Энергосбережение и энергоаудит в осветительных и облучающих установках

3.4. Источники лучистой энергии
для облучения растений и их
энергетические показатели

Энергетические характеристики ламп, используемых для выращивания растений, являются основой для выбора излучателей, обеспечивающих минимальный расход электроэнергии, удовлетворяющий нормальному росту растений. К энергетическим характеристикам относятся: световой поток Ф_ν, фитопоток Ф_ф и поток фотоактивной радиации (ФАР) Ф_с, а также соответствующие им энергетические отдачи – светоотдача В_ν = Ф_ν/Р, фитоотдача В_ф = Ф_ф/Р и отдача ФАР В_c = Ф_c/Р, где Р – мощность лампы, Вт.

Для анализа эффективности и систематизации растениеводческих ламп специалистам необходимы данные о характеристиках излучения высокоинтенсивных люминесцентных ламп низкого давления (ЛЛ), металлогалогенных (МГЛ) и натриевых ламп высокого давления (ДНаТ), широко внедряемых в настоящее время в теплицах и в многоярусных стеллажных установках ускоренного выращивания растений. В настоящее время некоторые источники ОИ сняты с производства (например, ЛОР 1000, ДРФ 1000 с иодидами Na, Tl, In, ДРВ 750, ЛФ 40-2, ЛФР 150 и другие) и появились новые лампы-светильники для прямой замены лампы ДРЛФ-400 в светильнике ОТ-400 (ДНаЗ-350, Рефлакс).

Обычно для сравнения и анализа растениеводческих ламп спектральные характеристики представляют в виде зависимости КПД лампы от длины волны λ - отношения спектральной плотности потока излучения S(λ) в спектральном диапазоне Δλ = 290-1400 нм к потребляемой лампой электрической мощности Р_л. С целью упрощения сравнительной оценки эффективности различных источников ОИ предлагалось в основу анализа относительного спектрального распределения положить модель, в которой любое излучение со сплошным или линейчатым спектром ограничивается областью ФАР и представляется сложным, состоящим из трех квазимонохроматических излучений по числу спектральных участков ФАР, в которых они сосредоточены, а относительное спектральное распределение излучения оценивается сочетанием усредненных относительных энергий излучения в тех же участках ФАР (в процентах от общего излучения), например, 30% - 50% - 20%, т. е. для Δλ₁ = 380-500 нм = 30%; для Δλ₂ =500-600 нм = 50%; для Δλ₃ =600-720 нм = 20%.

Тогда для составляющих потока:
светового -

(3.14)

лучистого -

(3.15)

фотосинтезного -

(3.16)

где V(λ_i) - относительная спектральная чувствительность среднего глаза, отн. ед.;

K_ф(λ_i) - функция спектральной фотосинтетической эффективности излучения;

λ_i - условные характерные длины волн, существенные для основных процессов в растениях, Нм.

Приближенно можно принять K_ф(λ_1i) = 0,6; K_ф(λ₂) = 0,4; K_ф(λ₃) = 1 при λ₁ = 435 нм; λ₂ = 555 нм; λ₃ = 675 нм; V(λ₁) ≈ 0,020; V(λ₂) ≈ 1,000; V(λ₃) ≈ 0,015.

Оценка спектральных характеристик источников ОИ на основе процентного распределения в спектральных участках ФАР используется за рубежом и не является новым требованием, однако в нашей стране до настоящего времени она не получила распространение в нормативно-технической документации, очевидно, из-за отсутствия необходимых данных и стандартизированной методики использования в оценочных расчетах. Условное рекомендуемое представление усредненной спектральной плотности оптического излучения различных высокоинтенсивных ламп, используемых в теплицах, приведено на рис. 3.11. Новым является применение корреляции между фотометрическими, энергетическими и фотосинтезными величинами при известных спектральных характеристиках источников ОИ и расчет лучистого Ф_е и фотосинтезного Ф_ф потоков по формулам:

	(3.17)
	(3.18)

где 0,95 - коэффициент, численно равный фотосинтетической эффективности излучения с λ = 680 нм; 683 - световая эффективность излучения, лм/Вт.

