Fot. 1. Badania nad optymalizacją prowadzone w komorze klimatycznej

Wpływ światła i temperatury na rozwój roślin

Powszechnie wiadomo, że przyrost masy roślin zależy od ilości światła, jaka do nich dociera. Konieczne jest jednak dostosowanie temperatury do ilości światła. Temperatura odpowiada bowiem między innymi za przechodzenie do kolejnych faz rozwojowych. Przy zbyt wyso­kiej w stosunku do ilości świat­ła (najczęściej zimą i przy zbyt dużym zagęszczeniu roś­lin) następuje szybkie wydłużanie się pędów i tworzenie nowych liści. Ze względu na niedobór światła pędy te są cienkie i wiotkie, a liście małe (np. wybiegnięta rozsada). Kwiaty i owoce mogą w takich warunkach opadać. Im wyższa jest temperatura w stosunku do ilości światła, tym objawy te są bardziej nasilone.

Przy zbyt niskiej temperaturze następuje spowolnienie tworzenia nowych liści i wydłużania się pędów. Gdy utrzymuje się ona zbyt długo, możemy zaobserwować krępe roś­liny o grubych, silnych pędach i krótkich międzywęźlach. Spowolnienia wzrostu trwającego kilkanaście dni nie da się zrekompensować wyższą temperaturą w późniejszym okresie. Jeśli ochłodzenie występuje krótko, a następnie podniesiemy temperaturę do właściwego poziomu, są szanse na prawidłowy wzrost i rozwój roślin. Ważne, aby średnia temperatura z dni chłodniejszych i cieplejszych była dostosowana do ilości światła (należy jednak pamiętać, że zbyt duże wahania temperatury w ciągu doby mogą powodować zrzucanie kwiatów, pękanie owoców i pogorszenie ich jakości). Opisany powyżej mechanizm działa dobrze przy temperaturze powietrza optymalnej dla fotosyntezy. Zakres optimum zależy od gatunku rośliny, a nawet odmiany — u pomidorów fotosynteza przebiega najlepiej w temperaturze 18–25°C.

Przedziały czasowe

Komputery klimatyczne zazwyczaj umożliwiają podzielenie doby na 6 okresów, w których możemy ustalić różne warunki. Pomiędzy kolejnymi okresami "stan przejściowy", podczas którego komputer ma czas na zmiany parametrów klimatu, trwa 10–120 minut. Początek przedziałów czasowych można ustalić na podstawie godziny zegarowej (na przykład dla doświetlenia) lub w zależnoś­ci od pory wschodu i zachodu słońca.

Sterowanie temperaturą

Integracja temperatury w komputerach klimatycznych to funkcja umożliwiająca obniżenie kosztów ogrzewania. Komputer utrzymuje sumę temperatury z kilku dni na poziomie dostosowanym do ilości światła w tym czasie. Dzięki temu w chłodne, ale słoneczne, dni komputer może utrzymywać nieco niższą temperaturę powietrza, zmniejszając tym samym koszty ogrzewania, a w dni ciep­lejsze, gdy koszty ogrzewania są niższe, podnosi ją nieco — tak aby suma była dostosowana do ilości światła w tym okresie (do tych wartości może również dostosować poziom CO₂). Dla utrzymania odpowiedniej sumy temperatury w stosunku do ilości światła mogą być również wykorzystywane wahania dobowe. Na przykład zimą, gdy kurtyny energooszczędne są zamknięte, możliwe jest utrzymywanie wyższej temperatury w nocy, gdyż wtedy mniejsze są straty ciepła. Natomiast w dzień utrzymuje się najniższą temperaturę, która jeszcze zapewnia optymalną wydajność fotosyntezy. Jesienią i wiosną komputer może wykorzystywać efekt cieplarniany w szklarni. Dzięki temu temperaturę w dzień podniesie do wartości maksymalnej, przy której nie następuje spadek intensywności fotosyntezy, a w nocy może ją obniżyć, oszczędzając na ogrzewaniu. Przynosi to duże oszczędności energii. Przyjmuje się, że obniżenie temperatury o 1°C powoduje zmniejszenie kosztów ogrzewania średnio o około 10%. Dla poprawienia skuteczności działania tego systemu komputery klimatyczne mogą być wyposażone w funkcje uwzględniania prognoz pogody. W tym celu komputer łączy się z internetem i automatycznie pobiera z wybranego serwisu internetowego prognozę pogody dla swojego regionu na kilka następnych dni. Następnie dostosowuje temperaturę szklarni nie tylko na podstawie temperatury i radiacji z kilku ostatnich dni, ale również z wyprzedzeniem planuje strategię ogrzewania tak, aby zminimalizować jego koszty. W Polsce funkcja ta jest bardzo rzadko wykorzystywana, natomiast na zachodzie Europy ma ona większe znaczenie. We wspomnianych serwisach internetowych można znaleźć prognozy pogody również dla Polski.

