Освещение растений. Часть 4: Выбор системы освещения

См. также:
Часть 1: Для чего освещать растения
Часть 2: Загадочные люмены и люксы
Часть 3: Лампы для освещения растений

Автор: Удафф
Статья была опубликована в Вестнике УКРОП.инфо, декабрь 2003

В этой части мы рассказываем о расчете мощности ламп, практическом измерении освещенности и т.д.

В предыдущих частях мы говорили об основных понятиях и о различных типах ламп, используемых для освещения растений. В этой части рассказывается о том, какую систему освещения выбрать, сколько потребуется ламп для освещения того или иного растения, как померить освещенность в домашних условиях и для чего нужны рефлекторы в осветительных системах.

Свет - один из самых важных факторов успешного содержания растения. Путем фотосинтеза растения "изготавливают еду" для себя. Мало света - растение ослаблено и либо умирает от "голода", либо становится легкой добычей вредителей и болезней.

Быть или не быть

Итак, вы решили установить новую систему освещения для ваших растений. Прежде всего ответьте на два вопроса.

• Чем ограничен ваш бюджет? Если на всю осветительную систему выделена небольшая сумма денег, которую вы оторвали от стипендии и вам необходимо уложиться в нее, то эта статья вам не поможет. Единственный совет - купите то, что сможете. Не тратьте силы и время на поиски. К сожалению, система освещения для растений или для аквариума - дело недешевое. Иногда, более разумной альтернативой является замена светолюбивых растений на теневыносливые - лучше иметь ухоженный спатифиллум, который не требует много света, чем сокрушаться из-за полудохлой гардении, которой катастрофически его не хватает.

• Вы собираетесь просто перекантоваться до весны, по принципу "не до жиру, быть бы живу"? Тогда просто купите самую простую люминесцентную лампу. Если же вы хотите, чтобы ваши растения полноценно росли и даже цвели под лампами, тогда нужно потратить силы и средства на осветительную систему. Особенно, если вы выращиваете растения, которые круглый год растут в условиях искусственного освещения, например, аквариумные.

Если вы определились с ответами на эти вопросы и решили установить полноценную систему освещения, то тогда читайте дальше.

Что такое хорошее освещение

Три главных фактора определяют - хорошая ли система освещения или плохая:

• Интенсивность света. Света должно быть достаточно для растений. Слабый свет нельзя заменить длинным световым днем. Много света в комнатных условиях не бывает. Достичь освещенности, которая бывает ярким солнечным днем (более 100 тыс. Лк) достаточно сложно.

• Длительность освещения. Различные растения требуют различный световой день. Многие процессы, например, цветение, определяются длительностью светового дня (фотопериодизм). Все видели красную пуансеттию (Euphorbia pulcherrima), продающуюся на Рождество и Новый год. Этот куст растет под окном нашего дома на юге Флориды и каждый год зимой, без ухищрений с нашей стороны, "делает все сам" - у нас есть то, что необходимо для образования красных прицветников - длинные темные ночи и яркие солнечные дни.

• Качество освещения. В предыдущих статьях я затрагивал этот вопрос, говоря о том, что растению необходим свет как в красной, так и синей области спектра. Как уже было сказано, необязательно применять специальные фитолампы - если вы используете современные лампы с широким спектром, например, компактные люминесцентные или металлогалоидные, то спектр у вас будет "правильным".

Помимо этих факторов, безусловно, важны и другие. Интенсивность фотосинтеза ограничивается тем, чего не хватает в данный момент. При низкой освещенности - это свет, когда света много, то, например, температура или концентрация углекислого газа и т.д. При выращивании аквариумных растений часто случается, что при сильном освещении, концентрация углекислого газа в воде становится ограничивающим фактором и более сильный свет не приводит к увеличению темпов фотосинтеза.

Сколько растениям нужно света

Растения можно разделить на несколько групп по требованиям к свету. Цифры для каждой из групп достаточно приближенные, поскольку многие растения могут себя хорошо чувствовать как на ярком свету, так и в тени, адаптируясь к уровню освещенности. Для одного и того же растения необходимо разное количество света в зависимости от того развивается ли оно вегетативно, цветет или плодоносит. С энергетической точки зрения, цветение - процесс, который расходует "впустую" большое количество энергии. Растению надо вырастить цветок и снабжать его энергией, при том, что сам цветок не вырабатывает энергии. А плодоношение еще более расточительный процесс. Чем больше света, тем больше энергии "от лампочки" растение сможет запасти для цветения, тем более красивым будет ваш гибискус, тем больше цветов будет на кусте жасмина.

