Υπολογισμός Φωτισμού

[exelix]

Το παρακάτω άρθρο αποτελεί μία προσωπική έρευνα, η οποία βασίζεται σε ανάγνωση και συμπύκνωση πολλών ανάλογων και παρεμφερών άρθρων και όχι σε προσωπική εμπειρία, όμως επειδή έγιναν πολλές δοκιμές και κατέληξα στο ότι για την περίπτωση των λαμπτήρων φθορισμού καταλήγουμε στα γνωστά αποτελέσματα των W/λίτρο, αποφάσισα να γράψω κάποια πιο αντικειμενικά κριτήρια για την επιλογή του φωτισμού. Αφορμή αποτέλεσε η επιθυμία μου να καταλήξω σε μία μέθοδο, η οποία θα με βοηθήσει να επιλέξω τον κατάλληλο φωτισμό για φυτεμένο ενυδρείο με χρήση λαμπτήρων LED, όμως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κάθε μέθοδο φωτισμού, καθώς και η επιθυμία πολλών μέσα στο φόρουμ για περισσότερες λεπτομέρειες πάνω σε αυτό τον τομέα.

Πριν παρουσιάσω τα αποτελέσματα της έρευνάς μου θα ήθελα να παρατηρήσω ότι μέχρι να επιβεβαιωθούν μέσω πρακτικής εφαρμογής δεν μπορώ να εγγυηθώ την απόλυτη ορθότητά τους. Επίσης, υπάρχουν πολλές παράμετροι στην επιλογή του ακριβή φωτισμού σε φυτεμένο (με μία από τις κυριότερες το PAR, δηλαδή την ακτινοβολία που απορροφούν τα φυτά για τη φωτοσύνθεση), οι οποίες είναι σχεδόν αδύνατο να υπολογισθούν με τύπους παρά μόνο με ειδικά εργαλεία μέτρησης και σίγουρα αφορούν αυτούς που θέλουν να πετύχουν το τέλειο και όχι το πολύ καλό. Ακόμα, έχουν γίνει κάποιες απλοποιήσεις και από μένα, αλλά και από τους αρχικούς συγγραφείς, για διάφορους λόγους. Τέλος, τα ίδια εργαλεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για το θαλασσινό, μόνο που εκεί θα χρειαστούν άλλες τιμές στα επιδιωκόμενα αποτελέσματα.

Πάμε όμως να πούμε τα λίγα που ξέρουμε!

Ας κάνουμε μια μικρή αναφορά στο φάσμα του φωτισμού που θα χρησιμοποιήσουμε. Γενικά το φάσμα φωτός που εκμεταλλεύονται τα φυτά είναι αυτό κοντά στο μπλε και στο κόκκινο, ενώ το πράσινο ούτε χρησιμοποιείται ιδιαίτερα και ούτε μπορεί να διαπεράσει παρά κάποια εκατοστά το νερό, καθώς απορροφάται από αυτό. Για να μην μπλέκουμε με τα nm του φάσματος φωτός χρησιμοποιούμε τους βαθμούς Kelvin, οι οποίοι είναι πιο εύπεπτοι. Μερικές τυπικές τιμές και κάποια δεδομένα είναι τα παρακάτω:
· Η χλωροφύλλη των φυτών απορροφά το φως από 300 μέχρι 700nm.
· Όσο χαμηλώνουν τα K (Kelvin) τόσο πάμε προς το κίτρινο και το κόκκινο, όπως οι λαμπτήρες στα 4500K.
· Όσο κινούμαστε προς τα πάνω εμφανίζεται το μπλε φως, όπως π.χ. στα 20000Κ.
· Το ανθρώπινο μάτι βλέπει το φως γύρω στα 5500Κ.
· Φωτιά κεριού 1850-1900Κ.
· Φως του ήλιου (μία ώρα μετά την αυγή) 3500Κ.
· Τυπική καλοκαιρινή μέρα 6500Κ.
· Λαμπτήρας φθορισμού “Cool White” απόχρωσης 3400Κ (κατά περίπτωση βέβαια).
Τα Kelvin που θα πρέπει να επιλέγουμε πρέπει να βρίσκονται ανάμεσα στα 5500Κ και στα 6500Κ, ενώ ένας καλός μέσος όρος (στην περίπτωση που χρησιμοποιούμε μόνο μιας απόχρωσης λαμπτήρες) είναι τα 6400Κ, όπου και παρατηρείται το μέγιστο PAR.
Από τα παραπάνω μπορούμε εύκολα να καταλάβουμε ότι μπορεί να έχουμε ένα ενυδρείο με λιγότερα Watt, αλλά λόγω πολύ καλύτερου PAR να έχουμε πολύ καλύτερη ανάπτυξη στα φυτά μας από ένα άλλο που έχει πιο δυνατές λάμπες. Επίσης, πάντα χρειάζεται να παρατηρούμε τα φυτά μας και να διορθώνουμε το φωτισμό βασιζόμενοι τόσο στις απαιτήσεις τους (π.χ. προσθήκη κόκκινου), αλλά και του οπτικού αποτελέσματος που θέλουμε να πετύχουμε (π.χ. προσθήκη μπλε). Επίσης, όσο καλύτερο PAR έχουμε τόσο λιγότερα θα είναι τα προβλήματα άλγης που θα αντιμετωπίσουμε. Για παράδειγμα οι άλγες αυξάνονται όταν πέσει η απόδοση του λαμπτήρα και εκπέμπει πιο κίτρινο φως.

