MD3800988T2 - Metodă și dispozitiv pentru cultivarea culturilor - Google Patents

Abstract

Într-o unitate, o cultură este cultivată într-un mediu, cel puţin în mare parte fără lumină naturală, prin care cultura este expusă la lumină artificială actinică provenită de la o serie de surse de lumină artificială prezente în camera de cultivare, cel puţin în partea principală a unei zone de cultivare complet condiţionate (10) (30). În timpul unui ciclu de cultivare, o producţie de energie de la sursele de lumină artificială (30) este corelată cu un aport de energie dintr-o parte a culturii iluminată de acestea (50), astfel încât cultura să fie aproape de fiecare dintre sursele de lumină artificială cel puţin aproape constant şi cel puţin aproape egal unul cu celălalt.

Description

Prezenta invenţie se referă la o metodă de cultivare a unei culturi, în special într-un mediu cel puţin substanţial lipsit de lumină naturală. Invenţia se referă, de asemenea, la un dispozitiv pentru producerea de culturi, în special într-un mediu cel puţin substanţial lipsit de lumină naturală.

O astfel de metodă şi dispozitiv sunt cunoscute, de exemplu, din brevetul american SUA 9.357.718. Acolo este descris un mediu de cultivare în care cultura este supusă într-un mediu condiţionat unui climat de cultivare în mare măsură controlat. În plus de aer condiţionat, acest climat cuprinde, de asemenea, expunerea la un spectru de lumină adaptat cu radiaţii fotoactive (PAR).

Brevetul german DE 10 2016 222 326 dezvăluie o cameră închisă în care cultura este cultivată pe mai multe niveluri. Cultura este iluminată cu lumină artificială şi un flux de aer circulă prin spaţiul de cultivare. Vaporii absorbiţi de fluxul de aer în traiectul de la un perete al spaţiului de cultivare la un perete opus creşte conţinutul de vapori din aer, dar sunt în cele din urmă re-eliberaţi prin condensare la peretele opus, care este răcit în acest scop. Apa reţinută este reutilizată pentru irigarea culturii.

Corpurile de iluminat aplicate frecvent în prezent utilizează iluminatul cu LED pentru a furniza spectrul de lumină. Deşi eficienţa iluminatului din prezentul document este de multe ori mai mare decât cea a lămpilor convenţionale şi tradiţionale cu descărcare în gaz, astfel de corpuri de iluminat cu LED produc încă o cantitate considerabilă de căldură în plus faţă de radiaţia fotoactivă (PAR). Această căldură este parţial antrenată de un flux de aer direcţionat prin spaţiul de cultivare, ceea ce nu modifică faptul că temperatura spaţiului va creşte mai mult sau mai puţin treptat în aval. Umiditatea relativă a aerului scade, iar cultura va putea să se evapore mai mult. Deşi această temperatură crescută a spaţiului are ca rezultat o dezvoltare (creştere) mai rapidă a culturii la nivel local, este în sine de nedorit, deoarece un conţinut de substanţe constituente solide scade astfel sub nivelul dorit şi nu poate fi garantată uniformitatea pe întreaga suprafaţă de cultivare când suprafaţa de cultivare este mărită excesiv.

În plus, fotosinteza culturilor în cultivarea convenţională fără lumină naturală impune, de asemenea, limite asupra eficienţei maxime a unui spaţiu sau a unei celule de cultivare. Acest lucru se datorează faptului că, pe lângă faptul că depinde de lumina PAR furnizată, fotosinteza depinde şi de absorbţia dioxidului de carbon de către cultură. Există totuşi limite la îmbogăţirea aerului înconjurător cu dioxid de carbon, fiind la un nivel de ordinul a 1500-2000 ppm. Dincolo de acest nivel, dezvoltarea culturilor este afectată negativ de concentraţia ridicată de dioxid de carbon. O cantitate crescută de dioxid de carbon pentru cultură, de dorit pentru îmbunătăţirea fotosintezei, necesită, prin urmare, un flux de aer peste cultură, care are întotdeauna o cantitate proaspătă de dioxid de carbon sub această limită maximă.

Pentru absorbţia dioxidului de carbon, stomatele din frunză trebuie totuşi să se deschidă, ceea ce va duce, de asemenea, la mai multă evaporare şi, prin urmare, la pierderea umidităţii (deshidratare). Efectul devine mai puternic pe măsură ce creşte viteza aerului peste cultură. În cele din urmă, cultura poate „arde», ceea ce, desigur, trebuie evitat. Prin urmare, un mediu de cultivare convenţional impune limite semnificative asupra vitezei maxime a aerului peste cultură şi, prin urmare, asupra dimensiunii maxime la care iniţiativele întreprinse până acum pentru cultivarea culturilor fără lumină naturală şi complet condiţionate pot fi realizate în practică.

Dacă fluxul de aer este recirculat, este, de asemenea, utilizată frecvent în proiectele agricole de interior cunoscute o instalaţie substanţială de dezumidificare pentru a extrage un exces de vapori de apă din aer înainte ca aerul să fie ghidat înapoi în spaţiul de cultivare. Necesită o cantitate considerabilă de energie suplimentară, care, la rândul ei, compensează în mare măsură sau chiar în întregime valoarea unei posibile creşteri a producţiei mediului de cultivare.

Prezenta invenţie are ca obiect, printre altele, să ofere o metodă şi un dispozitiv pentru cultivarea condiţionată a culturilor care să evite în cel puţin o măsură semnificativă aceste limite şi altele pentru o scalare suplimentară a procesului.

