Создание энергоэффективного искусственного освещения в городских (сити) фермах
Концепция проектирования
Городская ферма − новый тип компактных сооружений защищённого грунта, расположенных достаточно близко от проживания жителей и предназначенных, как правило, для установки многоярусных стеллажных систем выращивания растений.
Культивационные сооружения защищённого грунта относится к объектам строительства, имеют определённые габаритные размеры, площадь в плане, объём и сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций. К ограждающим конструкциям относятся: наружные стены, полы по грунту, внутренние ограждающие конструкции между помещениями с различной температурой внутреннего воздуха, покрытия, перекрытия над верхними этажами и подвалами, заполнения проёмов: окна, двери, ворота и т.п. Ограждающие конструкции совместно с рабочим оборудованием, системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха должны обеспечивать нормируемые параметры микроклимата помещений при оптимальной энергопотреблении.
Ограждающие конструкции совместно с системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха должны обеспечивать нормируемые параметры микроклимата помещений при оптимальном энергопотреблении. Для информации ниже приведены данные по сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций согласно ТКП 45 2.04-43-2006
«Строительные нормы проектирования» и термическое сопротивление сотового поликарбоната, часто используемого для строительства теплиц.
Номинальное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций капитальных строений
| Ограждающие конструкции | RT, м2 * 0С / Вт |
|---|---|
| Наружные стены крупнопанельных, каркасно-панельных и объемно-блочных зданий | 2,5 |
| Наружные стены монолитных зданий | 2,2 |
| Наружные стены из штучных материалов (кирпич, шлакоблоки и т. п.) | 2,0 |
| Совмещенные покрытия, чердачные перекрытия (кроме теплых чердаков) и перекрытия над проездами | 3,0 |
| Заполнения световых проемов | 0,6 |
| Толщина листа, см | Теримическое сопротивление, м2*0С/Вт | Толщина листа, см | Теримическое сопротивление, м2*0С/Вт |
|---|---|---|---|
| 4,0 | 0,24 - 0,26 | 16,0 | 0,36 - 0,51 |
| 6,0 | 0,27 - 0,31 | 20,0 | 0,37 - 0,56 |
| 8,0 | 0,28 - 0,42 | 25,0 | 0,65 - 0,68 |
| 10,0 | 0,29 - 0,40 | 32,0 | 0,63 - 0,83 |
Термическое сопротивление минеральной ваты (толщиной 8 см): RT = 2,0 м2*0С/Вт
Стратегия расчетов
Целевая производительность «Городской фермы» («Сити-фермы») — урожайность с 1 м2 проектных растений, определяет потребность в искусственном свете (объём требуемой фотосинтетической активной радиации — ФАР) и, соответственно, определяет мощность светотехнического оборудования.
Рекомендуется стремится к тому, чтобы тепловой энергии светотехнического оборудования было достаточно для обеспечения параметров микроклимата. В идеале равновесный процесс можно было бы описать равенством:
∆Q = Q — Qп = 0
где: Q — тепловой поток, создаваемый светотехническим оборудованием, Дж;
Qп — поток тепла через ограждающие конструкции культивационного сооружения, Дж.
Проблема в том, что поток тепла через ограждающие конструкции Qп является динамической функцией, зависящей от времени суток и поры года, так как определяется не только техническими параметрами культивационного сооружения, но и температурой внутри помещения и снаружи:
Qп = А / RT * ∆Т
где: А — площадь ограждающих конструкций (потолок, стены, пол, проёмы), м2;
RT — термическое сопротивление ограждающих конструкций культивационного сооружения;
∆Т = (Tв — Tн) — разница температур соответственно внутри (Tв)
и снаружи (Tн), 0C.
Параметры А и RT являются характеристиками культивационного сооружения и определяются его конструкцией. Температура внутри помещения Tв определяется условиями выращивания растений. Температура снаружи Tн определяется климатическими условиями местности, в которой находится культивационное сооружение.
