CC BY
35
3. Donskoj S. "Musornaya" problema. ["Garbage" problem]. Izvestiya Newspaper. February 14, 2017. Available at: https://iz.ru/news/664499 (accessed 12.09.17).
4. Federal'naya celevaya programma "Likvidaciya nakoplennogo ehkologicheskogo ushcherba" [Federal target program "Clean-up of past environmental damage"]. Available at: mnr. gov.ru/upload/files/docs/programma_fzp. do c(accessed 05.09.17)
5. Korolev V.A. Poligony TBO: Est' li al'ternativa? [Municipal solid waste landfills: Is there an alternative?]. Inzhenernaya geologiya. 2010; 1:46-56. Available at:https://istina.msu.ru. (accessed 20.11.17).
6. Obzor sovremennyh tekhnologij pererabotki kommunal'nyh othodov [Review of modern technologies of municipal waste processing]. Available at: https://vuzlit.ru/634404/obzor_sovremennyh_te hnologiy_pererabotki_kommunalnyh_othodov. (accessed: 17.11.17).
7. Gosudarstvennyj doklad "O sostoyanii i ob ohrane okruzhayushchej sredy Rossijskoj Federacii v 2016 godu" [State Report "On the state and protection of environment of the Russian Federation in 2016"]. Moscow: Minprirody Rossii; NIA-Priroda; 2017: 760.
8. Klinkov A.S. Utilizaciya i pererabotka tverdyh bytovyh othodov: Uchebnoe posobie po podgotovke bakalavrov i magistrov 29.03.03, 29.03.04 [Utilisation and processing of municipal solid waste: manual for bachelors and masters in specialties 29.03.03, 29.03.04]. Tomskij GTU; 2015: 188.
9. Kuznetsova O. R. Ekonomicheskaya ehffektivnost' sistem decentralizovannogo
ehnergosnabzheniya: na primere Habarovskogo kraya. Diss. kand. ehkon. nauk [Economic efficiency of decentralized energy supply systems: the example of the Khabarovsk Territory. Cand. Econ. Sci. Diss.]. Komsomolsk-on-Amur, 2002: 180.
10. Efimov N.N. Mikroehnergokompleks na baze vlazhno-parovoj turbiny [Micro-energy complex based on wet-steam turbine]. Energosberezhenie. 2013; 6: 54-55.
11. Efimov N.N., Parshukov V.I. et al. Mikroturbinnaya ustanovka dlya ehffektivnogo ehnergosnabzheniya avtonomnyh individual'nyh potrebitelej [Micro-turbine plant for efficient power supply of autonomous individual consumers]. Izv. Vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. Nauki [University News. North-Caucas. Reg. Tech. Sci. Series]. 2013; 1: 51-55.
12. Ilyina T. E. O zadache proektirovaniya i upravleniya kolebaniyami vysokooborotnogo gazostaticheskogo podshipnika. Sbornik materialov mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii "Nauka - XXI vek" [On the problem of designing and controlling oscillations of a high-speed gas-static bearing. Proc. Int. Sci. Conf. "Science - XXI century". I.P. Lotova, F.P. Tarasenko, V.A. Dragavtseva et al (Eds.)]. Moscow: "Rusal'yans "Sova"; 2015: 370.
13. Filipkovskij S.V., Avramov K.V. Svobodnye nelinejnye kolebaniya mnogodiskovyh rotorov na sharikopodshipnikah [Free nonlinear oscillations of multi-disk rotors on ball bearings]. Problemyprochnosti. 2013; 3: 86-96.
РАЗДЕЛII ЭНЕРГОЭКОЛОГИЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
УДК 628.979:581.035 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10034
ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧНОСТЬ КАК СВОЙСТВО ИСКУССТВЕННОЙ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
77
С.А. Ракутько, д-р техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Рассмотрен иерархический подход к моделированию потоков субстанции (вещества и энергии) в искусственной биоэнергетической системе светокультуры. Показана необходимость создания наилучших доступных технологий (НДТ) светокультуры, представляющих собой технологии производства продукции растениеводства в контролируемых условиях, выбираемых 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. Предложено понятие энергоэкологичности светокультуры как меры близости к НДТ. Выделены частные показатели энергоэкологичности на различных иерархических уровнях модели: I) биологический объект (растение), II) технологический процесс облучения растений, III) культивационное сооружение в целом, IV) получаемая полезная продукция, V) внешняя среда. Раскрыта методика построения годографов статической и динамической энергоемкости. Предложена формула для численного определения значения энергоэкологичности светокультуры как степени близости годографов векторов динамической энергоемкости, оцениваемому по величине эвклидового расстояния между годографами для сравниваемых условий и для условий НДТ. Изложены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие применимость разработанных теоретических положений при обосновании выбора источников света для светокультуры.
