گلخانه خورشیدی راه بهینه سازی مصرف سوخت

گلخانه خورشیدی راه بهینه سازی مصرف سوخت در کشاورزی

چكیده

بكارگیری ساده فنآوریهای نوین جهت استفاده از انرژی خورشیدی، به عنوان یك منبع مفید، سالم و بی خطر انرژی برای گرم كردن گلخانه های كشاورزی، علاوه بر كاهش قابل توجه مشکلات گلخانه داران و مسئولین ذیربط در رابطه با سوخت، گامی مهم در صرفه جویی مصرف سوختهای فسیلی كشور و حفظ ذخایر آنها برای آیندگان و جلوگیری از آلودگی هوا و محیط زیست خواهد بود. گلخانه خورشیدی هم در مقیاس كوچك و خانگی و هم در مقیاس بزرگ و تجاری، در طرحهای گوناگون و بوسیله اشخاص و یا گروههای مختلفی از كشورهای مختلف جهان طراحی و ساخته شده و بسیاری از این طرحها موفق بوده اند. با مطالعه انواع طرحهای مختلف و هزینه ساخت آنها میتوان چنین نتیجه گرفت، اگر بدون افزایش فاحشی در هزینه ساخت گلخانه ها، روشی برای كاهش اتلاف حرارتی در شبهای سرد پیدا شود تعداد بیشماری گلخانه خورشیدی طراحی و ساخته خواهند شد و كاربرد وسیعی در آینده در سطح كشور پیدا خواهند كرد.

در این مقاله سعی بر آن است تا ضمن معرفی انواع گلخانه خورشیدی، اصول كاربرد انرژی خورشیدی در طرحهای مختلف, عوامل تأثیرگذار و ویژگیهای اصلی گلخانه خورشیدی مورد بررسی قرار گیرد.

مقدمه

با توجه به محدودیت منابع تولید از جمله خاك مناسب و آب، و وجود عواملی مانند تولید محصول در خارج فصل، پرورش گیاه در مناطقی غیر از رستنگاه طبیعی خود، پیشرس كردن محصولات، صرفه جویی و بهینه كردن مصرف نهاده ها، افزایش عملكرد در واحد سطح و در نتیجه افزایش سود و بهره وری اقتصادی بیشتر، ایجاد زمینه اشتغال مولد برای فارغ التحصیلان جدید كشاورزی و غیره، گسترش و توسعه تولیدات گلخانه ای در نقاط مختلف كشور با حمایت بخش خصوصی و دولتی، طی سالهای گذشته تا به امروز روند شتابان و فزاینده ای داشته است. برغم توفیقات حاصله، متأسفانه به نظر میرسد كه گسترش و توسعه روندد مذكور عمدتا دارای ویژگیهای صرفا كمی بوده و اصول كیفی طراحی و ساخت گلخانه ها كمتر مورد توجه بوده است. به همین دلیل در بعضی نقاط كشور علیرغم استقبال شایان توجه به عمل آمده از این روش، طرحهای گلخانه ای مطابق اهداف و پیشبینی های اولیه طراحان و عاملان آن پیش نرفته و با مشكلات عمده ای روبرو گردیده است. یكی از عوامل اصلی محدود كننده بویژه در مناطق سردسیر كشور، گرم كردن گلخانه و مصرف بالای سوخت و مسائل و مشکلات مربوط به آن میباشد. مصرف زیاد سوخت در گلخانه ها به دلیل طراحی نامناسب و غیر اصولی از یك سو و مشکلات متعدد تأمین آن ( بوروكراسی اداری، توزیع نامناسب یارانه، قیمت بالا، گرانی كرایه حمل، عملكرد نامناسب سیستم توزیع و پرسنل آن و نرسیدن به موقع سوخت در زمان لازم ( از سوی دیگر باعث بالا رفتن هزینه تولید، عدم صرفه اقتصادی و گاهی اوقات ایجاد ضررهای هنگفت مالی و نهایتا استیصال گلخانه دار و توقف كار خواهد شد. بكارگیری ساده فنآوریهای نوین جهت استفاده از انرژی خورشیدی، به عنوان یك منبع مفید، سالم و بی خطر انرژی برای گرم كردن گلخانه های كشاورزی، علاوه بر كاهش قابل توجه مشكلات گلخانه داران و مسئولین ذیربط در رابطه با سوخت، گامی مهم در صرفه جویی مصرف سوختهای فسیلی كشور و حفظ ذخایر آنها برای آیندگان و جلوگیری از آلودگی هوا و محیط زیست خواهد بود.

گلخانه خورشیدی هم در مقیاس كوچك و خانگی و هم در مقیاس بزرگ و تجاری، در طرحهای گوناگون و بوسیله اشخاص و یا گروههای مختلفی از كشورهای مختلف جهان طراحی و ساخته شده و بسیاری از این طرحها موفق بوده اند. با مطالعه انواع طرحهای مختلف و هزینه سداخت آنها میتوان چنین نتیجه گرفت، اگر بدون افزایش فاحشی در هزینه ساخت گلخانه ها، روشی برای كاهش اتلاف حرارتی در شبهای سرد پیدا شود تعداد بیشماری از گلخانه های خورشیدی طراحی و ساخته خواهند شد و كاربرد وسیعی در آینده در سطح كشور پیدا خواهند كرد.

