Técnicas de gestão de operações no campo

CO2 e climatização na fazenda vertical: por que as fileiras do fundo param mesmo a 1000ppm

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A planilha de verificação, hoje também, tem todos os campos marcados. CO2 a 1000ppm, climatização conforme configurado. Nos números, a operação está aprovada. Mas o rendimento não corresponde a essa nota de aprovação. Você aumenta a dosagem e bate num teto no meio do caminho, e a irregularidade de crescimento entre as prateleiras continua. A causa, na maioria das vezes, não é nenhum equipamento individual, mas o que está entre os dois. Enquanto você operar o equipamento de enriquecimento de CO2 e a climatização separadamente, esse espaço continuará sendo ignorado. Reinterprete o que flui nesse intervalo — a circulação de ar — como um único tubo, e a razão do teto, a chave para um projeto integrado e a perspectiva de recuperar o custo começam a aparecer conectadas.

Mas deixe-me dizer de saída: a circulação de ar não é a única razão para as fileiras do fundo desacelerarem. Uma queda na borda da luz, irregularidade local de temperatura ou umidade, ou variação no fornecimento de nutrientes nas raízes produzem o mesmo sintoma. Portanto, o verdadeiro ponto de entrada deste artigo é “quando o fundo desacelera, primeiro identifique qual dos fatores está atuando: circulação de ar, luz, temperatura ou fornecimento de nutrientes,” e a circulação de ar é um dos candidatos. A partir daí, vamos percorrer o único fio da circulação de ar que tende a ser ignorado.

O medidor marca 1000, mas apenas as fileiras do fundo não crescem

Só as fileiras do fundo não crescem. Mesmo com o medidor apontando para 1000ppm.

Na fazenda vertical, o CO2 frequentemente funciona como “manter a 1000ppm” e a climatização como “obedecer ao ponto de ajuste,” cada um monitorado por uma pessoa diferente, em um medidor diferente. Então quando há um bloco cujo crescimento desacelera mesmo que o CO2 deveria estar mantido a 1000ppm, o primeiro pensamento é que a fotossíntese atingiu um teto. Mas olhando de perto, dentro do mesmo ambiente, as fileiras próximas à saída de ar da climatização estão bem, e apenas as fileiras mais distantes no fundo estão lentas. Quando esse é o quadro, isso é menos um problema de CO2 do que uma questão de se o ar está em movimento ou não — como se o CO2 estivesse escasso apenas ao redor das folhas.

Em uma fazenda vertical totalmente fechada cultivando folhosas, com a luz mantida constante por LEDs, “luz insuficiente” não pode explicar por que o crescimento difere de fileira para fileira. O medidor pode marcar 1000, mas esse é o valor em algum ponto específico do ambiente, e não há garantia de que o ar ao redor das folhas nas fileiras do fundo seja o mesmo. A questão é “quanto realmente chega às folhas,” mas enquanto você olhar o medidor de ponto único do ambiente e o equipamento de enriquecimento de CO2 e a climatização separadamente, essa diferença permanece invisível.

Se chega às folhas é decidido pela circulação de ar, não pela quantidade

Uma folha realizando fotossíntese absorve o dióxido de carbono imediatamente próximo à sua superfície e forma uma camada fina ali. É chamada de camada limite foliar, e quando o ar ali não está em movimento, o que foi absorvido não é reposto e permanece empobrecido. A concentração ao redor da folha é, no final, determinada por uma subtração: “quanto do que a folha absorveu o ar carrega de volta.” Mesmo com o medidor do ambiente marcando 1000ppm, eu diria que não seria estranho que a superfície foliar nas fileiras do fundo tenha caído para algo como 600 a 700ppm. Isso te parece familiar?

