Dikey tarım ve hidroponik tesislerde ortam sıcaklığı ve nem gibi parametrelerin kontrolü, ürün kalitesi ve verimi açısından en az yetiştirme tekniği kadar üzerinde durulması gereken bir konudur. Geleneksel tarıma kıyasla kapalı ve kontrollü alanlarda üretim yapmak, yıl boyu değişken iklim koşullarından bağımsız olarak tutarlı ve yüksek verim elde etmeyi mümkün kılar. Ancak istenen iç ortam iklim koşullarını sağlamak, mühendislik disiplinlerini referans alan kapsamlı bir planlama ve doğru ekipman seçimi gerektirir. Doğru tasarlanmış bir iklimlendirme sistemi; sıcaklık, nem, hava akışı, CO₂ seviyesi gibi parametreleri optimum aralıklarda tutarak bitkiler için yılın 365 günü sürdürülebilir iklim koşulları yaratır. Nitekim dikey tarım tesislerinde en önemli bileşen, HVAC (soğutma, havalandırma, nem kontrolü) sistemidir. Bu sistem, ortama giren-çıkan havayı filtreleyip koşullandırarak mahsuller için optimum atmosferi oluşturmak üzere bitki yetiştirme tesisine entegre edilir. Dikey tarım veya topraksız tarım yapılan çiftliklerde HVAC sisteminin yetiştirme alanına uygun ve yeterli kapasitede tasarlanması, yetiştiriciliğin başarısını, ürün verimliliğini ve işletme maliyetlerini doğrudan etkileyecektir.
Bu yazıda, dikey tarım (Vertical Farming) ve hidroponik ortamlarda iklim kontrolünün temel unsurları ve mühendislik yaklaşımlarının detayları incelenmiştir.
Dikey Tarım ve Hidroponik Sistemlerde Nem Kontrolünün Önemi
Kontrollü çevre tarımı (CEA - Controlled Environment Agriculture) olarak da anılan dikey tarım uygulamalarında, bitkileri çevreleyen ortam koşullarını istenen değerlere sabitlemek başarının kilit unsurudur. Kapalı üretim alanında, çok katmanlı raf sistemlerinde yoğun şekilde bitki yetiştirirken sıcaklık, nem ve hava kalitesi gibi etmenlerin hassas kontrolü, bitkilerin hızlı ve sağlıklı büyümesi için zorunludur. İklim kontrolü sayesinde üreticiler, bir konteyner ya da odada uygun ekipmanlarla "optimum büyüme" koşullarını yaratıp yıl boyunca kesintisiz ürün alabilirler. Katmanlı üretim ve kısa yetiştirme çevrimleri sayesinde birim taban alanından alınan ürün, açık tarıma göre çok daha yüksek olabilir; örneğin açık tarımda mevsime bağlı yetiştirilen marul, iyi kontrol edilen dikey bir çiftlikte yıl boyunca birkaç haftalık çevrimlerle hasat edilebilir. Günümüzde artan şehir nüfusu ve tarım yapılacak arazilerin kentleşme sonucunda azalmasından ötürü hızlı üretim ve alan tasarrufu ön plana çıkan unsurlar olmuştur. Ancak kapalı ortamda solunum yapan ve su tüketimi bulunan binlerce canlının bulunduğu yerde istenen iklim koşullarını sağlamak son derece karmaşık bir dizi mühendislik problemini de beraberinde getirmektedir. Bitkiler büyürken ortama ısı (ışıkların ısısı ve metabolizma sonucu) ve su buharı salar; çok yoğun bitki varlığı küçük bir hacimde iklim dengelerini ve dolayısı ile iklimlendirme cihazlarını (klima santrali ve nem alma cihazı) zorlar. Bu nedenle dikey tarım tesisi tasarımında, bitkinin iklim üzerindeki etkisini anlamak ve hesaba katmak daha sonra geri dönülemez hataları önler. Günümüzde sektör deneyimiyle, her raf katında daha düşük hacimler tutarak ve bitki kaynaklı yükleri öngörerek, doğru kapasitede cihazlarla tasarım yapmak mümkün olmaktadır. Kontrollü ortam sayesinde zararlılar ve hastalık riskleri de minimize edilir. Tüm bu nedenlerle, başarılı bir dikey tarım işletmesi için daha planlama aşamasında kapsamlı bir iklimlendirme ve çevresel kontrol stratejisi geliştirilmelidir. Nitekim doğru iklim ve nem kontrolü, dikey tarımın yıl boyu üretim yapabilme potansiyelinin ve yüksek verim avantajının temelini oluşturur.
Nem Alma Cihazlarının Kullanımı, Teknik Özellikleri ve Sistem Entegrasyonu
Dikey tarım proseslerinde yoğun bitki popülasyonu ve geniş yaprak yüzeyi, ortam havasına sürekli su buharı ekler. Bitkiler köklerinden aldıkları suyun belirli kısmını yapraklarından terleme (transpirasyon) yoluyla ortama verirler. Bu nedenle kapalı yetiştirme ortamlarında nem yükü kontrol edilmesi gereken bir zorunluluğa dönüşür. Nem alma cihazları (dehumidifier) ortam havasındaki fazla nemi tahliye etmek için tasarlanmış ve kontrol hacminin istenen bağıl nem aralığını korumaya yardımcı olan ekipmanlardır. Özellikle gece cycle'larında ışıklar kapandığında sıcaklık düşer ve doğru gaz konsantrasyonunu yakalamak için taze hava beslemesi yapılabilir. Bu durumda bağıl nem hızla yükselir ve eğer etkili nem kontrolü yapılmazsa bitkiler ve yapı içinde yoğuşma, küf ve hastalık problemleri ortaya çıkabilir.