Pentru a atinge obiectul declarat, prezenta invenţie oferă o metodă de cultivare a unei culturi, în special într-un mediu cel puţin substanţial lipsit de lumină naturală, mediul menţionat cuprinzând un spaţiu de cultivare cel puţin substanţial complet condiţionat, o intrare de aer şi o ieşire de aer pentru direcţionarea unui flux de aer cel puţin substanţial laminar prin spaţiul de cultivare menţionat şi cuprinzând o serie de surse de lumină artificială într-o direcţie între intrarea de aer menţionată şi ieşirea de aer menţionată, în care cultura este expusă în spaţiul de cultivare menţionat cel puţin substanţial condiţionat la lumină artificială actinică, cuprinzând în special radiaţii active fotosintetic (PAR), emise de o sursă de lumină artificială din reţeaua menţionată de surse de lumină artificială prezente în spaţiul de cultivare, în care un flux de aer cel puţin substanţial laminar este direcţionat prin spaţiul de cultivare menţionat în direcţia menţionată de la intrarea de aer menţionată la ieşirea de aer menţionată şi în care, în timpul unui ciclu de cultivare, o putere de ieşire a surselor de lumină artificială este adaptată la o absorbţie de energie a unei părţi a culturii iluminate astfel încât cultura din apropierea fiecărei surse de lumină artificială din reţeaua menţionată de surse de lumină artificială să fie supusă unui deficit de vapori cel puţin substanţial constant şi cel puţin substanţial egal. Scopul aici, în contextul invenţiei, este un deficit de vapori menţinut constant în limita a 5% şi, de preferinţă, în limita a 2,5% din valoarea medie (exprimată în g/kg) pe întregul mediu de cultivare.

Într-un alt aspect, prezenta invenţie oferă un dispozitiv pentru producerea de culturi (50), în special într-un mediu cel puţin substanţial lipsit de lumină naturală, cuprinzând un spaţiu de cultivare cel puţin substanţial complet condiţionat între o intrare de aer şi o ieşire de aer pentru un flux de aer cel puţin substanţial laminar, cuprinzând o instalaţie de tratare a aerului pentru menţinerea şi, dacă se doreşte, tratarea fluxului de aer laminar menţionat, cuprinzând o serie de corpuri de iluminat într-o direcţie între intrarea de aer menţionată şi ieşirea de aer menţionată, în care corpurile de iluminat menţionate sunt prezente în spaţiul de cultivare şi cuprind una sau mai multe surse de lumină artificială care sunt capabile şi configurate să genereze lumină artificială actinică, cuprinzând în special radiaţii active fotosintetic (PAR), şi să expună cultura la ele şi în care fiecare dintre corpurile de iluminat este prevăzut cu mijloace de răcire controlabile cu care o putere de ieşire a surselor de lumină artificială poate fi adaptată în timpul unui ciclu de cultivare la o absorbţie de energie a unei părţi a culturii iluminate astfel încât cultura din apropierea fiecărui corp de iluminat al reţelei de corpuri de iluminat este supusă unui deficit de vapori cel puţin substanţial constant. În acest context, deficitul de vapori este considerat cel puţin substanţial constant şi cel puţin substanţial egal când variază cu mai puţin de 5% şi, de preferinţă, cu mai puţin de 2,5% din valoarea medie (exprimată în g/kg) în întregul mediu de cultivare.

Deficitul de umiditate menţionat este înţeles în acest context ca însemnând o diferenţă între presiunea parţială efectivă a vaporilor de apă din atmosferă şi presiunea parţială maximă a vaporilor la temperatura predominantă a spaţiului, adică diferenţa dintre conţinutul real de apă din aer şi conţinutul maxim de vapori de apă din aer la saturaţie (exprimată în g/kg). Este o măsură pentru cantitatea de apă (vapori) pe care aerul ambiant o poate absorbi încă la temperatura predominantă. Este, în esenţă, deficitul de umiditate la care este supusă cultura la temperatura predominantă. Se observă aici că deficitul de vapori controlat cu prezenta invenţie nu trebuie confundat cu umiditatea relativă a aerului, care este definită ca procentul de conţinut real de umiditate al aerului în raport cu un conţinut maxim de umiditate la o temperatură ambiantă predominantă. Deşi, conform invenţiei, deficitul de vapori din spaţiu este întotdeauna constant, nu este necesar să se aplice cel puţin pentru umiditatea aerului din spaţiu.

Gradul de schimb de oxigen, dioxid de carbon şi vapori de apă între cavitatea substomatală şi atmosferă este reglat în mod natural de poziţia stomatelor (porilor) pe frunza unei plante. Când atmosfera poate absorbi o cantitate mare de vapori de apă, stomatele se vor închide parţial sau total pentru a preveni cât mai bine posibil deshidratarea sau chiar arderea. „Capacitatea de aspiraţie» a atmosferei este determinată de o combinaţie a vitezei fluxului de aer şi a deficitului de vapori. Conform invenţiei, această acţiune de aspiraţie exercitată asupra culturii de către atmosferă este menţinută constantă în limite acceptabile în tot spaţiul de cultivare sau o parte a acestuia destinată scopului. Conferă un control suplimentar semnificativ al dezvoltării culturilor, ceea ce, printre alţi factori, face posibilă o creştere considerabilă a dimensiunii maxime la scară a spaţiului de cultivare.

Invenţia se bazează aici pe înţelegerea faptului că o scalare suplimentară a unei metode şi a unui mediu de cultivare de tipul descris în preambul nu este limitată doar de o creştere treptată a temperaturii, ci şi de evaporarea din cultură, cel puţin la fel de mult. Echilibrul fotomorfogen al culturii este în cele din urmă limitat de gradul de absorbţie a dioxidului de carbon şi de evaporarea asociată cu o deschidere mai mare sau mai mică a stomatelor. Ca urmare, fie fotosinteza culturii nu mai poate ţine pasul cu viteza de creştere, ceea ce duce la pierderea nedorită a calităţii, fie există o pierdere de umiditate atât de mare prin evaporare încât cultura se deshidratează şi, în caz extrem, chiar se arde.

