods
and thus, to help the experimental work, has been used a mathematic al modeling approach.
Keywords: Agaricus Bisporus, mushroom growing r ooms, air flow, environmental control.
1. INTRODUCERE
Lucrarea reprezint ă un studiu asupra curen ților de
aer în structurile de cre ștere a ciupercilor. De și am
analizat condi țiile pentru diferite tipuri de ciuperci,
ne-am concentrat aten ția asupra condi țiilor de cre ștere
a ciupercii Agaricus Bisporus .
Pentru a asigura o produc ție de ciuperci eficient ă și
de înaltă calitate, camerele de cultur ă sunt concepute ca
spații cu valori controlate ale factorilor de mediu
(temperatur ă și umiditate și concentra ția în dioxid de
carbon). Este strict necesar ă o bună aerisire, prin
care să se asigur ă circulația unui flux constant de aer
cu caracteristici determinate, prin care se men ține în
limitele prescrise a concentra ției de dioxid de carbon,
conform fazei de cultur ă. Fiecare camer ă de cultur ă
este prevăzută cu sistem de ventila ție propriu și nu se
admite recircularea aerului dintre spa țiile de cultur ă
diferite. Sistemele de ventila ție trebuie s ă permită
realizarea regl ării continue ale debitului de aer, deci
a volumului de aer introdus. Sunt prev ăzute cu un
filtru care s ă prevină intrarea insectelor și a sporilor
din aer, și care trebuie s ă fie curățate în mod regulat.
Echipamente de monitorizare, materializate prin
senzorii de temperatur ă, umiditate și concentra ție a
dioxidului de carbon, asistate de un calculator de proces men țin în limitele prescrise valorile parametrilor
de stare a aerului din camerele de cultur ă la nivelurile
necesare impuse de fazele ciclului de produc ție.
Pentru producerea unor ciuperci de calitate cu o
producție constant înalt ă și pentru a pentru a maximiza
randamentele, este necesar ca în spa țiile de cultur ă să
se controleze automat și să se monitorizeze mediul în
fiecare etap ă a ciclului de cre ștere, folosind un algoritm
sofisticat.
Factorul decisiv în cultura ciupercilor este aerul
necesar și condiționarea acestuia. Cantitatea și calitatea
de aer proasp ăt introdus în spa țiile de cultur ă sunt
asigurate de sistemele de ventila ție și centrale de tratare
a aerului. Realizarea microclimatului trebuie analizat ă,
nu numai în vederea asigur ării unei temperaturi și
umidități specifice în spa țiul de cultur ă, fiind extrem
de important s ă existe o corelare între parametrii
tehnici și fazele de dezvoltare în care sunt ciupercile,
calitatea și cantitatea aerului necesar, m ărimea spațiului
și gradul de ocupare al acestuia.
Circulația fluxului de aer în spa țiul de cultur ă
este asigurat ă printr-un sistem de ventila ție, a cărui
principiu de func ționare este prezentat în figura 1,a.
Sistemul de ventila ție este format din sistemul de
procesare al aerului si tuat în afara spa țiului de cultur ă

FLUXUL DE AER ÎN INTERIORUL SPA ȚIILOR SPECIAL AMENAJATE

Buletinul AGIR nr. 1/2014 ● ianuarie-martie 79și sistemul de distribu ție a aerului procesat în interiorul
spațiului de cultur ă. Aerul procesat este adus în
interiorul spa țiului de cultur ă prin tuburi de distribu ție
situate în partea superioar ă a acestuia, iar aerul viciat
este evacuat din spa țiul de cultur ă prin ecluze,
situate în partea opus ă sistemului de procesare. În
zona în care este amplasat sistemul de procesare a aerului, în partea inferioar ă a peretelui spa țiului de
cultură se află priza de aer recirculat, care se amestec ă
în anumite propor ții cu aerul proasp ăt, aspirat din
exterior.
Condiționarea aerului amestecat la temperatura
corespunz ătoare fazelor tehnologice ale ciclului de
producție se realizeaz ă prin intermediul a dou ă
schimbătoare de c ăldură: unul pentru c ăldură și unul
pentru frig, în func ție de situa ție, agentul termic fiind apa caldă furnizată de o central ă termică respectiv
apa rece furnizat ă de o central ă de frig.
Menținerea concentra ției dioxidului de carbon în
masa de aer care intr ă în spațiul de cultur
ă este
asigurată prin amestecarea în anumite propor ții a
aerului proasp ăt, aspirat din exterior cu aerul re-
circulat din interiorul spa țiului de cultur ă, de către
instalația de amestecare a aerului proasp ăt cu aerul
recirculat.
În figura 1, b este prezentat ă schema de principiu
a instalației pentru amestecarea aerului proasp ăt cu
aerul recirculat. Aerul proasp ăt este aspirat în camera
de amestec prin gura de aspira ție și purificat prin
intermediul unui filtru de praf (fig. 2.21). Aerul re-
circulat este adus în camera de amestec prin tubulatura care face leg ătura cu spa țiul de cultur ă.

a b
Fig. 1. Sistem de ventila ție tip ATES.

