ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΡΥΘΜΙΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ. Δρ. Λυκοσκούφης Ιωάννης

Transcript

1 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΩΝ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΡΥΘΜΙΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Δρ. Λυκοσκούφης Ιωάννης 1 Ισόθερμες καμπύλες τον Ιανουάριο 1

2 Κλιματικές ζώνες Τα διάφορα μήκη κύματος της θερμικής ακτινοβολίας 2

3 Τα φυτά ανταλλάσσουν θερμότητα με τον περιβάλλοντα χώρο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας Η θερμοκρασία είναι αποτέλεσμα της τυχαίας κίνησης των μορίων ενός συστήματος Μέση κινητική ενέργεια μορίων= 1,5*σ*Τ Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας λόγω της τυχαίας κίνησης των μορίων ενός υλικού Η συνολική θερμότητα ενός υλικού είναι ανάλογη με την συνολική τυχαία ενέργεια των μορίων Τρόποι μεταφοράς θερμότητας Αγωγή ή αγωγιμότητα Συναγωγή ή επαγωγή Ακτινοβολία 3

4 Αγωγή Η θερμική ενέργεια μεταφέρεται από τα σωματίδια με την κίνηση τους και με τις συγκρούσεις των σωματιδίων από ένα στερεό σώμα σε ένα άλλο στερεό σώμα Q = λ/d *A*(T 1 -T 2 ) Συναγωγή Η μεταφορά θερμότητας γίνεται μεταξύ της επιφάνειας ενός στερεού και ενός ρευστού που βρίσκονται σε επαφή. Φυσική ή ελεύθερη συναγωγή Μεταβολή πυκνότητας λόγω ΔΤ Βεβιασμένη συναγωγή Διαφορά πίεσης από εξωτερικούς παράγοντες Q= A*h*(T s -T v ) 4

5 Ακτινοβολία Η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί και μέσω του κενού Με τον τρόπο αυτό ο ήλιος θερμαίνει τη γη Στη γη μεταφορά ενέργειας με μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία nm Το 98% της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μικρού μήκους ( nm) Ακτινοβολία Όταν η ακτινοβολία πέφτει σε μια επιφάνεια ένα μέρος της ανακλάται (Γ), ένα μέρος απορροφάται (α) και ένα μέρος περνάει μέσα από αυτή (r). Γ + α + r = 1 5

6 Ακτινοβολία Οι τιμές των r, α και Γ εξαρτώνται: Το υλικό Το μήκος κύματος της ακτινοβολίας Την κλίση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην επιφάνεια Το γυαλί είναι κατά 90% περατό στη PAR, αλλά σχεδόν αδιαπέρατο στην μεγάλου μήκους ακτινοβολία. Ακτινοβολία Οι υδρατμοί και το διοξείδιο του άνθρακα μπορούν να απορροφούν και εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία. Η θερμοκρασία του ουρανού εξαρτάται από το πόσο νεφοσκεπής είναι. Όσο περισσότερο νεφοσκεπής είναι τόσο υψηλότερη θερμοκρασία θεωρείται ότι έχει και περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπει. 6

7 Ακτινοβολία Η επιφάνεια της γης δέχεται από ήλιο μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία, ένα μέρος από το οποίο απορροφά. Η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας των επιφανειών. Οι επιφάνειες των φυσικών σωμάτων εκπέμπουν μεγάλου μήκους ακτινοβολία. Μέλαν σώμα: Ακτινοβολία τέλειος πομπός και δέκτης της θερμικής ακτινοβολίας Ο ουρανός θεωρείται μέλαν σώμα με θερμοκρασία 0-20 ο C κάτω από την θερμοκρασία του αέρα στην επιφάνεια της γης. 7