Ключевые слова: наилучшие доступные технологии, светокультура, энергосбережение, энергоэкоаудит, энергоемкость
ENERGY AND ECOLOGICAL EFFICIENCY AS THE PROPERTY OF THE ARTIFICIAL BIOENERGETIC SYSTEM OF INDOOR PLANT LIGHTING
S.A. Rakutko, DSc (Eng)
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSBSI FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
The paper considers a hierarchical approach to the modeling of substance (matter and energy) flows in the artificial bioenergetic system of indoor plant lighting. The need for the best available techniques (BAT) of indoor plant lighting is justified. In this context, BATs are identified as technologies for crop production under controlled conditions; they are chosen for specific conditions and requirements from among the related achievements in science, technology and techniques by the criteria of minimum specific energy costs and environmental impact while providing environmentally clean final products. The concept of energy and ecological efficiency of indoor plant lighting is offered as the proximity measure to BAT. Particular indicators of energy and ecological efficiency on different hierarchical levels of the model are distinguished: (I) biological object (plant), (II) technological process of plant irradiation, (III) plant growing facility as a whole, (IV) useful products obtained, (V) external environment. The paper describes the method for constructing the hodographs of static and dynamic energy intensities and offers the formula for the numerical determination of the energy and ecological efficiency of indoor plant lighting as the proximity degree of hodographs of the dynamic energy-intensity vectors, estimated from the magnitude of the Euclidean distance between the hodographs for the conditions under comparison and for BAT conditions.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
The results of experimental studies are presented, which confirm the applicability of the theoretical provisions to justify the choice of light sources for indoor plant lighting.
Keywords: best available techniques, indoor plant lighting, energy saving, energy and ecological audit, energy consumption
Введение
Стоящая в настоящее время перед АПК задача повышения эффективности производства может быть решена только при радикальном снижение
энергоресурсоемкости продукции путем внедрения инновационных
энергоэкологичных процессов, переходом на интенсивный путь развития с приоритетным внедрением в практику
энергоресурсосберегающих и
природоохранных мер. Принятая в нашей стране государственная программа развития аграрной отрасли способствует активному становлению тепличного направления как в целом по России, так и в ее отдельных регионах, в том числе на Северо-Западе. Благодаря этой поддержке уже введены в эксплуатацию новые тепличные комплексы, на которых реализуются современные технологии круглогодичного выращивания овощей. Несмотря на достигнутые успехи, внутренняя потребность в тепличной продукции пока полностью не удовлетворена. По этой причине продолжается активное строительство новых комбинатов и модернизация существующих.
Важнейшим процессом при
выращивании растений в теплицах является облучение. Энергия потока оптического излучения (ОИ) в области фотосинтетически активной радиации (ФАР) является основой обеспечения процессов фотосинтеза и получения полезной продукции. В целях достижения максимальной продуктивности выращиваемых растений при минимуме затрат в настоящее время широко применяют светокультуру, т.е. дополнительное облучение. В светокультуре могут быть выделены различные уровни иерархии
организации, что поволяет говорить об искусственной биоэнергетической системе светокультуры (ИБЭСС) [1].
Традиционный подход в исследованиях по светокультуре заключается прежде всего в нахождении частных откликов растения по определенному показателю (биомассе, высоте стебля и т.д.) на изменение показателей качества световой среды (интенсивности, продолжительности,
спектрального состава и др.). При этом различные аспекты влияния этих показателей на рост и развитие отдельных культур достаточно хорошо изучено. Так, известно, что синий свет подавляет удлинение гипокотиля и приводит к производству биомассы. Соотношение количества синего и красного излучения влияет на длину стебля сеянцев томата [2]. Зеленое излучение увеличивает площадь листьев, сырую и сухую массу рассады огурца [3]. Красное излучение способствует удлинению гипокотиля и увеличению площади листьев [4]. Добавление дальнекрасного излучения при выращивании сладкого перца увеличивает высоту растения и массу стебля [5].
