DE3780614T2

DE3780614T2 - Verfahren und anlage zur pflanzenaufzucht in einem kontrollierten klima.

Info

Publication number: DE3780614T2
Application number: DE8787311500T
Authority: DE
Inventors: Philip Davis Sprung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-12-30
Filing date: 1987-12-29
Publication date: 1993-02-04
Anticipated expiration: 2007-12-30
Also published as: CA1315554C; EP0275712A1; US5001859A; EP0275712B1; DE3780614D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umgebungssteuerung für Pflanzenwachstum, und insbesondere ein Verfahren und eine Anordnung zur Aufzucht von Pflanzen in rauhen Umgebungsbedingungen.
Herkömmliche Gewächshausanordnungen, welche aus transparenten Glasscheiben bestehen, die ein Dach ausbilden, um eine Anbauzone zu umschließen, und welche Luft von außen ansaugen und eine Heizung für die Wintermonate aufweisen, besitzen viele Mängel, welche sie für Ganzjahres-Produktion vieler Typen von Früchten und Gemüsen unter bestimmten klimatischen Bedingungen ungeeignet machen, z.B. in sehr nördlichen bzw. sehr südlichen Klimaten, wo Temperatur- und Lichtbedingungen unergiebig sind, während diese Gewächshausanordnungen für viele Zwecke angemessen sind. Außerdem können ungeelgnete Temperaturdifferenzen im Inneren hervorgerufen werden, weil solche Gewächshäuser häufig nicht gut gegen die Außenumgebung abgedichtet sind. Ebenso kann Außenluft eingelassen werden, welche Substanzen beinhalten kann, welche einwandfreiem Pflanzenwachstum nicht förderlich sind. Auch können in der Umgebung innerhalb solcher Gewächshäuser Nebenprodukte des Heizungssystems, welches häufig einen Erdgas- oder Ölofen aufweist, anwesend sein, die wiederum reduziertes Pflanzenwachstum verursachen. Das Wasser, welches in solchen Gewächshäusern verwendet wird, stammt häufig vom Ort des Gewächshauses und kann wiederum Verunreinigungen oder Zusammensetzungen enthalten, welche Pflanzenwachstum behindern. Es gibt zunehmende Kenntnis der schädlichen Wirkung von Verunreinigungen in der Luft oder dem Wasser auf Pflanzenwachstum. Außerdem kann die Konzentration von für Pflanzenwachstum erforderlichen Elementen, wie z.B. Kalzium, Stickstoff und Phosphor, in dem Wasser, das den Pflanzen zugeführt wird, in herkömmlichen Gewächshäusern von Tag zu Tag wechseln, woraus ungleichmäßiges Pflanzenwachstum resultiert.
Infolgedessen hat es in den letzten Jahren einen Trend in Richtung der Entwicklung von Gartenbau- oder Ackerbaueinrichtungen gesteuerter bzw. kontrollierter Umgebung gegeben. Zum Beispiel beschreibt und veranschaulicht das kanadische Patent Nr. 1.097.075 von Miller vom 10. März 1981 ein Nährstoff-Zufuhrsystem für eine solche Ackerbaueinrichtung gesteuerter Umgebung, das Nährstoffilm-Verfahren einschließt, in welchen Pflanzenwurzelballen so angeordnet sind, daß sie durch Kontakt mit einem kleinen Strom aus flüssigem Nährstoff benetzt werden. Man vertraut dann auf die Kapillarwirkung oder den Dochteffekt, um den mit Nährstoff benetzten Bereich über und durch den ganzen Wurzelballen auszudehnen. Nährstoff-Zufuhr wird erreicht, indem man die Pflanzenwurzeln in langen Mulden anordnet und einen dünnen Strom aus flüssigem Nährstoff entlang dem Boden der Mulde fließen läßt wobei es dem Strom erlaubt wird, jeden der Pflanzenwurzelballen zu berühren, während er vorbeifließt. Überschüssiger Nährstoff wird gewöhnlich wiederverwendet, nachdem die benötigten Bestandteile wieder aufgefüllt wurden.
Solche Versuche, in einem Gewächshaus die verschiedenen, für Pflanzenwachstum verantwortlichen Bedingungen zu steuern, sind bisher in ihren Möglichkeiten außerordentlich beschränkt gewesen. So wird z.B. in dem kanadischen Patent Nr. 1.097.075 von Miller nur die Nährstoff-Zufuhr gesteuert. In dem kanadischen Patent Nr. 982.426 von Delano et al vom 27. Januar 1976 wird ein Verfahren zur Steuerung der Menge solarer Wärme und Lichts, welche in ein Glas- oder Plastikgewächshaus gelangt, beschrieben, wobei eine Flüssigkeit das Glas oder den Plastikfilm des Gewächshauses bedeckt. Die Flüssigkeit trocknet zu einer Beschichtung aus, welche unter gewissen Bedingungen transparent ist. In dem kanadischen Patent Nr. 955.748 von Glatti et al vom 8. Oktober 1984 wird der Lichtdurchsatz durch eine lichtdurchlässige Abdeckung eines Gewächshauses teilweise durch Beschichtung der Innenfläche der lichtdurchlässigen Abdeckung mit einem oberflächenaktiven Mittel gesteuert, welches oberflächenaktive Mittel den Berührungswinkel von an dessen Innenfläche ausgebildeten Kondenswasser-Tröpfchen unter 75º reduziert.
