ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ &

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΕ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟ ΜΕ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟ ΜΕ Υ ΡΟΡΡΟΗ Υ ΡΟΠΟΝΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΝΤΙΝΑΣ Κ. ΓΕΩΡΓΙΟΣ Πτυχιούχος Γεωπόνος, Α.Π.Θ. ΥΠΟΤΡΟΦΟΣ ΙΚΥ ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ Χ. ΝΙΚΗΤΑ - ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΓΕΩΡΓΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & Υ ΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΕ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟ ΜΕ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟ ΜΕ Υ ΡΟΡΡΟΗ Υ ΡΟΠΟΝΙΑΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΝΤΙΝΑΣ Κ. ΓΕΩΡΓΙΟΣ Πτυχιούχος Γεωπόνος, Α.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ Χ. ΝΙΚΗΤΑ - ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΥ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: Χ. ΝΙΚΗΤΑ-ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΥ, Καθηγήτρια Γεωπονικής Σχολής, Α.Π.Θ. Γ. ΜΑΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ, Καθηγητής Γεωπονικής Σχολής, Α.Π.Θ. Α. ΣΙΩΜΟΣ, Αν. Καθηγητής Γεωπονικής Σχολής, Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2007

3 Ευχαριστίες Θέλω να ευχαριστήσω ιδιαίτερα την κ. Χρυσούλα Νικήτα-Μαρτζοπούλου, καθηγήτρια της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., για την επίβλεψη, την επιλογή του θέµατος και την επιστηµονική υποστήριξη της για την εκπόνηση της µεταπτυχιακής µου διατριβής, καθώς και για την πολύτιµη καθοδήγηση της καθόλη την διάρκεια των µεταπτυχιακών µου σπουδών. Θερµές ευχαριστίες θέλω να εκφράσω και στον κ. Ιωάννη Μπάτση της εταιρίας Γεωθερµική Α.Ε., για την επινόηση και τη δωρεάν εγκατάσταση του συνδυασµένου ηλιακού συστήµατος εξοικονόµησης ενέργειας µε υδροπονία, την αποτελεσµατικότητα του οποίου διερευνήσαµε µε την παρούσα διατριβή. Επίσης, ευχαριστώ όλους τους ανθρώπους που µε βοήθησαν, στη διεξαγωγή του πειράµατος και στη συγγραφή της διατριβής. Συγκεκριµένα: Τον καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., κ. Γεράσιµο Μαρτζόπουλο και τον αναπληρωτή καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., κ. Αναστάσιο Σιώµο, για τις πολύτιµες συµβουλές τους και για το γεγονός ότι δέχτηκαν να είναι τα µέλη της εξεταστικής µου επιτροπής. Τον επίκουρο καθηγητή της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., κ. ηµήτριο Γερασόπουλο, για τις χρήσιµες οδηγίες και την πρακτική βοήθεια στη διεξαγωγή του πειράµατος. Την καθηγήτρια της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., κ. Κατερίνα Τζαβέλα- Κλωνάρη, για την ανάλυση των δειγµάτων φυτών στο Εργαστήριο Φυτοπαθολογίας της Γεωπονικής Σχολής. Τον υποψήφιο ιδάκτορα της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., κ. Ιωάννη Μυλωνά, για τη συµβολή του στη στατιστική επεξεργασία. Το Ίδρυµα Κρατικών Υποτροφιών (Ι.Κ.Υ.), για την οικονοµική στήριξη που µου παρείχε κατά τη διάρκεια των µεταπτυχιακών µου σπουδών. Όλους τους γνωστούς και φίλους που βοήθησαν πρακτικά στο δύσκολο έργο της καλλιέργειας των φυτών. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τους γονείς µου, για την ηθική και υλική υποστήριξη τους καθόλη τη διάρκεια των προπτυχιακών και µεταπτυχιακών µου σπουδών.

4 Πρόλογος Η χρήση θερµοκηπίων για την παραγωγή φυτικών ειδών όλη τη διάρκεια του έτους είναι πέρα από κάθε άλλη εποχή επίκαιρη. Πρόσφατες έρευνες αποτυπώνουν τη συνεχή υποβάθµιση των καλλιεργήσιµων εκτάσεων, αλλά και των υπογείων νερών που χρησιµοποιούνται για άρδευση. Τα θερµοκήπια αποτελούν εξειδικευµένες κατασκευές, οι οποίες σε συνδυασµό µε σύγχρονα συστήµατα ελέγχου του µικροκλίµατός τους και βελτιωµένες µεθόδους καλλιέργειας, µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή αγροτικών προϊόντων σε υποβαθµισµένα εδάφη και σε χρονικά διαστήµατα του έτους κατά τα οποία οι κλιµατολογικές συνθήκες δεν είναι ευνοϊκές. Τα θερµοκήπια έχουν ως κύριο σκοπό την παραγωγή αγροτικών προϊόντων εκτός εποχής. Το γεγονός αυτό σε συνδυασµό µε την προοδευτική αύξηση των εκτάσεων που καλύπτονται από θερµοκηπιακές καλλιέργειες οδήγησε σε αυξηµένη κατανάλωση ενέργειας. Ακόµα και στις νότιες ευρωπαϊκές χώρες, όπου επικρατούν ευνοϊκότερες κλιµατικές συνθήκες, οι θερµοκηπιακές εγκαταστάσεις που είναι εξοπλισµένες µε συστήµατα θέρµανσης καταναλώνουν µεγάλες ποσότητες συµβατικών καυσίµων ανά έτος. Μελέτες που διεξήχθησαν σε στρατηγικές θέρµανσης θερµοκηπίων, έδειξαν ότι το κόστος θέρµανσης υπερβαίνει το 30% του συνολικού κόστους λειτουργίας των θερµοκηπίων. Η ανάγκη εξοικονόµησης ενέργειας και το αυξανόµενο ενδιαφέρον για τη µείωση του ενεργειακού κόστους στα θερµοκήπια, οδήγησε σε εκτενείς προσπάθειες αξιοποίησης των ήπιων µορφών ενέργειας όπως είναι η ηλιακή ενέργεια. Με τη χρήση παθητικών ηλιακών συστηµάτων θέρµανσης, όπως το παθητικό ηλιακό σύστηµα µε πλαστικές σακούλες µε νερό, µπορεί να επιτευχθεί µείωση της εξάρτησης από συµβατικά καύσιµα. Το σύστηµα αυτό αποτελείται από πλαστικές, λείες και εύκαµπτες σακούλες πολυαιθυλενίου, οι οποίες είναι πληρωµένες µε νερό και τοποθετούνται κατά µήκος των σειρών των φυτών. Η βασική αρχή λειτουργίας του είναι ότι, κατά τη διάρκεια της ηµέρας το παθητικό ηλιακό σύστηµα συλλέγει µέρος της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στις σακούλες θερµαίνοντας το περιεχόµενο νερό και συνεπώς λειτουργεί ως αποθήκη θερµότητας. i

5 Η αποθηκευµένη αυτή θερµότητα απελευθερώνεται στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου εφόσον η θερµοκρασία του αέρα του θερµοκηπίου είναι µικρότερη από τη θερµοκρασία του νερού της σακούλας σωλήνα πολυαιθυλενίου. Στην παρούσα διατριβή, που εκπονήθηκε στα πλαίσια του Μεταπτυχιακού Προγράµµατος Σπουδών του Τοµέα Εγγείων Βελτιώσεων, Εδαφολογίας και Γεωργικής Μηχανικής της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ., αξιολογήθηκε η απόδοση ενός παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης θερµοκηπίου σε συνδυασµό µε υδροπονική εγκατάσταση κατά την καλλιεργητική περίοδο της άνοιξης. Συγκεκριµένα, ελέγχθηκε η επίδραση του συστήµατος αυτού στη ρύθµιση του περιβάλλοντος του θερµοκηπίου. Ακόµα, υπολογίστηκε η εξοικονόµηση ενέργειας από τη χρήση παθητικού ηλιακού συστήµατος πλαστικών σακούλων µε νερό κατά τα χρονικά διαστήµατα που απαιτείται θέρµανση. Τέλος, µελετήθηκαν οι επιπτώσεις στην ανάπτυξη των φυτών της υδροπονικής καλλιέργειας. ii

6 Πίνακας Περιεχοµένων Α Μέρος 1. Εισαγωγή Ο Ελληνικός θερµοκηπιακός χάρτης Επίδραση του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης µε πλαστικούς σωλήνες µε νερό, στο εσωτερικό περιβάλλον και τις ενεργειακές ανάγκες των θερµοκηπίων Η υδροπονία στην Ελλάδα Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Εισαγωγή Θερµοκρασία εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου Υγρασία εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου Εισαγωγή Ισοζύγιο υδρατµών στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου Επίδραση της υγρασίας στα φυτά Ρύθµιση της υγρασίας του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου Αερισµός εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου Εισαγωγή Μορφές αερισµού Επίδραση του αερισµού στα φυτά Ρύθµιση του αερισµού του εσωτερικού χώρου του θερµοκηπίου Εισερχόµενη στο θερµοκήπιο ηλιακή ακτινοβολία Γενικά Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στα φυτά ιοξείδιο του άνθρακα Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων Γενικά για τα ηλιακά συστήµατα θέρµανσης Παθητικά ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων Εξοικονόµηση ενέργειας στα θερµοκήπια µε τη χρήση παθητικών ηλιακών συστηµάτων θέρµανσης Το παθητικό ηλιακό σύστηµα των πλαστικών σωλήνων µε νερό Εισαγωγή Αρχές και µηχανισµοί λειτουργίας Πλεονεκτήµατα του παθητικού ηλιακού συστήµατος Αλληλεπίδραση µεταξύ του παθητικού ηλιακού συστήµατος και της καλλιέργειας Υδροπονία Εισαγωγή Στόχοι της υδροπονικής καλλιέργειας Τα υδροπονικά συστήµατα και η κατάταξη τους Ανοικτά και κλειστά υδροπονικά συστήµατα Καλλιέργεια σε υδρορροή υποστρώµατος (κανάλια και αυλάκια) Αναγκαίος εξοπλισµός των υδροπονικών συστηµάτων Τα υποστρώµατα των υδροπονικών καλλιεργειών και οι ιδιότητες τους Καλλιέργεια σε πετροβάµβακα Το θρεπτικό διάλυµα, η παρασκευή του και ο τρόπος εφαρµογής του στα φυτά iii

7 Ηλεκτρική αγωγιµότητα (Electrical Conductivity=EC) του θρεπτικού διαλύµατος Το ph του θρεπτικού διαλύµατος Καλλιέργεια µε σύστηµα στάγδην εφαρµογής του θρεπτικού διαλύµατος Αλλαγή του θρεπτικού διαλύµατος Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά Εισαγωγή Πλεονεκτήµατα της υδροπονικής καλλιέργειας στην ανάπτυξη του φυτού Μειονεκτήµατα της υδροπονικής καλλιέργειας στην ανάπτυξη του φυτού Τοξικότητες, αλατότητες και ασθένειες στις υδροπονικές καλλιέργειες Σκοπός του Πειράµατος Στοιχεία για την υδροπονική καλλιέργεια της τοµάτας Υλικά και µέθοδοι Περιγραφή του θερµοκηπίου Περιγραφή του εξοπλισµού Σύστηµα καταγραφής των µετρήσεων Συµβατικό σύστηµα θέρµανσης του θερµοκηπίου To παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης Σύστηµα αερισµού του θερµοκηπίου Σύστηµα παροχής θρεπτικού διαλύµατος Χρονοδιάγραµµα προετοιµασίας του πειράµατος Περιγραφή των µεθόδων καλλιέργειας Εγκατάσταση καλλιέργειας Κλάδεµα και περιποίηση των φυτών Αντιµετώπιση προβληµάτων από εχθρούς και ασθένειες της καλλιέργειας Θρεπτικό διάλυµα Ανάλυση του χρησιµοποιούµενου νερού Αποτελέσµατα της ανάλυσης του νερού Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος Παρουσίαση και ερµηνεία των διαφοροποιήσεων, όσον αφορά τη θερµοκρασία του εσωτερικού περιβάλλοντος των δύο τµηµάτων Υπολογισµός της εξοικονόµησης ενέργειας µε τη χρήση του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης Παρουσίαση και ερµηνεία των διαφοροποιήσεων που προέκυψαν µεταξύ των καλλιεργειών των δύο τµηµάτων Συµπεράσµατα Παράρτηµα Βιβλιογραφία iv

