CEA iklim dengesi laboratuvarları — ısıyı, su buharını ve CO2'yi ayrı ayrı koruyun

Üç tarayıcı deneyi

Yukarıdaki panel ısı dengesini çalıştırır. LED yükünü, soğutma ısı giderme kapasitesini, ortalama dış sıcaklığı, havalandırmayı ve soğutma ayar noktasını değiştirin. Nem ve CO₂, aşağıdaki panellerde ayrı modeller olarak çalışır. Python kurulumu gerekmez; yazının ilerisindeki yerel talimatlar isteğe bağlıdır.

Üçü de özgün sentetik girdileri ve gece yarısından itibaren 24 saat boyunca 60 saniyelik açık adımları korur. Işıklar 08:00'den 24:00'e kadar açık kalır. Üst grafikler başlangıç ve saatlik örnekleri birbirine bağlar, tam anahtarlama veya uç değer geçmişini değil; minimum/maksimum ölçütler her dakikayı kullanır. Termal modelin saatlik dış örnekleri, orijinal kodun her görüntülenen saatten bir dakika önceki değerini korur. Alt çubuklar günlük entegre edilmiş terimleri gösterir. Pozitif havalandırma net dışa aktarım anlamına gelir; negatif ise içe doğru anlamına gelir. Sonuçları incelemek için A/B karşılaştırmasını, tabloyu ve paylaşılan koşulları kullanın.

Termal sabitler: 12 MJ/K ısı kapasitesi, 450 W/K kabuk UA, 800 W diğer ısı, başlangıç 22°C, 15:00'te zirve yapan 6°C dış genlik. Soğutma ayar noktası ±0.5°C'de anahtarlanır. Tüm LED gücü ısıya dönüşür. Soğutma termal kWh'si elektrik tüketimi değildir.

Nem sabitleri: 24°C'de 300 m³, başlangıç RH%65, nem alma %75'te açılır ve %65'te kapanır. Doygunluğun üzerindeki fazla su, yoğuşma olarak ayrı sayılır. Terleme, RH'den tahmin edilmek yerine önceden belirlenmiştir. Gizli yük elektrik tüketimi değildir. Dış hava da 24°C'de kabul edilir.

CO₂ sabitleri: 300 m³, 24°C, 101325 Pa, başlangıç 600 ppm, enjeksiyon 700'de açılır ve 900 ppm'de kapanır. Özgün basitleştirme, alımı yalnızca aydınlıkken ve solunumu yalnızca karanlıkken kullanır. ≥0.03 m³/s havalandırma ve ≤0.08 kg/h alım tarayıcı sınırları, gösterilen aralıklar içinde CO₂'yi negatif olmaktan korur. Bunlar öğretim sınırlarıdır, mahsul, havalandırma veya güvenlik standartları değildir.

Bu modeller birleşik değildir: nem/CO₂ sıcaklığı ısı modelinden gelmez. Ekipman uygunluğunu, gerçek tesis performansını veya mahsul verimini tahmin etmezler. Özgün ZIP dosyaları ve beklenen sonuçlar değişmemiştir. Varsayılanları yerel olarak yeniden oluşturmak için her tarayıcı giriş noktasını, çekirdeği ve yapılandırmayı birlikte kaydedin.

thermal: experiment.py · thermal_kernel.py · config.json

moisture: experiment.py · moisture_kernel.py · config.json

co2: experiment.py · co2_kernel.py · config.json

Büyüme Odası Isı Dengesi Laboratuvarı — LED'leri, havalandırmayı, kabuğu ve soğutmayı ayırın

Sonuçla başlayın

Sentetik 24 saat boyunca oda sıcaklığı 18.884–24.547°C aralığında değişir. LED'ler oda sınırına 192.0 kWh ısı ekler ve soğutma 184.333 kWh termal enerjiyi uzaklaştırır. Bunlar gerçek bir kapalı alan çiftliğinden alınmış ölçümler veya tanımlanmış parametreler değildir. Isının girip çıkıp birikmesinin tek tutarlı bir enerji kayıt defteri kullanıp kullanmadığını kontrol etmek için kullanılan öğretim girdileridir.

