CC BY
25
УДК 628.979:581.035
Аспирант А.Н. ВАСЬКИН
(ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭКОАУДИТ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ
Светокультура - технологический процесс выращивания растений с целью получения урожая в сооружениях с контролируемыми экологическими факторами с применением дополнительного к естественному облучения от источников света либо только с применением источников света. Основным ассимилирующим органом, в котором под действием оптического излучения образуются органические вещества, служащие структурно-энергетическим материалом для всего растения, является лист. Первичным актом формирования потоков вещества под действием потока энергии оптического излучения (ОИ), переносимого фотонами в области фотосинтетически активной радиации (ФАР), является фотосинтез, протекающий в зеленом листе растения. В светокультуре могут быть выделены различные иерархические уровни, что поволяет говорить о ней как об искусственной биоэнергетической системе (ИБЭСС) [1].
Энергоэффективность светокультуры заключается в достижении требуемого уровня продуктивности фотосинтеза при использовании меньшего количества энергии, что обеспечивается применением наилучших доступных технологий светокультуры (НДТС) из существующего уровня развития ее технического и технологического обеспечения. Показателем энергоэффективности является доля потока энергии, используемой для получения полезной продукции, от общего количества затрачиваемой энергии. 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 как НДТС, 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 [2].
Комплексный показатель энергоэкологичности светокультуры должен учитывать входные и выходные потоки вещества и энергии. Для оценки энергоэкологичности различных иерархических уровней ИБЭСС должны быть разработаны частные показатели энергоэкологичности. Для получения достоверной информации о динамике потоков продуктов фотосинтеза в растениях, выращиваемых в заданных условиях окружающей среды под действием потока излучения с заданными качественными и количественными показателями, проводимых для оценки эффективности и последующей оптимизации культивационного процесса, 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 вещества и энергии, определение и комплексная оценка коэффициентов энергоэффективности и экологической обстановки на объекте, разработка комплекса мер, одновременно направленных на снижение фактического расхода энергоресурсов и уменьшение удельного количества выбросов на единицу продукции [3]. Прямое перенесение этого опыта на светокультуру, на наш взгляд, невозможно в силу нелинейности регрессионных зависимостей потоков вещества и энергии от производительности при описании динамики роста и развития растения как биологического объекта. При этом при энергоэкоаудите 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 товарного растения. Эта траектория должна количественно характеризовать потоки продуктов фотосинтеза, вызванные воздействием на растение потока оптического излучения.
Цель исследования - теоретическое обоснование и практическое подтверждение способа оценки энергоэкологичности светокультуры.
Материалы, методы и объекты исследования. Объект исследования - растения, выращиваемые в условиях светокультуры. Предмет исследования - закономерности формирования потоков вещества и энергии в светокультуре.
Теоретические основы описания потоков вещества и энергии в светокультуре базируются на понятиях статической и динамической энергоемкости. Представляет интерес поиск критерия энергоэффективности светокультуры при изменяющихся во времени затратах дозы потока излучения Н = / (?) и вызываемых ими потоках вещества М = / (?).
Одним из параметров, характеризующих энергоэффективность и экологичность ИБЭСС, является статическая энергоемкость, вычисляемая как отношение величины энергии, потребляемой системой (потока энергии), к количеству производимой продукции (потоку вещества):
с Н
£С = Н . (!)
М
Достижение прироста производства продукции должно обеспечиваться при снижении темпов расхода энергопотребления [4]. Математически это означает, что производная статической энергоемкости продукции по производительности есть величина отрицательная,
т.е. й8с/ йМ < 0.
Сопоставим графически изменение потока вещества М с изменением потока энергии Н . На рис. 1 линия Нэкс = кМ характеризует случай, когда поток энергии растет теми же темпами, что и поток вещества (экстенсивное энергосбережение) [5].
Концепция интенсивного энергосбережения предусматривает снижение темпов потока энергии по мере роста потока вещества [6]. Для его обеспечения рассматриваемая зависимость должна определяться выпуклой кривой Нинт = /(М), расположенной ниже
Я экс тт ~ ттинт
. На этом же рисунке для трех точек кривой Н показаны соответствующие потоки вещества М, энергии Н и углы X, соответствующие статической энергоемкости ес = tga.