8 Πίνακας Σχηµάτων Σχήµα Α 1. Εξέλιξη των θερµοκηπίων στην Ελλάδα κατά τη περίοδο (Υπουργείο Γεωργίας, 2005) Σχήµα Α 2. Αγροκλιµατικές ζώνες στην Ελλάδα (Κυρίτσης, 1989) Σχήµα Α 3. Ποσοστιαία κατανοµή των θερµοκηπίων στην Ελλάδα κατά περιφέρεια (Υπουργείο Γεωργίας, 2003) Σχήµα Α 4. Έκταση σε στρέµµατα των κυριότερων θερµοκηπιακών κηπευτικών καλλιεργειών στην Ελλάδα (Υπουργείο Γεωργίας, 2003) Σχήµα Α 5. Αναλογία τυποποιηµένων και χωρικού τύπου θερµοκηπίων στην Ελλάδα (Υπουργείο Γεωργίας, 2003) Σχήµα Α 6. Επίδραση της θερµοκρασίας στην αναπνοή (1), στη φωτοσύνθεση (2), και στη καθαρή φωτοσύνθεση (3), (Hanan, 1978) Σχήµα Α 7. Η διαφορά στις άριστες θερµοκρασίες ανάπτυξης της τοµάτας κατά τη διάρκεια ενός εικοσιτετραώρου για ηµέρες µε υψηλή και χαµηλή ένταση φωτός (Μαυρογιαννόπουλος, 1994) Σχήµα Α 8. Επίδραση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην φωτοσύνθεση φύλλων αγγουριού σε θερµοκρασίες 20 0 C και 30 0 C (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997) Σχήµα Α 9. Ο ψυχροµετρικός χάρτης Σχήµα Α 10. Φασµατοσκοπικές καµπύλες ήλιου, φυτών, σωλήνων θέρµανσης και εδάφους του θερµοκηπίου (Bailley, 1975) Σχήµα Α 11. Σχετική φωτοσυνθετική ανταπόκριση (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997) Σχήµα Α 12. Συνολική απόδοση φυτών τοµάτας σε δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις CO 2 (300ppm και 1000ppm) (Nilsen et al. 1983) Σχήµα Α 14. Ενεργειακό ισοζύγιο του παθητικού ηλιακού συστήµατος (Jens, 1994) Σχήµα Β 1. Οι διαστάσεις του θερµοκηπίου και οι θέσεις των φυτών Σχήµα Β 2. Οι αισθητήρες και η θέση τους στο θερµοκήπιο Σχήµα Β 3. Το συµβατικό σύστηµα θέρµανσης του θερµοκήπιο Σχήµα Β 4. Το σύστηµα παροχής του θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά Σχήµα Β 5. Οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στο εσωτερικό του πειραµατικού τµήµατος του θερµοκηπίου, στον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στο νερό της πλαστικής σακούλας, κατά τη διάρκεια του διηµέρου από έως Σχήµα Β 6. Οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στον αέρα των δύο τµηµάτων του θερµοκηπίου, στον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στο νερό της πλαστικής σακούλας, κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου της Σχήµα Β 7. Οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στα υποστρώµατα των δύο τµηµάτων του θερµοκηπίου, στον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στο νερό της πλαστικής σακούλας, κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου της Σχήµα Β 8. Αρίθµηση των φυτών και των σειρών. Κάθε σειρά (Σ) περιλαµβάνει 21 φυτά. Με έντονο χρώµα σηµειώνονται τα φυτά που συµµετείχαν στις µετρήσεις v

9 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας Α1. Γεωγραφική κατανοµή θερµοκηπιακής καλλιέργειας τοµάτας... 4 (Υπουργείο Γεωργίας, 2003) Πίνακας Α2. Γεωγραφική κατανοµή θερµοκηπίων ανάλογα µε τον τρόπο κατασκευής τους (Υπουργείο Γεωργίας, 2003) Πίνακας Α3. Απαιτήσεις σε θερµοκρασία των κυριότερων θερµοκηπιακών καλλιεργειών (Ντόγρας, 2001; Οικονόµου, 1992) Πίνακας Α4. Άριστα επίπεδα σχετικής υγρασίας για την ανάπτυξη των κυριότερων θερµοκηπιακών καλλιεργειών (Γραφιαδέλλης, 1987; Ντόγρας, 2001) Πίνακας Α5. Χηµική σύσταση του πετροβάµβακα, ( ρίµτιας, 1995) Πίνακας Α6. Συνοπτική περιγραφή απλών ανόργανων αλάτων (λιπασµάτων) και οξέων που χρησιµοποιούνται για την παρασκευή θρεπτικών διαλυµάτων στην υδροπονία (Resh, 1981; Sonnveld, 1985; ρίµτζιας, 1995) Πίνακας Α7. Όρια των τιµών του ph για διάφορες καλλιέργειες, (University of Arizona, College of Agricultural and Life Sciences ) Πίνακας Β1. Συνταγή παρασκευής του θρεπτικού διαλύµατος που χρησιµοποιήθηκε στο πείραµα κατά τα στάδια ανάπτυξης και ανθοφορίας των φυτών Πίνακας Β2. Συνταγή παρασκευής του θρεπτικού διαλύµατος που χρησιµοποιήθηκε στο πείραµα κατά το στάδιο της καρπόδεσης Πίνακας Β3. Αποτελέσµατα ανάλυσης δείγµατος νερού Πίνακας Β4. Σύνολο ωρών λειτουργίας του καυστήρα πετρελαίου για το χρονικό διάστηµα 1ης Μαρτίου έως 31ης Μαΐου Πίνακας Β5. Μηνιαία και συνολική εξοικονόµηση ενέργειας, (%) Πίνακας Β6. ιαφοροποίηση ύψους (cm) και περιµέτρου (cm) των φυτών τοµάτας στο πείραµα και στο µάρτυρα, στο τέλος του πειράµατος Πίνακας Β7. Εµφάνιση του πρώτου άνθους-καρπού των φυτών τοµάτας στο πείραµα και στο µάρτυρα (από την ηµεροµηνία σποράς) vi

10 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα Β 1. Το πυρανόµετρο που χρησιµοποιήθηκε στο πείραµα Εικόνα Β 2. Αισθητήρας για την καταγραφή της θερµοκρασίας στο υπόστρωµα Εικόνα Β 3. Αισθητήρας υγρασίας-θερµοκρασίας HOBO H Εικόνα Β 4. Αισθητήρας υγρασίας-θερµοκρασίας HOBO PRO Εικόνα Β 5. Οι µεταλλικοί σωλήνες µεταφοράς του νερού εντός και εκτός του θερµοκηπίου, µε το πράσινο χρώµα διακρίνονται οι ηλεκτροβάνες Εικόνα Β 6. ίκτυο πλαστικών σωληνώσεων για την κυκλοφορία του νερού γύρω από τις γραµµές της καλλιέργειας Εικόνα Β 7. Πίνακας ελέγχου στον οποίο διακρίνονται οι ωροµετρητές Εικόνα Β 8. Το παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης, συνδυασµένο µε υδρορροή υδροπονίας Εικόνα Β 9. Το σύστηµα αναδιανοµής του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου Εικόνα Β 10. Χειροκίνητο πλευρικό παράθυρο Εικόνα Β 11.Αυτόµατο παράθυρο οροφής. Για τη λειτουργία του προσαρµόστηκε ηλεκτρικός µειωτήρας στροφών Εικόνα Β 12. Πίνακας ελέγχου µε προγραµµατιστή χειρισµού του παράθυρου οροφής Εικόνα Β 13. Αυτόµατος προγραµµατιστής Rainbird image Εικόνα Β 14. εξαµενή 1000lt, µαύρου χρώµατος στην οποία αποθηκευόταν το θρεπτικό διάλυµα. Στην ίδια εικόνα φαίνεται η αντλία αύξησης της πίεσης της παροχής Εικόνα Β 15. Αυτόµατος µεταλλικός αναδευτήρας προσαρµοσµένος στη δεξαµενή Εικόνα Β 16. ίκτυο σωληνώσεων τροφοδοσίας θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά Εικόνα Β 17. Το ph-µετρο (δεξιά) και το αγωγιµόµετρο (αριστερά) που χρησιµοποιήθηκαν στο πείραµα vii

11 Συµβολισµοί και Μονάδες A επιφάνεια [m 2 ] A G-SS επιφάνεια του εδάφους που καλύπτεται από το παθητικό ηλιακό σύστηµα [m 2 ] A G-SS-cont επιφάνεια των σωλήνων που είναι σε επαφή µε το έδαφος [m 2 ] A S-SS-free ελεύθερη επιφάνεια του παθητικού ηλιακού συστήµατος [m 2 ] o C Βαθµός Κελσίου, µονάδα θερµοκρασίας C σταθερά [cm o Κ] cm Εκατοστό, µονάδα µήκους C ss σταθµισµένος όρος ανταλλαγής ακτινοβολίας [W m -2 o Κ -4 ] d έλλειµµα κορεσµού [kpa] d cy διάµετρος οριζόντιων κυλίνδρων [m] e τάση υδρατµών [kpa] e s πίεση που ασκούν οι υδρατµοί σε κορεσµένη ατµόσφαιρα, σε ορισµένη θερµοκρασία [kpa] EC ηλεκτρική αγωγιµότητα ds/m ή ms/cm h cy συντελεστής θερµικής µεταφοράς [W m -2 o K -1 ] K συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας [W m -1 o C -1 ] o Κ Βαθµός Kelvin, µονάδα θερµοκρασίας ( o Κ= o C) Kg J Χιλιόγραµµο, µονάδα βάρους Joule, µονάδα θερµότητας l πάχος [m] m m 2 m 3 p Pa Μέτρο, µονάδα µήκους Τετραγωνικό µέτρο, µονάδα επιφάνειας Κυβικό µέτρο, µονάδα όγκου ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που ανακλάται από το υλικό κάλυψης Pascal, µονάδα πίεσης αδιάστατος pη Ενεργός οξύτητα (0-14) αδιάστατος viii

12 q εκπεµπόµενη ενέργεια [W] q cd απώλεια θερµότητας µε αγωγή [W] q cv απώλεια θερµότητας µε µεταφορά [W m -2 ] q loss-ss συνολική απώλεια θερµότητας ανά m 2 της επιφάνειας του παθητικού ηλιακού συστήµατος [W m -2 ] q LR απώλεια θερµότητας µε ακτινοβολία [W m -2 ] q ε ειδική υγρασία [g Kg -1 ] r περατότητα του υλικού κάλυψης στην ηλιακή ακτινοβολία αδιάστατος RH σχετική υγρασία [%] s ευτερόλεπτο, µονάδα χρόνου T θερµοκρασία σώµατος [ o Κ] Τ α θερµοκρασία του περιβάλλοντος αέρα [ o Κ] T ο απόλυτη θερµοκρασία [ o Κ] T a-lr θερµοκρασία της επιφάνειας που δέχεται την ακτινοβολία [ o Κ] T dp σηµείο δρόσου [ o C] T soil θερµοκρασία στην επιφάνεια του εδάφους [ o C] T w θερµοκρασία της επιφάνειας του σωλήνα [ o Κ] T wb θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου [ o Κ] VPD έλλειµµα τάσης υδρατµών [kpa] W Watt, µονάδα ισχύος X πάχος του φύλλου του µονωτικού πλαστικού [m] X r απόλυτη υγρασία της επιφάνειας του καλύµµατος στον κορεσµό [Κg m -3 ] θ διαφορά θερµοκρασίας [ o C] α ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που ανακλάται από το υλικό κάλυψης αδιάστατος λ max µήκος κύµατος ακτινοβολίας [µ] σ σταθερά Stefan- Boltzman [W m -2 o Κ -4 ] ω απόλυτη υγρασία [g m -3 ] ix

13 1. Εισαγωγή 1. Εισαγωγή 1.1. Ο Ελληνικός θερµοκηπιακός χάρτης Η Ελλάδα βρίσκεται στο νοτιότερο άκρο της Ευρώπης, µε την αγροτική ενασχόληση να φτάνει περίπου το 20% του συνολικού πληθυσµού της χώρας. Ο τοµέας των θερµοκηπίων τείνει να εισέλθει δυναµικά στη γεωργική παραγωγή, εκµεταλλευόµενος τις ευνοϊκές καιρικές συνθήκες που επικρατούν στη χώρα. Το µεγάλο πλεονέκτηµα των θερµοκηπίων είναι ότι παράγουν κηπευτικά και ανθοκοµικά προϊόντα εκτός εποχής. Ανήκουν στις εντατικές εκµεταλλεύσεις όσον αφορά στην ελληνική γεωργία, µε αποτέλεσµα µεγάλες στρεµµατικές αποδόσεις, ενώ συµβάλλουν σηµαντικά στη διαµόρφωση του γεωργικού εισοδήµατος, όσο και στην ενίσχυση του εθνικού εισοδήµατος. Συγκεκριµένα, τα κηπευτικά καταλαµβάνουν το 25% της συνολικής ακαθάριστης αξίας της φυτικής παραγωγής, είναι δηλαδή µια από τις πιο σηµαντικές καλλιέργειες στη χώρα µας. Η αξία των κηπευτικών στα θερµοκήπια αντιπροσωπεύει το 15% της αξίας του συνόλου των κηπευτικών (Υπουργείο Γεωργίας, 2001). Η αύξηση των θερµοκηπιακών εκτάσεων στην Ελλάδα από τη δεκαετία του 1960 ως τη δεκαετία του 1990 ήταν εντυπωσιακή (Σχήµα Α 1 ). Σχήµα Α 1. Εξέλιξη των θερµοκηπίων στην Ελλάδα κατά τη περίοδο (Υπουργείο Γεωργίας, 2005). 1

