انتقال حرارت
دو جسم با دماهای مختلف انرژی را به شکل گرما مبادله می کنند که این انرژی از جسم گرم تر به سمت جسم سردتر جریان می یابد. سه حالت اصلی تبادل حرارت وجود دارد: ۱) هدایت ۲) تابش و 3) همرفت (با یا بدون تغییر حالت).
تجدید هوا در گلخانه مستلزم انتقال توده ای هوا است که تعادل انرژی گلخانه را تحت تأثیر قرار می دهد.
هدایت
هدایت، انتقال انرژی از مولکولی به مولکول دیگر در یک جسم جامد یا مایع است. از طریق هدایت، انرژی به وسیله یک واسط در حالت ساکن، بر خلاف جهت انتقال انرژی، جریان می یابد.
هدایت تنها حالت انتقال حرارت در داخل یک محیط جامد یا بین دو ماده جامد در تماس فیزیکی در دماهای مختلف است. انرژی از دمای بیشتر به دمای کمتر منتقل می شود. میزان تغییر دما در طول فاصله (d) گرادیان حرارتی نامیده می شود. تغییرات اصلی حرارت با هدایت در یک گلخانه بین سطح خاک و لایه های عمیق تر آن، و همچنین، تلفات حرارتی از طریق سازه گلخانه رخ می دهد.
همرفت
همرفت بدون تغییر فاز
همرفت انتقال انرژی توسط یک مایع در جهت جریان یا بین یک سطح ثابت و یک مایع است. تبادلات حرارتی به وسیله همرفت مستلزم جابجایی ماده است که عمدتا در مایعات رخ می دهد و باعث حرکت آنها می شود. همرفت هنگامی که به وسیله یک عامل مکانیکی خارجی (به عنوان مثال فنها) به وجود می آید، از نوع “جبری” است. همرفت طبیعی توسط تفاوت چگالی حاصل از تفاوت دما که باعث حرکت میشود به وجود می آید (به عنوان مثال، هوای گرم وزن کمتری نسبت به هوای سرد دارد و صعود می کند). جریان همرفت در گلخانه اهمیت زیادی دارد. هوا در تماس با لوله های گرمایش توسط هدایت گرم می شود و با جریان همرفت حرکت می کند و بقیه هوای گلخانه را گرم می کند. این هوای گرم با گیاهان تماس می یابد و سپس گیاهان را توسط هدایت گرم می کند. هنگامی که باد وجود دارد، پوشش گلخانه به دلیل همرفت فعال (جبری) مقدار زیادی حرارت را از دست می دهد.
همرفت با تغییر فاز
تبخیر
تبخیر آب انرژی زیادی صرف می کند. تبخير شامل تغییر فاز از حالت مایع به گاز می باشد. انرژی مورد نیاز برای تبدیل آب از حالت مایع به گاز به عنوان “گرمای نهان تبخیر” نامیده می شود و برای آب برابر با ۲۴۴۵ کیلو ژول بر کیلوگرم در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد است. فشار بخار نسبی افزایش می یابد، و بنابراین، محتوای انرژی آن، یعنی آنتالپی افزایش می یابد. تبخیر تنها زمانی رخ می دهدکه فشار بخار آب پایین تر از فشار بخار اشباع در یک دمای معین باشد.
اگر هیچ تغییر حالتی از مایع به بخار) وجود نداشته باشد، حرارت مورد نیاز برای افزایش دمای آب به میزان یک درجه سانتی گراد (گرمای ویژه آب) نسبتا کم و ۴/۲ کیلوژول بر کیلوگرم آب است. تعرق نوع خاصی از تبخیر است که در گیاهان اتفاق می افتد. تعرق با صرف انرژی امکان خنک کردن اندامهای تعرق کننده را فراهم می کند و این مکانیسم اصلی برای کاهش دمای گیاهان است. مه پاشی یا آب پاشی باعث خنک شدن گلخانه می شود
تراکم
تراکم پدیده ای معکوس تبخیر است. آب از حالت گاز (بخار آب) به حالت مایع تغییر می یابد و انرژی آزاد می شود. این عمل مستلزم کاهش فشار جزئی بخار آب در هوا و افزایش دمای سطوحی که آب روی آن متراکم می شود (بخار به مایع)، می باشد. تراکم تنها زمانی اتفاق می افتد که فشار نسبی بخار آب هوا به مقدار یا بیش از نقطه فشار بخار اشباع در یک دمای مشخص برسد. نقطه شبنم درجه حرارتی است که در پایین تر از آن تراکم اتفاق می افتد (بخار آب به شکل قطرات مایع ظاهر می شود).
