🌱 کنترل اقلیم گلخانه مدل زنده

مبنا — مدل پشت اعداد

هر رابطه‌ای که شبیه‌ساز به کار می‌برد، با منبعش. ثابت‌هایی که به‌عنوان فرض علامت خورده‌اند کالیبراسیون‌های نمونه‌ای‌اند.

دمای هوا از موازنه انرژی پیروی می‌کند: ورود خورشید، خروج گرما از پوشش و با هوای تهویه، گرمای مصرف‌شده برای تبخیر آب، به‌علاوه گرمایش.

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]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

اتلاف گرما از پوشش برابر است با U × مساحت × اختلاف دما؛ پرده بسته U را کم می‌کند و آسمان صاف شب آن را افزایش می‌دهد.

U = 6.2 − (6.2 − 4.0)·screen W/m²K (single glass → with thermal blanket); ×(1 + 0.25·clear sky) at night[1]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

تهویه برابر است با نشت هوا به‌علاوه جریان ناشی از باد از دریچه‌های باز.

Q_v = (N·H/3600 + vent·C_w·max(1, u_wind))·(1 − 0.4·screen), N = 0.75 h⁻¹[1][4]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

فشار بخار اشباع با دما به‌شدت بالا می‌رود؛ VPD نشان می‌دهد هوا چقدر از اشباع فاصله دارد.

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]

موازنه بخار آب: تعرق و مه رطوبت اضافه می‌کنند، تهویه و میعان روی شیشه سرد آن را کم می‌کنند.

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]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

تعرق یک بخش وابسته به تابش و بخشی ناشی از هوای خشک (VPD) دارد.

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]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

مه فقط به اندازه‌ای که تبخیر شود خنک می‌کند: حدود ۲٫۴۵ MJ به ازای هر لیتر، در هوای خشک بیش از هوای مرطوب.

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]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

موازنه CO₂: تزریق اضافه می‌کند، تهویه و جذب توسط محصول کم می‌کنند.

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]

فتوسنتز به نور، CO₂، دما و VPD واکنش نشان می‌دهد؛ واکنش به CO₂ از یک قاعده سرانگشتی منتشرشده برای محصولات میوه‌ای گلخانه‌ای پیروی می‌کند.

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]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

شمارنده‌های تنش محصول: ساعت‌های بیش‌ازحد گرم، بیش‌ازحد سرد، یا به‌قدری مرطوب که کپک خاکستری ایجاد شود.

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]

هوای بیرون: منحنی روزانه دما، نقطه شبنم ثابت، آفتاب کاهش‌یافته با ابر، نوسان‌های تصادفی ابر و باد.

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]فرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

سایر ثابت‌های مورد استفاده در مدل.

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·Paفرض: اندازه گلخانه، ظرفیت گرمایی، دریچه، پرده، مه‌پاش و ضرایب محصول مقادیر نمایشی برای یک گلخانه شیشه‌ای مدرن هستند؛ فیزیک مدل یک حجم هوای کاملاً مخلوط است. سایت‌های واقعی هر ثابت را کالیبره می‌کنند.

تصادفی‌بودن: یک مولد mulberry32 با seed؛ توزیع‌های به‌کاررفته — یکنواخت، نمایی (وارون CDF)، نرمال (Box–Muller)، پواسون (Knuth). seed نمایش داده می‌شود و قابل اشتراک است.

منابع

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