Vai LED augu apgaismojuma priekšrocības ir acīmredzamākas, palielinoties siltumnīcas izmēram?

1. Tradicionālās augšanas gaismas vs

Pirms apspriest mēroga efektus, ir svarīgi saprast būtiskās atšķirības starp LED tehnoloģiju un tradicionālo apgaismojumu.
Augsta spiediena nātrija (HPS) spuldzes ir dominējušas komerciālajā siltumnīcu apgaismojumā gadu desmitiem ilgi, pateicoties to lielajai gaismas jaudai un salīdzinoši zemajām sākotnējām izmaksām. Tomēr to trūkumi ir labi-zināmi. Standarta 1000 W dubultā -gala HPS armatūra pārvērš tikai aptuveni 30% līdz 38% elektroenerģijas fotosintētiski aktīvajā starojumā (PAR). Pārējais tiek zaudēts siltuma un infrasarkanā starojuma veidā. Tas rada dubultu izmaksu slogu: izšķērdēta enerģija siltuma ražošanā un nepieciešamība pēc papildu HVAC sistēmām, lai noņemtu lieko siltumu no augošās vides.
Turpretim energoefektīvi augšanas lukturi (īpaši gaismas diodes) no 40% līdz 60% ieejas enerģijas pārvērš izmantojamā PAR, un augstākā līmeņa produkti tagad pārsniedz 3,0 µmol/J. Saskaņā ar ASV Enerģētikas departamenta dārzkopības apgaismojuma ziņojumiem pēdējo piecu gadu laikā komerciālo LED augšanas spuldžu efektivitāte ir uzlabojusies par vairāk nekā 40% - — tas ir lēciens, kam tradicionālās tehnoloģijas nevar līdzināties.
Mazajiem audzētājiem, kuri izmanto tikai desmit armatūras, šīs atšķirības ir svarīgas. Operatoriem, kas izmanto tūkstošiem iekārtu vairākās ražošanas zonās, šīs atšķirības tieši nosaka rentabilitāti.

2. Trīs galvenie mehānismi, kas pastiprina LED priekšrocības mērogā

1 Enerģijas izmaksu ietaupījumi pieaug lineāri -, bet infrastruktūras ietaupījumi aug ātrāk

Apsveriet iespēju veikt vidēja lieluma -komerciālu darbību, lai aizstātu 500 1000W HPS spuldzes ar līdzvērtīgām 650 W LED lampām. Katra lampa tieši ietaupa 350 W. Darbojoties 16 stundas dienā par cenu 0,10 USD par kWh, ikgadējais elektroenerģijas ietaupījums vien var pārsniegt USD 102 000.
Patiesais saliktā materiāla ieguvums rodas no samazinātas siltuma ražošanas. Liela mēroga HPS iekārtām ir nepieciešamas proporcionāli lielas HVAC sistēmas - dzesētāji, cauruļvadu sistēmas un vadības ierīces -, kuru kapitāla un ekspluatācijas izmaksas palielinās līdz ar iekārtu mēroga paplašināšanos. Pētījumā, kas publicēts Biosystems Engineering (2021) par 10 000 kvadrātmetru lielu tomātu siltumnīcu Nīderlandē, konstatēts, ka pāreja uz LED var samazināt HVAC sistēmu slodzi par 22%, tādējādi papildus tiešajam apgaismojumam ietaupot aptuveni 38 000 eiro gadā. Nelielā mērogā HVAC ietaupījumi nav būtiski. Lielā komerciālā mērogā tie var būt līdzvērtīgi paša apgaismojuma ietaupījumiem vai pat pārsniegt tos.

2 Siltuma pārvaldība mērogā: no noderīga līdz kritiskam riskam

Mazās siltumnīcās apgaismojuma radīto lieko siltumu dažkārt var pārvaldīt pasīvi, un tas var pat dot labumu kultūrām aukstā klimatā. Tomēr lielās daudzlīmeņu vertikālās fermās vai slēgtās kontrolētās vides lauksaimniecības (CEA) iekārtās tradicionālo spuldžu radītais karstums kļūst par nopietnu ražošanas risku. Nojumes temperatūra virs 28–30 grādiem nomāc fotosintēzi un paātrina daudzu kultūru ziedēšanu, samazinot gan ražu, gan kvalitāti. Pilna spektra augšanas gaismas, kuru pamatā ir LED tehnoloģija, rada par 50% līdz 70% mazāk izstarotā siltuma uz vienu PAR vienību. Lielā mērogā tas nozīmē mazākas un vienkāršākas dzesēšanas sistēmas, mazāk klimata traucējumu karstuma viļņu laikā un iespēju novietot armatūras daudz tuvāk augu nojumei (parasti 20–40 cm), neradot vieglu apdegumu. Ciešāka izvietošana ievērojami uzlabo PPFD (fotosintētisko fotonu plūsmas blīvuma) efektivitāti un samazina nepieciešamo ķermeņu skaitu uz kvadrātmetru.

