🌱 Điều khiển khí hậu nhà kính Mô hình trực tiếp

Cơ sở — mô hình đằng sau các con số

Mọi quan hệ mà trình mô phỏng sử dụng, kèm nguồn. Các hằng số đánh dấu là giả định là các hiệu chỉnh minh họa.

Nhiệt độ không khí theo cân bằng năng lượng: nắng đi vào, nhiệt thoát qua mái che và theo không khí thông gió, nhiệt dùng để làm bay hơi nước, cộng với sưởi.

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]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Tổn thất nhiệt qua mái che là U × diện tích × chênh lệch nhiệt độ; rèm đóng làm giảm U, bầu trời đêm quang làm tăng U.

U = 6.2 − (6.2 − 4.0)·screen W/m²K (single glass → with thermal blanket); ×(1 + 0.25·clear sky) at night[1]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Thông gió gồm rò rỉ cộng với dòng khí do gió qua các cửa đang mở.

Q_v = (N·H/3600 + vent·C_w·max(1, u_wind))·(1 − 0.4·screen), N = 0.75 h⁻¹[1][4]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Áp suất hơi bão hòa tăng rất nhanh theo nhiệt độ; VPD cho biết không khí cách trạng thái bão hòa bao xa.

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]

Cân bằng hơi nước: thoát hơi nước và sương thêm ẩm; thông gió và ngưng tụ trên kính lạnh lấy ẩm đi.

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]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Thoát hơi nước có một phần do bức xạ và một phần do không khí khô (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]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Sương chỉ làm mát chừng nào nó bay hơi được: khoảng 2,45 MJ mỗi lít, nhiều hơn trong không khí khô so với không khí ẩm.

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]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Cân bằng CO₂: bơm vào, thông gió và cây hấp thụ đưa ra.

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]

Quang hợp phụ thuộc ánh sáng, CO₂, nhiệt độ và VPD; đáp ứng với CO₂ theo một quy tắc kinh nghiệm đã công bố cho cây ăn quả trong nhà kính.

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]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Bộ đếm stress của cây: số giờ quá nóng, quá lạnh hoặc đủ ẩm để sinh mốc xám.

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]

Thời tiết bên ngoài: đường cong nhiệt độ theo ngày, điểm sương không đổi, nắng giảm do mây, mây và gió dao động ngẫu nhiên.

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]Giả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Các hằng số khác mô hình sử dụng.

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·PaGiả định: kích thước nhà kính, nhiệt dung, cửa thông gió, rèm, sương và các hệ số cây trồng là giá trị minh họa cho một nhà kính kính hiện đại; vật lý coi không khí là một khối trộn đều. Cơ sở thực tế phải hiệu chỉnh từng hằng số.

Tính ngẫu nhiên: bộ sinh mulberry32 có seed; các phân phối được dùng — đều, mũ (CDF nghịch đảo), chuẩn (Box–Muller), Poisson (Knuth). Seed được hiển thị và có thể chia sẻ.

Nguồn

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