Em outras palavras, parece um problema de quantidade de CO2, mas é realmente um problema de “o trabalho de transportar.” Não importa quantos equipamentos de enriquecimento você adicione para elevar todo o ambiente a 1200 ou 1300ppm, se não há movimento ao redor da folha a camada limite foliar permanece empobrecida, e as fileiras do fundo continuam lentas da mesma forma. Por outro lado, as fileiras próximas à saída trocam o ar mesmo com circulação fraca, então no mesmo 1000ppm o gás chega adequadamente.

Dito isso, a irregularidade entre fileiras não é decidida apenas pela circulação de ar. Também ocorre com uma queda na borda da luz, com diferenças locais de umidade, ou com variação no fornecimento de nutrientes nas raízes. A circulação de ar é um desses fatores, e é exatamente por isso — como veremos adiante — que você precisa medir e identificar em vez de decidir por suposição.

Há dois caminhos pelos quais a concentração ao redor da folha se deteriora, dependendo de como você aplica. Um é quando, tentando aplicar uniformemente em todo o ambiente, o CO2 que sai é aquecido, fica menos denso e se acumula no topo por convecção. É a física do CO2 aquecido e mais leve se acumulando em cima, e foi observada em estudos de simulação CFD em estufas (Ref.: 1). O outro é quando, em um lugar onde o ar não se move como as fileiras do fundo, o que a folha absorveu não é transportado de volta e a camada limite foliar permanece empobrecida. O primeiro é “escapa para cima,” o segundo é “chega mas não é trocado” — coisas diferentes estão acontecendo, mas compartilham que ambos são casos onde a suposição de “medidor de ponto único do ambiente = concentração na superfície foliar” entra em colapso. Estufas e tipos fechados diferem na forma, mas a física em si — um gás aquecido e mais leve se acumulando para cima — não depende da forma. Então se você aplica localmente, próximo ao cultivo, pode elevar pelo menos a concentração ao redor da folha. Quanto chega é decidido não pela quantidade que você injeta, mas pelo método de aplicação e como você cria a circulação de ar.

Além disso, como a temperatura e o ambiente dentro do ambiente variam bastante de lugar para lugar, um sensor de ponto único não pode representar a uniformidade de todo o ambiente, e você não consegue capturar a irregularidade real sem olhar para vários pontos — isso também foi relatado em medições reais (Ref.: 4). Não confiar demais em um medidor de ponto único não é intuição; é a lógica de como medir.

Você faz a circulação de ar funcionar pela forma como a distribui, não pelo volume total

Você tenta fortalecer a circulação de ar nas fileiras do fundo aumentando o volume de ar da climatização, e agora o lado da desumidificação muda junto. Você já teve essa experiência? Você está circulando ar para remover a umidade elevada pela transpiração, mas no momento em que tenta entregar CO2 ao fundo com esse mesmo ar, começa a se preocupar se as folhas nas fileiras próximas estão secando demais. A circulação de ar está toda conectada em um único controle, então se você aumenta o fundo, a frente não sobe; se ajusta a umidade, outra coisa se desregula.

Essa sensação de que “está tudo conectado em um único controle” é a parte difícil das folhosas. Aumente o volume de ar para alcançar o fundo, e na frente a circulação é muito forte, a transpiração avança, e oscila para o lado do ressecamento excessivo. Porque você está trabalhando o mesmo tubo único.

Mas aqui eu gostaria de separar “volume total de circulação de ar” e “como a circulação de ar é distribuída” como duas coisas diferentes. Tente elevar o fundo apenas com o controle de volume de ar total, e a frente tende a ser sacrificada. O que realmente funciona é o lado da distribuição, e você pode tocar nisso separadamente do próprio equipamento de climatização. Por exemplo, adicione um pequeno ventilador de circulação apenas na zona sem vento no fundo para agitar o ar. Esse é um trabalho, independente do fluxo de ar principal usado para desumidificação, de mover apenas a camada limite foliar no fundo. Sem aumentar o volume total, você transporta de volta apenas o ponto empobrecido. Mas não mantenha o fluxo de ar batendo diretamente nas folhas continuamente; direcione-o por cima ou pela lateral das plantas. Manter soprando diretamente e as folhas serão danificadas.