Dinamica fluxului de aer în interiorul camerei de
cultură este determinat ă de emisia de dioxid de
carbon, CO 2, și de măsurile de corec ție ce se impun
pentru diminuarea acestuia și încadrarea în parametrii
stabiliți și recomanda ți de produc ătorii de compost.
Producția de dioxid de carbon a compostului și a
corpurilor de fructificare depinde de stadiul de
cultivare sau dezvoltare și de temperatura
compostului. O temperatur ă scăzută a camerei de
cultură este ușor de realizat în timpul iernii[1].
Când temperatura exterioar ă este mai ridicat ă se
poate întâmpla s ă fie nevoie de mai mult aer proasp ăt
decât o cere emisia de CO 2. Amsing (1987) a
calculat emisia de CO 2 în camerele de cultura pentru
tulpina U1 Horst, pornind de la con ținutul de CO 2 al
aerului evacuat. Rezultatele acestei analize eviden țiază
faptul că emisia de CO 2 este următoarea [2]:
– la începutul incub ării miceliului – 30 grame /
oră / tonă compost;
– după acoperirea cu sol de carcas ă – 65 g/h/t; – a doua zi dup ă acoperire – 100 g/h/t;
– în perioada de preg ătire – 80 g/h/t.
Aceste valori au acela și ordin de cre ștere cu cele
indicate de Tschierpe și Siden (1962) și cele ale lui
Verbek si Beek (1979)[3].
Recomand ările produc ătorilor de compost,
primite la fiecare livrare de produs con țin indicații
despre aceste emisii, și valorile nominale recomandate
a concentra ției de CO 2 în aerul din camera de cre ștere.
În urma m ăsurătorilor efectuate experimental în
camerele de cultur ă, prin oprirea instala ției de
ventilare pentru perioa de determinate de 1,2 și 3 ore
s-au înregistrat emisii de CO 2 de până la 138 g/h/t în
faza de înmugurire, iar pentru restul fazelor s-au confirmat supozi țiile Amsing.
Pentru stabilirea cu precizie a parametrilor de
funcționare a echipamentului de climatizare, s-au de-
terminat, pentru fiecare faz ă în parte, din or ă în oră,
necesarul de aer proasp ăt introdus pentru eliminarea
aerului viciat.

CREATIVITATE. INVENTIC Ă. ROBOTIC Ă

Buletinul AGIR nr. 1/2014 ● ianuarie-martie 80 2. MODELAREA MATEMATIC Ă
Stabilirea cu precizie a tuturor factorilor de
microclimat (temperatura aer, temperatur ă compost,
umiditate, vitez ă de curgere) a dus mai departe la
realizarea simul ării computa ționale. În cazul regl ării
automate a factorilor climatici nu pot fi realizate
simulări pentru mai multe tipuri de structuri de
creștere folosind acelea și funcții de transfer, întrucât
modelul ob ținut este optimizat pentru un caz dat. În
schimb pot fi realizate simul ări ale dispersiei jeturilor
de aer pentru diferite design-uri de admisii si reful ări,
pentru a se observa modul în care fluxul de aer circul ă
în interiorul camerelor de cultur ă. Pentru simul ările
efectuate s-au folosit dimensiunile camerelor de cultură aparținând S.C. Kadna Bionatura S.R.L. din
localitatea Feldioara, jude țul Brașov, unde s-au f ăcut
și cercetările experimentale în exploatare.
Deoarece subiectul principal al analizei efectuate
este reprezentat de viteza de curgere a aerului pe
suprafața de cultur ă s-au realizat simul ări pentru 3
viteze de ie șire a jeturilor de aer din tubulatur ă,
respectiv 2 m/s, 2,5 m/s și 3 m/s. Din calculele
efectuate, aceste viteze de ie șire din tubulatur ă,
reușesc să genereze fluxuri cu viteza intre 0,20-0,40
m/s la suprafa ța de recoltare.
S-a folosit pentru generarea camerei de cultur ă și
a rafturilor software-ul SolidWorks, iar pentru simula-rea propriu-zis ă a fluxurilor software-ul Autodesk
Simulation CFD.