CEA genel bakışı bitki-çevre-ekipman sınırını tanımlamıştı ve VPD/DLI Laboratuvarı gözlemlerden nicelikler türetmişti. Bu bir sonraki adım, ekipmanı oda sıcaklığına bağlayan en küçük dinamik modeli kurar.

Diagram 1 · Use the button to switch views

Şema: Duskcoil. Toplu tek bölgeli bir model için şematik hesaplama sınırı. Bitkiler, nem, CO₂, gizli ısı ve mekânsal sıcaklık gradyanları kapsam dışıdır.

Sıcaklığı güncellemeden önce ısı oranlarını toplayın

Etkin termal kapasitans C [J/K] ve oda sıcaklığı T [°C] ile mükemmel karıştırılmış tek bir bölge varsayın. Her ısı oranını watt (J/s) cinsinden ifade edin:

K=UA+\rho c_p\dot V [W/K] kullanın. Kabuk UA içinde toplanır, \rho c_p\dot V ise dış havalandırmadan gelen duyulur değişimi temsil eder. Dışarısı daha sıcak olduğunda, T-T_{out} negatiftir ve bu terim içeride ısı ekler. Yönü sıcaklık farkını takip eder; her zaman bir kayıp değildir.

Oklahoma State University Extension'ın sera kılavuzu benzer şekilde ısıtma kapasitesini maruz kalan alana, yalıtıma ve iç-dış sıcaklık farkına bağlar ve havalandırmanın sıcaklık ve nem kontrolündeki rolünü açıklar. ABD Enerji Bakanlığı'nın bina enerji modellemesi genel bakışı, kabuk, aydınlatma, HVAC, programlar ve hava durumunun fizik tabanlı kombinasyonlarını, aralarındaki etkileşimler dahil olmak üzere açıklar.

Öğretim sınırını sabitleyin

Işık, ısıya dönüşmeden önce önce yapraklara ve yüzeylere ulaşır. Bu model radyasyonu, konveksiyonu veya bitki kütlesini ayırmadığı için, temel durum oda sınırı içindeki elektrikli aydınlatmaya 1.0'lık bir ısı kesri atar. DOE aydınlatma rehberliği de aydınlatmayı soğutma yükünü etkileyen bir iç ısı kazanımı olarak ele alır. Gerçek bir sınır, odadan çıkan radyasyonu, uzak sürücüleri ve buharlaşma için kullanılan gizli ısıyı yeniden değerlendirmelidir.

14 kW soğutma değeri termal giderim değeridir, kompresör elektriği değildir. Hiçbir COP varsayılmamıştır, bu yüzden bu sonuç doğrudan bir elektrik faturasına dönüştürülemez.

Bir dakikalık adımlarla entegre edin

Açık Euler, durumu n'den n+1'e ilerletir:

Soğutma 24°C ayar noktası ve 0.5°C histerezis kullanır: 24.5°C'de veya üzerinde AÇIK, 23.5°C'de veya altında KAPALI. Bu minimal bir anahtarlama kuralıdır, PID veya MPC değildir. Daha büyük bir zaman adımı anahtarlama zamanlarını ve sıcaklık sapmalarını değiştirir, bu yüzden sayısal sonuca güvenmeden önce adım boyutlarını karşılaştırın.

Kodu ve girdiyi çalıştırın

Deney ZIP dosyasını çıkarın ve o dizinin içinde çalıştırın. Python 3.10+ ve yalnızca standart kütüphane gerektirir; ağ erişimi kullanılmaz.

python3 experiment.py config.json > result.json
python3 -m unittest -v

config.json, expected.json ve tam experiment.py dosyasına bakın. manifest.json, girdi sözleşmesini ve SHA-256 hash'lerini kaydeder.

conductance = envelope_ua + air_density * air_cp * ventilation
net_heat = led_heat + other_heat - conductance * (indoor - outside) - cooling
indoor_next = indoor + net_heat * dt / thermal_capacitance