Современный уровень исследований в этой области подразумевает изучение явлений и процессов, протекающих на всех иерархических уровнях ИБЭСС [6]. Именно такой подход положен в основу разрабатываемого в НИЛ «Энергоэкологии светокультуры» института агроинженерных и экологических проблем нового научного направления, предметом исследования которого являются закономерности потоков субстанции (вещества и энергии) в ИБЭСС, формирующие ее энергоэффективность и экологичность [7]. Повышение
79
энергоэкологичности светокультуры
достигается применением научного анализа и интеллектуальных алгоритмов управления светокультурой как многоуровневой системой, включающей энергетические, технологические и биологические объекты.
Целью исследований в этом направлении является создание наилучших доступных технологий светокультуры (НДТС), представляющих собой технологии производства продукции растениеводства в контролируемых условиях (теплицы, сити-фермы, фитоустановки), выбираемых 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 (критерий
энергоэкологичности). Понятие
энергоэкологичности выступает системным интегративным критерием оптимальности, который при декомпозиции разбивается на локальные критерии оптимальности в соответствующих задачах оптимизации отдельных иерархических уровней.
Цель исследования - теоретическое обоснование и практическое подтверждение способа оценки энергоэкологичности светокультуры.
Объект исследования - искусственная биоэнергетическая система светокультуры.
Предмет исследования -
закономерности формирования потоков субстанции в светокультуре. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПИСАНИЯ ПОТОКОВ СУБСТАНЦИИ В
СВЕТОКУЛЬТУРЕ
Иерархическая модель ИБЭСС и энергоэкологичности светокультуры
Энергоэффективность светокультуры заключается в достижения требуемого уровня продуктивности фотосинтеза при использовании меньшего количества
энергии, что обеспечивается применением НДТС из существующего уровня развития ее технического и технологического
обеспечения. Показателем
энергоэффективности является доля потока энергии, используемой для получения единицы полезной продукции. Ниже будет показано, что это параметр статической энергоемкости. Для численного определения показателей, характеризующих
распределение потоков энергии в целях обеспечения нормируемых параметров микроклимата и режимов технологического процесса выращивания растений, проводится процедура энергоаудита (энергетического обследования) светокультуры.
Экологичность светокультуры
проявляется в измеряемых и (или) оцениваемых свойствах процесса выращивания растений в контролируемых условиях, представляющих его естественную или намеренно обеспеченную способность при данном способе его проведения оказывать воздействие на окружающую среду лишь в допустимых пределах. Для оценки соблюдения нормативных
требований в области охраны окружающей среды и получения экологически чистой продукции производится экоаудит (экологическое обследование)
светокультуры.
Общемировой тенденцией последних десятилетий стала тесная связь проблем энергоэффективности и экологии
технологических процессов, чему
способствовало ужесточение экологических норм и повышение требований к качеству готовой продукции. Объединение
энергетического и экологического подходов позволяет предложить понятие
энергоэкологичности светокультуры,
связывающей потоки энергии ОИ и потоки продуктов фотосинтеза в светокультуре [8].
Мы предлагаем следующее понимание этого термина: энергоэкологичность
светокультуры - это свойство технологического процесса выращивания растений в искусственно созданных условиях культивационного сооружения соответствовать требованиям
энергоэффективности и экологичности, оцениваемое по близости к НДТС.
В рамках такого подхода математическое описание закономерностей переноса субстанции производится на основе концепции ИБЭСС, под которой понимается совокупность энергетических установок, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов (растений), применяемых в светокультуре.
Иерархическая информационная модель ИБЭСС показана на рисунке 1.
Рис. 1. Иерархическая модель ИБЭСС и частные показатели энергоэкологичности
I. Первым (нижним) уровнем данной информационной модели предлагается считать модель биологического объектра (БО), в данном случае растения (Р), которая состоит из блока преобразования вещества (БПВ) и блока преобразования энергии (БПЭ). Поток энергии ОИ, генерируемый облучательной установкой, обеспечивает синтез органического вещества из неорганических. Частными показателями энергоэкологичности на этом уровне являются биометрические и биохимические показатели - относительная площадь листа, скорость роста и истинной асиммиляции, площадь единицы массы листьев, доля
сухого вещества в листьях, показатели стабильности развития растения и т.д.
