Обоснование применения технологической схемы облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц

Технологические операции по облучению растений в тепличной светокультуре являются энергоемкими процессами и требуют оптимальных решений при разработке мероприятий по повышению эффективности. Применяемые на сегодняшний момент в промышленных теплицах

облучательные установки с газоразрядными лампами высокого давления достигли, путем технического совершенствования, максимальных показателей по критерию эффективной отдачи, но работы по улучшению их характеристик продолжаются1. Однако особенностями, которые необходимо учитывать при эксплуатации, являются повышенные требования к спектральному составу и интенсивности излучения из-за ресурсных изменений, зависящих от срока эксплуатации2, отклонения питающего напряжения [1], схем питания источников излучения [2]. Любые отклонения в показателях эффективного потока сказываются как положительно, так и отрицательно на конечном растениеводческом результате и экономических показателях конечной продукции. Также у газоразрядных ламп высокого давления имеется проблема, связанная с неравномерным распределением энергии излучения по спектру. Особенно это касается «синей» части спектра, процент содержания которой низкий, что требует дополнительных мер по коррекции и устранению этого недостатка [3].

Предварительные исследования по повышению энергоэффективности процесса облучения растений позволили установить, что представляется возможным расширить функции светотехнических облучательных установок в теплицах путем использования инфракрасной составляющей излучения облучателя на нужды отопления в системах микроклимата [4].

В ходе экспериментов был установлен ряд зависимостей, позволяющих делать выводы об эффективности применения в системе микроклимата теплиц облучательных установок с функцией принудительного охлаждения

Том 32, № 4. 2022

воздушным способом [5]. Управление потоками утилизированной таким образом тепловой энергии, которая затем используется в системе отопления теплиц и является основой для обеспечения тепличного производства дополнительной альтернативной экологически чистой энергией, дает преимущества [6]. При этом были определены новые дополнительные преимущества использования таких установок, заключающиеся в значительном изменении фотосинтетического потока фотонов в функции температуры воздуха вблизи лампы при регулировании уровня напряжения в пределах, регламентированных стандартом. Однако вопросы смещения в отдельных спектральных областях излучения облучательных установок с функцией принудительного охлаждения при изменении внешних факторов, к которым, в частности, относится уровень напряжения в сети, имеющие важное значение в показателях эффективности технологических процессов растениеводства защищенного грунта, не исследованы. Для жизнедеятельности растений особенно необходимы фотосинтетически активная (ФАР) (Δ λ = 360–720 нм) и физиологически активная радиации (Δ λ = 300–800 нм), зависящие от распределения энергии по спектру. Их регулирование дает дополнительные эффекты в управляемом растениеводстве [7].

Целью работы является определение эффективного режима работы технологической схемы облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц.

Обзор литературы

Одним из уровней энергоэкологичности светокультуры в современном представлении является модель технологического процесса облучения, где частным показателем энергоэкологичности является спектральный состав излучения [8–10]. При этом определена роль каждого спектрального диапазона. Растения чувствуют и реагируют на оптические спектры от ультрафиолетового излучения (UV) до дальнего красного (FR), а качество излучения или длина волны оптического спектра значительно влияет на рост, развитие, морфологию и вторичный метаболизм растений. Реакция растений на качество излучения зависит от вида и сорта растений. В зависимости от условий окружающей среды реакция растений на одно и то же качество излучения может быть изменена «фоновыми» условиями, например, количеством ФАР, которое растение получает в течение дня (DLI).

Красное (R) излучение воспринимается растениями с помощью phys и регулирует реакции, связанные с прорастанием семян, удлинением стебля, расширением листьев, индукцией цветения и т. д. А синее (B) излучение воспринимается CRYs и phots и регулирует такие процессы, как деэтиоляция рассады, фототропизм, движение хлоропластов, циркадные ритмы, рост корней, устьичного отверстия и т. д. Однако излучения R и B действуют антагонистически в регулировании размера и толщины листа. B-излучение способствует сплющиванию листьев за счет усиления фотоактивности, в то время как R-излучение преимущественно способствует ветвлению, активируя phyB [11].

