دمای گلخانه به تعادل انرژی وابسته است. به منظور اجتناب از دماهای پایین، تلفات حرارتی باید کاهش یابد و حرارت لازم فراهم شود، باید مدنظر داشت که در اثر تغییر یکی از اجزای تعادل انرژی، سایر اجزایی که نباید تغییر یابند نیز ممکن است دچار تغییر شوند. هنگامی که تأمین انرژی به صورت طبیعی (برای افزایش دما) کافی نیست، دمای لازم باید به صورت مصنوعی تامین شود.
کاهش تلفات حرارتی
کاهش تلفات حرارتی باید هنگام ساخت گلخانه مدنظر قرار گیرد. کاهش تلفات حرارت، به طور عمده، با کاهش سطوح تبادل حرارتی و تلفات گرما در واحد سطح، با استفاده از عایق بندی و بادشکن، می تواند مدیریت شود.
کاهش تبادل گرمایشی سطوح
کاهش میزان تلفات گرمایشی در گلخانه به واسطه محدود کردن سطوح تبادل حرارتی با خارج از گلخانه، و ساخت گلخانه های جمع و جور به دست می آید، به طوری که نسبت دیواره های جانبی به حداقل کاهش یابد (مساحت دیواره جانبی نسبت به سطح پوشیده شده گلخانه).
گلخانه های با سقف با شیب زیاد دارای سطح سقف بیشتری نسبت به آنهایی هستند که دارای شیب کم هستند، که به نوبه خود باعث ایجاد سطح تبادل حرارتی بزرگتر می شود، که در نتیجه، تلفات بیشتر حرارت از طریق پوشش سقف می گردد . به طور مشابه، مواد پوشش دهنده چین دار (به عنوان مثال، پانل های پلی استر سخت) سطح تبادل را نسبت به مواد پوششی که مسطح هستند افزایش می دهند.
کاهش تلفات حرارتی در واحد سطح
علاوه بر محدود کردن سطوح تبادل انرژی، تلفات انرژی در واحد این سطوح نیز باید کاهش یابد. تلفات تابشی می تواند با استفاده از مواد پوششی مناسب (انتقال کم اشعه مادون قرمز، مانند پلی اتیلن حرارتی) محدود شود. علاوه بر این، با استفاده از صفحات حرارتی که در طول شب مستقر می شود، می توان از تلفات تابشی جلوگیری کرد. در مواردی که سیستم گرمایشی در گلخانه وجود دارد، مدیریت رژیم دمایی از طریق کاهش درجه حرارت پوشش می تواند تلفات تابشی را کاهش دهد (زیرا این تلفات با افزایش دمای پوشش افزایش می یابد).
تلفات جابجایی و رسانایی دما با استفاده از کاهش اثرات باد بیرون گلخانه به عنوان مثال حفاظت توسط بادشکن و تعیین مناسب موقعیت و جهت گلخانه کاهش می یابد.
کاهش “پل های حرارتی” (نقاطی که گرما از طریق آنها از طریق رسانا به وسیله اجزایی که هادی خوبی برای گرما هستند به خارج از گلخانه منتقل می شود) نیز باعث کاهش تلفات حرارت از عناصر سازه گلخانه به خارج می شود، اما بالاتر از همه، کارآمدترین ابزار، استفاده از پوشش دولایه و صفحات حرارتی است. تلفات ناشی از تجدید هوا نوع دیگری از تلفات حرارتی محسوب می شود. این تلفات می توانند با استفاده از عایق بندی مناسب دیواره ها و تهویه ها، برای بهبود عایق بندی گلخانه و کاهش تأثیر باد بیرون محدود شوند. هنگامی که یک گلخانه بسته شده است، این امکان وجود ندارد که کاملا عایق بندی انجام شود، زیرا امکان نفوذ هوا از طریق سوراخها و شکاف ها وجود دارد. مقدار نفوذ بستگی به نوع گلخانه و باد بیرون دارد. تلفات حرارتی شبانه به علت نشت در یک گلخانه کم هزینه در المريا، 10 درصد از کل تلفات در شرایط عدم وزش باد و بیش از ۳۰ درصد از کل تلفات در شرایط وزش باد با سرعت ۴ متر بر ثانیه بوده است.
تلفات حرارتی کل
تلفات حرارتی بستگی به اختلاف دمای بین داخل و بیرون گلخانه دارد. تلفات تابشی در گلخانه های بدون سیستم گرمایشی غالب است. تلفات هدایت و رسانایی گرما در گلخانه های دارای سیستم گرمایشی نسبتا زیاد است. با هدف تلفيق مجموعه تلفات از طریق دیواره ها، هدایت و رسانایی گرما، و تابش، ضریب انتقال حرارت جهانی (K) مورد استفاده قرار گرفته است که تحت شرایط استاندارد دما، باد و ابری بودن مورد بررسی قرار می گیرد. مقدار تبادل حرارتی بین گلخانه و فضای خارج گلخانه (Q، به استثنای حرارت از دست رفته توسط گردش هوا، به علت
نشت شبانه) توضیح داده شده است. بعضی از پژوهشگران مقدارQ را در شرایط وزش بادهای قوی افزایش میدهند، در حالی که سایرین معتقدند که مقادیر و گزارش شده در اینجا کافی و یا حتی زیاد است.
وسایل عایق بندی
محاسبات اصلی برای کاهش تلفات حرارتی عبارتند از: 1-دولایه کردن دیواره های خارجی-2-استفاده از صفحات حرارتی قابل حمل( بویژه در گلخانه های دارای سیستم گرمایشی) و 3-استفاده از پوشش های دولایه دایمی که ممکن است بصورت متورم شونده( هنگامی که از فیلم های انعطاف پذیر استفاده می شود) یا سلولی، در مورد پانل های سخت، باشد. سایر محاسبات عبارتند از: ۱) استفاده از بادشکن ۲) عایق بندی ویژه (به عنوان مثال دیواره شمالی، در نیمکره شمالی) و ۳) ایجاد حفاظت دولایه به عنوان یک معیار موقت.