TFT - Tecnofrigo Tuscany S.r.l. hem yoğuşmalı hem de adsorpsiyon tip endüstriyel nem alma cihazları üreten İtalyan menşeli bir üretici olup dikey tarım tesislerinin nem kontrolünde de yüksek performanslarıyla öne çıkmaktadır. Tipik yetiştirme odası koşullarında (22–26 °C, %60–75 bağıl nem) çiy noktası yaklaşık +14…+21 °C aralığındadır; bu bölge yoğuşmalı nem alma cihazlarının en verimli çalıştığı bölgedir. Bu nedenle dikey tarımda temel nem alma, TFT'nin CD ve CDNP serisi gibi yoğuşmalı cihazlarla veya klima santralinin soğutma bataryasıyla yapılır. Kanal tipi yoğuşmalı cihazlar HVAC sisteminin bir parçası gibi kanal bağlantılarıyla raflar arasında homojen nem tahliyesi yapabilir. TFT'nin AD/ADP serisi silikajel rotorlu cihazları ise düşük sıcaklıkta çalışan bölümler, çok düşük nem hedefi olan kurutma ve tohum saklama alanları gibi özel durumlarda tercih edilir. Silikajel rotorlu cihazın çıkış havası ısındığı için bu ısının soğutma kapasitesi hesabına eklenmesi gerekir. Nem alma cihazının otomasyon sistemiyle entegrasyonu için genellikle bağıl nem sensörleri ve Modbus - TCP/IP bağlantısı kullanılır. Ortamın farklı noktalarına yerleştirilen bağıl nem sensörlerinden gelen veriler, merkezi iklim kontrol paneline Modbus üzerinden iletilir. Burada belirlenen hedef değerler doğrultusunda nem alma cihazları otomatik olarak çalışır, durur veya kademeli kapasite kontrolü moduna geçer. İleri seviye sistemlerde, VPD (Vapor Pressure Deficit) hesabına entegre şekilde nem kontrolü yapabilen algoritmalar kullanılır (örnek: hava sıcaklığı yükseldiğinde hedef nem oranı da dinamik olarak ayarlanır, böylece VPD sabit tutulur). Doğru seçilmiş ve sisteme entegre edilmiş nem alma cihazları, dikey tarım sistemlerinde istenen mikroiklimin sürdürülebilir olmasını sağlar. Hem bitki sağlığı hem de tesis yapısının (korozyon, küf vb.) korunması için ideal bağıl nem aralıklarında kalınmasına destek olur.
Hava Akışı ve İç Ortam Sıcaklığı: İdeal Değerler, Ölçüm Metotları ve Etkileri
Bir dikey tarım sisteminde hava dolaşımı (airflow) ve nem-sıcaklık kontrolü, tüm bitkilerin homojen koşullarda büyümesi ve sağlıklı olması için birlikte yönetilmesi gereken parametrelerdir. Tipik bir indoor farming, dikey tarım yetiştirme hücresinde hedeflenen sıcaklık genellikle çoğu bitki için 22-25°C aralığındadır. Örneğin yeşil yapraklı sebzelerin ve otların çoğu 22 - 24°C civarında iyi gelişim gösterirken, domates, biber gibi meyve veren bitkiler 24 - 26°C seviyelerini tercih edebilir. Kuru termometre sıcaklığı bitki metabolizmasını doğrudan etkiler. Çok düşük sıcaklık büyümeyi yavaşlatacağı gibi, çok yüksek sıcaklık ise ısı stresi ve solunum kayıplarına yol açar. Bu nedenle iklimlendirme sisteminin temel görevi gündüz çevrimlerinde LED ışıkların saçtığı ısıyı taşımak, geceleri ise ortamı fazla soğutmadan ideal değerde tutarak termal kararlılığı sağlamasıdır. Çoğu bitki için gece sıcaklığının gündüze göre bir miktar (örneğin 4°C - 6°C) daha düşük olması istenir, fakat dikey tarımda bazı üreticiler gece/gündüz sıcaklığını sabit tutarak sürekli büyüme de hedefleyebilir. Sistem tasarımcısının, yetiştirilen türe göre uygun bir günlük sıcaklık haritası belirlemesi ve HVAC kontrolünü buna göre programlaması önemlidir.