8 Απόλυτη υγρασία ονομάζουμε την ποσότητα των υδρατμών (gr) που περιέχει 1 Kgr αέρα, σε συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση. Όσο υψηλότερη θερμοκρασία έχει ο αέρας τόσο μεγαλύτερη ποσότητα υδρατμών μπορεί να συγκρατήσει. Κορεσμένος με υγρασία είναι ο αέρας όταν σε συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση περιέχει την μέγιστη ποσότητα υδρατμών. Σχετική υγρασία λέμε το λόγο της ποσότητας των υδρατμών που περιέχει ο αέρας προς την ποσότητα των υδρατμών που θα περιείχε αν ήταν κορεσμένος. Όσο μειώνεται η θερμοκρασία του αέρα, τόσο μικρότερη ποσότητα υδρατμών μπορεί να συγκρατήσει. Θερμοκρασία σημείου δρόσου είναι η θερμοκρασία στην οποία ο αέρας, όταν ψυχθεί χωρίς να μεταβληθεί η περιεκτικότητα του σε υδρατμούς, γίνεται κορεσμένος. 8

9 Λανθάνουσα θερμότητα Η μεταβολή από την υγρή κατάσταση στην αέρια συνεπάγεται απορρόφηση ενέργειας. Η εξάτμιση 1 gr νερού απορροφά περίπου 2,5 kj Όταν το νερό συμπυκνώνεται σε μία επιφάνεια, απελευθερώνει την ίδια ποσότητα θερμότητας Αν το νερό που εξατμίζεται είναι σε επαφή με μια επιφάνεια, η ενέργεια θα αφαιρεθεί από την επιφάνεια Όταν οι ατμοί συμπυκνώνονται, τότε η θερμότητα μεταφέρεται στην επιφάνεια Όλη σχεδόν η θερμότητα πάνω στη γη προέρχεται από τον ήλιο Η ακτινοβολούμενη από τον ήλιο ενέργεια φθάνει στο έδαφος και την βλάστηση, όπου ένα μικρό μέρος ανακλάται και το υπόλοιπο μετατρέπεται σε θερμότητα. Από τη θερμή επιφάνεια της γης μεταφέρεται θερμότητα με συναγωγή στον αέρα. Θερμότητα μεταφέρεται με αγωγή στα βαθύτερα στρώματα του εδάφους. Ο ατμοσφαιρικός αέρας δεν θερμαίνεται άμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία (σε ασήμαντο ποσοστό σκόνης και υγρασίας) αλλά έμμεσα από την επιφάνεια της γης. 9

10 Στην επιφάνεια του εδάφους το μέγιστο της θερμοκρασίας συμβαίνει τη στιγμή που δέχεται το μέγιστο της προσπίπτουσας σ αυτό ακτινοβολίας. Η μέγιστη τιμή της θερμοκρασίας στον αέρα εμφανίζεται καθυστερημένα λόγω αντιστάσεων μεταφοράς της θερμότητας και της θερμοχωρητικότητας του αέρα. Σε βάθος στο έδαφος το μέγιστο της θερμοκρασίας εμφανίζεται πολύ πιο καθυστερημένα, γιατί το έδαφος έχει μεγαλύτερη θερμοχωρητικότητα από τον αέρα. Οι μεταβολές της θερμοκρασίας εδάφους στην επιφάνεια και στο βάθος 10

11 Η ηλιακή ακτινοβολία που απορροφά κατά την διάρκεια της ημέρας το έδαφος μιας περιοχής, εξαρτάται από: Το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής Την εποχή του έτους Τη διάρκεια της ηλιοφάνειας Τον προσανατολισμό του και την κλίση του Το χρώμα του Η επιφάνεια της γης δεν δέχεται μόνο την ηλιακή ακτινοβολία (που είναι μικρού μήκους), αλλά ακτινοβολεί κι αυτή συνεχώς προς το διάστημα μεγάλου μήκους ακτινοβολία. Έτσι, κατά τη διάρκεια της νύχτας που δε δέχεται ηλιακή ακτινοβολία, ψύχεται συνεχώς, ψύχοντας και τον ατμοσφαιρικό αέρα που έρχεται σε επαφή με αυτή. Ο αέρας απορροφά ελάχιστη από τη μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία που εκπέμπει η γη. Η απορρόφηση γίνεται κυρίως από τους υδρατμούς και το CO 2. Τα σύννεφα με την υγρασία που περιέχουν, περιορίζουν την απώλεια μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας στο διάστημα και ένα σημαντικό μέρος της επανακτινοβολείται πάλι στη γη, εμποδίζοντας έτσι την γρήγορη ψύξη. 11

