CC BY
85
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практическийский журнал. _ИАЭП. 19 Вып. 98_
РАЗДЕЛ II ЭНЕРГОЭКОЛОГИЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
УДК 628.979:581.035 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10121
ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАИЛУЧШИХ ДОСТУПНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
С.А. Ракутько, д-р техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Агропромышленный комплекс в целом и его тепличная подотрасль (светокультура) являются высоко энерго- и ресурсоемкими производствами. Создание экологичных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания и продуктов лечебного назначения представляет собой важную современную проблему. Светокультура является важнейшим способом получения таких продуктов в неблагоприятных климатических условиях. Высокая экономичность тепличного производства продукции достигается за счет его интенсификации. Однако этот же фактор определяет особые экологические угрозы от теплиц. Негативные воздействия на внешнюю среду теплицы заключаются в загрязнении воздуха, грунтовых и поверхностных вод, почвы. Внутренняя среда теплицы влияет на здоровье обслуживающего персонала и качество продукции. Наибольшая доля затрат энергетических ресурсов приходится на создание условий освещения для растений. Обоснована необходимость применения интеллектуальных алгоритмов управления технологическими процессами создания контролируемых условий выращивания растений на основе иерархической модели искусственной биоэнергетической системы светокультуры, обеспечивающих качественный скачек повышения энергоэффективности и экологичности производства. Обоснована концепция создания наилучших доступных технологий светокультуры по критерию энергоэкологичности. Понятие энергоэкологичности выступает системным интегративным критерием оптимальности, который при декомпозиции разбивается на локальные критерии оптимальности в соответствующих задачах оптимизации отдельных иерархических уровней.
Ключевые слова: сельское хозяйство, теплица, наилучшие доступные технологии, светокультура, энергоэффективность, экологичность.
Для цитирования: Ракутько С.А. Энергоэкологические основы наилучших доступных технологий светокультуры // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 1(98). С.44-60
ENERGY AND ECOLOGICAL BASIS OF BEST AVAILABLE TECHNIQUES OF
PLANT LIGHTING
S.A. Rakutko, DSc (Eng)
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
The agro-industrial complex as a whole and its greenhouse sub-sector (plant lighting) are highly energy and resource consuming industries. A significant contemporary challenge is to create environmentally clean
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
and high-quality foodstuffs, including functional and medical foods. Plant lighting is the most important way to obtain such products under adverse climatic conditions. High economic efficiency of greenhouse production is achieved through its intensification. However, the same factor brings forward specific environmental threats from the greenhouses. Negative impact of greenhouses on the ambient environment is manifested in air, ground/surface water, and soil pollution. The inside environment of the greenhouse affects the personnel health and the product quality. The greatest share of energy resources is spent on creating the lighting conditions for plants. In this context the intelligent control algorithms for technological processes providing the fixed plant growing conditions are to be applied, which are based on the hierarchical model of an artificial bio-energetic system of plant lighting and ensure a quantum leap in improving the energy efficiency and environmental compatibility of production. The concept of the best available techniques of plant lighting is suggested based on the energy and ecological criteria. The concept of energy and ecological compatibility is a system integrative criterion of optimality that, when decomposed, is divided into local optimality criteria in the corresponding optimisation problems of individual hierarchical levels.
Keywords: agriculture, greenhouse, best available technique, plant lighting, energy efficiency, environmental compatibility.
For citation: Rakutko S.A. Energy and ecological basis of best available techniques of plant lighting.
Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 1(98): 44-60. (In Russian)
Введение
Стратегия научно-технологического развития России предусматривает перевод экономики на интенсивный путь с приоритетным внедрением в практику энергоресурсосберегающих и
природоохранных мер [1]. Задача повышения эффективности экономики может быть решена только при радикальном снижение энергоресурсоемкости валового продукта на основе использования инновационных энергоэкологических
процессов. Тепличному направлению, как и аграрной отрасли в целом, в последнее время уделяется большое внимание в государственных программах развития как в целом по России, так и в ее отдельных регионах. Благодаря этой поддержке ведется активное строительство современных тепличных комплексов, на которых реализуются передовые технологии светокультуры, обеспечивающие
возможность круглогодичного выращивания растений. Однако потребность населения в тепличной продукции все еще полностью не
удовлетворена. Важным резервом в решении этой проблемы является модернизация существующих тепличных хозяйств. Инновационное развитие тепличной отрасли требует разработки соответствующего научного обеспечения [2].
В целях достижения максимальной продуктивности выращиваемых растений при минимуме затрат в настоящее время широко применяют светокультуру, т.е. дополнительное облучение. Без участия фотосинтетически активной радиации (ФАР) невозможно протекание процессов фотосинтеза и получения полезной продукции. Искусственные источники света позволяют добиться оптимального сочетания параметров радиационной среды: интенсивности, продолжительности,
спектрального состава.
Мировой энергетический кризис 70-х годов прошлого века вывел проблему энергосбережения в качестве отдельного научного и практического направления деятельности. Были разработаны и внедрены энергоэффективные технологий, а так же соответствующие экономические
механизмы, направленные на снижение потребления энергоносителей.
Из теоретических работ в области энергоэффективности можно выделить работы В.А. Эткина по энергодинамике, Э. Брода по эволюции биоэнергетических процессов, И. Пригожина и Де Гроота по термодинамике необратимых процессов, В.В. Бескоровайного по теоретическим основам энерго- и ресурсосбережения, С.Р. Кеплена по биоэнергетике, Н.И. Данилова и В.Г. Лисиенко по анализу сквозной энергоемкости, А.Д. Ключникова по интенсивному энергосбережению, Г.Ф. Ольсона и П.И. Зубкова по системе аналогий физических величин, А.В. Лыкова и Ю.А. Михайлова по теории переноса энергии и вещества.