Andere Patente von generell nebensächlichem Interesse, die verschiedene Typen von Gewächshaus-Anordnungen beschreiben, umfassen das US Patent Nr. 4.195.441 von Baldwin vom 1. April 1980 (Solargewächshaus, in dem Pflanzen als Solarkollektoren verwendet werden, um Sonnenstrahlung zu absorbieren und sie in einem Wärmereservoir unter dem Gewächshaus zu speichern) und US Patent Nr. 4.452.256 von Kranz vom 5. Oktober 1982 (Gewächshaus-Anordnung, die eine zentrale Nabe und Arme beinhaltet, welche Arme sich davon radial nach außen erstreckende Wachstumskammern umfassen).
In der US Patentschrift Nr. 3.807.088 (Jones) wird eine Anordnung kontrollierter Umgebung zur Aufzucht von Gärtnereipflanzen offenbart, die Anordnung umfassend eine Basis, eine lichtdurchlässige, dichte Ummantelung, die an der Basis angebracht und von ihr gehalten wird, um einen vorbestimmten Raum dicht einzuschließen, in dem Gärtnereipflanzen unabhängig von den äußeren Umgebungsbedingungen aufgezogen werden sollen, Temperatur-Überwachungseinrichtung für den Raum, und Steuermittel, das der Temperatur- Überwachungseinrichtung und den Temperatur-Steuermitteln elektronisch zugeordnet und programmiert ist, um optimale Temperatur-Bedingungen für die in dem Raum angebauten Pflanzen bereitzustellen wobei die Temperatur-Steuermittel umfassen eine Heizvorrichtung und eine Kühlvorrichtung einschließlich Mitteln zur Erzeugung einer Dunstwolke zur Verdunstung innerhalb der Ummantelung und nachfolgendem Kondensieren an einer inneren Oberfläche der Ummantelung, um die Anordnung zu kühlen.
Die Offenbarung der US Patentschrift Nr. 3.807.088 enthält auch ein Verfahren zum Pflanzenanbau, umfassend Aufziehen von Pflanzen in einem Raum innerhalb einer lichtdurchlässigen, auf einer Basis angebrachten Ummantelung, wobei die Umgebung innerhalb des Raums dicht gegen äußere Umweltluftbedingungen abgedichtet ist, Steuern der Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid-Bedingungen innerhalb des Raums, um sicherzustellen, daß optimale Bedingungen für Pflanzenwachstum beibehalten werden, Steuern der Pflanzenwurzelnährstoff- und Wasser-Bedingungen durch Steuermittel, die Überwachungs- und Steuergeräten für die Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid elektronisch zugeordnet sind, zum optimalen Pflanzenwachstum, und Erzeugen einer Dunstwolke innerhalb des Raums zur Temperatur- und Feuchtigkeitssteuerung.
Während frühere Versuche, Gartenbaueinrichtungen gesteuerter Umgebung bereitzustellen, anscheinend für die begrenzten Zwecke Erfolg hatten, für die sie entwickelt wurden, wurden bis jetzt noch keine Versuche angestellt, eine Gartenbaueinrichtung umfassend gesteuerter Umgebung und ein Verfahren bereitzustellen, bei welchem alle oder die meisten der für einwandfreien Pflanzenanbau erforderlichen Umgebungsfaktoren gesteuert werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, solch eine Einrichtung und solch ein Verfahren bereitzustellen.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von Gartenbauerzeugnissen bereitzustellen, bei der bzw. bei dem unter anderem Temperatur, relative Feuchtigkeit, Kohlendioxid und andere Parameter, die für einwandfreies Pflanzenwachstum wesentlich sind, überwacht und gesteuert werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Gartenbaueinrichtung gesteuerter Umgebung bereitzustellen, welche die Herstellung von Gartenbauerzeugnissen in großem Rahmen sogar in äußeren Umgebungsbedingungen erlaubt, welche normalerweise für das Pflanzenwachstum und Herstellung in einer Gärtnerei schädlich sind.
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung kontrollierter Umgebung zur Aufzucht von Gärtnereipflanzen bereitgestellt, die Anordnung umfassend eine Basis, eine lichtdurchlässige, dichte Ummantelung, die an der Basis angebracht und von ihr gehalten wird, um einen vorbestimmten Raum dicht einzuschließen, in dem Gärtnereipflanzen unabhängig von den äußeren Umgebungsbedingungen aufgezogen werden sollen, Temperatur-Überwachungseinrichtung und Temperatur-Steuermittel für den Raum, eine Überwachungseinrichtung für die relative Feuchtigkeit und Feuchtigkeit-Steuermittel für den Raum, eine Kohlendioxid-Überwachungseinrichtung und Kohlendioxid-Steuermittel für den Raum, ein Steuermittel, das der Temperatur-Überwachungseinrichtung und den Temperatur- Steuermitteln, der Feuchtigkeit-Überwachungseinrichtung sowie der Kohlendioxid-Überwachungseinrichtung und den Kohlendioxid-Steuermitteln elektronisch zugeordnet und programmiert ist, um optimale Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid-Bedingungen für die in dem Raum angebauten Pflanzen bereitzustellen, wobei die Temperatur-Steuermittel umfassen (i) eine Heizvorrichtung und (ii) eine Kühlvorrichtung einschließlich Nitteln zur Erzeugung einer Dunstwolke zur Verdunstung innerhalb der Ummantelung und nachfolgendem Kondensieren an einer inneren Oberfläche der Ummantelung, um die Anordnung zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine wärmeleitende, gespannte Gewebeummantelung ist, daß das Steuermittel ein Mikroprozessor-Steuermittel ist, daß die Kühlvorrichtung ferner Sprühmittel zum kontrollierten Sprühen eines Wasserfilms durch die Luft auf die äußere Oberfläche der Ummantelung umfaßt um die Kondensierung von Wasser auf der inneren Oberfläche der Ummantelung zu ermöglichen, und daß die Anordnung Mittel zum Sammeln und Rückführen von Kondensat von der inneren Oberfläche der Ummantelung umfaßt.