از دیدگاه گیاه شناسی، تراکم بخار آب (تبدیل بخار به مایع) از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا وجود آب روی برگها موجب توسعه بسیاری از بیماریهای قارچی می شود. علاوه براین، شکل گیری قطرات تراکم بر روی سطح داخلی فیلم های پلاستیکی پوشش دهنده گلخانه موجب کاهش قابل توجهی در انتقال نور می شود، و در نهایت، چکیدن قطرات روی برگها اثرات مضری روی سلامتی آنها دارد.
تأثیر تراکم روی تبادل و تعادل حرارتی
در گلخانه های پلاستیکی، زمانی که آب به شکل قطرات آب متراکم می شود، انتقال تابش توسط قطرات منعکس کننده بخشی از تابش کاهش می یابد. با این حال، اگر تراکم به صورت یک لایه پیوسته اتفاق بیفتد، نه تنها کاهشی در میزان انتقال تابش رخ نمی دهد، بلکه در مورد پوشش های پلاستیکی خاص که با سورفاکتانت های ویژه آغشته شده اند، حتی می تواند افزایش یابد.
علاوه بر این، تراکم آب بر روی پوشش پلاستیکی، تراز حرارتی گلخانه های پلاستیکی را بهبود می بخشد و با اجتناب از تابش طول موجهای بلند از داخل به خارج، ضریب انتقال حرارت جهانی را کاهش می دهد.
پوشش های پلاستیکی “ضد چکه” از ایجاد تراکم اجتناب نمی کنند، اما جلوی تشکیل قطرات را می گیرند. شیب مناسب سقف و یک سیستم متناظر از کانال های جمع آوری کننده قطرات در گلخانه، امکان حذف موثر آب متراکم شده را فراهم می کند.
تابش
تمام اجسام با درجه حرارت بالاتر از ۲۷۳- درجه سانتی گراد (صفر درجه کلوین)، طبق قانون استفان-بولسمن از سطح خود انرژی را به شکل تابش الکترومغناطیسی منتشر می کنند. این انرژی تابشی، اگر جسم آن را جذب کند، به انرژی حرارتی تبدیل می شود. ویژگیهای تابشی (طول موج) که یک سطح گرم منتشر می کند، طبق قانون وین بستگی به درجه حرارت آن سطح دارد. مقدار انرژی یک پرتو مشخص با افزایش طول موج کاهش می یابد.
هنگامی که دو جسم در درجه حرارت های مختلف قرار دارند و توسط یک محیط نفوذپذیر مجزا شده اند، انتقال حرارت خالص از جسم گرم به جسم سرد در قالب تابش به وجود می آید. انرژی دریافت شده توسط سطح جسم سرد به سه بخش تقسیم می شود: ۱) قسمتی منعکس می شود ۲) قسمتی انتقال داده می شود (بدون گرم کردن جسم از آن عبور می کند) و ۳) بخش سوم توسط جسم جذب می شود و دمای آن را افزایش می دهد. اجسام دارای ویژگیهای بازتاب، انتقال و جذب برای تابش هستند که براساس طول موج دریافت شده متفاوت اند. برای هر ماده ضریب انعکاس یا بازتاب (p)، ضریب عبور یا انتقال دهندگی (t) و ضریب جذب یا جذب کنندگی (a) را می توان تعریف کرد. برای یک طول موج مشخص، مجموع سه ضریب، بسته به نحوه بیان ضرایب (به صورت واحد یا درصد)، به دلیل اصل حفاظت انرژی، برابر با یک یا ۱۰۰ درصد است. جسم خاکستری جسمی است که در آن ضریب جذب مستقل از طول موج تابش ورودی باشد. در عمل، بسیاری از مواد را می توان به عنوان جسم خاکستری تلقی کرد. جسم سیاه جسمی است که در آن فارغ از طول موج، ضریب جذب یک باشد که این یک جسم ایده آل است. انتقال و انعکاس کاملا وابسته به زاویه دریافت تابش در سطح جسم است. جذب وابستگی کمتری به چنین زاویه ای دارد و بیشتر به نوع ماده و ضخامت آن مرتبط است.