В последнее время все большее внимание уделяется связи вопросов обеспечения энергосбережения и повышения экологичности как для предприятий АПК в целом, так и отдельных технологических процессов.
В области светокультуры большой эмпирический материал получен в работах Folta K.M., Kim H.H., Goins G.D., Wheeler R.M., Sager J.C., Urbonaviciute A. и др.
К настоящему времени вопросы количественного описания физических, физико-химических и биологических процессов в агро-экосистемах, раскрытие экологогенетических и физиологических механизмов регуляции продукционного процесса выращиваемых растений в оптимальных и стрессовых условиях разработаны все еще недостаточно.
Проблема энергоресурсосбережения в рассматриваемой области представляет собой научную проблему, заключающуюся в необходимости создания научных основ повышения энергоэффективности, снижения энергоемкости и степени воздействия на окружающую среду технологических процессов в культивационных сооружениях,
которые являются крупными потребителем энергоресурсов. Актуальность этих вопросов определяется сложившимися условиями, характеризующимися дефицитностью всех видов ресурсов, повышением затрат на их добывание и использования и сложностью утилизации отходов производства. Решение данной проблемы на
фундаментальном уровне обеспечит прорыв в отдельных методиках анализа и синтеза технологии светокультуры.
Конкретным вкладом в развитие данной области науки является получение теоретического описания фундаментальных закономерностей процессов переноса вещества и энергии в технологических процессах АПК с участием биологических объектов.
В научно - исследовательской лаборатории энергоэффективных электротехнологий института агроинженерных и экологических проблем (ИАЭП, Санкт-Петербург) сформулировано предположение, что в качестве самостоятельного научного направления целесообразно выделить энергоэкологию светокультуры (ЭЭС). С 2018 г лаборатория имеет новое название -НИЛЭЭС.
Деятельность лаборатории
соответствует:
- направлению фундаментальных
исследований 161. Теория и принципы развития процессов энергообепечения, энергоресурсосбережения и возобновляемых источников энергии (основные ожидаемые результаты - новые знания о фундаментальных основах развития процессов энергообеспечения и
энергоресурсосбережения, методология, методы и проблемы управления энергосбережением в сельскохозяйственном производстве, облучение растений, обеспечение экологической безопасности производства);
- перечню критических технологий Российской Федерации, утверждённых Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. №899 - 26. Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии;
- технологической платформе России -Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания.
- дорожной карте «Фуднет», сегмент «Умное сельское хозяйство», в части создания фитооблучателей на основе современных источников света, наукоемких автоматизированных фитотехкомплексов, масштабируемых от урбанизированной домашней светогрядки до мобильных и стационарных комплексов по круглогодичному выращиванию растительной продукции с заданными качественными и функциональными характеристиками и обеспечению населения в местах его проживания или работы свежей растительной продукцией высокого качества вне зависимости от условий природной среды.
Данное направление исследований НИЛЭЭС на ближнесрочную перспективу является конкретизацией
междисциплинарных исследований,
проводимых в ИАЭП по интегрированию отдельных технических и технологических решений в систему и разработке алгоритмов управления этой системой, формированию наилучших доступных технологий по экономическим, энергетическим и экологическим критериям, моделированию основных производственных процессов АПК в области получения продукции растениеводства в контролируемых условиях
Цель исследования - разработка научных основ и создание системы управления светокультурой,
обеспечивающих повышение
энергоэффективности и экологичности производства.
Частные задачи:
- получить теоретическое описание фундаментальных закономерностей процессов переноса вещества и энергии в технологическом процессе облучения растений в искусственной биоэнергетической системе культивационного сооружения;
- разработать иерархическую модель, описывающую потоки вещества и энергии на уровнях отдельного органа растения, ценоза, технологического процесса облучения, культивационного сооружения, предприятия в целом;
- исследовать энергоэкологичность светокультуры при различных режимах облучения.
Материалы и методы
Светокультура как научная дисциплина включает теоретические основы и методы выращивания растений с помощью искусственного облучения [3]. Это междисциплинарная наука, включающая отдельные положения физиологии растений (фотосинтез, рост), метеорологии (актинометрия), физики (оптика,
светотехника, электротехника), агрономии (овощеводство, цветоводство) и других разделов научного знания (рис. 1).
Рис. 1. Структура светокультуры как науки
Традиционный подход в исследованиях по светокультуре заключается, прежде всего, в нахождении частных откликов определенного показателя растения
(биомассы, высоты стебля и т.д.) на изменения показателей условий освещения (интенсивности, продолжительности,
спектрального состава и др.).
Светокультура является частным случаем оптических электротехнологий, в которых энергетическое воздействие осуществляется оптическим излучением и основана на эффекте чувствительности растений к качеству радиационной среды, прежде всего, к спектральному составу излучения. Влияние энергии излучения в отдельных спектральных диапазонах на рост и развитие различных видов растений достаточно хорошо изучено. Менее исследовано комплексное влияние параметров световой среды на энергоэффективность и экологичность светокультуры.
Высокая экономичность тепличного производства продукции достигается за счет его интенсификации. Однако этот же фактор определяет особые экологические угрозы от теплиц [4]. В настоящее время во всем мире насчитывается более 800 000 га теплиц, которые можно условно подразделить на два типа: северный (как правило, с дополнительным обогревом и другим высокотехнологическим оборудованием), и южный (с минимальным уровнем технической сложности) [5].