پوشش های دولایه متورم شونده
پوشش دولایه متورم شونده می تواند تا حدود ۳۰ درصد باعث کاهش مصرف انرژی درگلخانه های دارای سیستم گرمایشی شود. ایجاد یک محفظه هوا به ضخامت چند سانتی متر بین دو لایه پلاستیکی، ویژگی های عایق بندی پوشش را بهبود می بخشد، و ضریب انتقال حرارت جهانی را کاهش می دهد. مشکل آن کاهش میزان نور است. این کاهش به ویژگیها و قابلیت انتقال فیلم پلاستیکی مورد استفاده بستگی دارد. پیاده سازی آن نیاز به استفاده از سیستمهای ثابت کننده مخصوص دارد و بنابراین، سیستم تهویه باید سازگار باشد. برای حفظ فشار تورم، توربین های کم قدرت (۲۵۰ وات برای ۱۰۰۰ مترمربع) برای حفظ فشار بیش از ۴۰ تا60 پاسکال مورد استفاده قرار می گیرند. باید مراقب تراکم آب در محفظه هوا بود، زیرا که ممکن است انتقال نور را حتی بیشتر محدود کند، بنابراین، توصیه میشود که هوا از خارج وارد محفظه شود. باید مشخص شود که کاهش انتقال نور در گلخانه های با پوشش پلاستیکی دولایه ممکن است ضرورتأ یک جنبه منفی نباشد. به عنوان مثال، ممکن است در فصل زمستان به دلیل مقدار کم نور محیط حتی اگر تمام نور توسط پوشش گلخانه منتقل شود رشد گیاه ممکن باشد. در این مورد، ممکن است گلخانه های با پوشش شیشه ای با ۵ تا ۱۰ درصد نور بالقوه اضافی در مقایسه با گلخانه های پلاستیکی با پوشش دولایه، از مزایای عملی کمی برخوردار باشند. با این حال، میزان نور کاسته شده در دسترس و ماهیت پراکندگی نور انتقال یافته در یک گلخانه پلاستیکی دو لایه در ماه های تابستان سبب ایجاد محیطی مناسب تر و خنک تر برای گیاهان به ویژه برای محصولات حساس مانند خیار)، با مزایای قابل توجه برای تولید کنندگانی که علاقه مند به تولید محصولاتی با دوره رشد طولانی مدت هستند، می شود.
صفحات حرارتی متحرک
عملکرد صفحات حرارتی متحرک سه برابر است: ۱) حجم قسمتی که قرار است گرم شود را محدود می کنند ۲) تلفات تابشی از تاج پوشش گیاه و محیط اطراف آن را کاهش میدهند و ۳) تلفات انرژی ناشی از طریق نشت و جریان همرفت را کاهش می دهند، به طوری که، به درستی نصب شده و قابل نفوذ نباشند و به خوبی عایق بندی شده باشند.
صفحات حرارتی در شب، زمستان و در مناطق سرد مورد استفاده قرار می گیرند. صرفه جویی انرژی با استفاده از آنها از پنج درصد در هوای آرام و آسمان پر از ابر، تا ۶۰ درصد در شرایط باد قوی و آسمان صاف می باشد. مشکل اصلی آنها، اگر نفوذپذیر نباشند، افزایش رطوبت هوا است. صفحات حرارتی می توانند از پارچه کتانی یا مواد مشابه ساخته شده که ممکن است بافته شده باشند، یا از فیلمهای پلاستیکی و نوارهای آلومینیومی برای بهبود راندمان آنها
استفاده شده باشد. نوارها پراکندگی تابشی کمی دارند، بسیار بازتابنده هستند و تابش را از خود انتقال نمی دهند. اگر فقط در شب استفاده می شوند، لازم نیست که قادر به عبوردادن تابش خورشید باشند. صفحات کتانی دارای ویژگی های ظاهری بسیار متغیر هستند. فیلم های پلاستیکی نسبت به هوا بسیار عایق هستند. نصب مناسب این صفحات برای دستیابی به حداکثر کارایی از اهمیت اساسی برخوردار است. آنها باید طوری نصب شوند که سایه اندازی به حداقل برسد، چرا که نور را حداقل چهار درصد محدود میکنند. مدیریت صفحات حرارتی به صورت گستردن آنها در غروب وجمع کردن آنها در سپیده دم است. تاشوندگی باید تدریجی باشد تا از ریزش ناگهانی توده هوای سرد (انباشته شده در بالای صفحه) بر روی گیاهان اجتناب شود. اگر موجب کاهش نور شوند به دلیل جمع کردن دیر هنگام با گستردن زود هنگام)، فتوسنتز را محدود می کنند که اثر منفی بر عملکرد خواهد داشت. گسترش و جمع کردن آنها می تواند به صورت خودکار انجام گیرد، به طوری که در یک زمان از قبل تعیین شده یا زمانی که تابش به یک آستانه خاص می رسد، انجام شود.
دیواره های خارجی دولایه
عایق بندی دیواره های خارجی در اطراف محیط گلخانه یک اقدام موثر برای محدود کردن تلفات حرارتی است. عملکرد حرارتی آنها مشابه دیوارهای متورم شونده است. این روش ساده و ارزان است و باعث کاهش نور نمی شود. رایج ترین مواد مورد استفاده پوشش پلاستیکی با محفظه های هوا است.
بادشکن
بادشکن ها فشار باد و خطر آسیب به گلخانه را کاهش می دهند. علاوه بر این، تلفات گرما از طريق نشت هوا و انتقال همرفتی حرارت را محدود می کنند. بادشکن باید بلندتر از گلخانه باشد و طبیعت نیمه نفوذپذیر داشته باشد. بادشکن های غیرقابل نفوذ باعث ایجاد آشفتگی هوا شده و فاصله حفاظت شده را کمتر می کنند. فاصله حفاظت شده با بادشکن های نیمه نفوذپذیر از ۱۵ تا ۲۰ برابر ارتفاع آنها می باشد. جهت گیری بادشکن باید عمود بر بادهای غالب باشد و فاصله تا گلخانه برای جلوگیری از سایه اندازی باید از دو تا سه برابر ارتفاع آن در سمت های شرقی، غربی و جنوبی (در نیمکره شمالی) باشد. در سمت شمال، قرار دادن آنها در فاصله ۲ یا ۳ متری (نیمکره شمالی) کافی است.