تمام گلخانه ها انرژی خورشید را جذب می كنند. اما گلخانه خورشیدی به گونه ای طراحی میشوند كه علاوه بر جذب انرژی خورشیدی در طول روزهای آفتابی، مقداری از گرما را برای استفاده در شب و یا روزهای ابری در خود ذخیره نمایند. گلخانه های خورشیدی یا بطور مستقل بنا میشوند و یا بصورت الصاقی و پیوسته در كنار خانه ها و انبارها برپا میگردند. یك گلخانه خورشیدی ممكن است یك شاسی زیرزمینی ساده، یك گلخانه آلونك مانند و یا یك گلخانه قوسی شكل باشد. تولیدكنندگان بزرگ از گلخانه خورشیدی مجزا استفاده می كنند در حالیكه گلخانه های الصاقی یا پیوسته اساسا مورد استفاده تولیدكنندگان كوچك و خانگی است. گلخانه خورشیدی غیرفعال به دلیل كارآمدی اقتصادی كه در افزایش فصل رویش دارند، انتخاب مناسبی برای تولیدكننده های كوچك میباشند. در آب و هواهای سردتر یا در مناطقی با دوره های ابری طولانی مدت، ممكن است سیستم حرارت خورشیدی به تنهایی جوابگو نبوده و برای حفاظت گیاهان در مقابل سرماهای سخت احتیاج به یك سیستم گرمایش گازی یا برقی مكمل خواهند داشت. در گلخانه های خورشیدی فعال ، برای جابجایی هوا یا آب گرم شده از منطقه ذخیره انرژی به دیگر نواحی گلخانه، كاربرد یك انرژی مكمل ضروری است. استفاده از سیستم گرمایشی فوتو ولاتیك (برق خورشیدی در گلخانه تنها در صورت تولید انبوه محصول، مقرون به صرفه خواهد بود.

اصول پایه در طراحی گلخانه خورشیدی

گلخانه خورشیدی با پنج ویژگی كلی از گلخانه های عادی مرسوم متمایز میگردند :

• جهت گلخانه و شیب پوششهای شفاف آن برای دریافت حداكثر گرمای خورشیدی در طول زمستان
• استفاده از مواد ذخیره كننده برای حفظ كردن گرمای خورشیدی
• داشتن عایق بندی قوی در قسمتهایی كه تابش مستقیم خورشید ناچیز بوده و یا وجود ندارد
• روشهای مناسب نصب پوششهای شفاف به منظور به حداقل رساندن پرت حرارتی
• تكیه بر تهویه طبیعی برای خنك كردن گلخانه در تابستان

درك درست این اصول در طراحی گلخانه خورشیدی كمك خوبی در طراحی، ساخت و نگهداری سازه های كارآمد انرژی خواهد بود.

انواع گلخانه خورشیدی

گلخانه خورشیدی الصاقی یا پیوسته مانند اتاقی میمانند كه از یك خانه یا انبار غله بیرون زده باشد. این گلخانه ها فضای مناسبی را برای نشاء كردن؛ كاشت گیاهان علفی یا كاشت مقادیر محدودی از گیاهان خوراكی ایجاد می كنند. گلخانه های پیوسته به طور مشخص دارای سیستم غیر فعال خورشیدی میباشند. اما گلخانه های خورشیدی غیرپیوسته گلخانه های بزرگی هستند كه برای تولید تجارتی گیاهان زینتی، سبزیجات یا گیاهان علفی دارای فضای كافی میباشند. دو طرح عمدده برای گلخانه خورشیدی غیرپیوسته مطرح است : مدل آلونكی  و مدل قوسی شكل.  جهت گلخانه های آلونكی به گونه ای است كه محور طولی آن در امتداد شرق به غرب قرار میگیرد. دیوار رو به جنوب برای دریافت بهینه انرژی خورشید باید از مواد شفاف پوشیده شده باشد درحالی كه دیوار رو به شمال جهت جلوگیری از پرت دما باید دارای عایقبندی مناسب باشد. این جهت بندی مغایر با آرایش گلخانه های عادی بوده كه با داشتن سقف شمالی جنوبی موجب میشوند كه نور یكسانی در طی روز به تمام قسمتهای گیاهان بتابد. برای كم كردن اثر تابش غیر یكنواخت نور در گلخانه های شرقی غربی، باید دیوار شمالی را با مواد انعكاسی پوشاند یا رنگ كرد .

گلخانه های كوآنست، گلخانه های متقارن قوسی شكل میباشند. این گلخانه ها بر خلاف گلخانه های آلونكی، در قسمت شمالی خود دارای عایق نمی باشند. استفاده از انرژی خورشیدی در این گلخانه ها شامل عملیاتی است كه موجب بالا رفتن جذب و انتشار گرمای خورشیدی وارد شدده به گلخانه میشود. ذخیره سازی انرژی در این سیستم عمدتا شامل جمع آوری گرمای خورشید در خاك زیر كف گلخانه در پروسه ای به نام انباشت گرمایی زمین  میباشد. درست همانگونه كه دیگر مواد ذخیره گرما مانند آب یا سنگ، گرما را در خود ذخیره می سازند. عایق كاری دیوار گلخانه ها برای به حداقل رساندن اتلاف حرارتی فضای داخل آنها، بسیار حائز اهمیت است. سیستم های جذب گرما و روشهای عایقبندی گلخانه ها مفصلا در بخشهای بعدی مطرح خواهند شد.