Выражение для потока энергии:
Н = есМ. (2)
Дифференцируя выражение (2), получаем:
йН = й(есМ) = есйМ + Мс1ес. (3)
Окончательно после преобразований получаем выражение для темпов изменения энергоемкости:
Сбс СМ
м
сн см
- Б
(4)
В выражении (4) величина СН / СМ является динамической энергоемкостью Бд. Ее значение определяется по формуле:
Б = (5)
Для достижения отрицательной величины производной энергоемкости по
производительности необходимо выполнение условия Бд < Бс. При этом наблюдается снижение темпов прироста энергозатрат по сравнению с ростом производительности
(у = аг^(Сбс/СМ) < 0).
(Iн
с1Н,
с1Н-
(1+1) ^ —\ (0/ \ Б0+1)
0-1)/ Хх м=/:ш)
V (1-1)/ / - <1М
Ч 2 "Ч
Рис. 1. К обоснованию понятий статической и динамической энергоемкости
с1М,
сМ,
Рис. 2. Определение евклидова расстояния между годографами динамической энергоемкости
Таким образом, условием интенсивного энергосбережения при увеличении энергозатрат на производство является обеспечение меньших значений величины динамической энергоемкости по сравнению со статической.
Важным вопросом при проведении энергоэкоаудита является оценка годографов по степени их соответствия эталону. Годограф, полученный для растений, выращиваемых в стандартных, наиболее оптимальных условиях, является эталонным. Любые отклонения в условиях выращивания растений (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 от эталонной. Построив по полученным экспериментальным данным кривую годографа, по степени отклонения ее от эталонной можно судить об энергоэкологичности светокультуры. Пусть кривая СН = ^ (М) на рис. 2 представляет собой годограф динамической энергоемкости,
построенный для наилучших условий, а кривая СН = /2 (М) - кривую для сравниваемых условий.
Численно степень отклонения кривых можно оценить по величине евклидового расстояния, определяемого по формуле:
где п - количество пар точек для сравнения годографов;
dMl, dHi - значения приращений массы сухого вещества и дозы фотонного потока излучения для сравниваемого годографа;
dMэi , dHЭ- значения приращений массы сухого вещества и дозы фотонного потока излучения для эталонного годографа.
Чем меньшее значение принимает величина 8, тем меньше сравниваемый годограф отличается от эталонного, а значит, данная величина является критерием энергоэкологичности при сравнении вариантов в целях оптимизации культивационного процесса.
Для наглядности оценки близости годографов используется следующая методика построения динамических кривых.
Характерные точки для построения годографа на исходных экспериментальных кривых определяются из рассмотрения особенностей роста и развития растения на различных фазах онтогенеза в течение периода выращивания.
На рис. 3 показаны динамика изменения дозы потока оптического излучения, потребленной растением в период выращивания Н = /(?), и динамика изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания М = / (?), в виде соответствующих кривых с характерными точками.
На рис. 4 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 в течение периода выращивания dM = / (?), в виде соответствующих кривых с характерными точками.
п ,=!
(6)
м
с
(1М
н
5 6
5 6
Рис. 3. Динамика поглощения энергии ОИ и выхода синтезированного вещества в светокультуре
Рис. 4. Динамика изменения поглощения энергии ОИ и выхода синтезированного вещества в светокультуре
Таблица 1. Характерные точки
Момент Точки на динамических кривых dH d2 H dM d 2M Точки на годографах
времени t H(t) M(t) dt dt2 dt dt2 sd sd
ti A F 0,001 0 0,038 0,009 Yi Zi
t2 K G 0,246 - 0,486 max Y2 Z2
ti B O 0,479 max 0,597 - Yi Zi
t4 C P 1,000 0 0,901 - Y4 Z4
t5 D Q 0,733 min 0.999 - Y5 Z5
tó L H 0,688 - 1,000 0 Yó Zó
17 N I 0,114 - 0,713 min Y7 Z7
t8 E J 0,009 0 0,292 -0,011 Ys Zs
На рис. 5 показано построение кривой годографа dH = f (dM) .
Годограф строят по характерным точкам в координатах приращения массы сухого вещества, накопленного в листьях растения dM = f (t), и дозы потока оптического
излучения, потребленной растением в течение периода выращивания dH = f (t).
Момент времени tx. Начало процедуры энергоэкоаудита. Рассада выставлена под облучение. В связи с небольшой площадью поверхности листьев доза излучения HА минимальна. Содержание сухого вещества в листьях MF. В течение периода выращивания наблюдается рост этих показателей.
Момент времени t . Наибольшая относительная скорость роста массы сухого
вещества (d 2M / dt2 = max).
Момент времени t . Наибольшая относительная скорость роста площади листьев и
соответственно дозы излучения ( d2 H / dt2 = max).
