Progettazione dell’illuminazione per vertical farm: distanza tra strati, PPFD e layout delle scaffalature

La coltivazione verticale trasforma la superficie calpestabile in chioma impilabile costruendo scaffalature di ripiani illuminati. Il problema di progettazione illuminotecnica è quindi bidimensionale: devi definire il PPFD su ogni livello e la distanza verticale tra i livelli, così che la coltura finisca in tempo senza sprecare né il volume d’aria né i fotoni. Questo articolo tratta distanza tra strati, PPFD per livello e layout delle scaffalature, con un esempio svolto. La pagina del settore coltivazione verticale riporta il metodo di pianificazione completo.

La distanza tra strati è un compromesso tra produttività e luce

Ogni livello aggiunto moltiplica la superficie di chioma per metro quadrato di pavimento, ma sottrae anche spazio verticale che potrebbe essere altezza della coltura e fissa l’altezza di montaggio della luce rispetto al livello sottostante. Una distanza ridotta impone un’altezza di montaggio minore e un’impronta più piccola per apparecchio; una distanza ampia permette di collocare gli apparecchi più in alto e di coprire di più, ma produce meno livelli. L’ottimo bilancia altezza della coltura, PPFD obiettivo e costo degli spazi.

PPFD e uniformità per livello

Ogni livello è di fatto una piccola coltivazione indoor a sé, quindi valgono le stesse regole: fissa un PPFD obiettivo in base alla coltura, sovrapponi gli apparecchi per ottenere un basso coefficiente di variazione e misura all’altezza della chioma. Poiché i livelli sono vicini, il calore degli apparecchi sul livello sottostante conta: il ripiano luminoso e la coltura condividono lo stesso sottile strato d’aria, quindi la progettazione termica e il movimento dell’aria fanno parte del piano illuminotecnico, non sono un ripensamento.

Esempio svolto

Si consideri una scaffalatura a 5 livelli, ciascuno di 2 m × 1 m (2 m²), obiettivo 250 µmol/m²/s per insalata, apparecchio generico da 900 µmol/s alla chioma, fattore di uniformità 0,85.

Questa è una stima; un progetto reale colloca gli apparecchi per livello su una griglia e verifica il CV. La stessa logica di conteggio degli apparecchi compare nell’articolo sul layout per la coltivazione indoor commerciale.

Esempio svolto: distanziare una scaffalatura a 5 strati per insalate

Questo esempio è illustrativo. Si consideri una scaffalatura verticale per lattuga con un PPFD obiettivo di 220 umol/m2/s per strato su un fotoperiodo di 18 ore. Ogni strato ospita 1,2 m x 3,0 m di vassoio (3,6 m2). Gli apparecchi sono barre da 600 mm con 320 PPF ciascuna.

• Passo 1 — PPF richiesto per strato: 220 × 3,6 × 1,15 (uniformità) = 911 umol/s.
• Passo 2 — numero di barre per strato: 911 / 320 = 2,8, arrotondato a 3 barre, che stanno nel vassoio da 3,0 m con una barra per metro di lunghezza.
• Passo 3 — DLI per strato: 220 × 18 × 0,0036 = 14,3 mol/m2/day, dentro la fascia comune per la lattuga.
• Passo 4 — carico elettrico per strato a 2,6 umol/J: 3 × (320 / 2,6) = 369 W; una scaffalatura a 5 strati assorbe circa 1,85 kW per colonna, prima di driver e HVAC.
• Passo 5 — distanza verticale: prevedi 0,35-0,45 m tra il piano degli apparecchi e la chioma, così che i cespi maturi non tocchino le barre, e lascia almeno 0,5 m di spazio per la manutenzione e l’accesso.
• Passo 6 — verifica dell’altezza totale: 5 strati di coltura con passo di circa 0,75-0,85 m più struttura e spazio di servizio rientrano in una sala con altezza libera nominale di 4,5-5,0 m.

Il vincolo determinante nella maggior parte degli edifici reali è l’altezza libera, non la luce. Prima di scegliere il numero di strati, misura l’altezza libera effettiva, sottrai struttura, spazio per gli sprinkler e accesso per la manutenzione, poi dividi ciò che resta per il passo di coltura che puoi difendere. Aggiungere un sesto strato a una sala che non può servirlo è un errore di progetto, non un’ottimizzazione.