3 Vienmērīga gaismas sadale un vairāku{1}}līmeņu integrācija

Armatūras fiziskajai ģeometrijai ir tikpat liela nozīme kā tehnoloģijai. Lineārie ķermeņi, piemēram, dubultās-rindas T8 LED augšanas gaismas lampas, ir izcilas daudzlīmeņu plauktu sistēmās -, kas ir dominējošā konfigurācija lielās vertikālās fermās un stādu stādījumos. To plānais profils nodrošina vienmērīgu gaismas sadalījumu pa platiem augšanas soliem, samazinot karstos punktus un tumšās zonas, kurām pretējā gadījumā būtu nepieciešama bieža augu rotācija.
Lielās iekārtās šī vienveidība tieši izpaužas konsekventā ražas kvalitātē tūkstošiem kvadrātpēdu nojumes. 2020. gada izmēģinājums, ko veica Wageningen University & Research, parādīja, ka pāreja uz vienotiem LED stieņu blokiem salātu stādu iekārtās uzlaboja galvas svara konsistenci par 11%, salīdzinot ar punktveida -avota HPS gaismām. Šis uzlabojums ievērojami uzlabojas, novācot desmitiem tūkstošu augu vienā ciklā.
3. Dati: kā skaitļi atklāj mērogu un IA

Šādi dati iegūti no autoritatīviem nozares pētījumiem un ziņojumiem:
·Atmaksas periods pēc mēroga: Renselāras Politehniskā institūta Apgaismojuma pētniecības centrs (LRC) lēš, ka LED apgaismojuma atmaksāšanās periods mazām siltumnīcām ir 4–6 gadi (<500 m²), 2.5–4 years for mid-sized facilities (500–2,000 m²), and 1.5–2.5 years for large commercial operations (>2000 m²). Lielāks mērogs nodrošina ātrāku IA, pateicoties lielākam absolūtajam ietaupījumam un labākai piekļuvei komunālo pakalpojumu stimuliem.
· Tirgus izaugsmes apstiprināšana: globālā komerciālā augošā vieglā tirgus vērtība 2024. gadā bija aptuveni 6,26 miljardi USD, un tiek prognozēts, ka līdz 2033. gadam tas sasniegs 29,12 miljardus USD, pieaugot par 18,9% CAGR. Šajā paplašināšanā dominē LED risinājumi, īpaši telpās, kas lielākas par 1000 m².
·Efektivitātes kritēriji: saskaņā ar DesignLights Consortium (DLC) dārzkopībai kvalificēto produktu sarakstu, komunālo pakalpojumu atlaižu minimālā efektivitāte Ziemeļamerikā ir 2,1 µmol/J. Daudzas komerciālas -klases LED ķermeņi tagad pārsniedz 3,0 µmol/J -, kas ir HPS tehnoloģija nesasniedzams veiktspējas līmenis.
· Spektra kontroles ietekme: USDA Lauksaimniecības pētījumu dienesta 2022. gada meta-analīzē 34 pētījumos atklājās, ka noskaņojami sarkanā/zilā/tālā{3}}sarkanā pilna spektra augšanas gaismas risinājumi palielināja lapu zaļumu, garšaugu un zemeņu tirgojamo ražu vidēji par 18%, salīdzinot ar fiksētā{5}}spektra HPS. Šis ieguvums kļūst ekonomiski nozīmīgs tikai komerciālā mērogā.
4. Kā izvēlēties pareizo LED apgaismojuma sistēmu lielām siltumnīcām