Для северного типа теплиц характерен более высокий уровень выбросов СО2, что связано с использованием газа для целей отопления и повышения концентрации углекислоты в теплице. На них же приходится основная доля потребляемой для обеспечения технологического процесса энергии. Так, в Голландии 79% всей потребляемой энергии приходится на тепличные хозяйства [6]. Однако и
неотапливаемые теплицы южного типа создают серьезные экологические угрозы. Например, в провинции Альмерия (Южная Испания) тепличное производство на площади 50000 га является важным источником роста региональной экономики, но при этом и создает экологические проблемы (истощение водоносных горизонтов, засоление земель и воды, загрязнение ближлежайших водных систем биоцидами и удобрениями) [7]. Таким образом, повышение энергоэкологичности тепличного производства является важной задачей, к решению которой существуют значительные финансовые стимулы. Так, снижение затрат на энергию на 20% эквивалентно повышению выхода товарной продукции на 5% [8].
Оптимизация процесса получения продукции растениеводства в условиях светокультуры подразумевает снижение нерационального расхода потоков используемых субстанций (вещества и энергии) на различных стадиях технологического процесса. В силу различной природы процессов, протекающих в различных технологических установках в настоящее время отсутствует единый подход к анализу и оптимизации экологичности и энергоэффективности светокультуры.
Объект исследования ЭЭС -искусственная биоэнергетическая система светокультуры (ИБЭСС), т.е. совокупность биологических организмов (растений) и технологического оборудования
(облучательные установки, устройства обеспечения параметров микроклимата и питания ратений) в культивационном сооружении. Математическое описание закономерностей переноса субстанции в продукционном процессе светокультуры производится на основе иерархической модели ИБЭСС. При этом системным интегративным критерием оптимальности является энергоэкологичность,
распространяемая при декомпозиции на локальные критерии оптимальности в соответствующих задачах оптимизации отдельных иерархических уровней.
Предметом изучения ЭЭС являются закономерности преобразования потоков вещества и энергии в ИБЭСС, которые определяют как энергоэффективность получения урожая (задача
энергосбережения), так и повышение качества продукции, снижения количества нитратов, влияния на окружающую среду (обеспечения экологичности).
ЭКОЛОГИЯ
Рис. 2. Структура ЭЭС как научного направления
ЭЭС как научное направление расположено на стыке традиционных наук: энергетики (в плане эффективности использования электроэнергии), экологии (потоки вещества и энергии) и светокультуры, в свою очередь включающую отдельные направления физики - оптика, фотометрия, электричество; технических наук - светотехника, электротехника, автоматика, технология; биологических наук - физиология растений, овощеводство (рис. 2).
Теоретические исследования
базировались на моделировании
структурных уровней ИБЭСС.
Экспериментальные исследования
показателей энергоэкологичности
светокультуры проводились на
лабораторных установках и в
производственных культивационных
сооружениях.
Результаты и обсуждение
Обоснование необходимости
энергоэкологичного подхода к проблемам светокультуры.
Современное тепличное производство является энерго- и ресурсоемким, характеризуется высоким потреблением энергии, питательных веществ и технических средств для выращивания растений (рис. 3).
Интенсивность технологического
процесса сказывается как на внешней, так и внутренней среде теплицы. Воздействия на внешнюю окружающую среду заключаются в загрязнении воздуха, грунтовых и поверхностных вод, почвы в районе расположения теплицы. Негативное воздействие на внутреннюю среду теплицы оказывает отрицательное влияние на здоровье обслуживающего персонала и качество продукции.
Рис. 3. Входные и выходные потоки субстанций в теплице
По определению, теплица является сооружением, которая сохраняет внутри энергию солнца. Количество этой энергии может являться избыточным даже в зимнее время, что приводит к необходимости проветривания. При ее недостатке поддержание требуемой температуры требует сжигания ископаемого топлива, что приводит к выбросам в атмосферу большого количества углекислоты.
Большие затраты энергии в теплице необходимы как для облучательных установок, так и для работы другого электрооборудования.
Вынос пестицидов и питательных веществ со сточными водами является большой проблемой. В открытых системах питательный раствор часто сбрасывается. В существенно меньшей степени эта проблема проявляется и в закрытых системах. Однако при их использовании не исключено распространение вместе с питательными веществами водных патогенов. Для устранения этого явления необходима дезинфекция питательного раствора перед его последующим использованием, что так же может привести к выбросам применяемых химических реагентов.
Проникновение света от источников в слои атмосферы (световое загрязнение) приводит к изменению мировой экосистемы и может влиять на состояние здоровья людей.
Для вырщивания растений, помимо химических веществ, требуется большое количество пластиковых пленок,
минеральной ваты и другого субстрата, труб и т.д.
В процессе производства полезной продукции происходит накапливание биомассы, которую следует отнести к отходам - листья, побеги и другие растительные остатки. Необходимость их последующей утилизации так же составляет экологическую проблему.
Для уменьшения материальных и энергетических потерь необходимо обеспечить замкнутость соответствующих потоков вещества и энергии.
Замкнутый воздушный цикл с применением теплоаккумуляции и теплообменной вентиляции имеет ряд преимуществ с экологической точки зрения. Это, прежде всего, снижение затрат энергии на отопление, повышение урожайности за
счет повышения концентрации углекислоты, сокращение водопотребления за счет использования влаги конденсата,
уменьшение выбросов в атмосферу. В такой теплице снижается использование химических веществ, что оказывает благотворное действие на здоровье персонала.
Использование электроэнергии для асиммиляционного освещения может быть снижено за счет примения более эффективных источников излучения, что так же обеспечит повышение экологичности производства.
С другой стороны, применение таких технических решений связано с высокими инвестиционными затратами, что может поставить под сомнение экономическую осуществимость проекта, особенно для малого бизнеса.
В настоящее время определения, относящиеся к терминам «экология», «экологичный» чаще всего подразумевают проблемы выбросов в окружающую среду, ее загрязнения в процессе человеческой деятельности.