Cu toate acestea, deoarece, conform invenţiei, deficitul de vapori din spaţiul de cultivare este ţinut sub control, evaporarea în cultură este controlată peste tot la scară mare şi, s-a constatat, într-o măsură suficientă, astfel încât să se poată atinge un nivel mai ridicat de fotosinteză fără deteriorări prin deshidratare. Rezultatul este o posibilitate mai mare, limitată doar de factori tehnici, de dimensionare şi scalare suplimentară a mediului de cultivare, prin care investiţiile necesare în echipamente şi lucrări de construcţii pot fi compensate cu un randament mai mare, rezultând o creştere considerabilă a eficienţei economice a acestei forme de horticultură, denumită şi agricultură de interior.

Datorită unei generări inevitabile de căldură de la corpurile de iluminat tradiţionale, dar şi pe bază de LED-uri, proiectele convenţionale de agricultură de interior, aşa cum sunt descrise în preambul, necesită instalaţii de răcire de mare capacitate pentru a menţine temperatura spaţială din spaţiul de cultivare în limite acceptabile. În acest sens, un flux de aer este de obicei direcţionat prin spaţiul de cultivare şi peste corpurile de iluminat şi poate să absoarbă căldura de la corpurile de iluminat şi să o descarce în afara spaţiului de cultivare. Acolo, aerul este trecut printr-un schimbător de căldură, denumit de obicei baterie rece, care coboară temperatura aerului la un nivel dorit.

Un dezavantaj al unei astfel de metode este însă că, în practică, având în vedere spaţiul disponibil, sunt de obicei aplicate în acest scop baterii reci, ceea ce nu numai că duce, pe o suprafaţă schimbătoare de căldură cu aerul în trecere, la o scădere a temperaturii aerului, dar şi la dezumidificare prin condensare. Iar dezumidificarea nu este întotdeauna de dorit în practică, deoarece o astfel de dezumidificare puternică duce la un deficit ridicat de vapori, iar stomatele se vor închide şi va scădea absorbţia dioxidului de carbon şi, prin urmare, nivelul de fotosinteză. Prin dezumidificare excesivă se pierde apoi apă valoroasă dacă nu poate fi reutilizată, iar aceasta necesită o cantitate relativ mare de energie de răcire şi este, de asemenea, necesară la reumidificarea aerului înainte de a returna fluxul de aer în spaţiul de cultivare.

O variantă de realizare preferată a metodei conform invenţiei are, prin urmare, caracteristica că o atmosferă a spaţiului de cultivare este supusă unui tratament al aerului în care o temperatură a atmosferei este menţinută deasupra unui punct de rouă a acesteia. Pierderea nedorită de umiditate este astfel împiedicată ca urmare a răcirii, prin care nu va fi necesară reumidificarea aerului sau va fi necesară cel puţin într-o măsură considerabil mai mică pentru a menţine deficitul de vapori uniform intenţionat în spaţiul de cultivare. O variantă particulară de realizare a dispozitivului conform invenţiei are caracteristica că instalaţia de tratare a aerului cuprinde un dispozitiv de răcire, în special o baterie rece, care este prevăzută cu un colector de condens. Când, în acest caz, umiditatea este oricum extrasă din aerul circulant, umiditatea condensată poate fi astfel reutilizată şi este posibil să se evite pierderea ei. Prin urmare, o umiditate prea mare a aerului poate fi redusă la un nivel dorit prin condensare forţată.

Deoarece cultura va putea să evapore într-o măsură tot mai mare în timpul dezvoltării sistemului de frunze, conţinutul de umiditate din atmosferă va creşte, de obicei, pe măsură ce cultura dezvoltă mai multe frunze. În acelaşi timp, pentru procesul fizic de evaporare este necesară căldura care va fi extrasă din mediu de către cultură. Ambele efecte împreună au ca rezultat o creştere a umidităţii aerului local şi, prin urmare, o scădere a deficitului de umiditate din cultură.

Pentru a menţine totuşi deficitul de vapori la nivelul dorit constant şi cel puţin substanţial reciproc uniform, o altă variantă de realizare preferată a metodei conform invenţiei are caracteristica că o putere de ieşire a cel puţin unei surse de lumină artificială este adaptată la o evaporare şi o absorbţie de energie a unei părţi a culturii iluminate astfel. Când cultura are mai puţine frunze şi, prin urmare, o suprafaţă de asimilare şi evaporare mai mică, puterea de ieşire a sursei de lumină artificială va fi, de exemplu, redusă astfel încât să nu permită creşterea inacceptabilă a temperaturii ambiante, în timp ce, în cazul unui sistem de frunze mai voluminos şi, deci, al unei suprafeţe mai mari de asimilare şi evaporare, energia de evaporare extrasă astfel din mediu poate fi suplimentată de la sursa de lumină artificială. Per ansamblu, echilibrul termic termodinamic net al iluminării şi evaporării frunzelor poate fi astfel adaptat astfel încât deficitul de vapori să fie menţinut la un nivel dorit.

Ţinând cont de acest fapt, o altă variantă de realizare preferată a metodei conform invenţiei are caracteristica că cel puţin o sursă de lumină artificială este prevăzută cu o răcire controlabilă, a cărei capacitate de răcire este adaptată la o rezultantă a puterii de ieşire a sursei de lumină artificială şi a absorbţiei de energie a culturii. O astfel de răcire oferă aici opţiunea de a adapta cu precizie disiparea finală a căldurii sursei de lumină artificială în mediu la echilibrul de căldură şi vapori de apă al culturii care se află sub ea, pe parcursul întregului ciclu de cultivare, de la germinare sau tăiere până la recoltare.