Movimento dell’aria, calore e impilamento degli strati

Ogni strato trattiene il calore dello strato sovrastante, e l’aria si muove diversamente a ogni livello della pila. La temperatura dentro la chioma può discostarsi di diversi gradi dal setpoint della sala sugli strati inferiori, se il movimento dell’aria non è progettato per strato anziché per sala. Le risposte usuali sono ventilatori a circolazione orizzontale o aria canalizzata per strato, e i sensori quantici dovrebbero essere presenti su più di uno strato, così che le decisioni di controllo riflettano lo strato peggiore e non la media. Collocare sensori di temperatura e PAR sullo stesso strato trasforma queste interazioni in dati visibili invece che in sorprese.

Domande da porre prima dell’acquisto

• Le dimensioni degli apparecchi e il sistema di montaggio si adattano al passo dei tuoi vassoi e consentono di regolare l’altezza senza attrezzi man mano che la coltura cresce?
• Il PPF è dichiarato per barra o per modulo, e con quale corrente di pilotaggio e quale ipotesi di interasse?
• Qual è la temperatura superficiale degli apparecchi ed è sicura per i materiali dei vassoi e per gli imballaggi usati nella tua attività?
• Il fornitore può fornire disegni di layout per strato con l’uniformità prevista, non solo un conteggio di apparecchi?
• Qual è la politica di ricambi e sostituzione dei driver per apparecchi installati in alto in sale umide?

Errori comuni nella progettazione illuminotecnica delle scaffalature verticali

Le scaffalature verticali moltiplicano ogni decisione di progetto per il numero di strati, quindi gli errori si sommano. Quelli ricorrenti:

• Progettare sull’altezza libera dell’architetto invece che sull’altezza libera al netto degli impianti; sprinkler, canali e passerelle portacavi fanno scendere la sala di un livello.
• Un’unica scelta di apparecchio per tutti gli strati quando la maturità della coltura varia per strato; uno strato di piante giovani e uno strato di finitura vogliono distanze di montaggio diverse.
• Uniformità verificata a sala vuota e non con vassoi, canalette e chiome mature in posizione, che è l’unica geometria che conta.
• Movimento dell’aria progettato per sala e non per strato, così gli strati inferiori lavorano caldi e umidi mentre il sensore di controllo a parete segnala comfort.
• Nessuna strategia di manutenzione per apparecchi montati sopra vassoi in produzione; pulizia e sostituzione dei driver diventano eventi che disturbano la coltura.
• Distribuzione elettrica dimensionata sul numero di apparecchi e non sul profilo di dimmerazione, sul comportamento al riavvio e su future aggiunte di strati.

Sensori e controllo per una sala impilata

Strumentazione per strato

Una sala impilata è più climi dentro un’unica colonna. Sensori di PAR e temperatura per strato (come minimo sullo strato superiore, intermedio e inferiore) rendono visibile il gradiente che un singolo sensore di sala media e cancella. Con dati per strato la dimmerazione diventa una decisione per strato: il livello sotto il driver più caldo può seguire un programma leggermente diverso dallo strato freddo d’angolo, e i dati sostengono la regolazione. Senza questi dati la sala lavora sulla media di condizioni che nessuna coltura sperimenta davvero.

Progettare per il cambiamento

Le vertical farm cambiano coltura più in fretta di quanto gli edifici cambino. Sistemi di montaggio che consentono la regolazione in altezza senza attrezzi, derivazioni elettriche che raggiungono un layout di vassoi modificato e apparecchi il cui spettro copre più di una famiglia di colture acquistano flessibilità a un premio contenuto. Nel confrontare i preventivi, valuta il secondo ciclo colturale, non solo il primo: la piattaforma che si adatta alla lattuga e serve anche basilico o erbe aromatiche senza rifacimenti vale di solito più di una differenza di efficacia del 2 per cento.

Riferimenti verificabili

• e-GRO — note sull’illuminazione in ambiente controllato e in coltivazione verticale
• Controlled Environment Agriculture Center, University of Arizona — ricerca sui sistemi in serra
• Cornell University — ricerca sull’agricoltura in ambiente controllato

Domande frequenti