جذب حرارت خورشید

دو عامل مؤثر بر مقدار گرمای خورشیدی كه یك گلخانه قادر به جذب آن باشد عبارتند از:

• موقعیت یا مكان گلخانه در برابر خورشید
• نوع مواد شفاف مورد استفاده

جهت خورشید

از آنجاییكه انرژی خورشید در قمست جنوبی یك ساختمان قوی تر از سایر جهات است، پوشش شفاف گلخانه خورشیدی باید درست رو به جنوب باشد. اما اگر درختان، كوهها یا ساختمانهای بلند مسیر خورشید را مسدود كنند، 15 تا 20 درجه انحراف، حدود %90 انرژی جذب شده در صورت قرار گرفتن در راستای جنوب واقعی را فراهم خواهد كرد. ممكن است بواسطه عرض جغرافیایی محل احداث گلخانه و همچنین وجود موانع بالقوه، نیاز باشد كه جهت گلخانه مقدار ناچیزی از جنوب واقعی منحرف شود تا بیشترین انرژی خورشیدی به دست آید . به برخی از تولید كنندگان توصیه میشود كه جهت گلخانه های خود را كمی متمایل به جنوب شرقی تنظیم نمایند تا بیشترین انرژی خورشیدی را در فصل بهار دریافت نمایند بخصدوص اگر گلخانه به منظور تولید نشاءهای اولیه مدنظر باشد.  برای معلوم كردن جهت صحیح احداث گلخانه های خورشیدی در هر منطقه میتوان از برنامه و نمودارهایی كه برای این منظور طراحی شده اند استفاده نمود. برای استفاده از این برنامه ها باید طول و عرض جغرافیایی و منطقه زمانی مكان احداث گلخانه خورشیدی مشخص باشد.

شیب پوشش شفاف گلخانه

علاوه بر جهتگیری شمالی جنوبی، شیب پوشش شفاف گلخانه خورشیدی نیز باید درست در نظر گرفته شود تا بیشترین مقدار از گرمای خورشید جذب گردد. با یك حساب سر انگشتی میتوان با اضافه كردن 10 یا 15 واحد به عدد عرض جغرافیایی محل، زاویه مناسب را بدست آورد. برای مثال، اگر نقطه ای را در 40 درجه عرض جغرافیایی در نظر بگیریم، شیب مناسب برای پوشش شفاف گلخانه باید بین 50 تا 55 درجه باشد .

پوشش شفاف گلخانه

مواد شفافی كه به عنوان پوشش گلخانه خورشیدی بكار میروند باید بیشترین انرژی خورشیدی ممكن را از خود عبور داده و وارد گلخانه نمایند و در عین حال كمترین انرژی را از دست بدهند. به علاوه، برای رشد مناسب گیاه، مواد شفاف باید بتوانند طیف طبیعی پرتوهای فعال فتوسنتزی را به خوبی از خود عبور دهند. شیشه مشجر، پلاستیكهای محكم دو لایه و فایبر گلاس نور را پخش می كنند درحالیكه شیشه تمیز نور مستقیم را عبور میدهد. اگرچه گیاهان داخل گلخانه هم با نور مستقیم و هم با نور غیر مستقیم پخش شده به رشد خود ادامه میدهند ولی سایه اجزای مختلف اسكلت گلخانه در تابش مستقیم نور خورشید باعث عدم یكنواختی رشد اندامهای گیاه میشود. در حالیكه با نور غیرمستقیم پخش شده، سایه اسكلت گلخانه مرتفع و همسان شده و گیاه بطور یكنواخت رشد خواهد كرد.

بسیاری از پوششهای جدید گلخانه در یك دهه اخیر پدید آمده اند. در حال حاضر پلاستیکها با داشتن ویژگیهایی چون قابلیت عدم فرسایش در هوا، داشتن بازدارنده های تجزیه در برابر اشعه ماوراء بنفش، قدرت جذب اشعه مادون قرمز، داشتن سطح ضد شبنم (تجمع قطدرات آب) و قابلیت منحصر به فرد عبور تشعشعات خاص، از متداولترین پوششهای گلخانه ای به شمار میروند .

روش نصب پوشش گلخانه خورشیدی بسته به میزان پرت حرارتی دارد . برای مثال شكاف و سوراخهایی كه در حین نصب ایجاد میشوند باعث هدر رفتن گرما خواهند شد در حالیكه تفاوت فاصله بین دو پوشش بر ابقاء حرارت مؤثر است. برای اسكلتبندی و نصب برخی از پوششهای گلخانه مانند آكریلیكها، باید میزان انبساط و انقباض آنها در هواهای گرم و سرد محاسبه گردد.  به طور كلی، در گلخانه های خورشیدی، به ازاء هر فوت مربع از مساحت كف گلخانه، باید بین 0.75 تا 1.5 فوت مربع پوشش شفاف وجود داشته باشد .