O altă variantă de realizare preferată a metodei conform invenţiei are în acest sens caracteristica că corpurile de iluminat sunt răcite în mod controlat pe direcţia fluxului de aer care este cel puţin substanţial laminar pentru a impune sub el, de la un corp de iluminat la altul, o temperatură ambiantă în creştere şi pentru a menţine un gradient de temperatură asociat în spaţiul de cultivare. În timp ce conţinutul real de vapori de apă din aer va creşte în aval ca urmare a evaporării, la temperatura mai ridicată impusă, conţinutul maxim de vapori de apă din aer va creşte proporţional, astfel încât deficitul de vapori rămâne totuşi substanţial constant într-o cale de la o intrare a aerului în spaţiul de cultivare la o ieşire a aerului din spaţiul de cultivare.

O variantă particulară de realizare a metodei şi o variantă particulară de realizare a dispozitivului conform invenţiei au fiecare caracteristica aici că răcirea controlabilă cuprinde o răcire cu lichid, care răcire cu lichid este realizată printr-o circulaţie forţată a unui mediu de răcire lichid în contact schimbător de căldură cu sursele de lumină artificială. O altă variantă de realizare a dispozitivului conform invenţiei are în acest scop caracteristica că mijloacele de răcire cuprind o circulaţie controlată a unui mediu de răcire, care mediu de răcire poate, cel puţin în timpul funcţionării, să intre în contact schimbător de căldură cu cel puţin o sursă de lumină din corpul de iluminat. O variantă de realizare preferată a dispozitivului conform invenţiei are caracteristica aici că are corpul de iluminat prevăzut, opţional, în mod grupat cu o serie de corpuri de iluminat adiacente, cu o răcire şi un controler controlabile individual, adaptate la ele.

O astfel de răcire activă cu lichid poate fi foarte puternică, prin care o generare finală de căldură din corpurile de iluminat este limitată la un nivel acceptabil şi chiar dorit. O posibilă capacitate de răcire în afara spaţiului de cultivare, necesară pentru a restabili un flux de aer circulant la condiţiile de intrare, poate rămâne astfel limitată. Are avantajul important că, în interiorul unei instalaţii de tratare a aerului destinate şi configurate pentru aceasta, o temperatură a tuturor suprafeţelor de contact care interacţionează cu aerul nu trebuie să scadă niciodată sub punctul de rouă al aerului, prin care poate fi împiedicată dezumidificarea nedorită a aerului ca urmare a condensului. Mediul de răcire aplicat pentru răcirea forţată cu lichid intră în contact termodinamic direct cu corpul de iluminat relativ cald, din care iese o descărcare de căldură excepţional de eficientă şi eficace.

Ţinând cont de eficienţa instalaţiei, atât în ceea ce priveşte costul, cât şi spaţiul ocupat, o altă variantă particulară de realizare a metodei şi dispozitivului conform invenţiei are caracteristica că sursele de lumină, opţional în mod grupat şi/sau colectiv, sunt găzduite în corpuri de iluminat, unde corpurile de iluminat sunt fiecare prevăzute opţional în mod grupat cu o răcire cu lichid şi mediul de răcire este adus în contact individual de schimb de căldură cu fiecare dintre corpurile de iluminat. O carcasă colectivă de surse de lumină, precum şi conductele de răcire pentru transportul lichidului în scopul răcirii cu lichid, poate fi astfel ocupată de un grup de surse de lumină. O altă variantă de realizare a dispozitivului conform invenţiei are în acest sens caracteristica că corpul de iluminat este prevăzut, în mod grupat, cu o serie de corpuri de iluminat adiacente, cu o răcire controlabilă şi un controler adaptat la ea, în care corpurile de iluminat adiacente sunt plasate pe o direcţie transversală fluxului de aer laminar.

O altă variantă de realizare particulară a metodei conform invenţiei are caracteristica că răcirea controlabilă cuprinde o răcire cu aer, care răcire cu aer este realizată printr-un flux de aer comun, cel puţin substanţial laminar, în contact schimbător de căldură cu sursa de lumină artificială. În plus faţă de sau în locul unei răciri cu lichid cu un mediu de răcire lichid circulant, această variantă de realizare asigură o răcire cu aer prin intermediul unui flux de aer laminar, în special acelaşi flux de aer laminar care este, de asemenea, direcţionat peste cultură. În plus faţă de asigurarea unei răciri suplimentare, asigură, de asemenea, un contact schimbător de căldură cu acest flux de aer, astfel încât să se menţină constant deficitul de vapori.

Ţinând cont de o implementare practică, o altă variantă de realizare preferată a metodei conform invenţiei are caracteristica că sursele de lumină, opţional în mod grupat şi/sau colectiv, sunt găzduite în corpuri de iluminat şi că fluxul de aer cel puţin substanţial laminar este direcţionat peste şi de-a lungul corpurilor de iluminat, în care, într-o altă variantă de realizare, metoda este caracterizată prin aceea că corpurile de iluminat sunt răcite în mod controlat pe direcţia fluxului de aer cel puţin substanţial laminar pentru a menţine sub acesta, de la un corp de iluminat la altul, un deficit de vapori cel puţin substanţial constant. Prin urmare, există un control complet al schimbului de căldură dintre corpurile de iluminat şi zona înconjurătoare.

În vederea unei capacităţi de răcire suficiente, o altă variantă de realizare a metodei are caracteristica aici că răcirea controlată a corpurilor de iluminat cuprinde o răcire cu aer de-a lungul corpului de iluminat, precum şi o răcire cu lichid cu o circulaţie forţată a unui mediu de răcire lichid în contact termodinamic cel puţin substanţial direct cu corpul de iluminat, în care circulaţia mediului de răcire lichid este controlată în contact schimbător de căldură cu corpul de iluminat pentru a menţine, de la un corp de iluminat la altul, un deficit de vapori cel puţin substanţial constant sub corpul de iluminat.

