Controlled Environment Agricolture

La tendenza attuale è quella di andare verso la Controlled Environment Agriculture (CEA), che consiste nel realizzare uno spazio di coltivazione assimilabile ad un laboratorio scientifico, completamente isolato dall’ambiente esterno, le cui condizioni interne sono controllate tramite software.

Tradizionalmente, le serre si suddividono in base al sistema di climatizzazione utilizzato, si parlerà, quindi, di: serre fredde, cioè non climatizzate; serre temperate, in cui la temperatura nelle ore notturne è compresa tra 10 e 14 °C; serre calde, in cui la temperatura notturna sta tra i 16 ed i 20 °C. I materiali di copertura più utilizzati sono il vetro, le plastiche rigide ed i film plastici. Oltre a questi esistono i policarbonati, le resine rinforzate ed il PVC, più economici e resistenti ma con problemi di durabilità.

La ricerca sui materiale si è concentrata su due caratteristiche fondamentali: garantire alte prestazioni termiche a costi contenuti e realizzare materiali riciclabili derivati da plastiche riciclate.

Coltivare in serra

Le coltivazioni in serra più diffuse sono di due tipi: su terra o su bancali. Le prime, dopo un certo numero di cicli colturali presentano problemi di inquinamento del suolo, il quale deve essere smaltito per evitare problemi alle coltivazioni; le seconde, invece, si avvalgono di strutture di supporto sollevate da terra che possono essere fisse o mobili, per ottimizzare l’uso della superficie.

Si possono prevedere anche sistemi di isolamento delle radici dal suolo, necessari quando il tipo di terreno presente non ha le caratteristiche ottimali per le piante. Oltre a tutto questo si devono prevedere dei sistemi di irrigazione per le colture. Parametri ambientali della coltivazione indoor e loro sistemi di controllo

Raffrescamento e riscaldamento

L’incidenza del riscaldamento sui consumi energetici di una serra tecnologica è di circa il 75% del totale. Uno dei parametri più importanti da dover controllare è la temperatura, che per la maggior parte delle specie vegetali deve essere compresa in un range che varia dai 21 ai 24 °C con un’umidità relativa del 50%. Tali valori, generalmente si devono mantenere costanti durante tutto l’arco delle 24 ore.

La gestione della temperatura risulta più complessa durante il periodo estivo, in quanto per mantenere stabile la temperatura si combinano diverse tecniche che vanno dall’ombreggiamento alla ventilazione naturale e/o forzata. Il calore necessario al raggiungimento dei valori di set point interni può essere derivato anche da impianti di cogenerazione.

Umidità relativa e ventilazione

La riduzione dell’acqua di condensa si realizza mediante una corretta progettazione dell’involucro e una giusta regolazione del sistema di climatizzazione. Nel primo caso si deve garantire un isolamento termico che riduca le dispersioni ed eviti la formazione di fenomeni di condensa sulle superfici della serra .

Nel secondo, invece, occorre mantenere costante l’umidità attraverso sistemi di umidificazione/deumidificazione posti all’interno delle Unità di Trattamento Aria o nelle zone di coltivazione e creare la giusta ventilazione al livello delle foglie.

Sistemi di illuminazione

Per controllare il fotoperiodo di una specie vegetale nelle coltivazioni indoor commerciali si possono utilizzano lampade di accrescimento oppure sistemi di oscuramento. Le lampade di crescita, dette grow lamps, sono progettate per riprodurre la quantità e la qualità della luce solare necessaria a far crescere le diverse specie. Si suddividono in diverse categorie: fluorescenti, a ioduri metallici, ai vapori di sodio ad alta pressione e a LED. È su quest’ultime che si stanno sviluppando le maggiori ricerche in quanto, sebbene abbiano costi più elevati delle altre, consentono un notevole risparmio di energia ed una maggiore durabilità.

Qualità dell’aria:

ossigeno e CO2 Il tasso di crescita delle colture è influenzato dal livello di ossigeno presente in ambiente, come tutti gli esseri viventi, infatti, le piante hanno bisogno di tale gas per la propria respirazione; l’ossigeno deve arrivare sia alle parti aeree che all’apparato radicale. Per compiere il loro processo di fotosintesi durante le ore di illuminazione, le piante hanno bisogno di adeguati livelli di CO2 che, se regolati correttamente possono far raddoppiare la crescita delle colture. Per immettere CO2 all’interno della serra si possono utilizzare due diversi sistemi relativamente economici: bruciare gas propano attraverso specifici bruciatori posti all’interno della serra oppure effettuare l’immissione da dispositivi di stoccaggio mediante appositi sistemi di regolazione.

Sistemi di irrigazione e banchi di fertirrigazione 

In funzione dei metodi di coltivazione e in base al grado di controllo che si vuole adottare, si utilizzano sistemi di irrigazione o banchi di fertirrigazione.

Nel primo caso è necessario conoscere l’estensione delle zone da irrigare ed i fabbisogni idrici delle singole colture, in modo da poter procedere con il dimensionamento del sistema di pompaggio e dell’impianto di distribuzione. I banchi di fertirrigazione, invece, vengono utilizzati quando è necessario avere un controllo oltre che dell’acqua fornita anche della quantità di elementi nutritivi da somministrare alle diverse colture. Questi sistemi consentono di avere un controllo molto accurato dei parametri, grazie all’utilizzo di dosatori idraulici automatizzati.

Sistemi di automazione

I sistemi automatizzati di monitoraggio e regolazione dei parametri ambientali consentono il mantenimento delle condizioni di crescita ottimali di una coltura in un ambiente protetto, con il risultato di aumentare la produzione in quantità e qualità riducendo la necessità di manodopera. Infatti, l’intero processo di coltivazione, anche nelle serre più semplici, può essere gestito interamente da un computer. I componenti tipici di questo sistema sono: i sensori, che forniscono gli input monitorando qualsiasi variazione delle condizioni ambientali e colturali, e gli output, come gli impianti di riscaldamento.

Il trattamento delle acque

Le acque grigie di un sistema di coltivazione protetto sono costituite principalmente da quelle irrigue in eccesso a cui si vanno a sommare: Quelle prodotte dalle attività della struttura, ad esclusione dei wc; Quelle che si formano negli spazi di coltivazione sotto forma di condensa; Quelle derivanti dal trattamento dei rifiuti solidi organici umidi. Le acque grigie possono essere facilmente trasformate in acqua non potabile e reintrodotte nel ciclo produttivo dell’edificio per molteplici scopi. I sistemi biologici più adatti per il trattamento delle acque grigie e nere sono quello aerobico e quello anaerobico-aerobico, a questi si aggiunge il caso particolare della fitodepurazione e delle living machine.

Il trattamento dei rifiuti organici

Esistono due fondamentali tipi di trattamento dei rifiuti organici umidi applicabili anche su piccola scala: il digestore anaerobico ed il compostore. Il primo produce biogas che è costituito principalmente da metano e da biossido di carbonio. Questo sistema è già molto diffuso e permette di alimentare intere aziende solamente con i loro stessi scarti vegetali ed animali. Un’alternativa al digestore anaerobico, è il compostaggio che consente la produzione di ammendante organico. Si tratta di un processo aerobico di decomposizione biologica della sostanza organica che permette di ottenere un prodotto stabile e con un elevato tasso di nutrienti.

http://www.ingegneri.info/news/impianti/introduzione-vertical-farm-coltivazione-indoor/