11.5 Modelação de Estufas HP

O uso da água das culturas e a absorção de nutrientes são um subsistema central da aquapônica. A parte HP é complexa, uma vez que a absorção pura de água e nutrientes dissolvidos não seguem simplesmente uma relação linear bastante simples, como, por exemplo, o crescimento dos peixes. Para criar um modelo totalmente funcional, é necessário um simulador completo de estufa. Isso envolve sistemas submodelos de física de estufa, incluindo controladores climáticos e biologia de culturas, cobrindo processos interativos com estressores biológicos e físicos.

No entanto, do ponto de vista da HP, o clima de estufa é o principal motor para o sistema aquapônico completo, incluindo, ao lado dos balanços de nutrientes, loops de feedback de calor produzidos pelos peixes e CoSub2/Sub adicional fornecido às plantas, conforme relatado por Körner et al. (2017) (Fig. 11.15).

Neste modelo, a cultura de peixe produz calor através de processos metabólicos. A quantidade de calor produzida pelos peixes é calculada diretamente a partir do consumo de oxigênio que é uma função da temperatura e uma constante para a produção de calor para uma unidade de oxigênio consumida (ou seja, 13608 J gsup-1/sup fish). O calor resultante da degradação da matéria orgânica (Qsubbio/sub), por exemplo, as fezes e os alimentos para animais, está também a contribuir para o equilíbrio térmico. O fornecimento de energia ao sistema de água pode então ser calculado pela produção de calor através do peixe calculado a partir de uma taxa média de consumo de oxigénio (FSUBO2, TWB/Sub). A produção de calor adicional pode então ser calculada pela degradação biológica das fezes (Fig. 11.16).

A produção de cosub2/sub a partir do subsistema aquático (Dsubcosub2/sub/sub, g hsup-1/sup), ou seja, a entrega ao ambiente aéreo (d, g hsup-1/sup), pode ser calculada para a temperatura da água indicada (TsubH2O/sub, K) a partir da entrega de oxigénio ao sistema (Dsubosub2/sub/sub, g hsup-1/sup, g hsup-1/sup) à temperatura da água (tSubH2 O, b/sub, K) e o valor QSub10/sub da respiração dos peixes (Qsub10, R/sub). São utilizadas as seguintes relações:

Fig. 11.15 Comportamento simbiótico adicional de um sistema aquapônico

$ d_ {O_2} = f_ {fish}\ f_ {O_2} W_ {O_2} $

$d_ {CO_2} =\ frac {[CO_2]} {[O_2]}\ d_ {O_2}\ Q_ {10, R} (T_ {H2O, b}) /10$ (11.16)

com quantidade de alimento para os peixes (fsubfish/sub, g hsup-1/sup), taxa de consumo de oxigénio à temperatura de base (FSUBO2/sub, kg [OSub2/sub] kgsup-1/sup [feed]), fracção da perda de alimentação WSUBO2/sub (sup-/sup) e balanço de massa de OSub2/sub/COsub2/sub (sup-/sup).

Para calcular a base da aquapônica, ou seja, o fluxo do processo (indicado com setas, →) macroclima estufa → microclima → evapotranspiração → absorção de nutrientes, vários simuladores de estufa que foram desenvolvidos no passado podem ser usados e combinados com aquacultura para um sistema aquapônico . Todos os modelos de estufa incluem um modelo de crescimento de culturas. A qualidade do modelo, no entanto, pode variar muito desde modelos de regressão empírica simples, por exemplo, Boote e Jones (1987), através de modelos determinísticos, por exemplo, Heuvelink (1996), até modelos de plantas estruturais funcionais (FSPM), por exemplo, Buck-Sorlin et al. (2011). Como os modelos atuais de crescimento e desenvolvimento de culturas são imprecisos e têm um poder preditivo limitado (Poorter et al. 2013), os modelos são ocasionalmente empregados no manejo de culturas, mas, em seguida, principalmente para questões de planejamento em simuladores de estufa, por exemplo, Vanthoor (2011) e Körner e Hansen (2011). A precisão da previsão é comprometida por muitas fontes de incerteza, como a modelagem

Fig. 11.16 Sistema de aquicultura implementado em estufa com umidade, temperatura e concentrações de CO2 do ar (Rhsubair/Sub Tsubair/Sub, CoSub2, ar/sub), calor de (Q) ambiente de peixe (peixe), degradação biológica (bio) e fluxos de calor ($$), retirados de Körner et al. (2017)

erros, variabilidade entre plantas, variabilidade entre estufas e condições climáticas externas incertas. Quanto às previsões, a precisão também varia fortemente de acordo com a situação. No entanto, a alimentação on-line de informações do sensor no modelo da planta pode tornar as previsões do modelo da planta consideravelmente mais confiáveis e úteis para o produtor.

