Общемировой тенденцией последнего времени является рассмотрение проблем энергоэффективности и экологии технологических процессов в тесной взаимосвязи. Этому способствуют необходимость обеспечения энергосбережения, ужесточение экологических норм и повышение требований к качеству готовой продукции. Достижения фундаментальных наук позволяют разработать энергоэффективные агротехнологии с минимальным негативным воздействием на окружающую среду [1].

Оптическое излучение (ОИ) выступает главным первичным источником энергии для формирования продуктивности растений, которая зависит от всех параметров излучения и в первую очередь – от его спектрального состава [2]. Важнейшим процессом, протекающем 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).

Важнейший вид технологического процесса в аграрном секторе – светокультура, т.е. выращивание 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 [3]. Энергоэффективность светокультуры заключается в использовании меньшего количества энергии для достижения того же уровня продуктивности фотосинтеза при существующем уровне развития технического и технологического обеспечения производства и соблюдении требований к охране окружающей среды. Численно энергоэффективность характеризуется долей потока энергии, используемой для получения полезной продукции, от общего количества затрачиваемой энергии. Измерительной процедурой определения численных показателей, характеризующих распределение потоков энергии, производимой в целях обеспечения нормируемых параметров микроклимата и режимов технологического процесса выращивания растений является энергоаудит (энергетическое обследование) светокультуры.

Под экологичностью светокультуры понимаются 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. Оценка соблюдения нормативных требований в области охраны окружающей среды и получения экологически чистой продукции производится в ходе экоаудита (экологического обследования) светокультуры.

В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (Санкт-Петербург) на стыке физиологии растений, физики (светотехники) и экологии разработаны основы нового комплексного научного направления – энергоэкологии светокультуры [4]. Сформулированы теоретические основы и накоплен практический опыт энергоэкологического анализа и проектирования тепличных облучательных установок [5] на основе разработанной иерархической модели искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) как совокупности технических и энергетических устройств, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов (растений), применяемых в светокультуре для обеспечения требуемых технологических операций по получению готовой продукции.

Особенность энергоэкологии светокультуры как научного направления заключается в рассмотрении параметров энергоэффективности и экологичности с позиций прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП), объектом изучения которой являются закономерности потоков субстанции (вещества и энергии) в ИБЭС [6]. В качестве системнымного интегративного критерия оптимальности выступает энергоэкологичность, распространяемая при декомпозиции на локальные критерии оптимальности в соответствующих задачах оптимизации отдельных иерархических уровней модели. На основе полученных теоретических представлений разработаны практические приемы проектирования и оценки эффективности отдельных энергосберегающих мероприятий [7], обоснованы энергоэкологичные режимы работы облучательных установок и алгоритмы управления их энергоэффективностью и экологичностью [8, 9]. Энергоэкологичность светокультуры характеризует взаимосвязь потока энергии ОИ и потоков продуктов фотосинтеза, образуемых в растениях. Комплексный показатель энергоэкологичности светокультуры учитывает входные и выходные потоки вещества и энергии [10].

Достоверная картина энергоэффективности и экологичности технологических процессов может быть получена путем проведения энергоэкоаудита.

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 оценке эффективности и последующей оптимизации культивационного процесса.

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 [11]. Недостатком способа является использование линейных регрессионных зависимостей потоков вещества и энергии от производительности, которыми невозможно описать динамику роста растения, а так же раздельный учет энергопроизводственных и экологопроизводственных показателей.

Цель работы – представление результатов производственных исследований по изучению энергоэкологичности светокультуры салата, выращиваемого на конвейерной линии.

Материалы и методы исследования

Салат (Lactuca sativa L.) пользуется большой популярностью у потребителей. Ценность и качество салата зависят от условий его выращивания. Зимний период не благоприятен для выращивания растений по причине недостатка солнечного света и неудовлетворительной освещенности – важнейшего фактора, определяющего рост растения. По этой причине при выращивании салата необходимо использовать дополнительное облучение [12]. В Европе ежегодно производят около 3 млн т салата, причем площади под салатом постоянно растут. Для России необходимо производство салата на уровне 15 тыс. т в год на площади 700–800 га. Климат не позволяет производить салат круглогодично в открытом грунте [13]. Технология выращивания салата гидропонным методом наиболее передовая, интенсивная и экологически чистая.