II. Вторым уровнем является модель технологического процесса облучения (ТПО) растений. Частными показателями энергоэкологичности на этом уровне являются интенсивность, продолжительность облучения, его спектральный состав и т.д.
III. Третий уровень модели включает описание ИБЭСС в целом, с учетом всех технологических систем - полива, подкормки, экранирования, отопления, вентиляции и т.д.
IV. Четвертый уровень модели включает качественные и количественные показатели получаемой полезной продукции.
V. Пятый (верхний) уровень модели рассматривает влияние внутренних технологических процессов на внешнюю среду (загрязнение воздуха, грунтовых и поверхностных вод, почвы в районе расположения теплицы и т.д.).
Комплексный показатель
энергоэкологичности светокультуры должен учитывать входные и выходные потоки субстанции. Для получения достоверной информации о динамике потоков субстанции необходимо применение инструментальных и дистанционных методов измерения, вычислительных процедур, т.е.
энергоэкоаудита (комплексного
энергоэкологического обследования).
В настоящее время концепция энергоэкоаудита известна и применяется при энергоэкологических обследованиях
энергетических и промышленных объектов. В данную процедуру входят измерение энергопроизводственных и
экологопроизводственных показателей, отражающих потоки субстанции, определение и комплексная оценка коэффициентов энергоэффективности и экологической обстановки на объекте [9]. Прямое перенесение этого опыта на
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
светокультуру, на наш взгляд, невозможно, в силу нелинейности регрессионных зависимостей потоков субстанции от производительности и наличии растения как биологического объекта. Кроме тоого, при энергоэкоаудите светокультуры
недостаточно выявить только итоговые параметры растения, например, его биометрические показатели (что характерно для стандартных методик производственных экспериментов). Необходимо в наглядном и информативном виде отразить жизненный путь, «траекторию» роста и развития растения, от момента появления всходов до товарной продукции.
Математическое моделирование
потоков субстанции
Выбранный способ моделирования должен количественно характеризовать потоки продуктов фотосинтеза, вызванные воздействием на растение потока ОИ. Удобным представляется использование аппарата годографов, в котором конец вектора описывает некоторую траекторию на плоскости в некоторых координатах. Характерные точки для построения годографа на исходных экспериментальных кривых могут быть определены исходя из рассмотрения особенностей роста и развития растения на различных фазах онтогенеза в течение периода выращивания. На рисунке 2, слева показаны динамика изменения дозы потока ОИ, потребленной растением в период выращивания H = /), и динамика изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения за тот же период времени Ы = / ) в виде соответствующих кривых с характерными точками.
Рис. 2. Динамика поглощения энергии и выхода синтезированного вещества в светокультуре в абсолютных значениях Н, Ы (сверху)
и в приращениях dH, dЫ (снизу)
На этом же рисунке, справа показаны динамика изменения приращения дозы потока оптического излучения,
потребленной растением в период выращивания dH = /(?), и динамика изменения приращения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения за тот же период времени dЫ = / (?) в виде соответствующих кривых с характерными точками. На рисунке 3 показаны годографы векторов статической и динамической энергоемкости. Годограф вектора статической энергоемкости
преставляет собой траекторию его конца на плоскости в координатах Н — М и строиться по характерным точкам для одинаковых моментов времени по зависимостям
М = /(г) и Н = /(г). Годограф вектора
d2Н / dt2 = тт ). В момент времени (т. L)
происходит прекращение увеличения темпов прироста массы сухого вещества ( d2М/dt2 = 0). В момент времени г7 (т. I)
наблюдается наименьшая относительная динамическ°и энергоемкости преставляет скорость роста массы сухого вещества (
собой траекторию его конца на плоскости в координатах dH — dM и строиться по характерным точкам для тех же моментов времени ti по зависимостям dM = f (t) и dH = f (t). Характерные точки
определяются следующим образом.
В момент времени tx производится выставление рассады под облучение. В связи с небольшой площадью поверхности листьев доза излучения HA минимальна (т. A). Содержание сухого вещества составляет MF (т. F). В дальнейшем в течение периода выращивания наблюдается изменение этих показателей, но характер этих изменений различен.