سایر وسایل عایق بندی
در مناطق سرد در چین، دیواره بیرونی شمالی گلخانه ها (در نیمکره شمالی برای کاهش تلفات حرارتی عایق بندی می شود. در چین استفاده از نوعی حصیر نیز معمول است که در شب به منظور کاهش تلفات گرما روی پوشش گلخانه ها کشیده می شود و در طول روز کنار زده میشوندکه نیازمند مقدار قابل توجهی نیروی کارگری است. از دیگر روش های عایق بندی غیر معمول، می توان به گلخانه های با دیواره دولایه اشاره کرد، که فضای بین آنها در
شب با مواد عایق کننده جامد پر میشود و در طول روز حذف می شود. این مدل از دیدگاه عایق بندی بسیار کارآمد است، اما به دلیل هزینه آن به هیچ وجه مورد استفاده قرار نگرفته است. به همین ترتیب، تکنولوژی جدیدی به تازگی در کانادا توسعه یافته و آزمایش شده است که در آن حفره داخل دو لایه از دیواره متورم شونده گلخانه با فوم پر شده است.
این روش موجب صرفه جویی در انرژی گرمایی در زمستان و سایه اندازی خنک کنندگی در ماههای تابستان شده است. حفاظت دوگانه موقت یک روش معمول درگلخانه های اسپانیایی است. استفاده از تونل های کوچک و یا پوشش های شناور در داخل گلخانه در مراحل اولیه نمو محصولاتی مانند خربزه و هندوانه باعث میشود که دما و رطوبت نسبی بالاتر به دست آید. از تماس بین گیاهان و پلاستیک برای جلوگیری از سوختگی گیاه به علت دمای بالای پلاستیک باید اجتناب شود. هنگام طراحی گلخانه، قرار دادن راهرو اصلی حمل و نقل در مجاورت دیوار شمالی (سردتر) گلخانه می تواند منجر به استفاده بهتر از انرژی شود. درهای دولایه و یا وسایل مشابه، از نقطه نظر
عایق حرارتی و همچنین، محدود کردن ورود حشرات، بسیار مهم هستند. محدود کردن “پلهای حرارتی” در سازه های گلخانه ای، با استفاده از عایق مناسب، یک اقدام معمول در مناطق سرد است. پارتیشن بندی گلخانه با استفاده از پارتیشن های داخلی، که ممکن است ثابت و یا قابل حمل باشند، امکان ایجاد مناطقی با خرداقلیمهای مستقل را فراهم می کند. پارتیشن ها می توانند گیاهان یا ارقام مختلف با نیازهای اقلیمی متفاوت را جدا سازند. بدیهی است برای جلوگیری از کاهش نور، پارتیشن باید شفاف باشد. توانایی کنترل میکرواقلیم هر محفظه مستقل در گلخانه باید از قبل برنامه ریزی شده باشد.
گرمایش
ورودی های گرما برای بالا بردن دمای گلخانه بسته به اهداف تولید کننده می تواند به بخش هوایی گیاه یا ریشه ها و یا هر دو اعمال شود. در گرمایش بخشهای هوایی، گرما از طریق همرفت یا تابش انتقال می یابد، در حالی که، در گرمایش خاک یا بستر کاشت، گرما از طریق هدایت منتقل میشود. آنچه واقعا مهم است، درجه حرارت گیاهان و نه هوای اطراف گیاه است. دمای سطح گیاه از مبادلات حرارتی، همانند همرفتی هوا و تابش از تمام سطوح اطراف، حاصل می شود که تبادل دماهای نهفته از طریق تعرق باید عمدتا در طول روز صورت گیرد و گاهی اوقات از طریق تراکم بخارآب به شکل قطرات آب بر روی برگ صورت میگیرد.
گرمایش همرفتی
سه سیستم معمول گرمایش هوا عبارتند از:1-فن کوئل -2-مولد هوای گرم-3-پمپ های گرما ( آب/هوا یا هوا/هوا ). فن کوئل ها حرارت را از یک سطح گرم به هوا منتقل می کنند. فن کوئل های آبی رایج ترین نوع آنها هستند. آب داغی که در لوله های فلزی گردش می کند گرما را از طریق همرفتی با هوای اطراف مبادله می کند. سطح تماس با پره ها افزایش می یابد و فن باعث بهبود مبادلات می شود. فن کوئل های الکتریکی به علت مصرف برق پرهزینه هستند. ژنراتورهای هوای داغ سوخت (معمولا گاز مصرف می کنند که هوایی که د داخل گلخانه مجبور به گردش است را گرم می کنند. آنها می توانند به صورت احتراق مستقیم یا غیر مستقیم باشند. در آنهایی که از احتراق مستقیم
استفاده کنند، تولیدات احتراق به گلخانه منتقل می شوند، بنابراین، سوخت باید پاک و دارای کمتر از 03/0 درصد سولفور باشد. از آنجایی که ممکن است گازهای دیگری مانند اتیلن نیز تولید کنند، سیستم های مستقیم به طور معمول فقط در مواقع ضروری در دمای بسیار پایین (کوتاه مدت ) و به عنوان یک سیستم حمایتی استفاده می شود.
ژنراتورهای هوای گرم با سیستم احتراق غیرمستقیم، گازهای ناشی از احتراق را دفع می کنند. توزيع حرارتی، به ویژه اگر هوای گرم از طریق لوله های پلاستیکی منفذدار و انعطاف پذیر منتقل شود (برای جلوگیری از سایه اندازی در روی سطح زمین قرار می گیرند)، بهبود می یابد. توصیه میشود لوله ها طوری طراحی شوند که جریان از یک سوم تا یک چهارم حجم گلخانه در دقیقه، با سرعت هوای ۵ تا ۶ متر بر ثانیه در ابتدای لوله فراهم شود. کل قسمت منفذدار در لوله باید در مجموع از ۱۵۰ تا ۲۰۰ درصد مقطع لوله باشد. طول لوله نباید بیش از ۵۰ متر باشد. ترجیح بر این است که به ۳۰ متر محدود شود. دمای گیاه معمولا کمتر از دمای هوا است، که موجب تراکم و تجمع آب در سطوح گیاه می شود، و از آنجایی که حرارت از طریق تابش تأمین نمی شود، خاک در فصل سرد گرم نمیشود. پمپ های حرارتی، گرما را از منبع سرد و گرم (آب یا هوای بیرون) جذب می کنند و آن را به درون گلخانه میدمند، که خیلی معمول نیستند. سیستم های گرمایی همرفتی کارآمد نیستند. علاوه بر این، هوای گرم وزن کمتری از هوای سرد دارد و تمایل دارد که به سمت بالا حرکت کند و از گیاهان دور شود. ممکن است اختلاف دما بین پایین و بالای گیاهان دو تا سه درجه سانتی گراد باشد. مزیت آنها این است که سیستم های همرفتی به آسانی نصب شده و به سرعت پاسخ می دهند، اما اینرسی حرارتی کمی دارند. استفاده از آنها در گلخانه های کم هزینه، به عنوان یک مکانیزم حفاظتی در برابر دمای بسیار پایین رایج است. در این حالت، دمای تنظیم شده معمولا در حدود ۵ تا ۷ درجه سانتی گراد حفظ می شود تا سیستم در شرایط بسیار سرد راه اندازی شود.
