سیستم گرمایشی گلخانه و نحوه محاسبات آن – قسمت 2
برآورد ظرفیت بهینه‌ی حرارتی مورد نیاز سردترین زمان سال از طریق محاسبه اتلاف حرارتی، جهت انتخاب سیستم گرمایشی گلخانه
سطح زیر کشت تولیدات گلخانه ای در ایران گسترش چشم گیری داشته است. بخش عمده ای از این گلخانه ها در مناطق سرد و معتدل با زمستان های نسبتا سرد قرار گرفته اند، که برای تولید محصول در پاییز و زمستان نیازمند تامین گرما با استفاده از سوخت و مصرف انرژی می باشند. به همین منظور برآورد ظرفیت بهینه حرارتی مورد نیاز برای سردترین زمان سال از طریق معادلات اساسی انتقال حرارت و مکانیک سیالات موجود در منابع علمی و صنعتی انجام گردید. در این مقاله روش محاسبه اتلاف حرارت به واسطه سطح پوشش، کف زمین، محیط و تعویض هوا با در نظر گرفتن شرایط اقلیم منطقه و دمای مطلوب در سیستم گرمایشی گلخانه مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه سردترین زمان سال، در نیمه های شب و یا سپیده دم روزهای سرد زمستانی می باشد و این زمان بحرانی ترین شرایط برای سیستم گرمایشی گلخانه می باشد، لذا بیشینه ی نیاز حرارتی گلخانه با استفاده از معادله های U.A.(Ti-To)=qi برای محاسبه اتلاف حرارت از پوشش ها P.L.(Ti-To)=qp برای محاسبه اتلاف حرارت از محیط کف و (Ti-Tο).qi=V.n.Cp.ρ برای محاسبه اتلاف حرارت به علت تعویض هوا در این شرایط صورت گرفت. بر این اساس افت حرارت کلی گلخانه از مجموع اتلاف حرارت هایی که ذکر گردید و با استفاده از ضرایب اصلاحی مربوط به شرایط اقلیم منطقه (مانند ارتفاع از سطح دریا، جرم مخصوص هوا، دمای سردترین شب سال و سرعت متوسط باد در منطقه، اختلاف دمای بین داخل گلخانه و طرح خارج) محاسبه گردید.
نتایج بررسی نشان دهنده اهمیت انتخاب صحیح پارامترها و ضرایب انتقال حرارت در بدست آوردن مقدار بهینه ی انتقال حرارت می باشد.
1-2- انتقال حرارت از پوشش دیواره های جانبی، سقف و کف زمین
هرگاه تفاوت دما بین دو طرف یک دیوار (سطح) وجود داشته باشد، حرارت از میان لایه های سطح از منطقه ی گرمتر به سوی منطقه سردتر حرکت می کند تا به عدم تعادل حرارتی، تعادل بخشد. مقدار جریان حرارتی بستگی به خصوصیات مواد تشکیل دهنده لایه های جسم دارد، که به نام ضریب هدایت حرارتی خوانده می شود. ضریب هدایت حرارتی عبارتست از میزان جریان حرارت (در واحد زمان) که از یک سطح به سطح دیگر جسم در واحد سطح (یک فوت مربع) انتقال یابد، به طوری که یک واحد تفاوت حرارتی میان آن دو بوجود آید. واحد این ضریب در سیستم انگلیسی، BTU/hr.Ft2.F می باشد.