Практически вся электрическая энергия, потребляемая искусственным освещением, преобразуется в тепловую энергию (около 98%). Только около 2% электрической энергии преобразуется в конечном итоге в энергию химических связей различных органических веществ в процессе фотосинтеза и образует биомассу. Светотехническое оборудование создаёт суммарный тепловой поток Q посредством трёх процессов:
- Выделения тепла лампами и источниками питания и теплоотдача окружающему воздуху.
Определяется коэффициентом полезного действия (КПД) источников света (ламп), который обычно находится в пределах 40 — 50%. Это значит, что 50 — 60% мощности потребляемой электрической энергии превращается в тепло и распространяется в культивационном сооружении по механизму конвекции.Справочно: Светодиодные модули LED FARM имеют КПД = 48,5%. Соответственно, 51,5% энергии потребления превращается в конвекционное тепло.
КПД источников питания (драйверов) обычно находится в пределах 90 — 96%. Это Это значит, что 4 — 10% мощности потребляемой электрической энергии превращается в тепло и распространяется в культивационном сооружении по механизму конвекции.
Справочно: Источники питания, применяемые в системе искусственного освещения на основе светодиодных модулей LED FARM, имеют КПД 94%. Соответственно, 6% энергии потребления превращается в конвекционное тепло.
- Поглощение света растениями и передача тепловой энергии воздушной среде по механизму транспирации.
Определяется в первую очередь ИПЛ (индекс площади листовой поверхности), конструкцией многоярусных (стеллажных) систем выращивания, расположением и конструкцией источников света, параметрами микроклимата, видом и сортом растений, стадией культивационного периода и др. КПД этого процесса в «Городских фермах», построенных на основе стеллажных производственных линий, при рациональном использовании посевной площади обычно находится в пределах 70 — 90%. это значит, что 70 — 90% светового потока поглощается растениями, превращается в основном в тепло и выделяется растениями в окружающее пространство по механизму транспирации. Это значит, что 30 — 40% мощности потребления системы искусственного освещения превращается в тепло и выделяется в окружающее пространство по механизму транспирации. - Поглощение света поверхностями ограждающих конструкций, их нагревание и теплоотдача окружающему воздуху.
Зависит от конструкции оборудования, состояния поверхностей ограждающих конструкций (пол, потолок, стены).
10 — 30% мощности потребляемой электрической энергии поглощается поверхностями внутри «Сити-фермы» превращается в тепло и путём теплоотдачи и последующей конвекции распространяется в воздушном пространстве.
В конечном итоге со временем в равновесном процессе около 98% потреблённой электрической энергии превращается
в тепловую энергию, распределяется в пространстве культивационного сооружения, создаёт тепловой поток наружу и повышает соответственно температуру внутри помещения в случае дисбаланса энергетических потоков.
Для обеспечения стабильной температуры внутри помещения избыточную тепловую энергию нужно выводить наружу, используя такие технические решения, как промышленные кондиционеры и проточная вентиляция. Расчёты мощностей нужно основывать на балансе мощностей согласно уравнения:
P = А / RT * ∆Т
где Р — потребляемая мощность системы искусственного освещения, Вт.
Конкретное культивационное сооружение характеризуется определёнными свойствами: А (габаритные размеры и форма сооружения) и RT (свойства материалов ограждающих конструкций сооружения).
Технологический процесс выращивания растений определяет требуемую мощность системы искусственного освещения и требуемый уровень внутренней температуры Tв.
Неконтролируемым параметром в вышеприведенном уравнении является наружная температура, которая ведёт себя во времени как случайная функция. Мы можем в расчётах мощностей оборудования использовать только крайние (экстремальные) значения диапазонов с некоторой вероятностью.
При равенстве температур внутри помещения и снаружи (Tв = Tн) тепловой поток наружу будет отсутствовать и для подержания стабильности внутренней температуры необходимо выводить наружу количество тепловой энергии, равной мощности работающего светотехнического оборудования. Положительная разница температур (Tв > Tн в случае холодной погоды) создаёт тепловой поток наружу и снижает величину тепловой энергии, которую необходимо дополнительным оборудованием выводить наружу. И наоборот, отрицательная разница температур (Tв меньше Tн) в случае тёплой погоды создаёт тепловой поток внутрь и увеличивает величину энергии, которую необходимо дополнительным оборудованием выводить наружу.
