CN114740712B - 一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，包括以下步骤：S1、间隔获取当前环境信息，所述当前环境信息包括当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T；S2、根据当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T释放CO2；S3、采样当前CO2浓度L并计算CO2浓度偏差值E；S4、根据增量式数字PID控制模型计算阀门开度值U(k)并按照阀门开度值U(k)调整CO2输送器的送气阀门的开度大小；S5、重复步骤S3。这种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，利用闭环调节的方式，让温室内的CO2浓度始终保持在最适宜温室内作物光合作用的数值；同时，这种方法还能够根据室外环境的变化调整温室的环境，让整个温室的环境处于更加适宜作物生长的状态。

Description

一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法

技术领域

本发明涉及自动化调节领域，尤其涉及一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法。

背景技术

CO2是绿色植物进行光合作用的主要原料之一，植物每生成100g干物质，需要吸收150g CO2。温室大棚栽培使作物长期处于相对密闭的场所中，棚内CO2浓度一天内变化很大，例如，日出前达到最大值1‰～1.2‰，日出后2.5～3h降为0.1‰左右，仅为大气中CO2浓度(0.33‰)的30％左右，而且一直维持到午后2小时才开始回升，到下午4时左右恢复到大气水平，作物需CO2浓度一般为1‰～1.5‰。因此日出后到午后3小时是补充固体二氧化碳时间段。

现如今，存在很多会产生CO2的生产系统，而这些产生的CO2气体，往往被直接排放至大气中。现有技术中存在一种将CO2废弃输送至温室内的碳中和方式，但是，光照强度和CO2浓度均是影响光合作用和CO2利用效率的关键因子，当光照度不足时，光合作用效率低下，而过度CO2补充将导致CO2浓度过高，无法实现谁排放谁吸收的碳中和目标，同样不利于光合作用的发生。此外，现有技术中存在的温室CO2控制系统具有滞后性、时变性和非线性的特性，建立起精确数学模型是不可能的，因此如果使用常规的线性控制理论，要达到满意的控制效果非常困难。

因此，需要一种能够对CO2和光照强度进行实时监测和调控的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的光照和CO2浓度不容易调控的问题，本发明提供了一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，包括以下步骤：

S1、间隔获取当前环境信息，所述当前环境信息包括当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T；

S2、根据当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T确定输送CO2达t_exp时长后温室的期望CO2浓度L_exp和单位时间CO2释放量L_t，按照所述单位时间CO2释放量L_t释放CO2，具体包括以下步骤：

S201、根据所述当前光照强度l和当前室温T，确定期望光合作用率X；

S202、根据所述期望光合作用率X确定期望CO2浓度L_exp；

S203、根据期望光合作用率X和期望CO2浓度L_exp计算单位时间CO2释放量L_t，单位时间CO2释放量L_t由以下数学公式确定：

式中：

O为温室空间大小；

t_exp为预设的期望CO2输送时长；

S3、采样并更新当前CO2浓度L，根据当前CO2浓度L和期望CO2浓度L_exp计算CO2浓度偏差值E；

S4、将CO2浓度偏差值E作为输入，根据增量式数字PID控制模型计算阀门开度值U(k)，并按照阀门开度值U(k)调整CO2输送器的送气阀门的开度大小，所述增量式数字PID控制模型由以下数学公式确定：

式中：

K_p为比例增益；

T_l为积分时间常数；

T_D为微分时间常数；

T_s为采样周期；

k为采样次数标号；

E(k)为第k次采样对应的CO2浓度偏差值；

S5、重复步骤S3。

作为优选，步骤S4和S5之间还包括步骤S41、判断当前光照强度l是否小于光照强度阈值l_s，若当前光照强度l小于光照强度阈值l_s则打开补光灯，同时向所述阀门控制器发送停止输送CO2指令。

作为优选，步骤S41和S5之间还包括以下步骤：

S42、获取室外CO2浓度L_out，根据公式L_d＝L-L_out计算室内外CO2浓度偏差值L_d并判断室内外CO2浓度偏差值L_d是否大于0，若大于则进入步骤S43，否则进入步骤S45；

S43、计算室内外CO2浓度比，所述室内外CO2浓度比为当前CO2浓度L和室外CO2浓度L_out的比值；

S44、判断室内外CO2浓度比是否大于预设的第一阈值，若大于则进入步骤S5，否则判断室内外CO2浓度比是否大于预设的第二阈值，若大于则只打开一半补光灯，进入步骤S5；否则关闭全部补光灯，进入步骤S5；

S45、判断当前室温T是否大于室温阈值T_S，若当前室温T大于室温阈值T_S则获取室外温度T_out并判断当前室温T是否大于室外温度T_out，若是则进行开窗降温，否则进行空调降温。

