Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set :30

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1 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Gestione del clima in serra: luce, e anidride carbonica, WageningenURGreenhouse Horticulture cecilia.stanghellini@wur.nl Progetto cofinanziato dal programma LIFE+ Fondi, 11 settembre 21 Wageningen University & Research Center (WUR) unica facoltà d agricoltura dell Olanda Plant Science Animal Science Environment Wageningen UR Greenhouse Horticulture Fisiologia e gestione delle colture Patologia Tecnologia delle serre Gestione aziendale WUR circa 5 persone Ricerca Formazione AgroTechnology & Food Circa 1 scenziati e 3 tecnici Circa 6 studenti, PhD, MSc, Erasmus & BSc Social Science Serra sostenibile = meno uso di risorse: Indice: Ridurre la necessità = progettazione intelligente Ridurre gli sprechi = gestione ambientale Aumentare la produttività = gestione della coltura Caratteristiche dei materiali di copertura Temperatura e ventilazione Umidità Anidride Carbonica Concetto di fattore limitante Ambiente radiazione Zona radicale [H 2 O] [CO 2 ] H 2 O Minerali acqua, minerali, carboidrati Assimilazione (mg m -2 s -1 ) sun radiation (W/m 2 ) CO2 (vpm) assimilation Wageningen UR Greenhouse Horticulture 1

2 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Altri fattori possono essere limitanti per esempio la Esempio: il fattore limitante in Olanda Holland (mg m -2-2 s s -1-1 ) ) S1 6 6 S7 3 sun radiation (W/m 2 3 S4 sun radiation (W/m 2 ) 2 ) assimilation CO2 1 1 CO2 (vpm) CO2 S1 Amsterdam Rotterdam Westland Belgium Wageningen River Rhine Germany 52 Ore di luce è intensità in Olanda Light quantity Light transmission >75% glass panes of 3.6 m 2 : total transmissivity > 8% Intensità media della radiazione J/cm14 2 h 12 1 ore 2 di luce lux 1 lux Gen Mar Jun Sep Dic The Netherlands Spain Propietà radiative della copertura Solar radiation I sun Radiazione solare diffusa I rifless = ρ out I sun Coefficiente di riflessione, ρ diffusa assorbimento copertura riflessa diffusa I riflessa = ρ in ρ out I sun absorption Temperatura e diffusione e trasmessa modificazione del colore (spettro) trasmissione assorbimento dalla coltura (suolo) Wageningen UR Greenhouse Horticulture 2

3 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Light quantity Materiali intelligenti PAR transmission different materials Material perpendicular diffuse FVG PE-EVA-film Sun Eva 5 Plus 89.% 8.9% FVG PE-EVA film Sun Saver 5 Pro 89.4% 76.9% FVG PE-film FVG Kupfer % 7.7% Plastika Kritis PE-EVA-film TUV % 81.5% Plastika Kritis PE-EVA-film TUV % 72.6% Plastika Kritis PE-EVA-film TUV % 71.3% Plastika Kritis PE-EVA-film TUV % 68.7% Plastika Kritis PE-film UV % 8.5% Pati EVA-film Patilite E 82.5% 71.% Pati EVA-film Patilux LD 9.6% 8.9% Asahi ETFE Film F-Clean Clear 92.9% 85.% Asahi ETFE Film F-Clean Diffuse 93.4% 81.% transmission diffuse [%] :1line transmission direct [%] UV PAR NIR Morfogenesi Colore & Insetti calore fotosintesi + calore dentro Colore della luce: Quantità di ultravioletto (UV): Ci sono indicazioni che aumenti il livello di composti salubri (antocianine, flavonoidi) Effetto sul colore Effetto sugli insetti Proporzione di Rosso (o Infrarosso)/blu: controllo della morfologia Blu:piante compatti, piú germogli ascellari laterali, foglie piccole e spesse Alta proporzione di IR/blu: piante alte, meno germogli ascellari e foglie grandi e sottili. colore della luce Trasmissione UV di differenti materiali transmission [%] UVB UVA 6 5 PE film with UV 4 glass 3 PE film traditional 2 PE film with UV-blok wavelength [nm] Light Emitting Diodes (LED) PRO I LED si possono freddare e usare l acqua calda Con I LED si puó fare lo spettro che si vuole L intensità dei LED puó essere regolata CONTRA I LED non sono (per ora) piú efficienti delle lampade al sodio Non sappiamo ancora abbastanza sull effetto di luce mono/bicromatica Aspetti ergonomici Wageningen UR Greenhouse Horticulture 3