ذخیره سازی گرمای خورشیدی

برای گرم نگهداشتن گلخانه خورشیدی در طول شبهای سرد یا طی روزهای ابری، باید گرمای خورشیدی كه در روزهای آفتابی وارد گلخانه میشود را برای استفاده های بعدی ذخیره نمود. رایج ترین روش برای جذب و انبار كردن انرژی خورشیدی استفاده از تخته سدنگ، بتون یا آب در مقابل تابش مستقیم آفتاب میباشد.

وجود دیوارهای آجری یا سیمانی (با بلوكهای پرشده با خاكستر) ، در قسمت پشت (سمت شمال) گلخانه نیز میتوانند به عنوان منابع ذخیره كننده گرمای خورشیدی عمل نمایند. اگرچه، تنها چهار اینچ بیرونی این مواد، گرما را به طور مؤثر جذب میكنند. همچنین كاشی كردن كف گلخانه با سرامیكهای تیره رنگ باعث جذب و ذخیره سازی مقداری از گرمای خورشیدی میگردد. دیوارهایی كه برای جذب گرما استفاده نمیشوند باید دارای رنگ روشن و یا بازتابی باشند تا گرما و نور مسدتقیم تابیده شده را به داخل گلخانه منعكس نموده و نور را بطور یكنواخت برای گیاهان داخل گلخانه منتشدر نمایند.

مواد ذخیره كننده انرژی

مقدار مواد ذخیره كننده مورد نیاز، بسته به موقعیت جغرافیایی محل گلخانه خورشیدی متفاوت است. اگر گلخانه در نیمكره جنوبی یا عرضهای جغرافیایی میانی قرار داشته باشد، حداقل 2 گالن آب یا 80 پوند سنگ به ازای گرمایی كه از هر متر مربع سطح شفاف گلخانه عبور میكند نیاز است. ولی اگر گلخانه در نیمكره شمالی باشد، برای جذب گرمای وارد شده از هر متر مربع سطوح شفاف گلخانه، 5 گالن آب و یا بیشتر احتیاج خواهد بود.  بطور تقریبی برای هر فوت مربع سطح شفاف گلخانه در دیوارهای جنوبی، سه فوت مربع دیوار آجری یا بلوك سیمانی به قطر 4 اینچ مورد نیاز میباشد.

همچنین برای تعیین مقدار مواد ذخیره كننده مورد نیاز، باید هدف كشت در گلخانه مشخص باشد كه آیا تنها افزایش طول فصل رشد مد نظر است و یا هدف كشت محصول در تمام طول سال است. برای افزایش طول فصل رشد در آب و هوای سرد، به 2.5 گالن آب به ازای هر فوت مربع از سطح شفاف یا تفریبا معادل نصف مقدار مورد نیاز برای تولید در تمام طول سال احتیاج است . اگر آب به عنوان ماده ذخیره گرما مورد استفاده قرار گیرد، مخزنهای 55 گالنی معمولی، تیره رنگ و مات برای این منظور مناسب میباشند. ظروف كوچكتر، مثل كوزه های شیر یا بطریهای شیشه ای، در مناطقی كه زود به زود ابری میشوند مؤثرتر از مخزنهای 55 گالنی برای ذخیره گرما عمل میكنند. ظروف كوچكتر سطح جذب بیشتری داشته و در نتیجه در اثر تابش آفتاب سریعتر انرژی را جذب میكنند. متأسفانه ظروف پلاستیكی بعد از دو یا سه سال در اثر تابش مستقیم آفتاب از بین میروند. ظروف شیشه ای تمیز بهتر از ظروف فلزی تیره رنگ، گرما را دریافت می كنند و تجزیه هم نمیشوند ولی به آسانی میشكنند .

ترامب یك روش ابتكارانه برای جذب و ذخیره گرما بوده و شامل دیوارهای كوتاهی در داخل گلخانه و نزدیك به پنجره های رو به جنوب میباشد. این دیواره ها از طرف جلوی خود (رو به جنوب)  گرما را جذب میكنند، سپس این گرما را از طرف پشت خود (رو به شمال) در گلخانه ساطع مینمایند. یك دیوار ترامب از دیوار سنگ كاری به قطر 8 تا 16 اینچ با روكشی از یك ماده تیره رنگ جذب كننده گرما با یك یا دو لایه شیشه به فاصله 3.4 تا 6 اینچ برای ایجاد یك فضای كوچك هوا میباشد. گرمای خورشیدی از شیشه عبور كرده و جذب روكش تیره رنگ میگردد. این گرما در دیوار ذخیره شده و به آرامی از قمست سنگی به سمت داخل هدایت میشود. با اضافه كردن یك ورقه فویل فلزی و یا یك ماده براق دیگر به قسمت بیرونی دیوار، مقدار جذب گرمای خورشیدی 30 تا 60 درصد بسته به شرایط آب و هوایی افزایش یافته و پرت حرارت از طریق تابش بیرونی كاهش می یابد .

 دیوارهای آبی، شكل دیگری از دیوارهای ترامب میباشند. كه در آنها، ظروف پر از آب بجای بنای سنگی دیوار، مابین پوشش شفاف گلخانه و فضای داخل گلخانه، در مقابل اشعه خورشید قرار میگیرد. به جای شیشه میتوان از لوله های سخت پلاستیكی و یا ظروف محكم دیگر استفاده نمود. قسمت بالایی دیواره ها نیز میتواند به عنوان یك سكو یا نیمكت مورد استفاده قرار گیرد. تا كنون گلخانه های خورشیدی متعددی بر مبنای طرحهای متنوع دیوارهای آبی ساخته شده اند..