Ниже приведены некоторые растения, предпочитающие те или иные световые условия. Уровень освещенности выражен в люксах. Про люмены и люксы уже было сказано во второй части. Здесь я повторю только, что люксы характеризуют насколько "светло" растениям, а люмены - характеризуют лампы, которыми вы освещаете эти растения.

• Яркий свет. К этим растениям относятся те, которые в природе растут на открытом месте - большинство деревьев, пальм, суккуленты, бугенвиллия, гардения, гибискус, иксора, жасмин, плюмерия, тунбергия, кротоны, розы. Эти растения предпочитают высокий уровень освещения - не менее 15-20 тыс. люкс, а некоторые растения для успешного цветения требуют 50 и более тыс. Лк. Большинство пестролистных растений требуют высокой освещенности, иначе листья могут "вернуться" к однотонной окраске.

• Умеренный свет. К этим растениям относятся растения "подлеска" - бромелиевые, бегонии, фикус, филодендрон, каладиум, хлорофитум, бругманзия, брунфельсия, клеродендрум, кроссандра, мединилла, пандорея, рутия, барлерия, тибухина. Желаемый уровень освещенности для них составляет 10-20 тыс. Лк.

• Слабый свет. Понятие "тенелюбивые растения" не совсем верно. Все растения любят свет, включая стоящую в самом темном углу драцену. Просто некоторые растения могут расти (скорее существовать) при слабом освещении. Если вы не гонитесь за скоростью роста, то они будут себя хорошо чувствовать и при слабом освещении. В основном, это растения нижнего яруса - хамедорея, вайтфельдия, антуриум, дифенбахия, филодендрон, спатифиллум, эхинантус. Им достаточно от 5 до 10 тыс. люкс.

Приведенные уровни освещенности достаточно приблизительные и могут служить отправной точкой для выбора системы освещения. Еще раз подчеркну, что цифры эти для полноценного роста и цветения растения, а не для "зимовки", когда можно обойтись меньшим уровнем освещенности.

Измерение освещенности

Итак, теперь вы знаете, сколько света необходимо вашему растению и хотите проверить, получает ли оно все, что ему полагается. Все теоретические выкладки хороши, однако лучше померить реальную освещенность там, где стоят растения. Если у вас есть люксметр, то вам повезло (на фото слева). Если люксметра нет, то не отчаивайтесь. Экспонометр фотоаппарата - тот же люксметр, только вместо освещенности выдающий значения выдержки, т.е. времени, на которое нужно открыть затвор камеры. Чем меньше освещенность, тем больше время. Все просто. Если у вас есть внешний экспонометр, то положите его в то место, где вы измеряете освещенность, так чтобы светочувствительный элемент был перпендикулярен направлению падающего на поверхность света.

Большинство современных цифровых камер выводят значения апертуры и выдержки, упрощая процесс измерения освещенности

Если вы используете камеру, то положите лист белой матовой бумаги перпендикулярно направлению падающего света (не надо использовать глянцевую - она даст неверные результаты). Выберите размер кадра так, чтобы лист занимал весь кадр. Фокусироваться на него необязательно. Выберите чувствительность пленки - 100 единиц (современные цифровые камеры позволяют "имитировать" чувствительность пленки). По значениям выдержки и апертуры определите освещенность в таблице. Если установить значение чувствительности пленки в 200 единиц, то табличные значения необходимо уменьшить вдвое, если установлено значение 50 единиц, то значения увеличиваются в два раза. Переход к следующему, более высокому, диафрагменному числу также увеличивает значения в два раза. Таким способом можно примерно оценить уровень освещенности там, где стоят ваши растения.