На момент времени t2 наблюдается наибольшая относительная скорость роста массы сухого вещества. Эта точка наглядно обнаруживается на графике динамики приращений (т. G), в ней первая производная функции M = f(t) меняет знак, а вторая производная принимает максимальное значение (d 2M / dt2 = max). На момент времени t3 (т. O) наблюдается наибольшая
относительная скорость роста площади листьев и соответственно дозы излучения ( d2H/dt2 = max). На момент времени t4 (т. С) происходит прекращение увеличения темпов прироста площади листьев ( d2H /dt2 = 0). Моменту времени t5 (т. Q)
соответствует наименьшая относительная скорость роста площади листьев и соответственно дозы излучения (
d 2M / dt2 = min). В момент времени t8
происходит растения.
прекращение периода роста
Рис. 3. Годографы векторов статической (слева) и динамической (справа) энергоемкости
В таблице 1 представлен численный пример нахождения характерных точек по исходным экспериментальным
зависимостям.
Таблица 1
Характерные точки на динамических к эивых и годографах
Момент Точки на динамических dH d 2 H dM d 2 M Точки
растениеводства и животноводства
времени t кривых на годографах
H(t) M(t) £с £д
ti A F 0,001 0 0,038 0,009 Yi Zi
t2 K G 0,246 - 0,486 max Y2 Z2
t3 B O 0,479 max 0,597 - Y3 Z3
t4 C P 1,000 0 0,901 - Y4 Z4
t5 D Q 0,733 min 0.999 - Y5 Z5
t6 L H 0,688 - 1,000 0 Y6 Z6
t7 N I 0,114 - 0,713 min Y7 Z7
t8 E J 0,009 0 0,292 -0,011 Y8 Zs
Статическая и динамическая энергоемкость в светокультуре
Рассмотрим подробнее физический смысл упомянутых выше величин статической £с и динамической £д
энергоемкости, показанных для
произвольных точек в виде векторов, описывающих годографы на рисунке 2. Этот вопрос непосредственно связан с оценкой энергоэкологичности светокультуры при изменяющихся во времени затратах дозы потока излучения H = f (t) и вызываемых ими потоках вещества M = f (t).
Статическая энергоемкость является одним из параметров, характеризующих энергоэффективность и экологичность ИБЭСС и вычисляется как отношение величины энергии, потребляемой системой (потоку энергии), к количеству производимой продукции (потоку вещества)
H M '
(1)
Достижение прироста производства продукции должно обеспечиваться при снижении темпов расхода
энергопотребления [10]. Математически это означает, что производная статической энергоемкости продукции по
производительности есть величина отрицательная, т.е. d£e/dM < 0.
Сопоставим изменению потоку вещества M изменение потока энергии H . При
£ =
линейной зависимости Нэкс = кЫ поток потребляемой энергии растет теми же темпами, что и поток вещества. Такой вид энергосбережения предложено называть экстенсивным [11]. Концепция
интенсивного энергосбережения
предусматривает снижение темпов потока энергии по мере роста потока вещества [12]. Для его обеспечения рассматриваемая зависимость должна определяться выпуклой кривой Нинт = /(Ы), расположенной ниже
линейной зависимости Н экс = кЫ . Для любой точки на графике в координатах Н — Ы численное значение статической энергоемкости равно тангенсу угла а вектора, соединяющего начало координат и данную точку, т.е. 8с = tgа .
Тогда выражение для потока энергии Н = £сЫ . (2)
Дифференцируя выражение (2), получаем
dH = d(sсЫ) = sсdЫ + Ы(Лгс (3)
Окончательно после преобразований получаем выражение для темпов изменения энергоемкости
d£
1
dM M
dH dM
- £
(4)
Дадим содержательную трактовку величине (Н/(Ы в формуле 4. Геометрически для любой точки на графике в координатах йН — (Ы она представляет собой тангенс угла ¡3 вектора,
соединяющего начало координат и данную точку. По аналогии ее можно назвать
динамической энергоемкостью £д, значение
которой определяется по формуле:
£д = . (5)
Для достижения отрицательной величины производной энергоемкости по производительности необходимо
выполнение условия £д < £с. При этом наблюдается снижение темпов прироста энергозатрат по сравнению с ростом производительности (у = аг^(й£|dM) <0 ). Таким образом, условием интенсивного энергосбережения при увеличении энергозатрат на производство является обеспечение меньших значений величины динамической энергоемкости по сравнению со статической.