گرمایش همرفتی تابشی
۱- آب گرم
در سیستم های گرمایشی تابشی کلاسیک با استفاده از آب گرم در دمای بالا، عنصر گرمایشی یک لوله یا سطح تابشی است که گرما را از طریق تابش و همرفتی با هوا منتقل می کند. انتقال حرارت از طریق هدایت تنها در داخل لوله اتفاق می افتد. دمای سطح گیاه بالاتر از هوا است که باعث محدود شدن تراکم آب در سطح گیاهان و تأثیر آن در توسعه بیماریها میشود. این سیستمها گران تر از سیستم های همرفتی هستند، اما کارایی بیشتری دارند و دارای اینرسی گرمایی بیشتری هستند.
این سیستم ها نیز به عنوان تجهیزات گرمایشی به نام “ترموسایفون” (به عنوان یک روش تبادل حرارتی غیر فعال بر پایه ی گرمایش طبیعی که سیال بدون نیاز به پمپ مکانیکی جریان می یابد) شناخته می شود؛ زیرا آب در اصل به طور طبیعی گردش می کند (توسط آب گرم در موقعیت بالا در مدار و بازگشت به آب سرد در موقعیت پایین). امروزه، همه سیستم ها با استفاده از پمپ عمل می کنند که باعث گردش آب می شود. این کار باعث بهبود کارایی آنها می شود و اجازه استفاده از لوله های با قطر کوچک تر نسبت به سیستم های گردش طبیعی را می دهد. در سیستم های متداول آب در دمای بالا (۵۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد)، در حدود 3/0 تا یک متر بالاتر از سطح زمین جریان می یابد. راندمان حرارتی آنها به دلیل این که ۵۰ درصد از گرمایش را توسط تابش به سمت پوشش از دست می دهند مناسب نیست. این سیستم باید در ارتباط با صفحات حرارتی که این تلفات را محدود می کنند استفاده شوند. لوله های متداول مورد استفاده در مقطع عرضی دایره ای هستند، هرچند انواع دیگر نیز وجود دارند، و ممکن است توسط زنجیرهایی از قسمت بالای گیاه معلق شوند، به طوری که، می توان آنها را به صورت عمودی همزمان با رشد محصول جابجا کرد. این لوله ها معمولا از فولاد ساخته شده اند، اما از آلومینیوم یا حتی پلاستیک نیز ممکن است ساخته شوند. امروزه استفاده از لوله های گرمایشی به صورت جفتی متداول است، که به عنوان ریل برای انتقال چرخ دستیها و امکانات مکانیکی استفاده میشوند. برای جلوگیری از تراکم و تجمع آب بر روی گیاه، گاهی اوقات
لوله های اضافی در تاج پوشش گیاه نصب می شود و در دمای پایین مدیریت می شود. در اروپا استفاده از بخار آب به عنوان مایع برای توزیع حرارت (هنوز هم در هوای بسیار سرد استفاده می شود) به طور گسترده مورد پذیرش قرار نگرفته است و توسط سیستم های گرمایشی آب گرم (در تجهیزات کم موجود) جایگزین شده است.
گرمایش با آب در دمای پایین یک مورد ویژه است (به عنوان مثال استفاده از انرژی زمین گرمایی). این آب در دمای ۴۰ تا ۵۰ درجه سانتی گراد استفاده میشود. این یک سیستم گرمایش موضعی مبتنی بر لوله های متحرک یا ثابت است که با صفحات بازتابنده (مالچ تابشی) ترکیب شده است. این سیستم به عنوان یک گرمایش پایه، یا همراه با یک سیستم گرمایش خاک یا بستر، یا به عنوان یک سیستم گرمایش حمایتی مورد استفاده قرار می گیرد. سیستم گرمایشی با دمای پایین، که با استفاده از مواد پلاستیکی در مناطق با زمستان ملایم استفاده میشوند، یک سرمایه گذاری کم هزینه با نصب و مدیریت آسان است. این سیستم در مقایسه با سیستم های سنتی و متداول تا ۳۰ درصد صرفه جویی انرژی به همراه دارد. معایب اصلی آن این است که پاسخ آن کند است و قدرت آن به دلیل دمای پایین آب کم است. نصب آن ممکن است نیاز به مقدار زیادی لوله داشته که ممکن است محدودیت داشته باشد. در حقیقت، برای حفظ دمای هوای ۲۰ درجه سانتی گراد، اگر آب با دمای40 درجه سانتی گراد جریان داشته باشد، نسبت به زمانی که آب با دمای ۸۰ درجه سانتی گراد جریان داشته باشد، به چهار برابر لوله بیشتر نیاز است تا گرمای مشابه تأمین شود.
در مناطق سرد توصیه شده است که این سیستم همراه با صفحات حرارتی و با یک سیستم گرمایش مکمل (هوای داغ) که پاسخ سریع دارد استفاده شود.
