Προσομοιώματα του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Θ. Μπαρτζάνας

Transcript

1 Προσομοιώματα του μικροκλίματος του θερμοκηπίου Θ. Μπαρτζάνας 1

2 Αναγκαιότητα χρήσης προσομοιωμάτων Τα τελευταία χρόνια τα θερμοκήπια γίνονται όλο και περισσότερο αποτελεσματικά στο θέμα της εξοικονόμησης ενέργειας 1970 ενεργειακή κρίση Οικολογικά ζητήματα Ανανεώσιμες πηγές Νέα υλικά και τεχνικές 2

3 Αναγκαιότητα χρήσης προσομοιωμάτων Η εισαγωγή καινοτομιών μείωσε την κατανάλωση καυσίμων αλλά έκανε περισσότερο πολύπλοκη τη ρύθμιση του μικροκλίματος στο θερμοκήπιο. πχ θερμοκουρτίνα μόνωση, μείωση διαπερατότητας, μείωση όγκου, συγκράτηση υδρατμών, μεταβολή διαπνοής 3

4 Αναγκαιότητα χρήσης προσομοιωμάτων Λόγω των πολλαπλών αλληλεπιδράσεων μεταξύ του θερμοκηπίου και των κλιματικών παραμέτρων, δεν είναι πλέον εφικτό να προβλεφθεί η επίδραση της χρήσης του εξοπλισμού του θερμοκηπίου στο μικροκλίμα του και τη λειτουργία του, μέσω απλών σχέσεων. Συνεπώς, η ανάπτυξηνέωνστρατηγικώνελέγχουκαι διαχείρισης είναι εφικτή: με πειράματα σε πραγματικά θερμοκήπια με πειράματα σε μικρής κλίμακας θερμοκήπια με προσομοιώσεις με τη βοήθεια προσομοιωμάτων 4

5 Πειράματα σε πραγματικά θερμοκήπια Πλεονέκτημα: πραγματικότητα Μειονέκτημα: τα αποτελέσματα ισχύουν μόνο για το υπό μελέτη θερμοκήπιο και για κλιματικές συνθήκες παρόμοιες με αυτές κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Για να είναι αντιπροσωπευτικά τα αποτελέσματα θα πρέπει τα πειράματα να γίνουν σε πολλά θερμοκήπια και για διάφορες κλιματικές συνθήκες. π.χ. Αποτελέσματα πειραμάτων στη βόρεια Ευρώπη δεν ισχύουν για όλες τις περιοχές του κόσμου εξαγωγές? 5

6 Πειράματα σε μικρής κλίμακας θερμοκήπια Πλεονέκτημα: πειράματα στο εργαστήριο υπό διάφορες συνθήκες συγκριτικά αποτελέσματα. Μειονέκτημα: τα αποτελέσματα δεν μπορούν να αναχθούν και να εφαρμοστούν σε πραγματικά θερμοκήπια. 6

7 Πειράματα με προσομοιώσεις εν έχει τα μειονεκτήματα των προηγούμενων μεθόδων αρκεί το προσομοίωμα να είναι ρεαλιστικό. Παρόλα αυτά, ακόμα και τα πιο ρεαλιστικά προσομοιώματα απαιτούν επιβεβαίωση. 7

8 Χαρακτηριστικά των προσομοιωμάτων Προσαρμοστικότητα διάσπαση σε απλά τμήματα και τροποποίηση του καθενός από αυτά Ομοιογένεια παρόμοιος βαθμός λεπτομέρειας σε όλα τα επίπεδα Ανεξάρτητα κλιματικών συνθηκών Ολοκλήρωση για μικρά χρονικά διαστήματα 8

9 Εφαρμογή των προσομοιωμάτων Λεπτομερής κατανόηση των μηχανισμών ανταλλαγής ενέργειας και μάζας Οδηγός για ανάπτυξη νέων υλικών και σχεδίων Εξοικείωση στη διαχείριση του κλίματος ενός εμπορικού θερμοκηπίου Σχεδιασμός ημερολογίων παραγωγής 9

