СПОСОБ ЭНЕРГОЭКОАУДИТА СВЕТОКУЛЬТУРЫ
METHOD OF ENERGY AND ENVIRONMENTAL AUDIT OF LIGHT-CULTURE

Изобретение относится к области сельского хозяйства, энергетики и охраны окружающей среды и может быть использовано при комплексном обследовании энергоэффективности и экологичности светокультуры, в том числе при выращивании растений на конвейерных линиях.
Общемировой тенденцией последних десятилетий стала тесная связь проблем энергоэффективности и экологии технологических процессов, в том числе в сельском хозяйстве. Этому способствовало ужесточение экологических норм и повышение требований к качеству готовой продукции. Достоверная картина энергоэффективности и экологичности технологических процессов может быть получена путем проведения энергоэкоаудита.
Термины и определения
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. Важнейшим процессом, протекающим в зеленом листе растения, является фотосинтез, который заключается в формировании потока органического вещества под действием потока энергии оптического излучения (фотонов) в области фотосинтетически активной радиации (ФАР).
Энергоэффективность светокультуры - использование меньшего количества энергии для достижения того же уровня продуктивности фотосинтеза при существующем уровне развития технического и технологического обеспечения светокультуры и соблюдении требований к охране окружающей среды. Показателем энергоэффективности является доля потока энергии, используемой для получения полезной продукции, от общего количества затрачиваемой энергии.
Энергоаудит (энергетическое обследование) светокультуры - измерительная процедура определения численных показателей, характеризующих распределение потоков энергии, производимая в целях обеспечения нормируемых параметров микроклимата и режимов технологического процесса выращивания растений.
Экологичность светокультуры - измеряемые и (или) оцениваемые свойства процесса выращивания растений в контролируемых условиях, представляющие его естественную или намеренно обеспеченную способность при данном способе его проведения оказывать воздействие на окружающую среду лишь в допустимых пределах.
Экоаудит (экологическое обследование) светокультуры - оценка соблюдения нормативных требований в области охраны окружающей среды и получения экологически чистой продукции.
Энергоэкологичность светокультуры характеризует взаимосвязь потока энергии оптического излучения и потоков продуктов фотосинтеза в растениях.
Комплексный показатель энергоэкологичности светокультуры учитывает входные и выходные потоки вещества и энергии.
Энергоэкоаудит (комплексное энергоэкологическое обследование) светокультуры - применение инструментальных и дистанционных методов измерения, вычислительных процедур по получению 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 [Оценка экологичности и энергоэффективности предприятия АПК с помощью иерархической модели искусственной биоэнергетической системы / С.А. Ракутько и др. // Региональная экология. - 2015. - №6 (41). - С. 58-66].
Из уровня техники известен способ оценки экологического состояния территории по показателю флуктуирующей асимметрии листьев деревьев как меры стабильности развития организма. В основе метода лежит тот факт, что уровень морфогенетических отклонений параметров растения от нормы оказывается минимальным лишь при определенных (оптимальных) условиях среды и неспецифически возрастает при любых стрессовых воздействиях [Патент РФ №2556980. Способ экологического измерения березняка по флуктуирующей асимметрии листьев / Мазуркин П.М. и др. Заявка 2013136716/13, 06.08.2013]. Недостатком способа является его трудоемкость, а так же использование косвенных показателей и статистических корреляционных зависимостей, что не обеспечивает достаточную точность измерений. Данный способ не позволяет учесть потоки вещества и энергии в процессе роста растения и оцепить общую энергоэкологичность светокультуры.
Известен способ комплексного энергоэкологического обследования энергетических и промышленных объектов, включающий измерение энергопроизводственных и экологопроизводственных показателей, отражающих потоки вещества и энергии, определение и комплексную оценку коэффициентов энергоэффективности и экологической обстановки на объекте, разработку комплекса мер, одновременно обеспечивающих снижение фактического расхода энергоресурсов и уменьшение удельного количества выбросов на единицу продукции. [Патент РФ №2439625. Способ комплексного энергоэкологического обследования энергетических и промышленных объектов / Федоров М.П. и др. Заявка №2010102375/28, 25.01.2010]. Недостатком способа является использование линейных регрессионных зависимостей потоков вещества и энергии от производительности, которыми невозможно описать динамику роста растения, а также раздельный учет энергопроизводственных и экологопроизводственных показателей.
