گلخانه های خورشیدی راهکاری مناسب برای بهینه سازی مصرف سوخت در کشاورزی
سيد احمدرضا فخارزاده (كارشناس ارشد كشاورزي)
محمدرضا نبی‌فر (كارشناس ارشد مكانيك)
مقدمه
با توجه به محدوديت منابع توليد از جمله خاك مناسب و آب، و وجود عواملي مانند توليد محصول در خارج فصل، پرورش گياه در مناطقي غير از رستنگاه طبيعي خود، پيشرس كردن محصولات، صرفه‌جويي و بهينه كردن مصرف نهاده‌ها، افزايش عملكرد در واحد سطح و در نتيجه افزايش سود و بهره‌وري اقتصادي بيشتر، ايجاد زمينه اشتغال مولد براي فارغ التحصيلان جديد كشاورزي و غيره، گسترش و توسعه توليدات گلخانه‌اي در نقاط مختلف كشور با حمايت بخش خصوصي و دولتي، طي سالهاي گذشته تا به امروز روند شتابان و فزاينده‌اي داشته است.
برغم توفيقات حاصله، متأسفانه به نظر مي‌رسد كه گسترش و توسعه روند مذكور عمدتاً داراي ويژگي‌هاي صرفاً كمي بوده و اصول كيفي طراحي و ساخت گلخانه‌ها كمتر مورد توجه بوده است. به همين دليل در بعضي نقاط كشور عليرغم استقبال شايان توجه به عمل آمده از اين روش، طرح‌هاي گلخانه‌اي مطابق اهداف و پيش‌بيني‌هاي اوليه طراحان و عاملان آن پيش نرفته و با مشكلات عمده‌اي روبرو گرديده است. يكي از عوامل اصلي محدود كننده بويژه در مناطق سردسير كشور، گرم كردن گلخانه و مصرف بالاي سوخت و مسائل و مشكلات مربوط به آن مي‌باشد. مصرف زياد سوخت در گلخانه‌ها به دليل طراحي نامناسب و غير اصولي از يك سو و مشكلات متعدد تأمين آن (بوروكراسي اداري، توزيع نامناسب يارانه، قيمت بالا، گراني كرايه حمل، عملكرد نامناسب سيستم توزيع و پرسنل آن و نرسيدن به موقع سوخت در زمان لازم) از سوي ديگر باعث بالا رفتن هزينه توليد، عدم صرفه اقتصادي و گاهي اوقات ايجاد ضررهاي هنگفت مالي و نهايتاً استيصال گلخانه‌دار و توقف كار خواهد شد.
بكارگيري ساده فنآوري‌هاي نوين جهت استفاده از انرژي خورشيدي، به عنوان يك منبع مفيد، سالم و بي‌خطر انرژي براي گرم كردن گلخانه‌هاي كشاورزي، علاوه بر كاهش قابل توجه مشكلات گلخانه‌داران و مسئولين ذيربط در رابطه با سوخت، گامي مهم در صرفه‌جويي مصرف سوخت‌هاي فسيلي كشور و حفظ ذخاير آنها براي آيندگان و جلوگيري از آلودگي هوا و محيط زيست خواهد بود.
گلخانه‌هاي خورشيدي هم در مقياس كوچك و خانگي و هم در مقياس بزرگ و تجاري، در طرح‌هاي گوناگون و بوسيله اشخاص و يا گروههاي مختلفي از كشورهاي مختلف جهان طراحي و ساخته شده و بسياري از اين طرح‌ها موفق بوده‌اند. با مطالعه انواع طرح‌هاي مختلف و هزينه ساخت آنها مي‌توان چنين نتيجه گرفت، اگر بدون افزايش فاحشي در هزينه ساخت گلخانه‌ها، روشي براي كاهش اتلاف حرارتي در شبهاي سرد پيدا شود تعداد بيشماري از گلخانه‌هاي خورشيدي طراحي و ساخته خواهند شد و كاربرد وسيعي در آينده در سطح كشور پيدا خواهند كرد.
تمام گلخانه‌ها انرژي خورشيد را جذب مي كنند. اما گلخانه‌هاي خورشيدي به گونه‌اي طراحي مي‌شوند كه علاوه بر جذب انرژي خورشيدي در طول روزهاي آفتابي، مقداري از گرما را براي استفاده در شب و يا روزهاي ابري در خود ذخيره نمايند. گلخانه‌هاي خورشيدي يا بطور مستقل بنا مي‌شوند و يا بصورت الصاقي و پيوسته در كنار خانه‌ها و انبارها برپا مي‌گردند. يك گلخانه خورشيدي ممكن است يك شاسي زيرزميني ساده، يك گلخانه آلونك مانند و يا يك گلخانه قوسي شكل باشد. توليدكنندگان بزرگ از گلخانه‌هاي خورشيدي مجزا استفاده مي كنند در حاليكه گلخانه‌هاي الصاقي يا پيوسته اساساً مورد استفاده توليدكنندگان كوچك و خانگي است. گلخانه‌هاي خورشيدي غيرفعال[1] به دليل كارآمدي اقتصادي كه در افزايش فصل رويش دارند، انتخاب مناسبي براي توليدكننده‌هاي كوچك مي‌باشند. در آب و هواهاي سردتر يا در مناطقي با دوره‌هاي ابري طولاني مدت، ممكن است سيستم حرارت خورشيدي به تنهايي جوابگو نبوده و براي حفاظت گياهان در مقابل سرماهاي سخت احتياج به يك سيستم گرمايش گازي يا برقي مكمل خواهند داشت. در گلخانه‌هاي خورشيدي فعال[2]، براي جابجايي هوا يا آب گرم شده از منطقه ذخيره انرژي به ديگر نواحي گلخانه، كاربرد يك انرژي مكمل ضروري است. استفاده از سيستم گرمايشي فوتو ولاتيك[3] (برق خورشيدي) در گلخانه تنها در صورت توليد انبوه محصول، مقرون به صرفه خواهد بود.