14 1. Εισαγωγή Από τότε µέχρι σήµερα όµως παρατηρείται µια προοδευτική στασιµότητα αν και ο κλάδος των θερµοκηπίων θεωρείται κλάδος µε συγκριτικό πλεονέκτηµα για τη χώρα µας, εξαιτίας κυρίως των ευνοϊκών κλιµατικών συνθηκών που επικρατούν (Ινστιτούτο Ανάπτυξης και ιαχείρισης Φυσικών Πόρων, 1994). Στην περιοχή της Μεσογείου υπερτερεί η Ισπανία, η οποία κατέχει την πρώτη θέση µε στρέµµατα θερµοκηπίων σε σύνολο στρεµµάτων. Η Ελλάδα βρίσκεται στην έβδοµη θέση µε µόλις το 3.85% της συνολικής έκτασης (Γεωργία- Κτηνοτροφία, 1999). Επειδή όµως πρόκειται για χώρες µε διαφορετικό πληθυσµό και έκταση το σωστό ποσοστό που θα έπρεπε να έχει η Ελλάδα ανέρχεται σε 6.85%. Όπως φαίνεται και από το σχήµα Α 2, η γεωγραφική κατανοµή των θερµοκηπίων στην Ελλάδα ποικίλει λόγω των κλιµατολογικών συνθηκών που επικρατούν. Σε περιοχές όπου ο χειµώνας είναι ήπιος και δεν έχουµε παγετούς, Κρήτη, Αττική, Κυκλάδες, Νοτιοδυτική Πελοπόννησος, Χαλκιδική, παρατηρούµε αυξηµένη συγκέντρωση θερµοκηπίων, γιατί δεν υπάρχουν µεγάλες ανάγκες σε θέρµανση. Σχήµα Α 2. Αγροκλιµατικές ζώνες στην Ελλάδα (Κυρίτσης, 1989). 2

15 1. Εισαγωγή Στο σχήµα Α 3 δίδεται η ποσοστιαία γεωγραφική κατανοµή των θερµοκηπίων ανά περιφέρεια (ελληνικός θερµοκηπιακός χάρτης) για το έτος Σχήµα Α 3. Ποσοστιαία κατανοµή των θερµοκηπίων στην Ελλάδα κατά περιφέρεια (Υπουργείο Γεωργίας, 2003). Τα κυριότερα κηπευτικά είδη που καλλιεργούνται στα θερµοκήπια είναι η τοµάτα και το αγγούρι. Σε µικρότερη έκταση βρίσκονται η πιπεριά, το κολοκυθάκι, η µελιτζάνα, η φράουλα, το φασολάκι, το µαρούλι και το καρπούζι (Σχήµα Α 4 ). 3

16 1. Εισαγωγή Σχήµα Α 4. Έκταση σε στρέµµατα των κυριότερων θερµοκηπιακών κηπευτικών καλλιεργειών στην Ελλάδα (Υπουργείο Γεωργίας, 2003). Πιο αναλυτικά στον πίνακα Α 1 δίνεται αντίστοιχα η γεωγραφική κατανοµή της καλλιέργειας τοµάτας για το έτος Πίνακας Α1. Γεωγραφική κατανοµή θερµοκηπιακής καλλιέργειας τοµάτας (Υπουργείο Γεωργίας, 2003). Περιφέρεια Έκταση (στρέµµατα) % της συνολικής έκτασης 1η Παραγωγή (τόνοι) 2η Παραγωγή (τόνοι) Συνολική Παραγωγή (τόνοι) Ανατολικής Μακεδονίας-Θράκης Κεντρικής Μακεδονίας υτικής Μακεδονίας Ηπείρου Θεσσαλίας Ιονίου Νησιών υτικής Ελλάδος Στερεάς Ελλάδος Αττικής Πελοποννήσου Βορείου Αιγαίου Νοτίου Αιγαίου Κρήτης Γενικό σύνολο χώρας

17 1. Εισαγωγή Ένα ακόµα στατιστικό στοιχείο που παρουσιάζει ενδιαφέρον είναι η συνολική αναλογία και η γεωγραφική κατανοµή των τύπων των θερµοκηπίων (Σχήµα Α 5 και Πίνακας Α 2 ). Έκταση (στρέµµατα) Σχήµα Α 5. Αναλογία τυποποιηµένων και χωρικού τύπου θερµοκηπίων στην Ελλάδα (Υπουργείο Γεωργίας, 2003). Πίνακας Α 2. Γεωγραφική κατανοµή θερµοκηπίων ανάλογα µε τον τρόπο κατασκευής τους (Υπουργείο Γεωργίας, 2003). Έκταση (στρέµµατα) Περιφέρεια Τυποποιηµένα Χωρικού τύπου Σύνολο Ανατολικής Μακεδονίας-Θράκης Κεντρικής Μακεδονίας υτικής Μακεδονίας Ηπείρου Θεσσαλίας Ιονίου Νήσων υτικής Ελλάδος Στερεάς Ελλάδος Αττικής Πελοποννήσου Βορείου Αιγαίου Νοτίου Αιγαίου Κρήτης Γενικό σύνολο χώρας

18 1. Εισαγωγή 1.2. Επίδραση του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης µε πλαστικούς σωλήνες µε νερό, στο εσωτερικό περιβάλλον και τις ενεργειακές ανάγκες των θερµοκηπίων Τα θερµοκήπια έχουν ως κύριο σκοπό την παραγωγή προϊόντων εκτός εποχής. Οι ενεργειακές ανάγκες των θερµοκηπίων για τη ρύθµιση του εσωτερικού περιβάλλοντος προσεγγίζουν το 1.5% του ευρωπαϊκού συνολικού ενεργειακού προϋπολογισµού (Santamouris et al., 1994). Ακόµα και στις νότιες ευρωπαϊκές χώρες, όπου επικρατούν ευνοϊκότερες κλιµατικές συνθήκες, οι θερµοκηπιακές εγκαταστάσεις που είναι εξοπλισµένες µε συστήµατα θέρµανσης καταναλώνουν κατά µέσο όρο 7.5 λίτρα καυσίµου ανά τετραγωνικό µέτρο ανά έτος (Caouris et al., 1989). Το παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης µε πλαστικούς σωλήνες µε νερό, είναι δυνατό να επηρεάσει ευνοϊκά το εσωτερικό περιβάλλον των θερµοκηπίων και να συµβάλει στην εξοικονόµηση ενέργειας ως εξής: Καλύπτει µέρος των θερµικών αναγκών ενός θερµοκηπίου για ικανοποιητικό χρονικό διάστηµα κατά τις ψυχρές περιόδους µε ηλιοφάνεια, διατηρώντας τη θερµοκρασία του εσωτερικού αέρα σε σταθερά επίπεδα. Επιπρόσθετα, είναι δυνατόν να αυξήσει τη θερµοκρασία του εδάφους του θερµοκηπίου από 1 έως 3 o C (Esquira et al., 1988; Mavrogiannopoulos and Kyritsis, 1993). Είναι δυνατό να λειτουργήσει σαν εναλλακτικό σύστηµα αερισµού και δροσισµού τις θερµές περιόδους, αφού µπορεί να µειώσει τη µέγιστη θερµοκρασία του αέρα του θερµοκηπίου µέχρι και 3 o C (Salambras, 1989), επιτυγχάνοντας εξοικονόµηση ενέργειας. Αυξάνει το ποσοστό της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας που µπορεί να απορροφηθεί από το θερµοκήπιο. Ευνοεί την καλύτερη ανάπτυξη και λειτουργία του ριζικού συστήµατος και επιφέρει επιµήκυνση της καλλιεργητικής περιόδου. 6

19 1. Εισαγωγή 1.3. Η υδροπονία στην Ελλάδα Στη διεθνή βιβλιογραφία οι υδροπονικές µέθοδοι καλλιέργειας συνήθως χαρακτηρίζονται µε τους όρους "καλλιέργειες εκτός εδάφους" (soilless culture) και υδροπονία (hydroponics). Στην ελληνική γλώσσα οι δύο αυτοί όροι χρησιµοποιούνται ως απολύτως συνώνυµοι. Στην ελληνική ειδική βιβλιογραφία όµως, έχει καθιερωθεί κυρίως ο όρος υδροπονία, λόγω της συντοµίας του, αλλά και της περιγραφικής δύναµης που τον χαρακτηρίζει (δεδοµένης της ελληνικής του προέλευσης). Η υδροπονία µπορεί να αναπτύσσεται µε αργούς ρυθµούς στην Ελλάδα, δεν συµβαίνει όµως το ίδιο και για τον υπόλοιπο κόσµο, όπου αυτή η µορφή καλλιέργειας χρησιµοποιείται ευρέως εδώ και δεκαετίες µε εντυπωσιακά αποτελέσµατα. Παρόλα αυτά η καλλιέργεια σε υποστρώµατα διαφόρων τύπων, δεν φαίνεται να ακολουθείται ως πρακτική από τους Έλληνες παραγωγούς. Ο κυριότερος λόγος είναι οι εξειδικευµένες γνώσεις που απαιτούνται για τέτοιου είδους εφαρµογές και η έλλειψη διάθεσης από τους παραγωγούς. Επίσης, πιστεύουν ότι µια καθαρά χηµική καλλιέργεια (ένα θερµοκήπιο δηλ. που θα λειτουργεί σαν χηµικό εργαστήριο), δεν θα τους αποφέρει οφέλη, είτε σε κόστος, είτε σε ποιότητα. Έτσι, η καλλιεργούµενη έκταση στην Ελλάδα µε υδροπονική µέθοδο παραµένει περίπου στα 350 στρέµµατα και γίνεται κυρίως µε τη µέθοδο πετροβάµβακα, σάκων περλίτη και µεµβράνης θρεπτικού διαλύµατος (Μαυρογιαννόπουλος Γ., 1994). Με την πάροδο του χρόνου η υδροπονική καλλιέργεια αποκτά ολοένα και µεγαλύτερο ενδιαφέρον ως αποτέλεσµα των σύγχρονων απαιτήσεων για εξασφάλιση ικανοποιητικής παραγωγής, τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά. Η Ελλάδα λόγω της γεωγραφικής της θέσης και των άριστων κλιµατικών συνθηκών, ενδείκνυται για την ανάπτυξη θερµοκηπιακών υδροπονικών καλλιεργειών. Η είσοδος των υδροπονικών καλλιεργειών στα θερµοκήπια και η σωστή διαχείριση αυτών έχει πρωταρχική σηµασία, για να µπορέσει η χώρα να συµβαδίσει µε τους συνεχώς αυξανόµενους ρυθµούς των απαιτήσεων της διεθνούς αγοράς και τον ανταγωνισµό. Οι παράγοντες που δηµιουργούν ευνοϊκές συνθήκες για την εξάπλωση και την επιτυχηµένη εφαρµογή των υδροπονικών καλλιεργειών στην Ελλάδα είναι: Η εξέλιξη της τεχνολογίας στα θέµατα µηχανολογικού εξοπλισµού των θερµοκηπίων. 7

20 1. Εισαγωγή Η βελτίωση της υφιστάµενης τεχνογνωσίας στα θέµατα θρέψης των φυτών και διαχείρισης της άρδευσης. Η κατάργηση της χρήσης του βρωµιούχου µεθυλίου ως κύριου χηµικού απολυµαντικού του εδάφους. Η αξιοποίηση εγχώριων πρώτων υλών (ελαφρόπετρα) ή προϊόντων (περλίτης) σαν υπόστρωµα υδροπονικών καλλιεργειών. Η δηµιουργία νέων εξειδικευµένων υποστρωµάτων όπως π.χ. ο υδροπονικός περλίτης Perloflor Hydro, που έρχεται να δώσει λύση σε πολλά από τα υπάρχοντα προβλήµατα που έχουν προκύψει παλιότερα, από τη χρήση άλλων υλικών ως υποστρώµατα υδροπονικής καλλιέργειας. 8

21 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια 2.1. Εισαγωγή Οι περισσότερες και πιο σηµαντικές καλλιέργειες καλλιεργούνται στον αγρό σε ιδανικά κλίµατα και εποχές. Τα θερµοκήπια χρησιµοποιούνται για την παραγωγή αγροτικών προϊόντων εκτός εποχής, για ερευνητικούς λόγους, αλλά και για εµπορικούς σκοπούς, όπως η αύξηση του κέρδους λόγω µειωµένης προσφοράς του προϊόντος τη συγκεκριµένη χρονική στιγµή (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997). Ποικίλες µελέτες και ερευνητικές εργασίες που αφορούν στον έλεγχο περιβάλλοντος των θερµοκηπίων έχουν παρουσιαστεί από πολλούς ερευνητές (Jones et al., 1984; Gates and Overhults, 1991; Stanghellini and van Meurs, 1992; Young and Lees, 1993; Zhang and Barber, 1993; Young et al., 1994, 2000; Stanghellini and De Jong, 1995; Chao et al., 1995, 2000; Chao and Gates, 1996; Lees et al., 1996; Arvanitis et al., 2000; Taylor et al., 2000; Zolnier et al., 2000). Παλιότερα, τα θερµοκήπια είχαν περίοδο χρήσης µόνο από τα τέλη του χειµώνα µέχρι τις αρχές καλοκαιριού και κατά το φθινόπωρο. Αυτό ίσχυε, γιατί µέσα στο καλοκαίρι τα θερµοκήπια ήταν πολύ θερµά, ενώ το χειµώνα τα επίπεδα φωτός ήταν πολύ χαµηλά και η διάρκεια ηµέρας µικρή, µε αποτέλεσµα τη δυσχερή ανάπτυξη πολλών καλλιεργειών. Όταν µια καλλιέργεια καλύπτεται µε µία κατασκευή, όπως το θερµοκήπιο, αλλάζει σηµαντικά το εσωτερικό περιβάλλον. Το πιο απλό αποτέλεσµα είναι η µείωση της ταχύτητας του ανέµου συγκριτικά µε εκείνη στον αγρό (Businger, 1966). Η χρήση µεθόδων ελέγχου του εσωτερικού περιβάλλοντος των θερµοκηπίων, όπως τα κεντρικά συστήµατα θέρµανσης, η διατήρηση της σχετικής υγρασίας σε ιδανικά επίπεδα, ο µηχανικός αερισµός, ο συµπληρωµατικός φωτισµός και ο εµπλουτισµός µε διοξείδιο του άνθρακα επεκτείνανε την περίοδο χρήσης των θερµοκηπίων κατά τη διάρκεια όλου του έτους (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997). Για να επιτευχθεί βελτιστοποίηση της παραγωγής της καλλιέργειας, τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά, απαραίτητη προϋπόθεση είναι ο έλεγχος των παραµέτρων που συνιστούν το εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου. Η συνδυασµένη ρύθµιση της θερµοκρασίας, της υγρασίας, του αερισµού, του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), της 9