作为优选，步骤S45和S5之间还包括以下步骤：

S46、获取室内多个空间节点处的节点CO2浓度，计算多个空间节点CO2浓度的节点CO2方差并判断节点CO2方差是否大于方差阈值，若大于则开启循环风机直至节点CO2方差小于方差阈值，否则关闭循环风机。

发明的有益效果是，这种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，根据温室内部的环境信息，利用闭环调节的方式，让温室内的CO2浓度始终保持在最适宜温室内作物光合作用的数值，增量式的PID也能够较容易的通过加权处理获得较好的CO2控制效果；此外，这种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法还能够在满足植物吸收CO2效率和时长的基础上，尽量让温室作物在太阳光的照射下进行光合，减少了补光灯的使用，更加的节能，同时让室内CO2排放和吸收平衡，不影响大气环境。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法的最优实施例的结构流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

如图1所示，本发明提供了一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法的实施例一，包括以下步骤：

S1、间隔获取当前环境信息，所述当前环境信息包括当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T；

S2、根据当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T确定输送CO2达t_exp时长后温室的期望CO2浓度L_exp和单位时间CO2释放量L_t，按照所述单位时间CO2释放量L_t释放CO2，具体包括以下步骤：

S201、根据所述当前光照强度l和当前室温T，通过查表的方式确定期望光合作用率X；

S202、根据所述期望光合作用率X通过查表的方式确定期望CO2浓度L_exp；

S203、根据期望光合作用率X和期望CO2浓度L_exp计算单位时间CO2释放量L_t，单位时间CO2释放量L_t由以下数学公式确定：

式中：

O为温室空间大小；

t_exp为预设的期望CO2输送时长；

S204、根据单位时间CO2释放量L_t生成阀门控制指令，CO2输送器按所述阀门控制指令进行送气阀门的初始开度大小的设置。

S3、采样并更新当前CO2浓度L，根据当前CO2浓度L和期望CO2浓度L_exp计算CO2浓度偏差值E；

S4、将CO2浓度偏差值E作为输入，根据增量式数字PID控制模型计算阀门开度值U(k)，并按照阀门开度值U(k)调整CO2输送器的送气阀门的开度大小，所述增量式数字PID控制模型由以下数学公式确定：

式中：

K_p为比例增益；

T_l为积分时间常数；

T_D为微分时间常数；

T_s为采样周期；

k为采样次数标号；

E(k)为第k次采样对应的CO2浓度偏差值；

S5、重复步骤S3。

本实施例通过管道将其他系统产生的CO2废弃输送至温室内，先根据当前光照强度l和当前室温T，通过查表和计算方式确定用于碳运输的CO2输送器的送气阀门的初始开度大小。再重新采集并更新当前CO2浓度L，并将当前CO2浓度L带入增量式数字PID控制模型中，进行CO2输送器的送气阀门开度大小的闭环控制，能够让温室内的CO2浓度能够稳定维持在最适宜光合作用的数值水准上，既有利于温室内作物的生成，又能够将产生的CO2气体再利用，减少排放大气的CO2的量，实现了碳中和。

基于上述的实施例一，根据另外的实施方式，本发明提供了一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法的实施例二。

在本实施例中，步骤S4和S5之间还包括步骤S41、判断当前光照强度l是否小于光照强度阈值l_s，若当前光照强度l小于光照强度阈值l_s则打开补光灯，同时向所述阀门控制器发送停止输送CO2指令。

本实施例还考虑到室外光照有可能会因为天气的原因而发生变化，从而造成光照强度不足的情况，本实施例所述的一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法能够在此类情况发生时，及时打开补光灯，为温室内的作物的光合作用提供足够的光照。

基于上述的实施例二，根据另外的实施方式，本发明提供了一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法的实施例三。

在本实施例中，步骤S41和S5之间还包括以下步骤：

S42、获取室外CO2浓度L_out，根据公式L_d＝L-L_out计算室内外CO2浓度偏差值L_d并判断室内外CO2浓度偏差值L_d是否大于0，若大于则进行温室窗户的关闭并进入步骤S43，否则进入步骤S45；

S43、计算室内外CO2浓度比，所述室内外CO2浓度比为当前CO2浓度L和室外CO2浓度L_out的比值；

S44、判断室内外CO2浓度比是否大于预设的第一阈值，若大于则进入步骤S5，否则判断室内外CO2浓度比是否大于预设的第二阈值，若大于则只打开一半补光灯，进入步骤S5；否则关闭全部补光灯，进入步骤S5；

S45、判断当前室温T是否大于室温阈值T_S；若当前室温T大于室温阈值T_S则获取室外温度T_out并判断当前室温T是否大于室外温度T_out，若当前室温T大于室外温度T_out则进行开窗降温，否则进行空调降温；否则进入步骤S5。