اصول پايه در طراحي گلخانه‌هاي خورشيدي
گلخانه‌هاي خورشيدي با پنج ويژگي كلي از گلخانه‌هاي عادي مرسوم متمايز مي‌گردند[1]:
– جهت گلخانه و شيب پوششهاي شفاف آن براي دريافت حداكثر گرماي خورشيدي در طول زمستان
– استفاده از مواد ذخيره كننده براي حفظ كردن گرماي خورشيدي
– داشتن عايق‌بندي قوي در قسمتهايي كه تابش مستقيم خورشيد ناچيز بوده و يا وجود ندارد
– روشهاي مناسب نصب پوششهاي شفاف به منظور به حداقل رساندن پرت حرارتي
– تكيه بر تهويه طبيعي براي خنك كردن گلخانه در تابستان
درک درست اين اصول در طراحي گلخانه خورشيدي كمك خوبي در طراحي، ساخت و نگهداري سازه‌هاي كارآمد انرژي خواهد بود.
انواع گلخانه‌هاي خورشيدي
گلخانه‌هاي خورشيدي الصاقي يا پيوسته[4] مانند اتاقي مي‌مانند كه از يك خانه يا انبار غله بيرون زده باشد. اين گلخانه‌ها فضاي مناسبي را براي نشاء كردن؛ كاشت گياهان علفي يا كاشت مقادير محدودي از گياهان خوراكي ايجاد مي كنند. گلخانه‌هاي پيوسته به طور مشخص داراي سيستم غير فعال خورشيدي مي‌باشند.
اما گلخانه‌هاي خورشيدي غيرپيوسته[5] گلخانه‌هاي بزرگي هستند كه براي توليد تجارتي گياهان زينتي، سبزيجات يا گياهان علفي داراي فضاي كافي مي‌باشند. دو طرح عمده براي گلخانه‌هاي خورشيدي غيرپيوسته مطرح‌اند: مدل آلونكي[6] و مدل قوسي شكل[7]. جهت گلخانه‌هاي آلونكي به گونه‌اي است كه محور طولي آن در امتداد شرق به غرب قرار مي‌گيرد. ديوار رو به جنوب براي دريافت بهينه انرژي خورشيد بايد از مواد شفاف پوشيده شده باشد درحالي كه ديوار رو به شمال جهت جلوگيري از پرت دما بايد داراي عايق‌بندي مناسب باشد. اين جهت‌بندي مغاير با آرايش گلخانه‌هاي عادي بوده كه با داشتن سقف شمالي جنوبي موجب مي‌شوند كه نور يكساني در طي روز به تمام قسمت‌هاي گياهان بتابد. براي كم كردن اثر تابش غير يكنواخت نور در گلخانه‌هاي شرقي غربي، بايد ديوار شمالي را با مواد انعكاسي پوشاند يا رنگ كرد [2].
| گلخانه‌هاي خورشيدي غير پيوسته آلونكي |
| براي زمستان‌هاي سرد، مناطق واقع در شمالي‌ترين عرض جغرافيايي و استفاده در تمام طول سال: سقف شمالي داراي شيب منطبق با بالاترين زاويه خورشيد در تابستان جهت بازتاب حداكثر نور استفاده از ديوار عمودي شمالي جهت ذخيره كردن انرژي گرماييشيب 40 تا 60 درجه پوشش شفاف جنوبيديوارهاي زانودار عمودي با ارتفاع مناسب براي ايجاد فضاي مناسب براي كشت گياه و سرازير شدن برف در زمستاناستفاده از پوشش شفاف در قسمتي از ديوارهاي جانبي جهت افزايش نور خورشيد |
| براي زمستان‌هاي سرد، مناطق واقع در عرض‌هاي جغرافيايي مياني و استفاده در تمام طول سال: سقف شمالي داراي شيب 45 تا 60 استفاده از ديوار عمودي شمالي جهت ذخيره كردن انرژي گرماييشيب 45 تا 60 درجه پوشش شفاف جنوبيداراي ديوارهاي زانودار عمودي استفاده از پوشش شفاف در قسمتي از ديوارهاي جانبي جهت افزايش نور خورشيد |
| براي زمستان‌هاي ملايم، مناطق واقع در جنوبي‌ترين عرض جغرافيايي و استفاده در تمام طول سال: سقف شمالي داراي شيب 45 تا 70 درجه، در صورتي كه نياز به ذخيره گرمايي كمتري باشد شيب سقف شمالي بيشتر خواهد بود و ارتفاع ديوار شمالي كمتردر صورت عدم نياز به ذخيره گرمايي در ديواره شمالي، سقف شمالي تا سطح زمين شيب‌دار و يكپارچه خواهد بود.شيب 20 تا 40 درجه پوشش شفاف جنوبيديوارهاي زانو دار جلويي با ارتفاع مناسب براي ايجاد فضاي مناسب براي كشت گياه استفاده از پوشش شفاف در كل ديوارهاي جانبي جهت افزايش نور خورشيد |
گلخانه‌هاي كوآنست، گلخانه‌هاي متقارن قوسي شكل مي‌باشند. اين گلخانه‌ها بر خلاف گلخانه‌هاي آلونكي، در قسمت شمالي خود داراي عايق نمي‌باشند. استفاده از انرژي خورشيدي در اين گلخانه‌ها شامل عملياتي است كه موجب بالا رفتن جذب و انتشار گرماي خورشيدي وارد شده به گلخانه مي‌شود. ذخيره سازي انرژي در اين سيستم عمدتاً شامل جمع آوري گرماي خورشيد در خاك زير كف گلخانه در پروسه‌اي به نام انباشت گرمايي زمين[1] مي‌باشد. درست همان‌گونه كه ديگر مواد ذخيره گرما مانند آب يا سنگ، گرما را در خود ذخيره مي‌سازند. عايق كاري ديوار گلخانه‌ها براي به حداقل رساندن اتلاف حرارتي فضاي داخل آنها، بسيار حائز اهميت است. سيستم‌هاي جذب گرما و روشهاي عايق‌بندي گلخانه‌ها مفصلاً در بخش‌هاي بعدي مطرح خواهند شد.