Известен способ сравнения характеристик, допускающих построение временных годографов, для двух образцов, включающий построение сравниваемого и эталонного годографов, в качестве критерия их близости используют увеличение площади годографа векторных разностей [Патент РФ №2563777 «Способ контроля состояния обмоток с монолитными металлическими сердечниками» / Афонасов А.А. и др. Заявка: 2014128067/28, 08.07.2014]. Однако годограф векторных разностей, построенный как разность сравниваемого и эталонного годографов, не во всех случаях имеет физический смысл и интерпретацию.
Наиболее близким к заявляемому является способ определения чистой продуктивности фотосинтеза, при котором производят периодический отбор растений, у которых определяют сухую массу и площадь листьев [Практикум по физиологии растений/Н.Н. Третьяков и др. - М.: Агропромиздат, 1990. - С. 113-115]. Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности раздельного учета и выявления взаимосвязи потоков вещества и энергии через растения, что не позволяет осуществить энергоэкоаудит светокультуры.
Растение является постоянно растущим и развивающимся биологическим объектом. При энергоэкоаудите недостаточно выявить только итоговые параметры растения, например его массогабаритные показатели. 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.
Задача изобретения - создание способа оценки параметров энергоэффективности и экологичности светокультуры в их взаимосвязи, в том числе для растений, выращиваемых на конвейерных линиях, с целью дальнейшей оптимизации технологического процесса по критерию энергоэкологичности.
Технический результат - реализация назначения изобретения, возможность получения результатов энергоэкоаудита в наглядном, информативном и легко интерпретируемом виде, а также повышение достоверности, точности и удобства измерений.
Технический результат достигается тем, что с определенным интервалом времени производят отбор образцов растений, измеряют содержание сухого вещества в листьях отобранных образцов растений и суммарную площадь листьев, фиксируют производственные условия светокультуры, включая средние значения параметров микроклимата, в течение периода выращивания растений фиксируют динамику изменения фотонной облученности в зоне выращивания растений во времени, определяют динамику изменения дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания, определяют динамику изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания, об уровне энергоэкологичности светокультуры при данных производственных условиях судят по форме кривой годографа, построенного в координатах приращений массы сухого вещества, накопленного в листьях растения, и дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания, при этом чем меньше степень отклонения кривой годографа от эталонной, тем выше энергоэкологичность светокультуры.
Новые существенные признаки: фиксируют производственные условия светокультуры, включая средние значения параметров микроклимата, в течение периода выращивания растений фиксируют динамику изменения фотонной облученности в зоне выращивания растений во времени, определяют динамику изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания, об уровне энергоэкологичности светокультуры при данных производственных условиях судят по форме кривой годографа, построенного в координатах приращений массы сухого вещества, накопленного в листьях растения, и дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания, при этом чем меньше степень отклонения кривой годографа от эталонной, тем выше энергоэкологичность светокультуры.
Признаки, характеризующие способ при выращивании растений на конвейерных линиях: при отборе образцов растений отмечают начальный лоток с растениями на конвейере, определяют период выращивания как время, в течение которого начальный лоток перемещается до конца конвейера, образцы растений отбирают одновременно, в конце периода выращивания с некоторым шагом вдоль конвейера, включая первый и последний лотки.
Признак, характеризующий оценку степени отклонения кривой сравниваемого годографа от эталонной: оценку проводят по величине нормированной суммы квадратов разностей
,
где n - количество пар точек для сравнения годографов;
i
i
ΔM, ΔH - значения приращений массы сухого вещества и дозы фотонного потока излучения для сравниваемого годографа;
,  - значения приращений массы сухого вещества и дозы
фотонного потока излучения для эталонного годографа.
Перечисленные новые существенные признаки позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат обеспечивается следующим.
1. Фиксируя производственные условия светокультуры, включая средние значения параметров микроклимата, обеспечивают возможность получения результатов энергоэкоаудита для этих условий с дальнейшей оптимизацией светокультуры по критерию минимальных отклонений энергоэкологичности за счет варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.
2. Фиксируя динамику изменения фотонной облученности в зоне выращивания растений в течение всего периода выращивания всех экземпляров растений (при их стационарном выращивании или на движущихся лотках) обеспечивают возможность достоверного определения дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение всего периода выращивания.
3. При конвейерном выращивании растений одновременно отбирают образцы с разных лотков конвейера в конце периода выращивания, измеряют содержание сухого вещества в листьях отобранных образцов растений и суммарную площадь листьев, определяют динамику изменения дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением, и динамику изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания, тем самым обеспечивая удобство измерений биометрических показателей образцов растений различного возраста за счет их одновременного проведения.