22 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια εισερχόµενης στο θερµοκήπιο ηλιακής ακτινοβολίας, µπορεί να οδηγήσει σε αυτό το αποτέλεσµα Θερµοκρασία εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου Η θερµοκρασία παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στις βασικές λειτουργίες των καλλιεργούµενων φυτών, όπως η φωτοσύνθεση, η διαπνοή, η αναπνοή και ο µεταβολισµός. Οι περισσότερες πληροφορίες για τη συµπεριφορά των φυτών στις µεταβολές της θερµοκρασίας βασίζονται στη θερµοκρασία του αέρα, παρά σε εκείνη των φυτών (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997). Όπως σε κάθε ζωικό οργανισµό, έτσι και στα φυτά υπάρχει ένα εύρος θερµοκρασιών, που καλείται εύρος ή ζώνη άνεσης, µέσα στο οποίο τα φυτά µπορούν να αναπτυχθούν σωστά και να δώσουν µέγιστες αποδόσεις (Νικήτα-Μαρτζοπούλου, 1994). Ανάλογα µε το είδος του φυτού, αλλά και το στάδιο ανάπτυξης του, οι ιδανικές θερµοκρασίες στο εσωτερικό ενός θερµοκηπίου ποικίλουν και σχετίζονται µε την ηλιακή ακτινοβολία, το CO 2, τον αερισµό και την υγρασία. Οι ιδανικές συνθήκες για την ανάπτυξη των περισσότερων θερµοκηπιακών καλλιεργειών κυµαίνονται µεταξύ των ορίων των 10 ο C και 30 ο C. Τόσο η αύξηση όσο και η ανάπτυξη πολλών φυτικών ειδών, επηρεάζεται σηµαντικά από τη διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ της ηµέρας και της νύχτας (Ντόγρας, 2001). Στον πίνακα Α 3 αποτυπώνονται οι άριστες θερµοκρασίες ανάπτυξης για τις κυριότερες θερµοκηπιακές καλλιέργειες. Πίνακας Α 3. Απαιτήσεις σε θερµοκρασία των κυριότερων θερµοκηπιακών καλλιεργειών (Ντόγρας, 2001; Οικονόµου, 1992). ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΗΜΕΡΑΣ ( 0 C) ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΝΥΧΤΑΣ ( 0 C) ΑΓΓΟΥΡΙ C C ΜΑΡΟΥΛΙ C C ΜΕΛΙΤΖΑΝΑ C C ΠΙΠΕΡΙΑ C oc ΤΟΜΑΤΑ C C ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟ C C ΧΡΥΣΑΝΘΕΜΟ C C 10

23 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Η άριστη θερµοκρασία (ηµέρας και νύχτας) που πρέπει να διατηρείται στο θερµοκήπιο καθορίζεται από τους εξής παράγοντες: το είδος του φυτού, την ηλικία ή το στάδιο ανάπτυξης του φυτού, την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, τον προγραµµατισµό του χρόνου συγκοµιδής και τα διαθέσιµα θρεπτικά στοιχεία, νερό και διοξείδιο του άνθρακα (Ντόγρας, 2001). Ανάλογα µε την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας παρατηρούνται διαφοροποιήσεις στην ιδανική θερµοκρασία για τα φυτά. Με την αύξηση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, άρα και της θερµοκρασίας µέσα στο θερµοκήπιο, εντείνεται ο ρυθµός αναπνοής και διαπνοής των φυτών. Όταν όµως η θερµοκρασία ξεπεράσει ένα κρίσιµο σηµείο η καθαρή φωτοσύνθεση ελαττώνεται, ως αποτέλεσµα της αυξηµένης αναπνοής και της αναστολής της φωτοσύνθεσης (Σχήµα Α 6 ). Σχήµα Α 6. Επίδραση της θερµοκρασίας στην αναπνοή (1), στη φωτοσύνθεση (2), και στη καθαρή φωτοσύνθεση (3), (Hanan, 1978). Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ηµέρας επηρεάζει και την απαιτούµενη διαφορά θερµοκρασίας ηµέρας και νύχτας για την ταχύτερη ανάπτυξη των φυτών. Ειδικότερα τις ηµέρες µε ηλιοφάνεια συνίσταται διαφορά θερµοκρασίας 11

24 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια ηµέρας και νύχτας της τάξης των 8 0 C, ενώ τις ηµέρες µε συννεφιά 3 έως 6 0 C (Ντόγρας, 2001). Στο σχήµα Α 7 φαίνεται η διαφορά στις άριστες θερµοκρασίες ανάπτυξης της τοµάτας κατά τη διάρκεια ενός εικοσιτετραώρου για ηµέρες µε υψηλή και χαµηλή ένταση φωτός. Σχήµα Α 7. Η διαφορά στις άριστες θερµοκρασίες ανάπτυξης της τοµάτας κατά τη διάρκεια ενός εικοσιτετραώρου για ηµέρες µε υψηλή και χαµηλή ένταση φωτός (Μαυρογιαννόπουλος, 1994). Επιπλέον η αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στο εσωτερικό του θερµοκηπίου προκαλεί αύξηση του ρυθµού της φωτοσύνθεσης ως ένα σηµείο. Αν συγχρόνως αυξηθεί και η εσωτερική θερµοκρασία, τότε ο ρυθµός φωτοσύνθεσης αυξάνεται περισσότερο. Στο σχήµα Α 8 παρουσιάζεται η επίδραση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην φωτοσύνθεση φύλλων αγγουριού σε θερµοκρασίες 20 0 C και 30 0 C. 12

25 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Σχήµα Α 8. Επίδραση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην φωτοσύνθεση φύλλων αγγουριού σε θερµοκρασίες 20 0 C και 30 0 C (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997) Υγρασία εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου Εισαγωγή Η υγρασία αποτελεί έναν από τους σπουδαιότερους παράγοντες που επηρεάζουν το εσωτερικό περιβάλλον των θερµοκηπίων, καθώς η ανάπτυξη των καλλιεργούµενων φυτών σε αυτά επηρεάζεται από την περιεκτικότητα του εσωτερικού αέρα σε υδρατµούς. Ειδικά, η σχετική υγρασία καθορίζει το ρυθµό µε τον οποίο τα φυτά προσλαµβάνουν νερό, το ρυθµό µεταφοράς θερµότητας και την εµφάνιση ασθενειών. Έτσι, στο εσωτερικό ενός θερµοκηπίου είναι απαραίτητος ο έλεγχος της υγρασίας καθώς πρέπει να επιδιώκεται ο συνδυασµός άριστης θερµοκρασίας και σχετικής υγρασίας. Ο συνδυασµός αυτός έχει σαν αποτέλεσµα την αύξηση της παραγωγής, τη βελτίωση της ποιότητας των προϊόντων, την εξοικονόµηση ενέργειας και κατά συνέπεια τη µείωση του κόστους παραγωγής. 13

26 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Ο ατµοσφαιρικός αέρας στη φυσική κατάστασή του είναι µίγµα αερίων, οξυγόνου, διοξειδίου του άνθρακα, αζώτου, αργού, άλλων αερίων σε πολύ µικρές ποσότητες και υδρατµών. Στο εσωτερικό ενός θερµοκηπίου η σύνθεση του αέρα µπορεί να µεταβάλλεται, λόγω της αναπνοής, της διαπνοής, της φωτοσύνθεσης και της εξάτµισης των εγκατεστηµένων φυτών. Παρακάτω αναφέρονται κάποια χαρακτηριστικά µεγέθη που σχετίζονται µε την υγρασία της ατµόσφαιρας: Κορεσµένος αέρας: Είναι ο αέρας που περιέχει τη µέγιστη ποσότητα υδρατµών, σε ορισµένη πίεση και θερµοκρασία, χωρίς να παρατηρείται συµπύκνωση υδρατµών. Τάση υδρατµών (e): Η πίεση των υδρατµών που είναι αναµεµειγµένοι µε τον ατµοσφαιρικό αέρα αποτελεί µέρος της ατµοσφαιρικής πίεσης και καλείται τάση υδρατµών. Μονάδες µέτρησης: kpa, mb. Απόλυτη υγρασία (ω): Είναι η µάζα των υδρατµών ανά µονάδα όγκου. Μονάδα µέτρησης : gm -3. Ειδική υγρασία (q ε ): Είναι ο λόγος της µάζας των υδρατµών δείγµατος υγρού αέρα προς τη µάζα του δείγµατος. Μονάδα µέτρησης: gkg -1. Σχετική υγρασία (RH): Η αναλογία της συγκέντρωσης των υδρατµών που περιέχονται σε ορισµένο όγκο υγρού αέρα και της συγκέντρωσης των υδρατµών που θα περιείχε ο όγκος αυτός αν ήταν κορεσµένος µε υδρατµούς, στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. Εκφράζεται σε %. Σηµείο δρόσου (T dp ): Είναι η θερµοκρασία στην οποία πρέπει να ψυχθεί ο αέρας, κάτω από σταθερή πίεση, για να καταστεί κορεσµένος µε υδρατµούς. Μονάδα µέτρησης: 0 C. Έλλειµµα τάσης ατµών (VPD, vapor pressure deficit): Είναι η διαφορά ανάµεσα στην τάση υδρατµών (e) του ατµοσφαιρικού αέρα και στη µέγιστη τάση των υδρατµών (e s ). Μονάδα µέτρησης : kpa. Θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου (T wb ): Είναι η θερµοκρασία που αποκτά ο ατµοσφαιρικός αέρας, κάτω από σταθερή πίεση, όταν µέσα σε αυτόν γίνεται συνεχής εξάτµιση νερού, µέχρι να καταστεί κορεσµένος µε υδρατµούς, χωρίς ανταλλαγή θερµότητας µε το περιβάλλον. Μονάδα µέτρησης: 0 K. 14

27 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Ισοζύγιο υδρατµών στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου Στο εξωτερικό περιβάλλον η υγρασία παρουσιάζει µέγιστες και ελάχιστες τιµές κοντά στις ελάχιστες και µέγιστες τιµές αντίστοιχα της θερµοκρασίας του εξωτερικού αέρα. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην παραδοχή ότι, η µέγιστη τάση υδρατµών (e s ) αυξάνεται πολύ περισσότερο από την τάση των υδρατµών (e), όταν αυξάνεται η θερµοκρασία του αέρα (Φλόκας, 1997). Στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου η υγρασία µπορεί να αυξηθεί κυρίως λόγω της διαπνοής των φυτών και όταν έχουµε εξάτµιση του νερού από το έδαφος. Αντίθετα ο αερισµός και η συµπύκνωση των υδρατµών στις εσωτερικές επιφάνειες του θερµοκηπίου προκαλούν µείωση της υγρασίας του θερµοκηπίου. Η ανάλυση του ισοζυγίου των υδρατµών στην παρούσα διατριβή δεν λαµβάνει υπόψη τους υδρατµούς που προστίθενται από την εξάτµιση του εδάφους, γιατί στο συγκεκριµένο θερµοκήπιο το έδαφος καλύπτεται µε πλαστικό για την καλύτερη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και τον περιορισµό των ζιζανίων, ενώ παράλληλα εφαρµόζεται σύστηµα υδροπονικής καλλιέργειας. Κατά τους χειµερινούς µήνες ο αερισµός είναι περιορισµένος, εποµένως η µεγαλύτερη ποσότητα των υδρατµών αποµακρύνεται από το εσωτερικό του θερµοκηπίου λόγω της συµπύκνωσης στα καλύµµατα του θερµοκηπίου. Κατά τους θερινούς µήνες, ενώ το ποσοστό της συµπύκνωσης των υδρατµών µειώνεται, αυξάνει το ποσοστό των υδρατµών που αποµακρύνεται µε αερισµό. Ο ρυθµός διαπνοής των καλλιεργειών, δηλαδή της µετακίνησης υδρατµών και άλλων αερίων από το φυτό, µέσω των στοµάτων των φύλων, στην ατµόσφαιρα που το περιβάλει, είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας του φύλλου και κατ επέκταση της ηλιακής ακτινοβολίας, του ελλείµµατος κορεσµού του αέρα και της ταχύτητας του ανέµου (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997). Η αύξηση της ηλιακής ακτινοβολίας έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση του ρυθµού διαπνοής του φυτού. Το έλλειµµα κορεσµού της ατµόσφαιρας (d) συνδέεται µε το µέγεθος της σχετικής υγρασίας (RΗ), σύµφωνα µε τη σχέση: d = e s 100 RH 100 e s : η πίεση που ασκούν οι υδρατµοί όταν η ατµόσφαιρα είναι κορεσµένη, σε ορισµένη θερµοκρασία, kpa. 15