Bu noktada bağıl nem (RH) ile sıcaklık arasındaki ilişki asla atlanmamalıdır. Sıcaklık arttıkça aynı mutlak nem miktarına sahip bir havanın RH (bağıl nem) değeri düşer. Sıcaklık düşünce ise tam tersi şekilde RH (bağıl nem) yükselir. Bu nedenle gündüz yüksek sıcaklıkta %60 RH olan bir ortam, gece aynı mutlak nemle soğuduğunda %80'lara çıkabilir. Bitki açısından belirleyici olan, yaprak içindeki doygun buhar basıncı ile havadaki buhar basıncı arasındaki farktır. VPD (Buhar Basıncı Açığı) olarak adlandırılan kavram, sıcaklık-nem dengesinin bitkiye etkisini açıklar. Ancak burada önemli olan, hava akışının bu dengeye olan katkısıdır. Nem alma cihazı ve iklimlendirme ekipmanları tarafından sağlanan iyi bir hava sirkülasyonu, sıcaklık ve nemin tüm alan ve raf katmanlarında eşitlenmesine yardım eder. Dikey düzende istiflenmiş raflarda doğal konveksiyon ile ısı yukarı çıkar, alt raflar serin kalırken üst raflar ısınma eğilimindedir. Bu istenmeyen "baca etkisini" önlemek için stratejik hava akışı tasarımları gerekir. Örneğin raf aralarında dikey hava kanalları veya iç sirkülasyon fanları kullanarak alt katlardan üstlere hava taşınabilir. Ayrıca her raf seviyesinde yatay hava akımı ile yaprakların çevresindeki durgun hava tabakası dağıtılmalıdır. Dikey tarım uygulamaları gibi kapalı kontrol hacimlerinde doğru havanın üretilmesi ve bu havanın doğru şekilde dağıtılması birbirinden bağımsız olmayan iki önemli konudur.
İdeal hava akış hızı bitkinin türüne ve ışık yoğunluğuna göre değişkenlik gösterse de, genel olarak yaprak düzeyinde 0,3–0,5 m/s'lik bir hava hızı gereklidir. Bu hız, yaprak yüzeyinde biriken nemli hava tabakasını süpürerek terlemeyi sürekli kılar ve taze CO₂'li havanın yaprağa ulaşmasını sağlayarak fotosentezi destekler. Uygulamada seralar ve kapalı alanlar için uzmanlar çoğunlukla 0,5 m/s civarında bir hava akımı tavsiye ederken, yoğun ışık altında (yüksek PPFD ile) yetiştirilen ürünlerde daha yüksek hava hızları gerekebilir. Buradaki denge oldukça önemlidir. Yaprakların hafifçe titreştiği, ancak aşırı rüzgarda kalıp kurumadığı, rüzgar yanığı oluşturmadığı veya düşük rüzgardan ötürü LED lambalar tarafından yaratılan ısıl yük altında lokal yanıklar oluşturmadığı bir akış hedeflenmelidir. Bu sebeple her bitki için optimum hava hızının tespit edilebilmesi için minimal ölçeklerde uygun aralıklar deneyimlenmelidir. Örneğin marul gibi yapraklı sebzeler için 0,5 m/s civarı iyi bir başlangıç değeridir.
Kaynak: Zhang, Y., Kacira, M., & An, L. (2016). A CFD study on improving air flow uniformity in indoor plant factory system. Biosystems Engineering, 147, 193–205.
Hava akışının ölçülmesi ve izlenmesi çoğu zaman ihmal edilen bir noktadır. İklim kontrol panellerinde sıcaklık, nem, CO₂ gibi veriler sürekli görülse de, aynı sistemde hava akış hızını gösteren bir sensör bulunmayabilir. Bu nedenle yetiştiricilerin periyodik olarak ortamın farklı noktalarında hava hızı ölçümleri yapması faydalıdır. Anemometreler (rüzgar hızı ölçer) bu iş için kullanılabilir. Düşük hız aralıklarında daha hassas ölçüm yapabildiği için sıcak tel (hot-wire) anemometreler tercih edilir. Eğer bazı bölgelerde hız düşük kalıyorsa, ilave sirkülasyon fanları yerleştirilerek "ölü hava boşluğu" kalmaması sağlanır. Bu ölçümler ayrıca fanların zamanla kirlenme veya yıpranma ile performans kaybını da ortaya koyar, bakım ihtiyacının erken tespitini kullanıcıya zamanında ileten bir veri seti sunar.
İç ortam sıcaklığının ve nem ölçümü genellikle dijital sensörler ve higrostatlarla kolayca yapılır. Burada dikkat edilmesi gereken, sensörlerin doğru konumlandırılmasıdır. Tek bir noktadaki sıcaklık ve nem ölçüm değeri, tüm alanın değerini yansıtmıyor olabilir. Bu yüzden büyük dikey tarım odalarında birden fazla noktadan sıcaklık ve nem sensörü verisi ortalamasıyla kontrol yapılması daha iyi sonuç verir. Ayrıca bazı gelişmiş sistemlerde yaprak sıcaklığı sensörleri (kızılötesi termometre veya termal kamera ile) kullanılarak bitkinin gerçek hissettiği sıcaklık izlenir. Yaprak sıcaklığı genelde hava sıcaklığına yakındır ancak ışık altındaki yapraklar biraz daha sıcak, terleme ile buharlaşma olan yapraklar ise ısı çekildiği için biraz daha serin olabilir. Yaprak sıcaklığını bilmek, gerçek VPD hesabı için de kullanılabilir bir parametrik veridir.
Kaynak: Zhang, Y., Kacira, M., & An, L. (2016). A CFD study on improving air flow uniformity in indoor plant factory system. Biosystems Engineering, 147, 193–205.
Hava akışının bitkiler üzerindeki etkileri çok yönlüdür. Homojen bir dağılım sayesinde tüm bitkiler eşit CO₂ alır ve sıcaklık ile nem farklılıklarından kaynaklı gelişim heterojenliği azalır. Ayrıca nem alma cihazının kullanıldığı iklimlendirme sistemi tarafından yönlendirilerek sürekli hareket halinde tutulan hava, yaprak yüzeyinde su damlacığı birikimini önleyerek mantar enfeksiyonlarının önüne geçer. Özellikle sık yapraklı bitkilerde durgun ve nemli hava, yaprak yüzeylerinde bir film oluşturup hastalıklara davetiye çıkarabilir. Öte yandan, hava akımı yetersizse rafların orta kısımlarında sıcak ve nemli cepler oluşabilir; bu bölgelerde bitkilerde solgunluk, sararma veya çürüme gibi sorunlar gözlenebilir. Aynı zamanda zayıf hava dolaşımı, bitki başına düşen CO₂ miktarını kısıtlayarak fotosentezi sınırlar.