جذب حرارت خورشيد
دو عامل مؤثر بر مقدار گرماي خورشيدي كه يك گلخانه قادر به جذب آن باشد عبارتند از:
- موقعيت يا مكان گلخانه در برابر خورشيد
- نوع مواد شفاف مورد استفاده
جهت خورشيد
از آنجاييكه انرژي خورشيد در قمست جنوبي يك ساختمان قوي تر از ساير جهات است، پوشش شفاف گلخانه‌هاي خورشيدي بايد درست رو به جنوب باشد. اما اگر درختان، كوهها يا ساختمان‌هاي بلند مسير خورشيد را مسدود كنند، 15 تا 20 درجه انحراف، حدود 90% انرژي جذب شده در صورت قرار گرفتن در راستاي جنوب واقعي را فراهم خواهد كرد. ممكن است بواسطه عرض جغرافيايي محل احداث گلخانه و همچنين وجود موانع بالقوه، نياز باشد كه جهت گلخانه مقدار ناچيزي از جنوب واقعي منحرف شود تا بيشترين انرژي خورشيدي به دست آيد[2]. به برخي از توليد كنندگان توصيه مي‌شود كه جهت گلخانه‌هاي خود را كمي متمايل به جنوب شرقي تنظيم نمايند تا بيشترين انرژي خورشيدي را در فصل بهار دريافت نمايند بخصوص اگر گلخانه به منظور توليد نشاءهاي اوليه مدنظر باشد[3]. براي معلوم كردن جهت صحيح احداث گلخانه‌هاي خورشيدي در هر منطقه مي‌توان از برنامه و نمودارهايي كه براي اين منظور طراحي شده‌اند استفاده نمود. براي استفاده از اين برنامه‌ها بايد طول و عرض جغرافيايي و منطقه زماني مكان احداث گلخانه مشخص باشد.
شيب پوشش شفاف گلخانه
علاوه بر جهت‌گيري شمالي جنوبي، شيب پوشش شفاف گلخانه نيز بايد درست در نظر گرفته شود تا بيشترين مقدار از گرماي خورشيد جذب گردد. با يك حساب سر انگشتي مي‌توان با اضافه كردن 10 يا 15 واحد به عدد عرض جغرافيايي محل، زاويه مناسب را بدست آورد. براي مثال، اگر نقطه‌اي را در 40 درجه عرض جغرافيايي در نظر بگيريم، شيب مناسب براي پوشش شفاف گلخانه بايد بين 50 تا 55 درجه باشد (40 + 10 يا 15).[4]
پوشش شفاف گلخانه
مواد شفافي كه به عنوان پوشش گلخانه‌هاي خورشيدي بكار ميروند بايد بيشترين انرژي خورشيدي ممكن را از خود عبور داده و وارد گلخانه نمايند و در عين حال كمترين انرژي را از دست بدهند. به علاوه، براي رشد مناسب گياه، مواد شفاف بايد بتوانند طيف طبيعي پرتوهاي فعال فتوسنتزي[2] را به خوبي از خود عبور دهند. شيشه مشجر، پلاستيك‌هاي محكم دو لايه و فايبر گلاس نور را پخش مي كنند درحاليكه شيشه تميز نور مستقيم را عبور مي‌دهد. اگرچه گياهان داخل گلخانه هم با نور مستقيم و هم با نور غير مستقيم پخش شده به رشد خود ادامه مي‌دهند ولي سايه اجزاي مختلف اسكلت گلخانه در تابش مستقيم نور خورشيد باعث عدم يكنواختي رشد اندام‌هاي گياه مي‌شود. در حاليكه با نور غيرمستقيم پخش شده، سايه اسكلت گلخانه مرتفع و همسان شده و گياه بطور يكنواخت رشد خواهد كرد[5، 6].
بسياري از پوششهاي جديد گلخانه در يك دهه اخير پديد آمده‌اند. در حال حاضر پلاستيك‌ها با داشتن ويژگي‌هايي چون قابليت عدم فرسايش در هوا، داشتن بازدارنده‌هاي تجزيه در برابر اشعه ماوراء بنفش، قدرت جذب اشعه مادون قرمز، داشتن سطح ضد شبنم (تجمع قطرات آب) و قابليت منحصر به فرد عبور تشعشعات خاص، از متداول‌ترين پوششهاي گلخانه‌اي به شمار ميروند [7].
روش نصب پوشش گلخانه بسته به ميزان پرت حرارتي دارد [8]. براي مثال شكاف و سوراخ‌هايي كه در حين نصب ايجاد مي‌شوند باعث هدر رفتن گرما خواهند شد در حاليكه تفاوت فاصله بين دو پوشش بر ابقاء حرارت مؤثر است. براي اسكلت‌بندي و نصب برخي از پوششهاي گلخانه مانند آكريليك‌ها، بايند ميزان انبساط و انقباض آنها در هواهاي گرم و سرد محاسبه گردد[7]. به طور كلي، در گلخانه‌هاي خورشيدي، به ازاء هر فوت مربع از مساحت كف گلخانه، بايد بين 0.75 تا 1.5 فوت مربع پوشش شفاف وجود داشته باشد[1].
