Validación del aire en la zona de cultivo

El verdadero fracaso puede estar entre los estantes

Una habitación puede alcanzar su punto de ajuste de temperatura mientras que el dosel del cultivo aún sufre un movimiento desigual de aire, humedad y eliminación de calor.

En una granja vertical de varios niveles, el cultivo no experimenta el promedio ambiental. Cada estante tiene su propia condición de entrada, resistencia de la cubierta, carga de calor del LED y ruta de retorno. Una salida HVAC distante puede mantener el sensor de la habitación dentro de su rango objetivo mientras un rack lleno todavía contiene bolsas de baja velocidad.

Esto es importante para las verduras de hojas verdes porque el movimiento del aire cambia la capa límite alrededor de las hojas, la transpiración y las condiciones locales de temperatura y humedad. La quemadura de punta no es un diagnóstico exclusivo de los ventiladores. El bajo movimiento del aire, la alta humedad, la carga ligera, la densidad del cultivo y las condiciones de los nutrientes pueden interactuar para hacer que el problema sea visible en el borde de la hoja, y el mismo síntoma puede aparecer en un estante cuyo sensor ambiental lee perfectamente.

Por lo tanto, la cuestión de ingeniería no es si el ventilador seleccionado tiene suficiente aire libre CFM. Lo que importa para la granja es si el bastidor instalado produce una velocidad repetible en la zona de cultivo y una condición climática en el estado operativo, y si alguien puede demostrarlo con una medición.

• Separe las condiciones promedio de la habitación de las condiciones a nivel de estante
• Trate la ubicación del ventilador, la calefacción LED, la densidad de la cubierta y la ruta de retorno como un solo sistema de aire.
• Mida en el dosel del cultivo en lugar de aceptar un sensor ambiental como prueba
• Utilice los datos de pérdida de cultivos para iniciar una investigación del flujo de aire, no para asumir una falla del ventilador.

Lo que dice la investigación sobre la velocidad del dosel

El objetivo útil es un rango medido para el cultivo y la etapa de crecimiento, mantenido junto con un límite de distribución en lugar de un único número óptimo.

La señal publicada más fuerte no es la velocidad objetivo, sino el tamaño del efecto. En un estudio de lechuga bajo luz artificial, aumentar la velocidad del aire del dosel de 0,23 a 0,75 m/s redujo la resistencia de la capa límite de la hoja en un 45 por ciento y aumentó el flujo de calor sensible y latente en un 40 y 46 por ciento. La quemadura de la punta apareció en el lecho de control y no debajo del flujo de aire del ventilador múltiple. El mismo estudio informó una media de la cubierta vegetal de 0,75 m/s con un coeficiente de variación del 65 por ciento, lo que es un recordatorio útil de que un valor medio y un campo uniforme son afirmaciones diferentes (Lee et al. 2019, Journal of Thermal Biology).

Un estudio de planta CFD llegó a una conclusión similar desde el punto de vista geométrico. Dos tubos de aire perforados que lanzaban chorros verticales dieron una velocidad media del aire en la cubierta de 0,42 m/s con un coeficiente de variación del 44 por ciento, y los autores trataron esa diferencia como el resultado del diseño y no como una nota al margen. El artículo también establece claramente el mecanismo: la quemadura de las puntas de la lechuga es un trastorno por deficiencia de calcio que aparece en las hojas internas y en las de reciente desarrollo cuando una capa límite estancada se asienta sobre ellas bajo una alta demanda de transpiración (Zhang, Kacira y An 2016, Biosystems Engineering 147).

La práctica de los invernaderos ha estado resolviendo el mismo problema durante décadas, y sus cifras son una útil prueba de cordura. La guía del flujo de aire horizontal alcanza de 50 a 100 pies por minuto, o de 0,25 a 0,51 m/s, a nivel de planta, con una capacidad total del ventilador cerca del doble del área del piso en CFM. La misma guía señala que de 50 a 100 pies por minuto es suficiente para mantener la temperatura de la hoja nocturna cerca de la temperatura del aire, que es lo que limita la condensación en la hoja, y que los ventiladores demasiado espaciados permiten que la masa de aire haga un cortocircuito y deje un punto frío de aire muerto (UMass Extension, hoja informativa sobre el flujo de aire horizontal).