E a razão pela qual todos os controles parecem conectados é também que você parte do pressuposto de que a umidade é sempre “removida pela circulação de ar.” Enquanto você sobrecarregar o volume de ar com o trabalho de desumidificação, cada vez que você mexer na umidade a circulação se move e o lado da fotossíntese oscila também. Aqui, se você tem equipamento com capacidade de desumidificação dedicada, o trabalho de reduzir a umidade absoluta de todo o ambiente pode ser transferido para essa capacidade. Mas transportar o vapor d’água que se acumulou ao redor da folha ainda é função da circulação de ar. Então mesmo que você transfira o papel principal de desumidificação para o lado do equipamento de climatização, você ainda precisa separadamente de circulação de ar como agitador na superfície foliar. Resume-se a pensar no controle em duas escalas: “a umidade de todo o ambiente” e “a troca de ar ao redor da folha.” Como projetar a própria umidade ao redor da folha vale ser aprofundado separadamente, como projeto do VPD.

Na prática, quando detalho a distribuição, o que tenho usado nas operações de fazenda vertical são alguns posicionamentos simples. Posicione os ventiladores face a face para que seus fluxos de ar não se cancelem e em vez disso percorram um circuito do ambiente. Cantos onde o ar dificilmente circula são onde o ar parado costuma se formar, então foque-os intensivamente. Entre as prateleiras de um rack multinível, insira um ventilador auxiliar pequeno para ajudar cada camada a trocar o ar. E use a direção deliberadamente: circulação de ar vertical quando quiser equalizar a diferença de temperatura entre camadas do rack, circulação de ar horizontal quando quiser uniformizar uma única cama de cultivo ampla. Em muitos casos, somente combinando essas duas os pontos cegos desaparecem. Nada disso é equipamento de grande porte; é ajustar a forma de distribuir.

Em experimentos também, quando folhosas são cultivadas em uma câmara fechada, o crescimento é melhor quando a velocidade do ar ao redor das folhas é aproximadamente 0,3 a 0,5 m/s, e quando ultrapassa 0,6 m/s a circulação é muito forte e o peso seco de fato cai. No mesmo experimento de instalação única — confundidores como diferenças no estágio de crescimento permanecem — foi relatado que uniformizar a circulação de ar reduziu a variação entre plantas (o desvio padrão do peso seco) de cerca de 23% para quase a metade, de modo que as plantas ficaram mais uniformes (Ref.: 5). A circulação de ar não é melhor quanto mais forte for; é algo que você distribui para os pontos empobrecidos, sem excesso nem falta.

A faixa onde adicionar CO2 funciona, e como avaliar o que você pode recuperar

Entregá-lo ao redor da folha, sem excesso nem falta — essa tem sido a história da distribuição até agora. Somente quando a circulação de ar está em ordem você pode discutir honestamente “até onde adicionar CO2 funciona.” Dito de outra forma, falar apenas de concentração enquanto o transporte está bloqueado não leva a nada. Com esse fundamento, daqui em diante é sobre dinheiro. Vamos pensar em duas etapas.

Primeiro, como premissa básica, adicionar CO2 funciona “apenas enquanto nenhum outro fator é limitante.” Folhosas de luz artificial total são gerenciadas com luz e temperatura mantidas constantes, portanto sob essas condições há um teto para o CO2 que a fotossíntese pode usar. Aproximadamente a partir dos ~400 ppm do ar externo, o rendimento sobe em proporção ao que você adiciona, mas acima de uma certa concentração a curva achata, e o incremento de rendimento ao adicionar mais fica cada vez menor. Esse é o verdadeiro teto, e a partir daí você está pagando cada vez mais por menos retorno — o que chamarei de “só pagar.”