IzvēlotiesT8 pilna spektra LED augšanas gaismasietver vairākus savstarpēji saistītus parametrus:
·Krop{0}}Īpašais mērķa PPFD: lapu zaļumiem parasti ir nepieciešams 150–250 µmol/m²/s; augļaugiem, piemēram, tomātiem un pipariem, nepieciešams 400–700 µmol/m²/s. Lielām telpām vajadzētu zonēt apgaismojuma plānus, lai izvairītos no pārmērīga- vai nepietiekama-apgaismojuma.
· Armatūras atstatums un montāžas augstums: Lineārie ķermeņi (tostarp divu -rindu T8 konfigurācijas) parasti tiek uzstādīti 30–60 cm virs nojumes daudzlīmeņu sistēmās. Atstatuma aprēķiniem jānodrošina vismaz 50% vienmērīguma attiecība (minimālais PPFD pret vidējo PPFD uz augšanas virsmas).
· Viedās vadības integrācija: manuāla plānošana ir nepraktiska mērogā. Svarīgas ir viedās siltumnīcu apgaismojuma sistēmas, kurās ir integrēti dienasgaismas ražas novākšanas sensori, ražas{1}}aptumšošanas protokoli un pieprasījuma{2}}reaģēšanas iespējas. Pētījumi liecina, ka automātiskā aptumšošana vien var samazināt apgaismojuma enerģijas patēriņu gadā par 12–18%.
· Termiskā pārvaldība: slēgtām CEA vidēm izvēlieties armatūras ar alumīnija radiatoriem un pasīvo vai aktīvo dzesēšanu, kas paredzētas nepārtrauktai darbībai līdz 40 grādiem 18+ stundas.
5. IA salīdzinājums pēc siltumnīcu skalas

Avoti: LRC, ASV Enerģētikas dārzkopības apgaismojuma ziņojumi, Vāgeningenas universitātes gadījumu izpēte. Tendence ir skaidra: jo lielāka ir iekārta, jo ātrāka ir investīciju atdeve LED siltumnīcu apgaismojumā un lielākas darbības priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām tehnoloģijām.

6. Bieži uzdotie jautājumi

Vai LED augšanas gaismas ir piemērotas visu veidu komerciālai augkopībai?
Jā, īpašipilna spektra augšanas gaismaskas var simulēt dabisko saules gaismu. Tomēr dažām speciālajām kultūrām ar ārkārtīgi augstām ikdienas gaismas integrācijas (DLI) prasībām joprojām var būt vajadzīgas papildu stratēģijas.

Cik stundas dienā LED gaismām vajadzētu darboties lielā siltumnīcā?
Lielākā daļa komerciālo siltumnīcu nosaka DLI 17–30 mol/m²/dienā atkarībā no ražas. Ar 16 stundu fotoperiodu armatūras masīvam parasti ir jānodrošina 300–520 µmol/m²/s PPFD.

Vai LED un HPS gaismas var sajaukt lielās telpās?
Pakāpeniska pāreja ir tehniski iespējama, taču ilgstoša sajaukšana-nav ieteicama. Jauktas sistēmas sarežģī temperatūras kontroli un apgrūtina vienmērīgu spektra optimizāciju.

Pierādījumi ir pārliecinoši: palielinoties siltumnīcas platībai, LED augu apgaismojuma priekšrocības nevis vājināsies, bet gan paātrināsies. Enerģijas-taupīšanas efekts palielinās lineāri, palielinoties lampu skaitam, siltuma pārvaldības izmaksas ir ievērojami samazinātas attiecībā pret ražu, vienmērīgs apgaismojums uzlabo ražas konsistenci, un viedā siltumnīcas apgaismojuma sistēma atbrīvo darbības efektivitāti, ko nevar sasniegt mazā mērogā.

Ražotājiem, kuri plāno būvēt liela mēroga -komerciālas enerģijas taupīšanas-iekārtas vai paplašināt esošās siltumnīcas, LED investīciju priekšrocības ir precīzi atspoguļotas apgabalos ar vislielākajiem kapitālieguldījumiem. Dati atbalsta izlēmīgu rīcību.

Ja novērtējat LED sistēmas komerciāliem vai liela mēroga siltumnīcu projektiem, ieteicams konsultēties ar sertificētu dārzkopības apgaismojuma speciālistu un pieprasīt fotometriskas simulācijas konkrētiem izkārtojumiem. Izvēlieties pareizos komerciālos augu apgaismojumus, lai radītu lielāku vērtību katram kvadrātmetram.

Atsauces materiāli un avoti
Grand View pētījums - Dārzkopības apgaismojuma tirgus lieluma, daļas un tendenču analīzes ziņojums (2024–2033)

https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/horticulture-apgaismojuma-tirgus-pārskats

Renselāras Politehniskā institūta apgaismojuma pētniecības centrs - LED atmaksāšanās perioda analīze dārzkopības iekārtām

https://www.lrc.rpi.edu/

Biosistēmu inženierijas žurnāls - LED apgaismojuma enerģijas ietaupījums lielās holandiešu siltumnīcās (2021)

DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2021.04.002