Değiştirin, bozun ve doğrulayın

1. led_power_w değerini 6000 olarak ayarlayın. LED ısısı 96 kWh olur ve soğutma giderimi azalmalıdır.
2. thermal_capacitance_j_per_k değerini iki katına çıkarın. Kısa vadeli sıcaklık değişimi yavaşlarken, kWh cinsinden kaynak enerjisi değişmeden kalır.
3. İçeriyi ve dışarıyı 20°C'ye ve tüm kazanımları, soğutmayı, havalandırmayı ve UA'yı sıfıra ayarlayın. Oda bir saat sonra 20°C'de kalmalıdır.
4. time_step_seconds değerini artırın ve uç değerleri karşılaştırın. Sonuçlar sayısal adıma güçlü şekilde bağlıyken kontrol performansı iddia etmeyin.
5. Bir anahtarı silin, bilinmeyen bir anahtar ekleyin veya NaN ya da negatif bir kapasite girin. Program tahmin etmek yerine reddetmelidir.

On test, temel durumu, sıfır akı korunumunu, birinci dereceden analitik bir çözümü, orantılı LED ısıtmasını, enerji kalanını ve bozuk girdileri kapsar. Bunları geçmek bir tesisi doğrulamak anlamına gelmez.

Bu model neyi yanıtlayamaz

• Yaprak sıcaklığı, terleme, nem alma gizli ısısı, nem veya VPD
• CO₂ derişimi ve havalandırma mol dengesi
• Raftan rafa gradyanlar, hava akışı kısa devresi veya sensör yerleşimi
• HVAC kısmi yük verimliliği, defrost, fan veya pompa elektriği
• Mahsul büyümesi, kalitesi, verimi veya optimum sıcaklık

Sonraki bir nem uzantısı, termal enerji kalanı kontrolünü korurken su buharı korunumunu ve gizli ısıyı eklemelidir. Kontrolörleri karşılaştırmadan önce, hangi katsayıların ölçüldüğünü ve hangi çıktıların tanımlama için kullanıldığını belirtin.

Kaynakça

• Bina Enerji Modellemesi Hakkında (ABD Enerji Bakanlığı)
• Bölüm 5: Aydınlatma, HVAC ve Tesisat (ABD Enerji Bakanlığı)
• The Hobby Greenhouse (Oklahoma State University Extension)

Büyüme Odası Nem Dengesi Laboratuvarı — RH'yi değil, buhar kütlesini koruyun

Sonuçla başlayın

24°C'de sabit tutulan sentetik 300 m³'lük bir oda için, 24 saatlik hesaplama %64.817–75.269 RH, 34.8 kg önceden belirlenmiş bitki buharı, 12.793 kg net havalandırma giderimi ve 21.542 kg nem alıcı giderimi verir. Su dengesi kalanı 10^{-12} kg'ın altında kalır. Bunlar öğretim girdileridir, ölçülmüş mahsul terlemesi veya tesis performansı değildir.

Diagram 2 · Use the button to switch views

Şema: Duskcoil. Sentetik, iyi karışmış ve sabit sıcaklıklı; RH'nin kendisi korunan bir durum olarak entegre edilmemiştir.

Yüzdeleri toplamayın

Bağıl nem, mevcut sıcaklıkta doygunluğa oranlanmış bir orandır. Bu nedenle aynı buhar kütlesi, sıcaklık değiştiğinde farklı bir RH üretebilir. Bunun yerine buhar kütlesi m_v [kg] değerini saklayın:

\rho_v=e/(R_vT_K) ve e=RH\,e_s(T)/100 kullanın; FAO-56 denklem 11 doygunluk ilişkisiyle birlikte. Doygunluğun üzerindeki buhar, RH'yi sessizce kırpmak yerine açıkça yoğuşmaya aktarılır.

Sentetik sınır

Penn State Extension, yoğuşmayı, nemi, havalandırmayı ve hava dolaşımını birbirine bağlı sera yönetimi konuları olarak ele alır. Bu Laboratuvar hastalık tahmini yapmaz.

Su kütlesinden gizli yükü okuyun

20°C civarında FAO yaklaşımını kullanarak \lambda=2.45 MJ/kg, sentetik 34.8 kg kaynak 23.683 kWh faz değişimi enerjisine karşılık gelir. Bu gizli yük, LED ısısından ve duyulur soğutmadan ayrıdır. Uzaklaştırılan sudan türetilen gizli yük kompresör elektriği değildir; COP ve nem alıcı ısı atımı hariç tutulmuştur.

Çalıştırın ve doğrulayın

ZIP dosyasını çıkarın ve Python 3.10+ ile çalıştırın:

python3 experiment.py config.json > result.json
python3 -m unittest -v

Paket config.json, expected.json ve experiment.py dosyalarını sunar. On test, RH-yoğunluk gidiş-dönüşlerini, kapalı oda korunumunu, bilinen bir kaynağı, gizli dönüşümü ve reddedilen girdileri kapsar.

Havalandırmayı, nem almayı ve terlemeyi birer birer değiştirin. Ayrıca buhar kütlesini sabit tutarken sıcaklığı değiştirin ve RH değişimini gözlemleyin. Model, yaprak yoğuşmasını, yerel hava akışını, tepkisel terlemeyi, hastalığı, büyümeyi veya CO₂'yi yanıtlayamaz. Sensör yerleşimi ve terleme ile toplanan yoğuşmanın bağımsız ölçümleri, gerçek tanımlama için ön koşuldur.

Kaynakça

• FAO-56 Bölüm 3
• FAO-56 Ek 3
• Assessing the Risk of Disease in Greenhouses (Penn State Extension)

Büyüme Odası CO₂ Dengesi Laboratuvarı — havalandırmayı, alımı, solunumu ve tedariki izleyin

Sonuçla başlayın

24°C ve 101325 Pa'da sabit tutulan sentetik 300 m³'lük bir oda için, CO₂ 24 saat boyunca 600–906.209 ppm aralığında değişir. Önceden belirlenmiş alım 1.28 kg, solunum 0.16 kg ekler, tedarik 2.967 kg ekler ve havalandırma net 1.756 kg uzaklaştırır. Mol dengesi kalanı 10^{-10} mol'ün altında kalır. Bunlar mahsul veya ekipman performansı ölçümleri değildir.

Diagram 3 · Use the button to switch views

Şema: Duskcoil. Sabit sıcaklık ve basınçta iyi karışmış bir ideal gaz modeli.

ppm'i değil, miktarı koruyun

Toplam oda havası n_{air}=PV/(RT) mol ve depolanan CO₂ n mol olsun; ppm=10^6n/n_{air}:

Havalandırma, iç-dış derişim farkını ve molar hava akışını takip eder. Sıcaklığı, basıncı veya hacmi değiştirmek, aynı CO₂ miktarına karşılık gelen ppm'i değiştirir.

Oklahoma State University Extension, gündüz fotosentetik kullanımı, gece solunumu, havalandırmayı ve takviyeyi birbirine bağlar. Bir USDA ARS hesaplaması benzer şekilde tükenmeyi tahmin etmek için sera hacmini ve varsayılan alımı kullanır. Bu Laboratuvarın akıları sentetiktir ve verim etkilerini veya önerilen ayarları yeniden üretmez.

Çalıştırın ve doğrulayın

ZIP dosyasını çıkarın, ardından Python 3.10+ kullanın:

python3 experiment.py config.json > result.json
python3 -m unittest -v

Paket config.json, expected.json ve experiment.py dosyalarını içerir. Tedarik 700 ppm'de açılır ve 900 ppm'de kapanır. Sekiz test, kapalı oda korunumunu, bilinen bir mol kaynağını, denge kalanını ve geçersiz girdileri kapsar.

Havalandırmayı, alımı ve tedariki birer birer sıfıra ayarlayın. Gerçek tanımlama, kanopi gaz değişimini, sızıntıyı, sensör yerleşimini/kalibrasyonunu ve tedarik akışı ölçümlerini gerektirir. Bu model güvenlik sınırlarını, mahsul tepkisini, yanma kirleticilerini, CO₂ maliyetini veya birleşik sıcaklık/nem kontrolünü belirleyemez.

Kaynakça

• Greenhouse Carbon Dioxide Supplementation (Oklahoma State University Extension)
• The Rise & Fall of Carbon Dioxide (USDA ARS)