В статье предложена концепция озеленения помещений с помощью автоматизированной системы размещаемой в биологических коробах на стенах помещения. При функционировании указанной системы остро встаёт вопрос инфраструктурного обеспечения процесса жизнедеятельности растений. Ключевым вопросом данной статьи является вопрос обеспечения условий освещения частично имитирующих естественное, предлагается концепция обеспечения соответствующего освещения и анализ перспектив ее применения.
Ключевые слова: озеленение помещений, биокороба, квази-естественное освещение, СИД, автоматика.
Введение. Современный городской житель большую часть суток проводит в закрытых помещениях [1]. Условия микроклимата, химического состава воздуха, освещения, электромагнитного поля и д. р., не соответствуют выработанным в ходе эволюции естественным эталонам. Особенно остро данная проблема стоит в помещения не имеющих прямого доступа к естественной окружающей среде. Тем не менее экономические условия определяют необходимость все большей и большей денатурализации среды обитания человека. Искусственные освещение, вентиляция и кондиционирование воздуха, зачастую преследуют своей целью соблюдение нормативов направленных на обеспечение безопасной жизнедеятельности. Однако наряду в виду ухудшающейся экологической обстановки и все большего антропогенного воздействия человека на окружающую среду, помимо безопасности важным фактором становится качество окружающей среды человека. Данный пример наглядно демонстрируется в области освещения, где даже его частичная денатурализация способна оказать негативное воздействие на организм человека и как следствие производительность труда [2]. Коллективом кафедры электротехники и электропривода МГСУ проводятся исследования в области повышения уровня идентичности искусственной окружающей среды естественным эталонам [3]. В ходе исследования было принято решение о, целесообразности дополнения рассмотренных ранее систем вентиляции, освещения и микроклимата, системами озеленения, имитирующими окружающую человека в естественной среде растительность и оказывающих соответствующее фитобиологическое воздействие.
Автоматизированная система настенного озеленения помещений. В настоящее время существуют различные схемы озеленения помещений, это могут быть традиционные способы посадки комнатных растений в горшках размещенных на различных поверхностях помещений (пол, полки, подоконники), существуют системы вертикального озеленения, а также горизонтально расположенные «зеленые зоны» помещений. Одним из недостатков традиционных и современных неавтоматизированных схем озеленения помещений является высока степень зависимости параметров жизнедеятельности растения от качества проведения соответствующих работ по уходы, эксплуатирующей организацией. Зачастую в целях экономии средств, наблюдение и обеспечение жизнедеятельности растений возлагается на сотрудников фирмы непосредственно несвязанных с эксплуатационный деятельностью (служащих, специалистов), ввиду отсутствия необходимой подготовки и отсутствия должностные инструкций на данный процесс, зачастую указанные сотрудники не в состоянии обеспечить квалифицированный уход за растительными объектами, тем самым качество процесса жизнедеятельности растений заметно снижается. Таким образом, становится очевидными 2 пути решения указанной проблемы, а именно квалифицированное обслуживание сотрудниками службы эксплуатации, или применение систем автоматизированного контроля и управления жизнедеятельности растений, направленное на снижение негативного влияния «человеческого фактора» Одной из возможных схем озеленения помещений является автоматизированная система настенного озеленения помещений, концептуальная схема данной системы приставлена на рисунке 1.
Рис. 1. Интеграция датчика движения в систему освещения. Где: 1 — блок датчиков контроля почвы, окружающей среды, роста растений; 2 — растения; 3 — почва; 4 — блок инженерных коммуникаций систем орошения, микроклимата, освещения; 5 — оборудование системы микроклимата; 6 –система орошения; 7 — светодиодная подсветка растений; 8 — блок контроля и управления системой; 9 -инженерные коммуникации; 10 — система контроля роста растений.
Из указанной на рисунке 1 схемы видно, что система подразумевает контроль за всеми основными параметрами, обеспечивающими рост растений. Производится контроля параметров почвы, по результатам которого определяется необходимость дополнительного орошения. Проводится мониторинг параметров воздушной среды, также влияющий на запуск тех или иных процедур автоматизированной системы контроля параметров растений. Также присутствует система управления подсветкой и механизмы обрезки растений в случае излишнего разрастания биомассы. Ввиду того что в качестве биоматериала предпочтительно выбирать растения, легко поддающиеся обработке автоматизированными средствами (вероятно пряморастущие травянистые растения), предположительно биологический эффект от такого наполнителя будет меньше чем от рекомендованных для улучшения окружающего пространства помещения растений [4]. По этой причине данная система, в автоматическом режиме должна обеспечить баланс между максимально возможным фитобиологическим воздействием растений и созданием условий для оптимального функционирования и обслуживания растений.
Выбор системы освещения для автоматизированной системы настенного озеленения помещений. В данной статье наибольший акцент будет сделан на выборе системы подсветки растений обеспечивающей оптимальные условия для произрастания растений. Поскольку при нормировании освещенности помещений основным условием является обеспечение оптимальных условий зрительного восприятия, то существует значительная вероятность, того что растения, функционирующие в указанных выше биокоробах, будут находиться в условиях не обеспечивающих их оптимальную жизнедеятельность. С большой долей вероятности доля естественного освещения, полученного растениями будет существенно меньше, чем при условиях произрастания в естественной среде, как показали проведённые ранее исследования растения выращенные без искусственного освещения существенно уступают в развитии растениям растущим при естественном освещении [5]. С другой стороны применение качественно подобранной системы автоматического светодиодного освещения может минимизировать негативные эффекты, вызванные недостаточным количеством естественного освещения [6].