а) ДРЛФ-400;

б) ДРИ-2000 (ДРИ-1000-6, ДРИ-400-5, ДРФ-1000), МГЛ с иодидами Na, Sc;

в) ДНаТ-400 (ДНаЗ-350, Рефлакс);

г) лампы накаливания КГ 220-2000-4;

д) ДРИ-2000-1;

е) ДРТИ 1000-1 с иодидом In.

Рис. 3.11, а), б), в), г), д), е). Условное представление усредненного спектрального распределения плотности оптического излучения высокоинтенсивных ламп, используемых для выращивания рассады

Результаты экспериментальных исследований и расчета энергетических η_е и фотосинтезных η_ф КПД основных разноспектральных источников ОИ, используемых для облучения растений в защищенном грунте, приведены в табл. 3.13. Полученные значения зависят от допущений, принятых в предлагаемом методе: спектральный состав излучения ограничивается условной областью ФАР и не меняется в течение продолжительности горения; относительное спектральное распределение энергии излучения ламп разной мощности, но имеющих одинаковые излучающие добавки, представляются равными процентными соотношениями по участкам ФАР; фотометрическая система величин аддитивна. Тем не менее, вносимая за счет допущений погрешность составляет не более 20%, т. е. лежит в пределах ошибки измерений разноспектральных фотометрических величин люксметром типа Ю-116 с поправочными множителями.

Таблица 3.13. Основные характеристики источников излучения

Тип источника излучения, наполнение	%	%	%	Фν, клм	Фе, Вт	Фф, Вт	Зе, %	Зф, %	(Фе-Фф)/ /Фе, %
ДРЛФ 400, Hg	19	48	33	16	48	31	12	8	33
ДРВ-750, W, Hg	18	44	38	18	59	37	8	5	38
ЛОР 1000, Li, In	43	14	43	24	220	160	22	16	27
ДРФ 1000, Na, Tl, In	30	55	15	60	160	82	16	8	50
ДРФ 1000, Na, Sc	33	50	17	72	205	110	20	11	45
ДНаТ 400, Na	9	64	27	50	113	62	28	15,5	45
ДНаЗ-350, Na	9	64	27	34	77	39	22	11	49
ДРИ 400-5, Na, Sc	33	50	17	36	103	56	25	14	44
ДРИ 1000-5, Na, Sc	33	50	17	103	296	160	29	16	45
ДРИ 2000-6, Na, Sc	33	50	17	200	575	311	29	16	45
ДМ4-6000, Na, Sc	33	50	17	540	1550	840	26	14	46
ДРТИ 1000-1, In	100	-	-	2	150	83	15	8	47
ДРТИ 1000-2, Tl	-	60	-	95	140	53	14	5	64
ДРИ 400*, Li, Sc	29	33	33	24	90	59	22	15	32
ДРОТ 2000, Sn	42	33	25	120	513	289	25	14	44
ДРИ 2000-1, Dy, Ho, Tu	34	33	33	170	720	457	36	23	36
ДКсТВ 6000, Xe	37	33	28	220	890	570	15	9	40
ДКсТЛ 10000, Xe	37	33	28	250	1012	617	10	6	39
КГ220-2000-4, W, Br	20	30	50	44	207	165	10	8	20
ЛФ 40-2, Hg	30	33	35	1,6	6,5	4	16	10	38
ЛФР 150, Hg**	20	17	63	5	40	30	27	20	25
LU 600 (HO/T40NG)***	9	64	27	90	204	103	34	17	50

* Разрядная трубка вмонтирована в оболочку лампы-светильника ДРЛФ 400.
** Световой поток в нижнюю полусферу.
*** Натриевая лампа "Luca lox" фирмы "GE".

Обозначения в таблице: - усредненная относительная энергия излучения; Ф_ν - световой поток; Ф_е - лучистый поток; Ф_ф - фотосинтезный поток.

Из приведенных в таблице данных не видно каких-либо преимуществ фотосинтезных величин перед энергетическими (ФАР) при оценке источников ОИ; для разработки эффективной растениеводческой лампы не требуется обязательно создавать источник, спектральная плотность излучения которого приближена к фотосинтезной кривой чувствительности растений. Качественно поиск в этом направлении может идти путем приближения широкополосного спектра ламп к равно энергетическому (33% - 33% - 33%) или к сочетанию (20-25)% - (20-25)% - (60-50)% в указанных участках ФАР с энергетическим КПД в области ФАР не менее 25% и для ламп-светильников – не менее 20%.

