РАСТЕНИЯ. Потери тепловой мощности можно разложить на следующие составляющие
 Скачать 4.26 Mb.
|
|
Введение Тепличное производство относится к числу наиболее энергоёмких производств в сельском хозяйстве. Затраты на обогрев теплиц составляют 30…50% от себестоимости продукции. Потребности современного производства в тепловой и электрической энергии растут быстрее, чем энергетические мощности. Поэтому энергосистемы вынуждены ограничивать потребление энергии, вводить специальные режимы, требовать от потребителя срочной экономии. Эти ограничительные меры малоэффективны, а в ряде случаев приводят к снижению производства продукции. Отсюда следует, что экономить энергию надо не ограничением её отпуска, а системой научно обоснованных технических мероприятий, основными из которых являются создание энергосберегающих технологий и энергосберегающих систем управления. Для снижения энергоёмкости процесса, прежде всего надо стремиться снизить технологический расход энергии. Эта величина определяется размерами и тепловыми характеристиками помещений, а также расходом воздуха и разностью температур воздуха и окружающей среды. Чем ниже температура воздуха в помещении, тем ниже расход энергии. Однако снижение температуры в помещении ведёт к снижению продуктивности, поэтому её снижение ограничено агротехническими требованиями. Таким образом, задача обычных САУ сводится к стабилизации температуры на заданном уровне. Системы такой стабилизации являются простейшими энергосберегающими системами автоматического управления. Даже простейшая автоматизация управления температурным режимом способна обеспечить экономию 15-18% тепла. Особенно эффективна автоматика в периоды переменной облачности, когда ручное управление температурным режимом весьма затруднено. Энергия, требуемая для обогрева помещения любого типа, может быть рассчитана по уравнению теплового баланса помещения. Тепловой баланс теплицы складывается из потерь тепловой мощности и мощности, поступающей в теплицу. Потери тепловой мощности можно разложить на следующие составляющие: потери теплоты через ограждения; потери теплоты через грунт; расход теплоты на испарение влаги; потери теплоты при инфильтрации наружного воздуха. Мощность, поступающая в теплицу, складывается из поступления теплоты от солнечной радиации, падающей на открытый грунт, и из поступления теплоты от приборов системы обогрева теплицы. Измерить потери тепловой мощности, которую необходимо затратить на поддержание микроклимата в теплице, можно путём установки в теплице датчика тепловых потерь. Использование таких датчиков позволяет обеспечить автоматическое регулирование температурного режима в теплице, путём замены ряда датчиков одновременно (например, датчик скорости ветра, датчик влажности, датчик потока солнечной радиации). теплица температурный режим автоматизация 1. Обоснование необходимости автоматизации температурного режима в теплице В последние годы во многих сферах деятельности человека, как в промышленном производстве, так и в сельскохозяйственном, проявляется тенденция к автоматизации различных процессов. Этап автоматизации неизбежен на производстве, результатом которого должна быть качественная, конкурентоспособная продукция, призванная удовлетворить потребности государства и отдельных его граждан. Автоматизация производства повышает не только качество продукции, но и производительность труда, уменьшает затраты труда, снижает себестоимость продукции. В лучшую сторону автоматизация влияет и на условия труда. Процессу широкого внедрения автоматизации способствует развитие технических средств автоматизации. Всё это делает доступным достаточно простые, другими словами, оптимальные технические средства автоматизации для небольших предприятий и хозяйств. В связи с развитием теплоэнергетики стало выгодным строительство тепличных комбинатов возле крупных источников теплоснабжения с целью использования её в тепловых нуждах. В настоящее время потребности сельскохозяйственного производства в тепловой и электрической энергии растут быстрее, чем энергетические мощности, поэтому энергосистемы вынуждены: ограничивать потребление энергии; вводить специальные режимы; требовать от потребителя строгой экономии. Эти ограничительные меры малоэффективны и приводят к снижению производства продукции. Отсюда следует, что экономить электрическую и тепловую энергию надо не путём ограничения её отпуска, а системой научно обоснованных технических мероприятий, основным из которых является создание энергосберегающих технологий и энергосберегающих систем управления. Управление температурным режимом вручную связано с определёнными трудностями. В этом случае оператор не всегда в состоянии реагировать на все изменения регулируемых факторов, и поэтому пределы колебания температуры воздуха при ручном режиме в 5…10 раз превышают допустимые. Даже простейшая автоматизация управления температурным режимом способна обеспечить экономию 15…18% тепла. Особенно эффективна автоматика