Сравним традиционные источники искусственного освещения (рисунок 2) и естественного дневного освещения (рисунок 3)
Рис. 2. Спектральные характеристики традиционных источников искусственного освещения
Для каждого из представленных источников возможно выделить свои характерные особенности: Лампы накаливания — смещение в желто-красную область спектра; Люминесцентные лампы — пилообразная характеристика; Холодный белый СИД — смещение в синею область спектра.
При сравнении характеристик на указанных выше рисунках, невооруженным глазом видно, что искусственное освещение не может обеспечить соответствие естественным талонам, особенно в условиях динамического изменения спектральной характеристики естественного освещения в течении дня.
Рис. 3. Спектральные характеристики источников естественного дневного освещения (на базе стандартизованных источников света D)
Одним из возможных способов достижения идентичности искусственного и естественного освещения, является применение системы светодиодной подсветки с автоматическим управлением. Функциональная схема автоматического управления данной системы показана на рисунке 4. Данная схема во многом идентична, схеме организации совмещенного освещения помещений в рамках концепции квази-естественного освещения [7]. Ключевым различием указанных схем является наличие дополнительного параметра управляющей программы, связанного с необходимостью регулирования процесса роста биоматериала, с целью недопущения избыточного или недостаточного прироста за счет управления фотобиологическими процессами растений.
Рис. 4. Функциональная схема САУ светодиодной подсветкой растений. Где: Устройства: ЗУ — задающее устройство; ЗРБМ — задатчик роста биологической массы; ЗВ — задатчик времени; Р1– регулятор по сигналу спектрального состава (СС); Р2 — регулятор мощности излучения; КПБ — контрольно-пусковой блок; ИУ — исполнительное устройство (ИС); Д1 — спектрометр; Д2 — датчик уровня освещенности (УО). Физические величины и сигналы: C0 — входящий сигнал управления (СУ); C1 — исходящий СУ; Cfe — сигнал управления требуемыми качественными и количественными характеристиками освещения. Cs –СУ СС; Ce — мощностная составляющая СУ; Es — рассогласование по СС; Esе — рассогласование по СС и УО; Rs — регулирование по СС; Psе — электрическая мощность; Lsе — результирующее излучение от ИС; Se — СС итогового излучения; Ee — итоговый УО
Указанная схема управления теоретически может обеспечить широкие возможности по достижения необходимых параметров излучения. При разработке подсветки биокоробов необходимо учесть важный фактор — светодиодная подсветка не должна оказывать существенного влияния на световую среду помещения в целом, не вызывать эффекта дискомфортной блескости или слепящего воздействия.
Заключение. В настоящее время указанные системы настенного озеленения не будут широко востребованы в быту и народном хозяйстве ввиду высокой технической сложности и существенных экономических затрата. Однако учитывая ухудшающуюся экологическую обстановку и ужесточении требований к условиям труда, данные системы в целом и вопросы разработки их отдельных компонентов (в том числе систем освещения) являются актуальной задачей, с точки зрения превентивного удовлетворения потребностей потребителей в обозримом будущем.
Литература:
1. Казаринова Н. В. Здоровье дарят комнатные растения. / Н. В. Казаринова, К. Г. Ткаченко. — Нева. СПб.: Нева, — 2003. — 128 с.
2. Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю. Б. Айзенберга. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Знак, 2006. — С 889–895.
3. Беккер Ю. Л. Перспективы применения систем управления микроклиматом и искусственным освещением в замкнутых изолированных помещениях. / Ю. Л. Беккер, Р. С. Ульянов // Научно-технический вестник Поволжья. — 2014. — № 5. — С. 312–314.
4. Ноженко В. Ю. О целесообразности использования комнатных растений в учебных и научных лабораториях. / В. Ю. Ноженко, Л. Г. Бойко, Г. Г. Юдина // Інженерні та освітні технології в електротехнічних і комп'ютерних системах. — 2013. — № 2. — С. 103–111.
5. Ульянов Р. С., Завьялов В. А. Апробация принципов концепции системы освещения помещений, на базе светодиодов с автоматическим управлением, в случае отсутствия внешнего воздействия на систему // Теория и практика современной науки [Текст]: материалы X Международной научно-практической конференции, г. Москва, 27–28 июня 2013 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». — Москва: Изд-во «Спецкнига», 2013. — 4 С. 114–123.
6. Завьялов В. А. Достижение оптимального прохождения фотобиологических процессов за счет применения освещения на базе автоматически управляемых СИД. / В. А. Завьялов, В. А. Величкин, Р. С. Ульянов, и др. // Научно-технический вестник Поволжья. — 2013. — № 6. — С. 270–273.
7. Беккер Ю. Л. Достижение заданных характеристик совмещенного освещения в помещениях с постоянным пребыванием людей, за счет применения управляемых излучателей на базе СИД / Ю. Л. Беккер, Р. С. Ульянов, И. А. Шиколенко // Научное обозрение — 2015 — № 11 — С. 49–51
