Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 6/2016 vyšlo tiskem
5. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 5. 1. 2017.

Osvětlení interiérů
Seminář Interiéry 2016 – páté výročí
Součinnost bytového interiéru a osvětlení 

Normy, předpisy a doporučení
Nové normy pro osvětlení pozemních komunikací

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Pražské Quadriennale představuje nový projekt věnovaný světelnému a zvukovému designu 36Q° Ve dnech 8. – 12. listopadu uvede site-specific výstavu v unikátním prostoru Lapidária…

THEATRE TECH & EVENT PRODUCTION v novém formátu a termínu Výstava divadelní a jevištní techniky THEATRE TECH & EVENT PRODUCTION se nebude konat…

Více aktualit

Osvětlení z pohledu rostlin

Ing. Luděk, Hladký, Ph.D.,
Philips ČR s. r. o., divize Lighting OEM
 
Bez rostlin by nebylo života na Zemi, bez světla by nebylo rostlin. Rostliny sto­jí na počátku potravního řetězce a pro­dukují organické látky a kyslík, a tím umožňují život dalších živých organismů. Rostliny využívají světlo absorbované lis­tovými pigmenty jako důležitý zdroj ener­gie při fotochemických procesech. Tyto procesy podporují např. fotoperiodické aktivity rostlin, ovlivňující indukci a kve­tení rostlin, morfologické aktivity, ovliv­ňující tvar a celkovou stavbu rostlin. Nej­důležitějším energetickým procesem je fo­tosyntéza (obr. 1), která využívá světelné záření ke konverzi CO2 a vody na sacha­ridy a následně na další látky (asimiláty), které společně tvoří stavební kameny rost­linných tkání. Proces fotosyntézy lze pre­zentovat následovně:
 
n(6 CO2+ 6 H2O) + světlo → Cn(H2O)n+ 6 O2
 
Rostliny získávají světelnou energii prostřednictvím světelných kvant, foto­nů. Fotony jsou pohlcovány především chlorofylem, ale i jinými pigmenty. Kaž­dý foton vždy uvolní jeden energeticky bohatý elektron, který vstupuje do vlast­ních biochemických procesů. Tyto proce­sy jsou buď anabolické – spojené s výstav­bou látek (fotosyntéza), nebo katabolické – související s odbouráváním a rozkladem látek (dýchání). Fotosyntéza má dvě fáze, jedna probíhá na světle a druhá bez pří­stupu světla; jde o tzv. Calvinův cyklus. Rychlost fotosyntézy (Pn) charakterizu­je intenzitu nárůstu zelené hmoty rostlin a je vyjadřována jako schopnost vstřebá­vání molekul CO2 na jednotku plochy lis­tu za sekundu (mmol CO2·m–2·s–1).
 
Nejdůležitějšími faktory pro zdárný růst rostlin jsou především:
  • světlo,
  • CO2,
  • teplota, popř. vlhkost vzduchu,
  • teplota půdy,
  • obsah vody v půdě,
  • živiny.
V praxi jsou všechny tyto faktory pro růst rostlin více méně rovnocenně důle­žité. Avšak je-li limitujícím faktorem při­rozené denní světlo, je velmi omezena i optimalizace ostatních faktorů. Použi­tím doplňkového osvětlení pro podporu růstu rostlin mohou být tedy optimalizo­vány i ostatní limitující faktory. Umělé osvětlení lze využít především v zahrad­nictví k stimulaci růstu rostlin a tvorbu květů a plodů. Doplňkové umělé osvět­lení, které se využívá k prodloužení při­rozeného denního osvětlení, se nazývá asimilační. Příklad ročního provozu asi­milačního osvětlení je uveden na obr. 2. Asimilační osvětlovací soustavy umožňu­jí především:
  • zvýšit úrodu,
  • prodloužit dobu produkce plodin,
  • zlepšit kvalitu,
  • zlepšit řízení a plánování produkce,
  • zajistit spolehlivou a pravidelnou do­dávku zemědělských produktů.
Umělé osvětlení se využívá také jako úplná náhrada přirozeného denního osvětlení v růstových komorách, jde o tzv. kultivační osvětlení.
 