в периоды переменной облачности, когда ручное управление температурным режимом весьма затруднительно. Условия температурного режима, в которых развивается растение, оказывают огромное влияние на все процессы его жизнедеятельности: фотосинтез; дыхание; испарение; корневое питание. Всякое отклонение от благоприятного для растений температурного режима отрицательно влияет на величину урожая и его качество. При этом нужно учесть, что растению в различные фазы его жизненного цикла требуется разная температура окружающей среды. Для нормального роста, развития и плодоношения растений необходимы влага и углекислый газ, причём в определённых соотношениях в зависимости от температуры воздуха. Сама же температурная среда должна определяться уровнем освещённости. Таким образом, на растение оказывают влияние сразу несколько факторов среды. Учесть это влияние и создать оптимальное сочетание параметров микроклимата в теплицах возможно лишь с помощью автоматизации технологического процесса. Экономия энергии на обогрев помещения может быть достигнута: за счет установки дополнительных временных ограждений, например, размещения полимерной плёнки между остеклением и трубами обогрева (экранирование боковых ограждений теплицы способно сэкономить до 20% тепла); за счет регулярного ремонта остекления и тщательной регулировки привода форточек, обеспечивающей их полное закрытие; за счет рационального размещения труб обогрева ( в соответствии с требованиями СНиП П-100-75, не менее 40% общего количества тепла должно быть подано в зону высотой 1 м над поверхностью грунта); за счет увеличения теплоизоляции наружных участков теплотрассы; за счет автоматического управления температурным режимом, которое может понизить температуру воздуха в теплице без какого-либо нарушения технологического процесса выращивания овощей. Автоматические устройства способны обеспечить значительную экономию тепла за счет понижения температуры воздуха в ночные часы и в часы недостаточной освещенности. 2. Характеристика теплицы как объекта управления Современная теплица как объект управления температурным режимом характеризуется крайне неудовлетворительной динамикой и нестационарностью параметров, вытекающими из особенностей технологии производства (изменение степени загрязнения ограждения, нарастание объёма листостебельной массы и т.д.). В то же время агротехнические нормы предписывают высокую точность стабилизации температуры (1ºС), своевременное её изменение в зависимости от уровня фотосинтетически-активной облученности, фазы развития растений и времени суток. Все эти обстоятельства предопределяют высокие требования к функционированию и качественному совершенствованию оборудования автоматизации. Представим объект управления (теплицу) в виде черного ящика рисунок 1; выходные величины которого указаны справа (температура, влажность, освещенность внутри теплицы). Управляемые величины на рисунке 1 изображены сверху. К ним относятся параметры теплоносителя. Контролируемые факторы на рисунке изображены слева. К ним относятся: температура наружного воздуха, солнечная радиация, влажность наружного воздуха, скорость ветра. Перечисленные выше контролируемые факторы можно отнести к так называемым возмущениям, вызывающим отклонение от оптимальных режимов. структурная схема теплицы как объекта управления представлена на рисунке 2.1.  Рисунок 2.1 -Теплица как объект управления (биологический и технический). 3. Анализ путей автоматизации теплицы .1 Энергосберегающие системы автоматического управления Энергосберегающие системы автоматического управления - это системы, алгоритм которых направлен на то, чтобы осуществить технологический процесс при пониженных по сравнению с существующими энергетических затратах. Наиболее эффективны ЭССАУ, которые обеспечивают минимум энергетических затрат: Q/П  min, (3.1.1)где Q - расход электроэнергии, затраченной на получение продукции, кВт·ч; Q=Qт+Qпот, (3.1.2) где Qт - затраты энергии на выполнение технологического процесса; Qпот - потери энергии, вызванные несовершенством технологии, оборудования и материалов. Применительно к теплицам будем условно считать, что Qт - это затраты на компенсацию теплопотерь с поверхности теплицы в окружающую среду. К потерям энергии, вызванным несовершенством технологии, можно отнести потери, связанные с открыванием дверей и ворот теплицы. Условие (3.1.1) обычно дополняется какими-либо ограничениями, которые характеризуют диапазон изменения факторов и касаются минимально допустимой температуры, ниже которой наступает нарушение развития растений. Для снижения энергоемкости процесса прежде всего надо стремиться снизить технологический расход энергии Qт. Эта величина определяется размерами и тепловыми характеристиками помещений, а также расходом воздуха и разностью температур воздуха и окружающей среды. Чем ниже температура воздуха в помещении, тем ниже Qт. Однако снижение температуры в помещении ведёт к снижению продуктивности, поэтому её снижение