Estos valores publicados son condiciones de referencia, no una especificación universal. La variedad de cultivo, la etapa del dosel, la intensidad de la luz, el espacio entre estantes, el control de la humedad y la altura de medición cambian la banda de aceptación correcta, y los dos rangos anteriores provienen de diferentes geometrías, cultivos y cargas ligeras. Úselos para diseñar la prueba, luego establezca el límite de aceptación de la receta de cultivo de la granja que tiene delante.

Configuración de la banda de aceptación a partir de la receta de cultivo

La banda proviene de la etapa de cultivo y crecimiento, y combina un rango de velocidad con un rango climático.

La velocidad por sí sola no es el criterio de aceptación, porque la razón por la que el movimiento del aire es importante en la hoja es el transporte de agua y calor. La transpiración es impulsada por el déficit de presión de vapor, por lo que una banda defendible indica ambos. Las pautas de cultivo para verduras de hojas verdes sitúan el déficit de presión de vapor objetivo entre 0,8 y 1,1 kPa durante el crecimiento activo y entre 0,4 y 0,8 kPa para la propagación y el enraizamiento. Una discusión ampliada sobre el clima de invernadero para verduras de hojas verdes y hierbas culinarias utiliza 0,65 a 0,9 kPa con 0,85 kPa como óptimo, y señala que los cultivos de hojas necesitan un espacio más húmedo que los cultivos frutales porque tienen más área foliar de la que perder humedad.

La temperatura de la hoja es la segunda corrección. Bajo carga de LED, la superficie de la hoja normalmente se extiende entre 1 y 2 grados Celsius por encima del aire circundante, por lo que una banda escrita únicamente a partir de la temperatura del aire puede aceptar un microclima de hoja que ya está demasiado seco, o rechazar un estante que en realidad está bien. Mida la temperatura de la hoja o registre la compensación que asumió y guárdela con la banda.

La noche es un caso aparte. La misma humedad relativa a una temperatura del aire nocturna más baja representa un contenido de humedad absoluta diferente, y un déficit de presión de vapor nocturno más bajo reduce el riesgo de condensación en las superficies de las hojas y en los vidriados. Mantenga el límite nocturno en el registro en lugar de reutilizar el valor del día.

Escriba la banda aceptada en el registro de liberación con el cultivo, cultivar, etapa de crecimiento, altura de medición, estado de iluminación y posición en el estante que lo produjo. Una banda sin esos calificadores no se puede comparar con la siguiente muestra, y una muestra que no se puede comparar no es evidencia.

El punto de medición decide la respuesta

La misma rejilla puede pasar o fallar dependiendo de dónde se sostuvo la sonda y cuántos puntos se tomaron.

Una lectura del conducto de suministro es una declaración sobre la línea de suministro. Puede ser en banda, puede ser repetible y aún así no dice nada sobre el aire que reciben las plantas, porque el aire que llega al dosel ya pasó por una guarda, un borde de estante, una barra de luz y el cultivo mismo.

La siguiente figura muestra los dos planos uno al lado del otro en un módulo de bastidor poblado. El plan A toma una única lectura en el conducto, obtiene 1,4 m/s y acepta el diseño; no se mide ningún punto del dosel, por lo que nunca se ve la zona muerta en la parte trasera de la capa intermedia. El Plan B mantiene el mismo hardware y ejecuta una cuadrícula a la altura del dosel en cada capa, que devuelve nueve lecturas y encuentra dos fuera de la banda, incluida una a 0,12 m/s. Misma rejilla, mismos ventiladores, diferente resultado, porque el punto de medición forma parte del método.

El contenido práctico del método es breve. Elija la altura de la sonda por encima de la parte superior del dosel y manténgala, cubra el frente, el medio y la parte trasera de cada capa representativa, tome las lecturas con el cultivo, las luces y las protecciones instaladas, y publique las posiciones de las sondas con el resultado para que la siguiente granja pueda repetirlo.

• Una sonda no puede mostrar una propagación
• La altura de la sonda sobre la parte superior del dosel es parte del resultado.
• Una lectura del conducto cubre la línea de suministro y nada más.
• Publicar el mapa de la sonda para poder repetir la medición.

