11.5 Моделирование парниковых газов ВД

Использование сельскохозяйственных вод и поглощение питательных веществ является центральной подсистемой аквапоники. Части HP сложны, так как чистое поглощение воды и растворенных питательных веществ не просто следуют простой линейной зависимости, например, рост рыбы. Для создания полнофункциональной модели необходим полный симулятор теплицы. Это включает подмодельные системы физики теплиц, включая контроллеры климата и биологию сельскохозяйственных культур, охватывающие интерактивные процессы с биологическими и физическими стрессорами.

Тем не менее, с точки зрения HP, парниковый климат является основным драйвером для полной аквапонной системы, включая, рядом с балансами питательных веществ, петли обратной связи тепла, производимого рыбой, и дополнительные COSub2/Sub, поставляемые растениям, согласно данным Körner et al. (2017) (Рис. 11.15).

В этой модели рыбная культура вырабатывает тепло через метаболические процессы. Количество тепла, производимого рыбой, рассчитывается непосредственно из потребления кислорода, которое является функцией температуры и постоянной для производства тепла для одной единицы потребляемого кислорода (например, 13608 J gsup-1/sup). Тепло от распада органического вещества (QSubbio/sub), например, остаются фекалии и корма, также способствует тепловому балансу. Затем энергоснабжение системы водоснабжения может быть рассчитано путем производства тепла через рыбу, рассчитанного на основе среднего расхода кислорода (FSuBO2, TWB/Sub). Затем можно рассчитать дополнительное тепловыделение путем биологической разбивки фекалий (рис. 11.16).

Производство COSub2/sup из водной подсистемы (DSubcoSub2/Sub/Sub, g hsup-1/sup), т.е. доставка в воздушную среду (d, g hsup-1/sup), может быть рассчитано для заданной температуры воды (TsubH2o/Sub, K) от подачи кислорода в систему (DSuboSub2/Sub/Sub, g, g hsup-1/sup) при температуре воды) при температуре основания (ЦУБХ2 O, b/sub, K) и QSub10/sub значение дыхания рыбы (Qsub10, R/sub). Используются следующие связи:

Рис. 11.15 Дополнительное симбиотическое поведение аквапонной системы

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

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

с количеством корма для рыбы (fsubfish/sub, g hsup-1/sup), потреблением кислорода при базовой температуре (Fsubo2/sub, кг [Osub2/sub] kgsup-1/sup [feed]), долей потери корма WSubo2/sub (sup-/sup) и массовым балансом OSub2/sub2/sub (sup).

Для расчета основы аквапоники, т.е. технологического потока (обозначенного стрелками, →) парниковый макроклимат → микроклимат → эвапотранспирация → поглощение питательных веществ, могут быть использованы и объединены с аквакультурой в аквапонную систему . Все тепличные модели включают модель роста урожая. Однако качество модели может значительно варьироваться от простых эмпирических регрессионных моделей, например Boote and Jones (1987), до детерминированных моделей, например Heuvelink (1996), до функциональных структурных моделей растений (FSPM), например Buck-Sorlin et al. (2011). Поскольку нынешние модели роста и развития сельскохозяйственных культур являются неточными и имеют ограниченную прогностическую силу (Poorter et al. 2013), модели иногда используются в управлении сельскохозяйственными культурами, но затем главным образом для планирования в теплицах, например Vanthoor (2011) и Körner and Hansen (2011). Точность прогнозирования ставится под угрозу из-за многих источников неопределенности, таких как моделирование

Рис. 11.16 Система аквакультуры внедрена в теплице с влажностью, температурой и концентрациями CO2 воздуха (RhsubAIR/Sub, COSub2, воздух/суб), теплом из (Q) рыбной среды (рыба), биологическим разрушением (био) и тепловыми потоками ($$), взятыми из Körner et al. (2017)

погрешности, изменчивость между растениями, изменчивость между теплицами и неопределенность внешних климатических условий. Что касается прогнозов, то точность также сильно варьируется в зависимости от ситуации. Тем не менее, онлайн-подача информации о датчиках в модель завода может сделать прогнозы модели растения значительно более надежными и полезными для производителя.