CS: ضریب اصلاح تاثیر اسکلت سازه بر روی پوشش که در جدول 3 است.
qi: مقدار جریان انتقال حرارت از هر سطح
qi=1/R.A.(Ti-Tο)
مقاومت حرارتی که با حرف Rمشخص میشود، عکس ضریب هدایت حرارتی است بنابر این میتوان با استفاده از ضریب هدایت حرارتی معادله زیر نوشت:
qi=U.A.(Ti-Tο)
qi: مقدار جریان انتقال حرارت از هر سطح
A: مساحت سطح انتقال حرارت (Ft²)
Ti:دمای هوای داخل (℉)
To: دمای هوای خارج (℉)
R=1/U: مقاومت حرارتی سطح مورد نظر
لازم به ذکر است معادلات داده شده مربوط به برآورد ظرفیت حرارتی سیستم گرمایشی گلخانه در سردترین زمان سال است. سردترین دمای منطقه را می توان از پایگاه های رسمی هواشناسی در بازه زمانی مورد نظر استخراج نمود. اگر نیاز به آگاهی از اتلاف حرارتی در روز باشد با توجه به تابش خورشید به اتلاف حرارتی دیوارهای شمالی و شرقی 10درصد و به دیوارهای غربی 5درصد اضافه می کنیم.
باید دانست زمین را ظرف خیلی خوبی برای حرارت می توان در نظر گرفت؛ زیرا می تواند مقادیر زیادی حرارت جذب کرده یا از دست بدهد بدون آنکه تا فاصله ی 8فوتی سطح زمین تغییر دمای قابل ملاحظه ای داشته باشد. بالاتر از این عمق هرچه به سطح زمین نزدیک تر می شود، تغییرات دمای خاک تحت تاثیر دمای هوای خارج بیشتر می گردد. لازم به ذکر است دمای زمین را می توان بر حسب دمای محیط خارج از جداول هندبوک Carrierاستخراج کرد. بدین منظور جدول ۲ ارایه شده است. رابطه ی آن به شکل زیر می باشد:
qi=0.05 .A . (Ti-Tg)
qi: مقدار جریان انتقال حرارت سطح زمین
A: مساحت کف گلخانه(Ft²)
Ti:دمای هوای داخل (℉)
Tg: دمای هوای زمین (℉)
با توجه به اینکه بخش قابل توجهی از پوشش روی گلخانه با اسکلت فلزی در تماس می باشد (به ویژه در گلخانه های فلزی) می بایست اتلاف حرارت از این سطح، در نظر گرفته شود؛ لذا ضریب انتقال حرارت این سطح، در مقدار بدست آمده ی انتقال حرارت از طریق پوشش ها لحاظ می گردد. ضرایب مربوط به سازه های معمول در صنعت گلخانه سازی، با توجه به استاندارد گلخانه ساز های آمریکا (NGMA)در جدول 3 ارایه شده است.
۲-۲- انتقال حرارت از محیط کف گلخانه در سیستم گرمایشی گلخانه
افت حرارتی به واسطه محیط گلخانه نیز باید به سایر تلفات اضافه شود.
در جدول 4 ثابت افت حرارتی محیط گلخانه های عایق بندی شده و عایق بندی نشده ارایه شده است، که از معادله زیر محاسبه خواهد شد
qp = P . L . (Ti – To)
p: ثابت افت حرارتی که مقدار آن با توجه به مقادیر ارایه شده در جدول ۴ تعیین می گردد.
L: آطول آن قسمت از محیط کف که در معر هوای خارج قرار دارد (Ft)
Ti: دمای هوای داخل (℉)
To: دمای هوای خارج (℉)
۳-۲- انتقال حرارت به واسطه تعویض هوا در سیستم گرمایشی گلخانه
نفوذ هوا به داخل ساختمان همواره یکی از طرق مهم دفع حرارت در زمستان می باشد. بارهای ناشی از نفوذ هوا در تابستان گرمازا بوده و در زمستان موجب انتقال سرما به داخل ساختمان می شوند. مقدار هوای نفوذی بستگی دارد به میزان هوابند بودن درب ها، پنجره ها، ارتفاع سازه، کیفیت اجرا و نصب سازه، جهت و سرعت وزش باد یا مقدار هوایی که برای تهویه یا تعویض در نظر گرفته می شود. با ورود هوای خارج مقداری از حرارت داخل به صورت گرمای نهان در اثر اختلاف رطوبت نسبی داخل و خارج و مقداری نیز به صورت گرمای محسوس ناشی از اختلاف دماهای خشک داخل و خارج، تلف می گردد. در محاسبات حرارت مرکزی، در صورتی که رطوبت زنی صورت نگیرد، تنها بار گرمایی محسوس هوای نفوذی منظور می گردد.