Интегральный критерий
энергоэкологичности светокультуры
Сделаем предположение, что годограф вектора динамической энергоемкости, полученный для светокультуры с оптимальными условиями (из перечня НДТС), является эталонным и может быть принят базисом для сравнения. Любые отклонения параметров окружающей растения среды и технологии (температура, микроклимат, питание, облучение) в течение периода выращивания растений оказывают влияние на процесс фотосинтеза и фотоморфогенеза. Особенно важно выявить влияние отклонения дозы фотонного потока оптического излучения на накопление сухого вещества. Такие отклонения, произошедшие за период выращивания растений приводят к отклонению формы годографа динамической энергоемкости от эталонной. Построив по полученным экспериментальным данным кривую годографа, по степени отклонения этой кривой от эталонной можно судить об энергоэкологичности светокультуры.
Пусть первая кривая dH = /А (М) представляет собой годограф динамической
энергоемкости, построенный для
сравниваемых условий, а вторая кривая dH = fB (M) - для условий НДТС. Численно степень отклонения кривых можно оценить по величине евклидового расстояния, определяемого по формуле:
=1 ¿ V(dMAi - dMB1¡) + (dHAi - dHH¡ )2
n i=i
, (6) где n - количество пар точек для сравнения годографов; dMAi, dHA.- значения
приращений массы сухого вещества и дозы фотонного потока излучения для первой кривой; dMBi, dHBi - значения приращений
массы сухого вещества и дозы фотонного потока излучения для второй кривой.
Чем меньшее значение принимает величина 5A~B, тем меньше сравниваемые годографы отличаются между собой. Тем самым данная величина является критерием энергоэкологичности при сравнении вариантов в целях оптимизации культивационного процесса. В
символическом виде можно записать формулу для величины энергоэкологичности светокультуры в виде
А (gA-B
ЭЭ = [B е НДТС . (7)
Смысл формулы следующий: значение величины энергоэкологичности
светокультуры в относительных единицах для данного варианта проведения технологического процесса определяется степенью близости годографов векторов динамической энергоемкости, оцениваемой по величине эвклидового расстояния между годографами для сравниваемых условий и для условий НДТС.
Материалы и методы
Для численной иллюстрации
изложенных теоретических положений использованы результаты экспериментов, проведеные в светокультуре салата (Lactuca sativa L.). Выбор салата определялся его 85
быстрым ростом и чувствительности к условиям выращивания (в том числе к спектру ОИ). Сравнительный эксперимент проводили полностью на искусственном облучении, в двух зонах лабораторного помещения, разделенных
светонепроницаемой шторой. В процессе эксперимента в обоих зонах круглосуточно поддерживали радиационный режим, характеризуемый одинаковым уровнем освещенности (10 кЛк). В первой зоне
Динамику изменения дозы фотонного потока оптического излучения,
потребленной растением в течение периода выращивания, определяли следующим образом. Спектроколориметром ТКА ВД/04 измеряли спектры энергетической облученности в зоне выращивания растений Е{ (Я), Втм-2нм-1. Значение фотонной
облученности Еф(,), мольс-1м-2, определяли по формуле:
Е ф(0 = £ , (8)
Я Л'с• NA
где л - постоянная Планка, л =6,62410-34 Дж с; с - скорость света, с =3 108 мс-1; NA -число Авогадро, NA =6,023 1 023 моль-1; Я, Я - диапазон ФАР (400-700 нм).
Измеряли суммарную площадь листьев в течение периода выращивания £ (,). Динамику приращения площади листьев определяли по формуле: АБ, = Б(+1 - Б,. (9)
Значения приращения дозы вычисляли по формуле
АН (,) = АТ • Е ф(,) АБ (,), (10)
использовали облучатель собственной конструкции на базе индукционной лампы (ИЛ) мощностью 400 Вт, размещенный на высоте 1,17 м, во второй зоне использовали натриевую лампу (НА) той же мощности в облучателе ЖСП 30, размещенном на высоте 1,07 м. Эксперимент был завершен на 39 сутки.
Параметры радиационной среды растений показаны в таблице 2.
Таблица 2
где АТ - интервал по оси времени.
