Figuur - Links: vaste windmachine (Bron: Orchardrite), Rechts: mobiele windmachine (Bron: Agrofrost)
Werkingsprincipe
Wanneer de bodem afkoelt tijdens een (relatief windstille) vorstnacht, vormt zich een warme luchtlaag op 2 tot 50 m boven de grond. Dit effect genaamd temperatuurinversie zorgt ervoor dat de vorstschade bovenin de boom bij windstille vorstnachten minder ernstig is dan onderin de boom. Deze temperatuurinversie kan verder worden benut door een windmachine te installeren: deze mengt de luchtlagen, waardoor de luchttemperatuur aan de grond toeneemt en de teelt beter beschermd is. Figuur 1 toont het temperatuurverloop in functie van de hoogte met en zonder gebruik van een windmachine. De sterkte van een inversieverschijnsel wordt doorgaans uitgedrukt als het temperatuurverschil op hoogte 1,5 meter en 15 meter: T15m – T1,5m (hoe groter dit verschil, hoe sterker de inversie).
Figuur 1 - Temperatuurinversie boven het bodemoppervlak tijdens een relatief windstille vorstnacht (volle lijn). De stippenlijn geeft weer hoe een windmachine de warme lucht ‘naar beneden trekt’ (Bron: Fons Verberne - Thomas More Kempen).
Een windmachine is een verhoogd opgestelde ventilator met een licht (8 - 16°) gekantelde schroef met een diameter van 5 tot 6 meter. Deze zuigt warme lucht aan en duwt deze naar beneden. De ‘toren’ met de schroef is +-10m hoog en ook dit geheel draait rond terwijl de schoef roteert. Zo zal de straal met warme lucht (de ‘jet’) overal op het perceel passeren en dit met een interval van 4 tot 5 minuten (Figuur 2) .
Figuur 2 - Werkingsprincipe van een windmachine voor vorstbescherming in de boomgaard.
De sterkte van het inversieverschijnsel varieert van nacht tot nacht en het is afhankelijk van diverse klimatologische factoren. De aanwezigheid van wind wijst doorgaans op een verminderd inversie-effect. Het valt zelfs volledig weg bij winden sterker dan 8 km/h. Indien de temperatuursinversie beperkt is en indien er nachtvorst verwacht wordt (bv. bij windvorst: droge noordelijke lucht in combinatie met een krachtige wind) kan de windmachine gecombineerd worden met extra verwarming:
- Branders op diesel of propaan
- Grote kaarsen (paraffinevaten)
(Figuur 3) Deze verwarming moet in de luchtstroom van de windmachine geplaatst worden op zo’n 10 tot 20 meter afstand van het toestel. De warmte afkomstig van deze mechanismen kan dan nuttig verspreid worden in de boomgaard. Op dit moment is de inzet van branders/kaarsen in combinatie met windmachines nog erg beperkt.
Figuur 3 - Links: grote vuurpot (vat) voor windmachine (Bron: Stopgel), Rechts: brander voor windmachine (Bron: Agrofrost)
Effectiviteit
De temperatuurswinst die gerealiseerd kan worden door een windmachine is afhankelijk van de inversiesterkte. Ruwweg geldt er dat een (vaste) windmachine binnen een oppervlakte van 4 tot 5 hectare rond het toestel zorgt voor een gemiddelde stijging van de luchttemperatuur gelijk aan 0,35 tot 0,5 keer de inversiesterkte (T15m – T1,5m). Buiten deze oppervlakte valt de temperatuurstijging snel weg. Op dit moment zijn geen cijfers beschikbaar voor de inversiesterkte tijdens vorstnachten in Vlaanderen.
De luchtverplaatsing is een belangrijke parameter voor de effectiviteit van de windmachine. Deze bepaalt de snelheid waarmee koude lucht in de boomgaard vervangen kan worden door warmere lucht, de reikwijdte van het toestel (= beschermde oppervlakte) en de hoogte van waar warme lucht wordt aangezogen (hogere luchtlagen zijn binnen de inversie immers warmer). Bij de keuze voor een bepaald toestel is deze parameter, eigen aan het toestel, een belangrijke factor om mee in beschouwing te nemen. De grotere en krachtigere vaste opstelling biedt betere bescherming en beslaat een groter gebied dan de mobiele windmachines met kleinere rotors, omdat deze laatste minder warme lucht kunnen aanzuigen.