Se menţionează, de asemenea, că, precum şi printr-o răcire mixtă opţională a corpurilor de iluminat, o generare de căldură de la ele poate fi, de asemenea, reglată şi adaptată prin utilizarea surselor de lumină la o putere mai mică sau mai mare. Utilizarea este astfel avantajos realizată la interiorul domeniului de aplicare al invenţiei de surse de lumină, a căror intensitate poate fi reglată individual sau grupat astfel încât să se regleze sursa de alimentare electrică şi consumul de curent electric. În special în faza iniţială a dezvoltării culturii, sursele de lumină pot fi astfel operate la o putere relativ scăzută, astfel încât să furnizeze totuşi suficientă radiaţie PAR pentru a garanta o fotosinteză optimă.

Pentru o dezvoltare sănătoasă şi optimă a culturii, o altă variantă particulară de realizare a metodei conform invenţiei are caracteristica că deficitul de vapori este stabilit şi menţinut la un nivel cuprins între aproximativ 0,5 şi 6 grame de apă pe kilogram de aer. S-a constatat că un astfel de deficit de vapori în imediata vecinătate a culturii oferă posibilitatea unei viteze mari de dezvoltare a culturii, precum şi crearea de materie uscată ca urmare a fotosintezei. Prin urmare, sunt posibile un randament şi o calitate de neegalat până în prezent.

Se aduce o contribuţie în acest sens, permiţând fluxului de aer, de-a lungul şi prin cultură, libertatea de a creşte fără ca deficitul de vapori să fie afectat negativ. O altă variantă de realizare preferată a metodei conform invenţiei are în acest sens caracteristica că fluxul de aer laminar este direcţionat cu o viteză a fluxului cuprinsă între 15 şi 100 cm/sec. peste şi/sau prin cultură. O variantă particulară de realizare a dispozitivului conform invenţiei are în acest scop caracteristica că instalaţia de tratare a aerului poate şi este configurată să susţină un flux de aer laminar în spaţiul de cultivare, cu o viteză a aerului cuprinsă între 15 şi 100 cm/sec. în timpul funcţionării.

Pentru un schimb bun de dioxid de carbon şi oxigen, stomatele trebuie să se deschidă în combinaţie cu un conţinut suficient de ridicat de dioxid de carbon (de exemplu, de ordinul a 1500-2000 ppm) şi un flux de aer cu o viteză de aproximativ 15 până la 100 cm/sec. Pentru a preveni închiderea (parţială) a stomatelor, astfel încât să se prevină pierderea de umiditate la o astfel de viteză a fluxului de aer, deficitul de vapori trebuie să fie suficient de scăzut. În afară de un mediu de cultivare convenţional, conform prezentei invenţii, este posibil să se controleze cu precizie şi, în special, să se menţină deficitul de vapori între aproximativ 0,5 şi 6,0 g/kg chiar şi la o viteză atât de mare a aerului. O viteză mai mare a aerului are, de asemenea, avantajul că atât diferenţa de temperatură, cât şi diferenţa de deficit de vapori scad între intrarea de aer şi ieşirea de aer, prin care creşte dimensiunea maximă la scară a unei ferme de interior şi, prin urmare, fezabilitatea economică.

Un astfel de flux de aer forţat nu numai că asigură răcirea ca urmare a evaporării apei de către cultură, ci şi o alimentare cu aer proaspăt de recirculare care are în el o cantitate opţional refăcută de dioxid de carbon esenţială în contextul fotosintezei culturii. Acest schimb de dioxid de carbon poate fi ridicat mai sus datorită invenţiei, prin care poate fi mărită producţia şi/sau poate fi scurtat ciclul de cultivare. Acest lucru contribuie în continuare la eficienţa economică şi fezabilitatea economică a unei metode de tipul celei descrise în preambul, adesea denumită agricultură de interior.

Invenţia va fi elucidată în continuare mai jos pe baza unui exemplu de variantă de realizare şi a unui desen însoţitor. În desen:

figura 1 prezintă o vedere laterală schematică a configurării şi construcţiei unei variante de realizare exemplificatoare a unui dispozitiv conform invenţiei; figura 2 prezintă schematic şi numai ilustrativ variaţia de temperatură şi umiditate în aval în fluxul de aer laminar într-un dispozitiv de cultivare convenţional; şi figura 3 prezintă schematic şi numai ilustrativ variaţia temperaturii şi umidităţii în aval în fluxul de aer laminar în dispozitivul de cultivare din figura 1.

Se remarcă faptul că figura este pur schematică şi nu este desenată la scară. În special, unele dimensiuni şi componente pot fi exagerate într-o măsură mai mare sau mai mică din motive de claritate. Piesele corespondente sunt, în general, desemnate cu acelaşi număr de referinţă.

În figura 1 este prezentată schematic o construcţie a unui dispozitiv de cultivare pentru producţia de culturi fără lumină naturală, denumită şi agricultură de interior. Implică un spaţiu de cultivare cel puţin substanţial complet condiţionat 10, denumit de obicei şi cameră climatică sau celulă climatică, în care un climat spaţial este monitorizat cu precizie şi poate fi menţinut constant, dacă se doreşte, în anumite limite. Parametrii climatici care sunt un factor aici, în plus faţă de temperatura spaţiului, sunt o concentraţie de dioxid de carbon şi o umiditate a aerului din spaţiu. Aceşti parametri sunt înregistraţi într-unul sau mai multe puncte de măsurare cu senzori prevăzuţi în acest scop, dar pot, dacă se doreşte, să difere de la un loc la altul în spaţiul de cultivare.

Acesta din urmă este în primul rând un rezultat al unui flux de aer forţat 20 direcţionat prin spaţiul de cultivare. După ce a fost tratat opţional în afara spaţiului 10, acest flux de aer este admis printr-un plenum de admisie 15 şi îşi continuă drumul prin spaţiul de cultivare 10 ca un flux de aer cel puţin substanţial integral laminar şi părăseşte spaţiul de cultivare printr-un plenum de retur 25.