Исследования проводили в салатном отделении ЗАО Агрофирмы «Выборжец» (г. Санкт-Петербург). В салатном отделении размещено две конвейерных линии типа DGS (Danish Greenhouse Supply). Размеры линии: длина 110 м, ширина 18 м. Облучательная установка выполнена на облучателях ЖСП 64-600-002 с ЭПРА. Высота подвеса 2,5 м. Всего в отделении размещено 40 рядов по 8 шт в ряду. Средняя освещенность в зоне выращивания растений составляет 10 клк, фотонная облученность 140 мкмоль.с-1.м-2. Температура воздуха поддерживается на уровне 20 °С, влажность 51-53 %, скорость 0,25-0,6 м.с-1. В начале салатной линии горшечки с 10-ти дневной рассадой по три растения в каждом выставляются на лотки. По мере роста растений желоба, в которых расположены горшечки, продвигаются вдоль конвейерной линии. 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 ∆l = L/m = 22 м. Период выращивания как время, в течение которого начальный лоток перемещается до конца конвейера, составляет TB = 20 дней. Скорость движения конвейера υ = L/TB = 5,5 м.сут-1. Расстояния от начала линии до точек для измерений li составляют 0; 22; 44; 66; 88 и 110 м. Растения в точках имеют возраст Tn соответственно 10; 14; 18; 24; 26 и 30 дней.

Горшечки с салатом рандомизированно отбирали с лотков вдоль их длины в количестве по 3 шт, что давало для исследований 9 растений каждого возраста.

Использовали модель роста и развития растения, учитывающую динамику изменения площади каждого листа растения и его массы в процессе выращивания [14]. Листья с растений одного возраста разделяли на группы, в соответствии с их номером n в порядке появления на стебле. Фиксировали количество листьев на растении N, их площадь Sn, сырую массу и выход сухого вещества .

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные по экспериментальным данным значения суммарной площади всех листьев SΣ, массы всего растения и выхода сухого вещества аппроксимированы кривыми Гомпертца по методу наименьших квадратов

, (1)

где Y – моделируемый параметр;

Y0 – начальное значение параметра Y;

Ymax – конечное значение моделируемого параметра;

B – относительная скорость роста на момент времени Tm;

Tm – момент времени, когда абсолютная скорость роста максимальна;

t – текущее значение времени.

Значения коэффициентов показаны в табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов для кривых Гомпертца

По кривой SΣ = f(t) строили кривую зависимости приращения площади листьев от времени ∆S = f(t). Значения приращения дозы потока ОИ вычисляли по формуле

, (2)

где ∆T – интервал по оси времени,

Eф(t) – динамика изменения фотонной облученности в зоне растений в процессе выращивания (принималась постоянной).

В параметрическом виде кривые и показаны на рис. 1.

Исключая параметр времени t, по полученным кривым строили годограф , показанный на рис. 2.

Форма годографа отражает «траекторию» роста и развития растения в процессе выращивания через взаимосвязь потоков вещества и энергии. По форме годографа можно судить об энергоэкологичности светокультуры. Интегральные показатели светокультуры в конце цикла выращивания (в расчете на одно растение салата) приведены в табл. 2.

Для характеристики энергоэффективности процесса преобразования вещества при фотосинтезе использовали величину энергоемкости фотосинтеза ЭФС [14]. В соответствии с физическим смыслом она определяется как количество энергии, затраченной на единицу массы синтезируемого сырого или сухого вещества, моль.г–1. Чистая продуктивность фотосинтеза представляет собой массу накопленного органического вещества в единице площади листа за определенное время для всех N листьев растения, г.м–2.сут–1. Найденные численные значения могут быть использованы при сравнительной оценке энергоэкологичности выращивания салата в различных условиях.

Рис. 1. Зависимости приращений массы и дозы излучения от времени

Рис. 2. Кривая годографа