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 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.

محدودیت آب و خاک، ازدیاد جمعیت، افزایش نیاز به مواد غذایی، استفاده بیشتر از زمان و … توجه دانشمندان را به این نکته معطوف ساخته است تا کمبود غذا را با افزایش محصول در واحد سطح جبران نمایند.
یکی از تکنیک های جدید در ایران بهره برداری از کشت های گلخانه ای است. در سال 1394 از کل سطح باغ های کشور ( اعم از غیر بارور و بارور ) حدود 8هزار هکتار به محصولات گلخانه ای اختصاص داشته که از این مقدار 100درصد آن مربوط به سطح بارور بوده است که در برنامه چشم انداز 48 هزار هکتار سطــح زیر کشــت گلخانه ها خواهد بود. با توجه به اهمیت توسعه گلخانه ها و ماهیت تولید خارج از فصل در گلخانه ها، ضروری است که شرایط محیطی ایده آل گیاه بطور مصنوعی در گلخانه تامین گردد. یکی از مهمترین پارامترهای محیطی گلخانه، تامین دمای مناسب برای رشد گیاه می باشد که اتفاقا بیشترین نیاز را به صرف انرژی دارد. محققین با مطالعه نقش اقلیم در طراحی گلخانه ها، پارامتر دما و کنترل آن در گلخانه را یکی از پارامترهای مهم در گلخانه ها دانسته اند که نقش اساسی در اقتصادی بودن تولید می تواند داشته باشد. 

وی در مطالعه ی خود ارومیه را به عنوان یکی از نقاط کوهستانی کشور، مورد مطالعه قرار داده و گزارش نمودند که به منظور تولید بهتر در گلخانه ها از یک طرف و اقتصادی بودن تولید از طرف دیگر لزوم توجه به مصرف انرژی به ویژه انرژی سوخت های فسیلی بسیار حائز اهمیت است. به همین منظور بیشتر گلخانه های مدرن دارای سیستم های گرمایش و سرمایش می باشند. هرچند این چنین واحدهای کنترل محیط، انرژی زیادی مصرف می کنند. منابع این انرژی های یا بر پایه سوختهای فسیلی هستند یا به طور غیر مستقیم از مصرف آنها بدست می آیند. بنابراین سود راهبری گلخانه از افزایش قیمت جهانی انرژی تاثیر می پذیرد. از طرفی عوامل متعددی از جمله بحران انرژی، مسائل زیست محیطی استفاده از سوخت های فسیلی و بویژه مشکلات اقتصادی ناشی از کاهش یارانه حامل های انرژی، باعث شده که تمرکز بر استفاده بهینه از سوخت و جایگزین کردن سایر منابع انرژی به منظور تامین گرمای گلخانه ها در دستور کار قرار گیرد.

با وجود اینکه گلخانه یک محیط بسته می باشد ولی کاملا از محیط بیرون ایزوله شده نیست. بنابراین شرایط داخل گلخانــه تحت تاثیر تغییرات آب و هوائــی بیرون دائما تمایل به تغییر دارد. دمای هوای بیرون، طول روز، شــدت نور خورشــید و رطوبت هوا ساعت به ســاعت، روز به روز و فصل به فصل در حال تغییر اســت. برای جبران این اثرات لازم اســت تجهیزات کنترلی متعددی در گلخانه نصب و تعبیه شوند. یکی از این تجهیزات سیستم گرمایش می باشد. سیستم گرمایشی گلخانه باید دارای دو ویژگی باشد:

۱- حرارت مورد نیاز در سردترین شب سال را تعیین کند.
۲- حرارت را در سراسر گلخانه به صورت یکنواخت پخش کند تا باعث کاهش بیماری ها، رشد مناسب گیاه و افزایش کارایی حرارت شود.
برای انتخاب سیستم گرمایشی گلخانه در اولین قدم باید اطلاع دقیق از میزان گرمای مورد نیاز داشت. گرمای مورد نیاز می بایست برای سردترین زمان در طول سال در نظر گرفته شود. برای محاسبه ی میزان گرمای مورد نیاز برای گرم کردن گلخانه، باید میزان اتلاف گرما از گلخانه را محاسبه کرد. مقدار گرمای لازم برای گرم کردن گلخانه برابر مقدار گرمای تلف شده از گلخانه است. بارهای حرارتی به بخش های زیر تقسیم می شوند:

• بارهای انتقالی شامل: انتقال حرارت از دیواره ها، جداره های گلخانه و زمین
• بارهای تابشی شامل: انتقال حرارت از طریق پنجره ها، سقف و محیط
• بارهای داخلی شامل: انتقال حرارت از سیستم های از روشنایی ها، سیستم های حرارتی، افراد و فعالیت های بیولوژیکی گیاه
• بارهای ناشی از نفوذ هوا
میزان افت حرارت بایستی برای بحرانی ترین شرایط محاسبه گردد. بحرانی ترین زمان برای تامین گرمای مورد نیاز گلخانه ها در نیمه های شب یا سپیده دم روزهای سرد زمستانی می باشد. در این زمان انرژی های مربوط به تابش خورشید، تولید حرارت از سیستم های روشنایی و افراد موجود نبوده و انتقال حرارت ناشی از فعالیت بیولوژیکی گیاهان بسیار ناچیز بوده است (و یا در جهت افزایش دمای گلخانه) می باشد.