Таким образом, необходимо уделять пристальное внимание определению баланса между R- и B-излучением, чтобы архитектура растений регулировалась в соответствии с поставленной целью. Высокую эффективность этих излучений для фотосинтеза и роста растений легко понять, поскольку они идеально соответствуют пикам поглощения хлорофиллов.

Многочисленные исследования были проведены для оценки влияния R- и B-излучения на накопление вторичных метаболитов растений, и результаты в некоторых случаях противоречат друг другу [12].

Красное и дальнее красное излучения являются важными сигналами для растений, а соотношение R:FR влияет на физиологически регулируемые реакции, такие как прорастание семян, деэтиоляция семян, избегание затенения и репродукция. Было установлено, что добавление к FR-излучению излучения с более короткой длиной волны (400–700 нм) может сбалансировать возбуждение между фотосистемой I (PSI) и PSII, что синергетически увеличивает фотохимию и фотосинтез [13]. PSI и PSII работают последовательно для проведения фотохимических реакций, которые предпочтительно возбуждаются FR- и коротковолновым излучением соответственно [14]. Одна из гипотез гласит, что фотосинтетическая эффективность растений, выращенных при комбинированном FR- и коротковолновом излучении, должна быть увеличена из-за лучшего баланса между возбуждением двух фотосистем, в то время как некоторые исследователи предположили, что эффективность фотосинтеза всего растения будет снижена из-за более низкой PPFD [15; 16]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы лучше понять влияние FR-излучения на фотосинтез растений.

Зеленое (G) излучение действует как сигнал, регулирующий нефотосинтетические реакции растений, такие как вегетативный рост, накопление антоцианов и инициация цветения посредством phys и cry [17]. Реакция растений на G-излучение похожа на FR-излучение и имеет общую тенденцию противостоять реакциям, индуцированным B- или R-излучениями [18; 19]. Кроме того, в то время как лучи B и R сильно поглощаются верхними листьями, излучение G проникает в более глубокие слои растительного покрова, что потенциально может повысить урожайность [17].

UV-излучение обычно рассматривается как фактор стресса для роста растений из-за избыточной энергии возбуждения, неизбежно приводящей к образованию активных форм кислорода в растительных органеллах, таких как хлоропласты, митохондрии и пероксисомы. В последнее время большое внимание уделяется использованию дополнительного УФ-излучения для индукции синтеза фитохими-ческих веществ в растениях, таких как антоцианы, флавоноиды, каротиноиды, глутатион и другие биоактивные метаболиты, которые полезны для здоровья [20; 21]. Дополнительное УФ-В-излучение повышало концентрацию антоцианов, фенолов и флавоноидов в зеленых листьях базилика на 9–18 %, 28-126 % и 80-169 % соответственно, а антиоксидантная способность листьев базилика положительно коррелировала с дозами УФ-В-излучения. Однако дополнительное УФ-В-излуче-ние в целом снижало урожайность как зеленого, так и фиолетового базилика. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы найти точку равновесия между повышением питательных качеств и снижением урожайности.

Материалы и методы

Объектом исследования являлась технологическая схема, в которой применяется облучательная установка с функцией принудительного охлаждения воздушным способом. Предмет исследования – закономерности влияния напряжения сети и температуры воздуха вблизи лампы на отдельные спект- ральные линии излучения тепличного облучателя. На рисунке 1 представлена технологическая схема установки для исследования тепличного облучателя.

Исследования проводились с тепличным облучателем FitoTech CoolMaster 125 с лампой SON-T 1000 W E40 с номинальным фотосинтез-ным потоком фотонов (PPF), равным 1 700 мкмоль/с, расположенным над вегетационной камерой с приборной панелью, изображенной на рисунке 1. При работе в номинальном режиме при U н = 220 В и отсутствии принудительного охлаждения колба лампы может нагреваться до 450 °С³. Для работы лампы использовался электромагнитный независимый пускорегулирующий аппарат 1К1000 ДНаТ46-001 фирмы GALAD.

Стандартный спектр излучения исследуемой лампы в номинальном режиме работы представлен на рисунке 2⁴. Как видно, спектр излучения можно поделить на пять диапазонов с длиной волны λ от 300 до 800 нм и А Х =100 нм. Большая часть излучения лампы расположена в диапазоне длин волн Δ λ = 500–600 нм (50 %) и А Х = 600-700 нм (37 %). В синем диапазоне АХ = 400-500 нм спектр излучения составляет 4,5 %.