Un proyecto agrícola europeo anónimo

El equipo del proyecto no intentaba ganar una comparación del catálogo CFM. Necesitaba un movimiento de aire repetible a través de un rack poblado.

Un proyecto europeo de granja hidropónica de varios niveles cubrió aproximadamente 4.500 m2 y cultivó lechuga mantecosa, albahaca dulce y microvegetales. El equipo del proyecto informó un nivel inicial de pérdida de cultivos del 14 por ciento asociado con quemaduras de puntas y mildiú polvoriento. La cifra de pérdidas era una referencia del proyecto, no una afirmación controlada de que el flujo de aire por sí solo causaba todas las pérdidas.

El equipo y MEGA Tech revisaron juntos las dimensiones del bastidor, el objetivo de la zona de cultivo, la envolvente del ventilador disponible y la repetibilidad de la instalación. La plataforma seleccionada fue la DC MG8025H12X de 12 V. Se instalaron cuatro ventiladores en cada módulo de estantería de 2,5 m para que las zonas de cultivo superior, media e inferior no dependieran de una descarga distante a nivel de la habitación.

La fila del catálogo utilizada para la comparación enumera aproximadamente 44,3 CFM y 5,3 mmH2O a 3500 RPM y voltaje nominal. La nota del proyecto registró aproximadamente 42 CFM en las condiciones de funcionamiento seleccionadas. Esos valores se mantienen separados a propósito: la fila del catálogo describe un punto de prueba definido en un banco de pruebas, mientras que el valor del proyecto pertenece a la selección instalada y su condición de funcionamiento.

La razón por la que la distinción es importante es el dosel. Una vez que el cultivo está en su lugar, el estante presenta una resistencia diferente a la de un estante vacío, y el flujo se redistribuye entre el recorrido de la capa y el recorrido que lo rodea. Una selección realizada en CFM al aire libre es una estimación inicial; el número que decide el caso es el tomado en el dosel con el cultivo instalado.

• Aplicación: granja hidropónica de varios niveles
• Área de instalación reportada: aproximadamente 4,500 m2
• Plataforma de ventilador: MG8025H12X, 12 V DC
• Distribución: cuatro ventiladores por módulo de rack de 2,5 m
• Nota del proyecto: aproximadamente 42 CFM en la condición de funcionamiento seleccionada

La Validación Se Realizó en la Zona de Cultivo

La muestra se juzgó por el aire que recibieron las plantas, no solo por la placa del ventilador.

Después de instalar el diseño a nivel de bastidor, el equipo del proyecto informó de 0,6 a 0,9 m/s en las zonas de cultivo medidas. Ese rango es específico del proyecto y debe leerse junto con la ubicación del sensor, la etapa del cultivo, la densidad del dosel, el comando del ventilador y el estado de HVAC.

Un mapa de validación práctico debe cubrir los estantes superior, medio e inferior, la parte delantera y trasera de la marquesina y las áreas más cercanas a la descarga y retorno del ventilador. Repita el mapa durante el funcionamiento diurno y nocturno, en etapas de cultivo representativas y con el estante lleno instalado. Un estante vacío puede ocultar la caída de presión y la redistribución del flujo creada por el cultivo, razón por la cual un diseño que pasa por un estante vacío puede fallar en la primera semana de un cultivo real.

Registrar al mismo tiempo la temperatura, la humedad relativa y el déficit de presión de vapor. En el lado del ventilador, registre el voltaje, la velocidad, la corriente, el ruido y la respuesta del control. Esto permite saber si una zona caliente o húmeda posterior se debe al rendimiento del ventilador, a la obstrucción del paso del aire, a la lógica de control, a la deshumidificación o a la densidad del cultivo.

El mapa también es diagnóstico cuando el patrón coincide con una causa. Una banda rápida solo cerca de la descarga con una parte trasera lenta significa que el suministro no llega al dosel, por lo que la capa necesita un camino más largo o un difusor en lugar de un ventilador más grande. Las capas inferiores son más lentas que las superiores, lo que indica estratificación y una única entrada alta, lo que puede corregir los desconcertantes o el suministro por capa. Un pequeño bolsillo debajo de la banda generalmente significa una ruta de derivación o un retorno bloqueado detrás del bastidor, así que verifique el espacio trasero antes de cambiar el ventilador. Una capa completa por encima de la banda debería enviarlo primero al comando de control y a la lectura del tacómetro, porque es posible que la velocidad registrada no coincida con el comando.