برای ذخیره گرما از سنگ هم میتوان به جای آب استفاده نمود. سنگها برای داشتن سطح بالای جذب گرما باید 1 اینچ ضخامت داشته باشند . برای مهار كردن سنگها، میتوان آنها را درون قفس هایی از توریهای فلزی جمع كرد. از آنجاییكه BTU ذخیره گرمایی سنگ خیلی پایینتر از آب میباشد ( 35 در مقابل 63 ) برای فراهم كردن مقدار ذخیره یكسان حرارتی سه برابر حجم آب، سنگ نیاز است. البته سنگها نسبت به آب مقاومت بیشتری در مقابل جریان هوا دارند كه این امر موجب انتقال گرمای كمتر میشود .  هر ماده ای كه برای ذخیره كردن گرما مورد استفاده قرار میگیرد باید در محلی قرار گیرد كه بیشترین میزان گرما را جذب و جمع آوری نماید و كمترین میزان گرما را در ارتباط با هوای اطرافش از دست بدهد . باید توجه داشت كه نباید جرم گرمایی به گونه ای قرار گیرد كه با دیواره های خارجی گلخانه در تماس باشد چرا كه بدین ترتیب به سرعت گرمای خود را به هدر میدهد.

مواد تغییر فاز دهنده   

در گلخانه خورشیدی برای ذخیره گرما میتوان به جای آب یا سنگ از “مواد تغییر فاز” استفاده نمود. با وجود اینكه مواد تغییر فاز معمولا گرانتر از مواد عادی میباشند ولی 5 تا 14 بار بهتر گرما را نسبت به آب و سنگ در خود ذخیره میكنند. بدین ترتیب، وقتی فضای موجود محدود باشد استفاده از این مواد بسیار مفید است. مواد تغییر فاز عبارتند از:

• فسفات سدیم دودكاهیدرات
• تیوسولفات سدیم پنتاهیدرات
• پارافین
• سولفات سدیم دكاهیدرات
• كلرید كلسیم هگزاهیدرات
• اسیدهای چرب

این مواد هنگامیكه از فاز جامد به فاز مایع تبدیل میشوند گرما را جذب و ذخیره مینمایند و سپس وقتی كه به فاز جامد برمیگردند گرمای ذخیره شده را آزاد می كنند. ظرفیت ذخیره گرمای كلرید كلسیم هگزاهیدرات 10 برابر آب میباشد. این مواد معمولا در لوله های سربسته محصور میشوند، كه با بكارگیری تعداد مناسبی از این لوله ها میتوان ذخیره گرمایی لازم را فراهم نمود. به دلیل قابلیدت جذب بالای مواد تغییر فاز، از آنها میتوان به عنوان تعدیل كننده های حرارت گلخانه ها در تابستان استفاده نمود. بیشتر تحقیقات در زمینه استفاده از مواد تغییر فاز در گلخانه ها در اروپا، اسرائیل، ژاپن و استرالیا انجام گرفته است. در اسرائیل با وارد كردن مواد تغییر فاز درون پوششهای شفاف گلخانه باعث افزایش جذب، ذخیره و ماندگاری گرما در گلخانه ها شده اند از طرفی با این كار در روزهای ابری كه مواد تغییر فاز به مایع تبدیل نمیشوند، میزان شفافیت پوشش گلخانه كاهش می یابد . در حال حاضر برخی شركتهای آمریكایی و استرالیایی سیستمهای گرمایش تحت الارضی را با كمك مواد تغییر فاز طراحی و پیاده سازی میكنند.

