Система облучения для вегетационной установки

Введение. Высокую урожайность тепличных культур можно получить при условии, что параметры микроклимата будут поддерживаться на оптимальном уровне. Наиболее важными являются энергетические факторы – оптическое облучение и температура воздуха [1]. При создании экономичных сооружений и установок для выращивания растений в искусственных условиях важно рассчитать и рационально расположить технологическое оборудование.

Для исследования режимов работы технологического оборудования в системах микроклимата культиваторов (камеры, теплицы, фитотроны) разработана вегетационная установка [2], параметры которой требуется определить.

Цель исследования : определение эффективных параметров системы «облучатель – вегетационная установка».

Методики исследования . Известно, что большая часть тепличных предприятий России обеспечена новыми энергоэкономичным системами облучения на основе современных эффективных натриевых ламп высокого давления (НЛВД) мощностью 400–600 Вт и металлогалогенных ламп (МГЛ) мощностью 1 000–2 000 Вт для дополнительного облучения растений и светокультуры [3].

Для исследований была выбрана система облучения на базе облучателя ЖСП37-400-001 с лампой PhilipsSON-TAgro 400. На рисунке 1 представлен внешний вид облучателя с кривыми силы света (КСС), в таблице 1 приведены основные характеристики [4].

На рисунке 2 приведен спектр излучения лампы SON-TAgro 400. Из рисунка 2 видно, что лампа имеет повышенную долю излучения в красном диапазоне длин волн 600–700 нм.

Рис. 1. Облучатель ЖСП37-400-001:

а – внешний вид: 1 – шина; 2 – короб; 3 – кронштейн; 4 – фиксатор; 5 – крышка;

6 – отражатель; 7 – ПРА; 8 – ИЗУ; 9 – конденсатор; 10 – лампа PhilipsSON-TAgro 400;

11 – патрон Е-40; 12 – клеммная коробка; б – кривая силы света:

1 – поперечная; 2 – продольная; 3 – под углом 45˚

Характеристики облучателя ЖСП37-400-001

Таблица 1

Тип 3~ ।— о co § i Is zr ° ° £ 5 * Тип кривой силы света по ГОСТ 17677-82 2 s bi 0 1— 0 c >s 0 co 0 CD co 0 ьг' О CD CD CD S CD X _ co s 4 ° X— Ф 0 £ я CD О 1— CD C c в продольной плоскости в поперечной плоскости ЖСП37-400-001 слампой Philips SON-T Agro 400 1×400 П Осевая Л 55 2,2 80 IP21 Е40 личинаE= 100 Вт/м2 ФАР [6]. Для нее также

Исходя из технологических норм и опытных

данных [6] определяем по методике [7] основные параметры облучательной установки для создания средней облученности Е =50 Вт/м² ФАР, рекомендуемой в большинстве тепличных агротехнологий. Оптимальной облученностью, при которой достигается максимальная эффективность фотосинтеза растений,считается ве-

Рис. 2. Спектр излучения лампы PhilipsSON-TAgro 400 [5]

Горизонтальная облученность Е, Вт/м2 ФАР, в точке от одного облучателя

I ⋅ cos³ α ⋅ k αф

Е ф =      _{h 2}

где I α – сила света облучателя в направлении расчетной точки, кд; k ф – коэффициент перевода светового потока источника в поток ФАР, Вт/м²; h – высота подвеса, м; k ф =0,0023 [8].

определяем параметры установки (рис. 3).

Данная методика предполагает установление высоты подвеса облучателей h ≥ 0,5 м, нижний предел которой ограничивается тепловым действием источников излучения, являющимся губительным для растений.

Расчет установки проводим по минимальной облученности. При этом коэффициент минимальной облученности

Eф.min z=        ≥0,8,   (2)

ф. max где Еф.min, Еф.max – минимальная и максимальная облученность, Вт/м2 ФАР.

Для расчета по рисунку 1, б применяем формулу

I = ¹   —,        (3)

1000, где Ф – световой поток лампы, лм; I1000 – значения силы света облучателя с условным источником света, кд.

По графикам облученности находим оптимальную высоту подвеса облучателя для двух вариантов и геометрические размеры ванны с почвогрунтом, исходя из условия (2) (рис. 4).

Рис. 3. Графики облученности под облучателем ЖСП с лампой PhilipsSON-TAgro 400: а – Е = 50 Вт/м2 ФАР; б –E = 100 Вт/м2 ФАР

Рис. 4. План размещения облучателей в вегетационной установке

Определяем энергетические параметры системы «облучатель – вегетационная установка». Как известно [6], основными объектами исследования при проведении физиологических экспериментов в вегетационных установках являются ценозы редиса. Поэтому для расчета применяем данные из технологических требований, предъявляемых к выращиванию редиса сорта Жара.

Потребление электроэнергии за период вегетации

W = P -T-t           (4)

уст       сут ,               ( )

где P уст –установленная мощность системы облучения с двумя облучателями, Вт; t сут – время работы системы облучения в сутки, ч; T – период вегетации, дней.