جدول 1. ويژگي‌هاي پوششهاي مختلف گلخانه
| شيشه – تك لايه درصد عبور نور: 85 تا 90%مقدار R : 0.9 | ورق آكريليك لمينيت شده/ پلي استر – دولايه درصد عبور نور: 87%مقدار R : 1.8 |
| شيشه دوجداره درصد عبور نور: 70 تا 75%مقدار R : دولايه 1.5 تا 2 | آكريليك فشرده – دو لايه درصد عبور نور: 85 % |
| پلي‌اتيلن – تك لايه درصد عبور نور: 80 تا 90%مقدار R : تك ورق 0.87 | فيبر پلاستيك تقويت شده (FRP) درصد عبور نور: 85 تا 90%مقدار R : تك لايه 0.83 |
| پلي اتيلن – دو لايه درصد عبور نور: 60 تا 80%مقدار R : ورق‌هاي دولايه 5 ميليمتري 1.5 و 6 ميليمتري 1.7 | پلي كربنات – پلاستيك سخت دوجداره درصد عبور نور: 83%مقدار R : 6 ميليمتري 1.6 و 8 ميليمتري 1.7 |
| پلي اتيلن – متراكم موجدار درصد عبور نور: 70 تا 75%مقدار R : 2.5 تا 3 | ورق پلي كربنات – پلاستيك سخت سه يا چهار جداره درصد عبور نور: 75%مقدار R : سه جداره 8 ميليمتري 2.0 تا 2.1 و 16 ميليمتري 2.5 چهار جداره 6 ميليمتري 1.8 و 8 ميليمتري 2.1 |
ذخيره سازي گرماي خورشيدي
براي گرم نگهداشتن گلخانه‌هاي خورشيدي در طول شبهاي سرد يا طي روزهاي ابري، بايد گرماي خورشيدي كه در روزهاي آفتابي وارد گلخانه مي‌شود را براي استفاده‌هاي بعدي ذخيره نمود. رايج ترين روش براي جذب و انبار كردن انرژي خورشيدي استفاده از تخته سنگ، بتون يا آب در مقابل تابش مستقيم آفتاب مي‌باشد.[1]
وجود ديوارهاي آجري يا سيماني (با بلوك‌هاي پرشده با خاكستر)، در قسمت پشت (سمت شمال) گلخانه نيز مي‌توانند به عنوان منابع ذخيره كننده گرماي خورشيدي عمل نمايند. اگرچه، تنها چهار اينچ بيروني اين مواد، گرما را به طور مؤثر جذب ميكنند. همچنين كاشي كردن كف گلخانه با سراميك‌هاي تيره رنگ باعث جذب و ذخيره سازي مقداري از گرماي خورشيدي مي‌گردد[15]. ديوارهايي كه براي جذب گرما استفاده نمي‌شوند بايد داراي رنگ روشن و يا بازتابي باشند تا گرما و نور مستقيم تابيده شده را به داخل گلخانه منعكس نموده و نور را بطور يكنواخت براي گياهان داخل گلخانه منتشر نمايند.
مواد ذخيره كننده انرژي
مقدار مواد ذخيره كننده مورد نياز، بسته به موقعيت جغرافيايي محل گلخانه متفاوت است. اگر گلخانه در نيمكره جنوبي يا عرض‌هاي جغرافيايي مياني قرار داشته باشد، حداقل 2 گالن آب يا 80 پوند سنگ به ازاي گرمايي كه از هر متر مربع سطح شفاف گلخانه عبور مي‌كند نياز است[16]. ولي اگر گلخانه در نيمكره شمالي باشد، براي جذب گرماي وارد شده از هر متر مربع سطوح شفاف گلخانه، 5 گالن آب و يا بيشتر احتياج خواهد بود[1]. بطور تقريبي براي هر فوت مربع سطح شفاف گلخانه در ديوارهاي جنوبي، سه فوت مربع ديوار آجري يا بلوك سيماني به قطر 4 اينچ مورد نياز مي‌باشد[15].
همچنين براي تعيين مقدار مواد ذخيره كننده مورد نياز، بايد هدف كشت در گلخانه مشخص باشد كه آيا تنها افزايش طول فصل رشد مد نظر است و يا هدف كشت محصول در تمام طول سال است. براي افزايش طول فصل رشد در آب و هواي سرد، به 2.5 گالن آب به ازاي هر فوت مربع از سطح شفاف يا تفريباً معادل نصف مقدار مورد نياز براي توليد در تمام طول سال احتياج است.[2]
اگر آب به عنوان ماده ذخيره گرما مورد استفاده قرار گيرد، مخزنهاي 55 گالني معمولي، تيره رنگ و مات براي اين منظور مناسب مي‌باشند. ظروف كوچكتر، مثل كوزه‌هاي شير يا بطري‌هاي شيشهاي، در مناطقي كه زود به زود ابري مي‌شوند مؤثرتر از مخزنهاي 55 گالني براي ذخيره گرما عمل ميكنند. ظروف كوچكتر سطح جذب بيشتري داشته و در نتيجه در اثر تابش آفتاب سريعتر انرژي را جذب ميكنند[14]. متأسفانه ظروف پلاستيكي بعد از دو يا سه سال در اثر تابش مستقيم آفتاب از بين ميروند. ظروف شيشهاي تميز بهتر از ظروف فلزي تيره رنگ، گرما را دريافت مي كنند و تجزيه هم نمي‌شوند ولي به آساني مي‌شكنند[17].