İklim kontrol yazılımı, farklı noktalardan aldığı ölçümlerle ortalama koşulları yönetmeli, gerektiğinde alarm limitleriyle operatörü uyarmalıdır. Düzenli bakım ve izleme ile sıcaklık ve nem kontrolü optimum performansta tutularak bitkiler için dengeli bir mikroiklim tesis edilir.
VPD (Buhar Basıncı Açığı): Hesaplama, Bitki Fizyolojisi ve Transpirasyon
Dikey tarım ortamlarının iklim kontrolünde son yıllarda en çok üzerinde durulan kavramlardan biri VPD (Vapor Pressure Deficit), Türkçesiyle Buhar Basıncı Açığı'dır. VPD, havanın su buharıyla doymaya ne kadar uzak olduğunu basınç cinsinden (kPa) ifade eden bir büyüklüktür. Havanın su buharına ne kadar doymamış olduğunun bir ölçüsü olan VPD kavramı, yaprak yüzeyindeki doygun buhar basıncı ile ortam havasındaki gerçek buhar basıncı arasındaki farktır. Bitki fizyolojisi açısından ise VPD, bitkinin yapraklarından su çekebilmesi (terleme yoluyla buharlaştırabilmesi) için gereken itici kuvveti temsil eder. Transpirasyon hızı her ne kadar stoma iletkenlik katsayısına da bağlı ise de, büyük oranda VPD tarafından belirlenir. VPD ne kadar yüksekse bitki o kadar hızlı su kaybeder (terler), VPD düşükse bitkinin yaprakları üzerindeki kısmi buhar basıncı yüksek olduğu için yapraklarda terleme yavaşlar.
VPD'yi hesaplamak için öncelikle havanın sıcaklığına bağlı doygunluk buhar basıncı (SVp - Saturation Vapor Pressure) hesaplanır. Bu değer, sıcaklık arttıkça üssel olarak artar (örneğin 20 °C'de ≈ 2,33 kPa, 30 °C'de ≈ 4,24 kPa). Ortamın bağıl nemi (RH) bilindiğinde, mevcut buhar basıncı ise Vp = SVp * (RH/100) formülüyle bulunur. Yaprak yüzeyi sıcaklığının hava sıcaklığından farklı olabileceğini belirtmiştik. Hassas hesaplamalarda yaprak sıcaklığı kullanılarak doygunluk basıncı alınır. Son olarak VPD = SVp(yaprak sıcaklığında) – Vp(hava) şeklinde (kiloPaskal cinsinden) elde edilir. Örneğin hava 25°C ve %60 RH ise SVp(hava)≈3,17 kPa, Vp(hava)≈1,90 kPa olur, VPD ≈ 1,27 kPa bulunur. Bu değer, bitkinin yaklaşık 1,27 kPa'lık bir atmosferik kısmi buhar basıncı farkıyla su tahliye etmeye diğer bir deyişle terlemeye çalıştığını gösterir. Yaprak havadan 2 °C serinse aynı ortamda yaprağın gördüğü VPD ≈ 0,91 kPa olur.
Kontrollü tarımda VPD genellikle 0,8–1,2 kPa aralığında tutulur. Bu aralık bitki türüne ve yaşam evresine göre değişir; fide ve yeni dikilmiş bitkilerde daha düşük değerler tercih edilir. Yukarıdaki 25 °C / %60 örneği (1,27 kPa) bu aralığın hemen üstündedir; aynı sıcaklıkta bağıl nem %65–70'e çıkarıldığında VPD 1,1–0,95 kPa'ya iner.
VPD'nin bitki fizyolojisine etkilerini tam olarak anlayabilmek için terleme mekanizmasını ve bu mekanizmanın karşılığını hatırlamak gerekir. Bitki kökleriyle aldığı suyu, yapraklarına kadar taşır ve yaprak altlarındaki stomalar aracılığıyla bu suyun fazlasını buhar olarak bırakır. Bu süreç bir yandan bitki dokularına su ve besin taşırken, bir yandan da yaprak yüzeyinden buharlaşma yoluyla bitkiyi serinletir (tıpkı terlemenin insanı serinletmesi gibi). İşte VPD bu sürecin itici kuvvetidir. Yaprak içi su buharı basıncı daima doygun (yüksek) olduğundan, eğer yaprak dışı havanın buhar basıncı daha düşükse (yani VPD pozitif ise) su buharı stomalardan, stoma iletkenlik hızı doğrultusunda dışarı çıkar. VPD ne kadar büyükse, transpirasyon o kadar hızlı olur. Bu sayede bitki aktif fotosentez sırasında suyu köklerinden çekip yapraklarına ulaştırabilir. Terlemenin oluşturduğu çekiş, ksilemdeki su akışıyla birlikte besin iyonlarını da yapraklara taşır. Ancak VPD'nin aşırı yüksek olması durumunda (hava çok kuruysa), bitki su kaybını engellemek için stomalarını kapatmak zorunda kalır, bu da hem fotosentezi yavaşlatır hem de yaprakların soğutma mekanizmasını zayıflatır. Tam tersi şekilde VPD çok düşük olursa (hava çok nemli), bitki içindeki su buharı dışarı çıkamaz, terleme durma noktasına gelir. Bu durumda da bitki gerektiği kadar su ve besin çekemez, yaprak sıcaklığı yükselir.