Мнение, что задачей экологии является исследование и поддержание должного качества окружающей нас среды: воды, воздуха и т. д. распространено достаточно широко. Однако следует помнить, что экология не сводится к охране окружающей среды. Это наука, выросшая из недр биологии и являющаяся неотъемлемой ее частью.
Термин «экология» (от греч. o'ikos -жилище, местопребывания и logos - наука) предложен в 1866 г. Э. Геккелем в работе «Общая морфология организмов» для обозначения общей науки об отношениях организмов к окружающей среде.
Важнейшей концепцией экологии является идея о структуре и направленности потока вещества и энергии (субстанции) в живых системах. Живые организмы, будучи
связаны с окружающей средой потоками субстанции, образуют некую общность, называемую экосистемой, изучение которой позволяет понять, что ограничивает их первичную продукцию — образование органического вещества в ходе фотосинтеза растений.
Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных
систем различных уровней: популяций, биоценозов, биогеоценозов (общая экология), а так же взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой (частная экология). Отдельные направления частной экологии изучают конкретные экосистемы или сообщества. Так, агроэкология рассматривает экологию сельскохозяйственных экосистем,
фитоценология - экологию растительных сообществ).
Экологическая физиология растений (наука о способах адаптации растений к условиям среды) является интенсивно развивающимся направлением современной фитофизиологии.
Важным разделом этого направления является экология фотосинтеза,
занимающаяся изучением зависимости интенсивности и продуктивности
фотосинтеза от экологических факторов, прежде всего оптического излучения, которое определяет количественные и качественные параметры фотосинтеза на всех уровнях его формирования -организменном, органном, тканевом, клеточном и молекулярном.
Разработанная в НИЛЭЭС
иерархическая информационная модель ИБЭСС позволяет оценить
энергоэффективность производства и его экологичность [9].
Научной основой модели является прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах
(ПТЭЭТП), описывающая энергетику ИБЭС
с учетом ее многоуровневости и закономерностей взаимодействия
сельскохозяйственных биологических
объектов с искусственной средой обитания [10].
Процессы, протекаемые в сложных сельскохозяйственных ИБЭС, могут быть сведены к определенному набору типовых процессов преобразования энергии и переноса вещества, происходящих в отдельных объектах, составляющих систему.
Иерархичность информационной модели системы определяется многоуровневостью ИБЭС (рис. 4).
ПолезнаяV продукция Рис. 4. Математическая модель ИБЭСС
Модель основана на учете входных потоков субстанции: вещества Мн, подаваемого на вход блока преобразования вещества (БПВ), и энергии Qн, подаваемой на вход блока преобразования энергии БПЭ. Выходные потоки формируются из полезной продукции Мк, потерь вещества АМ (отходы, выбросы, сбросы) и энергетических потерь АQ.
Модель позволяет произвести проектирование и оптимизацию
светокультуры по единому критерию энергоэкологичности.
Основные разработки НИЛЭЭС в области энергоэкологии светокультуры
В течение последних лет в лаборатории разработаны подходы к оптимизации
энерготехнологических процессов АПК (в т.ч. в светокультуре), в публикациях и выступлениях на конференциях проводятся идеи о необходимости более масштабного, теоретического подхода к
энергосбережению. В области оптических электротехнологий получены патенты, техническим результатом которых является снижение энергоемкости в тепличных облучательных установках. Предложена концепция ИБЭСС [11] и ее иерархическая информационная модель [12]. Предложен метод оценки энергоэффективности процесса фотосинтеза по его энергоемкости [13]. Разработана методика энергоэкоаудита светокультуры [14]. Исследованы вопросы комплексной оценки стабильности развития растений в зависимости от качества радиационной среды [15]. Разработаны технические средства для выращивания растений (фитооблучатели [16], облучательные установки [17] и вегетационные установки
[18]. Разработаны основы метрологического обеспечения энергоэкологии светокультуры
[19] и средства аттестации источников ОИ, применяемых при облучении растений
[20]. Разработаны малогабаритные приборы - анализаторы: спектральной энергоемкости потока ОИ, качества спектра потока ОИ и качества облучения для светокультуры [21]. Проведены эксперименты в области частной светокультуры по выращиванию петрушки [22], томата и огурца [23], салата [24]. Разработаны модули для выращивания растений по технологии светокультуры в бытовых помещениях (офисах, квартирах) и мелких фермерских хозяйствах.
Потребителями созданной научной продукции являются тепличные хозяйства, мелкотоварное производство закрытого грунта, научно-исследовательские
организации, аграрные вузы.
Практические результаты апробированы и внедрены в тепличном комбинате Межвиди (Латвия), ООО «Выборжец» (Санкт-Петербург), ООО «Чистая линия» (Пикалево).
Система показателей
энергоэкологичности
Энергоэкологичность светокультуры -это свойство технологического процесса выращивания растений в искусственно созданных условиях культивационного сооружения соответствовать требованиям энергоэффективности и экологичности.
Рис. 5. Комплекс частных показателей энергоэкологичности ИБЭСС
Интегральный (комплексный)
показатель энергоэкологичности
светокультуры должен учитывать входные и выходные потоки субстанции. Однако помимо этого на отдельных иерархических уровнях модели ИБЭСС выделены показатели, которые можно считать частными показателями энерго-
экологичности (рис. 5).
В комплекс показателей входят:
1. Агрохимические и физические показатели воздуха и субстрата - температура Т, оС и влажность Ж, % воздуха и субстрата; содержание веществ в субстрате С С, мгкг-1; содержание органического вещества С г, мгкг-1; показатель кислотности рН, ед.; показатель электропроводности ЕС, мСмсм-1.