Результаты расчета параметров представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты расчета параметров системы «облучатель – вегетационная установка»

Параметр	Величина
	1-й вариант	2-й вариант
Количество облучателей N , шт.	2	2
Высота подвеса h , мм	700	480
Размеры технологического объема установки, мм: длина А	1700	1700
ширина В	700	700
высота H	1500	1500
Средневзвешенный коэффициент неравномерности z	0,8	0,8
Облученность E , Вт/м2 ФАР	50	100
Установленная мощность системы облучения P , кВт	0,908	0,908
Удельная установленная мощность системы облучения P уд , кВт/м2	0,763	0,763
Время работы системы облучения в сутки t сут , ч	16	16
Период вегетации T , дней [9]	35	35
Тариф за электроэнергию, руб/(кВт·ч): в пределах социальной нормы T 1	1,45	1,45
свыше социальной нормы T 2	2,34	2,34
Потребление электроэнергии за период вегетации W , кВт·ч	509	509
Удельное потребление электроэнергии системой облучения W уд , (кВт·ч)/м2	428	428
Затраты на оплату электрической энергии С , руб.	1093	1093

Из данных таблицы 2 видно, что два варианта облучательной установки имеют схожие параметры, отличающиеся высотой подвеса и, как следствие, величиной облученности.

Эксперименты, проведенные российскими учеными показали, что наименьшие затраты энергии для исключения стрелкующихся форм редиса требуются при использовании красных лучей (длина волны 600–700 нм) и интенсивности ФАР 100 Вт/м2 [6].

Из рисунка 5 видно, что при использовании ламп с максимумом излучения в зеленой области уровень облученности нужно увеличить в 2 раза по сравнению с красным светом, при использовании синего излучения – в 6 раз. Также доказано [6], что максимальный коэффициент хозяйственной эффективности К хоз , характеризующий распределение ассимилятов между листовой поверхностью и корнеплодами, достигается при красном свете. Наименее эффективен в этом отношении синий свет.

Рис. 5. Зависимость стрелкования растений редиса от интенсивности ФАР в отдельных спектральных областях [6]

Приведенные данные позволяют предположить, что лампа PhilipsSON-TAgro 400, имеющая максимум излучения в оранжево-красном диапазоне длин волн 600–700 нм (см. рис. 2), может являться наиболее эффективным источником излучения при выращивании редиса.

Результаты исследования . В эксперименте необходимо оценить эффект каждого из вариантов системы облучения, критерием оценки которого может являться хозяйственнополезный урожай.

Для исследования режимов была изготовлена вегетационная установка по размерам из таблицы 2. Технологический объем камеры был разделен на две части в горизонтальной плоскости с помощью силикатного стекла толщиной 8 мм (рис. 6), что исключает неконтролируемое влияние инфракрасной составляющей излучения лампы на вегетационный процесс. Это позволяет устанавливать облучатель ниже высоты h= 0,5 м, определенной нормами и методиками светотехнических расчетов [7].

Опытная вегетационная установка содержит основание с установленными на нем ваннами с почвогрунтом и растениями. К основанию крепятся вертикальные стойки, а к ним горизонтальные стойки,образуя каркас, обтянутый прозрачным поликарбонатом. Сверху климатической установки установлен механизм подъема облучателей с возможностью их регулирования по высоте.

Редис сорта Жара выращивался по технологии, изложенной в рекомендациях по выращиванию редиса [9]. Опыт осуществлялся в трех повторностях. Урожай снимался за один раз. После каждого опыта почвогрунт полностью заменялся. Результаты эксперимента представлены в таблице 3.

Рис. 6. Конструкция экспериментальной вегетационной установки: 1 – рабочий отсек;

2 – ванны с почвогрунтом и растениями; 3 – отсек с облучателем; 4 – облучатели ЖСП с лампой PhilipsSON-TAgro 400; 5 – стеклянная перегородка; 6 – приточный воздуховод;

7 – система автоматического управления (САУ) параметрами микроклимата; 8 – система вентиляции и подготовки воздуха; 9 – механизм регулирования высоты подвеса облучателей;

10 – устройство подогрева воздуха

Таблица 3

Экспериментальные данные при разной высоте подвеса системы облучения

Параметр	Величина
	1-й вариант h =0,7 м	2-й вариант h =0,48 м
Облученность E ,Вт/м2 ФАР	50	100
Период вегетации T , дней	35	30
Всего взошло, шт.	188	224
Вытянулось, шт.	33	14
Количество редиса товарного качества N , шт.	138	201
Масса клубней товарного редиса m , кг	3,8	6,44
Удельная установленная мощность системы облучения P уд , кВт/м2	0,763	0,763
Расход электроэнергии в системе облучения W , кВт·ч	514	440
Удельное потребление электроэнергии системой облучения W уд , (кВт·ч)/м2	432	370
Средняя урожайность У ср , кг/м2	3,19	5,4
Удельная энергоемкость продукции Q , (кВт·ч)/кг	135	68

Из таблицы 3 видно, что при одинаково установленной удельной мощности P уд = 0,763 кВт/м² расход электроэнергии в варианте 2 снизился на 74 кВт·ч по сравнению с вариантом 1 за счет сокращения срока вегетации. Удельная энергоемкость продукции по сравнению с вариантом 1 снижена в 2 раза за счет увеличения урожайности на 2,21 кг/м² и снижения расхода электроэнергии.

Данная технология облучения может быть реализована с помощью информационной системы, представленной в [10], которая позволяет в любой момент времени обеспечить такую совокупность условий, при которой соблюдается оптимальное значение критерия эффективности.

Выводы . Изменение параметров традиционной схемы облучения в вегетационной установке показало двукратное снижение энергоемкости продукции. Новая технология с уменьшением высоты подвеса системы облучения, требующая отвода излишков тепловой энергии от облучателя, позволяет при увеличении облученности повысить урожайность на 2,2 кг/м² при соблюдении значения коэффициента минимальной облученности 0,8.