ограничено агротехническими требованиями. Для каждой культуры опытным путём установлена температура воздуха, ниже которой продуктивная способность снижается. Таким образом, задача САУ сводится к стабилизации температуры на заданном уровне. Системы такой стабилизации являются простейшими ЭССАУ. Однако стабилизация температуры и влажности в теплице не является лучшим решением проблемы. Дело в том, что в реальных условиях развитие растений происходит при постоянно меняющихся параметрах микроклимата. Так, температура воздуха ночью обычно ниже, чем днём, весной и осенью ниже, чем летом. Живые организмы за долгую эволюцию приспособились к таким изменениям. Поэтому необходимая для их развития температура (да и влажность) должна изменяться в зависимости от времени суток и стадии развития растений. Соответственно должно меняться и задание. Системы, отрабатывающие такое задание, называются программными ЭССАУ. Системы, обеспечивающие работу в прерывистом режиме, - это третий вид ЭССАУ температурным режимом в теплице, направленный на снижение технологически полезных затрат энергии. Кратковременное снижение или повышение температуры или влажности в помещении не вызывает изменения продуктивности растений. Поэтому кратковременное отключение нагрева несколько раз в течение суток можно рассматривать как своеобразную закалку живых организмов, что одновременно приводит к определённой экономии энергии. Допустимая продолжительность отключения обогрева помещения для каждой культуры должна определяться экспериментально. Разновидностью прерывистого режима является так называемый «рваный» режим, при котором обогрев полностью не отключается, а на допустимое время снижается лишь мощность обогрева. Снизить потери энергии можно также улучшением динамики управления, т.е. снизить максимальные динамические отклонения и длительность переходных процессов. Это обеспечивается переходом от системы управления по отклонению к комбинированной системе. В этой системе управление осуществляется по двум независимым каналам: путём изменения расхода горячей воды и её температуры. Переход на такую систему управления позволил снизить температуру обратной воды, уменьшить количество циркуляционных насосов, а, следовательно, и расход энергии на их функционирование. Важным направлением снижения расхода энергии на единицу продукции является повышение продуктивности и урожайности. Но отметим, что с экономической точки зрения стремление к получению максимума урожая не всегда оправдано, так как этот урожай может быть очень дорогим. Поэтому помимо систем управления, обеспечивающих оптимизацию по урожаю, целесообразно применять системы управления, обеспечивающих оптимизацию по любому заранее выбранному технологическому, экономическому, экологическому или энергетическому критерию. Технологический процесс, при котором обеспечивается наибольший эффект по одному из указанных критериев или их совокупности, называют оптимальным. Этот процесс характеризуется определённым набором параметров (режимом). Отклонение от оптимального режима ведёт к невосполнимым потерям продукции, энергии и денежных средств. Чтобы обеспечить оптимальную технологию, необходимо организовать оптимальное управление, задача которого состоит в том, чтобы в любой момент времени создать такую совокупность условий, которая бы обеспечила оптимальное значение критерия эффективности. К таким критериям можно отнести: критерий приведённых затрат; критерий удельных энергозатрат и критерий чистой прибыли. Выбор критерия определяется сложившейся конъюнктурой, т.е. теми экономическими и социальными задачами, которые в данный момент являются главными для предприятия. Для создания энергосберегающих систем управления температурным режимом необходимо, прежде всего, выявить алгоритмы функционирования таких систем, разработать функциональные и принципиальные схемы, создать специализированные вычислительные устройства, датчики и регуляторы. 3.2 Математические модели продуктивности Первым шагом к разработке системы автоматического управления температурным режимом в теплице является выявление математических моделей, т.е. выражений, определяющих связь между параметрами окружающей среды и выбранными критериями эффективности процесса. Каким бы сложным ни был выбранный критерий, математическая модель должна установить влияние факторов среды на урожайность, расход энергии, материальных ресурсов, эффективность труда обслуживающего персонала. Если энергетические затраты можно определить из условий теплового баланса, то для учёта влияния условий окружающей среды на биологические объекты нужно иметь достаточно достоверные математические модели продуктивности. Для получения таких моделей необходимы постановка большого числа экспериментов и обработка полученного материала. Эксперименты могут быть активными, поставленными в фитотронах по планам второго порядка, и пассивными, выполненными путём непрерывного фиксирования значений параметров среды в процессе эксплуатации