10 10 Περιγραφή ενός προσομοιώματος

11 6. Ουρανός 5. Εξωτερικός αέρας 1. Κάλυμμα 8. Αερισμός 2. Εσωτερικός αέρας 7. Θέρμανση 3. Καλλιέργεια 4. Έδαφος

12 Κάλυμμα Το κάλυμμα αποτελεί ένα διαχωριστικό μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού αέρα. Η εξωτερική του επιφάνεια ανταλλάσσει ενέργεια με τον ουρανό και τον εξωτερικό αέρα ενώ η εσωτερική του επιφάνεια ανταλλάσσει ενέργεια με τον εσωτερικό αέρα, την καλλιέργεια και το έδαφος. 12

13 Κάλυμμα Χαρακτηριστικές ιδιότητες στις ανταλλαγές με μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία 13

14 Κάλυμμα Θερμοχωρητικότητα π.χ. PE flm 180 μm έχει 800 J m -2 K -1 υπολογισμός θερμοκρασίας καλύμματος Χαρακτηριστικά συμπύκνωσης λ = J kg -1, flm συμπύκνωσης 100 μm Ποσοστό συμπύκνωσης 14

15 Εσωτερικός αέρας Η θερμοκρασία του εσωτερικού αέρα υπολογίζεται και λαμβάνεται υπόψη στις ανταλλαγές ενέργειας του εσωτερικού αέρα με συναγωγή με την καλλιέργεια, το έδαφος και το κάλυμμα. Ταχύτητα ανέμου στο εσωτερικό του θερμοκηπίου σύστημα θέρμανσης αερισμού 15

16 Καλλιέργεια Καλλιέργεια σε γραμμές? p v λόγος του εδάφους του θερμοκηπίου που είναι καλυμμένος με καλλιέργεια. LAI 16

17 Έδαφος Έδαφος καλυμμένο με αδιαπέρατο στους υδρατμούς υλικό? ιάχυτη ακτινοβολία Μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία Ανταλλαγές με συναγωγή Αλλαγή φάσης 17

18 Εξωτερικός αέρας Ο εξωτερικός αέρας ανταλλάσσει ενέργεια με το κάλυμμα με συναγωγή για τον υπολογισμό απαιτούνται: θερμοκρασία αέρα ταχύτητα ανέμου διεύθυνση ανέμου 18

19 Εξωτερικός αέρας Ο εξωτερικός αέρας ανταλλάσσει λανθάνουσα ενέργεια με τον εσωτερικό με αερισμό και για τον υπολογισμό της απαιτείται η γνώση της τιμής της υγρασίας του εξωτερικού αέρα 19

20 Ουρανός Ο ουρανός ανταλλάσσει ενέργεια με ακτινοβολία με το θερμοκήπιο και την καλλιέργεια μικρού μήκους κύματος μεγάλου μήκους κύματος Η μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία και η κατανομή της σε άμεση και διάχυτη λαμβάνονται ως δεδομένα 20

21 Ουρανός Για τις ανταλλαγές με μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία απαιτούνται οι οπτικές ιδιότητες ανακλαστικότητα, εκπεμπτικότητα, απορροφητικότητα, διαπερατότητα του ουρανού, του θερμοκηπίου και της καλλιέργειας Βροχή 21

22 Θέρμανση Τιμές θερμοκρασίας για θέρμανση Προσομοίωμα συστήματος θέρμανσης μεταφορά ενέργειας με αγωγή, συναγωγή και ακτινοβολία 22

23 Αερισμός Συνάρτηση του ρυθμού ανανέωσης του αέρα Τιμές θερμοκρασίας για αερισμό 23

24 24 Περιγραφή των ροών ενέργειας και μάζας

25 Ισοζύγιο στο κάλυμμα αέρας-ουρανός R,sky κάλυμμα-αέρας V,e Ηλιακή ακτινοβολία S αέρας-κάλυμμα V, αέρας-κάλυμμα αλλαγή φάσης P, έδαφος-κάλυμμα Rs, καλλιέργεια-κάλυμμα Rv,

26 Κάλυμμα dt A ' = V, V, e + P, + R s, + R v, R, sky + S dt A 26 gr Πυκνότητα ροής ισχύος με συναγωγή v από τον αέρα στο κάλυμμα Πυκνότητα ροής ισχύος με συναγωγή v απότοκάλυμμα στον εξωτερικό αέρα e Πυκνότητα ροής ισχύος με αλλαγή φάσης P από τον αέρα στο κάλυμμα με ακτινοβολία R έδαφος s κάλυμμα με ακτινοβολία R καλλιέργεια v κάλυμμα με ακτινοβολία R κάλυμμα ουρανός sky ηλιακή ακτινοβολία s που απορροφάται από το κάλυμμα

27 Ισοζύγιο ενέργειας του αέρα αέρας-κάλυμμα μέσα-έξω αερισμός καλλιέργεια-αέρας σωλήνες-αέρας θέρμανση έδαφος-αέρας

28 28 Αέρας HS e V V v V s V gr a dt dt A V + + =,,,, ρ'

29 Ισοζύγιο ενέργειας στην καλλιέργεια καλλιέργεια-ουρανός Ηλιακή ακτινοβολία Sv καλλιέργεια-κάλυμμα καλλιέργεια-αέρας καλλιέργεια-αέρας διαπνοή έδαφος-καλλιέργεια

30 30 Καλλιέργεια,,,,, ' v S v s R sky v R v R v P v V V V V dt dt m + + =

31 Ισοζύγιο ενέργειας στο έδαφος έδαφος-ουρανός έδαφος-κάλυμμα έδαφος-καλλιέργεια έδαφος-αέρας

32 32 Έδαφος 1,,,,, ' D s S v s R sky s R s R s P s V s s s s dt dt l + = ρ

33 Ισοζύγιο υδρατμών αέρας-κάλυμμα αλλαγή φάσης καλλιέργεια-αέρας διαπνοή

34 Ισοζύγιο υδρατμών λ V A gr dc dt = + P s, P v, P, L, e + 34

35 35 Ανάλυση των ισοζυγίων

36

37 Κάλυμμα-Κέρδος ενέργειας από τον ήλιο Ηλιακή ακτινοβολία = τ α + τ α + S fr S, dr S, dr fr S, df S, df v Sv S, df S nt p ρ α pv ρ Ssα S, df S,nt

38 38 Κάλυμμα-Ανταλλαγή ενέργειας με τον ουρανό Υπέρυθρη ακτινοβολία sky v v v sky e sky R T T p T T + = σ ρ ρ ε ρ τ σ ε sky v s v T T p + σ ρ ρ ε ρ τ

39 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας και μάζας με τον εξωτερικό αέρα v = h v T T e, h v = Nu z/d v = η ροή θερμότητας Nu= ο αδιάστατος αριθμός Nusselt z= θερμική αγωγιμότητα του υλικού W/ mk d= χαρακτηριστικό μήκος επιφάνειας m 39

40 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας και μάζας με τον εξωτερικό αέρα ΟαριθμόςΝu μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση άλλων αδιάστατων αριθμών. ΣτηφυσικήσυναγωγήοNu μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση των αριθμών Grashof Gr και Prandtl Pr: Νu = m Gr Pr n 3 β g d ΔT Pr = v/κ Στρωτή ροή Gr = Re = Ud/ν 2 ν Τυρβώδης ροή Φυσική συναγωγή Nu = 0.54 Gr Pr 0.25 Nu = 0.14 Gr Pr Βεβιασμένη συναγωγή Nu = 0.67 Re 0.5 Pr 0.33 Nu = Re 4/5 Pr 0.33

41 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας και μάζας με τον εξωτερικό αέρα >15 Gr/Re 2 <0.1 Φυσική Συναγωγή Natural onveton Βεβιασμένη Συναγωγή Fored onveton Gr Re <10 5 >10 8 < > Στρωτή ροή Τυρβώδης ροή Στρωτή ροή Τυρβώδης ροή

42 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας και μάζας με τον εξωτερικό αέρα Μάζα βροχή 42

43 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας και μάζας με τον εσωτερικό αέρα Ενέργεια όμοια με την εξωτερική πλευρά 43

44 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας και μάζας με τον εσωτερικό αέρα Συμπύκνωση Όταν Τ <T dew, πάχος υγρού στρώματος και ποσοστό κάλυψης 44

45 45 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας με την καλλιέργεια ακτινοβολία + = 1 [1 4 4 v v v f v v R T T p p σ ρ ρ ε ε ] w v v f T T p ε ε σ

46 46 Κάλυμμα-ανταλλαγή ενέργειας με το έδαφος ακτινοβολία + = 1 [ s s s f v s R T T p p σ ρ ρ ε ε ] w s s f T T p ε ε σ

47 Καλλιέργεια-κέρδος ενέργειας από τον ήλιο Συντελεστής απορροφητικότητας της καλλιέργειας: a Sv =1-ρ Sv -τ Sv Συντελεστής διαπερατότητας της καλλιέργειας: τ Sv =1-ρ Sv e-kv LAI Sv = 1+ τ Sv ρ Ss a Sv S,nt 47

48 Καλλιέργεια-ανταλλαγή ενέργειας με αλλαγή φάσης -διαπνοή διαπνοή Pv, = h v VPD v- 48

49 ιαπνοή στοματική αγωγιμότητα αεροδυναμική αγωγιμότητα 49

50 Αέρας-ανταλλαγή ενέργειας και μάζας με τον εξωτερικό αέρα αερισμός 50

51 Αερισμός / t: ροή ενθαλπίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού αέρα W/m 2 R a ρυθμός ανανεώσεων αέρα h -1 V: όγκος θερμοκηπίου m 3 Δ Δt = R a 3600 V A ρa e ρ α : πυκνότητα αέρα kg/m 3 51 και e ενθαλπία του αέρα μέσα και έξω από το θερμοκήπιο J/kg

52 Αερισμός = a θ + x λ + vpθ e = a θ e + xe λ + vpθe 52

53 53 Αερισμός ]} [ ] {[ 3600 e vp e e a vp a a a x x A V R t θ λ θ θ λ θ ρ = Δ Δ 3600 e a a A V R t = Δ Δ ρ ] [ 3600 e e e vp e a a a x x x x A V R t + + = Δ Δ λ θ θ θ θ ρ

54 54 Αερισμός ] [ 3600 e e vp e a a a v x x A V R θ θ θ θ ρ + = ] [ 3600 e e e vp e a a a x x x x A V R t + + = Δ Δ λ θ θ θ θ ρ 3600 e a a L x x A V R = λ ρ αισθητή λανθάνουσα

55 Αισθητή ενέργεια = v hv θ θe h v = R a V θx θex ρ a[ a + vp 3600 A θ θe e ] 55

56 Αερισμός Καθορισμός των χρονικών περιόδων, κατά τη διάρκεια μιας ημέρας, με διαφορετικές τιμές στόχου για τον αερισμό T set,vent, π.χ.: H p1 = H srse + t p1 H p3 = H srse + t p2 H p3 = H sset + t p3 H p4 = H sset + t p4 56 H p1 H p2 H p3 H p4 3:00 srse sset 24:00

57 Αερισμός Μεταβολή της τιμής στόχου ανάλογα με την ηλιακή ακτινοβολία: Για Sg < Sg,mn => T set,vent = T vent Για Sg,mn < Sg < Sg,max => T set,vent =T vent + Τ max Sg - Sg,mn / Sg,max - Sg,mn 57 Για Sg,max < Sg =>T set,vent =T vent + Τ max Απότομες μεταβολές? Αλλεπάλληλες αλλαγές του T set,vent?

58 Αισθητή και λανθάνουσα Στάδια αερισμού Θερμοκήπιο κλειστό R a = R leak Μέγιστο άνοιγμα R a = R max Άνοιγμα ανάλογο της διαφοράς θερμοκρασίας από την τιμή στόχου Ra,max Ra,mn Ra = Ra,mn + ΔTvent ΔT ΔT vent,max vent,mn v 58 = Ra 3600 V A ρa[ a θ θe + vp θx θe x e ] L Ra V = ρaλ x 3600 A x e