Nem alma cihazları kullanılarak elde edilen optimal VPD şartı, bitkilerin soğuma, su ve besin taşıma dengesini koruduğu ideal noktadır. İklim kontrol sistemleri artık sadece sıcaklık ve RH'ı ayrı ayrı kontrol etmek yerine, VPD hedefli kontrol yapacak şekilde gelişmektedir. Örneğin nem alma cihazı ile entegre akıllı bir otomasyon sistemi, kullanıcıya direkt "VPD'yi 0,8 kPa civarında tut" imkanı verir ve gerekli ayarlamaları (ısıtma/soğutma veya nem alma/nemlendirme/taze hava girişi) otomatik koordine eder. Bu sayede bitkinin gerçek ihtiyaç duyduğu buhar basıncı farkını sabit tutarak daha kararlı bir büyüme ortamı sağlar. Özellikle gelişmiş tesislerde yaprak sıcaklığı sensörleriyle anlık VPD takibi yapmak ve iklim kontrolünü sürdürülebilir olarak optimize etmek mümkündür. VPD hesaplaması için pratikte genellikle tablolar veya çevrimiçi hesaplayıcılar kullanılır. Apple Store veya Google Play üzerinden "NKT Pro" uygulamasını indirerek sıcaklık ve bağıl nemden psikrometrik değerleri mobil telefonunuzda kolaylıkla hesaplayabilirsiniz.
Ayrıca üreticiler için hazırlanmış VPD tabloları, farklı sıcaklık ve nem kombinasyonları için VPD değerlerini verir.
Transpirasyon
Transpirasyon ve VPD arasında organik bir ilişki vardır. Transpirasyon, bitkinin "terlemesi", VPD ise havanın nem alma cihazı tarafından sağlanan "kuruluğu" olarak düşünülebilir. Yüksek VPD (hava kuru) → hızlı terleme, düşük VPD (hava nemli) → yavaş terleme. Terleme hızı besin alımı ile yakından ilişkili olduğu için VPD dolaylı olarak bitkinin beslenmesini de etkiler. Nem alma cihazı entegrasyonlarında VPD farkı, transpirasyon hızı, stoma iletkenlik katsayısı ve bitki adedine bağlı toplam yaprak yüzeyi referans alınır. Ayrıca ortamdaki taze hava gereksinimi ve bu taze hava hattı üzerinden ortama gelen stabil nem yükü ile birlikte kapalı kontrol hacmi içerisinde bulunan hava kütlesinden tahliye edilmesi gereken nem miktarı da bitkilerin terlemesi yolu ile ortama aktarılan nem yükü hesaplamasına mutlaka dahil edilmelidir.
Dikey tarım ortamlarında VPD'nin takip edilmesi, problemlerin erken tespiti için de faydalıdır. Örneğin VPD uzun süre hedefin dışında kalırsa bitkilerde stres belirtileri gözlenmeden önce sistem uyarı verebilir. Dikey tarımda VPD güneşi değil ışık programını izler: ışıklar açılınca yükselir, aydınlık periyot boyunca hedef çevresinde sabit kalır, ışıklar kapanıp sıcaklık düşünce artan bağıl nemle birlikte azalır. Eğer gece boyunca çok düşüp neredeyse sıfıra iniyorsa (hava tamamen doygun hale geliyorsa), gece nem kontrol stratejisinin ve dolayısı ile nem alma cihazının da yetersiz olduğu anlaşılır. Böylece operasyonel iyileştirmeler yapılabilir.
Terleyemeyen Bitkilerde Görülen Sorunlar: Yanık Oluşumu, Büyüme Geriliği
Bitkilerin terleme yapamaması, yani yeterince su buharı atamaması durumu genellikle ortam neminin aşırı yüksek olduğu ortamlarda veya stomaların kapanmasına yol açan diğer stres koşullarında görülür. Dikey tarımda bu durum en çok RH'in (bağıl nemin) çok yüksek olup VPD'nin çok düşük kaldığı senaryolarda karşımıza çıkar. Böyle bir ortamda yaprak ile hava arasındaki buhar basıncı farkı çok küçülür ve yaprak su buharı veremeyerek adeta "terleyemez" hale gelir. Bunun sonucunda bitkilerde bir dizi sorun baş gösterir:
Besin Taşınımı Bozulması ve Yanıklar
Terleme azaldığında bitki köklerinden su çekemez, dolayısıyla suyla taşınan kalsiyum gibi besin elementleri uç noktalara ulaşamaz. Özellikle hızla büyüyen dokularda kalsiyum eksikliği meydana gelir ve bu da yaprak kenarlarında veya uçlarında nekrotik lezyonlar, yanıklar oluşturur. Marul gibi yeşilliklerde yaygın görülen uç yanıklığı (tipburn) bunun tipik bir örneğidir. Bitki çok hızlı büyüme koşullarında (yüksek ışık, bol CO₂) ancak düşük transpirasyonla yetiştiriliyorsa, genç yaprak uçlarına yeterli kalsiyum gitmez ve buralarda yanık lekeler oluşur. Uç yanıkları sadece kozmetik bir sorun olmayıp ürünün pazardaki satış değerini de düşürür ve ilerlerse büyümeyi durdurabilir. Domateste görülen çiçek burnu çürüklüğü (blossom end rot) de meyveye kalsiyum taşınımının yetersizliğiyle ilişkilidir; hem sürekli çok yüksek nem hem de su stresi bu dengeyi bozabilir. Yani hava aşırı nemliyse, bitki gerekli mineralleri dağıtamaz ve dokularda lokal yanıklar, ölümler gözlenir. Ortamda kullanılan endüstriyel nem alma cihazları, VPD oranını optimum seviyede tutarak yapraklarda yaşanması muhtemel sorunların önüne geçer.
