Принципы организации искусственного ассимиляционного освещения в условиях защищенного грунта
Настоящая статья представляет собой резюме целенаправленных исследований за период 2015 – 2020 годов по искусственному ассимиляционному освещению в промышленных теплицах на различных культурах, таких как, среднеплодный и короткоплодный огурец, земляника, чайно-гибридная роза, картофель, томаты, листовой салат
Объектом работ являлись светодиодные излучатели различной мощности и спектрального состава излучаемого света.
Главной задачей было получение практических рекомендаций по организации искусственного ассимиляционного освещения на базе светодиодных излучателей с получением экономии электроэнергии не менее 40-50% к стандартному на базе «натриевых» светильников типа ДНаТ и/или ДНаЗ освещению, без снижения продуктивности растений.
Необходимость существенной экономии в электроэнергии вызвана сравнительно высокой стоимостью светодиодных светильников в сравнении с газоразрядными натриевыми лампами высокого давления (НЛВД), что является основным препятствием для широкомасштабной модернизации систем искусственного ассимиляционного освещения в теплицах.
Существующие до настоящего времени направления по снижению удельной мощности световых точек за счет более высокого физиологического КПД излучаемого света показывают очень низкую эффективность.
В условиях промышленных теплиц расчетный КПД фито-спектров (как правило в 3-4 раза более «эффективный», в сравнении с НЛВД) не позволяет получить экономию по э/энергии более 20%. Прямая замена световых точек НЛВД на LED меньшей мощности приводит к падению продуктивности культуры (масса растительной ткани, отставание в скорости роста, снижение по показателям основных элементов продуктивности культур). При этом экономия на 25% уже может привести к снижению по показателям продуктивности на 40%, а экономия в 40% приводит к падению урожайности на 60%.
Единственным выходом при таком подходе становится так называемая «гибридная досветка». Наиболее эффективно ее применяет компания Philips, предлагающая различные сочетания совместного использования фито-LED и НЛВД, например, при досвечивании высокорослых культур сочетание топ-лайт – НЛВД (75% от общей проектируемой мощности) и интер-лайт фито LED (20-25% проектируемой мощности).
Экономия в данном случае становится условной и не позволяет окупить затраты на инвестиции в новое освещение за счет хозяйственной деятельности теплицы.
Программ государственного субсидирования полной или частичной замены НЛВД в теплицах нет. И даже, если бы такие программы и были, то по факту износа LED светильников повторная замена из собственных средств все равно будет экономически нерентабельна.
Многочисленные исследования показали, что светодиоды со специализированным фито спектром (BR или BGR) не имеют принципиальных преимуществ перед «белыми» светодиодами, что позволяет удешевить стоимость удельного 1 Вт мощности LED светильника в 1,5-2,5 раза, но даже в таких условиях стоимость 1 Вт LED светильника в 2-3 раза выше стоимости 1 Вт НЛВД.
С другой стороны, применение светодиодных светильников на других промышленных объектах показало, что при экономии электроэнергии на уровне 40-50% уже можно применять программы энергоэффективности, позволяющие окупать инвестиции в LED за период времени гораздо меньший срока эксплуатации светильников и соответственно сгенерировать дополнительную прибыль от модернизации освещения.
Замена световых точек на промышленных объектах проводится по проектам РД/ИД с указанием освещенности поверхностей объектов в соответствии с требованиями СНИП. При этом моделируются новые световые точки, на базе LED, позволяющие получать требуемые показатели Люкс при минимальной мощности светильников. При этом размещение новых световых точек может не совпадать с изначальным проектом или с фактическим размещением действующего света.
Снижение мощности достигается за счет дифференцирования поверхностей под конкретную световую точку, в которой устанавливается светильник минимальной мощности с соответствующей вторичной оптикой (КСС).
Применение этого принципа дифференцирования поверхностей в теплицах так же позволяет получать существенную экономию по электроэнергии и в теплицах.
Рассмотрим это на примерах модернизации действующего освещения НЛВД.