2. Показатели радиационного режима -величина потока излучения источников ^,
мкмоль-с- ; пространственное распределение потока источников I а; распределение облученности на уровне верхушек растений Ех , мкмоль-с"1 •м-2; спектральный состав (, отн.ед; закон изменения потока во времени
Е.
3. Показатели стабильности развития и устойчивости растений - флуктуирующая асимметрия билатеральных признаков ЕА^,
отн.ед.; степень повреждения клеточных мембран А, отн.ед.
4. Биометрические показатели растений -масса частей растения М (листьев каждого
яруса Мл, стебля Мс, корня Мк), г; площадь листа каждого яруса £ и общая площадь листьев £, см2; длина междоузлий Ц, и обшая высота до гипокотиля Н, см; диаметр шейки стебля Э, мм; спектральная оптическая плотность листьев ОЭ, отн.ед.; коэффициенты ростовых формул 70, 7т , отн.ед.
5. Биохимический состав растений -содержание сухого вещества V, %;
содержание веществ
ср
. -1 мг кг ;
относительное содержание хлорофилла в листьях Ссь, отн.ед.
6. Технологические показатели
светокультуры - продуктивность
светокультуры Р, кг-м-2; затраты
-2
электроэнергии Q, кВт-ч-м- ; энергоемкость светокультуры е, кВт-ч-кг-1.
Обоснованы два подхода к численной характеристики энергоэкологичности
светокультуры. В соответствии с первым предложено использовать коэффициент энергоэкологичности
Кэ =—V".
Исходными параметрами являются величины энергоемкости продукции £м, сырья гс, и процесса еП, теоретически
возможных выхода продукции ут и КПД процесса т]т [25].
Второй подход опирается на критерий энергоэкологичности, определяемый
степенью близости некоторых параметров светокультуры для сравниваемых условий (А) и для условий НДТС (В)
, яА-Б
А _ ¡О
ЭЭА =
[Б е НДТС.
В качестве обобщенных параметров предложено использовать годографы векторов динамической энергоемкости [26].
Структурные элементы алгоритма формирования НДТС
Целью экспериментальных
исследований роли и влияния отдельных факторов в рамках научного направления энергоэкология светокультуры является изучение закономерности потоков субстанции в ИБЭСС, формирующие ее энергоэкологичность. Это достигается применением научного анализа, результатом которого является создание наилучших доступных технологий светокультуры (НДТС). Такие технологии производства продукции растениеводства в
контролируемых условиях (теплицы, сити-фермы, фитоустановки), выбираются для конкретных условий и требований из достигнутого уровня науки, техники и технологий по критерию минимальных удельных энергетических затрат и воздействия на окружающую среду при условии обеспечения экологически чистой конечной продукции (рис. 6).
Рис.6. Формирование массива вариантов технологий светокультуры
Светокультура как производственный процесс не относится к области обязательного применения НДТ по категории воздействия на окружающую среду. Однако следует обратить внимание на идеологию понятия НДТ. Это технологии, методы, способы и технические решения, достигающие высокого уровня защиты окружающей среды в целом наиболее эффективным способом, которые
разработаны и готовые к внедрению в соответствующей отрасли на конкретном предприятии.
При наличии соответствующего научного обоснования, технических разработок, статистического анализа представляется целесообразным разработка справочника НДТС по аналогии с имеющмися для различных технологических процессов. С учетом специфики светокультуры в алгоритме формирования НДТС можно выделить следующие структурные элементы (рис. 7).
Рис. 7. Структурные элементы алгоритма формирования НДТС
I. Факторы. Любой элемент внутренней среды культивационного сооружения, оказывающий прямое или косвенное воздействие на растения на протяжении какой либо фазы их развития, является экологическим фактором. Степень интенсивности /-го фактора характеризуется величиной соответствующего параметра ^ .
II. Условия. Обеспечение возможности
растений в
сооружениях
жизнедеятельности культивационных
подразумевает соблюдение некоторых дополнительных условий, накладываемых на экологические факторы. Они могут быть заданы в виде математических зависимостей U = g( f), ограничивающих значение соответствующих показателей. Например, может быть задано условие нахождения параметра f в некотором диапазоне в пределах от начального fн до конечного значения f *, условие превышения некоторого критического значения fкр ,
наложены ограничения на его пространственную неравномерность,
характеризуемую соотношением z между средним fср и минимальным fmin
значениями и т.д.
III. Правила. Применяемая технология выращивания растений заключается в соблюдении некоторых правил T = g(U), связывающих между собой условия с помощью логических операций (И, + ИЛИ, —1 НЕ). Данные правила реализуются в алгоритме управления светокультурой.
IV. Оценка. Каждой технологии выращивания растений можно сопоставить некоторую оценку (величину энергоэкологичности) ЭЭг = O(Ti),
определяющую степень соответствия светокультуры в относительных единицах для данного варианта проведения технологического процесса для
сравниваемых условий и для условий НДТС.
V. Выбор. Выбор технологии светокультуры в качестве наилучшей доступной производится по критерию экстремального значения из найденных показателей энергоэкологичности (минимум или максимум в зависимости от принятого алгоритма оценки).
На основе НДТС предусмотрена разработка системы мониторинга текущего состояния светокультуры и управления, использующей информацию от датчиков,
измеряющих значения факторов внутренней и внешней среды (рис. 8). На основе анализа система выдает рекомендации по оптимизации режимов светокультуры для текущих условий. На основе этих данных специалист может обоснованно принять решение по управлению, в том числе удаленно.
Рис. 8. Система управления технологическими процессами в теплице на основе НДТС
Выводы
Важность проблем повышения энергоэффективности и ресурсоотдачи, энергосбережения и улучшения
экологической обстановки сегодня неоспорима. Экономика России все еще остается энергозатратней и
ресурсорасточительной. Это связано с целым комплексом энергопотерь на всех этапах производства, передачи, распределения и потребления энергии; с моральным и физическим старением энергогенерирующих мощностей; исторически сложившимся режимом ресурсопользования. Сегодня энергоэффективное производство требует внедрения современных специальных энергоэкологических технологий.