ترامب[3] يك روش ابتكارانه براي جذب و ذخيره گرما بوده و شامل ديوارهاي كوتاهي در داخل گلخانه و نزديك به پنجره‌هاي رو به جنوب مي‌باشد. اين ديواره‌ها از طرف جلوي خود (رو به جنوب) گرما را جذب ميكنند، سپس اين گرما را از طرف پشت خود (رو به شمال) در گلخانه ساطع مي‌نمايند. يك ديوار ترامب از ديوار سنگ‌كاري به قطر 8 تا 16 اينچ با روكشي از يك ماده تيره رنگ و جذب كننده گرما با يك يا دو لايه شيشه به فاصله 4/3 تا 6 اينچ براي ايجاد يك فضاي كوچك هوا مي‌باشد. گرماي خورشيدي از شيشه عبور كرده و جذب روكش تيره رنگ مي‌گردد. اين گرما در ديوار ذخيره شده و به آرامي از قمست سنگي به سمت داخل هدايت مي‌شود. با اضافه كردن يك ورقه فويل فلزي و يا يك ماده براق ديگر به قسمت بيروني ديوار، مقدار جذب گرماي خورشيدي 30 تا 60 درصد بسته به شرايط آب و هوايي افزايش يافته و پرت حرارت از طريق تابش بيروني كاهش مي‌يابد.[10، 18]
ديوارهاي آبي، شكل ديگري از ديوارهاي ترامب مي‌باشند. كه در آنها، ظروف پر از آب بجاي بناي سنگي ديوار، مابين پوشش شفاف گلخانه و فضاي داخل گلخانه، در مقابل اشعه خورشيد قرار مي‌گيرد. به جاي شيشه مي‌توان از لوله‌هاي سخت پلاستيكي و يا ظروف محكم ديگر استفاده نمود. قسمت بالايي ديواره‌ها نيز مي‌تواند به عنوان يك سكو يا نيمكت مورد استفاده قرار گيرد. تا كنون گلخانه‌هاي خورشيدي متعددي بر مبناي طرح‌هاي متنوع ديوارهاي آبي ساخته شده‌اند.[19]
براي ذخيره گرما از سنگ هم مي‌توان به جاي آب استفاده نمود. سنگها براي داشتن سطح بالاي جذب گرما بايد 1 اينچ ضخامت داشته باشند[5]. براي مهار كردن سنگها، مي‌توان آنها را درون قفس‌هايي از توري‌هاي فلزي جمع كرد. از آنجاييكه BTU ذخيره گرمايي سنگ خيلي پايين‌تر از آب مي‌باشد (35 در مقابل 63 BTU/sq.ft/◦F) براي فراهم كردن مقدار ذخيره يكسان حرارتي سه برابر حجم آب، سنگ نياز است. البته سنگها نسبت به آب مقاومت بيشتري در مقابل جريان هوا دارند كه اين امر موجب انتقال گرماي كمتر مي‌شود[20].
هر ماده‌اي كه براي ذخيره كردن گرما مورد استفاده قرار مي‌گيرد بايد در محلي قرار گيرد كه بيشترين ميزان گرما را جذب و جمع‌آوري نمايد و كمترين ميزان گرما را در ارتباط با هواي اطرافش از دست بدهد. بايد توجه داشت كه نبايد جرم گرمايي به گونه‌اي قرار گيرد كه با ديواره‌هاي خارجي گلخانه در تماس باشد چراكه بدين ترتيب به سرعت گرماي خود را به هدر مي‌دهد.
مواد تغيير فاز دهنده[4]
براي ذخيره گرما مي‌توان به جاي آب يا سنگ از “مواد تغيير فاز” استفاده نمود. با وجود اينكه مواد تغيير فاز معمولاً گران‌تر از مواد عادي مي‌باشند ولي 5 تا 14 بار بهتر گرما را نسبت به آب و سنگ در خود ذخيره ميكنند. بدين ترتيب، وقتي فضاي موجود محدود باشد استفاده از اين مواد بسيار مفيد است. مواد تغيير فاز عبارتند از:
1- فسفات سديم دودكاهيدرات 2- تيوسولفات سديم پنتاهيدرات 3- پارافين 4- سولفات سديم دكاهيدرات 5- كلريد كلسيم هگزاهيدرات و 6- اسيدهاي چرب [21،22].
اين مواد هنگاميكه از فاز جامد به فاز مايع تبديل مي‌شوند گرما را جذب و ذخيره مي‌نمايند و سپس وقتي كه به فاز جامد برمي‌گردند گرماي ذخيره شده را آزاد مي كنند[5]. ظرفيت ذخيره گرماي كلريد كلسيم هگزاهيدرات 10 برابر آب مي‌باشد[23]. اين مواد معمولاً در لوله‌هاي سربسته محصور مي‌شوند، كه با بكارگيري تعداد مناسبي از اين لوله‌ها مي‌توان ذخيره گرمايي لازم را فراهم نمود. به دليل قابليت جذب بالاي مواد تغيير فاز، از آنها مي‌توان به عنوان تعديل‌كننده‌هاي حرارت گلخانه‌ها در تابستان استفاده نمود.
بيشتر تحقيقات در زمينه استفاده از مواد تغيير فاز در گلخانه‌ها در اروپا، اسرائيل، ژاپن و استراليا انجام گرفته است. در اسرائيل با وارد كردن مواد تغيير فاز درون پوششهاي شفاف گلخانه باعث افزايش جذب، ذخيره و ماندگاري گرما در گلخانه‌ها شده‌اند از طرفي با اين كار در روزهاي ابري كه مواد تغيير فاز به مايع تبديل نمي‌شوند، ميزان شفافيت پوشش گلخانه كاهش مي‌يابد[24].
در حال حاضر برخي شركت‌هاي آمريكايي و استراليايي سيستم‌هاي گرمايش تحت الارضي را با كمك مواد تغيير فاز طراحي و پياده سازي ميكنند[25].
گلخانه‌هاي خورشيدي فعال
در اين روش از سيستم “گرمايش تحت‌الارضي”[5] يا سيستم “انباشت حرارتي زمين” جهت گرم كردن گلخانه‌ها استفاده مي‌شود. در اين گلخانه‌ها، هوا، آب و يا مواد تغيير فاز توسط انرژي خورشيدي گرم شده، سپس درون لوله‌هايي كه در زير خاك مدفون شده‌اند جريان مي‌يابند. اگر بنا باشد كه در سيستم گرمايش تحت الارضي از هواي گرم استفاده شود مي‌توان از لوله‌هاي انعطاف‌پذير نسبتاً ارزان زهكشي يا فاضلاب با قطر حدود 10 سانتيمتر (4 اينچ) براي اين منظور استفاده نمود. لوله‌هاي گرانقيمت‌تر و با تيوب‌هاي موجدار، گرماي مؤثرتري را نسبت به لوله‌هاي صاف فراهم مي‌نمايند چراكه سطح تماس بيشتري بين لوله و سطح خاك جهت انتقال حرارت وجود دارد.