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Anordnung außerdem Pflanzenwurzelnährstoff-Überwachungsmittel und Pflanzenwurzelnährstoff-Steuermittel für in dem Raum wachsende Pflanzen. Das Mikroprozessor-Mittel ist den Pflanzenwurzelnährstoff-Überwachungsmitteln und - Steuermitteln elektronisch zugeordnet und programmiert, um optimale Nährstoffkonzentrations-Bedingungen der Nährstofflösung bereitzustellen, die den Wurzeln der in dem Raum angebauten Pflanzen zugeführt wird.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Pflanzenanbau bereitgestellt, umfassend Aufziehen von Pflanzen in der Anordnung kontrollierter Umgebung, wobei die Umgebung innerhalb des Raums dicht gegen äußere Umgebungsluftbedingungen abgedichtet ist, das Verfahren umfassend Steuern der Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid- Bedingungen innerhalb des Raums, um sicherzustellen; daß optimale Bedingungen für Pflanzenwachstum beibehalten werden, Steuern der Pflanzenwurzelnährstoff und Wasser-Bedingungen durch Steuermittel, die Überwachungs- und Steuergeräten für die Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid elektronisch zugeordnet sind, zum optimalen Pflanzenwachstum, und Erzeugen einer Dunstwolke innerhalb des Raums zur Temperatur- und Feuchtigkeitssteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine gespannte Gewebeummantelung ist, daß das Steuermittel ein Mikroprozessor-Steuermittel ist und durch Sprühen eines Wasserfilms durch die Luft auf die äußere Oberfläche der Ummantelung, um die Ummantelung zu kühlen, und Sammeln und Rückführen des Kondensats von der inneren Oberfläche der Ummantelung.
Die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren stellen eine Gartenbaueinrichtung gesteuerter Umgebung bereit, welche Gartenbauproduktion in großem Rahmen über einen verlängerten Zeitraum erlaubt, sogar bei niedrigen Sonnenwinkeln wie sie im Winter in kanadischen Städten wie Calgary oder in Städten in den nördlichen Vereinigten Staaten wie Minneapolis oder Seattle vorliegen. Gesteigertes Pflanzenwachstum einschließlich gesteigerter Ernten von Früchten und Gemüsen werden erreicht. Außerdem stellt die Erfindung die Fähigkeit bereit, die Innenumgebung der Anordnung zu steuern, um das ganzjährige Wachstum von Feldfrüchten zu ermöglichen, die andernfalls in der natürlichen Umgebung eines besonderen Ortes, sogar in herkömmlichen Gewächshaus-Anordnungen, nicht wachsen könnten. Obwohl die Steuer- und Überwachungs-Systeme für die verschiedenen Umgebungsfaktoren Kosten darstellen können, die größer sind als jene, die sich für ein herkömmliches Gewächshaus ohne solche Systeme ergeben würden, neigen die gesteigerten Ernten an Feldfrüchten, die unter solch kontrollierten Umgebungsbedingungen wachsen, und die gesteigerte Konzentration von Feldfrüchten, die angebaut werden können, dazu, die gesteigerten Kosten mehr als auszugleichen. Auch wegen der abgedichteten Umgebung, in der die Feldfrüchte wachsen, werden Herbizide und Pestizide praktisch unnötig.
Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und mit Bezug auf die Zeichnungen ersichtlich, in denen:
FIGUR 1 eine teilweise, schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung kontrollierter Umgebung zeigt, die verschiedene der in einer solchen Anordnung beinhalteten Steuer- und Überwachungs-Systeme darstellt,
FIGUR 2 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen äußeren Sprühsystems zum gesteuerten Sprühen eines Wasserfilms über die Außenfläche der Ummantelung der Anordnung zeigt,
FIGUR 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III von Figur 1 durch eine der Produktionszonen zeigt,
FIGUR 4 eine perspektivische Teilansicht eines Abschnitts des Nährstoff-Zufuhrsystems der Anordnung zeigt, und
FIGUR 5 eine perspektivische Teilansicht des Inneren einer der Ummantelungen der Anordnung von Figur 1 zeigt, die das Wasser-Sammelsystem für die Innenflächen der Ummantelung der Anordnung darstellt.
In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit analogen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 wird eine teilweise, schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung 2 dargestellt, die viele der Merkmale, die die Steuerung der Umgebung innerhalb langgestreckter, radial angeordneter Produktionszonen 4 erlauben, und Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 in einem zentralen, ringförmigen Vorraum 7 der Anordnung 2 darstellt. Außerdem weist die Struktur 2 eine zentrale Steuerzone 8 auf, in der ein Mikroprozessor 10 angeordnet ist, dessen Funktion nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Jede Produktionszone 4 ist wie dargestellt mit der zentralen Vorraumzone 7 verbunden und kann gegen den Vorraum und andere Produktionszonen abgedichtet werden, z.B. um in den Produktionszonen 4 jeweils andere Luftumgebungen beizubehalten, was von unterschiedlichen Feldfrüchten gefordert werden könnte.