Модернизация лампы ДРИ 2000-1 с иодидами редкоземельных металлов с учетом технических требований теплиц и ее изготовления в конструктивном исполнении, ламп типа ДРИ 2000-6 дали бы для интенсивной светокультуры дополнительный источник ОИ со спектром, приближенным к солнечному (равно энергетическому). Необходимо рекомендовать приводить в паспорте и технических условиях на высокоинтенсивные лампы стандартные процентные соотношения относительных энергий излучения по трем указанным спектральным участкам ФАР аналогично «красному отношению» ртутных ламп высокого давления (ДРЛ) по ГОСТ 16354-83. Это позволит заказчикам и разработчикам светильников для светокультуры растений вырабатывать предварительные технические требования к светотехническим установкам теплиц, разрабатывать усовершенствованную методику технико-биологических исследований эффективности установок и нормы облучения растений при использовании различных источников ОИ и светильников, а также осуществлять контроль качества выпускаемых светотехнических изделий. Последнее может выполняться люксметром типа Ю-116 с учетом коэффициентов перехода от фотометрических к энергетическим или фотосинтезным величинам, которые могут также указываться в паспорте на новый источник ОИ.

По данным [11], значения фитопотоков для ламп ДРЛФ-400 и ДРВ-750, которые приводились в технических условиях на эти лампы, занижены примерно в 1,8 раза (17,6 и 20 фт соответственно), тогда как лампы ДРФ-1000 с иодидами Na, Tl и In расчетные значения и экспериментально измеренные величины практически совпадают (в технических условиях указывалось значение в 90 фт). Совпадение расчетных значений Ф_e разноспектральных ламп с экспериментально измеренными в области ФАР подтверждается также сравнением результатов с данными, представленными в различных литературных источниках по этой проблеме. Отклонения величин находятся в пределах ± 10% (например для ламп ДРИ 2000-6 указывается Ф_e = 560 Вт; для ДМ4-6000 – 1680 Вт; для ДНаТ 400-6 с Ф_ν = 50 клм – 113 Вт).

Специалисты в теплицах часто испытывают трудности при переводе различных измерений освещенности (в люксах) в облученность в области ФАР (в Вт/м²), т. к. эти показатели, как видно из таблицы, зависят от спектрального состава используемых источников ОИ и требуют отличных друг от друга коэффициентов перевода. За рубежом используются следующие переводные коэффициенты из люксов в ВтФАР/м2: для солнечного света – 0,00402; для ДНаТ – 0,00245; для ламп накаливания – 0,00397; для ДРЛФ – 0,00262; для МГЛ – 0,00305, которые можно рекомендовать агрономам в нашей стране при использовании люксметра типа Ю-116. Современные средства измерения освещенности приведены в табл. 3.14.

Необходимы ли фотосинтезные величины? Совместное знание энергетических (ФАР) и фотосинтезных КПД при некоторых научных исследованиях позволяет оценить возможные потери энергии ФАР при фотосинтезе. Для источников ОИ, указанных в табл. 3.13, эти потери составляют 20-64%, в зависимости от спектрального состава излучения тела лампы.

Величины ФАР Ф_с рекомендуется использовать при энергетическом сопоставлении при реконструкции или новом проектировании теплиц.

Таблица 3.14. Средства измерения световых величин, включенные в государственный реестр

Наименование прибора	Измеряемая величина	Пределы измерений	Основная относительная погрешность, %
Люксметр "Кварц 21"	Освещенность, лк	10-1-105	5-7
Фотометр цифровой ТЕС-0693 (Люксметр / яркомер)	Освещенность, лк Яркость, кд/м2	10-1 - 105 10 - 2*105	5-7 5-7
Люксметр / яркомер ТКА 01/4	Освещенность, лк Яркость, кд/м2	10 - 2*105 10 - 2*105	5-8 10-15
Люксметр "Аргус 01"	Освещенность, лк	10-1 - 105	5-7
Яркомер "Аргус 02"	Яркость, кд/м2	10 - 2*105	5-7
Люксметр цифровой ТЮ 1403	Освещенность, лк	1 - 2*105	Не более 8

© Красноярский государственный аграрный университет