В условиях инновационного развития АПК актуальным становится разработка средств моделирования систем управления в сельскохозяйственных энергетических
системах для обеспечения энергосбережения и повышения энергоэффективности при соблюдении заданных требований и ограничений по устойчивости их
функционирования, качества и надежности управления.
Полученные результаты способствуют выполнению мероприятий дорожной карты Фуднет по направлениям: развитие внутреннего рынка Российской Федерации и рост экспортного потенциала за счёт выхода российских поставщиков продукции и услуг на международную арену; увеличение производительности труда вследствие положительного влияния качественной продукции на организм, пониженной вероятности заболеваний; рост
конкурентоспособности тепличной отрасли на внутреннем и мировом рынках; увеличение выручки тепличных
предприятий за счет дополнительно получаемой продукции; удешевление конечной продукции за счет снижения ресуро- и энергоемкости производства; повышение обеспеченности населения продовольствием, повышение его качества, расширение номенклатуры продуктов питания с различными питательными свойствами.
Рассмотренные концептуальные основы разрабатываемого нового научного направления «Энергоэкология
светокультуры» направлены на изучение закономерности преобразования потоков вещества и энергии в ИБЭС, формирующие ее энергоэффективность и экологичность. Повышение энергоэкологичности
светокультуры достигается применением научного анализа и интеллектуальных алгоритмов управления светокультурой как многоуровневой системой, включающей энергетические, технологические и биологические объекты.
Конечной целью исследований в этом направлении является создание НДТС по критерию энергоэкологичности как системному интегративному критерию оптимальности.
Важнейшим результатом проводимых исследований являются методики
энергоэкоаудита, результаты которого могут быть использованы для оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимальных отклонений энергоэкологичности путем варьирования параметров облучения, условий
окружающей среды и других факторов.
В настоящее время в отрасли светокультуры сформировался пул аффилированных поставщиков
оборудования и технологий для тепличных комплексов, которые на протяжении многих лет предлагают типовые решения, дающие одинаковые показатели урожайности и энергопотребления и конкурируют между собой в рамках этих параметров лишь ценовыми критериями. Тем самым, по сути блокируется трансфер новейших
технологических решений.
Предложения НИЛЭЭС в рамках коммерциализации результатов научных исследований заключаются в определении перспективных возможностей получения реальных дополнительных доходов и снижения затрат от уже имеющихся в отрасли инновационных разработок, оборудования и технологий;
позиционировании лаборатории как источника информации для стратегического управления инновациями; прогнозировании коммерческого потенциала как
существующих, так и новых разработок.
Реализация данных предложений позволит управлять всем процессом продвижения технологий, достичь максимального эффекта при модернизации и техническом перевооружении; получить независимую объективную оценку состояния объекта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Стратегия научно - технологического развития Российской Федерации до 2035. -www.sntr-rf.ru/ (дата обращения 05.12.2018)
2. Программа фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы. -http://www.ras.ru /scientificactivity/2013-2020plan.aspx (дата обращения 05.12.2018)
3. Леман В.М. Курс светокультуры растений. М., высшая школа.1961.205 с.
4. Wainwright H. Environmental Impact of Production Horticulture. In: Horticulture: Plants for people and places (Eds. Geoffrey R. Dixon, David E. Aldous). New York-London: Springer. 2014. Vol. 1: 503-522. DOI 10.1007/978-94-17-6578-5
5. Bergstrand K-J. 2010. Approaches for mitigating the environmental impact of greenhouse horticulture. PhD thesis. Swedish University of Agricultural Sciences, Alnarp.
6. Lansink A, Bezlepkina I. 2003. The effect of heating technologies on CO2 and energy efficiency of Dutch greenhouse firms. J Environ Manage 68(1):73-82.
7. Wolosin R. 2006. El Milagro de Almería, España: a political ecology of landscape change and greenhouse agriculture. MA Thesis. The University of Montana, Montana.
8. Agriculture and horticulture. Introducing energy saving opportunities for farmers and growers. London: The Carbon Trust. 2012:36
9. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Транчук А.С. Применение иерархической модели искусственной биоэнергетической системы для оценки экологичности и энергоэффективности светокультуры // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -2015. - № 40. - С. 262-268.
10. Ракутько С.А. Энергоэкология светокультуры как новое актуальное научное
направление // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 124. № 1. С. 138-141.
11. Ракутько С.А. От понятия потребительской энергетической системы к иерархической информационной модели ИБЭС // Известия СПбГАУ. -2014. -№ 35. - С. 312-318.
12. Ракутько С.А., Бровцин В.Н., Мишанов А.П., Маркова А.Е., Ракутько Е.Н. Оценка экологичности и энергоэффективности предприятия АПК с помощью иерархической модели ИБЭС // Региональная экология. -2015. -№ 6 (41). -С. 58-66.
13. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Метод оценки энергоэффективности фотосинтеза в светокультуре с позиций прикладной теории энергосбережения Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2015. -№ 86. -С. 169-183.
14. Ракутько С.А., Васькин А.Н., Горбатенко Н.А., Забодаев Д.П. Методика энергоэкоаудита светокультуры салата (Lactuca Sativa L.) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2016. -№ 7-4. С. -540-543.
15. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Kaposhko
D.A., Vaskin A.N., Tranchuk A.S. Influence of light quality on fluctuating asymmetry of bilateral traits of forced parsley leaves. Proc. 166 Int. Sci. Conf. "Engineering for Rural Development". 2017; 16: 42-47. (In English)
16. Энергосберегающий светодиодный фитооблучатель / Ракутько С.А., Пацуков А.Э., Таличкин С.В. Патент на ПМ 142791 30.10.2013
17. Ракутько С.А., Транчук А.С., Ракутько
E.Н., Васькин А.Н. Установка для верхнего и междурядного облучения длинностебельных растений Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2016. -№ 88. -С. 68-78.
18. Вегетационная установка / Ракутько С.А., Пацуков А.Э., Мишанов А.П. Патент на ПМ 132309 19.04.2013
19. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Метрологическое обеспечение энергоэкологии светокультуры // Международный журнал экспериментального образования. - 2017. -№ 3-1. - С. 101-102.
20. Ракутько С.А. и др. Пат. РФ №2368875. Измерительно-вычислительный комплекс периодического контроля и тестирования ИС для облучения растений.04.06.08.Бюл.№27.
21. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Анализатор качества облучения для светокультуры Патент на полезную модель №160900. - 30.09.2015.
22. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Рост и фотоморфогенез петрушки корневой (Petroselinum tuberosum) под оптическим излучением различного спектрального сост ава // Известия СПбГАУ. -2015. -№ 38. -С. 298-304.
23. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Судаченко В.Н., Колянова Т.В. Определение эффективности светодиодных источников облучения при выращивании рассады томата и огурца Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2013. -№ 84. -С. 82-90.
24. Мишанов А.П., Маркова А.Е., Ракутько С.А., Бровцин В.Н., Ракутько Е.Н. Влияние соотношения долей зеленого и красного излучения на биометрические показатели салата Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2015. -№ 87. -С. 264-272.
25. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Энергоэкология светокультуры - новое междисциплинарное научное направление // Технологии и технические средства механизированного
производства продукции растениеводства и животноводства. - 2016. - № 90. - С. 14-28. 26. Ракутько С.А. Энергоэкологичность как свойство искусственной биоэнергетической системы светокультуры Технологии и
технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2018. -№ 2 (95). - С. 7789.
REFERENCES
1. Strategiya nauchno - tekhnologicheskogo razvitiya Rossijskoj Federacii do 2035 [Strategy of scientific and technological development of the Russian Federation to 2035]. Available at: www.sntr-rf.ru/ (accessed 05.12.2018)(In Russian).
2. Programma fundamental'nyh nauchnyh issledovanij gosudarstvennyh akademij nauk na 2013-2020 gody [The program of fundamental scientific research of state academies of sciences for 2013-2020]. Available at: www.ras.ru/scientificactivity/2013-2020plan.aspx (accessed 05.12.2018) (In Russian).
3. Leman V.M. Kurs svetokul'tury rastenij [Guide-book in Plant Lighting]. Moscow: Vysshaya shkola. 1961: 205 (In Russian).
4. Wainwright H. Environmental Impact of Production Horticulture. In: Horticulture: Plants for people and places (Eds. Geoffrey R. Dixon, David E. Aldous). New York-London: Springer. 2014. Vol. 1: 503-522. DOI 10.1007/978-94-17-6578-5
5. Bergstrand K-J. Approaches for mitigating the environmental impact of greenhouse horticulture. PhD thesis. Swedish University of Agricultural Sciences, Alnarp. 2010.
6. Lansink A, Bezlepkina I. The effect of heating technologies on CO2 and energy efficiency of Dutch greenhouse firms. J Environ Manage 2003. 68(1):73-82.
7. Wolosin R. El Milagro de Almería, España: a political ecology of landscape change and greenhouse agriculture. MA Thesis. The University of Montana, Montana. 2006.
8. Agriculture and horticulture. Introducing energy saving opportunities for farmers and growers. London: The Carbon Trust. 2012:36
9. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Tranchuk A.S. Primenenie ierarhicheskoj modeli iskusstvennoj bioehnergeticheskoj sistemy dlya ocenki ehkologichnosti i ehnergoehffektivnosti svetokul'tury [Application of a hierarchical model of an artificial bioenergetic system for assessing the ecological compatibility and energy efficiency of indoor plant lighting]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015; 40: 262-268 (In Russian).
10. Rakutko S.A. Energoehkologiya svetokul'tury kak novoe aktual'noe nauchnoe napravlenie [Energy ecology of indoor plant lighting as a new relevant scientific direction]. Trudy GOSNITI. 2016. Vol. 124. N 1: 138-141. (In Russian)
11. Rakutko S.A. Ot ponyatiya potrebitel'skoj ehnergeticheskoj sistemy k ierarhicheskoj informacionnoj modeli IBES [From the concept of a consumer energy system to the ABES hierarchical information model]. Izvestiya SPbGAU. 2014. No 35: 312-318. (In Russian)
12. Rakutko S.A., Brovtsin V.N., Mishanov A.P., Markova A.E., Rakutko E.N. Ocenka ehkologichnosti i ehnergoehffektivnosti predpriyatiya APK s pomoshch'yu ierarhicheskoj modeli IBEHS [Estimation of ecological compatibility and energy efficiency of the enterprise within agro-industrial complex with the help of the hierarchical model of artificial bioenergitic system]. Regional'naya ehkologiya. 2015; 6 (41): 58-66. (In Russian)
13. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Metod ocenki ehnergoehffektivnosti fotosinteza v svetokul'ture s pozicij prikladnoj teorii ehnergosberezheniya [Estimation method of energy effectiveness of photosynthesis under plant lighting in terms of applied power saving theory]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. No 86: 169-183.