Značně rozšířeno je i fotoperiodic­ké osvětlování rostlin, které reguluje dobu kvetení a umožňuje indukci květů dlouhodenních rostlin (např. karafiátů) i v zimním období. Oproti asimilačnímu osvětlení je fotoperiodické osvětlení ener­geticky podstatně méně náročné, potřeb­né intenzity osvětlení jsou řádově deset- až patnáctkrát nižší. U některých rostlin není třeba k vytvoření fotoperiodického efektu ani plynulé několikahodinové při­světlování, ale postačuje jen krátkodobé přerušování tmy v noční době.
 

Fotosynteticky aktivní záření

 
Spektrum slunečního záření, které pro­stupuje atmosférou na zemský povrch, obsahuje především širokou oblast op­tického záření, která zahrnuje ultrafia­lové záření (o vlnových délkách 300 až 380 nm), viditelné záření (380 až 780 nm)a infračervené záření (780 až asi 3 000 nm). Viditelné záření, zhodnocené citlivostí lidského oka, se nazývá světlo. Část spek­trální oblasti viditelného záření v oblasti vlnových délek 400 až 700 nm je defino­vána jako fotosynteticky aktivní záření (FAR).
 
Veškeré záření ze slun­ce (je to přímé sluneční záření a rozptýlené záření oblohy) se označuje jako globální záření (měří se na vodorovné ploše). Po­díl fotosynteticky aktivní­ho záření je 45 % z hodno­ty globálního záření. Při posuzování vlivu sluneč­ního záření ve skleníku je ovšem třeba počítat s tím, že vlivem odrazu a absorp­ce skleníkové konstrukce vstupuje do skleníku v zá­vislosti na ročním obdo­bí a použitém materiálu zasklení pouze 65 až 80 % energie, kte­rá dopadá na vnější konstrukci skleníku.
 
Fotosynteticky aktivní záření se hod­notí buď energetickými nebo kvantovými (fotonovými) jednotkami. Energetickou jednotkou toku FAR je watt (W FAR), jednotkou intenzity ozáření je W·m–2FAR, jednotkou dávky ozáření je W·h·m–2FAR. Fotonové jednotky jsou: pro fotonový tok zpravidla mmol·s–1, pro intenzitu ozáře­ní mmol·s–1·m–2, pro (zpravidla denní) dávku ozáření mol·m–2. Fotonové jednot­ky jsou závislé na vlnové délce záření (l).
 
Vzájemný vztah mezi energetickými a fotonovými jednotkami je následující:
 
1 mmol·s–1 = 119,64/l           (W)
 
Vzhledem k závislosti tohoto vztahu na vlnové délce je poměr obou jednotek závislý na spektrálním složení záření, a je tedy pro každý zdroj jiný. Početně se sta­novuje z emisních spekter uvažovaných zdrojů. V obvyklých případech platí, že:
 
1 mmol·m–2·s–1 = 0,20 – 0,24 W·m–2
 

Měření intenzity ozáření

 
Globální záření slunce se měří pyra­nometry ve spektrálním rozsahu 300 až 3 000 nm nebo solarimetry, jejichž spek­trální rozsah zpravidla bývá užší. Pokud se měří pyranometrem, lze stanovit i hod­notu intenzity FAR.
 
Měření viditelného záření (světla) lux­metry je založeno na spektrální citlivosti lidského oka a není dobrým identifikáto­rem pro optimální růst rostlin. Spektrální citlivost rostlin je totiž odlišná, větší citli­vost se projevuje v krajních oblastech vi­ditelného spektra, v „modré“ (s maximem asi 450 nm) a „červené“ (s maximem asi 660 nm), viz obr. 3. Fotosyntéza je účin­nější v červené oblasti spektra, které sti­muluje kvantitativní nárůst rostliny. Nao­pak modrá část spektra značně ovlivňuje morfologické vlastnosti, zabraňuje příliš­nému vytahování rostlin do výšky, pod­poruje odnožování a množství listů, a tím zajišťuje kvalitní růst rostlin.
Různé způsoby měření energie záření při produkci rostlin jsou uvedeny v tab. 1.
 