Апертура	Выдержка	Освещенность (Лк) для пленки 100 единиц
		Внешний экспонометр	Камера при наведении на лист бумаги
2.8	1/4	70	8
2.8	1/8	140	15
2.8	1/15	250	30
2.8	1/30	500	60
2.8	1/60	1000	120
2.8	1/125	2100	240
2.8	1/250	4300	1000
2.8	1/500	8700	2000
4	1/250	8700	2000
4	1/500	17000	4000
5.6	1/250	17000	4000
5.6	1/500	35000	8000
5.6	1/1000	70000	16000
8	1/250	35000	8000
8	1/500	70000	16000
8	1/1000	140000	32000

Использование рефлектора

Использование рефлектора позволяет увеличить полезный световой поток в несколько раз

Если вы используете люминесцентную лампу без рефлектора, то вы уменьшаете полезный свет в несколько раз. Как несложно понять, только тот свет, который направлен вниз, попадает на растения. Тот свет, который направлен вверх - бесполезен. Тот свет, который слепит вам глаза, когда вы смотрите на открытую лампу, также бесполезен. Хороший рефлектор напра- вляет свет, слепящий глаза, вниз на растения. Результаты моделирования люминесцентной лампы показывают, что освещенность в центре, при использовании рефлектора возрастает почти в три раза, а световое пятно на поверхности становится более концентрированным - светильник освещает растения, а не все вокруг. Большинство светильников, продаваемых в магазинах бытовой техники не имеет рефлектора или имеет то, что рефлектором назвать стыдно. Специальные системы для освещения растений или аквариума с рефлекторами стоят очень дорого. С другой стороны, сделать самодельный рефлектор несложно.

Как сделать самодельный рефлектор для люминесцентной лампы

Форма рефлектора, особенно для одной-двух ламп, не имеет принципиального значения - любая "хорошая" форма, у которой число отражений не более одного и возврат света в лампу минимален, будет иметь примерно одинаковую эффективность в пределах 10-15%. На рисунке показан поперечный разрез рефлектора. Видно, что его высота должна быть такой, чтобы все лучи выше граничного (луч 1 на рисунке), перехватывались рефлектором - в таком случае светильник не будет слепить глаза.

Задавшись направлением отраженного граничного луча (например, вниз или под углом), можно построить перпендикуляр к поверхности рефлектора в точке отражения (точка 1 на рисунке), который делит угол между падающим и отраженным лучом пополам - закон отражения. Таким же образом определяется перпендикуляр и в остальных точках (точка 2 на рисунке).

Для проверки рекомендуется взять еще несколько точек, чтобы не получилась ситуация, изображенная в точке 3, где отраженный луч не идет вниз. После этого можно либо сделать многоугольный каркас, либо построить плавную кривую и по шаблону выгнуть рефлектор. Не следует размещать верхнюю точку рефлектора близко к лампе, поскольку лучи будут попадать обратно в лампу. При этом лампа будет греться.

Рефлектор можно сделать либо из алюминиевой фольги, например, пищевой, которая обладает достаточно высоким отражением. Также можно покрасить поверхность рефлектора белой краской. При этом его эффективность будет практически такой же, как и для "зеркального" рефлектора. Обязательно проделайте отверстия сверху рефлектора для вентиляции.

Длительность и качество освещения

Длительность освещения обычно составляет 12-16 часов, в зависимости от вида растений. Более точные данные, а также рекомендации по фотопериодизму (например, о том, как заставить цвести упомянутую выше пуансеттию) можно найти в специальной литературе. Для большинства растений приведенной выше цифры вполне достаточно.

Про качество освещения уже говорилось не раз. Одной из иллюстраций может служить фотография растений, выращенных при освещении ртутной лампой (снимок из старой книги, в то время других ламп практически не было) и лампой накаливания. Если вам не нужны длинные и тощие растения, то не используйте лампы накаливания или натриевые лампы без дополнительной подсветки люминесцентными или газоразрядными лампами с излучением в синей области спектра. На фото: томаты, выращенные под светом различных ламп. 1 - ртутная лампа без фильтров, 2, 3 - ртутная лампа с фильтрами, удаляющими различные части спектра. 4 - лампа накаливания. Из книги Bickford/Dunn “Lighting for Plant Growth” (1972)

Помимо всего прочего, лампы для растений должны подсвечивать растения так, чтобы на них было приятно смотреть. Натриевая лампа в этом смысле не самая лучшая лампа для растений - на фото показано, как растения выглядят под такой лампой в сравнении с освещением металлогалоидной лампой.