توجه به این امر می توان اتلاف حرارت را فقط از سه طریق سطح پوشش و کف گلخانه، محیط کف و تعویض هوای گلخانه صورت می گیرد. با توجه به این مطلب، مقدار حرارت از دست رفته از گلخانه بستگی به نوع پوشش گلخانه، مساحتی از گلخانه که در معر هوا است، سرعت باد، وضعیت گلخانه (از نظر نو بودن یا کهنه بودن و داشتن درز زیاد در محل های اتصال و یا شکسته بودن شیشه)، دمای بیرون گلخانه و دمای مورد نیاز برای گیاه مورد نظر دارد. به همین منظور در ادامه، ارایه محاسبات گرمایش گلخانه مربوط به برآورد میزان حرارت لازم در گلخانه ها با استفاده از معادلات اساسی سیالات و انتقال حرارت صورت گرفته است. 

۲- مواد و روش ها برای سیستم گرمایشی گلخانه

کلیه پایه و اساس طراحی تمام سیستم های حرارتی و برودتی انتقال حرارت است. این پدیده به علت اختلاف درجه حرارت بین دو جسم رخ می دهد. به طور کلی هرگاه اختلاف دمایی بین دو جسم مجاور وجود داشته باشد، حرارت از جسم با درجه حرارت بالاتر به جسم با درجه حرارت پایین تر منتقل می شود. مکانیزم این انتقال به یکی از سه روش هدایت(Conduction)، جابجایی (Convection)، تابشی (Radiation) و یا ترکیبی از آنها صورت می گیرد.

بارهای انتقالی به درجه حرارت هوای خارج و ضریب هدایت حرارتی جداره های خارجی بستگی دارند. در یک سازه معین و با ضریب هدایت حرارتی ثابت؛ این بارها فقط به دمای خارج وابسته خواهند بود به طوری که با بیشتر شدن درجه حرارت هوای خارج از دمای گلخانه (داخل)، گرما از بیرون و توسط جداره های خارجی به محیط داخلی انتقال می یابد و با کمتر شدن درجه حرارت هوای خارج از دمای داخل؛ گرما از محیط داخلی به بیرون منتقل می شود. بنابراین فضاهایی از سازه که در جداره خارجی قرار دارند، در تابستان ها از طریق بارهای انتقالی گرم و در زمستان ها سرد می شوند. به همین علت مهمترین روش اتلاف حرارت در گلخانه های پلاستیکی از طریق هدایت یا رسانایی در گلخانه است که تحت تاثیر پوشش گلخانه، تفاوت دمای بین داخل و خارج گلخانه و مقاومت کل در مقابل انتقال حرارت تعیین می شود که برای جبران آن بایستی از سیستم گرمایشی گلخانه استفاده کرد. تجهیز گلخانه ها به سیستم گرمایشی گلخانه ، از اصلی ترین قدم ها در تولید محصولات خارج از فصل می باشد. مهمترین معیار برای انتخاب سیستم گرمایش توان گرمایشی آن است. توان گرمایشی این سیستم بایستی برای کنترل دمای گلخانه در بازه ی زمانی مورد نیاز، با توجه به نوسان پارامترهای اقلیم منطقه، کافی باشد. لذا در این بخش برای برآورد گرمای لازم در یک گلخانه می توان موازنه زیر را نوشت:

مقدار اتلاف گرما = مقدار گرمای مورد نیاز

اتلاف گرما در زمان مورد نظر شامل:
۱- انتقال حرارت از پوشش دیواره های جانبی و انتهایی، سقف و کف زمین
۲- انتقال حرارت به واسطه تعویض هوا
۳- انتقال حرارت از محیط کف گلخانه

ذکر این نکته ضروری است که مبنای محاسبات انجام شده بر پایه سیستم واحدهای FPSمی باشد. معمولا اتلاف حرارت بر حسب واحد (BTU) British Thermal Unit محاسبه می گردد که عبارتست از:

مقدارگرمای لازم تا دمای یک پوند آب را یک درجه فارنهایت افزایش دهد و برابر با 252کالری می باشد. معادلات انتقال حرارت تنها دارای سه متغیر مساحت، جنس سطح و مقاومت حرارتی اختلاف درجه حرارت داخل و بیرون مهم است. هریک از این متغیرها دارای عواملی هستند که می توانند در جذب یا دفع هدایت حرارتی موثر باشند. با توجه به موارد فوق الذکر مقدار اتلاف حرارت کل عبارتست از:

q = Cc (|qs| + |qp| + |qi|)

qs: انتقال حرارت از پوشش دیوارههای 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

• سیستم‌ گرمایشی‌ گلخانه و نحوه محاسبات آن – قسمت 2

محصولات پیشنهادی:

انواع هیترهای گرمایشی

انواع تجهیزات هوشمندسازی

دستگاه آبیاری از راه دور