انتقال حرارت از لوله های گرمایشی به نوع لوله مورد استفاده (مواد و ویژگی هایی مانند قطر، با یا بدون پره و غیره) و تفاوت دمای بین لوله و هوای گلخانه بستگی دارد.جدول بعد برخی از داده ها در این رابطه را نشان می دهد.گاهی اوقات، سیستم های حرارتی آبی با دمای پایین علاوه برگرم کردن بخش هوایی گیاه، که از طریق تابش و هدایت حرارت موجب گرم شدن هوا می شود برای گرم کردن ریشه ها نیز مورد استفاده قرار می گیرند، لوله ها ممکن است از پلی اتیلن یا پلی پروپیلن چین دار ساخته شده باشند. دمای آب توسط مخلوط کردن آب گرم (از دیگ بخار) با آب سرد (آب برگشتی) با استفاده از شیر سه طرفه تنظیم می شود. سیستم های گرمایشی آب با دمای پایین قادر به حفظ مقادیر بالاتری از دمای خاک یا بستر کاشت، در صورت یکسان بودن با دمای هوای گلخانه، نسبت به سیستم های هوای گرم (به علت موقعیت آنها در نزدیکی خاک) هستند. این ممکن است مربوط به اینرسی گرمایشی بالاتر سیستم های گرمایشی آب گرم باشد که مستلزم مصرف کمی انرژی بیشتر است. زمان پاسخ دمایی در یک سیستم آب گرم کارآمد به ترتیب ۴۰ تا ۶۰ دقیقه است، در حالی که در سیستم هوای گرم تا ۱۰ دقیقه کاهش می یابد.
اشعه مادون قرمز
در این سیستمها، لوله هایی که تا دماهای بالا (۲۵۰ تا ۳۷۵ درجه سانتی گراد) گرم می شوند، اشعه مادون قرمز را که موجب گرمایش گیاهان میشود، منتشر می کنند. منبع انرژی به دلایل اقتصادی، معمولا پروپان یا گاز طبیعی است، زیرا برق بسیار پر هزینه است. این سیستم دارای اینرسی حرارتی کم است و یکنواخت نیست، زیرا برگهایی که تابش را دریافت می کنند بسیار گرم تر از برگ هایی که در سایه قرار گرفته اند و در معرض تابش قرار ندارند
خواهند شد، بنابراین، آب روی این برگها متراکم می شود. امروزه این سیستمها به ندرت در گلخانه ها مورد استفاده قرار می گیرند.
گرمایش خاک یا بستر کاشت
گرمایش ریشه ها با استفاده از شیلنگ یا لوله های قرار گرفته در خاک، یا ورقه های بتنی در تماس با بستر کاشت گیاه صورت می گیرد و گرما توسط هدایت منتقل میشود. این سیستم ها نیاز به یک خاک رسانا دارند که نیازمند این است که خاک خیس شود. عایق بندی را می توان در عمق مشخصی برای کاهش تلفات اعمال کرد. دمای آب نباید بیش از ۴۵ تا ۵۰ درجه سانتی گراد باشد تا از خشک شدن ریشه ها و خاک جلوگیری شود. زیرا خاک خشک برای انتقال گرما مناسب نیست. معمولا لوله های پلی پروپیلن با قطر ۲۰ میلی متر با فاصله ۳۰ تا ۴۰ سانتی متر از یکدیگر و طول حداکثر ۱۲۰ متر که سرعت حرکت آب در آنها برابر با 6/0تا 9/0 میلی متر بر ثانیه بوده و تا ۵۰ وات بر مترمربع حرارت تولید کنند، استفاده میشود. پدهای گرمایشی در خزانه ها استفاده میشوند. این سیستمها از پدهایی با یک سیستم گردش آب یا سیستم گرمایش الکتریکی تشکیل شده اند. آبیاری باید دقیق انجام شود، زیرا پدها به سرعت خشک می شوند، بنابراین، نصب آب پاش یا مه پاش ضروری به نظر می رسد. در سیستمهای کاشت بدون خاک، اغلب با قراردادن لوله های سیستم گرمایشی متداول در نزدیکی بستر، ریشه ها را گرم می کنند. گاهی اوقات لوله در داخل یا زیر بستر کاشت (با عایق زیر) قرار می گیرد. میزهای کاشت می توانند توسط لوله های
حرارتی یا عناصر گرمایش یکپارچه گرم شوند. این سیستمها در خزانه ها و برای کشت گیاهان زینتی استفاده می شود.
تولید حرارت
۱- منابع انرژی
هنگام انتخاب نوع انرژی برای گرمایش، اطلاع از ویژگیهای فنی سوخت، مانند حالت جامد، مایع یا گاز) در شرایط معمول دما و فشار (یک جنبه ضروری برای استفاده از آن)، قدرت گرمادهی و میزان ناخالصی های آن، به طور عمده گوگرد، ضروری میباشد. ذغال سنگ با وجود این که ارزان است، اما بسیار آلاینده است. ذغال سنگ معمولا حاوی گوگرد است و گازهای آن خورنده هستند. دیگ های ذغال سنگ پیچیده تر و گران تر هستند. ضایعات چوب و گیاهی بسیار حجیم هستند و حمل و نقل و ذخیره آن بسیار پرهزینه است. این مواد نیز کاملا آلاینده هستند.
سوخت دیزل گران است. نفت سیاه ارزان تر است و کارایی پایین تری دارد. گاز طبیعی سوختی است که از تصفیه ذخایر متان حاصل میشود. مشکل گاز طبیعی قیمت بالای آن است، اما مزایای آن عبارتند از این که: ۱) حاوی گوگرد نیست ۲) آلودگی بسیار کمی دارد ۳) استفاده از آن راحت و آسان است و ۴) دی اکسید کربن حاصل از احتراق آن می تواند بازیافت شود.
گازهای طبیعی مایع، بوتان و پروپان نیز مورد استفاده قرار می گیرند. این گازها دارای مزایای مشابه با گاز طبیعی هستند. دیگ های گازی میتوانند از گاز طبیعی یا گاز مایع طبیعی استفاده کنند. امروزه بازیافت دی اکسیدکربن حاصل از احتراق گازها در این دیگ ها برای تغلیظ کربن در حال گسترش است.