محاسبه حجم هوای ورودی به داخل از دوروش “درزی” و “حجمی” انجام می گردد که در این مقاله با توجه به نوع سازه روش حجمی تشریح می شود. در این روش مقدار هوای نفوذی بر پایه تعداد دفعاتی که در مدت یک ساعت، هوای اتاق با هوای تازه تعویض می شود، برآورد می گردد. باید توجه نمود که تعداد دفعات تعویض هوا (n) مناسب برای گلخانه های با شرایط مختلف در جدول 5 آورده شده است. از طریق معادله زیر، مقدار بار حرارتی از طریق نفوذ، محاسبه می شود.
qi = V . n . cp . ρ . (Ti – To)
qi: بار حرارتی نفوذی
V:حجم محل مورد نظر
n: تعداد دفعات تعویض هوای اتاق در ساعت از جدول ۵
Cp: گرمای ویژه هوا در فشار ثابت که برابر ۰/۲۴۱ می باشد.
ρ:جرم مخصوص هوا با توجه به ارتفاع از سطح دریا و دمای منطقه مورد نظر تعیین می گردد که در ادامه به روش محاسبه ی آن در شرایط غیر استاندارد توضیح داده شده است.
Ti: دمای مورد نظر داخل (℉)
To: دمای سرد مورد نظر ( ℉)
برای محاسبات گرمایشی گلخانه مقدار جرم مخصوص هوا در شرایط غیر استاندارد ابتدا مقدار آن در شرایط استاندارد در نظر گرفته میشود. شرایط استاندارد عبارتست از دمای 70درجه فارنهایت در سطح دریا که در این شرایط چگالی هوا ۰/۰۷۵lb/Ft³است. از رابطه زیر بر پایه چگالی استاندارد هوا (۰/۰۷۵lb/Ft³) و ضرایب تصحیح برای دما و ارتفاع استفاده میشود.
ρ = 0 075 × CT × CE
Cτ: ضریب تصحیح دما
Cτ=530/460+Tο
Cο: ضریب تصحیح دمای هوای خارج (℉)
CE: ضریب تصحیح ارتفاع
Cτ=30-(h/1000) / 30
h: ارتفاع از سطح دریا (Ft)
۴-۲- اتلاف‌حرارت‌کل
پس از محاسبه موارد فوق، مقدار اتلاف حرارت کل عبارتست از:
q = Cc (|qs| + |qP| + |qi|)
qs: انتقال حرارت از پوشش دیواره های جانبی و انتهایی، سقف و کف زمین
qp: انتقال حرارت از محیط کف گلخانه
qi: انتقال حرارت به واسطه تعویض هوا
Cc:ضریب اصلاحی مربوطه به سرعت متوسط باد و اختلاف دما میباشد.
و (1973)Duncanو NGMA و Walkerو پیشنهاد داده اند با توجه به اینکه کلیه مقادیر اتلاف گرما که تا کنون محاسبه گردیده است متعلق به شرایط استاندارد با اختلاف دمای 70درجه فارنهایت و سرعت متوسط باد 15 mph می باشد؛ بنابراین برای گلخانه ای با ساختمانی با دما و شرایط باد متفاوت، نیاز حرارتی متفاوتی نیز خواهد بود Both به منظور محاسبه ضریب اصلاحی Cc روش زیر را ارایه کرده است:
Cc = 1 + (CΔT +CW)
برای اختلاف دمای بیش از 70درجه فانهایت، به ازای هر 5درجه فارنهایت افزایش دما 0/08درصد افزایش در نظر گرفته میشود.