12 Ο ρυθμός πτώσης της θερμοκρασίας ενός σώματος πάνω στη γη και επομένως και του θερμοκηπίου εξαρτάται από: Την αρχική του θερμοκρασία Την έκταση της επιφάνειας του Την θερμοκρασία και την ταχύτητα του ανέμου και Το ισοζύγιο ακτινοβολίας Το ισοζύγιο ακτινοβολίας επηρεάζεται από: Τη θερμοκρασία του σώματος και αυτής του γύρω χώρου Το ποσοστό νέφωσης και υγρασίας της ατμόσφαιρας Τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του Το ανάγλυφο της περιοχής ή την ύπαρξη άλλων σωμάτων Η θερμοκρασία των φυτών στο θερμοκήπιο καθορίζεται από: Από την ακτινοβολία που δέχονται και εκπέμπουν Την θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρα Την θερμοχωρητικότητα τους Την λανθάνουσα θερμότητα που χάνουν ή δέχονται λόγω διαπνοής ή συμπύκνωσης υδρατμών πάνω τους. 12

13 Τα φυτά δέχονται κατά τη διάρκεια της ημέρας ηλιακή ακτινοβολία Ένα μέρος της ανακλάται, περίπου 20% Ένα πολύ μικρό μέρος της ( 3%) χρησιμοποιείται για φωτοσύνθεση Το υπόλοιπο αυξάνει τη θερμότητα τους Ο μηχανισμός αντίδρασης των φυτών στην αύξηση της θερμοκρασίας τους είναι η ένταση της λειτουργίας της διαπνοής. Τα φυτά όπως όλα τα σώματα που έχουν μια θερμοκρασία ακτινοβολούν θερμότητα στο διάστημα, με αποτέλεσμα να ψύχονται τα ίδια, αλλά να συμβάλουν στην πτώση της θερμοκρασίας του αέρα που τα περιβάλλει. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τις νύχτες με άπνοια και καθαρό ουρανό συχνά η θερμοκρασία των φυτών να είναι χαμηλότερη από αυτή του αέρα. 13

14 Παράγοντες του περιβάλλοντος Η επίδραση της θερμοκρασίας σε λειτουργίες του φυτού 14

15 Φωτοσύνθεση: παραγωγή ενέργειας (μόνο την ημέρα) Αναπνοή: κατανάλωση ενέργειας (όλο το 24ωρο) Για να έχουμε θετικό αποτέλεσμα στην αύξηση και την παραγωγή των φυτών θα πρέπει η θερμοκρασία να δρα έτσι ώστε το αποτέλεσμα της φωτοσύνθεσης να είναι μεγαλύτερο από το αποτέλεσμα της αναπνοής. Συννεφιασμένες ημέρες: Τημέρας Τνύχτας = 3-7 ο C Ηλιόλουστες ημέρες: Τημέρας Τνύχτας = 12 ο C Ηλιόλουστες ημέρες + CO 2 : Τημέρας Τνύχτας = 15 ο C 15

16 Η επίδραση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης του CO 2 στο ρυθμό φωτοσύνθεσης 16

17 Ενέργεια στο θερμοκήπιο Απλοποιημένη σχέση απωλειών Q= U*A c *(T i T o ) U: συντελεστής απωλειών θερμότητας του θερμοκηπίου, επηρεάζεται από τις ροές θερμότητας με εξαερισμό, συναγωγή, συμπύκνωση και θερμική ακτινοβολία. Υλικό Ταχύτητα ανέμου Θερμοκρασία ουρανού Στεγανότητα θερμοκηπίου στον αέρα 17