مساحت قسمت لوله‌كشي شده بايد برابر مساحت كف گلخانه باشد. براي تعيين متراژ لوله‌هاي 4 اينچي مورد نياز بايد مساحت كف گلخانه را تقسيم بر دو نمود. در هنگام نصب اين لوله‌ها بايد روي آنها را با كف‌پوش‌هاي سوراخ‌دار پوشاند تا آب وارد خاك اطراف آنها گردد، زيرا خاك مرطوب گرما را بهتر از خاك خشك انتقال مي‌دهد. هواي داغ جمع شده در بالاترين قسمت كف از طريق لوله‌ها، پايين كشيده شده و وارد شبكه لوله‌هاي زير خاك مي‌گردد. هواي گرم داخل لوله‌ها، خاك اطراف آنها را در طول روز گرم مي‌كند و در شب، هواي سرد گلخانه وارد شبكه لوله‌كشي شده و توسط خاك به آرامي گرم مي‌شود و در نتيجه فضاي گلخانه گرم مي‌گردد[29، 30].
سيستم گرم كردن ناحيه اطراف ريشة گياهان كه معمولاً با كمك هيترهاي آبي گازسوز انجام مي‌گيرد به خوبي مي‌تواند با انرژي خورشيدي منطبق شده و با گرم كردن زمين يا سكوهاي داخل گلخانه، فضا گلخانه را گرم نمايد. استفاده از سكوهاي گرمايش سطحي و لوله‌هاي اطراف ريشه، كاربرد وسيعي در گلخانه‌هاي مدرن داشته و به آساني نصب مي‌گردد.
يك سيستم گرمايش زميني ثابت، از يك سري لوله‌هاي موازي PVC كه در عمق 12 تا 16 اينچي سيمان منفذ‌دار، ماسه يا شن جاسازي شده‌اند، تشكيل شده است. آب در يك هيتر خورشيدي بيروني گرم شده و سپس به وسيله يك پمپ به داخل گلخانه پمپاژ مي‌گردد. آب گرم، داخل لوله‌ها جريان يافته و كف گلخانه را گرم مي‌نمايد.
گرم كردن گلخانه در طرح ديگري از گلخانه‌هاي خورشيدي فعال، مبتني بر جذب گرما توسط لوله‌هاي پلي بوتيلين مشكي مارپيچ در رأس گلخانه مي‌باشد. لوله‌هاي مارپيچ روي يك زمينه مشكي و زير پوششهاي شفاف در معرض نور خورشيد قرار مي‌گيرند. آب از مخزني كه روي كف گلخانه واقع شده است به قسمت لوله‌هاي مارپيچ، پمپاژ شده و سپس به مخزن اصلي باز مي‌گردد. آبي كه داخل اين لوله‌هاي مارپيچي گرم مي‌شود قادر خواهد بود كه آب داخل مخزن را 55 تا100 درجه فارنهايت در روزهاي آفتابي گرما نمايد. گرماي ذخيره شده در آب مخزن در گرم شدن هواي گلخانه در شب بسيار مؤثر است[19].
مديريت عمليات گلخانه نيز در ذخيره گرماي گلخانه مؤثر مي‌باشد. براي مثال يك گلخانه پر، گرماي بيشتري را نسبت به يك گلخانه خالي ذخيره مي‌نمايد. تقريباً نيمي از انرژي خورشيد براي تبخير آب از سطح برگ و خاك هدر رفته و قابل ذخيره كردن براي مصرف آينده نمي‌باشد [5، 31].
گرماي خورشيدي را مي‌توان بوسيله گرماي حاصل از فرايند تشكيل كمپوست، تكميل كرد. در اين روش علاوه بر افزايش گرماي گلخانه، گاز دي‌اكسيد توليد شده توسط فعاليت ميكرو‌ارگانيسم‌هاي كمپوست نيز راندمان توليد گياه را افزايش خواهد داد.
عايقكاري گلخانه
عايقكاری ديوارها و كف گلخانه
عايقكاري مناسب گلخانه, انرژي گرمايي جذب شده ازخورشيد را در فضاي گلخانه بمدت بيشتري حفظ مي‌كند. استفاده از درزگيرها براي دربها , سوراخها و ساير منافذ جريان هوا, بكارگيري پوششهاي شفاف مخصوص و مناسب با سايز پنجره‌هاي گلخانه كه ضمن عبور حداكثر نور, انتقال حرارت پاييني دارند, و همچنين استفاده از فومهاي پلي يورتان[6], پلي استايرن[7] و فايبرگلاس[8], اقدامات كاملا مؤثري براي عايقكاري گلخانه‌ها مي‌باشد.
اين مواد جهت كارايي و عملكرد بهتر مي‌بايست در شرايط محيطي خشك نگهداري شوند. استفاده از يك لايه ضد تبخير پلي‌اتيلن[9] مابين ديوارهاي گلخانه و عايق حرارتي, در عملكرد عايق‌ها بسيار مؤثر است[1]. قسمتهايي از گلخانه كه فاقد شيشه مي‌باشند, به تناسب محل و شرايط آب و هوايي آنجا مي‌بايست عايقكاري شوند. به عنوان مثال, در منطقه ايلينويس[10] و ميسوري[11] [24], استفاده از عايقهاي R-19 و در نيومكزيكو[12] [10] كه هوا سردتر است, استفاده از عايقR-21 در ديوار گلخانه‌ها توصيه مي‌شود.
آقاي ريچارد نلسون در سازمان سولاروف گاردن[13], شيوه جديدي را براي ايزولاسيون ديوارهاي گلخانه ارائه كرده است. در اين روش با استفاده از دو ورق شفاف پلاستيك بجاي شيشه و استفاده از يك دستگاه توليد حباب در بين اين دو صفحه ورق, يك ديواره عايق با R-20 و بلكه بالاتر براي گلخانه ايجاد مي‌كند. در زمستان و فصلهاي سرد, دستگاه توليد حباب در بين دو ورق پلاستيكي, در سمت شمال گلخانه نصب مي‌گردد و در تابستان براي جلوگيري از حرارت بيش از حد خورشيد در سمت جنوب گلخانه بعنوان سايبان استفاده مي‌گردد[33].