4 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Commenti sui materiali NIR-selettivi: L evoluzione ha già provveduto le foglie con una alta (~5%) reflettanza nel NIR Quindi non ci si devono aspttare meraviglie da questi materiali L assorbimento della radiazione NIR riscalda la copertura una parte dell energia sottratta torna in modo diverso nella serra La riflessione del NIR risulta in riflessione multipla fra la coltura e la copertura unaparte dellanir riflessadallacolturanon esce dalla serra La differenza in efficacia fra assorbimento e riflessione incompleta puó essere piccola Molto spesso il contributo del NIR al riscaldamento della serra è molto utile Un filtro NIR permanente puó essere addirittura controproducente L energia puó essere troppa, la luce NO Assimilazione (g CO 2 /h/m 2 ) coltura foglia singola intensità sun radiation della luce I(W/m sun 2 ) Problemi risolti dai materiali diffusivi Effetto dell haze (misura della diffusione) Distribuzione verticale Molta/troppa luce assorbita negli strati alti Foglie in basso poco contributo all assimilazione Distribuzione orizzontale Ombra proiettatata da elementi strutturali Cresita e sviluppo non uniforme nella serra Net photosynthesis produzione del cetriolo foglie in alto foglie in basso vetro standard foglie in basso haze 7% Net photosynthesis produzione cumulata (kg/m 2 ) produzione del cetriolo upper leaves lower leaves standard cover Il vantaggio di un materiale diffusivo è probabilmente ancora maggiore a latitudini piú basse dell Olanda (52 o N) lower leaves high haze high haze low haze reference Incident light Dueck et al., 29 Incident light Dueck et al., 29 Wageningen UR Greenhouse Horticulture 4

5 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Materiali haze e tramsissività EVA film diffuse EVA film diffuse EVA EVA film film ETFE ETFE film film diffuse diffuse ETFE ETFE film film Standaard Standaard tuindersglas 4mm tuindersglas 4mm haze [-] hemispherical transmission [-] Luce = produzione (e non solo in Olanda) Piú luce con Materiali avanzati Vetro bianco (+1-2%) Vetro AntiReflesso (+5-7%) ETFE (+3%) Costruzioni piú sottili (max +5%) Orientamento e pendenza tetto Poco beneficio Pulitura (anche 1%) Meno strutture (+1-3%) Uso piú efficiente della luce con la diffusione Conclusioni (luce) La luce non e mai troppa (il caldo a volte si ) Materiali diffondenti possono aumentare la produttivita e diminuire la necessita di ombreggiamento Non esistono materiali diffondenti che non diminuiscano la trasmissivita Scegliere oculatamente: a parita di effetto diffusione ci puo essere differenza di trasmissivita Fondi, 11 settembre 21 Indice: Immagazzinamento termico troppo caldo Caratteristiche dei materiali di copertura Temperatura e ventilazione Umidità Anidride Carbonica temperature tempo (1 anno o 1 giorno) troppo freddo.. ideal temperature greenhouse temperature external temperature Wageningen UR Greenhouse Horticulture 5

6 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Immagazzinamento termico attivo heating cooling Utilization Storage of of warm water Immagazzinamento a bassa In depositi d acqua [sotterranei] naturali o artificiali Con immagazzinamento PERFETTO una serra ha un surplus annuo di energia, PERFINO alla latitudine dell Olanda e quindi un eccesso di energia a latitudini biú basse serra semi-chiusa Progettazione delle aperture La ventilazione è il modo piú economico di eliminare energia solare in eccesso La capacità di ventilazione deve essere sufficiente anche nelle condizioni peggiori temperature inside Ventilation requirement & capacity The ventilation capacity too hot tunnel temperature = f(clima no ventilation & cover properties) temperature range of ventilation ideal temperature ventilation capacity esterna external temperature = infinite ventilation time (1 year or 1 day) L effetto della ventilazione sulla L effetto della protezione e della ventilazione La capacità di ventilazione è sempre tunnel =f(clima e proprietà limitata della copertura) e quindi conviene mantenere bassa tunnel la a bassa trasmissività di partenza Imbiancamento o schermo chiusa =f(clima nessuna e proprietà ventilazione della copertura) ombreggiante range della ventilazione ideale capacità di ventilazione tasso di ventilazione esterna esterna=ventilazione infinita tempo (1 anno o 1 giorno) Wageningen UR Greenhouse Horticulture 6

7 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Tasso di ventilazione? air changes/h 15 without insect nets 9 insect nets 3 wind speed m/s Perez-Parra, 22 velocità del vento media mensile (km/h) Carico termico e velocità del vento Almeria Gela insolazione mensile (h) TMAX Gela ( o C) Ci vogliono piú aperture a Gela che ad Almeria TMAX media mensile Almeria ( o C) Controlled openings ventilation flow at given wind speed Almeria, Perez- Parra et al., 24 flap opening angle windward leeward Productivity of modern greenhouses with regulated zenital openings is higher Almeria parral greenhouses size about 1 ha, side openings Gestione della ventilazione = aperture regulabili o C temperature unventilated serra non ventilata greenhouse temperature ventilated serra molto greenhouse ventilata outside temperature fuori sun radiazione radiation (W/m 2 ) spazio per la gestione della ventilazione 6 W/m /1/28 : 19/1/28 12: 2/1/28 : 2/1/28 12: 21/1/28 : L effetto della ventilazione variabile senza ventilazione =f(clima e proprietà della copertura) piú caldo.. ventilazione regolabile ventilazione fissa esterna=ventilazione infinita tempo (1 giorno) Wageningen UR Greenhouse Horticulture 7

8 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Regime di Temperature management in Holland valori prefissati dipendono da coltura, fase, stagione & temperature Set-points depend on crop, crop stage, season ventilation set-point tener conto della luce light allowance set-point del riscaldamento notte giorno notte tempo heating set-point night day night time Temperatura media 24h e quantità di luce esempio: pomodoro Conclusioni ventilazione & 22 o C 16 o C La notturna deve permettere la movimentazione degli assimilati formati durante il giorno Una eccessiva accelera la maturazione e risulta in frutti piccoli giorni molto bui giorni molto luminosi La ventilazione non dovrebbe essere piu del necessario Aperture controllabili garantiscono una produttivita maggiore di aperture fisse Ventilazione ridotta (= serra piú/semi-chiusa) Contra: Necessità di: Pro: Gestione migliore di: Temperatura Anidride carbonica Umidita Immagazzinamento termico naturale Meno pressione di insetti Ridotto uso di fitofarmaci Minori emissioni se usati Ventilazione automatica Injezione di anidride carbonica Umidità maggiore L inabilità di controllare l umidità spesso limita la possibilità di gestire la Fondi, 11 settembre 21 Wageningen UR Greenhouse Horticulture 8

9 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Indice: Caratteristiche dei materiali di copertura Temperatura e ventilazione Umidità Anidride Carbonica Humidity air Perchè si ventila anche quando la andrebbe bene? Plants give: Vapour Plants need: Light humidity inside temperature inside Effetti della ventilazione fuori poca ventilazione molta ventilazione Temperatura di rugiada Umidità in un ambiente semi-chiuso IF(χ tetto χ * (T tetto ) < χ a ) Condensazione Umidità esterno χ out Ventilazione Humidity E - V C inside = : 12: : 12: : : 12: : 12: : Ottobre 28 Traspirazione Humidity in the house is the link Transpiration in a semi-closed environment transpiration g/m 2.hour transpiration humidity vapour removal ventilation to remove vapour Effect of radiation and of the ventilation rate (volume/hour) outside Rn = 25 W/m 2 transpiration humidity vapour removal Without condensation X outside =1 g/m 3 1 Rn = 5 W/m 2 Rn = W/m 2 LAI = ventilation rate (1/hour) Wageningen UR Greenhouse Horticulture 9

10 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Non c è relazione fra traspirazione e prodotto Gemeten waterverbruik liters/plant/dag, lage verdamping afdeling rapporto che si voleva Gemeten waterverbruik liters/plant/dag, referentie afdeling traspirazione bassa 65% del controllo 4 colture in 3 anni 8 EC s Li & Stanghellini water produz. use traspirazione low-transpiration, 65% l (kg/plant) -1 day -1 Prodotto: +5% water produzione use high-transpiration, controllo (kg/plant) l -1 day -1 (4 colture 2 trattamenti) In condizioni di stress potenziale Tomato Quindi qual è il problema? Germinazione di spore di Botrytis aumenta con l umidità No misting Misting traspirazione 1% 68% Prodotto 1% 122% In Spagna con traspirazione bassa produzione piú alta Soprattutto frutti piú grossi Meno aborti E anche piú materia secca Romero-Aranda R, Soria T, Cuartero J. 22 spore Kieming germinate (% (% van delle aanwezige presenti) sporen) 1% 75% 5% 25% % 93% 95% 97% 99% umiditàrv relativa Cosa si sa delel malattie fungine Chance di infezione aumenta se la coltura è bagnata Ci puó essere guttazione Ma piú spesso perchè c è condensazione La chance di infezione aumenta con la durata dell evento bagnato Come succede la condensazione? Bilancio di energia foglia piú fredda calda dell aria radiazione solare aria foglia traspirazione convezione Wageningen UR Greenhouse Horticulture 1