• Velocidad del mapa en varios puntos en cada capa representativa.
• Registre los datos de temperatura, humedad relativa y funcionamiento del ventilador con cada medición.
• Repita la comparación en diferentes etapas del cultivo y estados de día y de noche.
• Verifique el ventilador con la resistencia instalada en lugar de en condiciones de aire libre.
• Deje acceso para limpieza, inspección y reemplazo de ventiladores.

Instrumento y método: conseguir un número que puedas defender

El instrumento, su calibración y la orientación de la sonda forman parte de la incertidumbre de medición.

Un anemómetro de hilo caliente es el instrumento habitual para medir las velocidades del aire del dosel, porque el rango útil de baja velocidad es aproximadamente de 0,1 a 5 m/s, y ahí es donde un anemómetro de paletas comienza a tener problemas. La sonda unidireccional común debe estar alineada con el flujo, por lo que la lectura depende de cómo se sostiene la sonda, y una sonda agitada a través del dosel produce números que no se pueden comparar con la siguiente visita.

El cable calentado es sensible al polvo, la humedad y los cambios de temperatura ambiente, por lo que el instrumento necesita un programa de calibración y limpieza. Mantenga la fecha de calibración y la temperatura ambiente en el registro junto a las lecturas; de lo contrario, dos conjuntos de números tomados con meses de diferencia parecen comparables cuando no lo son.

La ubicación de los sensores para la mitad climática del mapa sigue la misma lógica. Un segundo sensor de temperatura y humedad debe ubicarse en el punto de circulación más bajo a la altura del dosel, que frecuentemente es el centro del estante, en lugar de al lado del suministro donde el aire es mejor. El control debe actuar sobre cada sensor que permanece dentro de la banda en lugar de sobre un promedio, porque un promedio puede satisfacerse con dos extremos y aun así dejar una esquina húmeda.

Registre la velocidad, la temperatura, la humedad relativa, el déficit de presión de vapor, el estado de la luz, el comando del ventilador y la velocidad del ventilador junto con una marca de tiempo. Un número de velocidad sin el comando del ventilador no se puede reproducir, y un comando del ventilador sin la lectura del tacómetro no puede mostrar que el ventilador entregó lo que se solicitó.

• Fije la altura de la sonda por encima de la parte superior del dosel y manténgala en cada visita.
• Alinear una sonda unidireccional con la dirección del flujo en cada punto
• Registre la fecha de calibración, la temperatura ambiente y el instrumento utilizado.
• Registre datos climáticos y de ventiladores en el mismo reloj que las lecturas de velocidad.

Resultado informado por el proyecto y lo que no prueba

El resultado es valioso porque el proyecto relacionó el cambio de ventilador con las condiciones medidas de la zona de cultivo, pero las cifras siguen siendo específicas del sitio.

El proyecto informó que la pérdida de cultivos cayó del 14 por ciento al 2,1 por ciento, una reducción reportada de aproximadamente el 85 por ciento. También informó un ciclo de crecimiento de 1,5 días más corto y una reducción neta de energía del 12 por ciento, con una potencia de ventilador registrada de 1,8 W por unidad en los datos del proyecto.

Esos resultados no deben convertirse en una afirmación universal sobre los ventiladores. La variedad de cultivos, el programa de iluminación, la receta de nutrientes, el servicio del sistema HVAC, la deshumidificación, el saneamiento, la densidad de las plantas y el período de medición pueden cambiar el resultado. El uso correcto en ingeniería de los datos es definir una línea base, reproducir el método de medición y verificar el resultado en las condiciones propias de la nueva granja.

La lección transferible es el flujo de trabajo: distribuir aire en el rack, medir en la cubierta, comparar honestamente el catálogo y los puntos operativos instalados, luego congelar el diseño del ventilador aprobado y el método de inspección para la producción.

Evidencia del lado del ventilador que debe registrarse con el mapa

El registro del ventilador debe incluir el punto de funcionamiento y la interfaz, no sólo el número de pieza.