۲- دیگ های بخار
دیگ های بخار از: ۱) یک محفظه احتراق با کوره (اگر سوخت جامد استفاده شود) یا یک مشعل (در صورت استفاده از سوخت مایع یا پودر و یا گاز) ۲) یک مبدل حرارتی، جایی که گازهای احتراقی در دمای بالا حرارت خود را به مایع مدار گرمایش (که می تواند آب باشد) از طریق دیواره های هدایت کننده که مایع و هوا را جدا می کنند، انتقال می دهند 3) یک دودکش برای تخلیه کارآمد دود، به طور غیرفعال با یک جریان مناسب یا به طور فعال با فن و ۴) وسایل ایمنی و تجهیزات اتوماتیک مورد نیاز برای کار آنها، تشکیل می شود. طبیعی است که بخار
آب برای کاهش تلفات حرارتی (به صورت حرارت پنهان بخار آب) و بهبود عملکرد دیگ بخار از دود جداسازی شود. احتراق باید در حضور هوای بیشتر برای دستیابی به احتراق کامل و بهینه سازی عملکرد دیگ بخار انجام شود.
۳- توزيع حرارت
این سیستم ها در ابتدا به علت گردش آب گرم به صورت خود به خودی “ترموسایفون” تصور می شدند. اختلاف وزن و یا فشار به علت اختلاف دمای آب باعث گردش آب می شود. بنابراین، این نوع سیستم گرمایش معمولا “ترموسایفون” نامیده میشود. امروزه این سیستمها دارای یک پمپ گردش آب، برای بهبود کارایی و توزیع بدون محدودیت گرما، هستند.
پمپ های مدار توزیع باید در قطعات و قسمت هایی که انتقال حرارت لازم نیست، عایق بندی شوند. در گلخانه های تا عرض ۹ متر، لوله های ثابت شده به دیواره ها ممکن است تمامی نیاز را برآورده سازند، اما در گلخانه های عریض تر لازم است که لوله های گرمایشی در یک یا چند مکان در سراسر گلخانه نصب شوند. هنگامی که گردش طبیعی هوا برای دستیابی به یکنواختی درجه حرارت هوا کافی نیست، لازم است که فن هایی برای بهبود گردش هوا نصب شوند.
۴- اقتصاد انرژی
در اروپا، هزینه های گرمایش از ۱۵ تا ۳۵ درصد هزینه های کشت گلخانه را، با افزایشی چشمگیر در دهه های گذشته، نشان می دهد. برای کاهش هزینه های گرمایش بدون کاهش دمای هوا، منابع کم هزینه تر انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین، با بهبود کارایی و کاهش تلفات از طریق تابش، انتقال، هدایت و نشت هوا، مصرف کاهش می یابد. در طول سالهای اخیر، کارایی دیگ های بخار بهبود یافته است. ذخیره سازی انرژی (به صورت آب گرم) به طور گسترده در سیستمهای تأمین گاز دی اکسید کربن و حرارت، زمانی که نیاز برای این دو به صورت همزمان نیست، مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا از نظر هزینه بسیار به صرفه است.
۵- تلفات تابشی
پوشش گلخانه حرارت را از طریق تابش با آسمان مبادله می کند (دمای آسمان در شب حدود 15 درجه سانتی گراد پایین تر از هوا در فضای باز است). ابرها به عنوان صفحات حرارتی عمل می کنند و باعث کاهش تلفات تابشی میشوند. در جنوب فرانسه، با آسمان های صاف زمستانی، تلفات تابش ممکن است ۶۰ درصد از کل تلفات گلخانه های عایق بندی شده باشد.
۶- تلفات از طریق نشت هوا
هرچه تفاوت رطوبت و درجه حرارت بین هوای داخل و خارج بیشتر و عایق بندی گلخانه کمتر باشد، تلفات از این طریق بیشتر است. باد باعث افزایش تلفات حرارتی از طریق نشت هوا می شود.
۷- تلفات از طریق هدایت و همرفت
اگر تفاوت دما بین داخل و خارج از گلخانه بیشتر باشد تلفات گرمایی از طریق هدایت و یا همرفت بیشتر خواهد بود. این تلفات همچنین با افزایش سرعت باد افزایش می یابند. بنابراین، استفاده از بادشکن می تواند موثر باشد. این که عایق بندی گلخانه چگونه است بسیار مهم است. یک گلخانه با عایق بندی بهتر میزان نشتی محدودتری دارد. اتصالات باید مهر و موم شود. پل های حرارتی باید حذف شوند. از سوی دیگر، اگر گلخانه بیش از حد عایق بندی
شود، ممکن است موجب افزایش بیش از حد آلودگی های محیطی، رطوبت و کاهش دی اکسید کربن
(در صورت عدم وجود غنی سازی دی اکسید کربن) شود.
۸- منابع جایگزین انرژی
در زمینه هزینه های انرژی (سال ۲۰۰۴)، اکثر منابع جایگزین انرژی از لحاظ اقتصادی رقابتی نیستند.
۹- پمپ های حرارتی
پمپ های حرارتی گرما را برای تأمین حرارت یک مدار گرمایشی، از یک منبع حرارت پایین (منبع سرد)، دریافت می کنند. در پمپ های کارآمد، دما نباید بیش از ۵۵ درجه سانتی گراد باشد. پمپ های حرارتی می توانند برای مرطوب کردن محیط گلخانه استفاده شود، اما استفاده از آنها هزینه بر است.
۱۰- آب گرم زمین گرمایی و صنعتی
گرادیان زمین گرمایی تقریبا یک درجه سانتی گراد به ازای هر ۳۰ متر است. بنابراین، برای به دست آوردن آب با دمای ۴۰ تا ۷۰ درجه سانتی گراد باید ۱۰۰۰ تا2000 متر حفاری شود. این آبها معمولا دارای غلظت زیاد نمک و خورنده هستند و برای تبادل حرارتی نامناسب هستند. اگرچه انرژی گرمایی رایگان است، اما این تجهیزات گران قیمت هستند و هزینه های استهلاک بالایی دارند.
۱۱- همگام سازی
همگام سازی (تولید همزمان) گرما و برق در حال افزایش است، از آنجایی که مصرف برق گلخانه بسیار بالا است، همگام سازی معمولا گرما و برق را به نسبت دو به یک تأمین می کند. این موضوع همچنین زمانی که امکان فروش برق تولید شده با قیمت های مناسب وجود دارد می تواند با اهمیت باشد، همان طور که در سالهای اخیر در اروپا اتفاق افتاده است.
۱۲- انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی رایگان، در دسترس و در تابستان خیلی زیاد است، اما در فصل زمستان کافی نیست، و نیاز به سرمایه گذاری های زیاد برای دریافت و بالاتر از همه، ذخیره سازی آن دارد.