Quanto a onde fica essa “certa concentração”: de fato, em um experimento com alface hidropônica, elevar o CO2 de 500 para 800 µmol/mol (aproximadamente o mesmo que ppm) aumentou o peso fresco e o peso seco, mas elevar ainda mais de 800 para 1200 não mostrou aumento adicional — um padrão de saturação foi relatado (Ref.: 6). Pelo parâmetro da literatura, a saturação começa em torno de 800. Dito isso, esse ponto de saturação varia com a cultivar e o nível de luz, e há relatos de aumentos além de 800, então é apenas um parâmetro. Em outro estudo também, embora elevar o CO2 de fato aumente a taxa fotossintética, como isso funciona depende da intensidade da luz e da combinação das fontes de luz, e visto como dossel se aproxima da saturação quanto mais se eleva a concentração — isso foi medido e modelado (Ref.: 7, 8).

Então como decisão de gestão, o ponto de chegada fica em algum lugar ao redor de levar em conta a saturação da literatura perto de 800 enquanto define a meta operacional em torno de 1000. Não parando em 800 só porque a saturação começa ali, mas considerando a irregularidade da instalação e deixando uma pequena margem acima — aproximadamente esse tanto a mais. Elevar a meta para 1200 ou 1300 está, pelo ponto de saturação da literatura, já no lado do “só pagar,” um lugar onde agir com cautela.

Mas aqui se conecta de volta à primeira parte. O número do medidor e a quantidade que a folha pode realmente absorver divergem. Se o medidor marca 1000ppm mas as folhas nas fileiras do fundo conseguem absorver apenas menos que isso, então nessas fileiras o teto ainda não chegou. Não chegou, mas aparece disfarçado de teto — “adicionar CO2 não as faz crescer.” Esse é o padrão que joga fora mais dinheiro. O CO2 não é realmente o fator limitante, o transporte é, mas você adiciona equipamentos de enriquecimento ou eleva a concentração do cilindro, acumulando investimento que não funciona. Nos lançamentos do fim do mês, só resta um custo que não se recupera: “a conta de CO2 subiu mas o rendimento não mudou.”

Então como forma de avaliar o custo-benefício, identificar onde está o fator limitante vem primeiro. Limitado a uma instalação onde as fileiras do fundo estão lentas e uma tira de papel pendurada ou uma medição em dois pontos confirmou ausência de circulação de ar, a primeira coisa a adicionar pode não ser CO2 caro, mas redirecionar a circulação de ar no fundo estagnado, ou adicionar um ventilador pequeno na faixa de alguns milhares a algumas dezenas de milhares de ienes (tocaremos em como confirmar isso na próxima seção). Porque isso corrige o transporte ao redor da folha, eleva a própria eficiência do CO2. É um investimento que faz o CO2 que você já adicionou começar a funcionar. Inverta a ordem — aumente a concentração apenas enquanto o transporte permanece estreito — e você só acumula CO2 rico no ambiente através de uma camada limite foliar empobrecida, e o equipamento de enriquecimento, o cilindro e a conta de eletricidade vão todos para o “só pagar.”

A eletricidade já é um custo pesado. De acordo com uma revisão de fazendas verticais, a eletricidade representa aproximadamente 20 a 40% do custo de produção, do qual a iluminação usa um pouco menos de 80 a 90% (Ref.: 9). Este é o intervalo de valores na literatura do setor, não a proporção de sua própria instalação, mas não muda que a eletricidade de climatização e iluminação é uma camada espessa mesmo dentro do custo operacional total. Quanto à eletricidade adicional de um ventilador pequeno direcionado ao fundo estagnado, comparada a esse total de climatização e iluminação, é menor por ordens de magnitude — não é algo para se preocupar aqui. A questão é se a circulação de ar que você está criando com essa eletricidade está estagnando e sendo desperdiçada antes de chegar às folhas. O efeito da eletricidade, esse item de custo pesado, se resume no final a como a circulação de ar chega.