گلخانه های خورشیدی فعال

در این روش از سیستم “گرمایش تحت الارضی”  یا سیستم “انباشت حرارتی زمین” جهت گرم كردن گلخانه ها استفاده میشود. در این گلخانه ها، هوا، آب و یا مواد تغییر فاز توسط انرژی خورشیدی گرم شده، سپس درون لوله هایی كه در زیر خاك مدفون شده اند جریان می یابند. اگر بنا باشد كه در سیستم گرمایش تحت الارضی از هوای گرم استفاده شود میتوان از لوله های انعطاف پذیر نسبتا  ارزان زهكشی یا فاضلاب با قطر حدود 10 سانتیمتر ( 4 اینچ ) برای این منظور استفاده نمود. لوله های گران قیمت تر و با تیوبهای موجدار، گرمای مؤثرتری را نسبت به لوله های صاف فراهم مینمایند چرا كه سطح تماس بیشتری بین لوله و سطح خاك جهت انتقال حرارت وجود دارد. مساحت قسمت لوله كشی شده باید برابر مساحت كف گلخانه باشد. برای تعیین متراژ لوله های 4 اینچی مورد نیاز باید مساحت كف گلخانه را تقسیم بر دو نمود. در هنگام نصب این لوله ها باید روی آنها را با كفپوشهای سوراخدار پوشاند تا آب وارد خاك اطراف آنها گردد، زیرا خاك مرطوب گرما را بهتر از خاك خشك انتقال میدهد. هوای داغ جمع شده در بالاترین قسمت كف از طریق لوله ها، پایین كشیده شده و وارد شبكه لوله های زیر خاك میگردد. هوای گرم داخل لوله ها، خاك اطراف آنها را در طول روز گرم میكند و در شب، هوای سرد گلخانه وارد شبكه لوله كشی شده و توسط خاك به آرامی گرم میشود و در نتیجه فضای گلخانه گرم میگردد . سیستم گرم كردن ناحیه اطراف ریشة گیاهان كه معمولا با كمك هیترهای آبی گازسوز انجام میگیرد به خوبی میتواند با انرژی خورشیدی منطبق شده و با گرم كردن زمین یا سكوهای داخل گلخانه، فضا گلخانه را گرم نماید. استفاده از سكوهای گرمایش سطحی و لوله های اطراف ریشه، كاربرد وسیعی در گلخانه های مدرن داشته و به آسانی نصب میگردد. یك سیستم گرمایش زمینی ثابت، از یك سری لوله های موازی PVC كه در عمق 12 تا 16 اینچی سیمان منفذدار، ماسه یا شن جاسازی شده اند، تشكیل شده است. آب در یك هیتر خورشیدی بیرونی گرم شده و سپس به وسیله یك پمپ به داخل گلخانه پمپاژ میگردد. آب گرم، داخل لوله ها جریان یافته و كف گلخانه را گرم مینماید. گرم كردن گلخانه در طرح دیگری از گلخانه های خورشیدی فعال، مبتنی بر جذب گرما توسط لوله های پلی بوتیلین مشكی مارپیچ در رأس گلخانه میباشد. لوله های مارپیچ روی یك زمینه مشكی و زیر پوششهای شفاف در معرض نور خورشید قرار میگیرند. آب از مخزنی كه روی كف گلخانه واقع شده است به قسمت لوله های مارپیچ، پمپاژ شده و سپس به مخزن اصلی باز میگردد. آبی كه داخل این لوله های مارپیچی گرم میشود قادر خواهد بود كه آب داخل مخزن را 55 تا 100 درجه فارنهایت در روزهای آفتابی گرم نماید. گرمای ذخیره شده در آب مخزن در گرم شدن هوای گلخانه در شب بسیار مؤثر است. مدیریت عملیات گلخانه نیز در ذخیره گرمای گلخانه مؤثر میباشد. برای مثال یك گلخانه پر، گرمای بیشتری را نسبت به یك گلخانه خالی ذخیره مینماید. تقریبا نیمی از انرژی خورشید برای تبخیر آب از سطح برگ و خاك هدر رفته و قابل ذخیره كردن برای مصرف آینده نمیباشد . گرمای خورشیدی را میتوان بوسیله گرمای حاصل از فرایند تشكیل كمپوست، تكمیل كرد. در این روش علاوه بر افزایش گرمای گلخانه، گاز دی اكسید تولید شده توسط فعالیت میكروارگانیسمهای كمپوست نیز راندمان تولید گیاه را افزایش خواهد داد.

عایقكاری گلخانه

عایقكاری دیوارها و كف گلخانه

عایقكاری مناسب گلخانه, انرژی گرمایی جذب شده ازخورشید را در فضای گلخانه بمدت بیشتری حفظ میكند. استفاده از درزگیرها برای دربها , سوراخها و سایر منافذ جریان هوا, بكارگیری پوششهای شفاف مخصوص و مناسب با سایز پنجره های گلخانه كه ضمن عبور حداكثر نور, انتقال حرارت پایینی دارند, و همچنین استفاده از فومهای پلی یورتان,  پلی استایرن  و فایبرگلاس,  اقدامات كاملا مؤثری برای عایقكاری گلخانه ها میباشد. این مواد جهت كارایی و عملكرد بهتر میبایست در شرایط محیطی خشك نگهداری شوند. استفاده از یك لایه ضد تبخیر پلی اتیلن  مابین دیوارهای گلخانه و عایق حرارتی, در عملكرد عایقها بسیار مؤثر است. قسمتهایی از گلخانه كه فاقد شیشه میباشند, به تناسب محل و شرایط آب و هوایی آنجا میبایست عایقكاری شوند. به عنوان مثال, در منطقه ایلینویس و میسوری  ^، استفاده از عایقهای R-19 و در نیومكزیكو كه هوا سردتر است, استفاده از عایق R-21 در دیوار گلخانه ها توصیه میشود.

 آقای ریچارد نلسون در سازمان سولاروف گاردن,   شیوه جدیدی را برای ایزولاسیون دیوارهای گلخانه ارائه كرده است. در این روش با استفاده از دو ورق شفاف پلاستیک بجای شیشه و استفاده از یدك دستگاه تولید حباب در بین این دو صفحه ورق , یك دیواره عایق با R-20 و بلكه بالاتر برای گلخانه ایجاد میكند. در زمستان و فصلهای سرد, دستگاه تولید حباب در بین دو ورق پلاستیكی, در سمت شمال گلخانه نصب میگردد و در تابستان برای جلوگیری از حرارت بیش از حد خورشدید در سمت جنوب گلخانه بعنوان سایبان استفاده میگردد.  كف گلخانه هایی كه آجر, موزاییك و یا سنگفرش شده اند, بمانند چاهی, حرارت را هدر میدهند و چنانچه مابین زمین و كف گلخانه عایقكاری صورت نگیرد بسرعت گرمای گلخانه از دست میرود. برای مقابله با این اتلاف, در فونداسیون گلخانه از ورقهای عایق به ضخامت 1 تا 2 اینچ استفاده میشود. استفاده از بلوكهای سنگی اسفنجی (دارای خلل و فرج) به ضخامت 4 اینچ در كف گلخانه ها و یا گودالهای به عرض 4 اینچ كه از سنگ ریزه های اسفنجی (مشابه پوكه معدنی) پرشده باشدد, نیدز بسیار موثر و رایج میباشد. اینكار علاوه بر یك عایق مناسب برای كف گلخانه, فرورفتن آب به زمین در حین شستشو و آبیاری را نیز سهلتر میكند .