Die Produktions- und Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 4 und 6 werden von einer lichtdurchlässigen, undurchlässigen, gespannten Gewebeummantelung 12 (Figur 3) abgeschlossen, die auf einer Basis 14 angebracht ist, wobei die Ummantelung und Basis vorbestimmte Räume einschließen (z.B. Produktionszonen 4 oder Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6) . Ummantelung 12 ist vorzugsweise aus einem maschinengewebten, mit Polyvinylchlorid beschichteten Polyestermull-Gewebe mit etwa 95% Lichtdurchlässigkeit gefertigt. Solch ein Gewebe ist bei der Bereitstellung von natürlichem Licht innerhalb der Anordnung höchst effektiv und ist wärmeleitend. Das Gewebe ist vorzugsweise leicht, z.B. 3 kg/m² (18 Unzen pro Quadrat-Yard) und flammhemmend, sowie widerstandsfähig gegen Öl, Chemikalien, Fette, Fäulnis, Schimmel und gewisse Arten von Bakterien, die Polyvinylchloride angreifen und die in einer nebligen Umgebung häufig sind. Es wird vorzugsweise zwischen gebogenen Rippenelementen 15 gehalten, die auf der Basis ruhen, wobei die Rippenelemente gespreizt sind, um das Gewebe z.B. wie in meinem US Patent No. 4.137.687 vorn 6. Februar 1979 beschrieben zu spannen.
Wie in Figur 3 zu sehen ist, wird außerdem die Leitung von Licht in das Innere der Anordnung darüberhinaus durch die Tatsache erhöht, daß sehr wenig Rohrleitungen, Wasserrohre oder andere physische Hindernisse oberhalb der Wurzelwachstumszone zugelassen werden. Auch ist die Basis 14 für Produktionszone 4, wie in Figur 3 dargestellt, erhöht und vorzugsweise von reflektierender Fläche 16 umgeben, die eine leicht gefärbte Fläche sein kann, z.B. von reflektierendem Plastik oder, wie dargestellt, Wasserbecken, Eisflächen (bei Temperaturen unter den Gefrierpunkt) oder ähnlichem. Auf diese Weise wird, sogar bei niedrigem Sonnenwinkel, Licht sowohl durch Reflexion als auch direkt in die Anordnung durch Ummantelung 12 transmittiert. Wie in Figur 3 zu sehen ist, erstrecken sich die Seiten, die Ummantelung 12 bilden, von Basis 14 in konvexer Form nach oben und treffen sich bei First 18, wobei sie zwei Seiten 20 und 22 für die Ummantelungen jeder der langgestreckten Produktionszonen 4 ausbilden.
Die Ummantelungen 12 erstrecken sich über entsprechende Basen 14 von jeder der in Figur 1 dargestellten Zonen, um die Umgebung innerhalb solcher Zonen gegen äußere Umgebungsluftbedingungen abzudichten. Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung, da er die geschlossene Steuerung von Umgebungsbedingungen innerhalb jeder der Zonen der Anordnung möglich macht, wie z.B. Feuchtigkeit und Kohlendioxid-Konzentration. Anderfalls wäre dies nicht möglich.
Eine Reihe von Temperatur-Überwachungseinrichtungen 24, Kohlendioxid-Überwachungseinrichtungen 26 und Überwachungseinrichtungen für die relative Feuchtigkeit 28 werden für die Innenatmosphäre innerhalb jeder der fraglichen Produktionszonen 4 und Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 bereitgestellt (Figur 3). Ebenso sind in die Ummantelungsbeschicfrtung jeder der Zonen 4 und 6 Temperatursensoren 30 eingebettet. Kohlendioxid-Zufuhrsysteme 32 und Nährstoff-Zufuhrsysteme 34 (Figur 1), die Systeme, die Kohlendioxid bzw. Nährstofflösung aus vorzugsweise in der zentralen Steuerzone 8 angeordneten Quellen zuführen, werden für jede der Produktionszonen 4 und Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 bereitgestellt, obwohl diese Systeme lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 1 dargestellt sind, als lägen sie in getrennten Zonen 6. Mikroprozessor 10, der elektronisch mit Überwachungseinrichtungen 24, 26, 28 und 30 verbunden ist, steuert die Zufuhr von Kohlendioxid aus einer Quelle 36 und Nährstoff aus Reservoirtanks 38 in der zentralen Steuerzone 8 in die Zonen 4 und 6.
Die Temperatur und relative Feuchtigkeit innerhalb jeder der Produktionszonen 4 und Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 wird durch eine hochentwickelte und in teilweise wechselseitiger Beziehung zueinander stehenden Reihe von Systemen gesteuert. Zuerst wird für die Temperatursteuerung jede der Ummantelungen über Produktionszonen 4 und Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 mit einem externen Sprühsystem 40 (Figur 2) versehen, das aus einer Reihe von Rohrleitungen 42 besteht, die Wasser zuführen, das z.B. aus einer Quelle (nicht gezeigt) in der zentralen Steuerzone 8 oder aus Becken 16 kommt, und das Wasser durch diese Rohrleitungen zu Sprühdüsen 44 (Figur 2) führen, um einen dünnen Wasserfilm über die Außenfläche von Ummantelung 12 zu sprühen, um sie wie gewünscht zu kühlen. Um dies zu erreichen, wird das Wasser von den Sprühdüsen 44 wie dargestellt in einer breiten Form zuerst durch die Luft und auf das Äußere von Ummantelung 12 gesprüht. Dieses Sprühen durch die Luft sorgt für Verdunstungskühlung des Wassers, wodurch die Ummantelung 12 zusätzlich gekühlt werden kann. Sensoren 30 in Ummantelung 12 sind mit Mikroprozessor 10 elektronisch verbunden, und dieser setzt entweder in einer zeitlichen Folge oder sobald die Temperatur der Ummantelung sich zu einem gewissen Wert aufbaut, Magnetventile (nicht gezeigt) in Betrieb, um Wasser durch die Düsen 44 über die Außenfläche der Ummantelung zu sprühen, um diese zu kühlen. Die Ummantelungen 12 über den Produktionszonen 4 und Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 sind derart ausgebildet, daß dieser Wasserfilm die Außenfläche der Ummantelungen abläuft. Die Düsen 44 sind vorzugsweise so gerichtet, daß sie wie gefordert einen gleichmäßigen Sprühnebel über den größten Teil der Außenfläche von Ummantelung 12 über Produktionszonen 4 und 6 bereitstellen. Derart über Ummantelungen 12 versprühtes Wasser kann z.B. in den außenbecken 16, die die reflektierenden Flächen ausbilden, oder durch irgendein anderes geeignetes Wiedergewinnungsmittel gesammelt werden.