Искусственное освещение
Светильник светодиодный FLORA LED 60
(ДСП01-2х30-001 УХЛ4)
Светильник FLORA LED 60 (обозначение по ГОСТ ДСП01-2х30-001 УХЛ4) предназначен для создания энергоэффективного искусственного освещения в культивационных сооружениях защищённого грунта типа «Городская ферма» («Сити ферма»).
Конструктивные особенности
- Корпус изготовлен из высококачественного алюминия.
- Защитное стекло изготовлено из стабилизированного к ультрафиолету оптического поликарбоната.
- Светодиоды — высокоэффективные светодиоды.
- Боковые крышки изготовлены из прочного полимерного материала.
Технические параметры
| Наименование параметра | Значение | Наименование параметра | Значение |
|---|---|---|---|
| Тип кривой силы света | Д | Ток потребления (макс.), А | 1,05 |
| Поток излучения, Вт | 30 | Мощность потребления, Вт | 60 |
| Поток фотонов, мкмоль/с | 150 | Класс защиты | I |
| Световой поток, лм | 9000 | Степень защиты | IP54 |
| Коррелированная цветовая температура, К | 3500 | Рабочая температура 0C | +1...+40 |
| Индекс цветопередачи Ra | 85 | Вес, кг | 1,6 |
| Входное напряжение, В | 56 | Размеры, мм | 1180х134x33 |
Распределение энергии по спектральному диапазону излучения светильника
| Диапазон длин волн, нм | 400 - 500 | 500 - 600 | 600 - 700 | 700 - 800 |
|---|---|---|---|---|
| Удельный вес энергии, % | 15 | 40 | 40 | 5 |
Номинальный срок службы светильников составляет до 60000 часов c показателями надёжности L90>F10 (с вероятностью 90% светильники сохраняют в течение 60000 часов работоспособность и уровень светового потока не ниже 90% от первоначального уровня).
Пример предварительного расчёта требуемых мощностей оборудования
Ниже приведены предварительные расчёты мощностей оборудования «Сити-фермы» на основе производственных линий из стеллажей, оснащённой системой искусственного освещения на основе светодиодных модулей LED FARM 80.0.X.
| Наименование параметра | Значение |
|---|---|
| Параметры сооружения: Площадь ограждающих конструкций / Термическое сопротивление | 600 м2 / 1,5 м2*0С/Вт |
| Общая посевная площадь (площадь выращивания растений) | 200 м2 |
| Ширина производственной линии / длина стеллажной секции | 1,2 м / 1,2 м |
| Шаг между модулями LED FARM 80.0.X / Количество установленных модулей | 40 см / 600 шт. |
| Установленная электрическая мощность: общая в сооружении/ удельная к посевной площади | 26 кВт / 130 Вт/м2 |
| Проектный уровень облучённости посевной площади: энергетическая / фотонная | 45 Вт/м2 / 225 мкмоль/м2 * с |
| Целевой уровень температуры воздуха внутри культивационного сооружения | 200С |
| Тепловой поток через ограждающие конструкции при наружной температуре: - 300С / + 300С | 20 кВт / 4 кВт |
| Тепловой поток для расчёта мощности кондиционирования при температуре: - 300С / + 300С | 6 кВт / 30 кВт |
Расчёт максимальной мощности оборудования для охлаждения следует рассчитывать для тёплого периода года, для нагрева — наоборот, для холодного периода года. При этом используются критические значения температуры.
При температуре снаружи выше рабочей температуры внутри помещения возникает тепловой поток, направленный внутрь помещения, который дополнительно увеличивает тепловой поток от работы искусственного освещения.