11 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Gli stomi e la circolazione aria radiazione solare foglia traspirazione aria calore foglia radiazione solare vapore aria differenza di Temp. deficit di saturazione T. rugiada convezione traspirazione convezione traspirazione Condensazione aria calore radiazione solare foglia vapore aria deficit di saturazione deficit di saturazione T. rugiada convezione condensazione traspirazione La foglia non puó essere piú fredda della di rugiada Energia disponibile per la coltura luce Luce Schermo termico aria Riscaldamento foglia calore circulazione Δ convezione Cosa si puó fare? aria vapore pt. rugiada Punto di rugiada ventilazione condensazione de-humidificazione traspirazione misting Circolazione dell aria Abbassa SEMPRE la differenza di fra le foglie e l aria Raffredda quando le foglie son piú calde Riscalda quando son piú fredde Quindi è certamente utile quando c è rischi di condensazione Prevenire la condensazione Temperatura coltura punto di rugiada > 1 Temperatura coltura Schermo termico Luce artificiale Riscaldamento Punto di rugiada Ventilazione De-umidificazione Wageningen UR Greenhouse Horticulture 11

12 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Conclusion (ventilation & humidity) If dew point outside is as high as inside Ventilation will not dry the air (and it can increase the problem) Less ventilation and raise the air temperature inside No/little need for humidity control under sunshine Increase the band between heating and ventilation set-point Use air circulation Fondi, 11 settembre 21 Indice: Ventilazione ridotta = necessità di fornire CO 2 o C4 temperature unventilated serra non ventilata greenhouse 5 6 temperature ventilated serra molto greenhouse ventilata ppm W/m 2 outside temperature fuori radiazione sun radiation (W/m 2 ) Caratteristiche dei materiali di copertura Temperatura e ventilazione 3 CO2 concentration ventilated greenhouse Umidità 25 CO 2 concentration unventilated greenhouse 24 3 Anidride Carbonica /1/28 : 19/1/28 12: 2/1/28 : 2/1/28 12: 21/1/28 : Fertilizzazione carbonica in una serra non scaldata: Ha senso? [CO 2 ] Ha senso? Quantificare il danno causato dalla deplezione di CO 2 C è deplezione? Come si puó stimare? Cosa significa in termini di raccolto? Ventilazione = gratis CO 2? Quantificare il beneficio Quanta anidride carbonica ci vuole Quanto costa Se sí, che concentrazione si deve mantenere? SI/NO Wageningen UR Greenhouse Horticulture 12

13 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 C è deplezione? Non puó NON esserci concentrazione ambiente di CO 2 Come si puó stimare? concentrazione ambiente di CO 2 concentrazione di CO 2 in serra assimilazione concentrazione dentro DEVE essere minore di fuori V=φ (C out -C in ) concentrazione di CO 2 in serra A = V assimilazione A ([ CO ] [ CO ]) A = V = φ vent 2, out 2, in mg/(m 2 s) m 3 /(m 2 s) = m/s mg/m 3 Stimare la deplezione di [CO 2 ] dentro una serra se: Cultura che assimila al tasso di 2 Legge di Avogadro mg/(m 2 s) Caso particolare della legge dei gas perfetti Tasso di ventilazione n di 1/h 1 mole di un gas 22 l Altezza in gronda 3.2 m e al colmo 4 m 1 l = 1 dm 3 1 vpm = 1 cm 3 / m 3 n ( ) (/h) altezza serra ( m) φvent m/s = 36 ( s/h) circa 1 2 mg/m vpm A = V = φ vent ([ CO 2, out ] [ CO 2, ]) 3 in mg/(m 2 s) m/s mg/m 3 vpm?? Concentrazione di CO 2 risultante concentrazione CO CO 2 2vpm vpm = cm cm3 3 /m /m concentrazione atmosferica attualedi di CO 2 radiazione solare W/m2 2 1-nov-6 11-nov-6 12-nov Cosa significa in termini di raccolto? Cosa significa in termini di raccolto? la fotosintesi è proporzionale alla differenza di concentrazione fra la cavità stomatica e l aria concentrazione di CO 2 in serra A = V A assimilazione C A in -C leaf concentrazione ambiente di CO 2 V=φ (C out -C in ) la fotosintesi è proporzionale(mg allam -2 s -1 ) differenza di concentrazione fra la cavità stomatica e ci vuole un modello che descriva l aria l assimilazione sun radiation (W/m 2 ) CO2 (vpm) assimilation Wageningen UR Greenhouse Horticulture 13