Tratamentul aerului menţionat cuprinde în mod normal răcirea şi umidificarea sau dezumidificarea aerului la o umiditate relativă dorită a aerului.

În spaţiul de cultivare 10 este prezentă o reţea de surse de lumină artificială 30 sub forma unei reţele de corpuri de iluminat cu LED. Ele emit radiaţii active fotosintetic (PAR), care sunt esenţiale pentru fotosinteza şi, prin urmare, dezvoltarea culturii 50, dar care, de asemenea, disipează căldura în spaţiu. O parte va fi schimbată cu fluxul de aer 20, dar va duce, de asemenea, puţin câte puţin, la o creştere locală treptată a temperaturii în spaţiul de cultivare 10. Această creştere a temperaturii este întotdeauna un echilibru net local al căldurii emise de iluminat 30 şi energia absorbită de cultură în scopul evaporării prin frunză, creştere şi fotosinteză şi căldura evacuată prin răcirea cu lichid a corpurilor de iluminat.

Variaţia de temperatură este prezentată schematic în figura 2 sub forma unei curbe A. În cursul dezvoltării culturii şi, prin urmare, al dezvoltării sistemului de frunze, componenta de evaporare va creşte (foarte mult), iar curba A va creşte mai puţin abrupt. Cantitatea de vapori de apă (umiditate) eliberată de frunza culturii 50 este prezentată în mod simplificat în figura 2 sub forma unei diagrame bloc. Blocurile umplute indică aici eliberarea de umiditate din cultură în poziţia părţilor succesive ale culturii 50 pe direcţia fluxului de aer 20 sub corpurile de iluminat respective 30. Blocurile goale indică schematic un deficit local de vapori. Aceasta este diferenţa dintre fracţia reală de vapori de apă din aer şi nivelul de saturaţie Ew la temperatura dată, adică la o umiditate relativă a aerului de 100%.

Din figura 2 va reieşi că puterea de ieşire de la corpurile de iluminat într-un spaţiu de cultivare convenţional duce la o creştere puternică a temperaturii, prin care creşte nivelul de saturaţie Ew şi, prin urmare, deficitul de presiune a vaporilor care afectează cultura. Rezultatul este o evaporare mai puternică, simbolizată în figură prin blocurile cu haşurare închisă la culoare. Valoarea umidităţii relative a aerului RV este, de asemenea, prezentată schematic în fiecare poziţie, prin ilustrare sub forma unei diagrame cu bare.

Conform invenţiei, totuşi, deficienţa de presiune a vaporilor de sub corpurile de iluminat 30 este controlată şi menţinută constantă şi cel puţin substanţial egală în limite înguste. Corpurile de iluminat 30 sunt prevăzute în acest scop cu mijloace de răcire activă controlabile 35. În acest exemplu, implică o răcire forţată prin intermediul unei circulaţii reglate cu un mediu de răcire adecvat, cum ar fi apă, care este adusă în contact schimbător de căldură în mod substanţial direct cu corpul de iluminat 30 printr-un sistem de conducte prin conductele metalice ale sistemului de conducte care intră în contact fizic cu metalul carcasei metalice a corpului de iluminat 30. Sursele de lumină sunt, în plus, cu intensitate reglabilă, unde emisia de lumină PAR poate fi adaptată optim la starea reală de dezvoltare a părţii culturii de dedesubt. Prin diminuarea emisiei PAR, sursele de lumină vor genera, de asemenea, mai puţină putere (căldură), astfel încât, în unele condiţii, este necesară o răcire forţată cu lichid mai puţină sau deloc.

În general, pe parcursul întregului ciclu de cultivare (de ex. de la germinare, răsaduri sau tăiere până la recoltare), o putere de ieşire a surselor de lumină artificială este reglabilă continuu la o absorbţie de energie a unei părţi a culturii de dedesubt, astfel încât cultura este supusă unui deficit de vapori cel puţin substanţial constant şi cel puţin substanţial egal reciproc sub fiecare dintre reţelele de corpuri de iluminat. În practică, înseamnă că temperatura din spaţiul de cultivare creşte mai puţin rapid ca urmare a răcirii cu lichid a corpurilor de iluminat - ceea ce este indicat în figura 2 prin curba B.

Mai precis, prin realizarea, impunerea şi menţinerea unui gradient de temperatură specific în spaţiul de cultivare, deficitul de vapori poate fi controlat cu precizie pe direcţia X şi poate fi menţinut constant şi cel puţin substanţial egal reciproc de la un loc la altul (opţional într-o anumită zonă), conform ilustraţiei din figura 3. Valoarea umidităţii relative a aerului RV în fiecare poziţie este, de asemenea, prezentată schematic, prin ilustrare aici sub forma unei diagrame cu bare. Valoarea de aici este calculată din raportul dintre conţinutul real de umiditate al aerului per poziţie în raport cu conţinutul maxim de umiditate Ew din locaţie. Va fi imediat evident aici - din aceea că, deşi, conform invenţiei, deficitul de vapori este peste tot menţinut cel puţin substanţial egal, nu este necesar să se aplice cel puţin pentru umiditatea relativă a aerului şi, prin urmare, nu este cazul în figură. Dimpotrivă, umiditatea relativă a aerului RV creşte treptat.

Datorită unui flux de aer laminar constant (viteză) în combinaţie cu un deficit de vapori substanţial constant în aer, cultura va fi supusă peste tot în spaţiul de cultivare unui echilibru substanţial constant al vaporilor de apă şi îşi va adapta propria evaporare la acesta, astfel încât va fi la fel peste tot în spaţiul de cultivare. Dacă se doreşte, răcirea corpurilor de iluminat pe o direcţie transversală pe direcţia X a fluxului de aer 20 poate fi efectuată în mod colectiv pentru toate corpurile de iluminat sau în grup, pentru unele dintre ele, ceea ce oferă avantaje din punctul de vedere al ingineriei instalaţiei.

