Моделирование энергоэффективных режимов работы климатического оборудования в сооружениях защищенного грунта

Введение. Современная теплица как объект управления температурным режимом характеризуется крайне неудовлетворительной динамикой и нестационарностью параметров, вытекающих из особенностей технологии производства (изменение степени загрязнения ограждения, нарастание объёма листостебельной массы и т.д.). В то же время агротехнические нормы предписывают высокую точность стабилизации температуры (1°С), своевременное её изменение в зависимости от уровня фотосинтетически активной облученности, фазы развития растений и времени суток. Все эти обстоятельства предопределяют высокие требования к функционированию и качественному совершенствованию оборудования автоматизации [1,7,8].

Цель работы. Обосновать энергоэффективный способ регулирования микроклимата в теплице и разработать оборудование для его реализации.

Первым шагом к разработке системы автоматического управления температурным режимом в теплице является выявление математических моделей, т.е. выражений, определяющих связь между параметрами окружающей среды и выбранными критериями эффективности процесса [5].

На сегодняшний день возможности технологического оборудования в теплицах позволяют регулировать практически все параметры, обуславливающие режим микроклимата. Исключением является лишь солнечный свет. Поэтому агрономам при составлении требуемого режима микроклимата необходимо исходить из текущей интенсивности солнечной радиации, т.е. на пасмурную погоду необходимо составить один режим микроклимата, на солнечную – другой, а на ночные периоды – третий и т.д. Помимо этого, при составлении режима микроклимата также учитывается тип выращиваемой культуры, сорт, время года, а также фаза развития растения (рассада, плодоношение и т.д.) [6].

Технологическое оборудование, позволяющее регулировать тот или иной параметр микроклимата в теплице, называется исполнительной системой (ИС). Для разработки ИС был использован продукт компании Microsoft Visual C#. Язык C# прост, строго типизирован и объектно ориентирован [2].

Разработанная информационная система решает ряд задач, которые объединены в подсистемы: расчет, диаграммы, отчет.

Обычно применяемый метод расчета теплового баланса исходит из основных заданий (расчет теплопотерь, теплового потока, мощность систем отопления) и использует ряд величин и формул из практики проектирования систем обеспечения микроклимата растениеводческих помещений. На главной форме происходит расчет необходимых параметров (рис. 1).

Рис. 1. Главная форма

(рис.2).

Полученные данные можно сохранить в базу данных, нажав кнопку «Сохранить в базу»

Рис. 2. Сохранение в базу данных

После того, как полученные параметры сохранили в базу, можно сформировать отчет.

В автоматизированной информационной системе находятся сведения об изменении температуры внутреннего воздуха в теплице. Открываем рабочую форму, вводим нужную дату и получаем нужное время после того, как ввели все данные. Далее нажимаем кнопку «Вывод на форму». После этого на форме появляются расчеты за дату, которую ввели. Также эти данные можно сохранить, нажав кнопку «Сохранить файл» (рис. 3).

Рис. 3. Рабочая форма «Отчет»

При необходимости можно сформировать график функций, нажав кнопку на главной форме «График». После этого выводится окно для выбора графика. Графики можно сформировать за месяц и за день, нажав соответствующие кнопки (рис. 4).

Рис. 4. Выбор диаграммы

После выбора типа графика открывается окно, остается выбрать нужный месяц и нажать кнопку «Построить». После чего строится диаграмма за выбранный день или месяц (рис. 5) [9].

Рис. 5. Диаграмма за месяц

Величину технологического расхода энергии определяют из уравнения теплового баланса сельскохозяйственного сооружения

Q =5 _ЭТ^ ( ti-t4)S-Q ₃ )dz , (1) где Q ₃ - количество энергии, поступающей в теплицу в единицу времени за счёт радиации; к - коэффициент тепловых потерь; t 4 – температура наружного воздуха,˚С.

= ^q 3 $з Л з , ⁽²⁾ где S₃ - площадь, занимаемая теплицей, м²; q ₃ - поток солнечной радиации, кВт/м 2 ; г] ₃ - коэффициент, характеризующий прозрачность ограждения теплицы (стекла, плёнки).

= Ко + К _{1Ф 2} + К₂ Л + К ₂ <р ₂ V_n (3) где К_о,К _г,К₂₂ ,К ₂ - постоянные коэффициенты, определяемые экспериментально; ^ - скорость ветра, м/с; <р ₂ - относительная влажность наружного воздуха, %.

Теперь введем понятие дискретного промежутка времени ∆τ. При моделировании можно сделать допущение, что в любые равные по величине промежутки времени, на которые можно разделить весь период выращивания растений, формируется равная часть урожая. В течение этого промежутка времени величины V_b <р ₂ , ^, t 4 , q₃ можно считать постоянными. Тогда количество энергии, поступающее за этот промежуток времени в теплицу

Δ Q =( к ( ^i ^- t₄ ) s ^- Q3 )Δ т ,                           (4)

где S – площадь ограждения теплицы, м2.

Условие минимума энергозатрат q примет вид

^Δ =ԛ→min,                            (5)

где Δ Q - затраты энергии на обогрев теплицы за промежуток времени Δт; Δ П - продуктивность растений за этот же промежуток времени; ∆τ – величина дискретного промежутка времени, в течение которого возмущение практически постоянно, принимается на порядок выше величины постоянной времени объекта регулирования, то есть теплицы, по каналу быстродействующего возмущения.

