Досвечивание в теплицах светодиодами (LED) вместо натриевых ламп (ДНаТ)

В 16.02.2018 в 13:27, Ditto сказал:

Так вот - урожайность на Топлоадер не должна быть ниже 16 грамм/моль света. Чем руководствовались? Делать было нечего...

В расстроенных чувствах Георгий (Ditto) обсчитался всего-то в четыре раза. С огурцом F1 Топлоадер в финском эксперименте всё в полном порядке – эффективность использования света (LUE, это отношение сырой массы урожая к полной суммарной радиации) у него намного выше 16 г/моль. Поэтому продолжу свой предыдущий пост и всем будет понятно, почему эксперименты Phillips под Варшавой (52° с.ш.) малодоказательны даже для юга Московской области, а В.М. Пчелин (ООО «Рефлакс») может ещё много лет спать спокойно .

Это было первое исследование новейшего на тот момент поколения LED-систем в высоких широтах ~60° с.ш. (у нас соответствует широте Санкт-Петербурга, 1 световая зона), в условиях максимально приближенным к производственным. Ранее 2013-2014 гг. и речи не было о каком-либо использовании LED-светильников севернее 55° с.ш. (у нас соответствует широте Москвы, 3 световая зона) в зимнее время! Степень оснащённости опытного тепличного комплекса Natural Resources Centre Finland в Пикке превосходит аналогичный комплекс в голландском Вагенигене. Разумеется, никаких «студентов» там не было, к планированию и проведению экспериментов был привлечен датчанин К.-О. Оттосен (известный исследователь фотосинтеза и разработчик алгоритмов светозависимых подкормок CO2). Два независимых эксперимента проводились в зимнем (19.11 посадка, 09.12 начало и 18.03 конец плодоношения) и летнем обороте (03.05 посадка, 24.05 начало и 29.07 конец плодоношения). Про летний оборот я писать не буду, интересующиеся переведут сами, почему солнечным весной и летом светодиодное досвечивание лучше прочих  .

Почему были применены именно LED+LED-системы Valoya AP67? Как я понимаю, на тот момент это были системы LED-фитосветильников с лучшими характеристиками в Европе (модели Philips до них тогда не дотягивали). А сниженный суммарный PPFD (285 мкмоль/м²/с) против HPS+LED (415 мкмоль/м²/с) и HPS+HPS (380 мкмоль/м²/с) объясняется, на мой взгляд, во-первых, отсутствием иных достойных вариантов для комбинации; а во-вторых, хотели опытным путём проверить навязчивую идею технарей, что некий удачно подобранный, «эффективный» спектральный состав падающего света может заменить существенное уменьшение облучённости (PPFD) – конечно, при условии повышенного содержания CO2 в воздухе. Про частичную компенсацию облученности повышенным содержанием CO2 известно уже лет сто, и данный способ «по умолчанию» используется повсеместно в производственных условиях при выращивании томата и огурца без досвечивания. Поэтому в экспериментах применялся постоянно высокий уровень углекислого газа – чуть более 1000 ppm (0,1%) .

Биологические результаты исследований показали, что вариант HPS+LED в условиях зимнего культивирования был более подходящим решением, чем варианты HPS+HPS и LED+LED для структуры растений, их физиологического функционирования и урожайности. Зимой, когда верхняя часть теплицы интенсивно охлаждается, высокий уровень ИК-радиации от верхних ДНАТ положительно влияет на метаболизм листьев и плодов.

Был получен интересный, с научной точки зрения, результат: LUE оказался на 25-35% выше при LED+LED, чем на HPS+HPS (в среднем, 29,0 к 22,2 г/моль по расчётам авторов; 20,1 к 17,5 г/моль по моим расчётам). Предполагается, что различные значения LUE могут частично отражать различия в использовании растениями ФАР-спектров и/или особенностями геометрического распределения света в ценозе. Но, как и следовало ожидать, пониженную облучённость (PPFD) «фирменным» спектральным распределением от Valoya полностью заменить не удалось даже при высоком уровне CO2. Урожайность в LED+LED варианте оказалась намного меньше – закон сохранения энергии не обмануть. Нетто-фотосинтез листьев зафиксирован самым большим в варианте HPS+LED – по мнению авторов, листья огурца использовали длины волн обоих типов ламп более эффективно, чем в других вариантах.

Расход электроэнергии действительно на 20-25% ниже в варианте LED+LED. Однако в этом варианте рост огуречных плодов замедлялся к середине зимы, и нагрев необходимо было увеличить, чтобы компенсировать низкую тепловую мощность от светодиодного освещения. Эти факторы привели к значительному увеличению потребления тепловой энергии в варианте LED+LED. Подробные экономические выкладки не привожу, поскольку в Финляндии были свои местные тарифы на тепло и электроэнергию, причем дифференцированные по времени суток. Самые важные технико-экономические итоги исследования я свёл в таблицу:

Табличные данные однозначно показывают: для экономического анализа каждой технологии выращивания очень важен РАЗДЕЛЬНЫЙ учёт стоимости электро- и теплопотребления (и по площади теплицы, и по валовому урожаю)! Так, вся экономия электроэнергии LED-светильниками может сводиться к нулю перерасходом тепловой энергии холодной тёмной зимой. Для огурца в высоких теплицах, похоже, это однозначно, а как для томата?