Intenzita a celkové množství FAR

 
Nejvýznamnější parametry fotosynte­ticky aktivního záření jsou:
  • intenzita FAR (fotonová ozářenost) (μmol·m–2·s–1),
  • dávka FAR (mol·m–2).
Intenzita FAR určuje rychlost fotosyn­tézy (absorpci CO2). Účinnost fotosyn­tézy je vyšší při malých úrovních ozáření a s rostoucí intenzitou fotosynteticky ak­tivního ozáření se účinnost snižuje. V ur­čitém bodě je rychlost fotosyntézy ome­zována a dosahuje saturační úrovně; viz reakční křivka fotosyntézy (Pn) na obr. 4. Vzájemný vztah mezi intenzitou FAR a fo­tosyntézou je závislý především na dru­hu rostlin, vývojovém stadiu a celkových podmínkách růstu. Velmi důležitý je svě­telný kompenzační bod, který stanovuje mezní intenzitu ozáření, při které asimi­lační produkty ještě přispívají k nárůstu rostlinné hmoty. Při nižších hodnotách ozáření rostliny sice asimilují, ale asimi­lát je zároveň odbouráván dýcháním rost­lin. Při doplňkovém osvětlování zpravidla dvoj- až trojnásobek této hodnoty udává doporučenou intenzitu ozáření, která je směrodatná pro výpočet potřeného výko­nu asimilačních svítidel a která zároveň určuje dobu jejich zapínání nebo vypí­nání. Svítidla jsou v provozu tehdy, když intenzita globálního slunečního záření uvnitř skleníku je nižší než doporučená hodnota. Pro rostliny se středními poža­davky na světlo (40 až 50 mmol·m–2·s–1), tj. v rozmezí 20 až 25 W·m–2, pro rostli­ny s vysokými požadavky na světlo (ze­lenina, rajčata, salát, 150 mmol·m–2·s–1), tj. asi 75 W·m–2. Doporučené hodno­ty intenzit ozáření pro různé rostliny jsou např. na www.dhlicht.de, Lichtemp­fehlungen. Je třeba upozornit, že tyto hodnoty platí pro rostliny ve sklenících nebo růstových komorách. K osvětlová­ní okrasných rostlin v bytových nebo pra­covních interiérech se volí hodnoty nižší.
 
Světelnětechnické výpočty osvětlova­cích soustav se běžně provádějí fotome­trickými jednotkami. Intenzita osvětlení se udává v luxech (lx). Proto je užiteč­né pro jednotlivé světelné zdroje uvá­dět přepočítávací koeficienty. Napří­klad pro výbojku Green Power 600 W platí, že intenzita osvětlení 1 000 lx od­povídá fotonové inten­zitě 13,1 mmol·m–2·s–1. Pro lineární zářivky TL a pro kompaktní zá­řivky CFLI je to 13 až 14 mmol·m–2·s–1.
 
Intenzita ozáření FAR je důležitá pro rychlost fotosyntézy, ale pro cel­kové množství nárůstu rostlinné hmoty je důleži­té celkové množství, den­ní dávka FAR. Tato dáv­ka pro jednotlivé rostliny se ale v dostupných mate­riálech obvykle neuvádí, místo ní se udává denní doba přisvětlování.
 

Důležité aspekty zohledňující návrh dodatečného osvětlení

 
  • Doplňkové osvětlení ge­neruje též infračervené zá­ření a ztrátové teplo před­řadných přístrojů, které vytváří uvnitř skleníku pří­davnou tepelnou zátěž. Speciální výbojové světelné zdroje pro zahradnictví, jako jsou Master GreenPower nebo Master GreenVision, mají nejvyšší účinnost systému ve stěžejních oblastech viditelného spektra, a proto i osvětlovací soustava vybavená těmito světelnými zdroji má nejnižší přídavné tepelné zatížení prostoru skleníku.
  • V případě, že nadměrné světlo je emi­továno mimo prostor skleníku, může osvětlovací soustava způsobovat rušivé světlo, které se v posledních několika letech stalo environmentálním a soci­álním problémem. Například nizozem­ská legislativa předepisuje případy, kdy vyzařování světla musí být plně omezeno. To v dnešních sklenících zpravidla není problém, pro­tože ty mají nad svítidly stí­nicí a tepelněizolační clony, které jsou v době ozařování rozvinuty. Clony jsou pro­tkány lesklými hliníkovými proužky, které infračervené záření i světlo odrážejí zpět do rostlinného porostu. Tím se šetří energie pro vytápění a odražené světlo se využije opět k růstu rostlin. Přídav­ná tepelná zátěž od svítidel se využije při vytápění skle­níku, takže se ušetří náklady na topení.
  • Během provozu se výkon světelného systému snižuje, což snižuje úroveň osvětlení rostlin. Proto je důležité při vypracovávání ná­vrhu osvětlovací soustavy volit správ­ný udržovací činitel.