Момент времени t4. Прекращение увеличения темпов прироста площади листьев
(d2 H / dt2 = 0).
Момент времени t . Наименьшая относительная скорость роста площади листьев и
соответственно дозы излучения ( d2 H / dt2 = min ).
Момент времени t . Прекращение увеличения темпов прироста массы сухого
вещества (d 2M / dt2 = 0).
Момент времени t . Наименьшая относительная скорость роста массы сухого
вещества (d 2M / dt2 = min).
Момент времени t8. Прекращение роста растения. Завершение периода выращивания
и процедуры энергоэкоаудита.
Разработанные методы энергоэкоаудита светокультуры были апробированы на примере салата (Lactuca sativa L.). Выбор салата определялся его быстрым ростом и чувствительностью к условиям выращивания (в том числе - к спектру ОИ). Сравнительный эксперимент проводили полностью на искусственном облучении, в двух зонах световой комнаты, разделенных светонепроницаемой ширмой. В процессе эксперимента в обоих зонах круглосуточно поддерживали радиационный режим, характеризуемый одинаковым уровнем освещенности (10 кЛк). В первой зоне 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. Параметры радиационной среды растений показаны в таблице 2.
Рис. 5. Построение годографа вектора Рис. 6. Построение годографа вектора
статической энергоемкости динамической энергоемкости
светокультуры светокультуры
Таблица 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
Состав потока излучения, % синий (400-500 нм) 10 22
зеленый (500-600 нм) 61 41
красный (600-700 нм) 29 37
Эксперимент был завершен на 39 сутки.
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 (Л), Втм-2нм-1. Значение фотонной облученности Еф (,), мольс-
1м-2, определяли по формуле:
еф(о =±Лг^. (7)
л % • с • N А
где % - постоянная Планка, % =6,62410-34 Джс; с - скорость света, с =3108 м с-1; N - число Авогадро, N =6,023 ■ 1023 моль-1.
Л, Л - диапазон ФАР (400-700 нм).
Измеряли суммарную площадь листьев в течение периода выращивания 5). Динамику приращения площади листьев определяли по формуле:
А5, = +1 - 5. (8)
Значения приращения дозы вычисляли по формуле:
АЯ ) = АТ • Еф ) • ДО ), (9)
где АТ - интервал по оси времени.
Обработку результатов вели в электронных таблицах Excel.
Результаты исследования. Полученные экспериментально значения площади листьев и содержания сухого вещества аппроксимированы кривыми Гомпертца вида
- B (t -Tm)
Y = Y + Y e-e m, (10)
0 max 5 V /
где Y - моделируемый параметр;
Y - начальное значение параметра Y;
Y - конечное значение моделируемого параметра;
B - относительная скорость роста на момент времени Tm;
T - момент времени, когда абсолютная скорость роста максимальна;
t - текущее значение времени.
Параметры кривых для установки с индукционной лампой следующие.
Для кривой St, см2: Y0= 42,68; Tm=25,87; Ymax=558,81; B=0,40.
Для кривой Mt, г: Yo=0,028; Tm=25; Ymax=0,91; B=0,11.
Параметры кривых для установки с натриевой лампой следующие.
Для кривой St см2: Yo= 40,68; Tm=24,87; Ymax=501,2; B=0,35.
Для кривой M, г: Yo=0,026; Tm=27; Ymax=0,92; B=0,1.
По экспериментальным данным для двух условий выращивания растений строили годографы динамической энергоемкости по типу рис. 2. В качестве образцового принимали годограф, построенный по результатам производственного эксперимента салатного отделения промышленной теплицы.
При использовании индукционной лампы степень отклонения годографа от эталонного (S =1,84) меньше, чем при использовании натриевой лампы (S =2,56), что свидетельствует о более высокой энергоэкологичности светокультуры с применением этого источника света.
Таким образом, проведенные исследования позволили отработать методику проведения энергоэкоаудита светокультуры [7].
На рисунке показан алгоритм проведения энергоэкоаудита светокультуры (ЭЭАС).
Рис. 7. Алгоритм проведения ЭЭАС
При проведении ЭЭАС фиксируют производственные условия светокультуры: применяемое оборудование, режимы его работы, параметры микроклимата, агротехнические приемы и т.д. В зоне выращивания растений периодически определяют значения фотонной облученности, фиксируя динамику ее изменения во времени Еф (?).
