Frost protection with over-head irrigation

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ByNaanDanJain – Kobi Shilo 

Damage to crops in winter or early spring due to frost conditions has always been a major concern for growers

In most cases,frost damage can be prevented by sprinkling the crops with water during the frost period

Researches carried out by authorities such as the New Zealand Agricultural Engineering Institutethe U.S. department of Commerce and the 

Volcany Institute in Israel have shown that overhead irrigation systems are one of the most efficient ways to prevent frost damage to sensitive crops. 

Principles of overhead irrigation protection 

The principle of this method is based on 3 factors: 

  • When the water freezesits latent heat is releasedThis latent heat keeps the temperature of the plant from dropping below freezing point 
  • mixture of ice and water exposed to below freezing point remains at 0º C until all the water is frozen. 
  • Most plants do not suffer frost damage until the temperature drops slightly below 0º C, because the freezing point of the plant tissue liquid is below that of water 

This method of protection is continueduntil the temperature of the surrounding air has risen above 0º C and all ice formations on the plants have melted. 

Key considerations 

Successful protection of crops from frost damage using sprinklers depends on three crucial factors: 

Sprinkler rotation speed 

Research has shown that a more consistent plant temperature is maintained with a faster rotating sprinklerTo be considered fast enough, a sprinkler should complete one full revolution in less than 60 secondsThirty to forty seconds is ideal. 

Water application rate 

The water volume in relation to area application rate has been found to be one of the most important considerations when designing for frost protection

The application rate is calculated after considering factors such as air temperaturewind speed and humidity levels. (See Table for minimum precipitation rates). 

Winds affect evaporation levels as well as application uniformityWind conditions result in the need for a higher water application rate

to provide the same degree of protection provided when there is no wind. 


Effective frost protection also depends on how uniformly the sprinkler distributes the water

Extreme care should be exercised in evaluating sprinkler spacingoperating pressures and wind conditionsThe choice of sprinkler should be made carefully

An accepted standard would be where the sprinkler produces a CU equal to or higher than 84% with its DU being equal to or higher than 75%. 

For targeted frost protection such as the NaanDanJain Flipper conceptthe guideline is not the CU, but full coverage with a defined minimum precipitation rate. 

Suggeted Minimum Application Rates 
Deciduod Fruit Trees  

temp. Cº 

-3.3 to-3.9 

-4.4 to -5.0 

-5.3 to -5.8 

-5.8 to -6.7 

-6.9 to -7.8 

Application rate 






Additional considerations 

Weight of ice: long periods of frostand sprinkler protection against itmay result in significant amounts of ice being formed on the plant

The initiation of the set temperature should be generally 2 C (above zero), so that the water will not freeze in the pipes. 

Targeted frost protection: the idea of targeted frost protection is to minimize the protected area exactly to the plant canopyThis achieves the use of very low-flow and –pressure systemsreducing costs and saving water. 

Product selection  
233BMetal sprinkler for full frost protection 
Flipper: targeted for frost-protection targeted mini-sprinklerthis is a unique and most advanced concept for narrow-hedge cultivated crops – vineyardsapples and pearsblueberriesetc. 

sensitive crop may be destroyed by frost in a single nightUse of irrigation systems for protection against frost damage has proved to be effective and efficient

Correct design of the systems ishowevercritical and specialized advice should be sought by growers before installation. 


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