Uzun Süreli Düşük VPD ve Büyüme Geriliği
Havadaki nem sürekli çok yüksek seyrederse terleme ve bununla birlikte kökten yapraklara su ve besin akışı belirgin şekilde yavaşlar. Gece kök basıncıyla yaprak kenarlarında su damlacıkları (gutasyon) görülebilir. Besin taşınımı yavaşladığı için yeni yaprak ve sürgün gelişimi gerileyebilir; terlemenin soğutma etkisi azaldığından aydınlık periyotta yaprak sıcaklığı yükselir. Uzun süreli düşük VPD'nin sonucu büyüme geriliği ve verim kaybıdır.
Hastalık ve Küf Riski
Terleyemeyen bitkiler genellikle yaprak yüzeylerinde su filmleriyle kaplanır. Hava doygun olduğu için yapraktan çıkan buhar bile yoğunlaşıp film tabakası oluşturabilir. Bu ıslak yüzeyler, mantar ve bakteri hastalıkları için mükemmel bir üreme alanıdır. Örneğin Botrytis cinerea (kurşuni küf) ve Alternaria gibi mantarlar, yüksek nem altında hızla gelişip yaprakları çürütür. Gece boyunca %95-100 RH değerlerinde kalan bir dikey tarım (hidroponi) sistemde sabah yapraklarda su damlaları ve küf sporları görmek sıradandır. Bağıl nemin uzun süre %85–90'ın üzerinde kalması ve yaprak ıslaklığı bu riski belirgin şekilde artırır. Yaprak lezyonları, çürümeler bitkinin hem fotosentez yapacak alanını azaltır hem de ölü doku noktaları yaratarak verimi düşürür.
Nem alma cihazı kullanılmayan ve çok düşük VPD (yüksek nem) durumuna maruz kalan dikey tarım uygulamalarının yanı sıra yüksek VPD (düşük nem) durumunda da ortaya çıkan sorunlar bulunmaktadır. Aşırı boyutlandırılmış ve kademesiz (aç-kapa) kontrol edilen bir nem alma sistemi ortamı hedefin altına kurutarak yüksek VPD'ye yol açabilir; kademeli kapasite kontrolü bu riski azaltır. Bu durumda bitkiler aşırı terler ve bir süre sonra suyu yetiştiremez hale gelirler. Stomalar kapanır, fotosentez durur. Yaprak kenarlarında kurumalar, yanıklar görülür.
Çiçekler veya yapraklar yüksek VPD şokuna uğrarsa kavrulmuş gibi kahverengi kenarlar oluşabilir. Bitki bu şoku atlatana kadar büyüme yine durur. Eğer ortam nem alma cihazı tarafından aniden aşırı kurutulursa (örneğin nem alma cihazı fazla çalışır veya sıcaklık birden yükselir ama nem artışı olmazsa), bitkiler bu ani strese uyum sağlayamaz ve fizyolojik şok geçirir. Nem alma cihazı tarafından sağlanan kuru havanın iç ortam şartlarında dalgalanmaya sebebiyet vermemesi ve stabil nem alanı yaratması önemlidir. Eğer salınım genliği sürekli geniş olursa büyümede günlerce sürebilen duraklamaya neden olabilir. Yüksek VPD'nin bir diğer riski de bitkinin iletim dokularında su sütununun kopması (kavitasyon) riskidir, ancak pratikte kontrollü ortamda bu pek oluşmaz çünkü iç ortamdaki sensörler tarafından o denli kuru hava değerlerine çıkılmasına asla müsaade edilmez.
Dolayısıyla, hem çok yüksek hem de çok düşük VPD istenmeyen durumdur. İdeal VPD aralığında kalacak şekilde nem kontrolü mutlaka yapılmalıdır. Gündüz güçlü ışık altında VPD'yi çok düşürmemek (nemlendirme sistemleri kullanılıyorsa dengeli ilerlemek) veya gece soğuduğunda VPD'yi sıfıra yaklaştırmamak (nem alma cihazlarını optimum çalışma şartında kurgulamak) temel stratejilerdir. Örneğin gece döngüsünde %80 RH hedefiyle nem alma yapmak, %100'e çıkışı engelleyip yaprak ıslanmasını önleyebilir. Eğer yine de bitkilerde terleme sorunları gözleniyorsa, hava akışı artırılarak yaprak yüzeylerindeki nemli tabaka uzaklaştırılabilir. Nitekim güçlü hava hareketi, bitki etrafındaki mikroklimayı kırarak transpirasyonu teşvik eder ve dengeyi stabil seviyeye tekrar çeker.