Значение величины этой постоянной времени 10...15 минут получено экспериментальным путём в разработках кафедры автоматики ЧГАУ. Поэтому величина ∆τ принимается равной 1...1,5 минуты [4].

К косвенным показателям продуктивности относятся интенсивность видимого фотосинтеза Ф и темнового дыхания D. Между Ф и ∆П можно предложить зависимость

Δ Пi = Кi Ф Δ ^3 ;                                       (6)

зависимость продуктивности от темнового дыхания

Δ П2 = К2 Ф Δ τ S 3 ,                                              (7)

где КIи К2 – соответственно коэффициенты продуктивности, являются функциональными зависимостями от возраста растений.

Исследование эффектов взаимодействия между всеми изучаемыми факторами среды возможно при использовании квадратичных полиномов для дневного и ночного периода [4, 5].

Для дневного периода (интенсивность фотосинтеза)

Ф = А 0 + А 1 Е 1 + А 2t2 +A3Τ2 +A4 τ 1 +A5 τ 2 +A6 φ i +A11E1+E1A12 t1 +A13 E1Τ2+ +A 14 E1τ2 +A15E1τ2 +A16 E1^φi +A22t1 +A23t1Τ2 +A24t1τ1 +A25t1τ2 +A26t1^φi +A33τ2+ +A34τ1Τ2 +A35Τ2τ2 +A36Τ2^φ i +A44 τ1 +A45τ1τ2 +A46τ1^φ i +A55τ2 +A56τ2^φ i +A66 ^φ i .         (8)

Для ночного периода (интенсивность дыхания):

D=В0 +В1Е2 +В2Т1+В3t2 +B4τ1+B5τ2 +B6φ i +B11 E2 +B12 E2Τ1+B13 E2t2+

+B14E2τ1+B15E2τ2 +B16E2φi+B22Τ1 +B23Τ1t2 +B24Τ1τ1+B25Τ1τ2 +B26Τ1φi+B33t2+

+B34t2τ1+B35t2τ2 +B36t2^φ i +B44τ1+B45τ1τ2 +B46τ1^φ i +B55τ2 +B56τ2^φ i +B66 ^φ i ,           (9)

где АQ... A 66 , ВQ... B 66 – коэффициенты регрессии; Ф, D – интенсивность видимого фотосинтеза и темнового дыхания, мг СО2 / дм²ч; tl – температура воздуха внутри теплицы днём, °С; t 2 – температура воздуха внутри теплицы ночью. °С; Τ 2 – среднеарифметическое значение температуры воздуха в теплице за истекшую ночь, °С; E 1 – текущее значение освещённости в теплице, клк; E 2– среднеарифметическое значение освещённости за истекший день, клк; τI – длительность фотопериода (продолжительность светового дня), ч; τ2 – возраст растения, сут; φ _x – влажность воздуха в теплице, %.

Математические модели такого вида позволяют определить величину видимого фотосинтеза или темнового дыхания конкретного сорта для различных условий среды. С их помощью можно рассчитать сочетания факторов среды, обеспечивающие максимум видимого фотосинтеза, в том числе и при наличии таких факторов, как освещенность в начале и конце фотопериода при отсутствии искусственного освещения.

Для осуществления автоматического управления каким-либо технологическим процессом необходимо выбрать алгоритм функционирования системы, т.е. совокупность предписаний, определяющих характер изменения управляемой величины в зависимости от воздействий. В связи с тем, что в математическую модель продуктивности входят факторы, изменяющиеся во времени случайным образом (освещённость, длительность фотопериода, влажность воздуха и т.д.), система управления по алгоритму функционирования может быть либо следящей, либо самонастраивающейся.

Автоматизированная информационная система по расчету и выбору системы обеспечения микроклимата для теплиц предназначена для ведения учёта температурного режима, проведения расчетов, формирования необходимых диаграмм, графиков и отчетов.

Системные требования:

• а)    операционная система не ниже Windows NT 4.0 SP5;

• б)    оперативная память от 256 Mb;

• в)    свободное место на жестком диске не менее 400 Mb;

• г)    процессор не ниже Pentium III с частотой от 500 Mhz;

• д)    открытые порты 1433 на вход и выход;

Системные требования для программы клиента:

• а)    операционная система Windows 98 SE/NT/2000/XP;

• б)    оперативная память от 256 Mb;

• в)    свободное место на жестком диске не менее 20 Mb;

• г)    процессор не ниже Pentium III с частотой от 500 Mhz;

• д)    Microsoft Visual Studio 2008 [3].

Выводы

• 1.    Математическое моделирование системы автоматического управления показало, что оптимальная по энергоёмкости температура зависит как от параметров микроклимата в теплице (Е 2 , Т 1 , τ 1 , φ 1 ), возраста растений и относительного времени суток т 2 , так и от наружной температуры t 4 .

• 2.    Разработанное прикладное программное обеспечение позволит реализовать оптимальную технологию, задача которой состоит в том, чтобы в любой момент времени создать такую совокупность условий, которая бы обеспечила оптимальное значение критерия эффективности [10].