4. Строят кривую годографа в координатах приращений массы сухого вещества, накопленного в листьях растения, и дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания, по степени отклонения кривой от образцовой судят об энергоэкологичности светокультуры при данных производственных условиях, что обеспечивает точность, наглядность, информативность и легкую интерпретируемость результатов энергоэкоаудита.
Заявляемое техническое решение относится к способу, т.е. является процессом осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств. Объектом выступают экземпляры растений в условиях светокультуры. Действиями являются процедуры по фиксации производственных условий выращивания растений, измерению параметров микроклимата и световой среды, производству выборки из массива растений с соблюдением требований к статистической достоверности, лабораторных исследований биометрии растений. Материальными средствами являются технологическое и светотехническое оборудование, лабораторные и измерительные приборы, средства обработки промежуточных экспериментальных данных и представления итоговых значений.
Возможность использования предлагаемого способа в сельском хозяйстве, проведения отдельных действий и их совокупности в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил техническое решение того же назначения, что и предлагаемый способ, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы существенные признаки, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлена известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат (возможность получения результатов энергоэкоаудита в наглядном, информативном и легко интерпретируемом виде), что свидетельствует об изобретательском уровне предлагаемого технического решения.
На фиг. 1 показаны динамика изменения дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в период выращивания Н=ƒ(t), и динамика изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания М=ƒ(t), в виде соответствующих кривых.
На фиг.2 показаны динамика изменения приращения дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в период выращивания dH=ƒ(t), и динамика изменения приращения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания dM=ƒ(t), в виде соответствующих кривых.
На фиг. 3 показана кривая годографа dH=ƒ(dM) в координатах приращений массы сухого вещества, накопленного в листьях растения dM, и дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания dH.
На фиг. 4 показаны годографы, построенные по экспериментальным данным для двух культивационных установок У1 и У2 в сравнении с эталонным.
i
i
На фиг. 5 показана оценка степени отклонения кривой сравниваемого годографа от эталонной: ΔM,  - значения приращений массы сухого вещества, ΔH,  - значения приращений дозы фотонного потока излучения соответственно для сравниваемого и эталонного годографов.
i
1
2
3
На фиг. 6 показаны спектры энергетической облученности в зоне выращивания растений E(λ) для трех моментов времени t, t и t.
ф
На фиг. 7 показаны кривые зависимости фотонной облученности E(t), приращений площади листьев ΔS(t) и приращений дозы ΔH(t), построенные для тех же моментов времени.
0
max
На фиг. 8 показаны измеряемые и вычисляемые величины при проведении способа на конвейерных линиях: 1 - растение; 2 - горшечек; 3 - желоб; 4 - конвейер; Y(t) - моделируемый биометрический параметр растения; Y - начальное значение параметра; Y - конечное значение параметра; υ - скорость движения конвейера;  - путь, пройденный растениями, расположенными на i-ом желобе от начала конвейера; L - общая длина конвейера.
В основе изобретения лежат следующие положения. Основным ассимилирующим органом, в котором под действием оптического излучения образуются органические вещества, служащие структурно - энергетическим материалом для всего растения, является лист. Потоки вещества и энергии являются предметом изучения энергоэкологии светокультуры [Ракутько С.А. Научные основы энергоэкологии светокультуры / Сб. статей межд. науч. - практ. конф. «Вавиловские чтения - 2015». - Саратов, Буква, 2015. - С. 228-229].
Объективным способом оценки энергоэкологичности светокультуры является энергоэкоаудит. В процессе энергоэкоаудита экспериментально получают данные об изменении содержания сухого вещества М=ƒ(t), накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания под влиянием дозы фотонного потока оптического излучения H=ƒ(t), потребленной растением в период выращивания, которые могут быть представлены таблично, в графическом виде, либо аппроксимированы подходящими функциями (логистической, Гомпертца и т.п.).
д
Важным является не только получение достоверной информации о потоках вещества, синтезированного под действием энергии фотонного потока оптического излучения, но и ее представление в наглядном, информативном и легко интерпретируемом виде. Для этих целей наиболее удобно графическое отображение взаимосвязи влияния дополнительной дозы фотонного потока излучения dH на приращение количества синтезированного в листе растения сухого вещества dM в различные моменты времени периода выращивания растения t. Такая кривая представляет собой годограф вектора, соединяющего начало координат и данную точку графика. Тангенс угла между вектором и горизонтальной осью представляет собой динамическую энергоемкость, т.е. tgα=dH/dM=ε.
