🌱 التحكم في مناخ البيت المحمي نموذج مباشر

الأساس — النموذج وراء الأرقام

كل علاقة يستخدمها المحاكي مع مصدرها. الثوابت المعلَّمة كافتراضات هي معايرات توضيحية.

تتبع حرارة الهواء ميزان طاقة: الشمس تدخل، والحرارة تخرج عبر الغطاء ومع هواء التهوية، والحرارة المستهلكة في تبخير الماء، إضافة إلى التدفئة.

C·dT/dt = τ·I·(1 − 0.6·0.75·screen) − λ·(E_crop + E_fog) + Q_heat + (U·Ac/Af + ρc_p·Q_v)·(T_out − T) + G_soil·(T_soil − T)[1]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

فقد الحرارة عبر الغطاء هو U × المساحة × فرق الحرارة؛ الستارة المغلقة تخفض U، والسماء الصافية ليلًا ترفعه.

U = 6.2 − (6.2 − 4.0)·screen W/m²K (single glass → with thermal blanket); ×(1 + 0.25·clear sky) at night[1]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

التهوية هي التسرب مضافًا إليه التدفق الذي تدفعه الرياح عبر الفتحات المفتوحة.

Q_v = (N·H/3600 + vent·C_w·max(1, u_wind))·(1 − 0.4·screen), N = 0.75 h⁻¹[1][4]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

يرتفع ضغط بخار التشبع بحدة مع الحرارة؛ وVPD هو مدى بُعد الهواء عن التشبع.

e_s(T) = 0.6108·exp(17.27·T / (T + 237.3)) kPa; VPD = e_s(T) − e_a; RH = e_a / e_s(T)[2]

ميزان بخار الماء: النتح والضباب يضيفان الرطوبة، والتهوية والتكاثف على الزجاج البارد يزيلانها.

H·dχ/dt = E_crop + E_fog − Q_v·(χ − χ_out) − k_c·(Ac/Af)·(1 − 0.7·screen)·max(0, e_a − e_s(T_cover)), χ = e·M_w/(R·T)[6][2]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

للنتح جزء إشعاعي وجزء يدفعه الهواء الجاف (VPD).

E_crop = A·(1 − e^(−k·LAI))·I_in/λ + B·LAI·VPD (A 0.45, k 0.64, LAI 3, B 0.02 kg/m²·h·kPa by day)[3]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

يبرّد الضباب بقدر ما يتبخر فقط: نحو 2.45 MJ لكل لتر، أكثر في الهواء الجاف منه في الهواء الرطب.

E_fog = fog·0.4 kg/m²·h × min(1, VPD/0.8); each evaporated kg removes λ = 2.45 MJ of sensible heat; the rest wets leaves[1][2]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

ميزان CO₂: الحقن يدخل، والتهوية وامتصاص المحصول يخرجان.

H·dC/dt = dose − Q_v·(C − C_out) − P_net; dosing ≈ 5.5 g/m²·h holds ≈ 1000 ppm at 1 air change per hour[1]

تستجيب عملية التمثيل الضوئي للضوء وCO₂ والحرارة وVPD؛ واستجابة CO₂ تتبع قاعدة تقريبية منشورة لمحاصيل الفاكهة في البيوت المحمية.

P = P_ref·(1 − e^(−I_in/300))·exp(150/400 − 150/C)·f(T: 1 at 17–27 °C)·f(VPD) (from the CO₂ rule dP/P = 1.5 %·(1000/C)² per 100 ppm)[5][7]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

عدّادات إجهاد المحصول: ساعات شديدة الحرارة أو البرودة أو رطبة بما يكفي للعفن الرمادي.

heat hours: T > 35 °C · cold hours: T < 10 °C · disease-risk hours: RH ≥ 90 % or wet leaves · GDD = Σ max(0, T − 10)·Δt[1][7][8][10]

الطقس الخارجي: منحنى حرارة يومي، ونقطة ندى ثابتة، وسطوع شمس يقلّله الغيم، وتقلبات عشوائية في الغيم والرياح.

T_out = T̄ + A·cos(2π(h − 15)/24); e_out = e_s(T_dew); I = I_clear·(1 − 0.75·N^3.4); cloud N and wind fluctuate (normal, seeded)[9][2]افتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

ثوابت أخرى يستخدمها النموذج.

height 4.5 m · cover/floor 1.2 · τ 0.8 · heat capacity 30 kJ/m²K · heating ≤ 180 W/m² · screen blocks 60 % of light (75 % of that as heat) and 40 % of air exchange, and hides 70 % of the cold glass (condensation) · vents 0.016 m³/s·m² per m/s wind · soil 2 W/m²K · fog ≤ 0.4 L/m²·h · CO₂ ≤ 8 g/m²·h · P_ref 4 g CO₂/m²·h · condensation 1.9·10⁻⁸ kg/m²·s·Paافتراض: حجم البيت المحمي والسعة الحرارية والفتحة والستارة والضباب ومعاملات المحصول قيم توضيحية لبيت زجاجي حديث؛ والفيزياء هي حجم هواء واحد جيد الخلط. المواقع الحقيقية تعاير كل ثابت.

العشوائية: مولّد mulberry32 ببذرة؛ التوزيعات المستخدمة — منتظم، وأسّي (CDF العكسي)، وطبيعي (Box–Muller)، وبواسون (Knuth). تُعرض البذرة ويمكن مشاركتها.

المصادر

1. ANSI/ASAE EP406.4 JAN2003 (R2008) — Heating, Ventilating and Cooling Greenhouses (eq. 1–4, Table 1 U-values, Table 2 infiltration: new glass or fiberglass 0.50–1.0 h⁻¹, §5.8.5 CO₂ injection, §7.1.3 temperature limits); since withdrawn, available from ASABE as a historical document — American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2003
2. R. G. Allen, L. S. Pereira, D. Raes, M. Smith — Crop evapotranspiration, FAO Irrigation and Drainage Paper 56 (eq. 11 saturation vapour pressure, eq. 14 dew point, λ = 2.45 MJ/kg) — FAO, Rome, 1998
3. M. Baille, A. Baille, J. C. Laury — A simplified model for predicting evapotranspiration rate of nine ornamental species vs. climate factors and leaf area — Scientia Horticulturae 59:217–232, 1994
4. T. Boulard, A. Baille — Modelling of air exchange rate in a greenhouse equipped with continuous roof vents — Journal of Agricultural Engineering Research 61(1):37–48, 1995
5. E. M. Nederhoff — Effects of CO₂ concentration on photosynthesis, transpiration and production of greenhouse fruit vegetable crops (PhD thesis; CO₂ rule) — Wageningen Agricultural University, 1994
6. B. H. E. Vanthoor, C. Stanghellini, E. J. van Henten, P. H. B. de Visser — A methodology for model-based greenhouse design: Part 1, a greenhouse climate model for a broad range of designs and climates — Biosystems Engineering 110:363–377, 2011
7. R. R. Shamshiri et al. — Review of optimum temperature, humidity, and vapour pressure deficit for microclimate evaluation and control in greenhouse cultivation of tomato: a review — International Agrophysics 32:287–302, 2018
8. Identifying and Managing Three Major Disease Threats in Greenhouse Tomatoes: Leaf Mold, Gray Mold, and Bacterial Wilt (SPES-820) — Virginia Cooperative Extension
9. F. Kasten, G. Czeplak — Solar and terrestrial radiation dependent on the amount and type of cloud — Solar Energy 24:177–189, 1980
10. G. S. McMaster, W. W. Wilhelm — Growing degree-days: one equation, two interpretations — Agricultural and Forest Meteorology 87:291–300, 1997