Fig. 2. Generarea camerei de cultur ă. Fig. 3. Vedere final ă a camerei de cultur ă.

Discretizarea camerei de cultur ă. După stabilirea
formei geometrice corespunz ătoare simul ărilor s-a
trecut la pasul urm ător, alegerea discretiz ării. Deter-
minarea num ărului necesar de celule pentru calculul
soluției se realizeaz ă în urma unui studiu de de-
pendență a soluției față de numărul de elemente de
discretizare. Acest studiu este necesar pentru ob ținerea
unei soluții cât mai corecte, aceasta fiind propor țională
cu numărul de celule din grila de calcul. Totu și,
odată cu creșterea acestui num ăr, timpul de lucru,
respectiv resursele de calcul, trebuie s ă crească
corespunz ător. De la un anumit num ăr de celule,
pentru numere superioare de celule, diferen ța între
soluțiile găsite, nu mai variaz ă în așa mare m ăsură astfel încât se poate alege o gril ă de calcul care s ă
rezolve compromisul solu ție corectă – resurse com-
putaționale.
Numărul minim de elemente ale grilei de calcul
de la care solu ția nu mai variaz ă foarte mult, se
determină realizând simul ări numerice succesive cu
diferite discretiz ări spațiale.
Așa cum am men ționat anterior, s-a procedat la
discreditarea camerei de cultur ă, prin elemente volu-
metrice. Au rezultat un num ăr de peste 1.356.800 vo-
lume așa cum se vede in figura 4.
Pasul urm ător a fost reprezentat de opera țiunea
de discretizare a rafturilor de cultur ă așa cum se
poate observa în figura 5

Fig. 4. Discretizarea volumul ui camerei de cultur ă.

FLUXUL DE AER ÎN INTERIORUL SPA ȚIILOR SPECIAL AMENAJATE

Buletinul AGIR nr. 1/2014 ● ianuarie-martie 81

Fig. 5. Discretizarea rafturilor.

Stabilirea condi țiilor la limit ă. Simulările s-au
realizat pentru cazul cu jet, la limita maxim ă a vitezei
jetului de 4 m/s, (condi ția de uscare dup ă stropire)
într-o ambian ță de 20 °C pentru care condi țiile la
limită se pot vedea în tabelul 1.

Tabelul 1. Condiții la limit ă
Recirculare
totală Recirculare
50% Aer proasp ăt
100%
Viteză jet
intrare 4 m/s 4 m/s 4 m/s
Viteză ieșire
recirculare 4 m/s 2 m/s 0 m/s
Viteză ieșire
evacuare 0 m/s 2 m/s 4 m/s

Urmare a calculelor efectuate, rezult ă că pentru o
viteza a jeturilor la ie șirea din tubulatur ă de 4 m/s,
viteza fluxului de aer care ajunge la suprafa ța de
cultură se încadreaz ă în gama 0,25-0,35 m/s.

Fig. 6. Distribuția vitezelor jeturilor de aer. Pentru verificarea acestei condi ții s-a efectuat o
simulare suplimentar ă 2D a jeturilor de aer, folosind
softul educa țional Virtual Wind Tunnel. A șa cum
reiese din simularea efectuat ă (fig. 6), respectând
parametrii men ționați anterior, se observa c ă pentru
vitezele jeturilor de intrare de 4 m/s, viteza de curgere pe suprafa ța de cultur ă nu depășește 0,4 m/s
(excepție făcând numai 4 zone, unde dep ășește va-
loarea maxim ă admisibil ă – o motiva ție poate fi aceea
de dimensionare a duzelor de admisie). Am folosit
softul Virtual Wind Tunnel orientativ, pentru a ne permite vizualizarea zonelor de distribu ție și dispersie a
fluxurilor de aer. Deoarece utilizarea acestui program de simulare nu permite devierea in 3D a evacu ării
aerului viciat, am plasat grilele de evacuare in
pardoseala cl ădirii respectând raportul dimensional
al volumului incintei/volum aer evacuat.
În figurile 7 și 8 se observ ă în detaliu circula ția
jeturilor de aer în interiorul raftului de cultur ă, precum
și direcțiile acestora. Se observ ă cum interac țiunea
acestora duce la o curgere relativ constant ă peste
suprafața de cultur ă. Fenomenul de curgere constant ă
generează premizele de sp ălare a suprafe ței de cultur ă,
eliminând în acest fel excesul de CO
2 emanat de
compost în procesul de fermentare, și de asemenea
de preluare a excesului de umiditate.
În cazul 2, cre șterea vitezei de admisie a aerului
procesat la o valoare maxim admisibil ă de 4 m/s, duce
la o ridicare a valorii indicilor de curgere a jeturilor
de aer la suprafa ța de cultur ă. Se poate observa
(figura 9) c ă în zona gurilor de evacuare a aerului
viciat, datorit ă reducerii sec țiuni, apar zone în care
viteza acestor jeturi dep ășește valoarea de 0,4 m/s.
Pentru o mai bun ă înțelegere a fenomenului s-a
făcut o extrapolare a simul ării cu viteze superioare a
jeturilor de admisie de 6 m/s (fig. 10), 8 m/s (fig. 11) și 10 m/s (fig. 12)