Im Inneren wird Temperatur-Steuerung durch ein internes Dunst-Erzeugungsystem 48 (Figur 3) erzielt, welches Wasser- Zufuhrrohrleitungen 50 umfaßt, die Nebeldüsen 52 speisen, welche Düsen nach Bedarf einen feinen Dunst oder eine feine Wolke in der Atmosphäre in dem Raum über Pflanzen 54 erzeugen. Dieses interne Dunst-Erzeugungssystem wird von den elektronisch mit Mikroprozessor 10 verbundenen Temperatur-Überwachungseinrichtungen 24 in Betrieb gesetzt, welcher Mikroprozessor das interne Dunst-Erzeugungssystem entweder, wenn die Temperatur innerhalb der Entwicklungszone für unreife Feldfrüchte oder der Produktionszone einen vorbestimmten Wert überschreitet, oder in einer zeitlichen Folge in Betrieb setzt. Die Erzeugung des Dunstes oder der Wolke verursacht auf zwei Arten Kühlung. Erstens erschwert sie den Durchgang von Sonnenlicht zu den Pflanzen, wodurch sie durch Abdeckung kühlt. Zweitens entzieht die Verdunstung der Umgebung in dem Raum in der Ummantelung Wärme, wenn der Dunst oder die Wolke unter den aufgeheizten Bedingungen innerhalb der Ummantelung verdunstet. Der verdampfte Wasserdampf kondensiert auf der kühleren Ummantelungsfläche (wenn nötig durch externes Dunstsystem 40 gekühlt), wobei er die Kondensationswärme an das Ummantelungsgewebe abgibt. Das Ummantelungsgewebe besteht aus wärmeleitendem Material und dadurch wird Wärme von der Innen- zu der Außenseite der Ummantelung und aus der Innenumgebung von Produktionszone 4 oder Entwicklungszone für unreife Feldfrüchte 6 geleitet.
Wasserdampf, der somit an der Innenfläche von Ummantelung 12 kondensiert (welcher Wasserdampf aus Verdunstung der Pflanzen 54 beinhalten kann), läuft die Seiten der Ummantelung herunter und wird durch Sammelschürzenelemente 56 gesammelt, die in Schlitze 57 in Sammelrohren 58 (Figur 5) münden, wobei Sammelrohre 58 dieses Kondenswasser an einen zentralen Ort zurückführen, wo es nach Bedarf verwendet werden kann, vorzugsweise zum Mischen mit Nährstoff in den Tanks 38 (Figur 1). Dieses System arbeitet somit wie ein Wasser-Destillationssystem in großem Rahmen, wobei das von den Pflanzen mit der Nährstofflösung aufgenommene Wasser durch Elemente dieses Destillationsprozesses gereinigt worden ist.
Wie man sich vorstellen kann, ist ferner der Aufbau von Wasserdampf in der Luft eines der Probleme, das sich bei Anwendung einer Gewächshausanordnung ergibt, in der die Innenumgebung gegen äußere Umgebungsluftbedingungen abgedichtet ist, wenn diese Gewächshausanordnung zur Erzeugung von Feldfrüchten im großen Rahmen innerhalb des Gewächshauses angewandt wird. Dieser Aufbau kommt von der Verdunstung aus den Pflanzen. Wenn es zugelassen wird, daß sie ungesteuert fortschreitet, wird die relative Feuchtigkeit in der Gewächshausanordnung bis zu dem Punkt steigen, an dem Verdunstung von den Pflanzen deutlich behindert wird. Da die Pflanzen Verdunstung brauchen, um beispielsweise ihre Blätter zu kühlen und Nährstofflösung durch das Pflanzensystem zu ziehen, wird somit das Wachstum der Pflanze nachteilig beeinflußt. Wenn die Anordnung zu der Außenumgebung geöffnet werden könnte, um die Feuchtigkeit entweichen zu lassen, die in der Anordnung gebildet wurde, könnte dies innerhalb der Gewächshausanordnung ungewollte Temperaturdifferenzen hervorrufen und z.B. in Wintermonaten völlig unnütz sein. Es ist deshalb leicht zu verstehen, daß die Kondensation von Wasserdampf an der Innenfläche von Ummantelung 12 und das Entfernen dieses Kondenswassers durch Sammelschürzenelemente 56 und Sammelrohre 58 dazu beiträgt die Feuchtigkeits-Bedingungen innerhalb der Gewächshausanordnung zu steuern, so daß einwandfreie Verdunstung der Pflanzen durchgehend ohne die Notwendigkeit ermöglicht wird, die Gewächshausanordnung zur Außenumgebung zu öffnen.