Sterowanie doświetlaniem

Może ono odbywać się na trzy różne sposoby. Czasowe sterowanie zaciemniające dla roślin reagujących na długość dnia prowadzone jest tak, aby uzyskać dzień o określonej długości. Przy doświetlaniu asymilacyjnym możliwe jest również włączanie lamp, gdy ilość światła spadnie poniżej wymaganego poziomu (nie jest ważna suma radiacji, ale tylko minimalne natężenie światła). Natomiast sterowanie wzrostem roślin, planowanie produkcji i prognozowanie plonów możliwe jest przy włączaniu lamp na podstawie sumy radiacji. Jeżeli wyznaczymy, ile rośliny produkują suchej masy przy dochodzącym promieniowaniu słonecznym, do tego uwzględnimy radiację w okresie wzrostu (np. na podstawie danych wieloletnich) oraz oczywiście będziemy mieli możliwość doświetlania asymilacyjnego roślin w celu uzupełnienia niedoborów światła — będziemy mogli regulować wzrost roślin oraz prognozować plony. W Polsce jest kilka gospodarstw szklarniowych, w których dzięki wykorzystaniu stosunkowo taniego gazu ziemnego i generatorów prądu prowadzone jest doświetlanie asymilacyjne nie tylko rozsady, ale również upraw. Dzięki zastosowaniu komputerów klimatycznych możliwe jest także wykorzystanie do ogrzewania szklarni energii cieplnej wytwarzanej przez te generatory.

Kurtyny

Czasowe sterowanie kurtynami zaciemniającymi w uprawach roślin reagujących na długość dnia prowadzone jest tak, aby uzyskać dzień określonej długości. Cieniówki (fot. 2) mogą być używane także przy silnym promieniowaniu słonecznym dla ochrony roślin przed poparzeniem oraz/lub w celu obniżenia temperatury powietrza w szklarni. Mogą one również pełnić funkcję kurtyn termoizolacyjnych (energooszczędnych). Przy takim wykorzystywaniu cieniówek powinniśmy je zamykać zawsze po zachodzie słońca, gdy temperatura na zewnątrz spada poniżej wartości, przy której włącza się ogrzewanie.
W dzień zazwyczaj cieniówki zaciągane są, gdy intensywność promieniowania słonecznego przekroczy wyznaczony przez ogrodnika poziom radiacji — czyli taki, który może powodować oparzenia roś­lin lub wzrost temperatury powietrza w szklarni powyżej optymalnej dla fotosyntezy. Poziom radiacji, przy którym uprawa powinna być cieniowana, można wyznaczyć wykorzystując dane zgromadzone w komputerze klimatycznym z wcześniejszych dni. Na przykład załóżmy, że górna granica optymalnej temperatury powietrza wynosi 25°C. W zgromadzonych danych należy odszukać poziom radiacji, przy którym temperatura powietrza wzrosła powyżej 25°C, gdyż przy tej wartości zaciągane są cieniówki. Jeżeli komputer daje możliwość krokowego zamykania cieniówek, to kolejne kroki powinny być tak dobrane, aby utrzymać optymalną temperaturę, jednocześnie jak najmniej cieniując rośliny. Jeżeli nie ma niebezpieczeństwa poparzenia roślin lub nadmiernego wzrostu temperatury w szklarni, nigdy nie powinniśmy zaciągać cieniówek w dzień, gdyż powoduje to zmniejszenie plonu.

Dużym problemem przy programowaniu pracy poszczególnych urządzeń jest prawidłowe umieszczenie czujników mierzących parametry klimatu, na których podstawie mają pracować te urządzenia. Dotyczy to zwłaszcza pracy cieniówek, gdy radiacja powoduje nagrzewanie się roślin. Jako temperaturę optymalną dla fotosyntezy powinniśmy rozumieć temperaturę, którą "odczuwają" rośliny, a ta przy intensywnej radiacji jest zazwyczaj wyższa niż temperatura powietrza. Najlepszym rozwiązaniem jest sterowanie cieniówkami na podstawie odczytów z czujników mierzących temperaturę roślin — co niestety w Polsce jest rzadko spotykane — a nie powietrza.

Przy pomiarze temperatury powietrza duże znaczenie ma wysokość umieszczenia czujnika. Przy niskich roślinach umieszczany jest on nad roślinami, a przy wysokich — wśród nich. Z niektórymi komputerami klimatycznymi mogą współpracować dwa lub więcej czujników w jednej szklarni. W takiej sytuacji jeden powinien być umieszczony nad wierzchołkami roślin, a pozostałe w łanie.