помещений. Как было уже сказано, важнейшую группу ЭССАУ составляют системы, обеспечивающие оптимум какого-то заранее выбранного критерия. Экономия энергетических ресурсов является мощным средством снижения себестоимости сельскохозяйственной продукции, а сэкономленная энергия может быть использована для увеличения производства сельскохозяйственной продукции. Используя критерий удельных энергозатрат, можно получить самую дешевую с точки зрения потребления тепла сельскохозяйственную продукцию. Условие минимума энергозатрат было уже рассмотрено выше (3.1.1): Q/П minВ дальнейшем под Q будем понимать затраты энергии на выполнение технологического процесса. Величину технологического расхода энергии, как правило, определяют из уравнения теплового баланса сельскохозяйственного сооружения:  (3.2.1) где Q3 - количество энергии, поступающей в теплицу в единицу времени за счёт радиации; к - коэффициент тепловых потерь; t4 - температура наружного воздуха, ºС. Q3=q3S3η3, (3.2.2) где S3 -площадь, занимаемая теплицей, м²; q3 - поток солнечной радиации, кВт/м²; η3 - коэффициент, характеризующий прозрачность ограждения теплицы (стекла, плёнки); К=К0+К11φ2+К22V1+K12φ2V1, (3.2.3) где К0, К11, К22, К12 - постоянные коэффициенты, определяемые экспериментально; V1 - скорость ветра, м/с; φ2 - относительная влажность наружного воздуха, %; Теперь введем понятие дискретного промежутка времени ∆τ. При моделировании можно сделать допущение, что в любые равные по величине промежутки времени, на которые можно разделить весь период выращивания растений формируется равная часть урожая. В течение этого промежутка времени величины V1, φ2, t1, t4, q3 можно считать постоянными. Тогда количество энергии, поступающее за этот промежуток времени в теплицу: ∆Q=(К(t1- t4)S- Q3)∆τ, (3.2.4) где S - площадь ограждения теплицы, м². условие минимума энергозатрат q примет вид: ∆Q/∆П=q min, (3.2.5)где ∆Q - затраты энергии на обогрев теплицы за промежуток времени ∆τ; ∆П - продуктивность растений за этот же промежуток времени; ∆τ - величина дискретного промежутка времени, в течение которого возмущение практически постоянно, принимается на порядок выше величины постоянной времени объекта регулирования, то есть теплицы, по каналу быстродействующего возмущения. Значение величины этой постоянной времени 10…15 минут получено экспериментальным путём в разработках кафедры автоматики ЧГАУ [7]. Поэтому величина ∆τ принимается равной 1…1,5 минуты. К косвенным показателям продуктивности относятся интенсивность видимого фотосинтеза Ф и темнового дыхания D. Между Ф и ∆П можно предложить зависимость: ∆П1=К1Ф∆τS3, (3.2.6) зависимость продуктивности от темнового дыхания: ∆П2=К2Ф∆τS3, (3.2.7) где К1 и К2 - соответственно коэффициенты продуктивности являются функциональными зависимостями от возраста растений. Исследование эффектов взаимодействия между всеми изучаемыми факторами среды возможно при использовании квадратичных полиномов для дневного и ночного периода. Для дневного периода (интенсивность фотосинтеза): Ф=А0+А1Е1+А2t2+А3Т2+А4τ1+А5τ2+А6φ1+А11Е1+Е1А12t1+А13Е1Т2+А14Е1τ1+А15Е1τ2+А16Е1φ1+А22t1+А23t1T2+А24t1τ1+А25t1τ2+А26t1φ1+А33τ2+А34τ1Т2+А35Т2τ2+А36Т2φ1+А44τ1+А45τ1τ2+А46τ1φ1+А55τ2+А56τ2φ1+А66φ1; (3.2.8) для ночного периода (интенсивность дыхания): D=В0+В1Е2+В2Т1+В3t2+В4τ1+В5τ2+В6φ1+В11Е2+В12Е2Т1+В13Е2t2+В14Е2τ1+В15Е2τ2+В16Е2φ1+В22Т1+В23Т1t2+В24Т1τ1+В25Т1τ2+В26Т1φ1+В33t2+В34t2τ1+В35t2τ2+В36t2φ1+В44τ1+В45τ1τ2+В46τ1φ1+В55τ2+В56τ2φ1+В66φ1; (3.2.9) где А0…А66, В0…В66 - коэффициенты регрессии; Ф, D - интенсивность видимого фотосинтеза и темнового дыхания мг СО2/дм²ч; t1 - температура воздуха внутри теплицы днём, ºС; t2 - температура воздуха внутри теплицы ночью, ºС; Т2 -среднеарифметическое значение температуры воздуха в теплице за истекшую ночь, ºС; Е1 - текущее значение освещённости в теплице, клк; Е2 - среднеарифметическое значение освещённости за истекший день, клк; τ1 - длительность фотопериода (продолжительность светового дня), ч; τ2 - возраст растения, сут.; φ1 - влажность воздуха в теплице, %. Математические модели вида (3.2.8) и (3.2.9) позволяют определить величину видимого фотосинтеза или темнового дыхания конкретного сорта для различных условий среды. С их помощью можно рассчитать сочетания факторов среды, обеспечивающие максимум видимого фотосинтеза, в том числе и при наличии таких факторов, как освещенность в начале и конце фотопериода при отсутствии искусственного освещения. Для осуществления автоматического управления каким-либо технологическим процессом необходимо выбрать алгоритм функционирования системы, т.е. совокупность предписаний, определяющих характер изменения управляемой величины в зависимости от воздействий. В связи с тем, что в математическую модель продуктивности входят факторы, изменяющиеся во времени случайным образом (освещённость, длительность фотопериода, влажность воздуха и т.д.), система управления по алгоритму функционирования может быть либо следящей, либо самонастраивающейся. |