هنگامی که زاویه دریافت تابش مشخص نیست و به طور کلی، از این ضرایب صحبت می شود، داده ها معمولا به انتقال و بازتاب در زاویه ی دریافت صفر (پرتوهای عمود بر سطح) اشاره می کنند،که مربوط به حداکثر انتقال و حداقل بازتاب است. هنگامی که تابش پخش می شود، به دلیل دریافت از جهات مختلف، زاویه ای برای آن در نظر گرفته نمی شود و انتقال تابش پخش شده متفاوت از پرتوی مستقیم است. انتشاردهندگی، نسبت كل تابش منتشر شده (در واحد) توسط یک جسم در یک دمای معین نسبت به تابش منتشر شده توسط یک جسم سیاه از یک سطح مشابه در شرایط مشابه است. ضریب جذب یک ماده در یک طول موج خاص، براساس قانون کریشف، برابر با انتشاردهندگی در همان طول موج است. میزان انتشاردهندگی و جذب کنندگی در یک طیف طول موج مشابه دارای مقادیر مساوی است، اما اگر یک جسم تابش خورشید را دریافت و آن را در محدوده مادون قرمز منتشر کند، جذب کنندگی برای تابش خورشیدی متفاوت از انتشاردهندگی برای تابش مادون قرمز خواهد بود. برای اجسام غیرفلزی مانند برگهای گیاه و رنگ سفید، میزان انتشاردهندگی در دماهای طبیعی زیاد و از 7/0 تا یک است، در حالی که برای فلزات، به ویژه اگر جلا داده شده باشند، کم (05/0 تا 3/0) خواهد بود.
دانستن ویژگی های توزیع طیف انتقال دهندگی مواد پوشش دهنده گلخانه، اگر گیاهانی که در گلخانه رشد می کنند رنگ آنتوسیانینی (رنگدانه هایی با رنگ های قرمز و بنفش) داشته باشند، ضروری است، زیرا اگر مواد در یک محدوده مشخص از عبور اشعه ماوراء بنفش (۲۹۰ تا ۳۶۰ نانومتر) جلوگیری کنند، ممکن است از تولید چنین رنگیزه هایی جلوگیری کنند، مانند آنچه که در بادمجان ممکن است رخ دهد. در واقع کمبود اشعه ماوراء بنفش، که چشم های زنبورها و زنبورهای عسل به آن حساس هستند، ممکن است در تحرک آنها مشکل ایجاد کند و گرده افشانی گل ها را تحت تأثیر قرار دهد. تبادل حرارت توسط تابش در گلخانه ضروری است. حرارت در گلخانه توسط تابش بین سطوح مبادله می شود. گلخانه ها توسط جذب بخش مهمی از تابش خورشید گرم می شوند و با بازتابش انرژی تابشی خورشید به آسمان خنک تر می شوند. لوله های گرمایشی، علاوه بر گرم کردن گیاهان به طور مستقیم توسط جریان همرفت، این عمل را نیز به طور مستقیم توسط تابش انجام می دهند.
تبادلات حرارتی توسط تجدید هوا در گلخانه
هوای داخل گلخانه معمولا گرم تر و مرطوب تر از هوای بیرون است. تجدید هوای داخل با هوای بیرون مستلزم کاهش میزان انرژی آن است.