Světelné zdroje a osvětlení

 
V osvětlovacích soustavách asimilač­ního osvětlení bývají používány běž­né vysokotlaké sodíkové nebo haloge­nidové výbojky. Výhodnější z hlediska provozních nákladů je využít speciální světelné zdroje vyzařující ve stěžejních oblastech spektra. Výrazně se tím sníží instalovaný příkon soustavy v porovná­ní s běžnými typy výbojek při zachová­ní stejné produkce plodin. Je-li uvažo­vána osvětlovací soustava s výbojkou Master GreenPower, která zajišťuje in­tezitu FAR 120 μmol·m–2·s–1, lze ušetřit 35 W/m2 instalovaného výkonu ve srov­nání s konvenční halogenidovou výboj­kou HPI-T.
 
Mezi speciální světelné zdroje v sou­stavách asimilačního osvětlení se řadí spe­ciální vysokotlaká sodíková výbojka Mas­ter GreenPower v příkonové řadě 400, 600 a 1 000 W, kterou lze provozovat s kon­venčním nebo elektronickým předřadní­kem. Tyto světelné zdroje jsou dostupné i pro jmenovité sdružené napětí 400 V, což navíc umožňuje minimalizovat výkonové ztráty ve vedení a uspořit materiál na roz­vod elektrické energie.
 
Ve srovnání s prvním produktovým „speciálem“ – vysokotlakou sodíkovou výbojkou SON-T Agro, vyzařující pře­devším ve žluté oblasti spektra, účinnost fotosynteticky aktivního záření vzrost­la o 7 %.
 
Pro fotoperiodické osvětlení se vyu­žívají zpravidla zdroje, jež lze snadno řídit, a tak zajistit rychlý náběh plné­ho světelného toku. Jsou to především lineární a kompaktní zářivky. Novin­kou určenou pro tento účel je světel­ný zdroj na bázi světelných diod LED Flowering.
 
V růstových komorách, které jsou zpra­vidla bez přístupu denního světla, se vyu­žívají halogenidové výbojky HPI-T Plus 400W nebo lineární zářivky TL-D Re­flex s jednostrannou reflexní plochou pro efektivní směrování světelného toku. V poslední době jsou stále častěji využí­vána LED svítidla, která vykazují dlou­hou životnost, umožňují změnit teplotu chromatičnosti, řídit odvod tepla, spořit místo, zlepšovat účinnost optického sys­tému zajišťující rovnoměrnou distribuci světelného toku. K osvětlení vícevrstvé kultivace v regálech jsou určeny lineární LED moduly GreenPower (obr. 5) nebo řetězce světelných diod LED String Gre­enPower s garantovaným servisním živo­tem 50 000 h.
 

Závěr

 
Díky využití doplňkového osvětlení skleníků lze lépe naplánovat období skliz­ně i množství úrody, a tím i dodávku pěs­tovaných produktů k zákazníkovi. Na zá­věr jeden příklad z Nizozemí: při intenzitě FAR 200 μmol·m–2·s–1 (odpovídá osvět­lenosti 15 klx) se úroda rajčat, která jsou vysázena v říjnu, zvyšuje o více než 30 %; při stejných podmínkách produkce růží vzroste až třikrát.
 
Literatura a odkazy:
[1] Growing your profits. Storybook Horticul­ture Lighting, Philips, 2007.
[2] Gartenbeleuchtung – Lichtrezepte. Do­stupné z www.philips.com/horti.
[3] Procházka, S. at al.: Fyziologie rostlin. Aca­demica, Praha, 1998.
 
Recenze: Ing. Petr Hutla, CSc., Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i., Praha
 
Obr. 1. Proces fotosyntézy
Obr. 2. Využití do­plňkového osvětlení během ročního období při pěstování rajčat
Obr. 3. Spektrální citlivost lidského oka versus rostlin
Obr. 4. Příklad závislosti fotosyntézy na intenzitě FAR (mě­řeno v jednom bodě na rajčatovém listu během zimního období)
Obr. 5. LED modul Green Power
 

Tab. 1. Různé způsoby měření intenzity záření