Un avantaj suplimentar al răcirii hibride a corpurilor de iluminat, adică o răcire nu numai prin flux de aer 20, ci şi prin răcire forţată 35, este o creştere mai mică a umidităţii şi a temperaturii aerului din fluxul de aer care iese. Tratarea aerului în afara spaţiului de cultivare poate rămâne astfel limitată. Se aplică în mod avantajos o instalaţie de răcire cu o suprafaţă de răcire, a cărei temperatură rămâne, dacă se doreşte, deasupra unui punct de rouă al aerului, astfel încât să poată fi împiedicată dezumidificarea nedorită ca urmare a condensului.

Controlul conform invenţiei atât al temperaturii (creştere), cât şi al deficitului de vapori din mediul de cultivare permite răcirea în afara mediului de cultivare cu o diferenţă de temperatură relativ mică, în special cu o suprafaţă de răcire deasupra punctului de rouă. O mare parte din căldura produsă de sursele de lumină poate fi disipată direct prin intermediul răcirii forţate cu lichid şi, prin urmare, nu trebuie îndepărtată de instalaţia de tratare a aerului. O diferenţă de temperatură relativ mare între mediul de răcire şi corpul de iluminat permite un transfer de căldură excepţional de eficient şi eficace. Cu toate acestea, prin aducerea instalaţiei de răcire a tratamentului de aer sub punctul de rouă, un exces de vapori de apă poate fi totuşi captat prin condensare, dacă se doreşte. Vaporii de apă sunt în acest caz extraşi din aer prin condensare înainte ca aerul să fie returnat la o temperatură iniţială dorită în mediul de cultivare. Condensul este în acest caz colectat în mod avantajos şi, dacă se doreşte, este alimentat înapoi sau (re)utilizat în alt mod util.

Deoarece deficitul de vapori din spaţiul de cultivare este gestionat conform invenţiei şi este păstrat oriunde cel puţin substanţial la fel, invenţia permite o viteză mai mare a fluxului de aer în spaţiul de cultivare fără a provoca o evaporare inacceptabil de mare a culturii, care ar putea afecta altminteri negativ dezvoltarea culturii. În dispozitivul prezentat, un flux de aer este direcţionat în special prin spaţiul de cultivare la o viteză cuprinsă între 15 şi 100 cm/sec, prin care schimbul de dioxid de carbon cu cultura este considerabil mai mare decât într-un spaţiu de cultivare convenţional, în care o viteză maximă a fluxului de aer este limitată la un nivel mai scăzut. Consecinţa este un nivel mai ridicat de fotosinteză, cu o dezvoltare mai puternică şi mai rapidă a culturii. Recoltarea poate avea loc astfel mai devreme, cu aceeaşi proporţie de substanţă uscată şi alte componente utile şi substanţe constitutive din cultură. Va fi evident că va spori eficienţa economică a mediului de cultivare.

Deşi invenţia a fost elucidată mai bine mai sus pe baza unui singur exemplu de variantă de realizare, va fi evident că invenţia nu este în niciun caz limitată la acesta. Dimpotrivă, multe variaţii şi variante de realizare sunt încă posibile la interiorul domeniului de aplicare al invenţiei pentru o persoană cu abilităţi obişnuite în domeniu. Pe lângă faptul că este aplicată într-un mediu complet lipsit sau substanţial lipsit de lumină naturală, invenţia poate fi aplicată în special, păstrând în acelaşi timp avantajele descrise mai sus, atunci când cultura este expusă la lumina soarelui, cum ar fi în cultivarea sub sticlă.

Claims (19)

1. Metodă de cultivare a unei culturi (50), în special într-un mediu cel puţin substanţial lipsit de lumină naturală, mediul menţionat cuprinzând un spaţiu de cultivare cel puţin substanţial complet condiţionat (10), o intrare de aer şi o ieşire de aer (25) pentru direcţionarea unui flux de aer cel puţin substanţial laminar prin spaţiul de cultivare menţionat (10) şi cuprinzând o serie de surse de lumină artificială (30) pe o direcţie între intrarea de aer menţionată (15) şi ieşirea de aer menţionată (25), în care cultura (50) este expusă în spaţiul de cultivare menţionat cel puţin substanţial condiţionat (10) la lumină artificială actinică, cuprinzând în special radiaţii active fotosintetic (PAR), emise de o sursă de lumină artificială (30) din reţeaua menţionată de surse de lumină artificială (30) prezente în spaţiul de cultivare (10), în care un flux de aer cel puţin substanţial laminar (20) este direcţionat prin spaţiul de cultivare menţionat (10) în direcţia menţionată de la intrarea de aer menţionată (15) la ieşirea de aer menţionată (25) şi în care, în timpul unui ciclu de cultivare, puterea de ieşire a surselor de lumină artificială (30) este adaptată la o absorbţie de energie a unei părţi a culturii (50) iluminate astfel încât cultura (50) din apropierea fiecărei surse de lumină artificială (30) din reţeaua menţionată de surse de lumină artificială (30) este supusă unui deficit de vapori cel puţin substanţial constant şi cel puţin substanţial egal reciproc.

2. Metodă conform revendicării 1, în care o atmosferă a spaţiului de cultivare (10) este supusă unui tratament al aerului în care o temperatură a aerului este menţinută deasupra unui punct de rouă a acesteia.

3. Metodă în conformitate cu revendicarea 1, în care puterea de ieşire a cel puţin unei surse de lumină artificială (30) este adaptată la o evaporare şi o absorbţie de energie a unei părţi a culturii (50) situate dedesubt.

4. Metodă conform revendicării 1, 2 sau 3, în care cel puţin o sursă de lumină artificială (30) este prevăzută cu o răcire controlabilă (35), a cărei capacitate de răcire este adaptată la o rezultantă a puterii de ieşire a sursei de lumină artificială (30) şi a absorbţiei de energie a culturii (50).

