Светокультура: что это такое и чем она отличается от досветки

Что называют светокультурой

Светокультура — это выращивание растений, при котором свет задаёт человек, а не только погода. Термин охватывает два разных по сути случая, и различать их важнее, чем кажется: от того, какой из них перед вами, зависит вся дальнейшая арифметика проекта.

В первом случае искусственный свет — единственный источник. Растения стоят в помещении без остекления или на многоярусных стеллажах, куда дневной свет всё равно не доходит. Тогда светильники обязаны закрыть суточную потребность полностью, и любой перерыв в их работе — это перерыв в фотосинтезе.

Во втором случае искусственный свет дополняет солнечный. Это досветка: теплица или оранжерея получает свет через остекление, но с октября по февраль в средней полосе его не хватает, а в пасмурные дни не хватает и в межсезонье. Досветка добирает недостающее — и работает не круглые сутки, а по графику, привязанному к естественной освещённости.

Отсюда первое практическое различие. В полной светокультуре суточная доза считается только по светильникам и известна точно. В досветке доза складывается из двух слагаемых, второе из которых меняется каждый день, поэтому режим строят по датчику освещённости и по расписанию, а не по постоянной уставке.

Досветка: свет добирает то, чего не дало солнце

Досветка — самый частый случай в промышленном овощеводстве и в оранжереях. Растение получает основной свет через остекление, а светильники включаются тогда, когда естественного не хватает.

Отсюда следует несколько вещей, которые в полной светокультуре не возникают.

• График важнее пиковой мощности. Считать надо не только облучённость, но и часы работы за сезон. В тепличном комбинате «Завьяловский» опыт со светодиодной досветкой салата поставили на полный тёмный сезон, с сентября 2018 по февраль 2019 года, и это было условием: короткий тест на две-три недели показывает только, что растение не пострадало, а решение принимают по ноябрю–январю.
• Автоматика по освещённости. В частной теплице в Подмосковье 24 линейных светильника ECOLED-BIO-100W F-LINE заведены на контроллер ОВЕН: линии включаются группами по уровню естественной освещённости и по расписанию, днём досветка выключена.
• Светильник не должен затенять. В той же теплице выбрали линейный прибор именно поэтому: корпус ложится по нижней полке несущей балки и днём остаётся в её собственной тени, тогда как подвесной прибор на тросах забрал бы часть естественного света — основного источника в таком помещении.

Сколько именно света добирать, определяет расчёт: требуемую облучённость задают в мкмоль/м²·с на расчётной плоскости, а суточную дозу — в моль/м²·сут. Разбор этих величин — в статье PPFD, DLI и фотопериод.

Полная светокультура: света нет вообще, кроме вашего

Когда остекления нет или дневной свет до растения не доходит, светильники становятся единственным источником. Так работают многоярусные стеллажи, вертикальные фермы, помещения без окон и экспозиции внутри зданий.

Главная особенность — свет нужен на каждом уровне отдельно. Верхний свет работает только на верхний ярус: чем ниже полка, тем больше перехватывают конструкции стеллажа и растения этажом выше. В рассадном отделении ИНК-Групп именно поэтому между ярусами добавили линейные фитосветильники ECOLED-BIO-60-LX F-OPTIMA — облучённость подняли на всех полках, не увеличивая высоту стеллажа и не занимая новую площадь.

Второе — геометрия объекта диктует форму прибора. В биолаборатории «БиоХимТех» в технопарке Физтех-лицея под одной крышей работают две несовместимые схемы выращивания: стационарные столы, где свет нужен сверху и равномерно по плоскости, и аэропонные башни, где освещать надо боковую поверхность вертикальной колонны. Одной моделью светильника обе зоны не закрыть, поэтому над столами встали 42 подвесных ECOLED-BIO-185W F-RING, а рядом с башнями — линейные приборы в вертикальном исполнении.

Третье — цена ошибки в равномерности выше. В расчёте под кубовые ёмкости в фитотронно-тепличном комплексе Вавиловского университета локальная подвеска дала равномерность 0,07 по площади отделения; чтобы вывести её хотя бы к 0,20, приборов пришлось бы ставить 56 вместо 36. В теплице такой провал частично сгладил бы дневной свет — в закрытом помещении сглаживать нечем.

Что задают в проекте, кроме мощности

Технические требования к светокультуре формулируются не в ваттах. Минимальный набор параметров такой.

1. Облучённость (PPFD, мкмоль/м²·с) на конкретной расчётной плоскости с указанием её высоты. Разница по высоте бывает кратной: в умной теплице Калачеевского аграрного техникума расчёт дал 56 и 66 мкмоль/м²·с у поверхности гряды и 124 и 136 на высоте метра и полутора.
2. Фотопериод — длительность светового периода. Он не только множитель в суточной дозе: для многих культур длина дня работает управляющим сигналом, поэтому его задают агрономически, а дозу добирают облучённостью.
3. Равномерность — отношение минимальной облучённости к средней. Именно она была ключевым критерием при сравнении пяти компоновок в Вавиловском университете; в отделении №3 расчёт дал 0,49–0,58.
4. Спектр — исполнение прибора. Выбор здесь не только агрономический: в частной теплице в Подмосковье поставили полноспектральное исполнение с белым свечением, потому что под узким красно-синим светом нельзя на глаз оценить состояние листа, а в помещение заходят каждый день.
5. Управление — группы, диммирование, привязка к остальным системам. В той же калачеевской теплице досветка разбита на семь независимо управляемых групп с плавным ШИМ-регулированием: несколько культур со своими режимами ведут одновременно, не перестраивая систему.

Установленная мощность и число приборов появляются в конце этого списка, а не в начале: они следуют из расчёта. Как формулировать требование в правильных единицах — в статье мкмоль, ватт и люмен.

Объекты светокультуры и чем они различаются

Слово одно, а задачи разные. Практически объекты делятся на несколько типов, и у каждого своя логика подбора.

Промышленная теплица. Досветка на большой площади, приборы верхнего света в сетке подвесов, критерий — киловатт-часы за сезон при сохранении урожая. В агрохолдинге «Добрянский» производственный опыт на огурце шёл на двух делянках по 118,8 м² с контролем под натриевыми лампами; комбинированная схема дала 25,1 кг/м² против 23,8 кг/м² при экономии 17 085 кВт·ч.

Селекционная теплица и фитотрон. Здесь ценится не урожай, а воспроизводимость: одинаковые условия от опыта к опыту. Фитотронно-тепличный комплекс Вавиловского университета — зарегистрированная научная установка №3994596; под два его отделения выполнено пять светотехнических расчётов, которые сравнивались между собой по равномерности.

Оранжерея и зимний сад. Коллекция круглый год, разные культуры в одном объёме, и обязательное требование к внешнему виду света: помещение посещают люди. Отсюда полноспектральные исполнения с белым свечением.

Стеллажное и вертикальное выращивание. Свет на каждом ярусе, линейные приборы малой мощности, плотная компоновка. Рассадное отделение ИНК-Групп и аэропонные башни биолаборатории «БиоХимТех» — два разных варианта одной задачи.

Учебная теплица. Несколько культур одновременно и требование наглядности: в Калачеевском техникуме досветку свели в один интерфейс с отоплением, поливом, проветриванием и зашториванием.

Экспозиция и озеленение в помещении. Растения живут там, где света нет вовсе, а к светильнику предъявляют ещё и требования по внешнему виду и по сценариям работы — например, снижение мощности в часы, когда в зале посетители.

Почему в светокультуре светодиод вытеснил натриевую лампу

Исторически светокультура строилась на газоразрядных лампах — ДНаТ и ДНаЗ. Светодиодный фитосветильник заменил их не потому, что «новее», а по нескольким проверяемым причинам.

• Спектр задаётся, а не достаётся. У натриевой лампы излучение сосредоточено в узкой полосе: спектрометр в «Добрянском» показал пик на 599 нм. У светодиодного прибора распределение по диапазону ФАР выбирается исполнением.
• Меньше киловатт-часов при том же свете. На четырёх объектах экономия составила от 23,3 до 45 % — при разной базе сравнения и разной доле заменённых светоточек.
• Нет ежесезонной замены ламп. Ресурс приборов ECOLED-BIO — не менее 50 000 часов при гарантии 60 месяцев; из эксплуатационных расходов уходят и сами лампы, и работа по их замене, и утилизация.
• Управляемость. Диммирование группами позволяет менять режим под культуру и фазу, а не только включать и выключать линию целиком.
• Меньше тепла. Это и плюс, и то, что нужно пересчитать: если натриевая досветка де-факто участвовала в обогреве, после замены тепловой баланс теплицы меняется.

Подробный разбор перехода, включая гибридные схемы и порядок расчёта окупаемости, — в статье замена ДНаТ на светодиоды.

Ассимиляционное освещение и другие названия

В документах и на объектах одно и то же называют по-разному, и это мешает искать информацию.

• Ассимиляционное освещение — свет, обеспечивающий фотосинтез, то есть ассимиляцию углекислого газа. Практически это синоним досветки в теплице.
• Фотопериодическое освещение — свет, задающий длину дня как сигнал. Мощность здесь может быть небольшой: задача не накормить растение, а сообщить ему о длине суток.
• Фитоосвещение, фитосветильник, фитолампа — обиходные слова того же ряда. Профессиональный прибор для теплицы и бытовая фитолампа для подоконника различаются и потоком, и степенью защиты, и ресурсом.
• Вертикальная ферма, сити-ферма — частные случаи полной светокультуры на многоярусных стеллажах.
• Гибридная досветка — схема, где часть светоточек осталась за натриевыми лампами, а часть заняли светодиодные приборы. Так собраны опыты в «Добрянском» и в Кунгурском сельхозколледже.

Различать стоит и «светокультуру» от «освещения теплицы» вообще: рабочее освещение для людей — отдельный контур с другими требованиями. В калачеевской теплице технический свет вдоль стен смонтирован независимо от фитосветильников и включается отдельно.

С чего начинается проект светокультуры

Для расчёта нужны исходные данные об объекте, а не о желаемом оборудовании.

1. Геометрия — размеры помещения, высота до конструкций, шаг ферм или балок, схема расстановки растений: гряды, лотки, столы, стеллажи.
2. Культура и технология — что растёт, на какой высоте находится верх полога и как он меняется по мере роста.
3. Высота подвеса и возможность её менять. В учебных и селекционных объектах это рабочий параметр: именно им регулируют облучённость на уровне листа.
4. Режим — планируемая длительность светового периода и наличие естественного света через остекление.
5. Электрика — доступная мощность на вводе, существующие группы, требуется ли диммирование и по какому протоколу.

По этим данным делается светотехнический расчёт: расстановка, число приборов, облучённость на нескольких уровнях и равномерность. Расчёт под объект ECOLED-BIO выполняет бесплатно; порядок работы разобран в статье расчёт освещения теплицы, а предварительно прикинуть количество приборов можно калькулятором освещения.