18 Αερόθερμο Θερμού νερού 18

19 Κίνηση του θερμού αέρα Αεραγωγός από διαφανές πολυαιθυλένιο στην οροφή για την κατανομή του θερμού αέρα του αερόθερμου. 19

20 Αεραγωγός από διαφανές πολυαιθυλένιο στην οροφή για την κατανομή του θερμού αέρα του αερόθερμου, σε θερμοκήπιο κηπευτικών. 20

21 Αερόθερμα 21

22 Αερόθερμο στερεών καυσίμων Απόδοση θερμότητας με συναγωγή 22

23 Λέβητας κεντρικής θέρμανσης του θερμοκηπίου 23

24 Κλασικό σύστημα θέρμανσης Μια γραμμή σωλήνα θέρμανσης γύρω από μια δίδυμη γραμμή φυτών. Μετακινείται καθ ύψος ανάλογα με την ανάπτυξη των φυτών. 24

25 Διακρίνονται οι σωλήνες θέρμανσης περιμετρικά και στην οροφή Σωλήνες θέρμανσης στην καλλιέργεια του χρυσάνθεμου 25

26 Λεπτομέρεια της θέσης του σωλήνα θέρμανσης 26

27 Σωλήνες θέρμανσης που αποτελούν και σιδηροτροχιές για το καρότσι μετακίνησης. 27

28 Ηλεκτρικό καρότσι μετακίνησης πάνω στους σωλήνες θέρμανσης, μεταβλητού ύψους 28

29 Ηλεκτρικό τραίνο μεταφορών στο θερμοκήπιο 29

30 Μεταλλικός σωλήνας θέρμανσης επί του εδάφους, χρησιμεύει και ως σιδηροτροχιά 30

31 Απόδοση θερμότητας με συναγωγή 31

32 Η παθητική κίνηση του εσωτερικού αέρα του θερμοκηπίου Μεταλλικοί σωλήνες θέρμανσης κάτω από το τραπέζι καλλιέργειας 32

33 Ηλεκτρική αντίσταση θέρμανσης σε τραπέζι πολλαπλασιασμού με φυλλοφόρα μοσχεύματα. Πλαστικός σωλήνας θέρμανσης σε τραπέζι καλλιέργειας 33

34 Θέρμανση με αερόθερμο γεωθερμικού νερού 34

35 Θέρμανση με γεωθερμικό νερό σε πλαστικούς σωλήνες Φυσικός ανεμοθραύστης για εξοικονόμηση ενέργειας 35

36 Θερμοκουρτίνα στην οροφή Τρόποι τοποθέτησης της θερμοκουρτίνας 36

37 Θερμοκουρτίνα στην οροφή σε φυλλόφορα μοσχεύματα. ΑΠΛΩΜΕΝΗ ΘΕΡΜΟΚΟΥΡΤΙΝΑ-ΚΟΥΡΤΙΝΑ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗΣ ΔΡΑΣΗΣ (2/3 ΘΕΡΜΟΚΟΥΡΤΙΝΑ + 1/3 ΣΚΙΑΣΗΣ 37

38 2 διαφορετικές κουρτίνες- 1 Σκίασης + 1 Θερμοκουρτίνα Σωλήνες πολυαιθυλενίου γεμάτοι νερό, για αύξηση της νυχτερινής θερμοκρασίας του θερμοκηπίου. 38

39 Εγκατάσταση εναλλάκτη θερμότητας εδάφους αέρα, για θέρμανση θερμοκηπίου 39

40 Μετεωρολογικός σταθμός για θερμοκήπιο. Μετεωρολογικός σταθμός μέσα στο θερμοκήπιο. 40

41 Συσκευή για τον κεντρικό έλεγχο της λειτουργίας του θερμοκηπίου Εργαστήριο Γεωργικών Κατασκευών, Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών Ιστός μετεωρολογικών οργάνων 41

42 42