عایقكاری قسمتهای بیرونی گلخانه

از اقدامات موثر برای جلوگیری از اتلاف انرژی در گلخانه ها این است كه قسمتی از گلخانه در داخل زمین قرار گیرد و یا در سمت جنوب یك تپه بناگردد. برای دستیابی به وضعیت بهتر, بین دیوارهای خارجی میتوان از پوشال و یا عایقهای مشابه آن استفاده نمود. این روش اتلاف حرارت چه در سرمای زمستان و چه در گرمای تابستان را از دیوارها و سطوح خارجی گلخانه كاهش میدهد. همچنین در شرایط هوای بادی و كلا در مناطق بادخیز بسیار مناسب عمل میكند. آنچه در این روش ممكن است به عنوان اشكال در پیش روی سازندگان گلخانه قرارگیرد, ورود نم ناشی از آبهای زیر زمینی از كف و یا تراوش رطوبت از منافذ دیوارهای گلخانه میباشد. برای كاستن و بلكه جلوگیری از نفوذ آب از كف میبایست چنین گلخانه هایی در مناطقی ساخته شوند كه حداقل 5 فوت بالاتر از سطح آبهای زیرزمینی باشد و برای جلوگیری از ورود رطوبت از دیوارها میبایست دورتادور گلخانه را به منظور جمع آوری مستقیم آب با حفر خندق, زهكشی نمود. استفاده از مواد ضد آب و یا خاك رس در دیوارها و كف چنین گلخانه هایی توصیه میشود. این شیوه گلخانه ها در انجمن بنسون دانشگاه بریگهام یانگ به عنوان یك شیوه نیمه سنتی در حال تحقیق و گسترش میباشد .

در یك گلخانه آنچه موجب ورود نور و انرژی خورشید به گلخانه میشود, پوشش شفاف آن میباشد. اما از طرفی همین سطوح شفاف نیز بیشترین سطوح تلفات حرارتی در یك گلخانه بحساب می آیند. همانطور كه پیش از این نیز اشاره شد, افزایش مقدار R جهت ایزولاسیون سطوح شفاف گلخانه, اغلب موجب كاهش ورود نور خورشید به گلخانه میگردد. لذا در هنگام انتخاب نوع پوششهای شفاف می بایست به دنبال موادی باشیم كه هم میزان عبور نور از آن و هم مقدار R (عایق بودن) آن خوب باشد. برای مثال ورقهای شفاف پلی اتیلن كه با عناوین ورق های IR یا ورق های حرارتی شناخته میشوند هر دو خاصیت مذكور را دارا میباشند. به این صورت كه استفاده از یك یا دو ورقه شفاف پلی اتیلن بر روی شیشه گلخانه، حدود %50  تلفات حرارتی را كاهش میدهد. همچنین با استفاده از دو ورق شفاف پلی اتیلن كه بین آنها توسط فن كوچكی هوا دمیده میشود تا یك عایق هوایی را بوجود آورد میتوان تا %40  اتلاف انرژی را كاهش داد.  استفاده از پرده در گلخانه موجب محدود شدن تلفات حرارتی پوششهای شفاف در طول شب و روزهای ابری میشود. بطوریكه بر اساس مطالعات انجام شده استفاده از یك پرده پلی استایرن به ضخامت 2 اینچ موجب كاهش اتلاف تا %90  در مقایسه با زمان فقدان پرده می شود. در گلخانه هدای كوچك كه نیروی انسانی همیشه در دسترس بوده و یك معضل بحساب نمی آید، گشودن این پرده در شب و بستن آن در صبح هر روز بصورت دستی امكانپذیر میباشد. البته استفاده از گیره های آهنربایی و یا استفاده از كابل و قرقره, باز و بسته كردن پرده ها را راحتتر می كند. اكثر سازندگان چنین پرده هایی ترجیح میدهند جهت كم درد سر كردن باز و بسته شدن آن، هنگام بستن پرده آن را بصورت رول در بالای شیشه و نزدیك سقف گلخانه نگه دارند.

 سیستم تهویه هوای گلخانه خورشیدی

بطور كلی سیستم تهویه هر بنایی به نحوی طراحی و ساخته میشود كه بتواند در زمستان به فضا هوای گرم بدهد و در تابستان هوای گرم را دفع كند. تهویه هوا در رشد و نمو گیاهان یك گلخانه به لحاظ مناسب بودن میزان دی اكسید كربن و شدت رطوبت, امری بسیار مهم و حیاتی بحساب می آید. برای این منظور, جهت تامین هوای مناسب مورد نیاز گیاهان, هوای درون گلخانه می بایست حدودا 2 بار در دقیقه تعویض گردد. (این میزان برای یك خانه مسكونی حدود 1.5 بار در دقیقه میباشد ) .  به این ترتیب بطور ساده, شدت جریان هوای مورد نیاز یك گلخانه معادل دو برابر حجم گلخانه در دقیقه برآورد میگردد كه این میزان فوت مكعب در دقیقه یا CFM هوا مورد نیاز را خواهد داد و به كمك آن میتوان ظرفیت كولر آبی مورد نیاز آن گلخانه را مشخص نمود.