Обработку результатов вели в электронных таблицах Ехсе1. Результаты и обсуждение Полученные экспериментально значения площади листьев и содержания сухого вещества аппроксимированы кривыми Гомпертца вида
-В (1-Тт)
у = У + У« , (11)
где У - моделируемый параметр; У0-начальное значение параметра У; Утах -
конечное значение моделируемого параметра; В - относительная скорость роста на момент времени Тт; Тт - момент времени,
когда абсолютная скорость роста максимальна; , - текущее значение времени.
Параметры кривых для установки с индукционной лампой следующие. Для кривой Б(, см2: Уо= 42,68; Тт=25,87;
7т«=558,81; В=0,40. Для кривой Ы1, г:
Уо=0,028; Тт=25; Уша=0,91; В=0,11. Параметры кривых для установки с натриевой лампой следующие. Для кривой Б, см2: Уо= 40,68; Тт=24,87; УтОХ=501,2;
Параметры радиационной среды растений
Показатель Источник света
НА ИЛ
Облученность ФАР, Втм-2 17,69 22,07
Фотонная облученность, мкмольм-2с-1 85,89 102,31
Спектр излучения (син:зел:кр), % 10:61:29 22:41:37
£=0,35. Для кривой М{, г: 70=0,026; Тт=27;
Ymax=0,92; В=0,1.
По экспериментальным данным для двух условий выращивания растений строили годографы динамической энергоемкости по типу рис. 3. В качестве образцового принимали годограф, построенный по результатам призводственного эксперимента салатного отделения тепличного комбината Выборжец.
При использовании индукционной лампы степень отклонения годографа от эталонного 8 =1,84, что меньше, чем при использовании натриевой лампы (8=2,56). Это свидетельствует о более высокой энергоэкологичности светокультуры с применением этого источника света. Проведенные исследования позволили отработать методику проведения
энергоэкоаудита светокультуры [13].
Выводы
1. Энергоэкологичность светокультуры представляет собой степень соответствия принятой технологии культивирования растений имеющимся НДТС по критерию эффективности использования потоков энергии на производство биомассы растений.
2. Статическая энергоемкость является одним из параметров, характеризующих энергоэффективность и экологичность ИБЭСС и вычисляется как отношение величины энергии, потребляемой системой (потоку энергии), к количеству производимой продукции (потоку вещества). Графически она представляется тангенсом угла вектора, соединяющего начало координат и данную точку в координатах потоков энергии и массы.
3. Геометрически значение динамической энергоемкости для любой точки на графике в координатах приращений потоков энергии и массы представляет собой тангенс угла вектора, соединяющего начало координат и данную точку.
4. Экстенсивное энергосбережение соответствует случаю, когда поток энергии растет теми же темпами, что и поток вещества. При интенсивном энергосбережении наблюдается снижение темпов потока энергии по мере роста потока вещества. Для обеспечения интенсивного энергосбережения необходимо, что бы численное значение динамической энергоемкости было меньше статической.
5. Численная оценка величины энергоэкологичности светокультуры в относительных единицах для данного варианта проведения технологического процесса пропорционально степени близости годографов векторов динамической энергоемкости, оцениваемому по величине эвклидового расстояния между годографами для сравниваемых условий и для условий НДТС.
6. Проведенные эксперименты показали применимость теоретических положений при обосновании выбора источников света для светокультуры. При использовании индукционной лампы степень отклонения годографа от эталонного 8 =1,84, что меньше, чем при использовании натриевой лампы (8=2,56). Это свидетельствует о более высокой энергоэкологичности светокультуры с применением этого источника света.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Транчук А.С. Применение иерархической модели искусственной биоэнергетической системы для оценки экологичности и
энергоэффективности светокультуры // Известия СПбГАУ. - 2015. - № 40. - С. 262268.
2. Nanya K, Ishigami Y, Hikosaka S & Goto E. Effects of blue and red light on stem elongation and flowering of tomato seedlings. Acta Hort. 2012;956:261-266.
3. Novickovas A, Brazaityte A, Duchovskis P, Jankauskiene J, Samuoliene G, Virsile A, Sirtautas R, Bliznikas Z & Zukauskas A. Solidstate lamps (LEDs) for the short-wavelength supplementary lighting in greenhouses: experimental results with cucumber. Acta Hort. 2012;927:723- 730.