Wilgotność oraz CO₂

Wentylatory w szklarni mogą służyć do równomiernego rozprowadzania ciepłego powietrza, zmniejszenia jego wilgotności i zwiększenia poziomu CO₂ wokół roślin. Zbyt duża wilgotność powietrza występuje przy dużym zagęszczeniu roślin. Sprzyja to, między innymi, występowaniu chorób grzybowych. Dla prawidłowego sterowania wilgotnością powietrza trzeba, aby jej czujnik umieszczony był wśród roślin, gdyż nad nimi wilgotność może utrzymywać się na prawidłowym poziomie.

Zamgławianie (fot. 2) w szklarni możemy wykorzys­tać nie tylko do podniesienia wilgotności powietrza, ale również do obniżenia temperatury. Dlatego programując pracę zamgławiaczy warto ustalić nie tylko czas i częstotliwość, ale również określić, powyżej jakiej temperatury, wilgotności powietrza czy radiacji powinny się one włączać. Optymalna wilgotność powietrza musi być uzależniona przede wszystkim od gatunku i fazy rozwojowej roślin.

Fot. 2. Cieniówki mogą chronić przed zbyt silnym promieniowaniem słonecznym
i pełnić funkcje termoizolacyjne, Hygrofan — wentylator i zamgławiacz

Zbyt niski poziom CO₂ spotyka się najczęściej zimą w uprawach w podłożach mineralnych i sztucznych bez dokarmiania tym gazem. Sprzyjają temu mały dostęp powietrza z zewnątrz (ograniczone wietrzenie) i wysoka radiacja oraz gęste nasadzenia roślin. W uprawach pomidorów, nawet przy otwartych wietrznikach latem, poziom CO₂ może obniżyć się do 100–150 ppm, gdy normalnie w powietrzu jest 350 ppm. Włączenie w takiej sytuacji wentylatorów może przyspieszyć wymianę powietrza wśród roślin i zmniejszyć deficyt CO₂. Dla wyrównania poziomu CO₂ powietrze powinno być wówczas zasysane spomiędzy roślin, a nie z przejść między rzędami. Jeżeli istnieje możliwość podawania CO₂, trzeba zadbać, aby gaz ten był wykorzystywany jak najefektywniej. Największą efektywność dokarmiania nim uzyskuje się przy dużej radiacji, w okresie, kiedy słabo wietrzymy oraz gdy jego poziom nie przekracza 600–800 ppm. Na przykład w uprawach pomidorów zwiększenie poziomu CO₂ z 350 ppm do 450 ppm powoduje wzrost plonu o około 18%, a z 900 ppm do 1000 ppm — tylko o około 2%. Można wykorzystywać CO₂ z butli (fot. 3) czy zbiorników lub ze spalania gazu wykorzystywanego do ogrzewania (po oczyszczeniu spalin — fot. 4). Zazwyczaj najwyższy poziom CO₂ możemy utrzymywać wówczas przy ogrzewaniu szklarni w dzień. Wtedy cały produkowany CO₂ może być podawany roślinom. Nie powinniśmy jednak przekraczać 1200 ppm, gdyż powyżej tego poziomu nie obserwuje się już przyspieszenia wzrostu roślin, a gaz ten w stężeniu powyżej 2000 ppm może uszkadzać rośliny. W okresie, gdy szklarnia nie jest ogrzewana w dzień, a tylko w nocy, poziom CO₂ będzie zależał od pojemności zbiorników magazynujących ciepło (fot. 5). Gdy nie mamy takich zbiorników lub gdy w nocy nie ma potrzeby ogrzewania szklarni, koszty dokarmiania, znacznie rosną, ponieważ ciepło ze spalonego gazu jest tracone. Podawanie CO₂ z innych źródeł powinno być dostosowane do ich wydajności. Dokarmianie dwutlenkiem węgla zaczynamy po wschodzie słońca i kończymy na 2 do 3 godzin przed zachodem słońca, tak aby rośliny do końca dnia zdążyły go zużyć. W nocy nie dokarmiamy tym gazem, gdyż wtedy rośliny same go produkują. Dla bardziej efektywnego wykorzystania CO₂ powinniśmy dostosować wietrzenie do stężenia tego gazu w szklarni. CO₂ jest cięższy od powietrza, więc naturalnie opada na dół szklarni. Przy dokarmianiu nie powinno się otwierać wietrzników bocznych. Wietrzniki górne trzeba natomiast otwierać nieco później (przy temperaturze o 1–3°C wyższej, niż zaprogramowana dla niedokarmianych upraw — wynika to ze zwiększonej szybkości fotosyntezy i możliwości zagospodarowania jej produktów, których jest więcej przy dokarmianiu CO₂).
Po otwarciu wietrzników lub/i silnym wietrze poziom CO₂ w szklarni powinien być zredukowany o 200–300 ppm.

Fot. 3. Dwutlenek węgla może być podawany z butli

Fot. 4. Możliwe jest otrzymywanie dwutlenku węgla ze spalania gazu

Fot. 5. Zbiorniki magazynujące energię cieplną wykorzystywane, gdy dwutlenek węgla uzyskuje się ze spalania gazu