Como parâmetro de recuperação, não olhe para o item de CO2 isoladamente. Otimize o custo do cilindro, o equipamento de enriquecimento e a eletricidade de desumidificação como itens separados, e é o mesmo cabo de guerra de antes: corte um e outro para de funcionar. O que você quer ver é o ponto único de “cada real investido está se convertendo em CO2 que a folha pode realmente absorver,” mas medir o CO2 efetivo ao redor da folha diretamente não é fácil. Então na prática você forma a hipótese indiretamente, na sobreposição da diferença de concentração de CO2 entre fileiras e a diferença de rendimento (tocaremos em como medir isso na próxima seção). Enquanto esse ponto estiver bloqueado pelo transporte, a recuperação permanece lenta independentemente de qual item você toque. Por outro lado, se esse ponto estiver aberto, mesmo uma dosagem modesta de cerca de 1000ppm coloca o que você adiciona diretamente no rendimento e na margem bruta. Quando você olha para a recuperação em uma base de lucratividade multianual — quantos anos leva para recuperar o investimento de capital — se esse único ponto está aberto é a premissa primeiro. Não confundir o teto com um bloqueio de transporte: essa é a maior bifurcação entre recuperar e só pagar.

Mostrando o fator limitante de forma barata e visível, e onde passar para um especialista

Mesmo que você proponha adicionar um ventilador pequeno ou mudar a direção da circulação de ar, do ponto de vista da gerência, a conversa se volta para “isso vai realmente aumentar o rendimento.” Que o CO2 ao redor da folha estava empobrecido também é descartado como “apenas imaginação sua” a não ser que você meça adequadamente. Como você pode colocar onde está o fator limitante em uma forma que possa mostrar às pessoas? Então: até onde você pode medir na operação, e a partir de onde passa a ser questão para especialistas ou equipamento? Vamos pensar nessa linha em três etapas.

Primeiro, o que você pode confirmar barato na operação. Se tudo que você está fazendo é transformar “pode ser imaginação minha” em “não é imaginação minha,” você não precisa de equipamento caro. Estenda a mão e sinta a circulação de ar. Ou, cole uma tira fina de papel leve ou lenço na ponta de um palito e segure-o na altura das folhas. Com apenas isso, o fato de que o fundo está sem vento aparece para os olhos de qualquer pessoa. Filme e você tem material para mostrar aos superiores como está. Na frente o papel ondula; no fundo fica pendurado e não se move. Esse único pedaço transmite “o transporte está estreito” suficientemente bem.

Se você quer adicionar números a isso, obtenha um sensor portátil de CO2 e um anemômetro. Custam pouco, e você mede frente e fundo na mesma altura e na mesma posição de folha e os alinha. O medidor do ambiente a 1000ppm, mas nas folhas do fundo visivelmente mais baixo e a velocidade do ar próxima a zero. Uma tabela alinhando esses dois pontos é a forma mais eficaz de mostrar. Mesmo com apenas um sensor, você pode chegar perto medindo frente e fundo em turnos, com defasagem de tempo. Como a circulação flui é decidida pela disposição das prateleiras e ventiladores, então com o mesmo equipamento não oscila de dia para dia. Portanto, medir a velocidade do ar é suficiente feito uma vez quando você está identificando o fator limitante; não é o tipo de número que você monitora todo dia.

E o mais importante é verificar essa medição contra o rendimento. O que funciona é, mais do que o número de concentração em si, a correspondência de que se o rendimento nas fileiras do fundo é menor do que na frente, então o fato de “rendimento baixo apenas no fundo” e o fato de “CO2 empobrecido e sem vento apenas no fundo” se sobrepõem no mesmo lugar. Por outro lado, se o rendimento está uniforme mas apenas o CO2 e a velocidade do ar estão desajustados, o fator limitante pode estar em algum outro lugar além da circulação de ar. É por isso que você os sobrepõe. Se você vai colocar um ventilador pequeno, ou mudar a direção, faça um pequeno teste comparando o rendimento das fileiras do fundo antes e depois. Corrija apenas um bloco primeiro e compare com a fileira intocada ao lado. Então você pode julgar se um ventilador na faixa das dezenas de milhares de ienes vale a pena a partir dos dados de colheita que você já está coletando.