Om bij zwakke inversieverschijnselen de effectiviteit van het systeem te verhogen, kunnen er bijkomende branders op het perceel geplaatst worden. Het kan hierbij gaan om 1 grote centrale brander of verschillende kleinere brander-eenheden rond de windmachine. De opstelling van verschillende eenheden geniet de voorkeur met het oog op thermische efficiëntie en totale effectiviteit, omdat de opgewekte warmte gemakkelijker te verdelen is over de totale luchtstroom. Bij de opstelling van één centrale brander, zal er veel meer warmte ongebruikt blijven en verloren gaan.
Naast de inversiesterkte is ook de aanwezigheid van wind een beperkende factor in de effectiviteit van windmachines. Bij sterke wind zal het nut van de windmachine beperkt worden, omdat de wind dan te snel alle warmte afvoert uit het perceel. De aanwezigheid van wind wijst bovendien ook vaak net op de afwezigheid van inversie.
Toepasbaarheid
Windmachines zijn de techniek bij uitstek om toe te passen op grote, aaneengesloten percelen: ze beschermen een grote oppervlakte en dit rechtvaardigt ook de hoge investeringskost. Aangezien de machines ronddraaien en zij zo een cirkelvormige oppervlakte beschermen, is een meer vierkant perceel geschikter dan een equivalent langgerekt perceel. Windmachines werken zowel op vlakke als op hellende boomgaarden.
Mobiele machines zijn eerder geschikt voor lage fruitgewassen (druiven, kleinfruit). Dit komt omdat mobiele machines typisch minder hoog zijn dan de vaste machines. De wiek komt bij toepassing in pit- en steenfruit amper boven de toppen van de bomen uit.
Een belangrijke beperking in de toepasbaarheid van windmachines heeft te maken met geluidsproductie en de nodige vergunningen. De machines produceren een aanzienlijk geluid tijdens hun werking. Dit zorgt ervoor dat de machines niet bruikbaar zijn op percelen in de onmiddellijke omgeving van bebouwing. Het geluidsniveau is model-specifiek en afhankelijk van de motor en het aantal en type wieken. Door de draaing van de toren rond zijn as wordt het geproduceerde geluid waargenomen als ‘pulserend’ door een stilstaande observator.
Vaste windmachines mogen pas geplaatst worden indien men hier een bouwvergunning voor heeft. Voor mobiele windmachines is deze vergunningsplicht er niet, maar het is desalniettemin aangewezen om de gemeente op de hoogte te stellen. Het is mogelijk dat er lokale bepalingen van toepassing zijn.
Windmachines zijn verkrijgbaar met eigen verbrandingsmotor op propaan of diesel of met een aftak-as voor een tractor.
Praktische uitvoering
Bij het inschakelen van de windmachine wordt er geen rekening gehouden met de (verwachte) inversiesterkte, aangezien deze typisch niet gemeten wordt. De machine wordt best iedere nacht waarin verwacht wordt dat de temperatuur zal dalen tot de kritische waarden reeds ingeschakeld bij luchttemperaturen die 3,5 tot 4°C boven de kritische temperatuur liggen. De machine zal beter werken wanneer de luchtlagen op voorhand nog wat in beweging zijn. Dit heeft als gevolg dat een windmachine zeer veel draai-uren presteert in vergelijking met vorstbeschermingmaatregelen tijdens eenzelfde vorstperiode. Dit kan oplopen tot 70u tijdens de vorstperiode van 2020 in Vlaanderen.
Voor de meeste machines kan er een automatische start/stop voorzien worden via een externe temperatuursonde. Dat wil zeggen dat de machine automatisch start en stopt wanneer er een bepaalde criteria voldaan wordt. Op deze manier zal er geen onnodige brandstof verbruikt worden.
Bepaalde modellen van windmachines kunnen uitgerust worden met een elektrische cilinder om de toren zo op te richten en neer te leggen. Er is zo geen grote hijskraan meer nodig voor de montage en is er geen ‘landschapsvervuiling’ wanneer de machines niet in gebruik zijn. Dit kan een doorslaggevende factor zijn bij de aanvraag van een vergunning.