Una fila del catálogo describe un punto de prueba definido. El ventilador instalado se encuentra detrás de una protección, un filtro y una cubierta, por lo que el mapa necesita el estado del ventilador que lo produjo: voltaje, velocidad, corriente, comando de control, ruido y la resistencia contra la que estaba trabajando. Sin eso, un cambio posterior en la densidad del cultivo o en la carga del filtro parecería un fallo del ventilador.

En un ventilador de cuatro hilos, la interfaz es parte de la evidencia. La entrada de control funciona en la banda de 21 a 28 kHz con 25 kHz como valor nominal, el tacómetro devuelve dos pulsos por revolución y una entrada de control abierta normalmente es a máxima velocidad, que es el estado seguro para un ventilador de refrigeración. Registre el comando como un ciclo de trabajo en lugar de como un porcentaje de una escala desconocida, y registre la lectura del tacómetro al mismo tiempo para que la velocidad entregada se pueda separar de la velocidad solicitada.

El entorno también mueve el punto de operación. La densidad cae con la altitud, y a 3.000 m la Atmósfera Estándar Internacional sitúa la densidad del aire cerca del 74 por ciento del nivel del mar, por lo que un ventilador que sostenía la banda en un piloto costero puede no sostenerla en un sitio de gran altitud. La temperatura y la carga del filtro mueven el punto de funcionamiento a lo largo de la curva del ventilador P-Q de la misma manera y deben registrarse como las condiciones de la prueba, no como ajustes aplicados posteriormente.

La vida y el ruido pertenecen al mismo disco. Una declaración de vida útil de un rodamiento solo tiene sentido con la temperatura, el ciclo de trabajo y la velocidad que asume, y una figura de ruido solo es comparable a la misma distancia, velocidad y montaje.

• Registre voltaje, velocidad, corriente, comando de control y ruido con cada conjunto de sondas
• Registre la lectura del tacómetro para que la velocidad entregada pueda separarse de la velocidad ordenada
• Tenga en cuenta la resistencia contra la que trabajaba el ventilador, incluido el estado del filtro.
• Mantenga la altitud y la temperatura como condiciones de prueba en el registro de lanzamiento.

Preguntas frecuentes de los ingenieros: validación del flujo de aire en la zona de cultivo

El resultado útil es una condición repetible de la zona de cultivo medida en el estante poblado, no un número de ventilador de aire libre.

P: ¿Existe un objetivo correcto de velocidad del aire para cada granja vertical? R: No. Los estudios publicados proporcionan rangos de referencia útiles, pero la banda de aceptación depende del cultivo, el cultivar, la etapa de crecimiento, la densidad del dosel, la carga ligera, el control de la humedad, la geometría del estante y la altura de medición. Establezca el límite final a partir de la receta de cultivo propia de la finca y los datos de validación.

P: ¿Por qué medir la velocidad del aire en la cubierta en lugar de en la salida del ventilador? R: El valor de salida del ventilador no muestra si el aire llega a las hojas después de pasar por estantes, luces, guardas y el dosel del cultivo. Los puntos a nivel del dosel revelan derivación, recirculación, bolsas de baja velocidad y diferencias entre estantes.

P: ¿Por qué registrar el déficit de presión de vapor o la humedad con la velocidad? R: El movimiento del aire afecta el transporte de calor y humedad, mientras que el déficit de presión de vapor también cambia con la temperatura. La misma humedad relativa a dos temperaturas diferentes en la plataforma no representa el mismo ambiente de cultivo, por lo que los datos de velocidad y clima deben revisarse juntos.

P: ¿Cuántas sondas son suficientes? R: Suficiente para cubrir el frente, el medio y la parte trasera de cada capa representativa a la misma altura sobre la parte superior del dosel. Tres puntos por capa es un mínimo viable para un estante de tres niveles cuando las capas difieren en las condiciones de entrada o la densidad del cultivo; agregue puntos donde el mapa muestre un bolsillo sospechoso.

P: ¿Cómo conecto el ventilador al resultado del rack? R: Registre el voltaje del ventilador, la velocidad, la corriente, el comando de control y el ruido mientras mide el rack ocupado. Compare el resultado con la curva del ventilador P-Q con la resistencia instalada, porque el aire libre CFM no puede probar el flujo de la zona de cultivo.