При полностью работающем светотехническом оборудовании с мощностью потребления 26 кВт при наружной температуре Tн = + 300С необходимо дополнительно выводить из помещения тепловую энергию на уровне 30 кВт. При коэффициенте энергоэффективности EER = 3 (Energy Efficiency Ratio) (соотношении мощности охлаждения к мощности потребления кондиционера 3 : 1), требуется кондиционер с мощностью потребления 10 кВт. Таким образом, при работающей системе искусственного освещения на полную мощность в тёплый сезон целесообразно предусматривать соотношение мощностей: 70% мощности освещения и 30% мощности кондиционеров.
При полностью работающем светотехническом оборудовании с мощностью потребления 26 кВт при наружной температуре Tн = — 300С необходимо дополнительно выводить из помещения 6 кВт. Дополнительная мощность потребления оборудования увеличится примерно на 2 кВт за счёт кондиционера.
В реальности температуры могут быть не столь критичными. В качестве примера рассмотрим колебания температуры в Астане (Республика Казахстан) на диаграмме, приведенной ниже.
Вышеприведенный расчёт мощности кондиционера подходит для «Городской фермы», в которой углекислый газ, необходимый растениям, планируется подавать дополнительно, например из баллонов. Если углекислый газ планируется подавать путём замещения воздуха внутри культивационного сооружения, со сниженной концентрацией углекислого газа, на наружный воздух с более высокой концентрацией углекислого газа, то проектирование культивационного сооружения должно предусматривать систему вентиляции. Это может увеличить требуемую мощность кондиционера для охлаждения поступающего воздуха в тёплый период года или на нагрев поступающего воздуха в холодный период.
При благоприятных условиях выращивания в условиях облучённости 40 Вт/м2 (или 200 мкмоль/м2 * с) и индексе площади листовой поверхности ИПЛ = 2 поглощение углекислого газа зеленными культурами может составлять 0,15 — 0,30 г/м2 * час. Для данного примера с посевной площадью 200 м2 поглощение растениями углекислого газа может находиться на уровне 30 — 60 г / час. В объёме культивационного сооружения, рассматриваемого в качестве примера, содержиться примерно 40 г углекислого газа (600 м3 воздуха). При такой ассимиляции растениями углекислого газа требуется интенсивный воздухообмен с окружающей средой, по краней мере желательно за час полностью обновлять воздух в помещении не менее 2 раз. Это значит, что нужно предусмотреть мощность вытяжной вентиляции примерно 1200 м3 / час или 20 м3 / мин. Интенсивная вентиляция влияет на принятие решения по мощности оборудования, да и в целом на подходы к конструкции культивационного сооружения и его объём.
Применение системы подачи углекислого газа в зону выращивания растений позволяет создавать более эффективный технологический процесс. При малой концентрации углекислого газа интенсивность фотосинтеза не зависит от освещённости, световое насыщение в этих условиях наступает раньше. С другой стороны, при малой интенсивности света фотосинтез не зависит от концентрации углекислого газа. Интенсивность фотосинтеза может ограничивать как уровень освещённости, так и концентрация углекислого газа в воздухе культивационного сооружения.
Влияние температуры на фотосинтез зависит от того, является ограничивающим фактором свет или концентрация углекислого газа. При низких интенсивностях света температура не влияет на интенсивность фотосинтеза. При большой интенсивности света более высокие температуры увеличивают интенсивность фотосинтеза, если достаточно углекислого газа. Если углекислого газа мало, то увеличение температуры не повлияет на интенсивность фотосинтеза при увеличении освещенности.
Для культивационного сооружения в описываемом примере целесообразно провести расчёты исходя из целевого объёма углекислого газа, подаваемого в область ценоза, на уровне 60 г/час.
Дневной расход газа может составлять до 800 г СО2. Таким образом, потребность в углекислом газе составляет 1 стандартный баллон емкость 40 л, содержащий до 25 кг СО2 в месяц. В зависимости от конструкции культивационного сооружения и технологического процесса выращивания растений могут возрастать потери углекислого газа. В этом случае необходимо предусмотреть подачу СО2 на более высоком уровне. В случае дополнительной подачи углекислого газа, система вентиляции является уже системой дополнительной системой поддержания и регулировки микроклимата в помещении культивационного сооружения.
Подпишитесь на нашу рассылку и будьте в курсе новых публикаций и спецпредложений