Gece-Gündüz Döngüsünün Nem Alma Cihazı Tasarımına Etkisi
Dikey tarımda bitkiler genellikle yapay aydınlatmayla belirli bir photoperiod (ışık-karanlık döngüsü) altında yetiştirilir. Örneğin birçok yapraklı ürün için 16 saat aydınlık / 8 saat karanlık döngüsü kullanılırken, bazı çiçeklenen türler için 12 saat aydınlık / 12 saat karanlık (kısa gün tetiklemesi) uygulanır. Bu gece-gündüz döngüsü, bitkilerin fizyolojik süreçlerini (fotosentez, solunum, büyüme hormonları vb.) düzenlediği kadar, yetiştirme ortamının iklim dinamiklerini de ciddi biçimde etkiler. Gündüz ve gece çevrimleri ile ısı yükü, nem üretimi ve gaz değişimi parametreleri döngüsel bir karakter kazanır. Nem alma cihazı sistem tasarımında ve otomasyonunda bu döngünün etkileri mutlaka göz önüne alınmalıdır.
Gündüz (ışık açık) periyodu boyunca bitkiler yoğun fotosentez yapar, CO₂ tüketip O₂ üretirler. Aynı zamanda yapay ışık kaynakları (LED veya HPS lambalar) ortama ısı verir. Bu nedenle gündüzleri kapalı tarım ortamlarında hem sıcaklık artışı hem de nem artışı söz konusudur (ışıkla stomalar açılır ve yaprak ısınır; bu nedenle terleme belirgin şekilde artar). Bu dönemde iklimlendirme sisteminin soğutma kapasitesi ve nem alma fonksiyonu tam yük çalışabilir. Soğutma sistemi ışıklardan gelen ısıyı uzaklaştırmak, nem alma cihazı ise terleme ile ortaya çıkan nemi ortamdan dışarı tahliye etmek zorundadır. Örneğin güçlü ışıkların açık olduğu öğle saatlerinde soğutma cihazına bağlı chiller veya gazlı dış ünite sıcaklığı hedef değerde tutmak için kompresörü tam kapasite çalıştırır, iç ünitede (evaporatör) havayı soğuturken yoğunlaşan suyu tahliye ederek nem alma cihazına yardımcı olur. Eğer soğutma sistemi, bitki ve ışık kaynaklı bu yükleri yanlış hesaplanmışsa, gündüz vakti sıcaklık hedeflenen değerin üzerine çıkar veya nem %80-90'lara tırmanır. Bu yüzden tasarım aşamasında en sıcak ve en yoğun ışıklı senaryo (örn. yaz ortası, tüm katlar dolu ve ışıklar açık) için hesaplama yapılıp soğutma ekipmanı buna göre seçilir.
Gece (ışık kapalı) periyodu geldiğinde ise tablo tersine döner. Işıklar kapandığında ortama ısı girişi aniden kesilir, hatta ortam soğumaya başlar (dış ortam genelde daha soğuk olduğundan ve yapının ısı kaybı olabileceğinden). Bitkiler fotosentezi durdurur, bu kez solunumla CO₂ üretip O₂ tüketirler. En önemlisi, terleme hızı genellikle düşer ancak tamamen durmaz. Bitkiler karanlıkta da bir miktar su salarlar (özellikle ortam hala sıcaksa bir süre terleme devam eder). Sıcaklık düşerken havadaki mutlak nem kendiliğinden azalmaz; havanın taşıyabileceği nem miktarı azaldığı için bağıl nem hızla yükselir, üstelik bitkiler bir süre daha nem yayar ve böylece RH %100'e yaklaşabilir. Yapraklarda yer yer su damlacıkları (gutasyon sıvısı veya yoğunlaşma) oluşmasına bile yol açabilir. Gece periyodu hastalık riskinin en yüksek olduğu zamandır çünkü durgun ve nemli hava mantarlar için idealdir. İşte bu nedenle gece boyunca nemin kontrol altında tutulması ve sıcaklığın çok fazla düşmemesi öngörülür. Otomasyon sistemi ışıklar kapanınca hemen devreye giren bir "gece modu" ile nem alma cihazlarını gece için ayrı bir bağıl nem set değeriyle (örneğin %80) ve yaprak yüzeylerini çiy noktasının üzerinde tutacak şekilde çalıştırabilir.
Gece-gündüz değişiminin etkisi sadece sıcaklık-nem düzleminde değildir. Aynı zamanda CO₂ ve O₂ dengesi üzerinde de önemli etkileri vardır. Karanlık periyotta bitkiler CO₂ üretmeye başlayacağı için kapalı bir sistemde gece sonunda CO₂ seviyesi yükselebilir. CO₂ zenginleştirmesi yapılan tesislerde personel güvenliği için CO₂ seviyesi sürekli izlenmeli ve alarm limitleri tanımlanmalıdır. Bu sebeple pek çok sistemde geceleri otomatik egzoz fanları devreye girerek havayı tazeleyip fazla CO₂'yi atar ve O₂ seviyesini yeniler. Gündüz ise tersine bir durum söz konusudur. Bitkiler CO₂'yi hızla tüketeceğinden taze hava girişi veya CO₂ beslemesi yapılır. Bütün bu süreçler, damper hareketleri ve sensörlerden gelen veriler gece-gündüz döngüleri için otomasyon üzerinden senkronize edilmelidir.