28 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι χαµηλό έλλειµµα πίεσης κορεσµού των υδρατµών αντιστοιχεί σε υψηλή σχετική υγρασία και το αντίστροφο. Τέλος, αύξηση της ταχύτητας του ανέµου στην περιοχή των φύλλων έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση του ρυθµού διαπνοής και το αντίστροφο. Η επιφανειακή συµπύκνωση των υδρατµών επηρεάζει άµεσα το ισοζύγιο υδρατµών στο εσωτερικό του θερµοκηπίου. Επιφανειακή συµπύκνωση έχουµε όταν οι υδρατµοί υγροποιούνται πάνω σε µια επιφάνεια και το φαινόµενο αυτό παρατηρείται όταν η θερµοκρασία της επιφάνειας αυτής πέσει κάτω από τη θερµοκρασία του αέρα και συγκεκριµένα κάτω από το σηµείο δρόσου του αέρα. Η θερµοκρασία του σηµείου δρόσου µπορεί να προσδιοριστεί µε τη βοήθεια ενός ψυχροµετρικού διαγράµµατος (Σχήµα Α 9 ). Από το διάγραµµα προκύπτει ότι όσο η θερµοκρασία του σηµείου δρόσου είναι πιο κοντά προς τη θερµοκρασία του αέρα, τόσο πιο υψηλή είναι η σχετική υγρασία και τόσο αυξάνεται η πιθανότητα να καταστεί κορεσµένος ο αέρας και να συµπυκνωθούν οι υδρατµοί που περιέχει. Μέσα σε ένα θερµοκήπιο συµπύκνωση υδρατµών παρατηρείται στην εσωτερική επιφάνεια του καλύµµατος, στα µεταλλικά σκελετικά στοιχεία, στην επιφάνεια των φυτών και στην επιφάνεια του εδάφους. Η εναλλαγή του αέρα από το εσωτερικό του θερµοκηπίου προς το εξωτερικό περιβάλλον και αντίστροφα, επίσης συµµετέχει στη ρύθµιση του ισοζυγίου υδρατµών µέσα στο θερµοκήπιο. Ο φυσικός αερισµός είναι ο κυριότερος τρόπος εναλλαγής του εσωτερικού αέρα. 16

29 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Σχήµα Α 9. Ο ψυχροµετρικός χάρτης 17

30 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Επίδραση της υγρασίας στα φυτά Τα επίπεδα υγρασίας στο εσωτερικό του θερµοκηπίου µεταβάλλονται ανάλογα µε την εποχή του έτους, αλλά και κατά τη διάρκεια ενός εικοσιτετραώρου της ίδιας ηµέρας. Άµεση είναι η επίδραση των µεταβολών αυτών στα φυτά και ιδιαίτερα στην διαπνοή, τη φωτοσύνθεση και τη γενικότερη ανάπτυξη αυτών. Επίσης, παρουσιάζονται και έµµεσες επιδράσεις, όπως η ανάπτυξη ασθενειών. Αύξηση της σχετικής υγρασίας στο εσωτερικό ενός θερµοκηπίου, προκαλεί µείωση στην διαπνοή των φυτών και αύξηση της φωτοσύνθεσης και το αντίστροφο. Η επίδραση της σχετικής υγρασίας στην ανάπτυξη των φυτών εξαρτάται και από τις µεταβολές της θερµοκρασίας. Έτσι, όταν κυµαίνεται σε επίπεδα της τάξης του 55 έως 90% στους 20 ο C δεν επηρεάζει την ανάπτυξη των περισσότερων καλλιεργούµενων φυτών (Grange and Hand, 1987). Πολύ χαµηλές τιµές υγρασίας (κάτω του 20%), είναι δυνατό να προκαλέσουν µαρασµό, αφού οι απώλειες από εξάτµιση µπορεί να ξεπεράσουν αυτές που µπορεί να αναπληρώσει το φυτό (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997). Αντίθετα, πολύ υψηλές τιµές υγρασίας προκαλούν την εµφάνιση µυκητολογικών ασθενειών, οι οποίες εξαπλώνονται ταχύτατα στον κλειστό χώρο του θερµοκηπίου, µε αποτέλεσµα τη µείωση της παραγωγής, την υποβάθµιση της ποιότητας και, σε έντονες προσβολές, ακόµη και την ολοκληρωτική απώλεια της παραγωγής. Στον πίνακα Α 4 παρουσιάζονται τα άριστα επίπεδα σχετικής υγρασίας για την ανάπτυξη των κυριότερων θερµοκηπιακών καλλιεργειών. Πίνακας Α 4. Άριστα επίπεδα σχετικής υγρασίας για την ανάπτυξη των κυριότερων θερµοκηπιακών καλλιεργειών (Γραφιαδέλλης, 1987; Ντόγρας, 2001). Καλλιέργεια Σχ. Υγρασία% Παρατηρήσεις Αγγούρι % για την περίοδο της καρποφορίας Μαρούλι Μελιτζάνα Πιπεριά Τοµάτα % για τη γονιµοποίηση των ανθέων 18

31 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Ρύθµιση της υγρασίας του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου Όπως αναφέρθηκε τα επίπεδα υγρασίας στο εσωτερικό του θερµοκηπίου µεταβάλλονται ανάλογα µε την εποχή του έτους, αλλά και κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου. Εποµένως, είναι αναγκαία η ρύθµιση της υγρασίας, ώστε µέσα στο θερµοκήπιο, οι συνθήκες για την καλλιέργεια να διατηρούνται σε άριστες τιµές. Κατά τη χειµερινή περίοδο στο εσωτερικό του θερµοκηπίου παρατηρείται υψηλή σχετική υγρασία, ενώ το καλοκαίρι πέφτει σε πολύ χαµηλά επίπεδα µε αρνητικά αποτελέσµατα για τις καλλιέργειες. Στις ενδιάµεσες περιόδους, άνοιξη και φθινόπωρο, ρύθµιση της υγρασίας απαιτείται κυρίως κατά τη διάρκεια της νύχτας που η θερµοκρασία είναι χαµηλή και η σχετική υγρασία στο εσωτερικό του θερµοκηπίου ξεπερνά το 90%. Κρίνεται λοιπόν αναγκαία η χρήση συστηµάτων τα οποία είτε µειώνουν, είτε αυξάνουν τη σχετική υγρασία µέσα στο θερµοκήπιο. Ειδικότερα για το σωστό έλεγχο της υγρασίας απαιτείται ένας κεντρικός υπολογιστής, αισθητήρες υγρασίας και θερµοκρασίας και αυτόµατα συστήµατα θέρµανσης και εξαερισµού. Μείωση της υγρασίας µπορεί να επιτευχθεί µε συστήµατα που αντικαθιστούν τον υγρό αέρα του θερµοκηπίου µε εξωτερικό αέρα, καθώς και µε συστήµατα που αποσκοπούν στη µείωση της συγκέντρωσης των υδρατµών στο εσωτερικό του θερµοκηπίου χωρίς ανταλλαγές αέρα µε το εξωτερικό περιβάλλον. Το πιο κλασικό σύστηµα για τη µείωση της σχετικής υγρασίας είναι ο αερισµός φυσικός ή δυναµικός. Στην περίπτωση που η εξωτερική θερµοκρασία είναι χαµηλή, ενδείκνυται η συνδυασµένη εφαρµογή συστηµάτων αερισµού και θέρµανσης, µέθοδος που χρησιµοποιείται στην πλειονότητα των θερµοκηπίων. Άλλος τρόπος µείωσης της σχετικής υγρασίας είναι η χρήση υγροσκοπικών ουσιών (Isetti et al., 1997; Camben et al., 2003). Αν και η συγκεκριµένη µέθοδος είναι αποτελεσµατική στη µείωση της υγρασίας, δεν εφαρµόστηκε στην πράξη, λόγω του υψηλού κόστους εγκατάστασης. Μείωση της υγρασίας µπορεί να επιτευχθεί και µε συµπύκνωση των υδρατµών σε επιφάνειες µε θερµοκρασία µικρότερη από το σηµείο δρόσου του αέρα. Οι κίνδυνοι ανάπτυξης ασθενειών, λόγω πτώσης σταγονιδίων νερού πάνω στα φυτά, καθώς και οι αυξηµένες ενεργειακές απαιτήσεις του συστήµατος περιόρισαν την εφαρµογή του. Η αύξηση της υγρασίας στο εσωτερικό περιβάλλον των θερµοκηπίων απαιτείται κατά τους θερινούς µήνες, ειδικά για τον ελληνικό χώρο από Μάιο έως Σεπτέµβριο, αφού λόγω υψηλών θερµοκρασιών, απαιτείται αερισµός, µε συνέπεια να παρουσιάζεται χαµηλή σχετική υγρασία. Η υγρασία του αέρα µπορεί να αυξηθεί µε σκίαση του 19

32 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια θερµοκηπίου, µε διαβροχή των διαδρόµων και των τοιχωµάτων του θερµοκηπίου, µε περιορισµό της κίνησης του αέρα, καθώς και µε εφαρµογή συστηµάτων δροσισµού όπως υγρή παρειά και σύστηµα υδρονέφωσης Αερισµός εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου Εισαγωγή Ο αερισµός είναι απαραίτητος, γιατί συντελεί στη ρύθµιση της θερµοκρασίας και στη διαµόρφωση του ισοζυγίου των υδρατµών στο εσωτερικό του θερµοκηπίου, ώστε να διατηρούνται οι άριστες συνθήκες για την ανάπτυξη των φυτών. Σηµαντική επίδραση έχει και στη διαπνοή, στην εξάτµιση και στη διαθεσιµότητα του CO 2. Εναλλαγή του αέρα µπορεί να επιτευχθεί µε φυσικό ή µε δυναµικό αερισµό Μορφές αερισµού Στα θερµοκήπια, δύο είναι οι µέθοδοι αερισµού του εσωτερικού περιβάλλοντος, ο φυσικός και ο δυναµικός αερισµός. Φυσικός αερισµός θερµοκηπίων Ο φυσικός αερισµός πραγµατοποιείται µέσω ανοιγµάτων που κατασκευάζονται είτε στην οροφή, είτε στις πλευρές του θερµοκηπίου. Παράγοντες που βοηθούν στην επίτευξή του είναι ο άνεµος και η ιδιότητα του αέρα να ανέρχεται σε υψηλότερα στρώµατα της ατµόσφαιρας όταν θερµαίνεται (Hellicson and Walker, 1983). Με τη µέθοδο αυτή επιτυγχάνεται αντικατάσταση του εσωτερικού υγρού αέρα από εξωτερικό που έχει χαµηλότερη θερµοκρασία και άρα µικρότερη πυκνότητα υδρατµών. Ο φυσικός αερισµός χρησιµοποιείται όλη τη διάρκεια του έτους, το καλοκαίρι για να µειώσει τη θερµοκρασία και να αυξήσει την υγρασία του αέρα, ενώ το χειµώνα για να µειώσει την υγρασία του αέρα σε συνδυασµό µε κάποιο σύστηµα θέρµανσης. Οι παράγοντες που καθορίζουν την επίδραση του φυσικού αερισµού στη µεταβολή της υγρασίας στο εσωτερικό ενός θερµοκηπίου είναι η σχετική υγρασία του εξωτερικού αέρα και ο ρυθµός µε τον οποίο ανανεώνεται ο αέρας στο θερµοκήπιο. 20