تبادلات گازی در گلخانه و توازن انرژی
محاسبه توازن انرژی یک گلخانه، به ویژه هنگام محاسبه ظرفیت سیستم گرمایشی که باید نصب شود، مفید است. برای تجزیه و تحلیل توازن انرژی مجموعه گلخانه” می توان آن را به زیر مجموعه های مختلف، به عنوان مثال: خاک، گیاه، حجم هوا و پوشش گلخانه، تقسیم کرد. سپس می توان توازن انرژی هر یک از آنها را به طور مستقل تجزیه و تحلیل کرد، که ساده تر است و بعد آنها را ادغام کرد. در عمل، به منظور ساده سازی، برخی از عناصر توازن انرژی که کمتر تأثیر گذار هستند در نظر گرفته نمی شود، که امکان تخمین مناسب توازن انرژی فراهم شود. سطح خاک بخشی از انرژی خورشیدی را جذب می کند و انرژی را از طریق اشعه مادون قرمز با سایه انداز گیاهی، لوله های گرمایش و دیواره، پوشش و دیگر عناصر گلخانه، و توسط جریان همرفت با هوای گلخانه مبادله می کند. سطح خاک با تبخیر آب سرد می شود و با تبادل انرژی با لایه های عمیق تر خاک، بسته به فصل، خنک یا گرم می شود. گیاهان بخش مهمی از انرژی خورشیدی را جذب می کند که این انرژی از طریق اشعه مادون قرمز با سطح خاک، لوله های گرمایشی، دیوار، پوشش و سایر عناصر گلخانه، و از طریق جریان همرفت با هوای گلخانه مبادله می شود. پوشش گیاهی، علاوه بر این، از طریق تعرق انرژی را از دست می دهد و در نهایت می تواند انرژی را از طریق تراکم به دست آورد. لوله های گرمایشی بخشی از انرژی خورشیدی را جذب می کنند و اگر دیگ بخار روشن باشد، ممکن است انرژی را از آب گرم دریافت کنند.
لوله ها عمدتا تبادل گرما را از طریق جریان همرفت با هوا، و تابش با پوشش گیاهی، خاک و پوشش گلخانه تبادل می کنند. هوای داخل گلخانه عمدتأ انرژی را به وسیله جریان همرفت با تمام سطوح گلخانه از جمله: خاک، گیاهان، لوله های گرمایشی و پوشش گلخانه مبادله می کند. تجدید هوای داخل با هوا بیرون، که معمولا خشک تر و خنک تر است، باعث کاهش آنتالپی محتوای انرژی آن می شود. پوشش گلخانه مقدار کمی از تابش دریافتی خورشید را جذب می کند و انرژی را توسط اشعه مادون قرمز با داخل و بیرون گلخانه مبادله می کند. علاوه بر این، پوشش گلخانه انرژی را از طریق جریان همرفت با هوای بیرون به وسیله سطح خارجی آن، و با هوا داخل از طریق سطح داخلی آن مبادله می کند. این عمل می تواند هنگامی که بخار آب بر روی پوشش متراکم می شود انرژی را جمع کرده و زمانی که آب متراکم شده تبخیر می شود، سرد شود. یک واقعیت که باید در نظر گرفته شود اینرسی گرمایی گلخانه است که بستگی به این دارد که اجزای آن از چه چیزی ساخته شده اند. بنابراین، رابطه بین ظرفیت های حرارتی هوا | پوشش گیاهان و خاک (تا عمق ۲۰ سانتی متر) گلخانه به ترتیب 1/3/10/100 است،که به این معنی است که اینرسی حرارتی هوای گلخانه حداقل است و بنابراین، دمای آن به سرعت به تغییرات تعادل انرژی واکنش نشان می دهد (هم زمان که هوا گرم می شود، در حالی که، پاسخ درجه حرارتی خاک کند است، زیرا اینرسی حرارتی بسیار بیشتر است.
توازن ساده سازی شده انرژی گلخانه
اگر ما همه مبادلات گرمایش گلخانه، شامل تابش، هدایت و همرفت، و از طریق پوشش گلخانه را در نظر بگیریم، می توانیم مقادیر آنها (در واحد زمان) را به صورت زیر محاسبه کنیم:
Q = K (Ti-Te) Sc
Ti= دمای داخلی (درجه سانتی گراد)
Te= دمای خارجی (درجه سانتی گراد)
Q= مقدار گرمای مبادله شده بین داخل و خارج (وات)
Sc= سطح روکش (مترمربع)
k= ضریب انتقال گرمای جهانی مواد پوشش گلخانه، مشخصه ماده پوششی (وات بر مترمربع بر درجه سانتی گراد)
برای ساده سازی، می توان فرض کرد که انرژی خورشیدی که به گلخانه نفوذ می کند مسئول گرمایش گلخانه است و برای تبخیر و تعرق، صرف نظر از انرژی مورد استفاده برای فتوسنتز، در میان دیگر ساده سازیها، تعادل انرژی لحظه ای تقریبا برابر با محاسبه زیر خواهد بود:
تبخیر و تعرق – انرژی خورشیدی
تلفات کل = گرمایش +
تجدید هوا +
برای محاسبه تقریبی گرمایش در شب، هنگامی که نیاز گرمایی بالاتر است، معادله توازن انرژی ساده سازی شده را می توان اعمال کرد (تابش خورشیدی صفر است).