14-گاز زیستی
با توجه به هزینه های کم انرژی های متعارف، استفاده از گاز زیستی زیاد توسعه نیافته است. مقدار بالای دی اکسید کربن در گاز زیستی باعث عملکرد ضعیف شعله می شود.
اندازه سیستم های گرمایشی
به منظور محاسبه حداکثر گرمای مورد نیاز، برآورد شده است که دمای داخل گلخانه (Ti )معادل ۱۶ درجه سانتی گراد نیاز بیشتر گیاهان را پوشش می دهد و درجه حرارت بیرون گلخانه (Te) معادل میانگین حداقل دمای سردترین ماه خواهد بود. به طور کلی، درجه حرارت مطلوب با افزایش سن گیاه کاهش می یابد و بسته به فرایندی که قرار است بهینه سازی شود (انتقال، فتوسنتز ناخالص، رشد ریشه، برداشت ) متفاوت است. با دمای بالاتر، از
۲۲ تا ۲۳ درجه سانتی گراد، رشد رویشی در گیاهانی مانند گوجه فرنگی فعال می شود، در حالی که مقادیر پایین (۱۸ تا ۱۹ درجه سانتی گراد) به رشد میوه کمک می کند. دمای مطلوب همچنین به میزان تابش و غلظت دی اکسید کربن هوا بستگی دارد. اگرچه گیاهان دارای ظرفیت زیادی برای ادغام دما در دوره های بالاتر از ۲۴ ساعت هستند، اما لازم است که از برخی محدودیتهای حرارتی که معمولا برای گونه های باغبانی بین ۱۰ تا ۲۵ درجه سانتی گراد است، فراتر نروند. به طور کلی، اگر درجه حرارت پایین تر از دمای مطلوب باشد، محصول با کیفیت پایین تر تولید می شود. نباید فراموش کرد که هدف اقتصادی باید تعیین کننده نقطه تنظیم درجه حرارت، در صورتی که از سیستم گرمایش استفاده میشود، باشد. انتگرال حرارتی امکان کمی سازی اثرات تجمعی درجه حرارت در فرایندهای نمو گیاهان را فراهم می کند، بنابراین، طول مدت یک مرحله نموی در شرایط عادی به انتگرال حرارتی، حتی زمانی که دمای روز و شب نیز متفاوت باشد بستگی دارد. در گلخانه های دارای سیستم گرمایشی، توصیه میشود که دمای شب با تابش خورشیدی روز قبل تعدیل شود تا هزینه های گرمایش بدون تأثیر بر رشد کاهش یابد. بنابراین، در یک روز کم تابش نیازی به دمای شبانه بالاتر، همان طور که پس از یک روز با تابش بالا برای توزیع مجدد مناسب مواد
فتوسنتزی روز قبل نیاز است نمی باشد. به همین ترتیب، کاهش دما در طول شب، به شکل کاهش ملایم (تقسیم دمای شبانه)، هزینه ها را بدون تأثیر منفی بر رشد کاهش میدهد. صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی را می توان با تعديل شرایط دمایی نسبت به محیط خارج و حفظ نقطه تنظیم دمای پایین تر در شرایط عدم وجود باد به دست آورد. تفاوت بین دمای روز و شب که به عنوان DIF شناخته میشود، بر جنبه های مختلف رشد مانند افزایش طول میانگره ها و رشد ساقه تأثیر می گذارد. هنگامی که DIF مثبت است (T در طول روز بیش از T در طول شب)، میانگره ها طولانی تر می شوند، و در مقابل، هنگامی که DIF منفی است، گیاهان کوتاه تر خواهند بود، زیرا
میانگره ها کوتاه تر هستند. مکانیسم DIF مربوط به فیتوکروم است و در گیاهان زینتی مورد توجه است.
در مدیریت روزانه، حداقل آستانه دما در طول روز باید ۶ تا ۱۱ درجه سانتی گراد بالاتر از شبها در یک روز آفتابی باشد و این تفاوت در روزهای ابری باید ۳ تا ۶ درجه سانتی گراد باشد. سایر پژوهشگران توصیه کرده اند که این تفاوتها در فصل زمستان محدودتر شوند و دمای روز ۳ تا ۴ درجه سانتی گراد بالاتر از دمای شب در روزهای ابری و 6 تا ۸ درجه سانتی گراد بالاتر از شب در روزهای آفتابی نگه داشته شود. اکثرگونه های باغبانی که در گلخانه ها در حوضه مدیترانه کشت می شوند، کاهش قابل توجهی در فعالیت متابولیک آنها در دماهای کمتر از ۱۰ تا ۱۲ درجه سانتی گراد مشاهده می شود، درجه حرارت مطلوب آنها بین ۱۵ تا ۲۰ درجه سانتی گراد در طول شب و بین ۲۲ و ۲۸ درجه سانتی گراد در طول روز گزارش شده است.جدول بعد خلاصه درجه حرارت مطلوب برای هوا و بستر در محصولات باغبانی مختلف را نشان می دهد.
در گلخانه های پیشرفته با گیاهان کاملا توسعه یافته، برای کیفیت مطلوب میوه ها، به طور کلی، توصیه میشود که آستانه دماهای روز و شب برای گرمایش، به میزان ۱9/۱7 درجه سانتی گراد برای گوجه فرنگی، 21/19 درجه سانتی گراد برای فلفل و 21/19 درجه سانتی گراد برای خیار و بادمجان باشد، در حالی که، در محصولات کم نیاز مانند کاهو، درجه حرارت باید به 12/6 درجه سانتی گراد محدود شود. این مقادیر می تواند تحت شرایط با تابش کم کمی کاهش یابد. در هر صورت، هنگام تعریف این آستانه برای هر مورد خاص، باید معیارهای اقتصادی در نظر گرفته شود. در گلخانه های با فناوری کم (معمولی) این آستانه های دمایی معمولا کمتر است، زیرا تجهیزات و عایق سطوح ساده تر هستند. در طول زمستان، مدیریت دماهای تنظیم شده در گلخانه های مدیترانه ای با دمای ۲۲ (روز)/۱۸ درجه سانتی گراد (شب) در ابتدای دوره، دمای 20/16 درجه سانتی گراد در مرحله رشد رویشی، و
دمای ۱8/۱4 درجه سانتی گراد در مرحله تولید خیار یا لوبیاسبز سبب افزایش مصرف انرژی می شود، که حیات اقتصادی گرمایش را تحت تأثیر قرار میدهد.