Расчет мощности ламп

Итак мы подошли к самому главному - сколько взять ламп для освещения растений. Рассмотрим две схемы освещения: люминесцентными лампами и газоразрядным светильником.

Количество люминесцентных ламп можно определить, зная средний уровень освещенности на поверхности. Необходимо найти световой поток в люменах (умножив освещенность в люксах на площадь поверхности в метрах). Потери света составляют примерно 30% для лампы, висящей на высоте 30 см от растений, и 50% для ламп на расстоянии 60 см от растений. Это верно, если вы используете рефлектор. Без него потери возрастают в несколько раз. Определив световой поток ламп, можно найти их суммарную мощность, зная, что люминесцентные лампы дают примерно 65 Лм на Вт мощности.

Для примера оценим, сколько ламп потребуется для освещения для полки размером 0.5x1 метр. Площадь освещаемой поверхности: 0.5x1=0.5 кв.м. Допустим, что нам необходимо осветить растения, предпочитающие умеренный свет (15000 Лк). Осветить всю поверхность с такой освещенностью будет сложно, поэтому мы сделаем оценку, исходя из средней освещенности 0.7x15000 =11000 Лк, поставив растения, требующие больше света, под лампу, где освещенность выше средней.

Итого, необходимо 0.5х11000=5500 Лм. Лампы на высоте 30 см должна давать примерно в полтора раза больше света (потери составляют 30%), т.е. около 8250 Лм. Суммарная мощность ламп должна быть около 8250/65=125 Вт, т.е. две компактные люминесцентные лампы по 55 Вт с рефлектором обеспечат нужное количество света. Если вы хотите поставить обычные трубки по 40 Вт, то их потребуется три штуки или даже четыре, поскольку трубки, размещен- ные близко друг к другу, начинают взаимно экранировать, и эффектив- ность осветительной системы падает. Старайтесь использовать современные компактные люминесцентные лампы вместо обычных, по большей части устаревших, трубок. Если не использовать рефлектор, то в данной схеме придется брать в три или четыре раза больше ламп.

Расчет количества люминесцентных ламп Выберите уровень освещенности. Необходимый световой поток на поверхности: L=0.7 x A x B (длина и ширина в метрах) Необходимый световой поток ламп с учетом потерь (при наличии рефлектора): Lamp=L x C (C=1.5 для лампы на высоте 30 см и C=2 для лампы на высоте 60 см) Суммарная мощность ламп: Power=Lamp/65

Для газоразрядных ламп расчет аналогичен. Специальный светильник с натриевой лампой мощностью 250 Вт обеспечивает средний уровень освещенности 15 тыс. Лк на площадке размером 1 кв.м.

Если известны светотехнические параметры светильника, то рассчитать освещенность совсем просто. Например, из фигуры слева видно, что светильник (OSRAM Floraset, 80W) освещает круг диаметром около метра на расстоянии чуть менее полуметра от лампы. Максимальное значение освещенности 4600 Лк. Освещенность к краю спадает достаточно быстро, поэтому такой светильник может быть использован лишь для растений, которым нужно не очень много света.

На фигуре слева показана кривая силы света (тот же светильник, что и выше). Чтобы найти освещенность на расстоянии от светильника, необходимо значение силы света поделить на квадрат расстояния. Например, на расстоянии полметра под лампой значение освещенности будет равно 750/(0.5x0.5)=3000 Лк.

Очень важный момент - лампы не должны перегреваться. При повышении температуры их светоотдача резко падает. В рефлекторе должны быть отверстия для охлаждения. Если используется много люминесцентные ламп, то следует использовать вентилятор для охлаждения, например компьютерный. Мощные газоразрядные светильники обычно имеют встроенный вентилятор.

Заключение

В этом цикле статей были рассмотрены различные вопросы освещения растений. Многие вопросы остались незатронутыми, например, выбор оптимальной электрической схемы включения ламп, что является важным моментом. Тем, кто интересуется этим вопросом, лучше обратится к литературе или специалистам.

Наиболее рациональная схема проектирования системы освещения начинается с определения необходимого уровня освещенности. Затем следует оценить количество ламп и их тип. И только после этого спешить в магазин, чтобы купить лампы.