Тренажеры теплиц были разработаны в нескольких местах, например, в Виртуальном Grower (Frantz et al. 2010), KASPRO (De Zwart 1996), Greenergy Energy Audit Tool (Körner et al. 2008), Виртуальная теплица (Körner and Hansen 2011), Адаптивная теплица (Vanthoor 2011), Hortex (Rath (Rath 1992, 2011) и интегрированная модель аквапоники теплицы (Goddek and Körner 2019). На исследовательском уровне были разработаны некоторые модели (т.е. имитационные модели в сочетании с определенными парниковыми технологиями), которые потенциально могут использоваться для оптимизации инвестиций и структурных изменений производственной единицы и производственного процесса. Однако большинство систем сопряжено с закрытыми программными средами, которые могут быть использованы только разработчиками, и многие из них существуют только в исследовательском режиме и не имеют дальнейшего развития и признания со стороны отрасли. Однако пока еще нет единой основы для обмена моделями и совместной разработки моделей. В результате большинство разработчиков моделей и групп моделирования работают изолированно, разрабатывая свои собственные модели и коды. Недостатком этой процедуры является то, что имитационные модели парниковых газов разрабатываются параллельно в разрозненных исследовательских средах, которые не способствуют росту и развитию кооперативов.

Все симуляторы тепличных моделей HP представляют собой компиляцию подмоделей, которые зависят от цели интеграции взаимодействия растений и парникового оборудования. Общая двухкомпонентная дифференциация в тепличных моделях, а также в управлении и планировании - это съемка и корневая среда. Для парникового климата были разработаны довольно сложные и дифференцированные модели (Bot 1993; de Zwart 1996), и в 1990-х годах интенсивно моделировался рост парниковых культур для основных тепличных культур, таких, как помидоры (Heuvelink 1996), огурец (Marcelis 1994) и салат (Liebig и Альшер 1993). Однако для расчета поглощения сельскохозяйственных культур водой и питательными веществами необходимо знать микроклимат, т.е. климат, близкий к растительным органам и лежащий на них (Challa and Bakker 1999). Этот вопрос является актуальным в процессе моделирования парниковых газов, поскольку микроклиматические переменные, такие, как температура центрального листа, сильно варьируются и зависят от многих параметров и переменных. Один из вариантов модели температуры листьев, используемой в пологе сельскохозяйственных культур для определения температуры посевов (TSUBC/Sub), интегрированной в вертикальные слои (z) Körner et al. (2007), объединяющей поглощенные потоки облучающей сети (Rsubn, a/sub, WMSUP2/SUP), пограничный слой и устьичные сопротивления (rsubsubsub/sub, соответственно, smsub/sub и rsub/sub, smsub/sub, sup) и дефицит давления паров на поверхности листа (VPDSubs/Sub, Pa) в пологе показан здесь, т.е.

$Tc (Z) -T_A =\ гидроразрыва {\ гидроразрыва {1} {\ Rho_AC_P} (r_b (Z) +r_s (Z)) R_ {n, a} (z) -\ фрак1 {\ гамма} VPD_s (z)} {1+\ гидроразрыва {\ дельта} {\ гамма} +\ гидроразрыва {r_s {z}} {r_b (z)} +\ frac1 {\ rho_ac_P/4\ сигма Ta^3} (r_b (z) +r_s (z))} $ (11.17)

с температурой воздуха в тепличных условиях (ЦУБА/суб, К), плотностью воздуха под давлением паров (ρsuba/sub, g msup-2/sup), постоянной Стефана-Больцмана (σ, WMSUP-2/SUP KSUP-4/SUP), удельной теплоёмкостью воздуха (csubp/sub, J gsup-1/sup-1/sup-1/sup KSUp), P-1/sup), психометрической постоянной (γ), P-1/SUP), психометрической постоянной (γ, Па) KSUP-1/SUP) и наклон между насыщенным паром давление и температура воздуха в теплицах (δ, Pa KSUP-1/SUP).

