Conceção da iluminação em cultivo vertical: espaçamento entre níveis, PPFD e layout das estantes

O cultivo vertical transforma a área de piso em copado empilhável através de estantes de níveis iluminados. O problema de conceção da iluminação é, por isso, bidimensional: é preciso definir o PPFD em cada nível e o espaçamento vertical entre níveis, para que a cultura termine dentro do calendário sem desperdiçar o volume de ar nem os fotões. Este artigo aborda o espaçamento entre níveis, o PPFD por nível e o layout das estantes, com um exemplo resolvido. A página do setor de cultivo vertical apresenta o método de planeamento completo.

O espaçamento entre níveis é um compromisso entre produtividade e luz

Cada nível acrescentado multiplica a área de copado por metro de piso, mas também retira espaço vertical que poderia ser altura de cultura e fixa a altura de montagem da luz sobre o nível inferior. Um espaçamento apertado obriga a menor altura de montagem e a uma pegada menor por luminária; um espaçamento amplo permite luminárias mais altas e maior cobertura, mas origina menos níveis. O ótimo equilibra a altura da cultura, o PPFD alvo e o custo do espaço.

PPFD e uniformidade por nível

Cada nível é efetivamente uma pequena exploração indoor própria, pelo que se aplicam as mesmas regras: definir um PPFD alvo a partir da cultura, sobrepor luminárias para obter um coeficiente de variação baixo e medir à altura do copado. Como os níveis estão próximos, o calor das luminárias no nível inferior é relevante — a prateleira luminosa e a cultura partilham a mesma camada de ar fina, pelo que a conceção térmica e o fluxo de ar fazem parte do plano de iluminação e não são um acrescento tardio.

Exemplo resolvido

Considere uma estante com 5 níveis, cada um com 2 m × 1 m (2 m²), alvo de 250 µmol/m²/s para folhosas, luminária genérica de 900 µmol/s ao nível do copado e fator de uniformidade de 0,85.

Trata-se de uma estimativa; um projeto real coloca as luminárias de cada nível numa grelha e verifica o CV. A mesma lógica de contagem de luminárias aparece no artigo sobre layout de cultivo indoor.

Exemplo resolvido: espaçar uma estante de 5 níveis para folhosas

Este exemplo é ilustrativo. Considere uma estante vertical para alface com um PPFD alvo de 220 umol/m2/s por nível ao longo de um fotoperíodo de 18 horas. Cada nível comporta 1,2 m x 3,0 m de bandeja (3,6 m2). As luminárias são barras de 600 mm com 320 PPF cada.

• Passo 1 – PPF necessário por nível: 220 x 3,6 x 1,15 (uniformidade) = 911 umol/s.
• Passo 2 – número de barras por nível: 911 / 320 = 2,8, arredondado a 3 barras, o que se ajusta à bandeja de 3,0 m com uma barra por metro de comprimento.
• Passo 3 – DLI por nível: 220 x 18 x 0,0036 = 14,3 mol/m2/day, dentro da banda habitual para alface.
• Passo 4 – carga elétrica por nível a 2,6 umol/J: 3 x (320 / 2,6) = 369 W; uma estante de 5 níveis consome cerca de 1,85 kW por coluna, antes dos drivers e do HVAC.
• Passo 5 – espaçamento vertical: prever 0,35-0,45 m entre o plano das luminárias e o copado, para que os pés adultos não toquem nas barras, e manter 0,5 m ou mais de folga de manutenção para acesso.
• Passo 6 – verificação da altura total: 5 níveis de cultura com um passo de cerca de 0,75-0,85 m, mais estrutura e espaço de manutenção, cabem numa sala com altura livre nominal de 4,5-5,0 m.

O fator limitante na maioria dos edifícios reais é a altura livre, não a luz. Antes de escolher o número de níveis, meça a altura livre efetiva, deduza a estrutura, a folga dos sprinklers e o acesso de manutenção, e divida o que resta pelo passo de cultura que consegue justificar. Acrescentar um sexto nível a uma sala que não o consegue servir é um erro de projeto, não uma otimização.