Существующие на настоящий момент нормативные документы по теплицам: РД-АПК 1.10.09.01-14 и СП 107.13330.2012 (актуализированный вариант СНиП 2.10.04-85) практически не дают никакой информации относительно норм по искусственному ассимиляционному освещению теплиц. Предлагаемый лимит искусственной освещенности в 80-160 Вт/м2 имеет привязку к ФАР, что в перерасчет на тот же ДНаТ 600 дает удельную мощность световых точек от 200 до 400 Вт/м2. В перерасчете на Люкс - от 20 000 до 50 000 или в квантовом расчете - 400 до 800 PPFD. Уже в предлагаемом варианте заложена ошибка, поскольку в реальных условиях световых зон Российской Федерации указанные верхние световые нормативы избыточны.
То есть рекомендации нужно читать буквально, как 80 – 160 Вт/м2 для искусственного света в теплицах по номиналу светильника ДНаТ.
Второе замечание. Как правило, мало кто обращает внимание на то, что уровень освещенности растений с точки зрения физиологии считается, как освещенность на верхней точке растения. И этот показатель для культур в разы меньше, чем применяемые при проектировании теплиц.
Например, при описании патентов США для большинства сортов культур, выращиваемых в условиях защищенного грунта, указывается приходящая на верхнюю точку растения радиация в квантах света (моли или PPFD). Так для выращивания среднепоздней земляники нейтрального дня, этот уровень рассчитывается как 6 моль за световой день, что дает 140 PPFD или 9 000 Люкс (при продолжительности «дня» - 12 часов), при этом в любых практических рекомендациях расчета световых точек режим освещенности для земляники будет не менее 20 000 Люкс.
Это связано с тем, что расчет для теплиц делается на так называемый уровень «шпалеры». Это поверхность удаленная меньше, чем на 1 метр от световой точки, что позволяет по факту приравнять Люкс к Люмену То есть, если необходимый уровень освещенности 20 000 Люкс, то для определения удельной мощности световой точки ДНаТ 600 считают: 80 000 Люмен (световой поток лампы) / 20 000 Люкс (Люмен/м2) = 4 м2 или 600 Вт номинальной мощности / 4 м2 = 150 Вт/м2
При этом при удалении световой точки на 1,5-2 метра от верхней точки растений уровень освещенности будет 9 000 и 5 000 Люкс соответственно.
Таким образом, при выращивании земляники максимальная удаленность верхушки растения от светильника не должна превышать 1,5 м, при этом с учетом роста куста (не более 40 см), получаем удаленность поверхности лотка от световой точки 1,9 м.
При таком подходе главная задача – это сбалансировать расстояние между верхней точкой подъема растения и светильником. Чем меньше расстояние, тем выше уровень освещенности и соответственно может появится возможность экономии удельной мощности световой точки. Но здесь есть два основных ограничения:
- конструкции теплицы или крепление светильников к низу фермы. Тем более при наличии шпалер и системы СИОД;
- излучение светильниками тепла, при малых расстояниях между растением и светильником вероятность высокой температуры воздуха максимальна, что может привести к нарушению теплового режима выращивания растений.
Именно эти ограничения приводят к компромиссным конструкторским решениям, в результате которых удельная мощность световых точек при проектировании должна быть увеличена минимум на 30% по сравнению с предварительным расчетом, если же это не учитывается, то уже в проекте будет заложен дефицит света на уровне тех же самых 30%.
Точно так же при распределении световых точек внутри вегетария конструкторы и инженера исходят из минимизации трудозатрат при монтаже, поэтому применяется схема равномерного распределения светильников в «шахматном порядке», либо светильники ориентируются по ферме перпендикулярными лоткам рядами, каждые 4-5 метров (в зависимости от конструкции теплицы).
Рис. 1 Примеры стандартного размещения световых точек НЛВД
Такая схема размещения световых точек приводит к появлению внутри теплиц зон «затенения» (пятна или полосы в зависимости от схемы размещения световых точек), плюс непосредственно растения занимают 60-65% площади вегетария, то есть минимум 35% поверхности засвечивается в пустую.
При этом размещение световых точек непосредственно над рядами растений в условиях использования ДНаТ практически не реально (большая мощность отдельной световой точки: 600 - 1 000 Вт).