كف گلخانه‌هايي كه آجر, موزاييك و يا سنگفرش شده‌اند, بمانند چاهي, حرارت را هدر مي‌دهند و چنانچه مابين زمين و كف گلخانه عايقكاري صورت نگيرد بسرعت گرماي گلخانه از دست مي‌رود. براي مقابله با اين اتلاف, در فونداسيون گلخانه از ورق‌هاي عايق به ضخامت 1 تا 2 اينچ استفاده مي‌شود. استفاده از بلوك‌هاي سنگي اسفنجي (داراي خلل و فرج) به ضخامت 4 اينچ در كف گلخانه‌ها و يا گودال‌هاي به عرض 4 اينچ كه از سنگ ريزه‌هاي اسفنجي (مشابه پوكه معدني) پرشده باشد, نيز بسيار موثر و رايج مي‌باشد. اين‌كار علاوه بر يك عايق مناسب براي كف گلخانه, فرورفتن آب به زمين در حين شستشو و آبياري را نيز سهل‌تر مي‌كند[16].
عايقكاري قسمت‌هاي بيروني گلخانه
از اقدامات موثر براي جلوگيري از اتلاف انرژي در گلخانه‌ها اين است كه قسمتي از گلخانه در داخل زمين قرار گيرد و يا در سمت جنوب يك تپه بناگردد[5]. براي دستيابي به وضعيت بهتر, بين ديوارهاي خارجي مي‌توان از پوشال و يا عايقهاي مشابه آن استفاده نمود[34]. اين روش اتلاف حرارت چه در سرماي زمستان و چه در گرماي تابستان را از ديوارها و سطوح خارجي گلخانه كاهش مي‌دهد. همچنين در شرايط هواي بادي و كلا در مناطق بادخيز بسيار مناسب عمل مي‌كند[35]. آنچه در اين روش ممكن است به‌عنوان اشكال در پيش روي سازندگان گلخانه قرارگيرد, ورود نم ناشي از آبهاي زير زميني از كف و يا تراوش رطوبت از منافذ ديوارهاي گلخانه مي‌باشد. براي كاستن و بلكه جلوگيري از نفوذ آب از كف مي‌بايست چنين گلخانه‌هايي در مناطقي ساخته شوند كه حداقل 5 فوت بالاتر از سطح آبهاي زيرزميني باشد و براي جلوگيري از ورود رطوبت از ديوارها مي‌بايست دورتادور گلخانه را به‌منظور جمع آوري مستقيم آب با حفر خندق, زهكشي نمود. استفاده از مواد ضد آب و يا خاك رس در ديوارها و كف چنين گلخانه‌هايي توصيه مي‌شود. اين شيوه گلخانه‌ها در انجمن بنسون[14] دانشگاه بريگهام يانگ[15] به‌عنوان يك شيوه نيمه سنتي در حال تحقيق و گسترش مي‌باشد[36].
در يك گلخانه آنچه موجب ورود نور و انرژي خورشيد به گلخانه مي‌شود, پوشش شفاف آن مي‌باشد. اما از طرفي همين سطوح شفاف نيز بيشترين سطوح تلفات حرارتي در يك گلخانه بحساب مي‌آيند. همانطور كه پيش از اين نيز اشاره شد, افزايش مقدار R جهت ايزولاسيون سطوح شفاف گلخانه, اغلب موجب كاهش ورود نور خورشيد به گلخانه مي‌گردد. لذا در هنگام انتخاب نوع پوششهاي شفاف مي بايست به‌دنبال موادي باشيم كه هم ميزان عبور نور از آن و هم مقدار R (عايق بودن) آن خوب باشد. براي مثال ورق‌هاي شفاف پلي اتيلن كه با عناوين ورق هاي IR يا ورق هاي حرارتي شناخته مي‌شوند هر دو خاصيت مذكور را دارا مي‌باشند[37]. به اين صورت كه استفاده از يك يا دو ورقه شفاف پلي اتيلن بر روي شيشه گلخانه، حدود 50% تلفات حرارتي را كاهش مي‌دهد[38]. همچنين با استفاده از دو ورق شفاف پلي اتيلن كه بين آنها توسط فن كوچكي هوا دميده مي‌شود تا يك عايق هوايي را بوجود آورد مي‌توان تا 40% اتلاف انرژي را كاهش داد[39].
استفاده از پرده در گلخانه موجب محدود شدن تلفات حرارتي پوششهاي شفاف در طول شب و روزهاي ابري مي‌شود. بطوري‌كه بر اساس مطالعات انجام شده استفاده از يك پرده پلي استايرن به ضخامت 2 اينچ موجب كاهش اتلاف تا 90% در مقايسه با زمان فقدان پرده مي شود. در گلخانه هاي كوچك كه نيروي انساني هميشه در دسترس بوده و يك معضل بحساب نمي‌آيد، گشودن اين پرده در شب و بستن آن در صبح هر روز بصورت دستي امكان‌پذير مي‌باشد. البته استفاده از گيره‌هاي آهنربايي و يا استفاده از كابل و قرقره, باز و بسته كردن پرده‌ها را راحت‌تر مي كند. اكثر سازندگان چنين پرده هايي ترجيح مي‌دهند جهت كم درد سر كردن باز و بسته شدن آن، هنگام بستن پرده آن را بصورت رول در بالاي شيشه و نزديك سقف گلخانه نگه دارند[5].