Fluxo de ar, calor e a pilha de níveis

Cada nível retém o calor do nível superior e o ar move-se de forma diferente em cada altura da pilha. A temperatura no interior do copado pode afastar-se vários graus do valor de referência da sala nos níveis inferiores se o fluxo de ar não for concebido nível a nível em vez de sala a sala. Ventiladores de circulação horizontal ou ar canalizado por nível são as soluções habituais, e os sensores quânticos devem estar em mais do que um nível, para que as decisões de controlo reflitam o pior nível e não a média. Instalar em conjunto os sensores de temperatura e de PAR em cada nível transforma estas interações em dados visíveis em vez de surpresas.

Perguntas a fazer antes de comprar

• As dimensões das luminárias e o sistema de fixação ajustam-se ao passo das suas bandejas e permitem regulação de altura sem ferramentas à medida que a cultura cresce?
• O PPF é indicado por barra ou por módulo, e com que corrente de alimentação e hipótese de espaçamento?
• Qual é a temperatura superficial da luminária e é segura para os materiais das bandejas e das embalagens usadas na sua operação?
• O fornecedor pode fornecer desenhos de layout por nível com uniformidade prevista, e não apenas uma contagem de luminárias?
• Qual é a política de peças sobressalentes e de substituição de drivers para luminárias instaladas em altura em salas húmidas?

Erros comuns na conceção de iluminação de estantes verticais

As estantes verticais multiplicam cada decisão de projeto pelo número de níveis, pelo que os erros acumulam-se. Os mais recorrentes:

• Projetar para a altura livre indicada pelo arquiteto em vez da altura livre dos serviços; sprinklers, condutas e caminhos de cabos retiram à sala um nível inteiro.
• Uma única escolha de luminária para todos os níveis quando a maturidade da cultura difere entre níveis; um nível de plantas jovens e um nível de acabamento exigem distâncias de montagem diferentes.
• Uniformidade verificada com a estante vazia e não com bandejas, caleiras e copados adultos no lugar, que é a única geometria que conta.
• Fluxo de ar planeado por sala e não por nível, pelo que os níveis inferiores ficam quentes e húmidos enquanto o sensor de controlo na parede reporta conforto.
• Ausência de estratégia de manutenção para luminárias montadas sobre bandejas em produção; a limpeza e a substituição de drivers passam a ser eventos que perturbam a cultura.
• Distribuição elétrica dimensionada para o número de luminárias e não para o perfil de regulação, o comportamento no rearme e futuros níveis adicionais.

Sensorização e controlo numa sala empilhada

Instrumentação por nível

Uma sala empilhada são vários climas numa só coluna. A sensorização de PAR e de temperatura por nível (no mínimo nos níveis superior, médio e inferior) revela o gradiente que um único sensor de sala dilui na média. Com dados por nível, a regulação passa a ser uma decisão por nível: o nível sob o driver mais quente pode seguir um programa ligeiramente diferente do nível do canto mais fresco, e os dados sustentam esse ajuste. Sem eles, a sala funciona na média de condições que nenhuma cultura experiencia realmente.

Conceber para a mudança

As explorações verticais mudam de cultura mais depressa do que os edifícios mudam. Sistemas de fixação que permitem ajustar a altura sem ferramentas, pontos de alimentação elétrica que chegam a um layout de bandejas alterado e luminárias cujo espetro cobre mais do que uma família de culturas compram flexibilidade por um acréscimo moderado de custo. Ao comparar propostas, avalie o segundo ciclo de cultura e não apenas o primeiro: a plataforma que serve alface e também serve manjericão ou aromáticas sem retrabalho vale habitualmente mais do que uma diferença de eficácia de 2 por cento.

Referências que pode verificar

• e-GRO – notas sobre iluminação em ambiente controlado e cultivo vertical
• Controlled Environment Agriculture Center, University of Arizona – centro de agricultura em ambiente controlado
• Cornell University – investigação em agricultura de ambiente controlado

Perguntas frequentes