Αυτά τα λίγα για το φάσμα (πιστέψτε με είναι πολύ λίγα σε σχέση με αυτά που διάβασα για να καταλήξω σε αυτά!).

Πάμε τώρα να δούμε πώς μπορούμε να υπολογίζουμε την ποσότητα φωτός που χρειαζόμαστε. Για αρχή να πούμε χοντρικά για να καταλάβει ο κόσμος ότι με lumens μετράμε τη συνολική ποσότητα φωτός που εκπέμπει ένα φωτεινό σώμα και με lux το πόση ποσότητα πέφτει ανά τετραγωνικό μέτρο. Άρα με απλά λόγια αν έχουμε ένα λαμπτήρα με 10 lumens και όλο αυτό το φως πέφτει σε επιφάνεια 2 m2 (τετραγωνικών μέτρων) τότε σε αυτό το χώρο έχουμε 10/2=5lux. (Αυτό βέβαια αποτελεί μια ιδανική και αδύνατη περίπτωση, απλά το χρησιμοποιώ ως παράδειγμα). Για παράδειγμα η Τ8 Gro-Lux στα 30W εκπέμπει 800 lumens.
Αυτό που θα χρησιμοποιήσουμε ως δείκτη για το φωτισμό μας είναι τα Lux που θέλουμε να έχουμε στον πάτο του ενυδρείου μας. Ξαναλέω ότι δεν είναι το μοναδικό κριτήριο, αλλά είναι πολύ πιο συγκεκριμένο από τα W/λίτρο. Ένας μικρός πίνακας για τον απαραίτητο φωτισμό για κάποια είδη φυτών είναι ο παρακάτω (κατά αναλογία μπορούμε να βγάλουμε και για τα φυτά παρόμοιων απαιτήσεων):
· 500lx - Χαμηλός Φωτισμός (Cryptocoryne nevii, wendtii, afinis, java moss)
· 500-1000lx - Μέτριος Φωτισμός (anubias nana, aponogeton madagascariensis, echinodorus sp, sagittaria sp)
· 1000-1500lx - Υψηλός Φωτισμός (aponogeton sp, bacopa caroliana, egeria densa, ludwigia sp, marselia sp, ceratopteris thalictroides, java fern)
· 1500+lx - Πολύ Υψηλός Φωτισμός (Aponogeton, Bacopa)
· 2500+lx - Πάρα Πολύ Υψηλός Φωτισμός (Cabomba, Lemma, Salvinia)
Στο περίπου τα ανάλογα W/λίτρο για τις παραπάνω κατηγορίες είναι:
100-500lx -> 0.25-0.5
500-1000lx -> 0.5-0.65
1000-1500lx -> 0.65-0.8
1500+lx -> 0.8+
-------------------------
Για τους υπολογισμούς μας θα χρησιμοποιήσουμε ένα τύπο που προκύπτει από τους νόμους των Beer–Lambert–Bouguer. Αυτός είναι:
E=E0*exp(-k*distance)
Όπου:
k=Συντελεστής απορρόφησης και σκέδασης. Για γλυκό νερό παίρνει τιμές 1,5-2,5 και για θαλασσινό 0,5-1,5. Στους υπολογισμούς μας (για γλυκό νερό) θα το χρησιμοποιούμε ως 2.
Ε0=Τα lux στην επιφάνεια του νερού.
Ε=Τα lux στον πάτο του ενυδρείου.
Distance=Το βάθος του ενυδρείου μας.