A partir daqui está a linha onde se torna questão para especialistas ou equipamento. Pense separadamente no que você pode gerenciar na operação e no que você passa para fora. Encontrar os pontos empobrecidos com dois ou três pontos é trabalho da operação, mas quando você quer capturar como o ar circula por todo o ambiente como um campo, entra no território do monitoramento que mantém a coleta em muitos pontos simultaneamente, e passa para as mãos de especialistas em medição. Localizar o suspeito ponto a ponto é a operação; projetar como um campo é o especialista. Além disso, “distribuição” — adicionar ventiladores de circulação ou ajustar direção — você pode gerenciar na operação, mas alterações de projeto no lado do “volume total” como alterar a própria capacidade do equipamento de climatização ou a posição e número de saídas, ou transferir o papel principal de desumidificação do volume de ar para a capacidade de desumidificação, se tornam reformas de equipamento. E quando você chega ao ponto onde, por causa de como as prateleiras são construídas ou da forma do ambiente, o ar não circula mesmo que você adicione um ventilador, você está no mundo do CFD, projetando a própria circulação de ar por cálculo. O tamanho da decisão de investimento muda, então você passa para um especialista depois de mostrar, com o movimento do papel e a medição em dois pontos na operação, que algo está “claramente errado.”

De fato, estudos usando análise CFD mostraram que redesenhar a posição e estrutura das aberturas de entrada e saída pode melhorar bastante a uniformidade da distribuição de circulação de ar interna, e relatam que — incluindo aproveitar a dissipação de calor (calor residual) dos LEDs no projeto de circulação — serve como guia para estratégias de projeto que ordenam a circulação do dossel (Ref.: 2, 3). Passe para um especialista no estágio em que a estagnação não desaparecerá estruturalmente, e você pode retrabalhar o layout por cálculo em vez de intuição. Dito de outra forma, localizar o suspeito até esse ponto pode ser coberto suficientemente bem com o movimento do papel e uma medição em dois pontos na operação.

No final, o que você deve fazer na operação não é medir com precisão, mas mostrar — barato, de uma forma que qualquer pessoa possa ver — sua leitura de que “este é o fator limitante.” Um vídeo do movimento do papel, CO2 e velocidade do ar em dois pontos, uma comparação de rendimento em um bloco. Esse conjunto de três é suficiente na maioria dos casos, e somente quando um problema estrutural que mesmo isso não consegue explicar totalmente permanece, você passa o bastão para um especialista. Entre em medições ou reformas de grande porte desde o início, e você pode acabar pagando dinheiro onde o fator limitante não está.

Aliás, como fornecer CO2 — isto é, escolher o equipamento, se é um cilindro, um tanque de carbônico líquido ou um gerador de combustão — também é um ponto que se divide por escala e custo. Mas essa é a história do próximo estágio, com a premissa de que a circulação de ar está aberta, e qualquer que seja o método escolhido, se não é transportado ao redor da folha o efeito é prejudicado da mesma forma. Comparar os equipamentos é suficiente para detalhar separadamente depois que o fio principal deste artigo (identificar se o transporte ou a concentração é o fator limitante) estiver concluído.

Pare de tratar CO2 e climatização como itens de custo separados e equipamentos separados, e leia-os como um único tubo de circulação de ar que conecta diretamente à fotossíntese nas folhas. Faça isso, e as fileiras do fundo desacelerando, o dinheiro não voltando, e os momentos de passar para um especialista todos se explicam em uma única e mesma cadeia.