Karbondioksit Seviyesi Yönetimi
Bitkilerin fotosentez için ihtiyaç duyduğu karbondioksit (CO₂), kontrollü tarımda verimi artırmak amacıyla yönetilen bir diğer önemli parametredir. Açık havada CO₂ seviyesi yaklaşık 420 ppm (≈ %0,04) civarındadır. Kapalı bir dikey çiftlikte, bitkiler hızla bu CO₂'yi tüketerek seviyeyi düşürebilirler. CO₂ konsantrasyonu 300 ppm'in altına inerse fotosentez hızı belirgin biçimde yavaşlar, bitkiler adeta "nefessiz" kalır. Bu nedenle kapalı sistemlerde CO₂ seviyesini izlemek ve gerekirse aktif olarak CO₂ beslemesi (enjeksiyonu) yapmak gerekir. Doğru yönetildiğinde, ortam CO₂ seviyesini yükseltmek bitki büyümesini önemli ölçüde hızlandıran bir etkendir. Ancak CO₂ artışı, ışık, sıcaklık ve VPD seviyesi yeterli olduğu sürece fayda sağlar. Yani diğer faktörler de optimum olmalıdır.
Sistem Tasarımında Mühendislik Hesaplamaları: Nem, Hava Debisi, Cihaz Kapasiteleri
Dikey tarım ve kontrollü çevre tarımı sistemlerinin başarılı işletilmesi için, tüm çevresel kontrol unsurlarının doğru boyutlandırılması ve hesaplara dayanması gerekir.
Ortamda oluşacak nem yükü büyük ölçüde bitkilerin transpirasyonuyla ilişkilidir. Hesap yapmanın en kestirme yolu, bitkilerin aldığı su miktarıdır. Bitkiler kökle aldıkları suyun yaklaşık %95'ini terlemeyle havaya verir. Örneğin bitkilerin günde 100 litre su aldığı kabul edilirse nem yükü yaklaşık 95 L/gün olur. Bu, 24 saate yayıldığında ortalama ≈ 4 kg/sa demektir; terlemenin büyük kısmı 16 saatlik aydınlık periyotta gerçekleştiği için gündüz tepe değeri ≈ 5 kg/sa'e çıkar (gizli ısı yükü ≈ 3,4 kW). Resirkülasyonlu sistemlerde sulama debisi değil, depoya eklenen (bitkinin gerçekten aldığı) su esas alınmalıdır. Taze hava ile gelen nem yükü ve %15–25 güvenlik payı ayrıca eklenir. Maksimum durumda, yoğun yaprak alanına sahip bitkiler için bitkinin stoma iletkenlik katsayısı, bitki sayısı ve birim bitki başına düşen ortalama yaprak yüzey alanı kullanılarak hesaplama yapılır. Kapasite hesaplamalarında sadece toplam kapasite değil, zaman dağılımı da önemlidir. Genellikle terlemenin en yoğun olduğu dönem ışıkların açık olduğu zamandır, dolayısıyla saatlik nem üretimi gündüz daha yüksek, gece daha düşük olacaktır. Nem alma cihazı bu dalgalanmaya ayak uydurabilmelidir. Donanımsal olarak fanların frekans kontrollü, cihazların kademeli kapasite kontrollü seçilmesi bu dalgalanmayı karşılamayı kolaylaştırır. Tipik yetiştirme odası çiy noktalarında temel yük yoğuşmalı cihazlar veya soğutma bataryasıyla karşılanır; silikajel rotorlu cihazlar yalnızca düşük sıcaklık veya çok düşük nem hedefi olan özel bölümlerde değerlendirilir.
Yoğuşmalı cihazlarda ve soğutma bataryalarında havadan alınan nem sıvı su olarak toplanır. Bu su filtrasyon ve dezenfeksiyon (örneğin UV) sonrasında besin çözeltisi tankına geri döndürülerek kapalı bir su döngüsü kurulabilir; böylece bitkinin terlediği su yeniden sisteme kazandırılır. Silikajel rotorlu cihazlar ise nemi reaktivasyon havasıyla dışarı attığı için bu geri kazanıma imkân vermez.
Bir dikey tarım iklim kontrol sisteminin tasarım aşamasında yapılan mühendislik hesaplamaları, elbette her proje özelinde farklılıklar olacaktır; örneğin akuaponik bir sistemde su yüzeyinden buharlaşma da toplam nem yüküne eklenmelidir. Ancak prensip olarak her değişken için ölçülebilir ve hesaplanabilir bir yaklaşım benimsemek en doğrusudur. Dikey tarım ve hidroponik sistemlerde iklimlendirme, nem kontrolü ve çevresel parametre yönetimi, disiplinler arası bir yaklaşımla topyekun ele alınmalıdır. Mühendislik hesaplarına dayanan doğru boyutlandırılmış bir sistem, bitkilere yıl boyunca optimum büyüme koşulları sağlayarak yüksek verim, kaliteli ürün ve istikrarlı bir üretim süreci sunacaktır. Teknoloji ve otomasyonun akılcı kullanımıyla, kapalı alan tarımı geleceğin sürdürülebilir gıda üretiminde önemli bir rol oynayacak ve mühendislik bu sürecin temel taşı olmaya devam edecektir. NKT – Nem Kontrol Teknolojileri, dikey tarım ve hidroponi sistemlerinde kullanılan nem alma cihazlarının tedariki, cihaz seçiminde teknik destek, teknik servis ve yedek parça konularında müşterilerine destek sunmaktadır.
