Современные информационные технологии/3. Программное обеспечение

Жидко В. В.

Национальный технический университет Украины «КПИ»

Повышение продуктивности тепличных хозяйств путем использования выбросов контактных водонагревателей

В условиях теплицы, при высокой обеспеченности растений всеми параметрами жизнедеятельности на оптимальном и сбалансированном уровне, одним из факторов ограничивающим высокопродуктивный фотосинтез является уровень обеспечения растений углекислым газом, особенно при малообъемном способе выращивания. Для растений недостаток углекислого газа - более серьёзная проблема, чем недостаток минералов. Растение синтезирует из воды и углекислого газа около 94% массы сухого вещества, оставшиеся 6% – из минералов (удобрений). Растения растут благодаря тому, что с помощью фотосинтеза преобразуют углекислый газ (CO2) в углерод:

6СО2 + 6Н2О + Энергия света = С6Н12О6 + 6О2↑

В воздухе содержится обычно около 350 ppm CO2. Оптимальные показатели CO2 зависят от вида растений и его уровень обычно выше 700 ppm. Интенсивность и продуктивность фотосинтеза обычно возрастает на 50% при повышении концентрации углекислого газа в воздухе теплицы с 300 до 900 ppm при условии получении достаточного количества световой энергии [1]. Подкормка СО2 в течение всего роста растений - это обязательная составляющая современного процесса выращивания культур.

Каким образом углекислый газ попадает в теплицу:

1 Естественный источник - из атмосферы

2 Биологический источник (разложение органических материалов, ночное дыхание растений, очищенные продукты брожения спирта и метана)

3 Технические источники (продукты сгорания, углекислота, сухой лёд).

Перспективным техническим решением является подкормка растений защищенного грунта двуокисью углерода с использованием отходящих газов контактных водонагревателей. Использование снабжения теплицы тепловой энергией и углекислым газом обеспечивает: снижение расхода теплоты на отопление; суточное и сезонное регулирование подкормки растений в теплице углекислым газом; оптимальный температурный режим в теплице; снижение вредного экологического воздействия выбросов за счет углекислого газа. Однако при использовании этого способа стоит учитывать изменения потребности в CO2 в течение суток. Также необходимо помнить о загрязняющих веществах, влияющих на рост. В основном это угарный газ (СО), который вреден для людей и растений. Предельно-допустимая концентрация составляет 20мг/м3 воздуха теплицы. Также вредное воздействие оказывают окислы азота (Nох) и серы (SO2). Предельно-допустимая концентрация для людей составляет по Nох 7 мг/м3 воздуха. Концентрация NО2 0,00002 -0,00006% снижают урожай и вызывают повреждение поверхности листьев. Допустимая концентрация SO2 составляет 0,00001% [2].

Целью программной системы является обеспечение суточного и сезонного регулирования подкормки растений углекислым газом, учет действия вредных примесей, а также снижение расхода теплоты на отопление. Реализованная программная система помогает достичь определения оптимального использования выбросов контактных водонагревателей (выделяемого СО2) для использования в тепличных хозяйствах, при возможности расчета наилучшего усваивания растениями воздушной подпитки.

Важным этапом разработки системы компьютерного моделирования учета использования выбросов контактных нагревателей является определение конфигурации тепличной единицы и расположения оборудования в нем. В первую очередь на оптимальность использования подкормки СО2 влияет проблема равномерного и не чрезмерного распределения концентрации газа в пространстве строения. Компьютерное моделирование разработанной системой позволило определить оптимальное расположение точек ввода отходящих газов в помещение теплицы. При расчете точек ввода СО2 следует отталкиваться от основного свойства тепличного пространства – способа размещения в нем растений. Наиболее оптимальной конфигурацией растений при использовании подкормки углекислым газом является размещение их рядами, с расстояниями между рядами в 20-70 см. При этом основная масса точек ввода газа располагается меду рядами растений. Такое расположение позволяет добиться наилучшего распределения углекислого газа между всеми растениями. При этом СО2 равномерно усваивается устьицами листа, находящимися в зависимости от растения на верхней или нижней части листа. На Рисунке 1 представлена модель распределения углекислого газа для точки его ввода, находящейся между параллельными рядами растений для кустов томатов высотой 120 сантиметров и расстоянием между рядами 40 сантиметров.

Рисунок 1. Модель распределения углекислого газа

Также точка ввода углекислого газа располагается в торце помещения на уровне корневой системы. Корневая система растения способна усваивать до 25% CO2 от того количества, которое усваивают листья. Расположение точки ввода на уровне корневой системы позволяет насытить почву (прикорневую зону) углекислым газом (при соответствующей обработке почвы). Кроме того, обеспечивается доступ газа к нижним листьям растений. Также полезным является неизбежное рассеивание струи газа у противоположного торца помещения, что позволяет обеспечить доступ к CO2 крайнему ряду растений.

Правильно регулируя подачу СО2, можно добиться уменьшения длительности вегетативной фазы развития растения, увеличение общего урожая на 14-39%, увеличения количества плодов и их массы, ускорения созревания на 6-9 дней [3], увеличения прироста биомассы зеленых культур, снижения содержание нитратов в овощах в зимнее время и др.

Литература:

1. Тетиор А. Н. Здоровый город XXI века (основы архитектурно–строительной экологии). – М.: Моск. гос. ун–т природообустройства, 1997. – 698 с.

2. 13. Kennedy M. The architect’s ecological responseability // Report of EcoLogical Architecture Congress, 1992. – Stockhoolm: SAR and SAFA, 1992. – Р. 35.

3. Д. Н. Доброчаева, М. И. Ко-тов, Ю. Н. Прокудин. Определитель высших растений Украины — К.: Наукова думка, 1987. — 548 с.