Effecten op het kassysteem
- Alexander Boedijn
- Gert-Jan Swinkels
Kas-energie balans
Assimilatieverlichting heeft invloed op de kasenergiebalans. Lampen zetten elektriciteit om in PAR licht. Een deel van de energie uit elektriciteit komt in dat proces als warmte vrij. Het armatuur wordt door geleiding (conductie) warm. Vervolgens staat het armatuur warmte af aan de kasconstructie, kaslucht en planten via convectie en langgolvige warmtestraling (infrarood).
Langgolvige warmtestraling wordt direct uitgewisseld tussen objecten die van temperatuur verschillen. Warmtestraling draagt energie van de warme lampbehuizing direct naar koudere kasconstructie en planten. Bij convectie wordt energie indirect overgedragen tussen objecten via de lucht. Convectieve energieoverdracht gaat van warmere lampbehuizing naar koudere kasconstructie en planten via de kaslucht. Een deel van de convectieve energie warmt daarbij de kaslucht op, langgolvige warmtestraling doet dat niet. PAR licht draagt zelf ook energie. Het PAR licht dat de planten bereikt, wordt voor een deel gebruikt in de fotosynthese. Het grootste gedeelte van het geabsorbeerde PAR licht warmt echter de planten op. Zijn planten warmer dan de omgeving (kaslucht en kasconstructie), dan staan ook zij warmte af aan die objecten door convectie en warmtestraling. PAR licht kan de kasconstructie en de grond ook opwarmen.
SON-T en LED
LEDs zullen steeds meer gebruikt worden in de glastuinbouw. LED's hebben een hogere omzetefficiëntie dan SON-T, ze produceren meer PAR licht met dezelfde energieinput (J/μmol). In de wissel van SON-T naar LED worden de factoren licht en temperatuur meer uit elkaar getrokken. Ze kunnen beter afzonderlijk van elkaar gecontroleerd worden, dit levert meer opties in de sturing van het kasklimaat.
Bij een hogedruk natriumlamp (SON-T) is een hoge temperatuur en druk nodig om licht te laten uitstralen door het natrium in de lamp. De warmte van het armatuur en de reflector wordt door warmtestraling en convectie aan de omgeving en de lucht afgestaan. In een LED ontstaat bij de doorgang van stroom door halfgeleider materialen naast licht ook warmte (minder dan bij SON-T). De warmte van een LED wordt op de behuizing overgedragen door geleiding (conductie). De behuizing wordt warm en staat vervolgens via convectie en langgolvige warmtestraling energie af aan de lucht en de omgeving. Meer details over de werking van SON-T en LED lampen leest u in lamp types.
SON-T en LED verschillen in de aandelen PAR licht, convectie warmte en stralingswarmte die ze produceren. Ook de richting van de warmtestraling is anders (Figuur). Philips lighting geeft de volgende getallen in een vergelijking tussen LED en HPS. Bij LED en HPS respectievelijk, wordt 64% en 34% van de energie uit elektriciteit omgezet in PAR licht, 26% en 11% van de energie wordt door convectie overgedragen aan de lucht en 10% en 55% door langgolvige warmtestraling aan de omgeving/planten. Warmteoverdracht door convectie gebeurt bij beide type belichting rondom het hele armatuur. De langgolvige warmtestraling wordt bij LED rondom het armatuur uitgestraald terwijl de warmtestraling bij SON-T door de reflector direct naar beneden richting de planten uitgestraald wordt (Figuur). Dit betekent dat planten veel directer opgewarmd worden onder SON-T licht. Het aandeel convectie warmte is groter bij LED. Dit heeft gevolgen voor de temperatuur gradient in een kas. De warmte van de armatuur stijgt met de lucht mee naar de nok van de kas. Er is een hogere temperatuur in de nok dan onderin het gewas.
Bij gelijke hoeveelheid PAR straling wordt een plant onder SON-T dus warmer dan onder LED omdat:
Het aandeel warmtestraling hoger ligt
En de warmtestraling bij SON-T voornamelijk richting de planten wordt uitgestraald ipv rondom de armatuur.
Door het verschil in omzetefficiëntie hebben SON-T en LED ook een effect op de warmtevraag van de kas. Onderstaande tabel geeft een indicatie van de warmte- en elektriciteitsbehoefte van een standaard tomatenteelt zonder WKK en bij 200 umol/m2/s voor SON-T in vergelijking met LED’s met verschillend rendement. Door de hogere efficiëntie van LED neemt het elektriciteitsverbruik drastisch af maar ook de hoeveelheid warmte uit de lampen waardoor de warmtevraag en daarmee het gasverbruik wat toeneemt. De besparing op elektriciteit zal echter meer impact hebben dan de extra warmtebehoefte.
Warmtevraag (uitgedruikt in m3 aardgas equivalenten) en elektriciteitsvraag van een belichte tomatenteelt voor SON-T en LED.
| SON-T | LED (2,3 J/μmol) | LED (3,2 J/μmol) |
|---|---|---|---|
Warmtevraag [m3 a.e./m2/jaar] | 18 | 20 | 24 |
Elektriciteitsvraag(kWh/m2/jaar) | 285 | 222 | 162 |
Invloed op de plant
De lagere warmteafgifte van LEDs leidt tot een lagere planttemperatuur en daarmee tot een tragere ontwikkelsnelheid dan onder SON-T. Bij een gewas als tomaat is het mogelijk de ontwikkelsnelheid van het gewas onder LEDs op een zelfde niveau te brengen als onder SON-T wanneer de ruimtetemperatuur 1-2 °C verhoogd wordt met het verwarmingssysteem. De energie die bespaart wordt door efficiëntere belichting wordt dan gedeeltelijk gebruikt om de ruimte op te warmen. Uit een studie, waar een breed scala aan scenario's gesimuleerd en doorgerekend werd met het kasmodel Greenlight, blijkt dat bij een overgang van LED naar SON-T in de meeste gevallen 10-25% energie bespaart wordt.
Energie balans HPS and LED top belichting (Afbeelding van Philips Lighting).
De hoeveelheid warmtestraling die van een LED komt, is afhankelijk van de temperatuur van de armatuur. Een LED zet elektriciteit namelijk efficiënter om in licht bij kamertemperatuur dan bij hogere temperaturen. Het koelen van LEDs, afstaan van warmte (energie) aan de omgeving is van belang. Daarmee wordt ook de levensduur van een LED groter. LED lampen worden ontworpen om de warmte kwijt te kunnen. Dat kan passief met de vorm van een LED, door gebruik te maken van het feit dat warme lucht opstijgt. En actief, met behulp van een ventilator of via waterkoeling. De warmteafgifte van verschillende LED armaturen vertoont een grote variatie omdat het koelingstype (actief, passief) en de efficiënte van LEDs verschilt tussen leverancier. Voor een zorgvuldige toepassing moet de teler naast de lichtverdeling ook weten hoe de warmte verdeling/uitstraling van de LED armatuur zal zijn.
Het toepassen van LEDs in de kas is een systeemverandering, waarbij de elementen van het systeem opnieuw op elkaar afgestemd moeten worden. Wisselen van SON-T naar LED heeft o.a. gevolgen voor de raamstand, de manier van verwarmen, de watergift, de luchtvochtigheid en de CO2-dosering.