33 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Ο ρυθµός ανανέωσης του αέρα εξαρτάται από το µέγεθος και την τοποθέτηση των ανοιγµάτων αερισµού, την ταχύτητα του ανέµου, το µέγεθος, τη διάταξη και το σχήµα του θερµοκηπίου καθώς και από τη θερµοκρασία του εσωτερικού και του εξωτερικού αέρα. Πολλοί ερευνητές ασχολήθηκαν µε τον υπολογισµό του ρυθµού ανανέωσης του αέρα και το βαθµό αερισµού ενός θερµοκηπίου λόγω φυσικού αερισµού, ιδιαίτερα κατά τη δεκαετία του (Papadakis et al., 1996, Boulard and Draoui, 1995, Boulard et al., 1996, Kittas et al., 1997, Teitel and Tanny, 1999, Vassiliou et al., 2000, Perez Para et al., 2004). υναµικός ή µηχανικός αερισµός θερµοκηπίων Ο δυναµικός αερισµός συνίσταται στη χρήση ανεµιστήρων, οι οποίοι εξάγουν αέρα (αερισµός υποπίεσης), ή εισάγουν αέρα (αερισµός υπερπίεσης). Σηµαντικοί παράγοντες που πρέπει να λαµβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασµό ενός τέτοιου συστήµατος, είναι το µέγεθος και το σχήµα των ανοιγµάτων εισόδου-εξόδου, καθώς και τα χαρακτηριστικά των ανεµιστήρων, ώστε να είναι γνωστά τα ρεύµατα αέρα που θα δηµιουργηθούν µέσα στο θερµοκήπιο (Νικήτα-Μαρτζοπούλου, 1994). Οι ανεµιστήρες δηµιουργούν βεβιασµένη κίνηση αέρα µε αποτέλεσµα την ικανοποιητική ανάµειξη και κυκλοφορία του εσωτερικού αέρα και έτσι, εξασφαλίζουν οµοιόµορφες συνθήκες περιβάλλοντος (Hellicson and Walker, 1983). Η εγκατάσταση τόσο των ανεµιστήρων, όσο και των ανοιγµάτων πρέπει να γίνεται έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη αξιοποίηση των εξωτερικών ρευµάτων αέρα, ειδικά το καλοκαίρι. Απαραίτητη είναι η προσαρµογή περσίδων για την αποφυγή δηµιουργίας ψυχρών ρευµάτων µε ταχύτητες µεγαλύτερες του 1 m/s το χειµώνα Επίδραση του αερισµού στα φυτά Η κίνηση του αέρα µέσα σε θερµοκήπιο επηρεάζει τη διαπνοή, την εξάτµιση και τη διαθεσιµότητα του CO 2. Ταχύτητα ανέµου 0.5 έως 0.7 ms -1 είναι γενικά αποδεκτή ως κατάλληλη για την ανάπτυξη των φυτών. Ειδικά για την πρόσληψη CO 2, χρειάζεται ταχύτητα αέρα 0.03 έως 0.1 ms -1 στην επιφάνεια των φύλλων. Όταν όµως ξεπεράσει το 1 ms -1 µπορεί να επιφέρει υπερβολική διαπνοή, κλείσιµο των στοµάτων, µείωση της πρόσληψης CO 2 και επιβράδυνση της ανάπτυξης των φυτών. Ειδικά, όταν ξεπεράσει τα 5 ms -1 µπορεί να προκαλέσει σπασίµατα στους βλαστούς (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997). Με τον αερισµό προστατεύεται η παραγωγή από υπερβολική ανύψωση της θερµοκρασίας, ενώ περιορίζεται η υπερβολική υγρασία. 21

34 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Τέλος, ανεπαρκής αερισµός προκαλεί µείωση στην ποιότητα και την παραγωγή, ενώ παντελής έλλειψη αερισµού οδηγεί σε απώλεια της παραγωγής Ρύθµιση του αερισµού του εσωτερικού χώρου του θερµοκηπίου Η ρύθµιση του αερισµού στα θερµοκήπια συνδυάζεται πάντα µε τη ρύθµιση της θερµοκρασίας και της υγρασίας. Ένας κεντρικός υπολογιστής, αισθητήρες υγρασίας και θερµοκρασίας και αυτόµατα συστήµατα εξαερισµού απαιτούνται για τη διατήρηση άριστων συνθηκών. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται, ώστε να αποφευχθεί η ταυτόχρονη λειτουργία συστηµάτων θέρµανσης και εξαερισµού. Έτσι, ο αερισµός πρέπει να τίθεται σε λειτουργία σε υψηλότερα επίπεδα θερµοκρασίας, από το σηµείο έναρξης της θέρµανσης, οπότε αρχίζει να λειτουργεί ο ανεµιστήρας. Σε θερµοκήπια µε φυσικό αερισµό, εξασφαλίζεται ικανοποιητικό ρεύµα αέρα σε περιόδους µε µέτριες ανάγκες αερισµού, όπως κρύες µέρες ή ζεστές αλλά συννεφιασµένες µέρες µε αέρα Εισερχόµενη στο θερµοκήπιο ηλιακή ακτινοβολία Γενικά Η ηλιακή ενέργεια υπερέχει όλων των πηγών ενέργειας, ενώ αποτελεί την πιο ελπιδοφόρα πηγή ανανεώσιµης ενέργειας. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι γνωστή σαν ακτινοβολία µικρού µήκους κύµατος µε µήκος κύµατος µ, καθώς στα µικρού µήκους κύµατα συµπεριλαµβάνεται το 98% της εκπεµπόµενης ηλιακής ενέργειας. Η ηλιακή ακτινοβολία που καταλήγει στην επιφάνεια της γης αποτελεί ένα µικρό µέρος του συνολικού ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. Η ακτινοβολία που εκπέµπεται από τη γη, αλλά και από κάθε σώµα πάνω σε αυτή, που έχει θερµοκρασία υψηλότερη του απόλυτου µηδενός, κατανέµεται σε ένα φάσµα µήκους κύµατος της τάξης των 3µ και άνω, για αυτό και ονοµάζεται ακτινοβολία µεγάλου µήκους κύµατος. Το ποσό της ενέργειας που ακτινοβολείται υπολογίζεται µε βάση το νόµο των Stefan-Boltzmann : q = σ A T 4, όπου q : η εκπεµπόµενη ενέργεια, W σ : η σταθερά Stefan-Boltzmann, 5, W m -2 k -4 22

35 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια A : η επιφάνεια του σώµατος, m 2 Τ : η θερµοκρασία του σώµατος, Κ To µήκος κύµατος της ακτινοβολίας που εκπέµπεται από την επιφάνεια των σωµάτων, εξαρτάται από τη θερµοκρασία τους. Εποµένως, όσο αυξάνεται η θερµοκρασία ενός σώµατος, τόσο µικρότερο θα είναι το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας που εκπέµπει (Νόµος του Wien) : λ max = C / T ο λ max : το µήκος κύµατος µε τη µέγιστη ένταση της ακτινοβολίας, µ Τ ο : η απόλυτη θερµοκρασία, ο Κ C : σταθερά µε τιµή cm ο Κ O Bailey (1975), αποτύπωσε στο σχήµα Α 10 τις φασµατικές καµπύλες του ήλιου, καθώς και αυτές των σωλήνων θέρµανσης, των φυτών και του εδάφους ενός θερµοκηπίου. Σχήµα Α 10. Φασµατοσκοπικές καµπύλες ήλιου, φυτών, σωλήνων θέρµανσης και εδάφους του θερµοκηπίου (Bailley, 1975). Από το σχήµα φαίνεται ότι ο ήλιος, που έχει θερµοκρασία κοντά στους 6000 ο Κ, εµφανίζει µέγιστη ένταση ακτινοβολίας σε µήκος κύµατος 0.5µ, ενώ το έδαφος µε 23

36 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια θερµοκρασία 290 ο Κ παρουσιάζει µέγιστη ένταση ακτινοβολίας σε µήκος κύµατος 10µ. Από το σχήµα φαίνεται επίσης ότι η ηλιακή ακτινοβολία, ανάλογα µε το µήκος κύµατος, χωρίζεται σε υπεριώδη ακτινοβολία ( µ) που αποτελεί το 4% της ηλιακής ακτινοβολίας, σε ορατή ( µ) που αποτελεί το 44% της ηλιακής ακτινοβολίας και σε υπέρυθρη ( µ) µε ποσοστό 52% της ηλιακής ακτινοβολίας (Gates, 1965). Μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η ορατή ακτινοβολία (φως), η οποία χρησιµοποιείται από τα φυτά για τη φωτοσύνθεση, για αυτό ονοµάζεται και φωτοσυνθετικά ενεργός ακτινοβολία (PAR). Όταν η ηλιακή ακτινοβολία πέφτει πάνω στο κάλυµµα ενός θερµοκηπίου, ένα µέρος της ρ ανακλάται, ένα άλλο µέρος α απορροφάται από το υλικό κάλυψης και το υπόλοιπο r περνά στο εσωτερικό του, ώστε να ισχύει: ρ + α + r = 1 Από τα υλικά κάλυψης, το γυαλί παρουσιάζει διαπερατότητα στη φωτοσυνθετική ακτινοβολία που κυµαίνεται, ανάλογα µε τον τύπο, από 88-92%. Για τον πολυεστέρα η διαπερατότητα κυµαίνεται από 85-87%, ενώ για το πολυαιθυλένιο (PE) από 80-87%. Οι ιδιότητες των πλαστικών σαν υλικά κάλυψης των θερµοκηπίων αποτέλεσαν αντικείµενο έρευνας από την Νικήτα-Μαρτζοπούλου (1987) Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας στα φυτά Η υπεριώδης ακτινοβολία µε µήκος κύµατος µικρότερο από 0.28µ απορροφάται από το όζον και το οξυγόνο της ατµόσφαιρας. Όταν έχει µήκος κύµατος από 0.28 ως 0.38µ φτάνει στην επιφάνεια της γης και προκαλεί εγκαύµατα ή νέκρωση στα ανώτερα φυτά και στους µικροοργανισµούς. Η ορατή ακτινοβολία είναι απαραίτητη για την φυτική ανάπτυξη και την αναπαραγωγή. Τα φυτά για να φωτοσυνθέσουν χρησιµοποιούν ενέργεια από το φάσµα της ορατής ακτινοβολίας. Η ορατή ακτινοβολία υψηλής έντασης µπορεί να σταµατήσει τη δυνατότητα µεµονωµένων φύλλων να φωτοσυνθέτουν, όταν όµως έχουµε πυκνή κάλυψη η περίσσεια φωτός µπορεί να δράσει ευεργετικά για τα κατώτερα φύλλα (Σχήµα Α 11 ). 24

37 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Σχήµα Α 11. Σχετική φωτοσυνθετική ανταπόκριση (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997) Αύξηση κατά 1% της φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας βρέθηκε από τους Cockshull et al. (1992), ότι είχε ως αποτέλεσµα αύξηση της απόδοσης της τοµάτας µέχρι 1%. H ένταση του φωτός προµηθεύει τα φυτά µε ενέργεια για την αύξηση και την ανάπτυξη τους, ενώ η διάρκεια του είναι βασική για συγκεκριµένες φυσιολογικές λειτουργίες (φωτοπεριοδική αντίδραση), όπως η ανθοφορία και ο σχηµατισµός βολβών και κονδύλων. Ανάλογα µε τον τρόπο µε τον οποίο το µήκος της ηµέρας επηρεάζει την άνθιση, τα φυτά κατατάσσονται σε τέσσερις κατηγορίες (ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997): 1. Μικρής ηµέρας φυτά (Short-day plants): ανθίζουν µόνο όταν το µήκος ηµέρας είναι µικρότερο από ένα κρίσιµο αριθµό ωρών. ιάρκεια ηµέρας µεγαλύτερη από το κρίσιµο αυτό σηµείο εµποδίζει την άνθηση. 2. Μεγάλης διάρκειας φυτά (Long-day plants): ανθίζουν µόνο όταν το µήκος ηµέρας είναι µεγαλύτερο από ένα κρίσιµο αριθµό ωρών. ιάρκεια ηµέρας µικρότερη από το κρίσιµο αυτό σηµείο εµποδίζει την άνθηση. 3. Ενδιάµεσου µήκους ηµέρας φυτά (Day length-intermediate): ανθίζουν µόνο όταν το µήκος ηµέρας κυµαίνεται από 10 µέχρι 14 ώρες. 4. Ουδέτερης ηµέρας φυτά (Day-neutral plants): Η άνθηση και η ανάπτυξη των φυτών αυτής της κατηγορίας δεν εξαρτάται από τη διάρκεια της ηµέρας. 25

38 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Τα κυριότερα λαχανοκοµικά είδη όπως η τοµάτα, το αγγούρι και η πιπεριά είναι ουδέτερης ηµέρας φυτά, εποµένως η ανάπτυξή τους δεν επηρεάζεται από τη διάρκεια του φωτός. Αντίθετα πολλά ανθοκοµικά είδη, όπως το χρυσάνθεµο, ανήκουν στα φυτά όπου η ανάπτυξη επηρεάζεται από τη διάρκεια του φωτός ιοξείδιο του άνθρακα Ο άνθρακας είναι το σηµαντικότερο θρεπτικό στοιχείο για τα φυτά και αποτελεί το 50% του ξηρού βάρους τους (Levanon et al., 1986). Το CO 2 της ατµόσφαιρας επηρεάζει άµεσα την ανάπτυξη των φυτών, αφού αποτελεί απαραίτητο στοιχείο της φωτοσύνθεσης. Στο εξωτερικό περιβάλλον η συγκέντρωση του CO 2 κυµαίνεται σε χαµηλά επίπεδα συγκέντρωσης από 300 έως 340ppm ( %), ανάλογα µε την περιοχή (αστική, αγροτική, βιοµηχανική) χωρίς ιδιαίτερες διακυµάνσεις (Hanan, 1998). Αντίθετα, στο εσωτερικό ενός θερµοκηπίου, που είναι ένας κλειστός χώρος στον οποίο συνυπάρχουν ζωντανοί οργανισµοί, η διακύµανση της συγκέντρωσης του CO 2 είναι έντονη κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου. Συγκεκριµένα µε την ανατολή του ηλίου και από τη στιγµή που η ενεργός φωτοσυνθετική ακτινοβολία (PAR,ορατή ακτινοβολία) ξεπεράσει το σηµείο ισοστάθµισης του φωτός, η συγκέντρωση του CO 2 στο θερµοκήπιο µειώνεται συνεχώς λόγω φωτοσύνθεσης. Όταν η συγκέντρωση του CO 2 γίνει µικρότερη από 300ppm ο ρυθµός της φωτοσύνθεσης µειώνεται (Nederhoff, 1996). Όσο περνάει η µέρα και πλησιάζει η δύση του ήλιου η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ελαττώνεται σε σηµείο χαµηλότερο από το σηµείο ισοστάθµισης του φωτός. Αντίθετα η συγκέντρωση του CO 2 στο περιβάλλον του θερµοκηπίου αυξάνεται, λόγω της απελευθέρωσης CO 2, µε τη διεργασία της αναπνοής των φυτών. Η αυξοµείωση της συγκέντρωσης του CO 2 στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου επηρεάζεται από την ηλιακή ακτινοβολία, τη θερµοκρασία, τον αερισµό και το στάδιο ανάπτυξης των φυτών. Έτσι, ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και επίπεδα θερµοκρασίας που αυξάνουν τη φωτοσύνθεση προκαλούν µείωση της συγκέντρωσης του CO 2. Αντίστροφα χαµηλή ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και υψηλή θερµοκρασία εντείνουν το φαινόµενο της αναπνοής, µε συνέπεια την αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2. Το CO 2 αυξάνεται αισθητά όταν ανοίγουν τα παράθυρα, ενώ όσο µεγαλύτερα είναι τα φυτά, τόσο µεγαλύτερες ανάγκες έχουν σε CO 2. 26