Simuladores de estufa foram desenvolvidos em e para vários locais, como o Virtual Grower (Frantz et al. 2010), KASPRO (De Zwart 1996), Greenergy Energy Audit Tool (Körner et al. 2008), The Virtual Greenhouse (Körner e Hansen 2011), The Adaptive Greenhouse (Vanthoor 2011), Hortex (Rath 1992, 2011) e o modelo integrado de estufa aquapônica (Goddek e Körner 2019). A nível de investigação, foram desenvolvidos alguns modelos (ou seja, modelos de simulação em combinação com certas tecnologias de efeito estufa) que podem potencialmente ser utilizados para otimizar investimentos e modificações estruturais na unidade de produção e no processo de produção. No entanto, a maioria dos sistemas envolve ambientes de software fechados que só podem ser usados pelos desenvolvedores, e muitos deles só existem em um modo de pesquisa e não têm mais desenvolvimento e aceitação da indústria. No entanto, ainda não existe uma base comum para compartilhamento de modelos e desenvolvimento de modelos colaborativos. Como resultado, a maioria dos modeladores e equipes de modelagem trabalham isoladamente desenvolvendo seus próprios modelos e códigos. Uma lacuna desse procedimento é que modelos de simulação de estufa são desenvolvidos em paralelo em ambientes de pesquisa distintos, que falham no crescimento e desenvolvimento cooperativos.

Todos os simuladores de modelos de estufa HP são uma compilação de submodelos que dependem do objetivo de integrar a interação de plantas e equipamentos de estufa. A diferenciação geral em duas partes nos modelos de estufa e também no controle e planejamento é o ambiente de tiro e raiz. Foram feitas abordagens de modelos bastante complicadas e diferenciadas para o clima de estufa (Bot 1993; de Zwart 1996), e o crescimento das culturas com efeito de estufa tem sido intensivamente modelado nos anos 90 para as principais culturas com efeito de estufa, tais como tomates (Heuvelink 1996), pepino (Marcelis 1994) e alface (Liebig e Alscher 1993). No entanto, para calcular a absorção de água e nutrientes das culturas, é necessário conhecer o microclima, isto é, o clima próximo e sobre os órgãos vegetais (Challa e Bakker 1999). Esta é uma questão em curso na modelagem de estufa, uma vez que as variáveis microclimáticas, como a temperatura central das folhas, são altamente variáveis e dependem de muitos parâmetros e variáveis. Uma versão de um modelo de temperatura foliar usado em um dossel de cultura para temperatura de cultura (Tsubc/Sub) integrado sobre camadas verticais (z) por Körner et al. (2007) integrando fluxos líquidos irradiativos absorvidos (Rsubn, a/sub, WMSUP2/sup), resistências de camada limite e estomatos (rsubb/sub e rsubs/sub, respectivamente, smsup-1/ sup) e o déficit de pressão de vapor na superfície foliar (VPDsubs/Sub, Pa) no dossel é mostrado aqui, isto é,

$Tc (Z) -t_a =\ frac {\ frac {1} {\ rho_ac_p} (r_b (Z) +r_s (Z)) R_ {n, a} (z) -\ frac1 {\ gamma} VPD_s (z)} {1+\ frac {\ delta} {\ gamma} +\ frac {r_s {}} {r_b (z)} +\ frac1 {\ rho_ac_p/4\ sigma Ta^3} (r_b (z) +r_s (z))} $ (11.17)

com temperatura do ar de estufa (Tsuba/sub, K), densidade do ar da pressão de vapor (ρsuba/sub, g msup-2/sup), constante de Stefan-Boltzmann (σ, WMSUP-2/sup KSUP-4/sup), capacidade térmica específica do ar (csubp/sub, J gsup-1/sup KSUP), a constante psicrométrica (γ, KSUP-1/Sup) e a inclinação entre o vapor saturado pressão e temperatura do ar de estufa (δ, Pa KSUP-1/Sup).