هنگام استفاده از سیستم گرمایش هوا در گلخانه های کم هزینه که خیلی عایق بندی نیستند، برخی از پژوهشگران توصیه می کنند که یک درجه حرارت کم برای گرمایش در نظر گرفته شود. برای مثال، در مورد خیار یا لوبیاسبز درجه حرارت ۱۲ تا ۱۴ درجه سانتی گراد برای محدود کردن مصرف سوخت (پروپان) به کمتر از ۵ کیلوگرم در متر مربع (از مهرماه تا اواسط اسفندماه) توصیه میشود. بدیهی است، برای هر مورد خاص، مدیریت سیستم گرمایشی باید توسط شرایط اقتصادی با هدف کاهش هزینه های گرمایشی که می تواند منجر به نتایج سودمند شود تعیین شود ، مصرف انرژی در گلخانه های مدیترانه ای به طور نمایی با تنظیم درجه حرارت برآورد می شود. استفاده ترکیبی از گرمایش و تغليظ دی اکسید کربن باعث افزایش اثرات هر دو می شود که منجر به افزایش عملکرد خواهد شد. سودآوری آن بستگی به شرایط خاص استفاده از آن دارد. هنگام استفاده از سیستم گرمایشی در گلخانه های کم هزینه مدیترانه ای (نوع جداگانه)، بهبود عایق بندی آنها برای افزایش کارآیی تغلیظ دی اکسید کربن به منظور محدود کردن تلفات حرارتی لازم است. در گلخانه های مدیترانه ای با فن آوری کم، استفاده از گرمایش معمولا در زمانی از سال که قیمت آنها بالاتر است، در محصولاتی مانند خیار یا لوبیاسبز، به ماه های زمستان محدود می شود.
جدول زیر نتایجی از مطالعه گرمایش هوا در گیاه لوبیا را خلاصه کرده که نشان می هد از لحاظ اقتصادی حفظ دماهای نقطه تنظیم پایین تر زمانی که عملکرد را محدود نمی کند مورد توجه است.
استفاده از صفحات حرارتی ثابت برای صرفه جویی در انرژی امکان افزایش دمای شب را فراهم می کند، اما باعث کاهش تابش می شوند که استفاده از آنها زیاد مورد توجه نیست.با این حال، برخی از تولید کنندگان برای کاهش سقوط قطرات آب بر روی گیاه (از بخار آب مایع شده یا از باران در گلخانه های ارزان قیمت از آنها استفاده می کنند. صفحات حرارتی متحرک، موجب بهبود عملکرد شده و سازگاری خوبی را با گلخانه های چند کاناله دارند، که در گلخانه های دارای سیستم گرمایشی نسبت به گلخانه های بدون سیستم گرمایشی بیشتر مورد توجه هستند.
در گلخانه های ارزان قیمت جداگانه، با توجه به تعداد زیاد نگهدارنده های داخلی، اجرای آنها دشوار است. بنابراین،کارایی آنها پایین تر است. در این مورد، سودآوری آنها با بررسی مجدد این که آیا استفاده از آنها ارزشمند است یا خیر تعیین خواهد شد. لازم است از لحاظ اقتصادی، اطلاعات مربوط به مقادیر مناسب دما که کنترل شرایط آب و هوایی (دما، دی اکسید کربن، رطوبت) در شرایط مختلف رشد محصول را بهینه سازی می کند، تعیین شود.
خلاصه
-برای محدود کردن تلفات انرژی در گلخانه، تلفات حرارتی باید کاهش یابد و منابع طبیعی مورد توجه قرار گیرد، و در صورتی که منابع طبیعی ناکافی باشد از گرمایش استفاده شود.
-کاهش تلفات حرارتی گلخانه به طور عمده با کاهش سطح تبادل حرارتی (پوشش سقف و دیواره های جانبی با خارج گلخانه و تلفات در واحد سطح، با استفاده از مواد پوشش دهنده مناسب و تجهیزات عایق کننده (صفحات حرارتی، پوشش های دوگانه) و بادشکن تأمین شود.
-گرمایش گلخانه را می توان به بخش هوایی گیاه، ریشه ها (خاک یا بستر) و یا هر دو هدایت نمود.
-گرمایش با هوای گرم معمولا با استفاده از فن کوئل یا استفاده از ژنراتورهای هوای داغ با احتراق مستقیم یا غیرمستقیم انجام می شود. توزیع گرما به وسیله جریان همرفت انجام می شود. این سیستمها دارای اینرسی حرارتی کم هستند و عمدتا بخش های هوایی محصول را گرم می کنند.
-سیستم های گرمایش آب گرم حرارت را از طریق لوله ها توسط تابش و جریان همرفت توزیع می کنند. این سیستمها در مقایسه با سیستم های هوای گرم اینرسی حرارتی بیشتری دارند و هوا و همچنین خاک یا بستر را گرم می کنند. سیستم هایی که از آب با دمای بالا استفاده می کنند (۵۰-۸۰ درجه سانتی گراد) پرهزینه تر از سیستم های با دمای پایین (۴۰-۵۰ درجه سانتی گراد) هستند.
-گرمایش زمین یا بستر کاشت حرارت را از طریق هدایت منتقل می کند و معمولا از آب گرم (در دمای پایین) با مقاومت الکتریکی استفاده می کند.
-سوخت ایده آل گاز طبیعی است، و پس از آن گاز مایع (بوتان و پروپان) و دیزل قرار دارند، اما قیمت آنها بالا است. سوخت های دیگر (سوخت های زیستی، ذغال چوب، چوب، بقایای گیاهی ممکن است به دلایل اقتصادی مورد توجه قرار گیرند.
-مدیریت حرارت، هنگامی که از حرارت برای گرمایش استفاده می شود، باید با استفاده از معیارهای اقتصادی انجام شود، زیرا معمولا دمای مطلوب برای رشد گیاه، با دماهایی که بالاترین سودآوری را برای تولیدکننده فراهم می آورد، هماهنگ نیست. بنابراین، مدیریت دما باید با شرایط خاص رشد هر منطقه سازگار باشد.