В качестве вентилятора охлаждения применяли Домовент 100 ВКО D100 мм 14 Вт c производительностью 105 м³/ч. Скорость воздушного потока ( υ _в, м/с) на выходе из гофрированного теплоотвода 4 и температуру воздуха вблизи лампы ( Т _в, °С) напротив выпускного фланца 3 измеряли анемометром Мегеон 11002, снимали спектрограммы и определяли плотность фотосинтетического потока фотонов (PPFD, мкмоль/(м²^с)), спектрометром PAR OHSP350P на расстоянии 1 м от тепличного облучателя.

Р и с. 1. Технологическая схема установки для исследования тепличного облучателя:

• 1    – облучатель; 2 – вентилятор канальный в патрубке; 3 – выпускной фланец;

4 – гофрированный теплоотвод; 5 – закаленное стекло; 6 – лампа; 7 – технологический отсек;

8 – приборная панель; 9 – пускорегулирующий аппарат; 10 – автоматический выключатель;

• 11    – регулировочная ручка для лабораторного автотрансформатора вентилятора;

• 12    – вольтметр для вентилятора; 13 – регулировочная ручка для лабораторного автотрансформатора облучателя; 14 – вольтметр для облучателя; 15 – спектрофотометр ФАР;

16 – анемометр; 17 – датчик анемометра; 18 – горизонтальная перегородка;

19 – вентиляционные каналы; 20 – камера для выращивания; 21 – растения;

22 – датчик спектрофотометра ФАР

F i g. 1. Technological scheme of the installation for the study of the greenhouse irradiator:

• 1    – irradiator; 2 – duct fan in the nozzle; 3 – outlet flange; 4 – corrugated heat sink;

• 5 – tempered glass; 6 – lamp; 7 – process compartment; 8 – dashboard; 9 – start-up device;

10 – circuit breaker; 11 – adjustment knob for laboratory autotransformer fan;

12 – voltmeter for the fan; 13 – adjustment knob for the laboratory autotransformer of the irradiator;

14 – voltmeter for the irradiator; 15 – spectrophotometer PAR; 16 – anemometer;

17 – anemometer sensor; 18 – horizontal partition; 19 – ventilation ducts; 20 – growing chamber;

21 – plants; 22 – spectrophotometer sensor PAR

F i g. 2. Distribution of radiation energy in spectrum

• ⁵ Там же.

Регулирование напряжения осуществляли с помощью двух лабораторных автотрансформаторов, позволяющих независимо друг от друга управлять работой вентилятора охлаждения и тепличного облучателя. Был исследован диапазон напряжений на тепличном облучателе ( U _об, В) от 198 до 242 В c A U = 22 В⁶. Эксперимент проходил в следующей последовательности. Первоначально с помощью лабораторного автотрансформатора для тепличного облучателя устанавливали номинальное напряжение U _об2 = 220 В. После этого с помощью лабораторного автотрансформатора для вентилятора охлаждения устанавливали последовательно с временным интервалом в 5 мин три уровня напряжения ( U _в): 198, 220, 242 В – с целью регулирования скорости и температуры воздушного потока. При этом измеряли PPFD в пяти спектральных диапазонах: UV, B, G, R, FR. Далее эксперимент проводили при уровне напряжения на тепличном облучателе U о _б1=198 В и U о _б3=242 В.

Результаты исследования

Было установлено, что при одинаковом характере изменения υ _в во всех трех режимах при регулировании U _в (так, при U ,1 = 198 В и в1 = 2,7 м/с; при U .2 = 220 В и в2 = 3,0 м/с; U _й = 242 В и вз = 3,4 м/с) Т в изменялась неравномерно (рис. 3).

На рисунке 3 представлены данные по изменению распределения PPFD в зависимости от исследуемых факторов ( U _об и Т в ). Каждый график содержит для сравнения спектральные линии излучения лампы в номинальном режиме. Графики демонстрируют искажение отдельных спектральных линий излучения по сравнению с номинальным режимом.