Die Kühlung der Zonen 4 und 6 ist wegen des enormen Wärmeaufbaus, die in solchen Zonen durch Sonnenbestrahlung der Anordnung 2 besonders während der Sommer-, Frühlings- und Herbstmonate auftritt, am wichtigsten. Jedoch im Winter oder bei kühlen Außenbedingungen, wenn eine Heizung erforderlich ist, wird diese Heizung durch geeignete Öfen 60 (Figur 3) bereitgestellt. Es kann sich dabei vorzugsweise um Gas-, Öl- oder Elektroöfen handeln. Um wiederum die Hindernisse für Lichtdurchsatz zu den Pflanzen 54 zu minimieren, sind diese Öfen in einem Unterbaukanal 62 unter dem Boden von Basis 14 angeordnet (Figur 3).
Die Feuchtigkeits-Bedingungen innerhalb jeder der Zonen 4 und 6 können bei Bedarf auch von dem Mikroprozessor 10 gesteuert werden, wie es von den Sensoren für die relative Feuchtigkeit 28 vorgeschrieben wird, indem Wasser durch Zufuhrrohre 50 geleitet wird und durch die Nebeldüsen 52 als Wolke oder Dunst in die Atmosphäre weitergeleitet wird. Es können wechselweise getrennte Sätze von Zufuhrrohren oder Ventilen zur Steuerung der relativen Feuchtigkeit verwendet werden.
Es ist verständlich, daß durch das Nährstoff-Zufuhrsystem 34 zugeführter Nährstoff in Schalen 55 geleitet wird, in denen die Wurzeln der aufzuziehenden Pflanzen (in den Produktionszonen 4) bzw. inerte Blöcke von Samen oder Sämlingen (in den Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6) sitzen. Nach dem Stand der Technik wird überschüssiger Nährstoff, der von den Pflanzen, Samen oder Sämlingen nicht benötigt wird; gesammelt und zu Nährstofftank 34 zurückgeführt, wo seine Konzentration überwacht und angepaßt wird. Folglich wird es bevorzugt, insbesondere Basis 14 in jeder Produktionszone 4 vom Zentrum zu den Seiten und von den äußeren Enden zu den inneren Enden schräg nach unten zu neigen, um das Sammeln von überschüssigem Nährstoff und Wasser aus diesen Zonen zu erleichtert.
Aufgrund der rechnergestützten Steuerung der verschiedenen Gesichtspunkte der Innenumgebung in den Produktionszonen 4 und den Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 können Nährstoff-Konzentrationen, Kohlendioxid-Konzentrationen, relative Feuchtigkeit und Temperatur angepaßt werden, um dem speziellen Pflanzentyp, der aufgezogen wird, bzw. der Wachstumsstufe dieser Pflanze zu entsprechen. Mikroprozessor 10 kann geeignet programmiert werden, um diese Umgebungsbedingungen für die Pflanzen über die Lebensdauer der Pflanzen zu ändern und somit optimales Pflanzenwachstum zu sichern. Es wird auch bevorzugt, ein geeignetes Alarmsignal bereitzustellen, so daß der Alarm ertönt, wenn derartige Umgebungsbedingungen einen gewünschten Wert für einwandfreies Pflanzenwachstum überschreitet, und bei Bedarf ein manueller Vorrang und ein manuelles Anpassen derartiger Bedingungen möglich ist.
Es wird bevorzugt daß jegliche Außenluft, die für den erfindungsgemäßen Betrieb der Anordnung erforderlich ist, vor ihrer Einführung in die Umgebung innerhalb der Produktionszonen 4 bzw. Entwicklungszonen für unreife Feldfrüchte 6 auf geeignete Art und Weise gereinigt wird. Auch kann weitere Reinigung von in der Anordnung verwendetem Wasser, wie z.B. ultraviolette Bestrahlung und Chlorierung, vollzogen werden.
In Experimenten, die mit der erfindungsgemäßen Aufzucht von Tomaten und Gurken in Calgary, Alberta, Kanada durchgeführt wurden, sind gegenüber herkömmlicher Gewächshaus-Technologie bedeutend gesteigerte Ergebnisse umfassend ununterbrochene Herstellung, höhere Dichten und schnelleres Wachstum während der Wintermonate erzielt worden. In der Tat war vor der vorliegenden Erfindung Massenproduktion derartiger Gemüse während der Wintermonate in solcher Breite unbekannt.
Verglichen mit herkömmlichen Gewächshaus-Systemen, gestattet die erfindungsgemäße Anordnung kontrollierter Umgebung eine Produktionslinie (z.B. Alpha-Produktionseinheiten), die über einen Spitzenproduktions-Zeitraum produziert. Wenn dieser Zeitraum ausläuft, beginnt eine benachbarte Produktionslinie (Beta-Produktionseinheit) ihren Spitzenproduktions-Zeitraum. Die Alpha-Linie wird dann abgebaut und durch eine junge Alpha-Produktionslinie ersetzt, die zur Spitzenproduktion kommt, wenn die Beta-Produktionslinie ausläuft. Diese Rotation erlaubt ununterbrochene Spitzenproduktion an 365 Tagen im Jahr. Herkömmliche Anordnungen, auch wenn sie manchmal zwei Produktionslinien aufweisen, erlauben keine ununterbrochene Produktion in den Linien, es ergibt sich eine Lücke zwischen der Produktionsschluß einer Linie und dem Produktionsbeginn der anderen. Auch entspricht der Produktionszyklus nicht dem Spitzenzeitraum, sondern eher einem viel längeren Zyklus. Die Jahresproduktion liegt nicht bei 365 Tagen im Jahr. Einige Monate sind produktionslose Zeiträume, insbesondere während der Wintermonate.