سيستم تهويه هواي گلخانه
بطور كلي سيستم تهويه هر بنايي به‌نحوي طراحي و ساخته مي‌شود كه بتواند در زمستان به فضا هواي گرم بدهد و در تابستان هواي گرم را دفع كند. تهويه هوا در رشد و نمو گياهان يك گلخانه به لحاظ مناسب بودن ميزان دي‌اكسيد كربن و شدت رطوبت, امري بسيار مهم و حياتي بحساب مي‌آيد. براي اين منظور, جهت تامين هواي مناسب مورد نياز گياهان, هواي درون گلخانه مي‌بايست حدوداً 2 بار در دقيقه تعويض گردد. (اين ميزان براي يك خانه مسكوني حدود 1.5 بار در دقيقه مي‌باشد.) به اين ترتيب بطور ساده, شدت جريان هواي مورد نياز يك گلخانه معادل دو برابر حجم گلخانه در دقيقه برآورد مي‌گردد كه اين ميزان فوت مكعب در دقيقه يا CFM هوا مورد نياز را خواهد داد و به كمك آن مي‌توان ظرفيت كولر آبي مورد نياز آن گلخانه را مشخص نمود.
ذيلا به برخي از انواع روشهاي تهويه هوا در گلخانه‌هاي خورشيدي اشاره‌اي خواهيم داشت:
۱) تعبيه دريچه‌هايي مشابه بادگير در سقف و ديوارهاي جانبي گلخانه, مي‌تواند ايجاد يك تهويه طبيعي را در گلخانه در پي داشته باشد. به اين صورت كه دريچه‌هاي روي ديوارهاي جانبي اجازه ورود هواي خنك به‌داخل را مي‌دهد و دريچه‌هاي سقفي هواي گرم را از سقف گلخانه خارج مي‌نمايد. چنين تهويه‌اي نيازمند دمش براي ايجاد چرخش هوا مي‌باشد. روزهايي كه باد براي ايفاي اين امر نمي‌وزد, استفاده از فن در گلخانه لازم مي‌باشد. مساحت اين دريچه‌ها مي‌بايست حدود يك‌پنجم تا يك‌ششم مساحت گلخانه‌باشد[1].
۲) يك روش جالب و ساده ديگري كه براي تهويه گلخانه‌ها مي‌توان بكار گرفت, استفاده از دودكش‌هاي خورشيدي است. اين دودكش‌ها در وسط سقف گلخانه و در بالاترين قسمت آن نصب شده و ورودي آن در طرفين داخل گلخانه مي‌باشد. نحوه عمل بطور ساده بدين صورت است كه هواي گرم را از داخل گلخانه به درون خود مي‌كشد و توسط يك خروجي كه در سقف گلخانه تعبيه شده به بيرون تخليه مي‌كند. علت اين امر گرماي قسمتي از دودكش است كه موجب ايجاد اختلاف فشار شده و هواي داخل گلخانه را مي‌مكد. بمنظور افزايش شدت جريان هوا ناوداني دودكش را از داخل رنگ مشكي مي‌زنند. براي ايجاد مكش بهتر, يك توربين كوچك نيز در بالاي دودكش قرار مي‌گيرد تا هواي گرم گلخانه را با قدرت بيشتري به بيرون بمكد[40].
۳) استفاده از موادي كه انرژي حرارتي را در خود ذخيره ميكنند, جهت خنك نگهداشتن گلخانه در تابستان و گرم نگهداشتن آن در زمستان بسيار مفيد و مؤثر مي‌باشند. به اين صورت كه چون اين مواد جذب كننده خيلي خوب گرما مي‌باشند, زماني كه خورشيد تابان و درخشان است, عمده انرژي را جذب و بخش كمي از آن را منعكس مي كنند. و در مقابل هنگاميكه خورشيد غروب مي‌كند, حرارت ذخيره شده خود را به فضاي داخل گلخانه پس داده و موجب گرمايش طبيعي گلخانه مي‌گردند[2].
۴) استفاده از سايبان در خارج گلخانه مي‌تواند در جلوگيري از افزايش بيش از حد گرماي گلخانه و در نتيجه تعادل دماي داخل و خارج موثر باشد. سايه انداختن با درختان تنومند و پر شاخه و برگ پيشنهاد نمي‌شود. مراجع قديمي طراحي گلخانه‌هاي خورشيدي، با دليل و برهان ثابت كرده‌اند كه درختاني كه برگ ريز هستند، در تابستان سايه مناسبي براي گلخانه ايجاد ميكنند و در زمستان نيز پس از برگ ريزان درخت، عمده نور خورشيد را از خود عبور داده و به گلخانه مي‌رسد. اما آنچه در مطالعات اخير پژوهشگران اين حوزه مي‌توان يافت اين است كه درختان برگ ريز، حتي زماني‌كه كل برگ‌هايشان ريخته باشد، بيش از 40% نور خورشيد را در شاخه هاي خود جذب ميكنند كه اين در زمستان به هيچ وجه مطلوب نمي‌باشد[31].
۵) استفاده از سيستم‌هاي خنك كاري خورشيدي (هواساز خورشيدي) و همچنين دستگاه‌هاي فوتوولتاييك (برق خورشيدي) جهت كولرهاي آبي نيز براي گلخانه‌هاي خورشيدي امكان پذير است كه نسبت به روشهاي قبل پرهزينه و پيچيده‌تر مي‌باشند.
نتيجه‌گيري
با وارد كردن راهكارهاي جديد عايقكاري، ذخيره‌سازي انرژي گرمايي در مواد، استفاده از شيشه‌هاي با تكنولوژي جديد و استفاده از برخي تكنيك‌هاي ساده و كار آمد ديگر مي‌توان گلخانه‌هاي خورشيدي سنتي را كه سالهاست در كشورهاي پيشرفته متداول مي‌باشد به يك سطح راندمان و بهره‌وري مطلوب و مناسب رسانيد و به‌كمك انرژي لايزال خورشيد، بهبود چشمگيري را در كاهش مصرف سوخت‌هاي فسيلي در گلخانه‌ها ايجاد نمود.