تجدید هوا – تلفات کل = گرمایش
Qc = K (Ti-Te) Sc+m Cp (Ti-Te)
که در آن:
Qc= نیازهای حرارتی (وات)
=Cpگرمای ویژه هوا (ژول بر کیلوگرم بر درجه سانتی گراد)
بعضی از پژوهشگران نیازهای گرمایشی در شرایط تهویه بسته (به عنوان مثال زمانی که تجدید هوا تنها از طریق نفوذ است، و این تجدید هوا تنها ۱۰ درصد از نیاز گرمایش را برآورد می کند) را محاسبه کرده و به شرح زیر است:
Qc = 1.1 K(Ti-Te) Sc
سه شکل اساسی تبادل انرژی در قالب حرارت وجود دارد: ۱) هدایت ۲) تابش و ۳) همرفت (با یا بدون تغییر حالت).
انرژی از طریق یک محیط در حالت سکون به وسیله هدایت انتقال می یابد. در تبادلات حرارتی از طریق هدایت بین سطح خاک و لایه های عمیق تر آن بسیار مهم است.
همرفت به صورت انتقال انرژی توسط یک سیال در جهت جریان، و یا بین یک سطح ثابت و سیال تعریف می شود که در یک گلخانه بسیار مهم است. هوا در تماس با لوله های گرمایشی با هدایت گرم می شود و هنگامی که گرم شد، با همرفت حرکت می کند و بقیه هوای گلخانه را گرم می کند. این هوای گرم با گیاهان تماس می یابد و سپس گیاهان را با هدایت گرم می کند. در شرایط وجود باد، پوشش گلخانه به دلیل همرفت فعال (اجباری) مقدار زیادی حرارت از دست می دهد.
تبخیر آب انرژی زیادی را صرف می کند، زیرا آب از حالت مایع به گاز تبدیل می شود.گرمای نهان تبخیر، انرژی مورد نیاز برای تبخیر یک کیلوگرم آب، در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد است و مقدار آن برابر با ۲۴۴۵ کیلوژول بر کیلوگرم آب تبخیر شده است. اگر هیچ تغییر حالتی (از مایع به بخار) وجود نداشته باشد، گرمای مورد نیاز برای افزایش دما به میزان یک درجه سانتی گراد (گرمای ویژه آب) کم و به مقدار 2/4 کیلوژول بر کیلوگرم آب است.
تراكم بخار آب هوا، پدیده معکوس تبخیر است و مقدار زیادی انرژی آزاد می کند. تراکم تنها زمانی اتفاق می افتد که فشار نسبی بخار آب به مقدار شناخته شده به نام “فشار اشباع” با نقطه شبنم دمایی است که پایین تر از آن تراکم آب رخ می دهد.
تعرق آب توسط گیاهان شکل خاصی از تبخیر است که امکان خنک شدن گیاهان را فراهم می کند و دمای آنها را کاهش می دهد.
تراکم آب در یک نقاط خنک تر، معمولا روی پوشش گلخانه، آغاز می شود. تراکم در سطح داخلی پوشش، انتقال نور را تحت تأثیر قرار میدهد و شرایط عایق پوشش را بهبود می بخشد.
تمام اجسام با درجه حرارت بالاتر از ۲۷۳- درجه سانتی گراد از سطح خود انرژی در قالب تابش الكترومغناطیسی منتشر می کنند. این انرژی تابشی اگر تحت تأثیر جسمی که آن را جذب می کند قرار گیرد به انرژی حرارتی تبدیل می شود.
تابش دریافت شده توسط یک جسم می تواند از طریق آن منعکس، جذب و یا منتقل شود. مواد پوشش دهنده گلخانه باید نسبت به تابش خورشید انتقال دهنده باشند.
تبادلات حرارتی به وسیله تجدید هوای گلخانه برای تعادل انرژی بسیار مهم هستند. هوا مرطوب دارای انرژی بیشتری نسبت به هوا خشک در دمای یکسان است، زیرا شامل انرژی مورد استفاده برای تبخیر آب می شود. تجدید هوای داخل، که معمولا گرم تر و مرطوب تر است، توسط هوای بیرون (خنک تر و خشک تر)، موجب از دست رفتن انرژی زیادی از گلخانه می شود.