Windmachines zijn verkrijgbaar met eigen verbrandingsmotor op propaan of diesel of met een aftak-as voor een tractor.
Er kan bijkomende verwarming voorzien worden bij afwezigheid van een voldoende sterk inversieverschijnsel tijdens de vorstnacht. Hiervoor zijn er verschillende mogelijkheden:
- Vaste branders rondom de windmachine. Deze toestellen zijn beschikbaar op diesel of propaan. Dit systeem vraagt slechts om een periodieke controle van de brandstofhoeveelheid.
- Grote paraffinevaten rondom de windmachine. Bij gebruik van dergelijke vaten moet de hoeveelheid paraffine gecontroleerd worden tussen de vorstnachten in.
Branders in combinatie met windmachines worden momenteel slechts beperkt toegepast in de EU.
Arbeidsintensiviteit
Het gebruik van een windmachine is weinig arbeidsintensief. Ze moeten simpelweg aan- en uitgeschakeld worden, dit kan manueel of via een automatische start-module, gekoppeld aan een detectiesysteem (zie praktische uitvoering en weersopvolging).
Mobiele windmachines moeten bij een aankomende vorstperiode nog opgesteld worden in het perceel.
Wanneer er geen inversieverschijnselen optreden tijdens de vorstnacht, moeten er nog bijkomende brander-eenheden geplaatst en ingeschakeld worden.
Kosten
Ondanks het relatief hoge aantal draai-uren van een windmachine tijdens een vorstperiode, zorgt de grote beschermde oppervlakte er voor dat de kosten voor energieverbruik en arbeid laag liggen per beschermde hectare. De techniek vraagt echter om grote investeringen bij de aankoop ervan (zie kostentabel bovenaan deze pagina).
Milieu-impact
Geluidsoverlast kan een belangrijk probleem zijn bij de inzet van windmachines. Naast de verplichte bouwvergunning (voor vaste toestellen) kan men best ook communiceren met de lokale overheid en omwonenden, vooraleer men overgaat tot de plaatsing van dergelijke toestellen.
Verbrandingsprocessen gaan gepaard met een uitstoot van fijn stof, CO2 en andere schadelijke broeikasgassen. Dit kan rook- en geurhinder veroorzaken voor de onmiddelijke omgeving. Omdat deze systemen meestal werken op propaangas en omdat het verbruik relatief laag ligt, is ook de impact relatief beperkt. De verbranding van propaangas wordt doorgaans aanzien als ‘properder’ dan andere verbrandingsprocessen. Bij gebruik van bijkomende verwarming via branders of paraffinevaten zal de impact veel hoger liggen. De gebruikte hoeveelheid brandstof voor deze systemen zal een veelvoud zijn van de hoeveelheid brandstof nodig voor de aandrijving van de windmachine zelf.
Voor- en nadelen
Voordelen:
- Grote temperatuurwinst mogelijk.
- Weinig arbeidsintensief.
- Laag energieverbruik.
- Lage onderhoudskosten.
Nadelen:
- Beperkt in toepasbaarheid bij gefragmenteerde percelen.
- Bouwvergunning voor vaste windmachines.
- Werking afhankelijk van de aanwezigheid van een inversielaag.
- Beperkte effectiviteit bij sterke wind.
- Hoge investeringskost.
Meer informatie
Algemene verhandeling verbranding in de fruitteelt (Engelstalig)
Niet besproken technieken:
- De inzet een helikopter: dit idee berust op hetzelfde principe als dat van een windmachine. De helikopter vliegt in de inversielaag en duwt zo de warmere lucht naar de boomgaard. Deze techniek mag enkel opgestart worden na 5 u ‘s morgens en men heeft er in Vlaanderen een vliegvergunning voor nodig. Bovendien heeft deze techniek een hoge gebruikskost en veroorzaakt deze zowel uitstoot als geluidsoverlast.
- Cold air drain (horizontale windmachine): een horizontale propeller die de koude lucht omhoog en uit het perceel blaast, waardoor de afgevoerde koude lucht wordt vervangen door warmere lucht uit de bovenliggende luchtlagen. Dit wordt gepresenteerd als een goedkoop en stil alternatief voor windmachines, maar de werking ervan is nog onvoldoende aangetoond.