4. Johkan M, Shoji K, Goto F, Hahida S, Yoshihara T. Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis in Lactuca sativa. Environmental and Experimental Botany. 2012;75:128-133.
5. Brown C, Shuerger AC & Sager JC. Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red light-emitting diodes with supplemental blue or far-red lighting. J Am Soc Hortic Sci. 1995;120:808-813.
6. 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.
7. 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.
8. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Васькин А.Н. Энергоэкология светокультуры как новое актуальное научное направление // Инновации в сельском хозяйстве. - 2016. -№ 3 (18). - С. 322-326.
9. Патент РФ № 2439625. Способ комплексного энергоэкологического обследования энергетических и промышленных объектов / Федоров М.П. и др. - Заявка №2010102375/28, 25.01.2010.
10. Данилов Н.И., Лисиенко В.Г., Щелоков ЯМ. Динамическая энергоемкость и ее анализ // Ресурсы. Технологии. Экономика. - 2005. - №5. - С.43-48.
11. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений.-СПб.: СПбГАУ, 2005. -137 с.
12. Ключников А.Д., Попов С.К. Диагноз энергетической эффективности и прогноз резерва интенсивного энергосбережения теплотехнологической системы. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. -70 с.
13. Патент РФ № 2645975. Способ энергоэкоаудита светокультуры / Ракутько С.А. и др. - Заявка №2016124940(039073), 21.06.2016.
REFERENCES
1. 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 light]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo
gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015; 40: 262-268.
2. Nanya K, Ishigami Y, Hikosaka S., Goto E. Effects of blue and red light on stem elongation and flowering of tomato seedlings. Acta Hort. 2012; 956:261-266.
3. Novickovas A, Brazaityte A, Duchovskis P, Jankauskiene J, Samuoliene G, Virsile A, Sirtautas R, Bliznikas Z., Zukauskas A. Solidstate lamps (LEDs) for the short-wavelength
supplementary lighting in greenhouses: experimental results with cucumber. Acta Hort. 2012; 927:723-730.
4. Johkan M, Shoji K, Goto F, Hahida S, Yoshihara T. Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis in Lactuca sativa. Environmental and Experimental Botany. 2012; 75: 128-133.
5. Brown C, Shuerger AC., Sager JC. Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red light-emitting diodes with supplemental blue or far-red lighting. J Am Soc Hortic Sci. 1995; 120: 808-813.
6. 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.
7. Rakutko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Rakutko E.N. Energoehkologiya svetokul'tury -novoe mezhdisciplinarnoe nauchnoe napravlenie [Energy and ecological efficiency of indoor plant lighting as a new interdisciplinary research area]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 90: 1428.
8. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Vaskin A.N. Energoehkologiya svetokul'tury kak novoe aktual'noe nauchnoe napravlenie [Energy efficiency and environmental compatibility of indoor plant lighting as a new up-to-date research area]. Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2016; 3 (18): 322-326.
9. Fedorov M.P. et al. Sposob kompleksnogo ehnergoehkologicheskogo obsledovaniya ehnergeticheskih i promyshlennyh ob"ektov [Method of integrated energy and ecological survey of power and industrial facilities]. Patent RF no. 2439625, 2010.
10. Danilov N.I., Lisienko V.G., Shchelokov Ya.M. Dinamicheskaya ehnergoemkost' i ee analiz [Dynamic energy intensity and its analysis]. Resursy. Tekhnologii. Ekonomika. 2005; 5: 43-48.
11. Karpov V.N. Energosberezhenie. Metod konechnyh otnoshenij [Energy saving. Finite-relation method]. SPb.: SPbGAU; 2005: 137.
12. Klyuchnikov A.D., Popov S.K. Diagnoz ehnergeticheskoj ehffektivnosti i prognoz rezerva intensivnogo ehnergosberezheniya teplotekhnologicheskoj sistemy [Diagnostics of energy efficiency and the forecast of the reserve of intensive energy saving of the heat engineering system].M.: Moscow Power Engineering Institute Publ., 1999: 70.
13. Rakutko S.A. et al. Sposob ehnergoehkoaudita svetokul'tury [Method of energy and ecological audit of indoor plant plighting]. Patent RF № 2645975, 2016.
УДК 628.979:581.035 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10035
МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОМБИНИРОВАННОГО СВЕТОДИОДНОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ ДЛЯ РАСТЕНИЙ