在本实施例中，考虑到光照强度不足的情况会因为天气的变化逐渐缓解，本实施例中所述的一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法能够在室外的光照强度逐渐恢复的过程中，根据光照强度的恢复程度，梯次减少补光灯开启的数量，让温室内光照足量的情况下消耗最少的电量，减少碳排放。

此外，考虑到温室有时会出现温度过高的情况，本实施例所述的一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法能够在确定温室内CO2浓度不大于室外CO2浓度且室外温度低于室内温度的情况下进行开窗降温的处理，在不对外界进行碳排放的基础上，减少了空调的实用。

基于上述的实施例三，根据另外的实施方式，本发明提供了一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法的实施例四。

在本实施例中，步骤S45和S5之间还包括以下步骤：

S46、获取室内多个空间节点处的节点CO2浓度，计算多个空间节点CO2浓度的节点CO2方差并判断节点CO2方差是否大于方差阈值，若大于则开启循环风机直至节点CO2方差小于方差阈值，否则关闭循环风机。

本实施例中，温室被横向、纵向和竖向的多个等间距直线，分割多个立方体空间块，每个立方体空间块均包括多个与其他空间块连接的空间节点，本身实施例中，每个空间节点处均设置有CO2浓度传感器。通过采集和计算，能够获取多个空间节点CO2浓度的节点CO2方差。

当多个空间节点CO2浓度的节点CO2方差大于方差阈值时，说明温室内各个部分的CO2浓度差距过大，此时开启循环风机能够加快室内气体的流通，让室内的CO2分布得更加均匀，有利于作物的生长。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、间隔获取当前环境信息，所述当前环境信息包括当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T；

S2、根据当前光照强度l、当前CO2浓度L和当前室温T确定输送CO2达t_exp时长后温室的期望CO2浓度L_exp和单位时间CO2释放量L_t，按照所述单位时间CO2释放量L_t释放CO2，具体包括以下步骤：

S201、根据所述当前光照强度l和当前室温T，确定期望光合作用率X；

S202、根据所述期望光合作用率X确定期望CO2浓度L_exp；

S203、根据期望光合作用率X和期望CO2浓度L_exp计算单位时间CO2释放量L_t，单位时间CO2释放量L_t由以下数学公式确定：

式中：

O为温室空间大小；

t_exp为预设的期望CO2输送时长；

S3、采样并更新当前CO2浓度L，根据当前CO2浓度L和期望CO2浓度L_exp计算CO2浓度偏差值E；

S4、将CO2浓度偏差值E作为输入，根据增量式数字PID控制模型计算阀门开度值U(k)，并按照阀门开度值U(k)调整CO2输送器的送气阀门的开度大小，所述增量式数字PID控制模型由以下数学公式确定：

式中：

K_p为比例增益；

T_l为积分时间常数；

T_D为微分时间常数；

T_s为采样周期；

k为采样次数标号；

E(k)为第k次采样对应的CO2浓度偏差值；

S5、重复步骤S3。

2.如权利要求1所述的一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，其特征在于：

步骤S4和S5之间还包括步骤S41、判断当前光照强度l是否小于光照强度阈值l_s，若当前光照强度l小于光照强度阈值l_s则打开补光灯，同时向所述阀门控制器发送停止输送CO2指令。

3.如权利要求2所述的一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，其特征在于：

步骤S41和S5之间还包括以下步骤：

S42、获取室外CO2浓度L_out，根据公式L_d＝L-L_out计算室内外CO2浓度偏差值L_d并判断室内外CO2浓度偏差值L_d是否大于0，若大于则进入步骤S43，否则进入步骤S45；

S43、计算室内外CO2浓度比，所述室内外CO2浓度比为当前CO2浓度L和室外CO2浓度L_out的比值；

S44、判断室内外CO2浓度比是否大于预设的第一阈值，若大于则进入步骤S5，否则判断室内外CO2浓度比是否大于预设的第二阈值，若大于则只打开一半补光灯，进入步骤S5；否则关闭全部补光灯，进入步骤S5；

S45、判断当前室温T是否大于室温阈值T_S，若当前室温T大于室温阈值T_S则获取室外温度T_out并判断当前室温T是否大于室外温度T_out，若是则进行开窗降温，否则进行空调降温。

4.如权利要求3所述的一种面向碳中和的温室二氧化碳净吸收调控方法，其特征在于：

步骤S45和S5之间还包括以下步骤：

S46、获取室内多个空间节点处的节点CO2浓度，计算多个空间节点CO2浓度的节点CO2方差并判断节点CO2方差是否大于方差阈值，若大于则开启循环风机直至节点CO2方差小于方差阈值，否则关闭循环风机。