14 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Riduzione di assimilazione? assimilazione mg/(m s) s) : 9: 12: 15: 18: Almeria, nov nov g/m 2 = cuanto ingreso perdido? Novembre anno: Prezzo /kg Perdita stimata /ha Fundación Cajamar, Almeria, Prezzo al produttore del ramato in Almeria nel mese di novembre = 17 a 5 /ha in un mese Perdita di raccolto? Novembre 26: assimilazione mg/(m s) s) Riduzione stimata di assimilazione 8% Raccolto 4.95 kg/m 2 pomodori.44 kg/m 2 perdita di raccolto.6 37 Prezzi al produttore del ramato in Almeria: /kg Introito mancato nel mese: /ha : 9: 12: 15: 18: Almeria, nov nov 26 Aumentare la ventilazione? Grazie all Azienda Fratelli Dezio, Vittoria, per la disponibilità dei dati greenhouse temperature o o C 25. outside temperature o o C : 9: 12: 15: 18: Ragusa, nov nov Medie diurne, Novembre 26: greenhouse temperature o o C 25. La fotosintesi non è molto sensibile alla g/g/day.2 RGR LAR cm 2 /g so what? peró: CO 2 (vpm) I sun (MJ/m 2. d) ΔT (in out) Almeria Ragusa la fotosintesi non è molto sensibile alla : 9: 12: 15: 18: Ragusa, nov nov Bassa limita fotosintesi 25 temperature redistribuzione degli assimilati Limita l espansione foliare Limita di conseguenza la Heuvelink, 25 Wageningen UR Greenhouse Horticulture 14

15 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Periodo di crescita del frutto: Perdita di reddito? trusses per week 1.5 days 8 7 Calypso Dombito Differenziazione di nuove foglie è proporzionale alla media Numero di grappoli raccolti è proporzionale alla media % Ragusa Almeria temperature e se passano piú di 8 giorni fra allegagione e raccolta il frutto non regge il trasporto o C +.1 grappolo per settimana mean temperature ( o C) De Koning, 1994, fra 16 e 24 o C Concimazione carbonica: quanta CO 2?? Legge dei vasi comunicanti: non c è trasferimento di gas fra dentro e fuori concentrazione interna maggiore MINORE UGUALEdi a di quella esterna concentrazione CO 2 esterna Ventilazione Assimilazione ogni kg immesso iniezione CO 2 viene assimilato [CO 2 ] Quanto rende l anidride carbonica? Costi verso benefici: Novembre 26 1 kg di anidride carbonica assimilata:.68 (CO 2 CH 2 O) circa.7 (efficienza di fissazione) 5 g materia secca prodotta 325 g materia secca nei frutti (indice di raccolto) 5 kg raccolto (d.m. 6%) Costi variabili:.44 kg di raccolto 9 g di CO 2 Prezzo della CO 2 sul mercato mondiale:.1.2 /kg.82 kg CO2 /m 2 < 2 cent /m 2 Benefici: 24 to 51 cent /m 2 greenhouse [CO 2 ] smaller larger EQUAL than to ambient assimilation ambient CO 2 concentration ventilation CO 2 injection Wageningen UR Greenhouse Horticulture 15

16 Corso Serra Sostenibile Fondi, 11 Set 21 8:3 Prima conclusione: Strategia ottimale di controllo della [CO 2 ] La migliore strategia è ventilare il minimo necessario per il controllo di e umidità e iniettare CO 2 fino a circa la concentrazione esterna Prossimo passo: Quanto circa è circa??? È un problema di ottimizzazione set-point [CO 2 ] dipende solo dalla risposta CO 2 ~ 1 ppm della coltura dipende dalla luce, dal valore del raccolto e dal costo della CO 2 CO 2 = esterna apertura dei ventilatori max Conclusione Iniettare anidride carbonica almeno fino alla concentrazione esterna vale sempre la pena Concentrazioni molto superiori a quella esterna, in assenza di ventilazione, convengono con quasi tutte le colture A livelli intermedi di ventilazione puó valer la pena mantenere una concentrazione un po piú alta di quella esterna, a seconda della luce, del valore del raccolto e del costo della CO 2 Domande? Wageningen UR Greenhouse Horticulture 16