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 этой кривой от эталонной можно судить об энергоэкологичности светокультуры.
Численно степень отклонения кривых можно оценить по величине нормированной суммы квадратов разностей
где n - количество пар точек для сравнения годографов;
i
ΔМ, ΔH - значения приращений массы сухого вещества и дозы фотонного потока излучения для сравниваемого годографа;
,  - значения приращений массы сухого вещества и дозы фотонного потока излучения для эталонного годографа.
Чем меньшее значение принимает величина НСКР, тем меньше сравниваемый годограф отличается от эталонного. Тем самым данная величина является критерием энергоэкологичности при сравнении вариантов в целях оптимизации культивационного процесса.
Способ осуществляют следующим образом.
ф
При проведении энергоэкоаудита фиксируют производственные условия светокультуры: применяемое оборудование, режимы его работы, параметры микроклимата и т.д. В зоне выращивания растений размещают прибор для измерения спектра энергетической облученности, периодически в моменты времени t определяют значения фотонной облученности, фиксируя динамику изменения фотонной облученности во времени E(t).
При стационарном способе выращивания растений с некоторым интервалом времени производят отбор образцов растений. При выращивании растений на конвейерных линиях при отборе образцов отмечают начальный лоток с растениями на конвейере, определяют период выращивания как время, в течение которого начальный лоток перемещается до конца конвейера, образцы растений отбирают одновременно, в конце периода выращивания с некоторым шагом вдоль конвейера, включая первый и последний лотки.
t
t
В листьях отобранных образцов растений измеряют содержание сухого вещества M и определяют суммарную площадь листьев S на растении.
t
t+1
t
t
t
Для определения динамики изменения дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания, определяют приращения площади листьев ΔS=S-S. Значение приращения дозы вычисляют как dH=ΔT⋅E⋅ΔS.
t
t+l
t
Определяют динамику изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания ΔM=M-M.
По полученным функциональным зависимостям dM=ƒ(t) и dH=ƒ(t) строят кривую годографа dH=ƒ(dM). Сравнивают форму кривой годографа с эталонной, полученной при выращивании растений в нормированных условиях.
По степени отклонения экспериментальной кривой от эталонной судят об энергоэкологичности светокультуры.
Пример 1. В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (Санкт-Петербург) производили энергоэкоаудит светокультуры салата сорта Афицион в культивационной установке. Параметры микроклимата (в том числе величину фотонной облученности) и режим выращивания поддерживали оптимальными согласно нормативам. Периодически отбирали экземпляры растений, измеряли содержание сухого вещества и площади листьев.
Строили (в относительных единицах) зависимость дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в период выращивания Н=ƒ(t), и кривую изменения содержания сухого вещества, накапливаемого в листьях растения в течение периода выращивания М=f(t), показанные на фиг.1. Строили кривые зависимости приращений массы сухого вещества dM=ƒ(t) и дозы, полученной растением dH=ƒ(t), показанные на фиг. 2.
Строили годограф dH=ƒ(dM), показанный на фиг. 3. Поскольку годограф построен для светокультуры с оптимальными условиями выращивания, его принимали за эталонный. При выращивании салата в других условиях по отклонению годографа, полученного при энергоэкоаудите, от эталонного, полученного в нормированных условиях, судили об энергоэкологичности светокультуры.
Пример 2. Производили энергоэкоаудит для различных условий выращивания салата в культивационных установках У1 и У2. Фиксировали параметры условий выращивания и световой режим. Полученные по результатам энергоэкоаудита значения площади листьев и содержания сухого вещества аппроксимировали кривыми Гомпертца вида
где Y(t) - моделируемый параметр;
0
Y - начальное значение параметра;
max
Y - конечное значение моделируемого параметра;
m
В - относительная скорость роста на момент времени T;
m
T - момент времени, когда абсолютная скорость роста максимальна;
t - текущее значение времени.
Параметры кривых для условий У1:
2
0
m
max
для кривой S, см: Y=0; T=45,9; Y=2999,892; В=0,05;
t
0
m
max
для кривой M, г:Y=0,068; T=30,1; Y=1,182; B=0,15.