Схему можно оптимизировать и повысить эффективность действующей системы освещения совместно с перерасчетом действующей системы конвекции воздушных потоков. Но увеличение числа световых точек или увеличение светового потока за счет смены ламп на более мощные реализовать в условиях действующей теплицы будет очень и очень сложно из-за процедуры пересогласования лимитов на энергоносители и ввода новых мощностей.
Поэтому в теплицах с изначально неправильной организацией системы ассимиляционного освещения единственное решение – замена всех или части светильников НЛВД на LED.
Решением, обеспечивающим максимальную экономию электроэнергии, является размещение световых точек непосредственно над рядами лотков с растениями. При этом уже изначально удельная мощность Вт/м2 переводится в Вт/пм с понижающим коэффициентом 1,6. То есть вместо 9 600 м2 вегетария непосредственно осветить нужно 6 000 погонных метров лотков. При этом уровень освещенности этих погонных метров должен быть как минимум не ниже, чем освещенность в среднем по всей площади вегетария.
То есть, если при выращивании среднеплодного огурца необходимо минимум 400 PPFD (30 000 Люкс или 200 Вт/м2 номинальной мощности) по светильнику ДНаТ 600, то при прочих равных условиях при сохранении 200 Вт/пм общая экономия по всему вегетарию составит 75 Вт/м2 или 37,5% по номиналу.
Вторичная оптика светодиодных светильников увеличивает экономию еще больше. Использование специальных КСС позволяет получить направленный свет и создать необходимую освещенность на конкретной поверхности. Расчеты дают примерно соотношение 200 Вт/пм по ДНаТ 600/1 000 = 180 Вт/пм LED. Что дает общую экономию по номиналу 45%. А это показатели уже позволяющие ожидать окупаемость инвестиций в светодиодные светильники.
В процессе такой модернизации освещенность не изменяется, и непосредственно над растениями исчезают зоны затенения.
Рис. 2 Пример замены НЛВД на световую систему LED (модули мощностью 30 Вт), с расчетным снижением потребления э/энергии по номиналу 50%
Возможность увеличения уровня освещенности и как ожидается рост продуктивности вопрос спорный. Полученная экономия позволит как минимум в три-четыре раза увеличить освещенность растений, но продуктивный эффект роста освещенности хотя бы на 30% зависит не столько от света, сколько от сочетания температуры и света. Не стоит забывать, что, если светильники LED и выделяют тепло, но выделяют в 1,5 раза меньше, чем НЛВД. А рост освещенности должен сопровождаться ростом температуры, в противном случае можно получить эффект снижения роста растений и уплотнения листовых пластин. Для цветов или для зеленных культур – это снижение товарного выхода продукции и соответственно потеря денег.
К тому же при работе со светодиодами нужно учитывать и такой фактор, как способность светодиодного света повышать вирулентность фитовирусов. На растениях могут проявится как действия патогенных форм фитовирусов, так и проявление т.н. «молчащих» генов, которые могут привести к неожиданным эффектам – «бородавки» и «морщины» листовых пластинок, изменение цвета, включая появление антоциановых пятен на стебле, листьях и бутонах растений и если для томатов и огурца это не имеет никакого значения, то для розы на срез или салатного листа может оказаться критичным.
Рис. 4 Картофель. Проявление фитопатогенов вирусной природы при выращивании под светильниками LED. Уровень освещенности 200 PPFD (14 000 Люкс)
В целом модернизация тепличного освещения – процесс, требующий индивидуальных решений в каждом конкретном случае. Необходимо учитывать и конструктивные особенности теплицы, ее технологическое оснащение, включая системы отопления, вентиляции, минерального питания, возможности использования CO2, системы СИОД и т.д., включая вопросы технологии формовки куста. Но при правильном подходе экономический эффект получается максимальным, особенно привлекательным становится возможность увеличения производственных площадей практически в два раза без изменений лимитов потребления электроэнергии и строительства новых энергоблоков. При этом существуют методы позволяющие решать вопросы и отопления новых площадей без изменений лимитов потребления газа и даже сохранения мощности систем минерального питания в условиях двухкратного увеличения площади теплиц.
Комментарии (2)