Modeling of substrate and air temperature dynamics in the mushroom greenhouse

Abstract

Economic efficiency of greenhouse vegetable growing depends quite significantly on the cost of energy carriers, which is why the introduction of energy-saving technologies in greenhouse vegetable growing is an urgent issue. One of the ways to save energy resources can be the use of a closed ventilation system of the "plant greenhouse -mushroom greenhouse" type, which is based on the opposite type of respiration of plants and mushrooms. A closed ventilation system includes air exchange between the greenhouse with growing plants and the cultivation room for growing mushrooms. The closed ventilation system allows you to save energy by reducing the heating of the incoming air, as well as increasing the yield of vegetable products due to the increased concentrations of carbon dioxide in the air that flows from the cultivation room for mushrooms to the greenhouse and mushrooms due to the increased concentrations of oxygen in the air that flows into the cultivation room for mushrooms from the greenhouse. Mathematical modeling of the process of heat transfer between greenhouses makes it possible to simulate transitional processes between rooms in order to assess the quality and accuracy of regulation, as well as to evaluate the parameters of the object in transitional modes. Mathematical modeling of dynamic processes is the basis for the formulation of transfer functions for the automatic control system. As a result of the study, mathematical models of the temperature dynamics of the substrate of mushrooms and greenhouse vegetables were obtained due to the analytical solution of the system of differential equations. The adequacy of the solution was verified by the Runge-Kutta method and compared with experimental data. The difference between the theoretical and experimental values is not significant and amounted to-3 % for the substrate temperature and-3.2 % for the air temperature. Економічна ефективність тепличного овочівництва досить суттєво залежить від вартості енергоносіїв, тому впровадження енергозберігаючих технологій у тепличному овочівництві є актуальним питанням. Одним із шляхів економії енергоресурсів може бути використання закритої системи вентиляції типу «теплиця рослинна – теплиця грибна», в основі якої лежить протилежний тип дихання рослин і грибів. Закрита система вентиляції включає повітрообмін між теплицею з вирощуваними рослинами і приміщенням для вирощування грибів. Закрита система вентиляції дозволяє економити енергію за рахунок зменшення нагріву припливного повітря, а також підвищити врожайність овочевої продукції за рахунок підвищеної концентрації вуглекислого газу в повітрі, що надходить із приміщення для вирощування грибів у теплицю, та теплицю для грибів через підвищену концентрацію кисню в повітрі, що надходить у приміщення для вирощування грибів із рослинної теплиці. Математичне моделювання процесу теплообміну між теплицями дає можливість змоделювати перехідні процеси між приміщеннями з метою оцінки якості та точності регулювання, а також оцінити параметри об’єкта в перехідних режимах. Математичне моделювання динамічних процесів є основою для формулювання передавальних функцій системи автоматичного керування. У результаті дослідження отримано математичні моделі динаміки температури субстрату грибів і тепличних овочів за рахунок аналітичного розв’язання системи диференціальних рівнянь. Адекватність розв'язку перевіряли методом Рунге-Кутта та порівнювали з експериментальними даними. Різниця між теоретичними та експериментальними значеннями незначна і становила -3 % для температури підкладки та -3,2 % для температури повітря.