14. Rakutko S.A., Vas'kin A.N., Gorbatenko N.A., Zabodaev D.P. Metodika ehnergoehkoaudita svetokul'tury salata (Lactuca Sativa L.) [The technique of energy and ecological estimation of lettuce (Lactuca Sativa L.) plant lighting]. Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovanij. 2016. No 7-4: 540-543. (In Russian)
15. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Kaposhko
D.A., Vaskin A.N., Tranchuk A.S. Influence of light quality on fluctuating asymmetry of bilateral traits of forced parsley leaves. Proc. 16 Int. Sci. Conf. "Engineering for Rural Development". 2017; 16: 42-47. (In English)
16. Rakutko S.A., Patsukov A.E., Talichkin S.V. Ehnergosberegayushchij svetodiodnyj fitoobluchatel' [Energy Saving LED phyto-irradiator. Patent on utility model RF No 142791. 2013. (In Russian)
17. Rakutko S.A., Tranchuk A.S., Rakutko
E.N., Vas'kin A.N. Ustanovka dlya verhnego i mezhduryadnogo oblucheniya dlinnostebel'nyh rastenij [Greenhouse irradiation facility for overhead and inter-row lighting of long-stalked plants]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016. No 88: 68-78. (In Russian)
18. Rakutko S.A., Patsukov A.E., Mishanov A.P. Vegetacionnaya ustanovka [Plant growing installation]. Patent on utility model No 132309. 2013 (In Russian)
19. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Metrologicheskoe obespechenie ehnergoehkologii svetokul'tury [Metrological support of energy and ecology of plant lighting]. Mezhdunarodnyj zhurnal ehksperimental'nogo obrazovaniya. 2017. No 3-1: 101-102. (In Russian)
20. Rakutko S.A. et al. Izmeritel'no-vychislitel'nyj kompleks periodicheskogo kontrolya i testirovaniya IS dlya oblucheniya rastenij [Measuring and computing complex of periodic control and testing of light sources for irradiation of plants]. Patent of RF №2368875. 2008.
21. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Analizator kachestva oblucheniya dlya svetokul'tury [Irradiation quality analyser in plant lighting]. Patent on utility model No 160900. 2015. (In Russian)
22. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Rost i fotomorfogenez petrushki kornevoj (Petroselinum Tuberosum) pod opticheskim iz-lucheniem razlichnogo spektral'nogo sost ava [Growth and photomorfogenesis of parsley (Petroselinum tuberosum) under irradiation with different light quality]. Izvestiya SPbGAU. 2015. No. 38: 298-304. (In Russian).
23. Rakutko S.A., Markova A.E., Sudachenko V.N., Kolyanova T.V. Opredelenie ehffektivnosti svetodiodnyh istochnikov oblucheniya pri vyrashchivanii rassady tomata i ogurca [Determination of LED sources efficiency for the lighting of tomato and cucumber seedlings]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii raste-nievodstva i zhivotnovodstva. 2013. No 84: 82-90. (In Russian).
24. Mishanov A.P., Markova A.E., Rakutko S.A., Brovcin V.N., Rakutko E.N. Vliyanie sootnosheniya dolej zelenogo i krasnogo izlucheniya na biometricheskie pokazateli salata [Effect of green-red emissions ratio on lettuce biometrics]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva
produkcii rastenie-vodstva i zhivotnovodstva. 2015. No 87: 264-272. (In Russian). 25. Rakutko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Rakutko E.N. Jenergojekologija svetokul'tury - novoe mezhdisciplinarnoe nauchnoe napravlenie [Energy and ecological efficiency of indoor plant lighting as a new interdisciplinary reseach area]. Tehnologii i tehnicheskie sredstva mehanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i
zhivotnovodstva. 2016; No. 90: 14-28. (In Russian).
26. Rakutko S.A. Energoehkologichnost' kak svojstvo iskusstvennoj bioehnergeticheskoj sistemy svetokul'tury [Energy and ecological efficiency as the property of the artificial bioenergetic system of indoor plant lighting]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No 2(95): 77-89. (In Russian)
УДК 631.559.2: 541.13: 631.589.2 Б01 10.24411/0131-5226-2019-10122
ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧНОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ
А.П. Мишанов; А.Е. Маркова, канд. с.-х. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Метод электрохимической активации предполагает способ перевода воды в метастабильное состояние с заранее заданными свойствами и получение полезных растворов различного назначения, позволяющих повысить эффективность процесса выращивания растений в светокультуре. Исследовано влияние применения питательных растворов, приготовленных на различном сочетании католита (К) и анолита (А) в смеси на урожайность салата и эффективность использования энергии облучения, выраженную коэффициентом статической энергоемкости - вс. Данный коэффициент рассмотрен в качестве показателя, косвенно характеризующего энергоэкологичность светокультуры. В результате отмечали увеличение расхода питательного раствора, приготовленного на смеси с соотношением К:А=1:0,5 по сравнению с вариантом на водопроводной воде, обусловленного повышенным биологическим действием. Выявлена эффективность использования питательных растворов минеральных удобрений, приготовленных на смеси К:А=1:0,5: прибавка урожая составила 24,1%, выход сухих веществ увеличился на 54,4%, содержание нитратного азота в продукции снизилось на 13,5% по сравнению с контрольным вариантом на водопроводной воде. Содержание активного кислорода в смеси К:А=1:0,5 на третьи сутки составило 8,55 мг/л, что на 0,58 мг/л превышает значение аналогичного показателя для варианта с водопроводной водой. Эффективность использования энергии облучения на образование 1 кг сухого вещества на 31,6 % выше, чем в варианте с К:А=1:1 и на 35,2 %, чем в варианте с водопроводной водой. Между вариантами К:А=1:1 и водопроводной водой существенная разница не выявлена. Учитывая то, что вс может выступать в качестве одного из параметров энергоэкологичности можно предположить, что в варианте выращивания растений на питательном растворе с применением смеси К:А=1:0,5 энергоэкологичность технологического процесса выращивания будет выше, чем в остальных вариантах.