Για όποιον δεν το ξέρει το exp() σημαίνει η φυσική σταθερά e υψωμένη στη δύναμη που βρίσκεται μέσα στην παρένθεση. Υπάρχει έτοιμο στα κομπιουτεράκια, αλλά εάν δεν το βρείτε το e ισούται περίπου με 2,17828.

Πάμε τώρα να δούμε ένα παράδειγμα για το πώς τον χρησιμοποιούμε.

Στο περίπου οι απώλειες φωτός λόγω ανάκλασης στην επιφάνεια του νερού κυμαίνονται στο 20%.

Έστω ότι έχουμε ένα ενυδρείο με διαστάσεις 90*30*50cm.
Έχουμε λοιπόν exp(-2*0.5)=0.36
Και θέλουμε να έχουμε στον πάτο του ενυδρείου μας 1000lux, επομένως αντικαθιστώντας στον τύπο έχουμε:
1000=Ε0(0,36*0,8 ), όπου το 0,8 το βάζουμε γιατί έχουμε το 20% απώλειες που είπαμε παραπάνω.

Άρα Ε0=3472lux στην επιφάνεια του νερού.

Σύμφωνα με τις διαστάσεις της βάσης έχουμε 0,9*0,3=0,27m2

Άρα η φωτεινή ισχύς που χρειαζόμαστε είναι

F1=3472*0,27=937lumens

Όμως ένα σύστημα ανακλαστήρα με δύο λάμπες έχει απόδοση γύρω στο 50% (ανάλογα με τον κατασκευαστή, αλλά κάπου εκεί κυμαίνεται, όπως για τριπλό είναι στο 40% και για μονό στο 60-65%). Βάζουμε και ένα συντελεστή απόδοσης για σιγουριά 20% και έχουμε τελικά ότι οι δύο λάμπες φθορισμού που θα χρησιμοποιήσουμε πρέπει να βγάζουν συνολικά:

F=937*2*1,2=2249lumens

Επομένως πρέπει να βάλουμε σε αυτό το σύστημα 2 λάμπες από 1125 lumens η κάθε μία, στο περίπου.

Εάν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε Led παίρνουμε το F1 και προσπαθούμε ανάλογα με τις λάμπες που έχουμε και τη γωνία τους (στοιχείο του κατασκευαστή που το ζητάμε) και ίσως βάζοντας και κάτι παραπάνω να πετύχουμε αυτό το αποτέλεσμα. Όταν θα έχω κάτι πιο συγκεκριμένο πάνω σε αυτό το θέμα, το οποίο να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε, θα το συμπληρώσω.


Αντίστοιχα, μπορούμε να κάνουμε και το αντίστροφο, ώστε να υπολογίσουμε το πόσα Lux έχουμε αυτή τη στιγμή στον πάτο του ενυδρείου μας, με τον υφιστάμενο φωτισμό.

Έστω ότι έχουμε ένα ενυδρείο 60*30*40cm, δηλαδή 72 λίτρων και για φωτισμό έχουμε ένα λαμπτήρα φθορισμού 30W Gro-Lux με 800lumens, δηλαδή 0,41 W/λίτρο.

Από αυτά τα lumens με μονό ανακλαστήρα έχουμε 800*0,6=480lumens χρησιμοποιούμενα (0,6 από το 60% του ανακλαστήρα). Έχουμε το 20% που χάνεται από ανάκλαση στην επιφάνεια, άρα τελικά 480*0,8=384lumens. Η επιφάνεια του πάτου μας είναι 60*30cm=0,18m2. Άρα τα lux στην επιφάνεια του νερού είναι 384/0,18=2133lux. Αυτό που μας μένει είναι να βρούμε τα lux στον πάτο. Βρίσκουμε τον συντελεστή exp(-2*0,4)=0,45. Επομένως:
Ε=2133*0,45=959lux, δηλαδή λίγο κάτω από τα 0,5W/λίτρο (στο περίπου πάντα), όπως είχαμε βρει και από τον απλό κανόνα, αλλά με μεγαλύτερη ακρίβεια!


Ελπίζω όλα αυτά που έγραψα να βοηθήσουν και στην περίπτωση που βρω νέα στοιχεία θα συμπληρώσω ό,τι μπορώ. Για κάθε διόρθωση περιμένω τις παρατηρήσεις σας και να ξαναπώ ότι τα παραπάνω δεν είναι κάτι που χρησιμοποιείται με 100% ακρίβεια, αφού έχουμε πολλές απλοποιήσεις και συμβιβασμούς, όμως μπορούν να αποτελέσουν μια καλή αρχή.

Ευχαριστώ πολύ όσους άντεξαν να το διαβάσουν μέχρι το τέλος!