Проектирование освещения вертикальной фермы: шаг ярусов, PPFD и схема стеллажей

Вертикальное земледелие превращает площадь пола в многоярусный полог, выстраивая стеллажи из световых полок. Поэтому задача проектирования освещения становится двумерной: нужно задать PPFD на каждом ярусе и вертикальный шаг между ярусами так, чтобы культура завершила цикл по графику, не расходуя впустую ни воздушное пространство, ни фотоны. В статье рассматриваются шаг ярусов, PPFD по ярусам и схема стеллажей с расчётным примером. Полная методика планирования приведена на странице для отрасли вертикальных ферм.

Шаг ярусов — компромисс между производительностью и светом

Каждый добавленный ярус умножает площадь полога на метр пола, но одновременно отнимает вертикальное пространство, которое могло бы стать высотой культуры, и фиксирует высоту подвеса светильника над нижним ярусом. Плотный шаг вынуждает опускать светильники ниже и уменьшать их покрытие; широкий шаг позволяет поднять светильники и охватить больше площади, но даёт меньше ярусов. Оптимум уравновешивает высоту культуры, целевой PPFD и стоимость площадей.

PPFD по ярусам и равномерность

Каждый ярус фактически представляет собой небольшую собственную ферму закрытого грунта, поэтому действуют те же правила: задайте целевой PPFD от культуры, перекройте светильники для низкого коэффициента вариации и измеряйте на высоте полога. Поскольку ярусы расположены близко, нагрев светильников на нижнем ярусе имеет значение: световая полка и культура делят один и тот же тонкий слой воздуха, поэтому тепловой расчёт и воздухообмен входят в план освещения, а не остаются на потом.

Расчётный пример

Возьмём стеллаж на 5 ярусов, каждый ярус 2 m × 1 m (2 m²), целевой PPFD 250 µmol/m²/s для листовой зелени, типовой светильник 900 µmol/s на высоте полога, коэффициент равномерности 0,85.

Это оценка; в реальном проекте светильники размещают на ярусе по сетке и проверяют CV. Та же логика расчёта количества светильников разобрана в статье о схеме размещения для коммерческой фермы закрытого грунта.

Расчётный пример: шаг 5-ярусного стеллажа для листовой зелени

Этот пример иллюстративный. Рассмотрим вертикальный стеллаж для салата с целевым PPFD 220 umol/m2/s на ярус при фотопериоде 18 часов. На каждом ярусе размещается лоток 1,2 m x 3,0 m (3,6 m2). Светильники — линейки 600 mm с номиналом 320 PPF каждая.

• Шаг 1 — требуемая PPF на ярус: 220 x 3,6 x 1,15 (равномерность) = 911 umol/s.
• Шаг 2 — число линеек на ярус: 911 / 320 = 2,8, округляем до 3 линеек, что укладывается в лоток 3,0 m при одной линейке на метр длины.
• Шаг 3 — DLI на ярус: 220 x 18 x 0,0036 = 14,3 mol/m2/day, что соответствует типичному диапазону для салата.
• Шаг 4 — электрическая нагрузка на ярус при 2,6 umol/J: 3 x (320 / 2,6) = 369 W; 5-ярусный стеллаж потребляет около 1,85 kW на колонну без учёта драйверов и HVAC.
• Шаг 5 — вертикальный шаг: предусмотрите 0,35-0,45 m между плоскостью светильника и пологом культуры, чтобы зрелые кочаны не касались линеек, и оставьте не менее 0,5 m для обслуживания и доступа.
• Шаг 6 — проверка общей высоты: 5 ярусов культуры с шагом примерно 0,75-0,85 m плюс конструкция и место для обслуживания укладываются в помещение с номинальной высотой в свету 4,5-5,0 m.

В большинстве реальных зданий ограничивающим фактором является высота в свету, а не свет. Прежде чем выбирать число ярусов, измерьте фактическую высоту в свету, вычтите конструкцию, зону под спринклерами и доступ для обслуживания, а остаток разделите на шаг культуры, который вы можете обосновать. Добавление шестого яруса в помещение, которое не может его обслужить, — это ошибка проекта, а не оптимизация.