Температура листьев является центральной частью модели микроклимата, она имеет петли обратной связи с несколькими входными переменными и особенно устьичное сопротивление (часто используется также в качестве обратной, проводимости), и расчет требует нескольких этапов моделирования для равновесия. Однако для HP, как части аквапонной системы, наиболее важное значение имеет моделирование потоков воды и питательных веществ. Все балансы воды и питательных веществ в замкнутой многоконтурной системе контролируются на основе скорости эвапотранспирации урожая ETSubc/Sub (глава 8). Обычно EtSubc/Sub рассчитывается как скрытая теплота испарения, т.е. в энергетическом выражении (λe, WMsUP2/SUP), и может соответствовать температуре листа, выраженной в различных слоях навеса

$\ лямбда E (z) = (\ гидроразрыва {\ гидроразрыва {\ дельта} {\ гамма} R_ {n, a} (z) +\ гидроразрыва {\ rho _ac_p} {\ гамма} (\ frac1 {r_b (z)} +\ frac1 {\ rho _ac_P/4\ sigma Ta^3} VPD_s (z))} {1+\ гидроразрыва {\ дельта} {\ гамма} +\ гидроразрыва {r_s (z)} {r_b (z)} +\ гидроразрыва {1} {\ rho _ac_P/4\ сигма Ta^3} (r_s (z) +r_b (z))}) $ (11.18)

Для расчета EtSubc/sub (L msup-2/sup), λe необходимо умножить на постоянную Lsubw/sub (теплоту испарения воды; 2454 ≤ 103 J kgsup-1/sup) и удельную массу воды (9,789 kN •msup-3/sup при 20 ˚C).

Рис. 11.17 Система ввода-вывода теплицы

Однако в уравнении (11.18) рассчитывается только поток воды через урожай, в то время как наиболее простой способ оценки поглощения питательных веществ заключается в предположении о том, что питательные вещества поглощаются или поглощаются как растворенные в оросительной воде, и при этом предполагается, что не существует конкретных химических, биологических или физических сопротивлений. На самом деле усвоение питательных веществ является весьма сложным вопросом. Следовательно, для поддержания равновесия все питательные вещества, поглощенные растениями и содержащиеся в питательном растворе, должны быть возвращены в систему гидропоники (см. главу 8). Однако Eq. (11.18) вычисляет только потенциал и т.д., в то время как слишком высокие уровни потенциала могут привести к более высокой транспирации, чем растения могут справиться, а затем потенциальная потеря воды может превышать поглощение воды. Для этого простое предположение о поглощении питательных веществ не удовлетворяет. Как описано в [главе 10](/community/articles/chapter-10-аэробные и анаэробные методы лечения для аквапонически-шламо-редукция-минерализация), различные питательные вещества могут иметь различные состояния и изменять состояния, например, pH, в то время как доступность растений сильно зависит от pH и отношения питательных веществ к друг друга. Кроме того, важную роль играет микробиом в корневой зоне, который пока не реализован в моделях. Некоторые модели, однако, различают пути флоема и ксилемы. Однако огромное количество питательных веществ не смоделировано в деталях для балансировки питательных веществ аквапоники и определения размеров систем, в то время как самый простой способ оценить поглощение питательных веществ заключается в том, что питательные вещества поглощаются или поглощаются как растворенные в оросительной воде, и применять описанный выше подход к расчету и т.д. .

Для целей контроля теплица обычно считается «черным ящиком», где внешние климатические условия определяют поступление возмущений, COSub2/Sub питания, отопление и вентиляция являются контрольными входами, а макро- и микроклимат теплицы определяют выход системы (Рис. 11.17).

Для контроля теплицы действия направлены на минимизацию быстрых последствий возмущений, т.е. опережение ожидаемых изменений с помощью интеллектуального управления. Для этого используются такие управляющие действия, как обратная связь и обратная связь (глава 8). Наилучший контроль, однако, может быть достигнут при использовании полной модели парниковых газов и комбинировать ее с прогнозом погоды (Körner and Van Straten, 2008) для достижения оптимального климатического контроля парниковых газов на основе модели, разработанного Van Ooteghem (2007).