CΔT=A×0.08
A=(Vw-15)/5
Vw: سرعت متوسط باد (mph) میباشد.
سرعت متوسط باد در منطقه مورد نظر را میتوان از پایگاههای رسمی هواشناسی در بازه زمانی مورد نظر استخراج نمود.
۳- نتیجه گیری
با توجه به محاسبات ارایه شده می توان گفت:
افت حرارت کلی گلخانه از مجموع اتلاف حرارت به وسیله معادله زیر محاسبه می شود:
و با استفاده از ضرایب اصلاحی (به علت در نظرگیری شرایط اقلیم منطقه، مانند ارتفاع از سطح دریا، جرم مخصوص هوا، دمای سردترین شب سال، سرعت متوسط باد در منطقه و اختلاف دمای مد نظر برای داخل گلخانه و طرح خارج محاسبه گردید. بیشینه ی نیاز حرارتی گلخانه با استفاده از معادله های (qi=U.A.(Ti-To برای محاسبه اتلاف حرارت از پوشش های گلخانه و (qp=P. L. (Ti – To برای محاسبه اتلاف حرارت از محیط کف گلخانه و (qi=V. n. cp. ρ. (Ti – To برای محاسبه اتلاف حرارت به علت تعویض و نفوذ هوا در این شرایط صورت
گرفت. با توجه به معادلات می توان بیان کرد، که انتخاب دقیق پارامترها، از جمله ضرایب انتقال حرارت و ضرایب اصلاحی و همچنین پارامترهای مربوط به اقلیم از جمله دمای هوا و سرعت متوسط باد نقش مهمی در بدست آوردن مقدار بهینه اتلاف حرارت و در نتیجه انتخاب سیستم گرمایشی گلخانه دارد.
- با در نظر گرفتن ضرایب و بررسی معادلات می توان گفت عایق بندی و رفع نقاط نشتی هوا (به ویژه در گلخانه های فشار منفی)
به کاهش اتلاف حرارتی می انجامد. - با توجه به مقدار اتلاف حرارتی از سطح پوشش ها، می توان با استفاده از پوشش هایی با ضریب هدایت حرارتی کمتر به
کاهش اتلاف حرارت و در نتیجه کاهش هزینه های سرمایه گذاری گلخانه ها دست یافت. - با کاهش اتلاف حرارت و انتخاب سیستم گرمایشی گلخانه با ظرفیت بهینه حرارتی، منتج به کاهش مصرف سوخت و در نهایت کاهش هزینه های تولید گردد. بدیهی است این امر در تولیدهای خارج از فصل و یا مناطق سرد سهم بیشتری را ایفا می کند.
- تجربه نشان داده است که در مورد سازه هایی که کف آنها مستقیما روی سطح زمین قرار می گیرد، در فصل زمستان، اتلاف حرارت بیشتر با محیط کف متناسب است تا با سطح کف، از این رو در مناطق سرد برای کاهش اتلاف حرارت از کف واقع بر روی سطح زمین، بهتر است محیط کف را به نحو موثری عایق کاری نمود. به عنوان مثال، کاهش سطح مرتبط به محیط آزاد، انتقال حرارتی را کاهش میدهد. از جمله عوامل دیگر عبارتند از: کم کردن نسبت سطح به حجم (بوسیله متراکم و یکپارچه ساختن فرم سازه) و تقلیل سطوحی از پوشش سازه که حرارت را سریع انتقال می دهند. در طراحی مجموعه های گلخانه ای متصل به هم نیز، کاهش سطح خارجی هر واحد نسبت به حجم آن مهم است.
باید در نظر داشت با توجه به اینکه سیستم گرمایشی گلخانه ، راندمان احتراق و گرمایشی مختص به خود را داراست، می بایست این راندمان در برآورد نهایی ظرفیت اتلاف حرارتی در نظر گرفته شود و انتخاب تجهیز بر اساس آن صورت گیرد.
محصولات پیشنهادی:
