تحلیل اثر غلظت دی‌اکسید کربن بر بهره‌وری انرژی ذخیره‌شدۀ زیستی در گلخانۀ تاریک انرژتیک به ‌عنوان سامانه‌ای پایدار در مدیریت انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه تبدیل انرژی، دانشکدۀ مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه تبدیل انرژی، دانشکدۀ مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

3 استاد، گروه تبدیل انرژی، دانشکدۀ مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

4 دانشیار، گروه مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

افزایش انتشار گاز دی‌اکسید کربن و رشد روزافزون تقاضا برای تولیدات کشاورزی، ضرورت گذار به سامانه‌های پایدار تولید را برجسته ساخته است. سامانه‌های گلخانه‌ای بسته، به‌ویژه گلخانۀ تاریک انرژتیک، با قابلیت کنترل هم‌زمان پارامترهای محیطی، ابزار مناسبی برای ارتقای بازده انرژی در تولید گیاهان به ‌شمار می‌آیند. در این پژوهش، اثر سه سطح غلظت دی‌اکسید کربن (۸۰۰، ۱۰۰۰ و ۱۲۰۰ پی‌پی‌ام) بر رشد و بهره‌وری انرژی ذخیره‌شده زیستی شش گونۀ گیاهی کوتاه‌دوره شامل ریحان، نعنا، پونه، جعفری، تره و تربچه در سامانۀ گلخانۀ تاریک انرژتیک مورد بررسی قرار گرفت. داده‌های تجربی تجمع زیست‌توده طی دورۀ رشد ۴۴روزه با مدل گمپرترز تحلیل و پارامترهای رشد (a، b و c) استخراج شد. نتایج نشان‌داد افزایش غلظت دی‌اکسید کربن تا ۱۰۰۰ پی‌پی‌ام موجب افزایش معنا‌دار نرخ رشد نسبی و وزن نهایی گیاهان شد، در حالی ‌که در سطح ۱۲۰۰ پی‌پی‌ام روند رشد به حالت اشباع نزدیک شد. بیشترین بازده انرژی ذخیره‌شدۀ زیستی در سطح ۱۰۰۰ پی‌پی‌ام مشاهده شد، به ‌طوری ‌که در مقایسه با سطح ۸۰۰ پی‌پی‌ام به‌ طور میانگین ۱۵ تا ۲۰ درصد بهبود داشت. این نتایج بیانگر آن است که تنظیم غلظت ‌دی‌اکسید کربن در محدودۀ بهینه می‌تواند با افزایش کارایی فتوسنتز، نسبت انرژی خروجی به ورودی را در سامانه‌های گلخانه‌ای هوشمند بهبود بخشد. یافته‌های این مطالعه می‌تواند مبنایی برای طراحی سیستم‌های کنترل خودکار دی‌اکسید کربن و مدیریت هوشمند انرژی در گلخانه‌های جدید باشد. استفاده از این سامانه‌ها گامی مؤثر در جهت توسعۀ سامانه‌های انرژی پایدار در بخش کشاورزی محسوب شود. این پژوهش در راستای هدف توسعۀ پایدار شمارۀ ۷ (انرژی پاک و ‌به‌صرفه) با تمرکز بر کاهش مصرف انرژی انجام شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis of Carbon Dioxide Concentration Effects on Bio-Energy Efficiency in the Energetic Dark Greenhouse as a Sustainable Energy Management System

نویسندگان [English]

  • Yazdan Alvari 1
  • Ali Jahangiri 2
  • Mohammad Ameri 3
  • Majid Zandi 4
1 PhD Candidate, Department of Energy Conversion, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Energy Conversion, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
3 Professor, Department of Energy Conversion, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
4 Associate Professor, Department of Renewable Energy Engineering, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The rapid increase in global population, growing food demand, and the accelerated emission of greenhouse gases have intensified the need for sustainable agricultural systems. Modern greenhouse technologies are recognized as effective solutions to enhance crop productivity while minimizing energy consumption. Among these, the Energetic Dark Greenhouse (EDG) represents an advanced closed-loop cultivation system that operates entirely under artificial lighting with full environmental control. Such systems allow for precise regulation of temperature, humidity, and carbon dioxide (CO₂) levels, thereby enabling optimized photosynthetic efficiency. Since CO₂ is one of the primary substrates of photosynthesis, its concentration in the growing environment directly affects the rate of biomass accumulation. However, the relationship between CO₂ enrichment and plant productivity is non-linear, with saturation often occurring beyond optimal levels. The present study investigates the impact of three CO₂ concentrations (800, 1000, and 1200 ppm) on biomass growth and bioenergy efficiency of six short-term crops cultivated under controlled conditions in a EDG system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Carbon dioxide enrichment
  • Bioenergy efficiency
  • Gompertz model
  • Controlled environment agriculture
  • Sustainable energy systems

مراجع

  • The State of Food and Agriculture 2021. The State of Food and Agriculture 2021. FAO; 2021.
  • Paris B, Vandorou F, Balafoutis AT, Vaiopoulos K, Kyriakarakos G, Manolakos D, et al. Energy Use in Greenhouses in the EU: A Review Recommending Energy Efficiency Measures and Renewable Energy Sources Adoption. Applied Sciences (Switzerland). 2022 May 1;12(10).
  • Ghandriz Y, Mahmoodian-Yonesi S, Alvari Y, Zandi M, Gavagsaz-Ghoachani R, Phattanasak M. A new techno-economic solution to supply energy, decrease the peak and reduce the cost of electricity consumed in the new agricultural structure. In: 2022 Research, Invention, and Innovation Congress: Innovative Electricals and Electronics (RI2C). 2022. p. 353–7.
  • Gandomzadeh M, Younesi SM, Mosayyebi A, Zandi M. Development scenarios for electrical energy storage in Iran with Cross-Impact Balance method [Internet]. Vol. 1, Journal of Sustainable Energy Systems. 2022. Available from: https://ses.ut.ac.ir, (Persian).
  • Yaghoubi AA, Gandomzadeh M, Gholami A, Gavagsaz-Ghoachani R, Zandi M. Long-term comparative analysis of machine learning models: A deep dive into applications of artificial intelligence for enhancing photovoltaic performance prediction. International Journal of Electrical Power & Energy Systems [Internet]. 2025;170:110866. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142061525004144
  • Akbarnejad S, Piryaei Z, Alvari Y, Shahidi P, Lavasani G, Zandi M. A Comparative Study on Different Energy Storage Scenarios in an Off-Grid Dark Vertical Greenhouse. In: 2025 10th International Conference on Technology and Energy Management (ICTEM). 2025. p. 1–6.
  • Ghandriz Y, Alvari Y, Mahmoodian S, Mosayyebi A, Mir Drikvand M, Jahangiri AA, et al. Dynamic Modeling of Sustainable Water Security Based on Water, Environment, Food, and Energy Nexus (WEFEN) in an Energetic Dark Greenhouse (EDG). Journal of Sustainable Energy Systems [Internet]. 2024;3(4):361–79. Available from: https://ses.ut.ac.ir, (Persian).
  • Alvari Y, ; Mahmoodian Younesi S, Zandi M. Energetic Dark Greenhouses: A Novel Approach in Urban Policy for Agricultural Advancements and Environmental Sustainability. Urban Development Policy Making [Internet]. 2025;2(3):263–75. Available from: https://judpm.ir, (Persian).
  • Younesi SM, Alvari Y, Gavagsaz-Ghoachani R, Zandi M. Modeling of Light and Carbon Dioxide Concentration in Energetic Dark Greenhouse (EDG). In: 2024 9th International Conference on Technology and Energy Management (ICTEM). 2024. p. 1–6.
  • Marchi B, Zanoni S, Pasetti M. Industrial Symbiosis for Greener Horticulture Practices: The CO2 Enrichment from Energy Intensive Industrial Processes. In: Procedia CIRP. Elsevier B.V.; 2018. p. 562–7.
  • Sicher Richard RC, Bunce JA. The impact of enhanced atmospheric CO2 concentrations on the responses of maize and soybean to elevated growth temperatures. In: Combined Stresses in Plants: Physiological, Molecular, and Biochemical Aspects. Springer International Publishing; 2015. p. 27–48.
  • Sara Mahmoodian Yonesi, Yazdan Alvari , Mahdi Soofi Abolghasem Mosayyebi MZ. Mini Energetic Dark Greenhouse (MEDG) with an approach to family economy of Tehran. Urban economics and planning. 2021, (Persian).
  • Alvari Y, Zandi M, Jahangiri A, Ameri M, Gholami A, Shahidi P, et al. BIPV-driven smart vertical greenhouses: a water energy food environment nexus framework for sustainable urban agriculture. Energy Nexus [Internet]. 2025;19:100473. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772427125001147
  • Graamans L, Baeza E, van den Dobbelsteen A, Tsafaras I, Stanghellini C. Plant factories versus greenhouses: Comparison of resource use efficiency. Agric Syst [Internet]. 2018 Feb 1 [cited 2023 Jun 5];160:31–43. Available from: https://research.wur.nl/en/publications/plant-factories-versus-greenhouses-comparison-of-resource-use-eff
  • Engler N, Krarti M. Review of energy efficiency in controlled environment agriculture. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021 May 1;141.
  • THE 17 GOALS | Sustainable Development [Internet]. [cited 2025 Nov 8]. Available from: https://sdgs.un.org/goals
  • Wang J, Guo X. The Gompertz model and its applications in microbial growth and bioproduction kinetics: Past, present and future. Biotechnol Adv [Internet]. 2024;72:108335. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975024000296
فصلنامه سیستم های انرژی پایدار
دوره 5، شماره 3
تیر 1405
صفحه 417-428

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار