Замена ДНаТ на светодиоды в теплице: подбор приборов и результаты опытов

Почему замену не считают «ватт на ватт»

Мощность в ваттах говорит только о том, сколько прибор возьмёт из сети. Сколько он отдаст растению, описывают две другие паспортные величины: фотонный поток PPF в мкмоль/с и эффективность PPE в мкмоль/Дж. Натриевая лампа и светодиодный фитосветильник превращают киловатт-час в фотоны ФАР по-разному, поэтому равенство по ваттам не означает равенства по свету — ни в одну, ни в другую сторону.

Разницу видно на замерах. В Агрохолдинге «Добрянский» спектр и облучённость снимали ручным спектрометром UPRtek прямо в теплице: под лампами ДНаЗ Reflux Ag 600 Вт прибор показал 94,45 мкмоль/м²·с с узким пиком излучения на 599 нм — характерным жёлто-оранжевым максимумом натрия. У светодиодной части излучение распределено по диапазону, который растение расходует на фотосинтез.

Практические соотношения замены на наших объектах ни разу не совпали с соотношением мощностей: 320 Вт встали вместо 600 Вт (Добрянский, Кунгур), 200 Вт — вместо 600 Вт (Авсень), 185 Вт — вместо ДНаЗ-400 (Завьяловский). Правильный порядок действий обратный привычному: сначала определяется требуемая облучённость у растения, затем под неё подбирается прибор по потоку и кривой силы света, и только потом становится известно, сколько ватт встанет в точку подвеса. Подробно этот порядок разобран в материалах как выбрать фитосветильник и PPFD, DLI и фотопериод.

ДНаТ и ДНаЗ: разные лампы, разная база для сравнения

В техническом задании эти две аббревиатуры регулярно используют как синонимы, и дальше непонятно, с чем сравнивается результат. ДНаТ — дуговая натриевая трубчатая лампа, ДНаЗ — зеркальная: отражающий слой нанесён внутри самой колбы, и часть работы оптики светильника лампа берёт на себя. При одинаковой мощности до растения от них доходит разное количество света, поэтому и экономия от замены считается от разной базы.

На объектах ECOLED-BIO встречались обе. В «Добрянском» на контроле стояли светильники ЖСП с лампами ДНаЗ Reflux Ag 600 Вт, в «Завьяловском» — ДНаЗ-400 на салатной линии, в ТК «Авсень» и в Кунгурском сельхозколледже — ДНаТ 600 Вт и ДНаТ соответственно. Когда в исходных данных названа не только мощность, но и тип лампы, разговор об экономии становится проверяемым: цифра всегда привязана к конкретному контрольному варианту, а не к «натриевой досветке вообще».

Четыре объекта, где натриевую досветку меняли на светодиодную

Все четыре случая — не стендовые испытания, а работа в теплице, где рядом стоял контрольный вариант под натриевыми лампами. Различие между участками сводилось к источнику света: микроклимат, полив, питание, график досвечивания и агротехника оставались общими.

Агрохолдинг «Добрянский», огурец. Производственный опыт с 7 сентября по 28 декабря 2019 года на двух делянках по 118,8 м². Контроль — 54 светильника с лампами ДНаЗ Reflux Ag 600 Вт, опыт — 27 таких же светильников и 27 фитосветильников ECOLED-BIO-320W F-RING. Итог: 25,1 кг/м² против 23,8 кг/м² на контроле, экономия 17 085 кВт·ч — 23,3 % от потребления контрольного варианта. Результаты сведены в письме комбината от 4 февраля 2020 года.

ТК «Завьяловский», салат. Один пролёт салатной линии перевели на фитосветильники ECOLED-BIO-112-185W F-UniversaLED, соседний оставили под ДНаЗ-400, между участками повесили плёночную штору. Опыт занял полный тёмный сезон, с сентября 2018 по февраль 2019 года. По данным тестовой эксплуатации энергопотребление на досветке оказалось на 45 % ниже, чем на контрольном пролёте; отдельного протокола замеров по объекту не оформлялось.

ТК «Авсень», Крым, рассада огурца. С 10 ноября 2016 по 20 января 2017 года опытный участок рассадного отделения площадью 96 м² закрыли двенадцатью фитосветильниками ECOLED-BIO-100-200W-D120 OPTIMA мощностью 200 Вт на высоте 3,5 м, контрольный остался под ДНаТ 600 Вт на той же высоте. Замена шла один к одному. Рост и развитие рассады разошлись в пределах статистической погрешности 4–6 %, энергопотребление снизилось в 3,2 раза.

Кунгурский сельхозколледж, огурец. Учебно-опытная теплица, работы с сентября 2021 по февраль 2022 года. Гибридная схема: часть светоточек осталась за лампами ДНаТ, 12 заняли ECOLED-BIO-320W-D120 F-RING, площадь участка — 45 м². Облучённость под светодиодной частью по замерам спектрометром в междурядье — 55 мкмоль/м²·с. Урожайность сохранилась, потребление на досветке снизилось до 40 %; отдельного протокола колледж не оформлял.

Что уходит из сметы, кроме киловатт-часов

Счёт за электроэнергию — самая заметная, но не единственная статья, которая меняется после замены.

• Ежесезонная замена ламп. Паспортный ресурс фитосветильников ECOLED-BIO — не менее 50 000 часов, гарантия — 60 месяцев. Из эксплуатационных расходов уходят сами лампы, работа по их замене с подъёмом к фермам и отдельная утилизация отработавших газоразрядных ламп.
• Тепловая нагрузка. Натриевая лампа греет воздух вокруг себя, и при её выключении температура падает: главный инженер ТК «Авсень» отметил, что перепад даже в два градуса плохо сказывается на молодых растениях. У светодиодного прибора этого эффекта нет — при выключении температура воздуха не меняется. Обратная сторона того же свойства: если натриевая досветка де-факто участвовала в обогреве, после замены тепловой баланс теплицы нужно пересчитать.
• Присоединённая мощность. Освободившиеся киловатты можно направить на расширение посадок или на другое оборудование, не увеличивая разрешённую мощность подключения. На действующем комбинате увеличение мощности часто оказывается дольше и дороже самих светильников — это отмечено и в «Завьяловском», и в Кунгурском колледже.
• Управляемость. Светодиодные приборы диммируются группами по управляющему сигналу, поэтому график досвечивания можно менять под культуру и фазу, а не только включать и выключать линию целиком.

Гибридная схема или полная замена

Гибридная схема — это когда часть натриевых светоточек остаётся на месте, а часть занимают светодиодные фитосветильники. Так поставлены два наших опыта: в «Добрянском» из 54 приборов на делянке половину заменили на F-RING, в Кунгурском колледже светодиодными стали 12 светоточек из общей сетки.

Для действующего комбината у такого подхода несколько практических причин. Оборот не останавливается, система меняется не целиком, затраты раскладываются на этапы. Часть натриевых приборов остаётся источником привычного спектра и тепла, а высвобождаемая мощность появляется постепенно, и её можно направлять на новые площади. Наконец, рядом остаётся контрольный участок: экономию и урожай считают по соседнему пролёту в тех же условиях, а не сравнением с расчётной мощностью.

Полная замена в пределах участка оправдана там, где нужен чистый результат по зоне или где условия и так меняются: реконструкция пролёта, новое строительство, отдельное рассадное отделение. В «Завьяловском» на светодиод перевели пролёт целиком и отделили его от соседнего шторой — иначе свет подмешивался бы и цифра по потреблению потеряла бы смысл. При новом строительстве добавляется ещё один довод, на который указал главный инженер «Авсеня»: под меньшую мощность нужен кабель меньшего сечения и дешевле пускорегулирующая аппаратура.

Разумный порядок для комбината — сначала гибридная схема на одном участке за тёмный сезон, затем расширение по её результатам. Опыт длиной в две-три недели показывает только, что растение не пострадало; решение о переоборудовании теплицы принимают по ноябрю–январю, когда естественного света почти нет и досветка определяет основную часть счёта.

Как считать окупаемость и что обычно забывают

Расчёт начинается не с цены прибора, а с двух чисел, которые хозяйство знает про себя само: установленной мощности досветки и числа часов её работы за сезон.

1. Разница установленных мощностей. Количество снимаемых ламп, умноженное на их мощность, минус количество ставящихся приборов, умноженное на их паспортную мощность.
2. Часы досветки за сезон по фактическому графику досвечивания, а не по среднему значению за год.
3. Экономия в кВт·ч — произведение первых двух величин. В «Добрянском» такой расчёт по графику дал 17 085 кВт·ч, то есть 23,3 % от потребления контрольного варианта, — и это при замене только половины приборов на делянке.
4. Перевод в деньги по своему тарифу, включая стоимость мощности, если хозяйство платит за неё отдельно.

Что в расчёт обычно не попадает: стоимость ламп и работы по их ежесезонной замене; пересчёт теплового баланса теплицы; такелаж и монтаж; стоимость увеличения присоединённой мощности, которое при светодиодной досветке может не понадобиться вовсе. Отдельная ошибка — считать окупаемость по формуле «экономия в 2–3 раза»: разы берутся от разных контрольных вариантов, и складывать их между объектами нельзя. Считать надо в киловатт-часах своей теплицы.

Сроков окупаемости в месяцах мы не называем: они зависят от тарифа, графика досвечивания, цены мощности и условий поставки, а эти данные у каждого хозяйства свои. Для ориентира — оценка со стороны заказчика: главный инженер ТК «Авсень» в публикации 2017 года оценил окупаемость вложений в светодиодную досветку примерно в три года. Это его оценка по своему объекту, а не наш расчёт для чужого.

Что меняется в электрике и в монтаже

Светодиодный фитосветильник — законченный прибор со встроенным источником питания: отдельные пускорегулирующие аппараты и импульсные зажигающие устройства ему не нужны. У серии F-MOON питание 100–275 В, 50±10 Гц, коэффициент мощности cos φ ≥ 0,95. Ток линии после замены снижается вместе с установленной мощностью, поэтому существующая проводка чаще всего оказывается с запасом — но проверяется это проектом, а не на глаз: меняются и схема групп, и аппараты защиты.

Условия теплицы приборы держат по паспорту: степень защиты IP67, стойкость оболочки к удару IK08, рабочая температура от −40 до +50 °C. Это важнее, чем кажется: конденсат, влажность и пыль на корпусе — постоянный фон, а не аварийный режим.

Механическая часть замены обычно проще электрической. F-RING с кольцевой компоновкой светодиодов и косинусным распределением 120° вешается в существующую сетку подвесов рядом с натриевыми приборами и перекрывает ту же площадь, что и снятая лампа, — именно так собрана гибридная схема в Кунгурском колледже. В «Добрянском» расстановку светодиодной части задали светотехническим расчётом в DIALux до начала опыта, а монтаж и подключение на обоих объектах выполняла бригада производителя.

Что ставят вместо конкретной натриевой лампы

Таблица соответствий «лампа — прибор» не заменяет расчёта, но задаёт правильный порядок величин при подготовке технического задания.

• Вместо ДНаТ или ДНаЗ 1000 Вт — серия F-MOON: 400, 600, 800 и 1000 Вт. У ECOLED-BIO-1000W F-MOON фотонный поток 2730 мкмоль/с при эффективности 2,73 мкмоль/Дж, IP67, ресурс не менее 50 000 часов — прибор рассчитан на установку в существующую точку подвеса вместо тысячеваттной лампы.
• Вместо ДНаЗ 600 Вт — F-RING 320 Вт, 895 мкмоль/с. Такая замена один к одному отработала на огурце в «Добрянском» и в Кунгурском колледже.
• Вместо ДНаЗ-400 на салатной линии — F-UniversaLED 185 Вт, 575 мкмоль/с: линейный прибор, которым закрыли пролёт в «Завьяловском».
• Вместо ДНаТ 600 Вт в рассадном отделении — приборы на 200 Вт, как в ТК «Авсень», где на 96 м² встали 12 светильников на высоте 3,5 м.

Дальше начинаются различия объектов, которые в такую таблицу не помещаются: высота подвеса, шаг конструкций кровли, кривая силы света, исполнение спектра. По итогам опыта в «Авсене» агрономы комбината, например, рекомендовали опустить приборы до 1,5 м над серединой ценоза и разбить один светильник 200 Вт на два по 100 Вт — ради равномерности, а не ради дополнительной экономии.

С чего начать замену на своём объекте

Для светотехнического расчёта нужны исходные данные по теплице: геометрия и шаг конструкций кровли, культура и технология выращивания, высота подвеса над растением, тип и мощность снимаемых ламп, их количество и схема расстановки, график досвечивания и доступная мощность на вводе. Расчёт под объект ECOLED-BIO выполняет бесплатно, как и подбор количества приборов.

Порядок величин можно снять и самостоятельно — онлайн-калькулятором досветки: он принимает размеры теплицы, культуру и требуемую освещённость и выдаёт количество приборов и расстановку. Его границы стоит понимать заранее: калькулятор считает среднее по прямоугольной геометрии и не учитывает ни шаг ферм, ни межрядную досветку, ни движение растений по проливным столам.

Если решение принимается по деньгам, а не по паспортам, разумнее начать с гибридной схемы на одном пролёте и провести её через тёмный сезон — так сделаны оба наших производственных опыта на огурце. Проверить приборы на своей культуре до закупки позволяет и бесплатный тест-драйв.