39 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται ραγδαία αύξηση στη χρήση συστηµάτων εµπλουτισµού CO 2 στα θερµοκήπια της Β. Ευρώπης για τους εξής λόγους (Moe and Mortensen, 1986): Η εκποµπή τοξικών υποπροϊόντων είναι µειωµένη, µε τη χρήση καθαρότερων καυσίµων (κηροζίνη µε χαµηλή περιεκτικότητα σε θείο) και βελτιωµένων καυστήρων Χρησιµοποιείται καθαρό CO 2 Βελτιστοποιήθηκαν οι έλεγχοι της συγκέντρωσης CO 2 µε τη χρήση συσκευών µέτρησης Βελτιώθηκαν οι θερµοκηπιακές κατασκευές και µειώθηκαν οι απώλειες κατά την εφαρµογή του CO 2 Υπάρχει καλύτερη γνώση της αντίδρασης των φυτών κατά τον εµπλουτισµό µε CO 2 σε ποικίλες συνθήκες περιβάλλοντος Η σωστή εφαρµογή του αυξάνει την απόδοση και οδηγεί σε µεγαλύτερες παραγωγές. Αντίθετα, στην Ελλάδα η χρήση συστηµάτων τεχνητής εφαρµογής CO 2 στα θερµοκήπια παραµένει εξαιρετικά περιορισµένη λόγω της ελλιπούς ενηµέρωσης των παραγωγών, της απουσίας κατάλληλου τεχνικού εξοπλισµού και της λανθασµένης αντίληψης ότι οι υψηλές θερµοκρασίες που επικρατούν στη χώρα µας δεν επιτρέπουν τον εµπλουτισµό των θερµοκηπίων µε CO 2. Ο έλεγχος της συγκέντρωσης του CO 2 στις θερµοκηπιακές καλλιέργειες αποσκοπεί στην επιτάχυνση της ανάπτυξης και την αύξηση της παραγωγής (Kramer, 1981, Enoch and Kimbal, 1986). Οι Hand and Soffe (1971), Nilsen et al. (1983), Hand and Slack (1988), Nederhoff (1994), παρατήρησαν σε καλλιέργεια τοµάτας, επιτάχυνση της αρχικής ανάπτυξης, αύξηση του βάρους των καρπών και τελικά αύξηση της παραγωγής από 30 έως 50%. Τα υψηλά επίπεδα συγκέντρωσης CO 2 προκάλεσαν την παραγωγή περισσότερων ταξιανθιών ανά φυτό τοµάτας, περισσότερα ανοιχτά άνθη ανά ταξιανθία και περισσότερους καρπούς ανά ταξιανθία. Στο σχήµα Α 12 φαίνεται η διαφορά στη συνολική απόδοση φυτών τοµάτας όταν αυτά αναπτύχθηκαν σε συνθήκες µε υψηλή (1000ppm) και χαµηλή (300ppm) συγκέντρωση CO 2. 27

40 2. Έλεγχος περιβάλλοντος σε θερµοκήπια Σχήµα Α 12. Συνολική απόδοση φυτών τοµάτας σε δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις CO 2 (300ppm και 1000ppm) (Nilsen et al. 1983). Όσον αφορά τις άριστες συγκεντρώσεις, ικανοποιητικά αποτελέσµατα στη αύξηση της ανάπτυξης και της παραγωγής προκύπτουν όταν η συγκέντρωση του CO 2 κυµαίνεται από 600 ως 900 ppm. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις (>1000 ppm) είναι πιθανό να παρατηρηθούν βλάβες στα φυτά, ενώ αυξάνονται και οι διαρροές από το θερµοκήπιο. Σε συγκεντρώσεις CO 2 στα 1500 ppm, οι περισσότερες θερµοκηπιακές καλλιέργειες παρουσίασαν συµπτώµατα χλώρωσης, συστροφής και νέκρωσης των φύλλων, καθώς και µειωµένη ή ανώµαλη ανάπτυξη. Χαρακτηριστικά για την καλλιέργεια τοµάτας παρατηρήθηκε συστροφή, χλώρωση και νέκρωση των φύλλων, όταν κατά τους εµπλουτισµούς µε CO 2, η συγκέντρωσή του είχε τιµές από 1000 µέχρι 1500 ppm (Berkel, 1984). 28

41 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων 3.1. Γενικά για τα ηλιακά συστήµατα θέρµανσης Η Ελλάδα βρίσκεται στο νοτιότερο άκρο της Ευρώπης, όπου επικρατεί µεγάλη ηλιοφάνεια και το γεγονός αυτό ευνοεί την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας. Η µέση ηµερήσια ενέργεια που δίδεται από τον Ήλιο στην Ελλάδα είναι 4.6 KWh m - ², για αυτό και κατέχει το 50% περίπου, της επιφάνειας των εγκατεστηµένων συλλεκτών σε ολόκληρη την Ευρώπη. Τα ηλιακά συστήµατα θέρµανσης εκµεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια, για πολλούς τη σηµαντικότερη µορφή ανανεώσιµης ενέργειας. Ανάλογα µε τον τρόπο συλλογής και λειτουργίας, τα συστήµατα αυτά διακρίνονται σε ενεργητικά, παθητικά και υβριδικά. Ενεργητικά, ονοµάζονται τα ηλιακά συστήµατα που χρησιµοποιούν έναν ηλιακό συλλέκτη που βρίσκεται ξεχωριστά του θερµοκηπίου και ένα ανεξάρτητο σύστηµα αποθήκευσης θερµικής ενέργειας (Santamouris, 1993). Για να λειτουργήσουν αυτά τα συστήµατα, είναι απαραίτητη η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας κυρίως για τη µεταφορά της θερµικής ενέργειας (Νικήτα-Μαρτζοπούλου και Παναγάκης, 1991). Παθητικά, ονοµάζονται τα ηλιακά συστήµατα στα οποία ο ηλιακός συλλέκτης και η αποθήκη θερµικής ενέργειας βρίσκονται στο εσωτερικό του θερµοκηπίου. Εκµεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια άµεσα ή έµµεσα, µε ελάχιστη ή καθόλου χρήση συµβατικών καυσίµων (Yellott, 1977; Yellott et al., 1976). Η αρχή λειτουργίας αυτών των συστηµάτων βασίζεται στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Υβριδικά, ονοµάζονται τα ηλιακά συστήµατα που χαρακτηρίζονται από παράλληλη λειτουργία του παθητικού συστήµατος συλλογής της ηλιακής ενέργειας µε βοηθητικό σύστηµα το οποίο λειτουργεί µε τη χρήση συµβατικής ενέργειας Παθητικά ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων Τα θερµοκήπια µε παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης µπορούν να ταξινοµηθούν σύµφωνα µε τα χαρακτηριστικά του συστήµατος αποθήκευσης θερµικής ενέργειας. Το µέσο της αποθήκευσης θερµικής ενέργειας µπορεί να ποικίλει και εξαρτάται από τα διαφορετικά υλικά που χρησιµοποιούνται, όπως το νερό, τα υλικά αλλαγής φάσης 29

42 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων που επιβραδύνουν την απόδοση της θερµικής ενέργειας, το στρώµα από πέτρες, ή το έδαφος (µέσω υπεδάφιων σωλήνων). Κατά τη διάρκεια της ηµέρας, περίσσεια θερµότητας µεταφέρεται µε τον εσωτερικό αέρα από το θερµοκήπιο στην περιοχή αποθήκευσης θερµικής ενέργειας και αποδίδεται τη νύχτα µε σκοπό να ικανοποιήσει τις ανάγκες του θερµοκηπίου για θέρµανση. Μερικές εφαρµογές δεν συµπεριλαµβάνουν αποθηκευτικό σύστηµα θερµικής ενέργειας. Σ αυτήν την περίπτωση, αρκετές είναι οι τεχνικές παθητικής ηλιακής ενέργειας που χρησιµοποιούνται για να ικανοποιήσουν τις θερµικές ανάγκες του θερµοκηπίου. Για παράδειγµα, µερικά θερµοκήπια εκµεταλλεύονται τη γεωµετρία του σκελετού τους για να µεγιστοποιήσουν τα κέρδη από την ηλιακή ακτινοβολία. Άλλα, έχουν µόνωση στην βόρεια και τις ανατολικές-δυτικές πλευρές και χρησιµοποιούν αντανακλαστικές επιφάνειες, ώστε να παγιδεύουν την εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία εντός του θερµοκηπίου κατά τους χειµερινούς µήνες (Santamouris et al., 1994). Έτσι, έχουµε πέντε κατηγορίες παθητικών ηλιακών συστηµάτων θέρµανσης θερµοκηπίων, σύµφωνα µε το µέσο αποθήκευσης θερµικής ενέργειας : 1) θερµοκήπια µε παθητικό ηλιακό σύστηµα, όπου το µέσο αποθήκευσης είναι το νερό, 2) θερµοκήπια µε παθητικό ηλιακό σύστηµα, όπου το µέσο αποθήκευσης είναι υλικό αλλαγής φάσης, 3) θερµοκήπια µε παθητικό ηλιακό σύστηµα, όπου το µέσο αποθήκευσης είναι ένα στρώµα από πέτρες, 4) θερµοκήπια µε παθητικό ηλιακό σύστηµα, όπου το µέσο αποθήκευσης είναι το έδαφος, στο οποίο υπάρχουν υπεδάφιοι σωλήνες και 5) θερµοκήπια µε παθητικό ηλιακό σύστηµα, όπου το µέσο αποθήκευσης µπορεί να είναι άλλου τύπου. Η λειτουργία ενός συστήµατος επηρεάζεται από διάφορες σχετικές παραµέτρους, όπως το µέγεθος και το υλικό κάλυψης του θερµοκηπίου, το είδος της καλλιέργειας και οι ιδανικές θερµοκρασίες του εσωτερικού αέρα την ηµέρα και τη νύχτα και η τοποθεσία του θερµοκηπίου σε σχέση µε τις εξωτερικές συνθήκες. 30

43 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων 3.3. Εξοικονόµηση ενέργειας στα θερµοκήπια µε τη χρήση παθητικών ηλιακών συστηµάτων θέρµανσης Το θερµοκήπιο είναι από µόνο του ένας ικανοποιητικός συλλέκτης ηλιακής ακτινοβολίας λόγω του σχεδιασµού του, που του επιτρέπει να µεγιστοποιεί τα ηλιακά κέρδη (Santamouris et al., 1994). Έχει όµως περιορισµένη ικανότητα να αποθηκεύει την εισερχόµενη θερµική ενέργεια και να την αποδίδει όταν απαιτείται θέρµανση (Mavrogiannopoulos and Kyritsis, 1993). Τα παθητικά ηλιακά συστήµατα µπορούν να αξιοποιηθούν στα θερµοκήπια για να µειώσουν την κατανάλωσή τους σε ενέργεια για θέρµανση. Η θερµική ενέργεια αποθηκεύεται κατά τη διάρκεια της ηµέρας και αποδίδεται τη νύχτα για να καλύψει εν µέρει τις ανάγκες του θερµοκηπίου σε θέρµανση. Τα παθητικά ηλιακά συστήµατα έχουν χαµηλότερο αρχικό και λειτουργικό κόστος σε σύγκριση µε τα ενεργητικά ηλιακά συστήµατα. Τα τελευταία είναι λιγότερο ελκυστικά, ιδιαίτερα σε µικρής κλίµακας εφαρµογές, λόγω του υψηλού κόστους των ηλιακών συλλεκτών, της χρησιµοποιούµενης έκτασης, του συστήµατος ασφάλειας και της αποθήκης θερµικής ενέργειας. Πάνω από όλα βέβαια, η συµπεριφορά του συστήµατος εξαρτάται από τις εξωτερικές καιρικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή. Τα παθητικά ηλιακά θερµοκήπια που χρησιµοποιούν υδάτινη αποθήκη σε συνδυασµό µε σωλήνες στην επιφάνεια του εδάφους έχουν σαν αποτέλεσµα µια αύξηση της εσωτερικής θερµοκρασίας κατά 2 ως 4 0 C σε σχέση µε την ελάχιστη εξωτερική θερµοκρασία του αέρα. Η χρήση βαρελιών µε νερό µπορεί να ικανοποιήσει το 70 µε 75% των ετήσιων αναγκών σε θέρµανση, πετυχαίνοντας εσωτερικές θερµοκρασίες 2 ως 10 0 C υψηλότερες από την θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Η χρήση δεξαµενών νερού έχει σαν αποτέλεσµα 2 ως 15 0 C υψηλότερη εσωτερική θερµοκρασία από ότι εξωτερική και καλύπτει 20 µε 50% των ετήσιων αναγκών σε θέρµανση (Santamouris et al., 1994). Τα θερµοκήπια που χρησιµοποιούν υλικά αλλαγής φάσης για αποθήκευση θερµικής ενέργειας, κυρίως χλιαρόλιθο, ικανοποιούν περίπου 20 µε 75% των ετήσιων θερµικών αναγκών, ανάλογα µε το µέγεθος του θερµοκηπίου, της αποθήκης θερµικής ενέργειας, της τοποθεσίας, του είδους του υλικού κάλυψης και του είδους της καλλιέργειας. Επίσης, άλλα υλικά αλλαγής φάσης έχουν χρησιµοποιηθεί επιτυχηµένα. 31