A temperatura das folhas é a parte central do modelo de microclima, possui loops de feedback para várias variáveis de entrada e especialmente resistência aos estomatos (muitas vezes também usada como sua condutância recíproca), e o cálculo precisa de várias etapas de simulação para o equilíbrio. Para a HP, como parte do sistema aquapônico, no entanto, modelar fluxos de água e nutrientes é mais importante. Todos os balanços de água e nutrientes em um sistema fechado multi-loop são controlados com base na taxa de evapotranspiração da cultura ETSubc/Sub (Cap. 8). Comumente ETSubc/Sub é calculado como calor latente de evaporação, isto é, em termos de energia (λE, WMSUP2/sup), e pode estar de acordo com a temperatura das folhas expressa em diferentes camadas de dossel

$\ lambda E (z) = (\ frac {\ frac {\ delta} {\ gama} R_ {n, a} (z) +\ frac {\ rho _AC_P} {\ gama} (\ frac1 {r_b (z)} +\ frac1 {\ rho _AC_P/4\ sigma Ta^3} VPD_s (z)} {1+\ frac {\ delta} {\ gama} +\ frac {r_s (z)} {r_b (z)} +\ frac {1} {\ rho _AC_P/4\ sigma Ta^3} (r_s (z) +r_b (z))}) $ (11.18)

Para calcular etsubc/sub (L msup-2/sup), λE precisa ser multiplicado com a constante Lsubw/sub (calor de vaporização da água; 2454 103 J kgsup-1/sup) e o peso específico da água (9,789 kN msup-3/sup a 20° C).

Fig. 11.17 Sistema de entrada-saída de uma estufa

A equação (11.18), no entanto, calcula apenas o fluxo de água através da cultura, enquanto a maneira mais fácil de estimar a absorção de nutrientes é a suposição de que os nutrientes são absorvidos/absorvidos como dissolvidos em água de irrigação e assumindo que não existem resistências químicas, biológicas ou físicas específicas de elementos. Na realidade, a absorção de nutrientes é uma questão altamente complicada. Consequentemente, para manter o equilíbrio, todos os nutrientes absorvidos pela cultura, tal como contidos na solução nutritiva, precisam ser adicionados de volta ao sistema hidropônico (ver [Cap. 8](/comunidade/artigos/capítulos 8 deacoplados-aquaponics-sistemas)). No entanto, Eq. (11.18) apenas calcula o potencial EtC, enquanto níveis de potencial muito altos podem resultar em uma transpiração maior do que as plantas podem lidar, e então a perda de água potencial pode exceder a absorção de água. Para isso, a simples suposição de absorção de nutrientes não é satisfatória. Conforme descrito em [Chap. 10](/comunidade/artigos/capítulos 10-tratamentos aeróbicos-para-aquapônico-loda-redutão-e-mineralização), os diferentes nutrientes podem ter estados diferentes e mudar estados com, por exemplo, pH, enquanto a disponibilidade da planta depende fortemente do pH e da relação dos nutrientes com uns aos outros. Além disso, o microbioma na zona radicular desempenha um papel importante, que ainda não é implementado em modelos. Alguns modelos, no entanto, diferenciam entre as vias de phloema e xilema. A grande quantidade de nutrientes, no entanto, não é modelada em detalhes para o equilíbrio de nutrientes aquapônicos e dimensionamento de sistemas, enquanto a maneira mais fácil de estimar a absorção de nutrientes é a suposição de que os nutrientes são absorvidos/absorvidos como dissolvidos em água de irrigação e aplicar a abordagem de cálculo EtC acima explicada .

Para fins de controle, a estufa é geralmente considerada como uma caixa preta, onde as condições climáticas externas determinam as entradas de perturbação, CoSub2/Sub fornecimento, aquecimento e ventilação são as entradas de controle, e o macro e microclima de estufa definem a saída do sistema (Fig. 11.17).

Para controlar a estufa, as ações são direcionadas para minimizar os impactos rápidos dos distúrbios, ou seja, estar à frente das mudanças esperadas pelo controle inteligente. Para isso, são utilizadas ações de controle como feedback e feedforward (Cap. 8). O melhor controle, no entanto, pode ser alcançado ao usar um modelo completo de estufa e combiná-lo com as previsões meteorológicas (Körner e Van Straten, 2008) alcançando um ótimo controle climático de estufa baseado em modelos, conforme estabelecido por Van Ooteghem (2007).