5. Metodă conform revendicării 4, în care răcirea controlabilă (35) cuprinde o răcire cu lichid, care răcire cu lichid este realizată printr-o circulaţie forţată a unui mediu de răcire în contact schimbător de căldură cu sursele de lumină artificială (30).

6. Metodă în conformitate cu revendicarea 5, în care sursele de lumină (30), opţional în mod grupat şi/sau colectiv, sunt găzduite în corpuri de iluminat, unde corpurile de iluminat sunt prevăzute opţional în mod grupat cu o răcire cu lichid, al cărei mediu de răcire este adus în contact schimbător de căldură cu fiecare dintre corpurile de iluminat.

7. Metodă conform revendicării 4, în care răcirea controlabilă (35) cuprinde o răcire cu aer, care răcire cu aer este realizată printr-un flux de aer comun, cel puţin substanţial laminar (20) în contact schimbător de căldură cu sursa de lumină artificială (30).

8. Metodă conform revendicării 7, în care sursele de lumină (30), opţional în mod grupat şi/sau colectiv, sunt găzduite în corpuri de iluminat şi că fluxul de aer cel puţin substanţial laminar (20) este direcţionat peste şi de-a lungul corpurilor de iluminat.

9. Metodă conform revendicării 7 sau 8, în care corpurile de iluminat sunt răcite în mod controlat pe direcţia fluxului de aer cel puţin substanţial laminar (20) pentru a menţine sub acesta, de la un corp de iluminat la altul, un deficit de vapori cel puţin substanţial constant.

10. Metodă conform revendicării 9, în care răcirea controlată a corpurilor de iluminat cuprinde o răcire cu aer de-a lungul corpului de iluminat, precum şi o răcire cu lichid cu o circulaţie forţată a unui mediu de răcire lichid în contact termodinamic cel puţin substanţial direct cu corpul de iluminat, în care circulaţia mediului de răcire lichid este controlată în contact schimbător de căldură cu corpul de iluminat pentru a menţine, de la un corp de iluminat la altul, un deficit de vapori cel puţin substanţial constant sub corpul de iluminat.

11. Metodă conform revendicării 9 sau 10, în care deficitul de vapori este stabilit şi menţinut la un nivel cuprins între aproximativ 0,5 şi 6 grame de apă per kilogram de aer.

12. Metodă conform revendicării 9, 10 sau 11, în care fluxul de aer laminar (20) este direcţionat cu o viteză a fluxului cuprinsă între 15 şi 100 cm/sec peste cultură (50).

13. Metodă conform uneia sau mai multora dintre revendicările de la 9 la 12, în care corpurile de iluminat sunt răcite în mod controlat pe direcţia fluxului de aer cel puţin substanţial laminar (20) pentru a impune sub el, de la un corp de iluminat la altul, o creştere a temperaturii ambiante şi pentru a menţine un gradient de temperatură asociat în spaţiul de cultivare (10).

14. Dispozitiv pentru producerea de culturi (50), în special într-un mediu cel puţin substanţial lipsit de lumină naturală, cuprinzând un spaţiu de cultivare cel puţin substanţial complet condiţionat (10) între o intrare de aer (15) şi o ieşire de aer (25) pentru un flux de aer cel puţin substanţial laminar (20), cuprinzând o instalaţie de tratare a aerului pentru menţinerea şi, dacă se doreşte, tratarea fluxului de aer laminar menţionat (20), cuprinzând o serie de corpuri de iluminat pe o direcţie între intrarea de aer menţionată (15) şi ieşirea de aer menţionată (25), în care corpurile de iluminat menţionate sunt prezente în spaţiul de cultivare (10) şi cuprind una sau mai multe surse de lumină artificială (30) care pot şi sunt configurate să genereze lumină artificială actinică, cuprinzând în special radiaţii active fotosintetic (PAR) şi să expună cultura (50) la ele şi în care fiecare dintre corpurile de iluminat este prevăzut cu mijloace de răcire controlabilă (35) cu care o putere de ieşire a surselor de lumină artificială (30) poate fi adaptată în timpul unui ciclu de cultivare la o absorbţie de energie a unei părţi a culturii (50) iluminate astfel încât cultura (50) din apropierea fiecărui corp de iluminat al reţelei de corpuri de iluminat este supusă unui deficit de vapori cel puţin substanţial constant.

15. Dispozitiv conform revendicării 14, în care mijloacele de răcire cuprind o circulaţie controlată a unui mediu de răcire, care mediu de răcire poate, cel puţin în timpul funcţionării, să intre în contact schimbător de căldură cu cel puţin o sursă de lumină (30) din corpul de iluminat.

16. Dispozitiv conform revendicării 15, în care corpul de iluminat este prevăzut, opţional în mod grupat, cu o serie de corpuri de iluminat adiacente, cu o răcire controlabilă individual (35) şi un controler adaptat la ea.

17. Dispozitiv conform revendicării 16, în care corpul de iluminat este prevăzut, în mod grupat, cu o serie de corpuri de iluminat adiacente, cu o răcire controlabilă (35) şi un controler adaptat la ea, în care corpurile de iluminat adiacente sunt plasate pe o direcţie transversală pe direcţia fluxului de aer laminar (20).

18. Dispozitiv conform uneia sau mai multor revendicări de la 14 la 17, în care instalaţia de tratare a aerului cuprinde un dispozitiv de răcire, în special o baterie rece, în care dispozitivul de răcire este prevăzut cu un colector de condens.

19. Dispozitiv conform uneia sau mai multora dintre revendicările de la 14 la 19, în care instalaţia de tratare a aerului poate şi este configurată să susţină un flux de aer laminar (20) în spaţiul de cultivare (10) cu o viteză a aerului de aproximativ 15-100 cm/sec în timpul funcţionării.