Для оценки степени влияния исследуемых факторов на искажение спектра

Том 32, № 4. 2022

сравнивали усредненное значение PPFD в каждом спектральным диапазоне со значением PPFD в номинальном режиме для этих диапазонов (рис. 4).

Графики демонстрируют существенное влияние U об и Т в на количественное распределение энергии по отдельным спектральным линиям и, как следствие, на технологию процесса выращивания, учитывая роль каждого спектрального диапазона по отдельности в эффективности процессов, определяющих физиологию и продуктивность растений. Так, в режиме 1 значение PPFD снижается во всем исследуемом диапазоне длин волн по сравнению с номинальным режимом: A X = = 300-400 нм на 1,44 мкмоль/(м²^с); A X = = 400–500 нм на 7,3 мкмоль/(м²·с); A X =500-600 нм на 171 мкмоль/(м²^с); A X = = 600–700 нм на 151,6 мкмоль/(м²·с); Δ λ = 700–800 нм на 19,5 мкмоль/(м²·с). В режиме 3 значение PPFD держится в допустимых пределах во всем исследуемом диапазоне, однако снижается в Δ λ = 500–600 нм на 56 мкмоль/(м²·с). Полученные результаты позволяют сделать вывод о невозможности применения на практике режимов работы облучателя при напряжении 198 и 242 В.

В режиме 2 значение PPFD стабильно во всем исследуемом диапазоне, что делает этот режим наиболее рациональным для практического применения в технологических схемах облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц. Важным преимуществом этого режима является увеличение доли PPFD в «синей» области излучения (Δ λ = 400–500 нм), по сравнению с номинальным режимом, в 1,9 раза: с 25 до 47 мкмоль/(м²^с). Данное обстоятельство позволяет сделать вывод

PPFD, μmol/(с·m ² )

□ Тв=39°С                                                в Тв=45°С и Тв=43°С

S Номинальный режим / Nominal mode

иТв=38°С в Номинальный режим / Nominal mode

В Тв=40°С

В Тв=39°С иТв=38°С

□ Номинальный режим / Nominal mode

c)

Р и с. 3. Изменение распределения PPFD в зависимости от U об и Т в : a) U об1 = 198 В (режим 1); b) U об2 = 220 В (режим 2); c) U об3 = 242 В (режим 3)

F i g. 3. Change in PPFD distribution depending on the U об and Т в :

• a) U об1 = 198 V (mode 1); b) U об2 =220 V (mode 2); c) U об3 =242 V (mode 3)

  

  Длина волны / Wavelength

  
  

  -•- Режим 2 / Mode 2

  -^7- Режим 3 / Mode 3

  
  

—♦ — Режим 1 / Mode 1

▲ Номинальный режим / Nominal mode

Р и с. 4. Графики усредненных значений PPFD в исследуемых режимах

F i g. 4. Graphs of averaged PPFD values in the studied modes

Electrical technologies and equipment                                                           607

о повышении эффективности излучения исследуемой лампы без внесения изменений в конструкцию самой лампы, что является новым способом, в отличие от известных7.

Полученные данные являются основанием для определения качественного влияния изменения распределения PPFD в среднем на эффективность процесса облучения с учетом спектра действия фотосинтеза по К. Дж. Мак-кри, а также функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения.

Для оценки спектральных характеристик источника оптического излучения на основе процентного распределения в спектральных участках ФАР используем методику, изложенную в другом исследовании8. Расчет производили для двух режимов: номинальный режим и режим 2.

Условное представление усредненной спектральной плотности оптического излучения исследуемой лампы SON-T 1000 W E40 в номинальном режиме и режиме 2 приведено на рисунке 5. Новым, в отличие от известной методики, является то, что оценка проводится не по трем спектральным диапазонам, учитывающим только ФАР, а по пяти, с учетом физиологического воздействия.

Расчет относительного спектрального распределения, с учетом физиологического воздействия, произведем по формуле (1):

£ 5 _этн K _ф ( А -) = 5 _отн1 K _ф ( А ) +

+ 5 отн2 K ф ( ^ 2 ) + 5 _Отн3 K ф ( ^ 3 ) + - +

+ 5 ^4 K ф ( ^ 4 ) + 5 _От_Н5 K ф ( ^ 5 ) ,   (1)

K _ф( λ_i ) – функция спектральной фотосинтетической эффективности излучения; λ_i – условные характерные длины волн, существенные для основных процессов в растениях.