 Суть в том, что современные модели ДНАТ верхнего света продуцируют ~10% конвективного тепла (нагретый воздух, поднимающийся вверх), ~50% радиационного тепла (ИК-излучение, преимущественно направленное вниз) и ~40% оптического излучения (ФАР). Лучшие же модели мощных LED-светильников верхнего света продуцируют ~35% конвективного тепла (нагретый воздух, всегда поднимающийся вверх), ~15% радиационного тепла (ИК-излучение, направленное во все стороны) и ~50% оптического излучения (ФАР).

Таким образом, в высоких теплицах северных регионов весьма проблематично использовать LED-светильники верхнего света в зимнем обороте (ноябрь – март). Агро- и техническая особенность оборудования – большое выделение потока конвективного тепла вверх, вместо радиационного вниз и/или в стороны – пока является неустранимым недостатком конструкции. Вместо прогрева растений направленным инфракрасным излучением от точки роста до корней (по сути, всего полезного объёма теплицы), активной стимуляции ростовых процессов и фотосинтеза, верхний LED-светильник восходящими тепловыми потоками греет крышу, где и без того установлены регистры кровельного обогрева. И как не увеличивай у светодиода число излучаемых мкмолей на 1 Вт, соотношение ФАР/ИК_рад./E_конв. у светильника в целом не сильно изменится. Замечу, что добавлять светодиоды с направленным ИК-излучением нерационально – у изделия потеряется преимущество энергоэффективности.

Тем не менее, у ценозных моделей LED-светильников есть большое достоинство – их можно располагать вплотную к растениям, и это не приводит к перегреву листьев и снижению их фотосинтезирующей способности. Также подобные модели хорошо выполняют функцию «ростовой трубы» – обеспечивают местный (зональный) подогрев воздуха. Доказана их прекрасная сочетаемость (биологическая, техническая и экономическая) с мощными ДНАТ верхнего света в условиях зимнего оборота.

Источники:
«Energy efficiency of greenhouse cucumber production under LED and HPS lighting», на 6 стр. –доклад исследователей на GreenSys-2015 (Португалия). Официально опубликован только в ноябре 2017 г., но основные итоги исследования, по крайней мере в Москве, широко известны в узких кругах уже года три.

«LED-valaistuksen tehokkuus kasvihuone-kurkun viljelyssä» – полный Отчёт Natural Resources Centre, на 53 стр; опубликован тоже в конце 2017 г.. Подробное, образцово оформленное издание на финском языке, заголовки таблиц и графиков продублированы на шведском. Есть очень краткое резюме на английском.

«Эффективность досвечивания» – мой перерасчёт LUE по оригиналу Отчёта. Почему-то получается меньше, чем в англоязычном докладе, но всё равно в несколько раз больше, чем у Георгия (который перепутал урожайность в [кг/м²] с [кг/растение], и не умножил свои цифры на плотность посадки). Можно не смотреть.

Эффективность досвечивания.xls

Energy efficiency of greenhouse cucumber production under LED and HPS lighting.pdf

LED-valaistuksen tehokkuus kasvihuonekurkun viljelyssä.pdf

В 07.03.2018 в 04:21, Ditto сказал:

Но в России при -20 градусов снаружи томат растёт великолепно

В 07.03.2018 в 04:34, Ditto сказал:

И в Латвии 2 недели с -10 до -25 градусов огурец на 100% диодах себя чувствует великолепно.

Никто не ставит под сомнение, что под 100% LED-облучением растения огурца и томата неплохо себя чувствуют, и можно получить достаточно высокий урожай. (Особенно в экспериментальных условиях, где за каждым растением особый уход .) Также изначально была очевидна энергоэффективность светодиодных светильников по сравнению с ДНАТ – по потреблению электроэнергии (реально ~20%).

Проблема главным образом в экономике: даже в экспериментальных условиях вся экономия электроэнергии LED-светильниками сводится к нулю перерасходом тепловой энергии холодной тёмной зимой. И пока не получается добиться такого повышения урожайности огурца, чтобы в приемлимые сроки в 1-3 световой зоне России (выше 55° с.ш.) окупить сверхдорогое оборудование что Valoya, что Philips, и также модернизацию системы обогрева.

Мы видим "технологическую демонстрацию" (англ. tech demo), которая организована с целью продемонстрировать перспективное оборудование, но без приемлимого технико-экономического обоснования для применения в 1-3 световых зонах России.