Fig. 7. Detaliu orientare jeturi aer, vi = 1 m/s. Fig. 8. Vedere ansamblu direc ționare jeturi, vi = 1 m/s.

CREATIVITATE. INVENTIC Ă. ROBOTIC Ă

Buletinul AGIR nr. 1/2014 ● ianuarie-martie 82

Fig. 9. Detaliu orientare jeturi aer, vi = 4 m/s. Fig. 10. Detaliu orientare jeturi, vi = 6 m/s.

Fig. 11. Vedere ansamblu direc ționare jeturi, vi = 8 m/s. Fig. 12. Vedere ansamblu presiune aer, vi = 8 m/s.

În figura 13 se pot vedea traiectoriile jeturilor de
aer. Se observ ă clar cum fluxul de aer curge peste
straturile de cultur ă, preluând excesul de CO 2 și
umiditate pe care îl transport ă spre grilele de evacuare.
Rezultatele astfel ob ținute au fost comparate cu
rezultatele m ăsurătorilor efectuate în unitatea de
cercetare în exploatare de la Feldioara. S-au efectuat un număr de 1860 de m ăsurători ale vitezei de curgere a aerului la suprafa ța de recoltare, conform schemei
alăturate (fig. 14).
În urma centraliz ării și prelucrării datelor înregistra-
te s-a putut constata un grad înalt de similitudine între rezultatele simul ării matematice și rezultatele
măsurătorilor efectuate. În figura 15 sunt prezentate
grafic aceste rezultate pentru o vitez ă inițială a jetului
de aer de 3,5 m/s.

Fig. 13. Vedere de ansamblu – direc țiile jeturilor de aer (cu rafturi vizibile și cu rafturi ascunse).

Fig. 14. Schema de amplasare a punctelor de m ăsurare.

FLUXUL DE AER ÎN INTERIORUL SPA ȚIILOR SPECIAL AMENAJATE

Buletinul AGIR nr. 1/2014 ● ianuarie-martie 83

Fig. 15. Distribuția vitezelor de aer la suprafa ța de cultur ă.

Având în vedere c ă procesele care au loc în
interiorul unei unit ăți de creștere a ciupercilor sunt de
o dinamicitate relativ redus ă și inerția sistemului este
medie, simularea in Autodesk simulation CFD este mai aproape de realitate și oferă o imagine despre
modul în care pot fi men ținuți constanți parametrii
climatici atunci când sunt utilizate echipamente per-formante de climatizare, dublate de o aplica ție care să
ruleze permanent și să compenseze perturba țiile ce au
loc în interiorul camerei de cultur ă dar ținând în
același timp cont de varia țiile factorilor externi
(temperatur ă și umiditate aer) BIBLIOGRAFIE
[1] Amsing, J.G.M. Effect of ruffling and CAC-ing on mushroom
production. De Champignoncultuur 40:25–33. 1996
[2] Grant J.J. An investigation of the airflow in mushroom
growing structures, the develo pment of an improved, three-
dimensional solution technique for fluid flow and its
evaluation for the modelling of mushroom growing
structures. The School of Mathematic al Sciences, Dublin
City University, September 2002
[3] Tschierpe, H.J. Environmental factors and mushroom
growing , parti. Mushroom Journal, no. 1, 30-45, 1973a.
[4] Tschierpe, H.J. Environmental factors and mushroom
growing , parti. Mushroom Jour nal, no. 2, 77-94, 1973b.
Despre autor
Drd. ing. Horia Gheorghe SCHIAU
Universitatea „Transilvania” din Bra șov

Este absolvent al Facult ății de Mecanic ă Agricolă a Universit ății „Transilvania” din Bra șov (1989).
Va susține public lucrarea pentru ob ținerea titlului de doctor inginer în domeniul științe inginere ști în luna martie
2014. A publicat peste 7 articole științifice în volumele unor manifest ări științifice naționale și internaționale.
A participat la târguri și expoziții din domeniul industriei alimentare și al agriculturii, din țară și din străinătate.