P: Nuestras sondas leen en banda pero la punta continúa quemada. ¿Qué sigue? R: Verifique la posición de la sonda con el microclima de la hoja, luego verifique el déficit de presión de vapor y la humedad nocturna, y confirme que la banda se colocó en la misma etapa del cultivo que está fallando. La velocidad del aire es un factor para quemar las puntas y no el único.

P: ¿Qué debería demostrar una pequeña muestra de desarrollo? R: Debe reproducir los estados representativos del estante, las luces, la obstrucción del cultivo, las protecciones y los controles, luego mostrar si la posición del ventilador y el rango de velocidad seleccionados cumplen con los límites climáticos y de flujo de aire espacial antes de que el diseño se publique para la producción en volumen.

• Vincule cada respuesta numérica con el voltaje, la velocidad, la temperatura, el montaje y las condiciones de prueba.
• Máximos de catálogo separados, estimaciones de ingeniería y resultados de aplicaciones medidos
• Utilice las preguntas frecuentes para definir el siguiente paso de medición o validación de muestras

Preguntas para una revisión de diseño

Diez preguntas que deciden si la afirmación sobre la zona de cultivo sobrevive a una reunión de revisión.

Llévelos a la revisión con los datos detrás de cada respuesta. Un diseño que no puede responder a ellas sigue siendo una propuesta, diga lo que diga la ficha técnica del ventilador.

• ¿Cuál es la banda de aceptación y qué cultivo, cultivar y etapa de crecimiento la establece?
• ¿Cuántas sondas se tomaron, a qué altura sobre la cima del dosel y en qué capas?
• ¿Cuál es el coeficiente de variación en cada capa y qué límite se le aplica?
• ¿Se repitió el mapa con el estante poblado, durante la noche y en una etapa posterior del cultivo?
• ¿Dónde está el punto de circulación más bajo a la altura del dosel y qué sensor se encuentra allí?
• ¿Qué comando del ventilador, voltaje, velocidad y corriente se registraron con cada conjunto de sondas?
• ¿Cuál es el espacio libre trasero y cómo se mantiene el camino de regreso libre del dosel?
• ¿Qué capa es el peor caso al final del período de luz y cuál es su velocidad del aire medida?
• Si una capa no cumple con la banda, ¿cuál es la acción correctiva y quién la aprueba?
• ¿Qué se incluye en el registro de lanzamiento: variante del ventilador, espaciamiento, conector, rango de control, puntos de medición y límites?

De un problema de zona de cultivo a un ventilador listo para la producción

Una pequeña muestra puede resolver la cuestión del flujo de aire antes de que una granja se comprometa a implementar un rack completo.

Para un nuevo módulo de granja vertical, MEGA Tech puede revisar las dimensiones de los estantes, el objetivo de la zona de cultivo, el calor del LED, las condiciones de humedad, el espacio disponible para el ventilador, el voltaje, el límite de ruido y los requisitos de control juntos. La primera compilación se puede evaluar en un rack lleno en lugar de seleccionarse únicamente a partir de un valor de catálogo gratuito.

Esa muestra es también donde se prueba el plan de medición. Si la cuadrícula de sonda, el método de registro y la banda de aceptación se acuerdan en la etapa de muestreo, el mismo mapa se puede ejecutar nuevamente en el bastidor de producción y comparar, en lugar de reiniciar el argumento en la puesta en servicio.

Lo que necesitamos de usted para comenzar: la velocidad del aire del dosel y el objetivo climático con el cultivo y la etapa que los produjo, las dimensiones de los estantes y estantes, incluida la ruta de retorno, la envolvente del ventilador disponible, el voltaje de suministro y la interfaz de control, el límite de ruido en el estado operativo que importa y la etapa del cultivo en la que desea validar.

• Definir la velocidad, la dispersión y el objetivo climático de la zona de cultivo.
• Comparta las dimensiones del estante, el estante, la luz y el camino de retorno.
• Cree y pruebe una muestra en el módulo de bastidor lleno
• Congelar el diseño de ventilador aprobado y el método de inspección de producción