Параметры кривых для условий У2:
t
0
m
max
2
для кривой S, см: Y=0; T=42,7; Y=2688,055; B=0,05;
t
0
m
max
для кривой M, г: T=0,055; T=32,3; Y=2,604; B=0,11.
Годографы, построенные по экспериментальным данным для двух условий выращивания растений в сравнении с эталонным, показаны на фиг. 4.
Пример 3. На фиг. 5 показано формирование подкоренного выражения в формуле для вычисления НСКР. Его математический смысл - квадрат расстояния между точками экспериментального и эталонного годографов, вычисляемый как сумма квадратов катетов. Первый катет равен , второй катет равен . Извлечение квадратного корня дает непосредственно расстояние между точками, суммирование по всем измерениям и деление на количество измерений дает среднее значение как меру отклонения экспериментальной кривой от эталонной.
Для значений, приведенных в примере 2, вычисляли величины нормированной суммы квадратов разностей по уравнению 1. Для условий У2 степень отклонения годографа от эталонного (НСКР=0,0016) меньше, чем для условий У1 (НСКР-0,0039), что свидетельствует о более высокой энергоэкологичности светокультуры в этих условиях выращивания.
i
1
2
3
-2
-1
ф
-1
-2
Пример 4. Динамику изменения дозы фотонного потока оптического излучения, потребленной растением в течение периода выращивания, определяли следующим образом. На различные моменты времени t спектроколориметром ТКА ВД/04 с сферической насадкой измеряли спектры энергетической облученности в зоне выращивания растений E(λ), Вт⋅м⋅нм. Для трех моментов времени t, t и t эти спектры показаны на фиг. 6. Различия спектров проистекают из за различного соотношения потоков от естественного света и источников дополнительного освещения в различное время суток и календарные даты. Значение фотонной облученности на эти моменты времени E(t), моль⋅с/м, определяли по формуле
где  - постоянная Планка,  Дж⋅с;
8
-1
с - скорость света, с=3⋅10 м⋅с;
A
A
23
-1
N - число Авогадро, N=6,023⋅10 моль.
1
2
λ, λ - диапазон ФАР (400-700 нм).
Данная кривая, построенная для тех же моментов времени, показана на фиг. 7.
t+1
t
Измеряли суммарную площадь листьев в течение периода выращивания S(t). Динамику приращения площади листьев определяли по формуле ΔS=S-S. Кривая ΔS=ƒ(t), построенная для тех же моментов времени, показана на фиг. 7.
Значения приращения дозы вычисляли по формуле
где ΔT - интервал по оси времени.
Кривая ΔН=ƒ(t), построенная для тех же моментов времени, показана на фиг. 7.
-1
-2
-1
в
B
i
Пример 5. Проводили энергоэкоаудит в салатной пленочной теплице агрохолдинга «Выборжец» (Санкт-Петербург). По технологии растения салата выращивают на конвейерной линии типа DGS. Температура воздуха поддерживается на уровне 20°С, влажность 51-53%, скорость 0,25-0,6 м⋅с. Дополнительное досвечивание производится натриевыми лампами, которые включаются на 20 часов в сутки. Если уровень естественной облученности составляет выше 250 Вт⋅м, дополнительное освещение выключается. Общую длину конвейера L=110 м от начального лотка разметили на m=5 интервалов, получив шесть точек для измерения вдоль конвейера, включая первый и последний лотки (шаг между точками составляет Δ=L/m=22 м (фиг. 8). Возраст растения до выставления на лотки составляет 10 дней. Период выращивания как время, в течение которого начальный лоток перемещается до конца конвейера, составляет Т=20 суток. Скорость движения конвейера υ=L/T=5,5 м⋅сут. Расстояния от начала линии до точек для измерений  составляют 0; 22; 44; 66; 88 и 110 м. Растения в точках имеют возраст соответственно 10; 14; 18; 24; 26 и 30 суток. Растения собирали одновременно, в остальном способ реализовали как при стационарном выращивании растений. В результате реализации способа получили кривую годографа для данных производственных условий. Путем сравнения полученного годаграфа с эталонным производили оптимизацию светокультуры по критерию минимальных отклонений энергоэкологичности за счет варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.
В условиях востребованности строительства новых тепличных комбинатов и реконструкции уже существующих, роста тарифов, постоянного сокращения запасов природных энергоресурсов и необходимости снижения вредных выбросов в окружающую среду применение данного способа позволит оперативно и эффективно решать задачи энергоэкологического аудита.