Воздухообмен, тепло и стек ярусов

Каждый ярус удерживает тепло яруса над ним, и воздух на каждом уровне стека движется по-разному. Температура в пологе на нижних ярусах может отклоняться на несколько градусов от заданной для помещения, если воздухообмен спроектирован на помещение, а не на ярус. Обычные решения — горизонтальные циркуляционные вентиляторы или подача воздуха по каналам на каждый ярус; квантовые датчики следует размещать более чем на одном ярусе, чтобы решения управления опирались на худший ярус, а не на среднее. Совместное размещение датчиков температуры и PAR на каждом ярусе превращает эти взаимодействия в видимые данные, а не в сюрпризы.

Вопросы, которые стоит задать до покупки

• Соответствуют ли габариты светильников и система крепления шагу ваших лотков и позволяют ли регулировать высоту без инструмента по мере роста культуры?
• PPF указана на линейку или на модуль, и при каком токе драйвера и каком допущении о шаге?
• Какова температура поверхности светильника и безопасна ли она для материалов лотков и упаковки, используемых в вашей работе?
• Может ли поставщик предоставить схемы раскладки по ярусам с прогнозируемой равномерностью, а не только количество светильников?
• Какова политика по запчастям и замене драйверов для светильников, установленных на высоте во влажных помещениях?

Типичные ошибки в проектировании освещения вертикальных стеллажей

Вертикальные стеллажи умножают каждое проектное решение на число ярусов, поэтому ошибки накапливаются. Повторяющиеся из них:

• Проектирование под высоту в свету по данным архитектора, а не под высоту с учётом инженерных сетей; спринклеры, воздуховоды и кабельные лотки отнимают у помещения целый ярус.
• Один тип светильников на все ярусы, когда зрелость культуры по ярусам различается; ярусу рассады и ярусу доращивания нужны разные расстояния до светильника.
• Проверка равномерности на пустом стеллаже, без лотков, желобов и зрелого полога, хотя значение имеет только эта геометрия.
• Планирование воздухообмена на помещение, а не на ярус, из-за чего нижние ярусы работают в жаре и влажности, пока датчик на стене сообщает о комфорте.
• Отсутствие стратегии обслуживания светильников, смонтированных над занятыми лотками; очистка и замена драйверов превращаются в события, нарушающие покой культуры.
• Электрика, рассчитанная на количество светильников, а не на профиль диммирования, поведение при перезапуске и будущее добавление ярусов.

Датчики и управление для многоярусного помещения

Приборы по ярусам

Многоярусное помещение — это несколько климатов в одной колонне. Измерение PAR и температуры по ярусам (как минимум на верхнем, среднем и нижнем) выявляет градиент, который единственный датчик помещения усредняет. С данными по ярусам диммирование становится решением для каждого яруса: ярус под самым горячим драйвером может работать по несколько иному графику, чем холодный угловой ярус, и данные обосновывают такую поправку. Без этого помещение работает по среднему от условий, которых не испытывает ни одна культура.

Проектирование под изменения

Культуры на вертикальных фермах меняются быстрее, чем здания. Системы крепления, позволяющие регулировать высоту без инструмента, электрические выводы, дотягивающиеся до изменённой раскладки лотков, и светильники, спектр которых охватывает более одного семейства культур, покупают гибкость за умеренную надбавку. Сравнивая предложения, считайте стоимость второго цикла культуры, а не только первого: платформа, которая подходит для салата и без переделок обслуживает базилик или пряные травы, обычно стоит больше, чем разница в эффективности 2 процента.

Источники, которые можно проверить

• e-GRO — материалы по освещению контролируемой среды и вертикальных ферм
• Controlled Environment Agriculture Center, University of Arizona — Центр контролируемого земледелия
• Cornell University — исследования контролируемого земледелия

Частые вопросы