Приближенно можно принять, учитывая спектр действия фотосинтеза по К. Дж. Маккри [22], K ф ( λ 1 ) = 0,4; K ф ( λ 2 ) = 0,55; K ф ( λ 3 ) = 0,75; K ф ( λ 4 ) = 1; K ф ( λ 5 ) = 0,3 при λ 1 = 320 нм; λ 2 = 445 нм; λ 3 = 570 нм; λ 4 = 680 нм; λ 5 = 760 нм. Учитывая функцию спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения⁹,

Р и с. 5. Условное представление усредненной спектральной плотности оптического излучения лампы SON-T 1000 W E40: a) в номинальном режиме; b) в режиме 2

F i g. 5. Conditional representation of the averaged spectral density of optical radiation of the SON-T 1000 W E40 lamp: a) in nominal mode; b) in mode 2

K ф ( X 1 ) = 0,4; K ф ( X 2 ) = 0,65; K ф ( X ₃) = 0,8; K ф ( X ₄) = 0,7; K ф ( X 5) = 0,6 при X 1 = 3 80 нм; X 2 = 420 нм; X ₃ = 540 нм; X ₄ = 680 нм; X ₅= 740 нм.

На рисунке 6 представлены графические зависимости, построенные по данным, полученным по формуле (1), с учетом физиологического воздействия излучения лампы в исследуемых режимах.

Из рисунка 6 видно, что за счет смещения относительного спектрального распределения эффективность физиологического воздействия излучения от лампы в режиме 2, в сравнении с номинальным режимом, изменяется незначительно. Так, при обоих режимах работы при оценке физиологического воздей-стия по кривой К. Дж. Маккри эффективность составляет около 78–80 %. При оценке эффективности рассматриваемой технологической схемы с учетом функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения значение относительного спектрального распределения составляет около 74 % в обоих режимах.

Обсуждение и заключение

Полученные результаты позволяют сделать выводы о возможности практического применения технологической схемы облучения с разделением энергетических потоков в светокультуре промышленных теплиц. В ходе исследования было установлено, что снижение тепловой нагрузки на источнике излучения воздушным принудительным способом позволит обеспечить промышленные теплицы низкопотенциальной экологически чистой тепловой энергией с температурой теплоносителя 43–47 °С, одновременно не искажая в целом спектральную составляющую излучения облучательной установки при напряжении 220 В, получая дополнительное преимущество в виде увеличения доли «синей» составляющей в общем спектре излучения лампы.

Произведенная оценка физиологического воздействия, с учетом спектра действия фотосинтеза по К. Дж. Мак-кри и функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения, подтвердила гипотезу о применимости разрабатываемых способов облучения с разделением энергетических потоков от облучателя для повышения энергоэкологичности светокультуры.

В дальнейшем разработка и применение рациональных режимов и схем работы тепличных облучателей может

Номинальный режим / Nominal mode

Режим 2 / Mode 2

И по McCree / by McCree

Р и с. 6. Относительное спектральное распределение

F i g. 6. Relative spectral distribution Electrical technologies and equipment стать основой для обеспечения тепличного производства дополнительной альтернативной энергией. Стабилизация режимов работы сети с одновременным регулированием температуры теплоносителя при воздушном способе отвода тепловой нагрузки является еще одним способом управления спектральными характеристиками источника излучения, а вместе с этим и ростовыми процессами растений. Снижение температуры элементов тепличного облучателя позволит более рационально распределять энергетический поток в пространстве, а также создавать дополнительный поток тепловой энергии, необходимый для отопления промышленных теплиц.

Поступила 12.09.2022; одобрена после рецензирования 13.10.2022; принята к публикации 03.11.2022

Об авторе:

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.

Electrical technologies and equipment 611

Submitted 12.09.2022; approved after reviewing 13.10.2022; accepted for publication 03.11.2022

The author has read and approved the final manuscript.