При стационарном способе выращивания растений отбор образцов производят с некоторым интервалом времени в процессе их роста. При выращивании растений на конвейерных линиях образцы отбирают одновременно, с определенным шагом вдоль конвейера, получая растения с различным возрастом.
Измеряют суммарную площадь листьев St у отобранных образцов растений и
содержание сухого вещества Mt. Определяют приращения площади листьев AS, и приращения дозы энергии dHt. Определяют динамику изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания AMt.
По полученным функциональным зависимостям dM = f(t) и dH = f(t) строят
кривую экспериментального годографа динамической энергоемкости dM = f (dH),
отображающую взаимосвязь потока вещества, синтезируемого в растении под воздействием потока энергии ОИ. Сравнивают форму этой кривой с эталонным годографом, предварительно построенным для условий НДТС. По степени отклонения кривых судят об энергоэкологичности светокультуры. Формирование базы НДТС производится на основании ЭЭАС, проводимого для различных производственных условий в различных тепличных хозяйствах.
Выводы:
1. Энергоэкологичность светокультуры представляет собой степень соответствия потоков энергии ОИ и потоков продуктов фотосинтеза. Информация о взаимосвязи этих потоков может быть получена с помощью процедуры энергоэкоаудита (комплексного энергоэкологического обследования).
2. Статическая энергоемкость светокультуры вычисляется как отношение величины энергии, потребляемой системой (потока энергии), к количеству производимой продукции (потоку вещества). Динамическая энергоемкость светокультуры вычисляется как отношение приращения величины энергии к приращению количеству производимой продукции.
3. 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, чтобы численное значение динамической энергоемкости было меньше значения статической.
4. Проведенные эксперименты показали применимость теоретических положений при обосновании выбора источников света для светокультуры.
5. Разработанный алгоритм проведения энергоэкоаудита светокультуры позволяет добиться оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимальных отклонений энергоэкологичности путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.
Литература
1. 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.
2. 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.
3. Патент РФ № 2439625. Способ комплексного энергоэкологического обследования энергетических и промышленных объектов / Федоров М.П. и др. - Заявка №2010102375/28, 25.01.2010.
4. Данилов Н.И., Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М. Динамическая энергоемкость и ее анализ // Ресурсы. Технологии. Экономика. - 2005. - №5. - С.43-48.
5. Карпов В.Н. Энергосбережение. Метод конечных отношений. - СПб.: СПб^У, 2005. -137 с.
6. Ключников А.Д., Попов С.К. Диагноз энергетической эффективности и прогноз резерва интенсивного энергосбережения теплотехнологической системы. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. -70 с.
l. Патент РФ № 2645975. Способ энергоэкоаудита светокультуры / Ракутько CA. и др. -Заявка №2016124940(039073), 21.06.2016.
Literatura
1. Rakut'ko S.A., Rakut'ko E.N., Tranchuk A.S. Primenenie ierarhicheskoj mo-deli iskusstvennoj bioehnergeticheskoj sistemy dlya ocenki ehkologichnosti i ehnergoehf-fektivnosti svetokul'tury // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarno-go universiteta. - 2015. - № 40. - S. 262-268.
2. Rakut'ko S.A., Rakut'ko E.N., Vas'kin A.N. EHnergoehkologiya svetokul'tury kak novoe aktual'noe nauchnoe napravlenie // Innovacii v sel'skom hozyajstve. - 2016. - № 3 (18). - S. 322326.
3. Patent RF № 2439625. Sposob kompleksnogo ehnergoehkologicheskogo obsledova-niya ehnergeticheskih i promyshlennyh ob"ektov / Fedorov M.P. i dr. - Zayavka №2010102375/28, 25.0l.20l0.
4. Danilov N.I., Lisienko V.G., Shchelokov YA.M. Dinamicheskaya ehnergoemkost' i ee analiz // Resursy. Tekhnologii. EHkonomika. - 2005. - №5. - S.43-48.
5. Karpov V.N. Energosberezhenie. Metod konechnyh otnoshenij.-SPb.: SPbGAU, 2005. -l3l s.
6. Klyuchnikov A.D., Popov S.K. Diagnoz ehnergeticheskoj ehffektivnosti i prognoz rezerva intensivnogo ehnergosberezheniya teplotekhnologicheskoj sistemy. - M.: Izd-vo MEHI, 1999. -l0 s.
l. Patent RF № 2645975. Sposob ehnergoehkoaudita svetokul'tury / Rakut'ko S.A. i dr. - Zayavka №2016124940(039073), 21.06.2016.