Darüberhinaus erlaubt die Anordnung des Anmelders, z.B. bei Gurken, höhere Produktionsdichte. Gurken können z.B. in einer Teilung von 1,75 ft² (0,16 m²) aufgezogen werden, wohingegen mit gewöhnlichen Gewächshaus-Nährstoff-Zufuhrsystemen diese Teilung auf der fraglichen geographischen Breite 6 ft² (0,56 m²) beträgt.
Was schnelleres Wachstum betrifft, haben Gurkenpflanzen, die nach der Erfindung des Anmelders aufgezogen wurden, während einer Periode von Januar bis Mai 50 Gurken je Pflanze produziert (bei viel höherer Dichte als bei herkömmlichen Nährstoff-Zufuhrsysteinen). Herkömmliche Nährstoff-Zufuhrsysteme haben auf dieser geographischen Breite während dieses Zeitraums 25 Gurken je Pflanze produziert. Vor Mitte Februar produzieren Gurkenpflanzen nach herkömmlicher Nährstoff-Zufuhrtechnologie nicht, und etwa Mitte Februar beginnen solche Systeme, mit einer Rate von etwa 5 bis 8 Gurken je Pflanze und Monat zu produzieren.

Claims

1. Anordnung kontrollierter Umgebung zur Aufzucht von Gärtnereipflanzen umfassend eine Basis (14), eine lichtdurchlässige, dichte Ummantelung (12), die an der Basis angebracht und von ihr gehalten wird, um einen vorbestimmten Raum dicht einzuschließen, in dem Gärtnereipflanzen unabhängig von den äußeren Umgebungsbedingungen aufgezogen werden sollen, eine Temperatur- Überwachungseinrichtung (24) und Temperatur-Steuermittel (60, 40) für den Raum, eine Überwachungseinrichtung (28) für die relative Feuchtigkeit und Feuchtigkeit-Steuermittel für den Raum, eine Kohlendioxid- Überwachungseinrichtung (26) und Kohlendioxid-Steuermittel für den Raum, ein Steuermittel (10), das der Temperatur-Überwachungseinrichtung und den Temperatur- Steuermitteln, der Feuchtigkeit-Überwachungseinrichtung sowie der Kohlendioxid-Überwachungseinrichtung und den Kohlendioxid-Steuermitteln elektronisch zugeordnet und programmiert ist, um optimale Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid-Bedingungen für die in dem Raum angebauten Pflanzen bereitzustellen, wobei die Temperatur- Steuermittel umfassen (i) eine Heizvorrichtung und (ii) eine Kühlvorrichtung einschließlich Mitteln zur Erzeugung einer Dunstwolke (44) zur Verdunstung innerhalb der Ummantelung und nachfolgendem Kondensieren an einer inneren Oberfläche der Ummantelung, um die Anordnung zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (12) eine wärmeleitende gespannte Gewebeummantelung ist, daß das Steuermittel (10) ein Mikroprozessor- Steuermittel ist, daß die Kühlvorrichtung ferner Sprühmittel (44) zum kontrollierten Sprühen eines Wasserfilms durch die Luft auf die äußere Oberfläche der Ummantelung umfaßt, um die Kondensierung von Wasser auf der inneren Oberfläche der Ummantelung zu ermöglichen, und daß die Anordnung Mittel (56, 57, 58) zum Sammeln und Rückführen von Kondensat von der inneren Oberfläche der Ummantelung umfaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (14) vom Zentrum zu den Seiten und von den äußeren Enden zu den inneren Enden schräg nach unten geneigt ist, um das Sammeln von Kondenswasser zu erleichtern.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (14) vom Zentrum zu den Seiten und von den äußeren Enden zu den inneren Enden schräg nach unten geneigt ist, um das Sammeln von überschüssigem Nährstoff und Wasser zu erleichtern.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Pflanzenwurzelnährstoff-Überwachungsmittel und Pflanzenwurzelnährstoff-Steuermittel für in dem Raum wachsende Pflanzen, wobei das Mikroprozessor-Steuermittel ebenfalls den Pflanzenwurzelnährstoff-Überwachungsmitteln und -Steuermitteln elektronisch zugeordnet und programmiert ist, um optimale Nährstoffkonzentrationsbedingungen der Nährstofflösung bereitzustellen, die den Wurzeln der in dem Raum angebauten Pflanzen zugeführt wird.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe ein maschinengewebter, mit Polyvenylchlorid beschichteter Polyestermull mit etwa 95% Lichtdurchlässigkeit ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Mittel, um das Kondenswasser von den Sammelmitteln entweder zu den Dunsterzeugungsmitteln oder zu den Pflanzenwurzelnährstoff- und Wasser- Steuermitteln zurückzuführen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung länglich ist und konvexe Seiten aufweist, die sich nach oben zu einer zentralen Spitze entlang ihrer Längsrichtung hin erstrecken, die Sprühmittel angebracht sind, um Wasser in einem Film über die äußere Oberfläche und auf beide Seiten der Ummantelung hinab zu sprühen.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung länglich ist und konvexe Seiten aufweist, die sich nach oben zu einer zentralen Spitze entlang ihrer Längsrichtung hin erstrecken, die Sprühmittel angebracht sind, um Wasser in einem Film über die äußere Oberfläche und auf beiden Seiten der Ummantelung hinab zu sprühen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Feuchtigkeits-Steuermittel Dunsterzeugungsmittel umfaßt, die in dem Raum positioniert sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserverdampfungsmittel für das Feuchtigkeits- Steuermittel und für die Kühlvorrichtung ein und dieselben sind.

11. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Nährstoff-Steuermittel (34) einen Nährstofflösungs-Mischtank, eine von dem Mikroprozessor-Steuer mittel betätigte Nährstoffquelle zum Zuführen von Nährstoff in den Tank und Nährstoff-Zufuhrmittel umfaßt, um den Wurzeln der angebauten Pflanzen Nährstofflösung aus dem Tank zuzuführen.

12. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Nährstoff-Steuermittel einen Nährstofflösungs- Mischtank, eine von dem Mikroprozessor-Steuermittel betätigte Nährstoffquelle zum Zuführen von Nährstoff in den Tank und Nährstoff-Zufuhrmittel umfaßt, um den Wurzeln der angebauten Pflanzen Nährstofflösung aus dem Tank zuzuführen, und bei der das Wasser von den Sammelmitteln in den Tank geleitet wird.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohldioxid-steuermittel eine vom Mikroprozessor- Steuermittel betätigte Kohlendioxidquelle (36) umfaßt, um dem Raum erforderliche Mengen an Kohlendioxid zuzuführen.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiter gekennzeichnet durch Reinigungseinrichtungen für die dem Raum gelieferte Luft.

15. Anordnung nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch Alarmmittel, um zu signalisieren, wenn Temperatur, Feuchtigkeit, Pflanzenwurzelnährstoffkonzentration oder Kohlendioxid-Bedingungen im Raum über einen vorbestimmten Bereich hinausgehen und von den jeweils entsprechenden Steuermitteln nicht zuückgeführt werden können.

16. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung konvexe Seiten ausweist, die sich nach oben zu einer Spitze erstrecken, und bei der Reflektormittel (16) außerhalb der Ummantelung vorgesehen sind, um Sonnenstrahlung in den Raum zu reflektieren.

17. Anordnung nach-einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Reflektormittel (16) der Ummantelung benachbart vorgesehen sind, um die durch Reflexion in die Ummantelung eintretende Sonnenstrahlung zu vergrößern.

18. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Temperaturüberwachungmitteln innerhalb des Raumes vorgesehen sind, eine Reihe von Kohlendioxid-Überwachungsmitteln innerhalb des Raumes vorgesehen sind, eine Reihe von Überwachungsmitteln für relative Feuchtigkeit innerhalb des Raumes vorgesehen sind, eine Mehrzahl von Temperatursensoren innerhalb der Anordnung der Ummantelung vorgesehen sind, die Dunsterzeugungsmittel im Raum angeordnet sind, um darin einen Dunst zu erzeugen, ein Kohlendioxid-Zufuhrsystem vorgesehen ist, um dem Bereich Kohlendioxid zuzuführen, und ein Nährstoff-Zufuhrsystem vorgesehen ist, um dem Bereich Nährstofflösung zuzuführen, wobei der Mikroprozessor mit den Überwachungsmittel, den Sensoren, den Dunsterzeugungsmitteln und jedem der Zufuhrsysteme elektronisch verbunden ist, um die Zufuhr von Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid-Zufuhrmittel in den Bereich und die Zufuhr von Nährstofflösung aus den Nährstoff- Zufuhrmitteln in den Bereich in Abhängigkeit von der Temperatur, relativen Feuchtigkeit und Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in dem Bereich zu steuern.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch Mittel zur Rückführung des gesammelten Wassers zum Dunsterzeugungssystem.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine Mehrzahl von auf der Basis ruhenden Rippenelementen (15) und lichtdurchlässiges Gewebe umfaßt, das zwischen den Rippenelementen gespannt wird.

21. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch wenigstens einen Temperatursensor in der Ummantelung zum Erfassen der Temperatur der Ummantelung, wobei die Kühleinrichtungen, auf den Sensor ansprechen, wenn dieser eine vorbestimmte Temperatur erfaßt, um die Ummantelung zu kühlen.

22. Verfahren zum Pflanzenanbau, umfassend Aufziehen von Pflanzen in einem Raum innerhalb einer lichtdurchlässigen, auf einer Basis angebrachten Ummantelung, wobei die Umgebung innerhalb des Raums dicht gegen äußere Umgebungsluftbedingungen abgedichtet ist, Steuern der Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxidbedingungen innerhalb des Raums, um sicherzustellen, daß optimale Bedingungen für Pflanzenwachstum beibehalten werden, Steuern der Pflanzenwurzelnährstoff und Wasser- Bedingungen durch Steuermittel, die Überwachungs- und Steuergeräten für die Temperatur, Feuchtigkeit und Kohlendioxid elektronisch zugeordnet sind, zum optimalen Pflanzenwachstum, und Erzeugen einer Dunstwolke innerhalb des Raums zur Temperatur- und Feuchtigkeits- Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine gespannte Gewebeummantelung ist, daß das Steuermittel ein Mikroprozessor-Steuermittel ist und durch Sprühen eines Wasserfilms durch die Luft auf die äußere Oberfläche der Ummantelung, um die Ummantelung zu kühlen, und Sammeln und Rückführen des Kondensats von der inneren Oberfläche der Ummantelung.