ذیلا به برخی از انواع روشهای تهویه هوا در گلخانه خورشیدی اشاره ای خواهیم داشت:

• تعبیه دریچه هایی مشابه بادگیر در سقف و دیوارهای جانبی گلخانه, میتواند ایجاد یك تهویه طبیعی را در گلخانه در پی داشته باشد. به این صورت كه دریچه های روی دیوارهای جانبی اجازه ورود هوای خنك به داخل را میدهد و دریچه های سقفی هوای گرم را از سقف گلخانه خارج مینماید. چنین تهویه ای نیازمند دمش برای ایجاد چرخش هوا میباشد. روزهایی كه باد برای ایفای این امر نمیوزد, استفاده از فن در گلخانه لازم میباشد. مساحت این دریچه ها میبایست حدود یك پنجم تا یك ششم مساحت گلخانه باشد.
• یك روش جالب و ساده دیگری كه برای تهویه گلخانه ها میتوان بكار گرفت, استفاده از دودكشهای خورشیدی است. این دودكشها در وسط سقف گلخانه و در بالاترین قسمت آن نصب شده و ورودی آن در طرفین داخل گلخانه میباشد. نحوه عمل بطور ساده بدین صورت است كه هوای گرم را از داخل گلخانه به درون خود میكشد و توسط یك خروجی كه در سقف گلخانه تعبیه شده به بیرون تخلیه میكند. علت این امر گرمای قسمتی از دودكش است كه موجب ایجاد اختلاف فشار شده و هوای داخل گلخانه را میمكد. بمنظور افزایش شدت جریان هوا ناودانی دودكش را از داخل رنگ مشكی میزنند. برای ایجاد مكش بهتر, یك توربین كوچك نیز در بالای دودكش قرار میگیرد تا هوای گرم گلخانه را با قدرت بیشتری به بیرون بمكد.

• استفاده از موادی كه انرژی حرارتی را در خود ذخیره میكنند, جهت خنك نگهداشتن گلخانه در تابستان و گرم نگهداشتن آن در زمستان بسیار مفید و مؤثر میباشند. به این صورت كه چون این مواد جذب كننده خیلی خوب گرما میباشند, زمانی كه خورشید تابان و درخشان است, عمده انرژی را جذب و بخش كمی از آن را منعكس می كنند. و در مقابل هنگامیكه خورشید غروب میكند, حرارت ذخیره شده خود را به فضای داخل گلخانه پس داده و موجب گرمایش طبیعی گلخانه میگردند.
• استفاده از سایبان در خارج گلخانه میتواند در جلوگیری از افزایش بیش از حد گرمای گلخانه و در نتیجه تعادل دمای داخل و خارج موثر باشد. سایه انداختن با درختان تنومند و پر شاخه و برگ پیشنهاد نمیشود. مراجع قدیمی طراحی گلخانه های خورشیدی، با دلیل و برهان ثابت كرده اند كه درختانی كه برگ ریز هستند، در تابستان سایه مناسبی برای گلخانه ایجاد میكنند و در زمستان نیز پس از برگ ریزان درخت، عمده نور خورشید را از خود عبور داده و به گلخانه میرسانند. اما آنچه در مطالعات اخیر پژوهشگران این حوزه میتوان یافت این است كه درختان برگ ریز، حتی زمانیكه كل برگهایشان ریخته باشد، بیش از %40 نور خورشید را در شاخه های خود جذب میكنند كه این در زمستان به هیچ وجه مطلوب نمیباشد.
• استفاده از سیستمهای خنك كاری خورشیدی (هواساز خورشیدی) و همچنین دستگاه های فوتوولتاییك (برق خورشیدی) جهت كولرهای آبی نیز برای گلخانه های خورشیدی امكان پذیر است كه نسبت به روشهای قبل پرهزینه و پیچیده تر میباشند.

نتیجه گیری

با وارد كردن راهكارهای جدید عایقكاری، ذخیره سازی انرژی گرمایی در مواد، استفاده از شیشه های با تكنولوژی جدید و استفاده از برخی تكنیكهای ساده و كار آمد دیگر میتوان گلخانه های خورشیدی سنتی را كه سالهاست در كشورهای پیشرفته متداول میباشد به یك سطح راندمان و بهره وری مطلوب و مناسب رسانید و به كمك انرژی لایزال خورشید، بهبود چشمگیری را در كاهش مصرف سوختهای فسیلی در گلخانه ها ایجاد نمود.

تهیه کنندگان : سيد احمدرضا فخارزاده و محمدرضا نبيفر

شما عزیزان همچنین میتوانید با مراجعه به پستهای زیر مطالب مفید دیگری در مورد گلخانه را مطالعه نمایید .

اصول سرمایشی در گلخانه

اصول مدیریت گلخانه

توصیه های فنی مراحل احداث گلخانه