44 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων Θερµοκήπια µε υπεδάφιους σωλήνες έχει αποδειχθεί ότι ικανοποιούν 30 µε 60% των ετήσιων θερµικών αναγκών και επιτυγχάνουν θερµοκρασίες 3 ως 10 0 C υψηλότερες σε σχέση µε την ελάχιστη εξωτερική θερµοκρασία. Οι υπόγειοι σωλήνες τοποθετούνται σε µία ή δύο σειρές, σε βάθος 0.3 ως 2.1µ., αλλά το κόστος εγκατάστασης τους είναι απαγορευτικό για κάποιες εφαρµογές. Θερµοκήπια µε στρώµα από χαλίκια για αποθήκη θερµικής ενέργειας επίσης είχαν ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Αυτά τα συστήµατα µπορούν να ικανοποιήσουν 20 µε 70% των ετήσιων θερµικών αναγκών, µε εσωτερικές θερµοκρασίες που κυµαίνονται από 4 ως 20 0 C υψηλότερες από την ελάχιστη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Η εγκατάσταση του υπόγειου αποθηκευτικού συστήµατος όµως, µπορεί να είναι δύσκολη, ειδικά σε ήδη υπάρχοντα θερµοκήπια. Τέλος, άλλοι τύποι συστηµάτων αποθήκευσης θερµικής ενέργειας, όπως το σύστηµα βορινού τοίχου αποθήκευσης θερµικής ενέργειας µε αντανακλαστικές πλευρές στο θερµοκήπιο, έχουν ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Το 14 µε 82% των ετήσιων θερµικών αναγκών ικανοποιούνται µε αυτό το σύστηµα, ενώ η εσωτερική θερµοκρασία είναι 1 ως 20 0 C υψηλότερη από την ελάχιστη θερµοκρασία του εξωτερικού αέρα Το παθητικό ηλιακό σύστηµα των πλαστικών σωλήνων µε νερό Εισαγωγή Το πιο διαδεδοµένο σύστηµα συλλογής της ηλιακής ενέργειας, ειδικά σε µικρά θερµοκήπια, είναι το παθητικό ηλιακό σύστηµα των πλαστικών σωλήνων (Hanan, 1998), γιατί αξιοποιεί αποτελεσµατικά σηµαντικό ποσοστό της άµεσης και της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας µέσα στο θερµοκήπιο. Αποτελείται από διαφανείς σωλήνες πολυαιθυλενίου, οι οποίοι περιέχουν νερό, είτε καθαρό είτε σε πρόσµιξη µε κάποια χρωστική ουσία. Η τοποθέτησή του µέσα στο θερµοκήπιο γίνεται κατά µήκος των σειρών των καλλιεργούµενων φυτών, είναι εύκολη, χωρίς µεγάλο κόστος και δεν χρειάζεται άλλες µορφές ενέργειας για να λειτουργήσει. Οι διαφανείς σωλήνες απορροφούν και αποθηκεύουν µέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω τους, µε αποτέλεσµα την αύξηση της θερµοκρασίας του νερού που περιέχουν. Η αποθηκευµένη θερµότητα αποδίδεται στο χώρο του θερµοκηπίου όταν η 32

45 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων θερµοκρασία του περιβάλλοντος του θερµοκηπίου πέφτει κάτω από τη θερµοκρασία του νερού των σωλήνων. Οι Mougou and Verlodt (1989), Segal et. al. (1990b), Photiades (1994) απέδειξαν ότι στα θερµοκήπια που χρησιµοποιείται το συγκεκριµένο σύστηµα θέρµανσης, οι θερµοκρασίες του αέρα µπορούν να ανέλθουν έως και 6 ο C σε σύγκριση µε θερµοκήπια µάρτυρες και έως και 8 ο C σε σχέση µε το εξωτερικό περιβάλλον Αρχές και µηχανισµοί λειτουργίας Κατά τη διάρκεια της ηµέρας η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στο θερµοκήπιο. Το παθητικό ηλιακό σύστηµα απορροφά µέρος της. Το νερό που εµπεριέχεται στους πλαστικούς σωλήνες θερµαίνεται και έτσι αποθηκεύεται στο σύστηµα ενέργεια µε τη µορφή θερµότητας. Όταν η θερµοκρασία του αέρα στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου πέσει κάτω από τη θερµοκρασία του νερού των σωλήνων, τότε η αποθηκευµένη θερµότητα απελευθερώνεται µε αγωγή, µεταφορά και ακτινοβολία. Αποτέλεσµα της απελευθέρωσης θερµότητας είναι να επιτυγχάνεται η αύξηση της µέσης θερµοκρασίας του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου (Σχήµα Α 13 ). Σχήµα Α 13. ιάγραµµα λειτουργίας του παθητικού ηλιακού συστήµατος (Structural Consulting Engineers, 2002) 33

46 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων Μηχανισµός απορρόφησης ενέργειας από το παθητικό ηλιακό σύστηµα Καθώς η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει στο σωλήνα, ένα µέρος της ανακλάται, ένα άλλο µέρος της θερµαίνει την εξωτερική επιφάνεια του πλαστικού, ενώ το µεγαλύτερο µέρος της διαπερνά το σωλήνα και θερµαίνει απευθείας το νερό που εµπεριέχεται. Με τη θέρµανση της εξωτερικής επιφάνειας του πλαστικού µεταδίδεται θερµότητα µε αγωγή προς το εσωτερικό του σωλήνα µε αποτέλεσµα την επιπλέον θέρµανση του νερού. Συνήθως κάτω από τον πλαστικό σωλήνα τοποθετείται υλικό εδαφοκάλυψης µαύρου χρώµατος που επιτρέπει την απορρόφηση της ακτινοβολίας και τη µετάδοση της θερµότητας τόσο προς το έδαφος όσο και προς τους σωλήνες. Οι Short et al. (1978) έδειξαν ότι το µεγαλύτερο ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας απορροφάται από το στρώµα του νερού που βρίσκεται κοντά στο ανώτερο τοίχωµα του σωλήνα. Στο σχήµα Α 14, παρουσιάζεται ο τρόπος συλλογής της ενέργειας από το συγκεκριµένο παθητικό ηλιακό σύστηµα. Επεξήγηση συµβόλων: q: ροή θερµότητας, SR: µικρό µήκος κύµατος, LR: µεγάλο µήκος κύµατος, Abs: απορροφούµενη, Ref: αντανακλώµενη, Pl: φύλλωµα των φυτών, ts: επιφάνεια σωλήνα, cd: αγωγή, cv: µεταφορά, cond: συµπύκνωση, c: κάλυµµα θερµοκηπίου, i: µέσα, o: έξω, u: κάτω από το φύλλωµα των φυτών, w: νερό. Σχήµα Α 14. Ενεργειακό ισοζύγιο του παθητικού ηλιακού συστήµατος (Jens, 1994). 34

47 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων Το µήκος κύµατος και η γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ενέργειας επηρεάζει σηµαντικά το ποσοστό της ανακλώµενης ακτινοβολίας. Η διαπερατότητα του παθητικού ηλιακού συστήµατος φτάνει το 90% όταν η πρόσπτωση της ακτινοβολίας είναι κατακόρυφη. Σύµφωνα µε τους Nijskens et al. (1985) αύξηση της γωνίας πρόσπτωσης προκαλεί µείωση του ποσοστού διαπερατότητας µε παράλληλη αύξηση του ποσοστού ανάκλασης. Η µέγιστη απορρόφηση ενέργειας παρατηρείται τις µεσηµβρινές ώρες, οπότε οι ακτίνες του ηλίου πέφτουν στην επιφάνεια της γης µε τη µικρότερη γωνία πρόσπτωσης. Ιδιαίτερα, το καλοκαίρι, η απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι µεγαλύτερη σε σχέση µε το χειµώνα εξαιτίας της υψηλότερης θέσης του ήλιου στον ουρανό και της µεγαλύτερης διάρκειας της ηµέρας. Μηχανισµός απελευθέρωσης ενέργειας από το παθητικό ηλιακό σύστηµα Το παθητικό ηλιακό σύστηµα µεταδίδει θερµότητα προς το χώρο του θερµοκηπίου µε µεταφορά, αγωγή και ακτινοβολία. Αν υποτεθεί ότι η υγροποίηση και η εξάτµιση έχουν αµελητέες τιµές, ισχύει: qloss SS = qcv + qlr + qcd όπου: qloss SS : συνολική απώλεια θερµότητας ανά m 2 της επιφάνειας του συστήµατος σε W m -2. q cv : απώλεια θερµότητας µε µεταφορά σε W m -2. q LR : απώλεια θερµότητας µε ακτινοβολία σε W m -2. q cd : απώλεια θερµότητας µε αγωγή, λόγω της θερµικής ροής προς το έδαφος σε W m -2. Η µετάδοση θερµότητας µε µεταφορά είναι ανάλογη µε τη διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ της επιφάνειας του σωλήνα και του αέρα που περιβάλλει το σωλήνα. Σύµφωνα µε το νόµο του Newton: A q = h T T ( ) S SS free cv cy w a AG SS όπου AS SS free: ελεύθερη επιφάνεια του παθητικού ηλιακού συστήµατος σε m 2. 35

48 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων AG SS: επιφάνεια του εδάφους που καλύπτεται από το παθητικό ηλιακό σύστηµα σε m 2. T w : θερµοκρασία της επιφάνειας του σωλήνα σε ο Κ. T a : θερµοκρασία του περιβάλλοντος αέρα σε ο Κ. h cy : συντελεστής θερµικής µεταφοράς σε W m -2 ο Κ -1. Σύµφωνα µε τον Holman (1989), σε οριζόντιους κυλίνδρους µε διάµετρο d cy (m) ισχύει: Tw T a hcy = 1, 24 d cy σε περίπτωση απελευθέρωσης ενέργειας από το παθητικό ηλιακό σύστηµα (θερµοκρασία αέρα θερµοκηπίου χαµηλότερη από τη θερµοκρασία του νερού των σωλήνων), και Tw T a hcy = 0,59 d cy σε περίπτωση συλλογής θερµότητας από το παθητικό ηλιακό σύστηµα (θερµοκρασία αέρα θερµοκηπίου υψηλότερη από τη θερµοκρασία του νερού των σωλήνων). Η µετάδοση της θερµότητας µε ακτινοβολία εξαρτάται από τις ιδιότητες, τη θέση και τη διαφοράς θερµοκρασίας των επιφανειών που ανταλλάσουν θερµότητα µε ακτινοβολία (Jens, 1994): AS SS free qlr = CSS10 ( Tw Ta LR ) AG SS όπου C SS : σταθµισµένος όρος ανταλλαγής ακτινοβολίας σε W m -2 o K -4. 0,333 T w : επιφανειακή θερµοκρασία του σωλήνα σε o K. 0,25 Ta LR: θερµοκρασία της επιφάνειας που δέχεται την ακτινοβολία σε o K. Ο αριθµός ανταλλαγής ακτινοβολίας C SS εξαρτάται από τις ιδιότητες του σωλήνα και σε εύκαµπτους σωλήνες πολυαιθυλενίου µικρού πάχους η τιµή του κυµαίνεται από x 10-8 W m -2 o K -4 (Kanthak, 1970; Jens, 1994). Η µετάδοση της θερµότητας µε αγωγή γίνεται µέσω των επιφανειών των σωλήνων στα σηµεία επαφής µε το έδαφος. Εξαρτάται από το συντελεστή θερµικής 36

49 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων αγωγιµότητας (k), από το πάχος της µόνωσης που τοποθετείται κάτω από το σύστηµα και από τις ιδιότητες του εδάφους, κυρίως την υγρασία του: k A q = T T ( ) G SS cont cd w soil X AG SS όπου k : συντελεστής θερµικής αγωγιµότητας σε W m -1 o C -1 X : πάχος του φύλλου του µονωτικού πλαστικού σε m. T soil : επιφανειακή θερµοκρασία του εδάφους σε ο C. AG SS cont : επιφάνεια των σωλήνων που εφάπτεται µε το έδαφος σε m Πλεονεκτήµατα του παθητικού ηλιακού συστήµατος Τα πλεονεκτήµατα του παθητικού ηλιακού συστήµατος είναι τα εξής: Εξοικονόµηση συµβατικών καυσίµων κατά τη χειµερινή περίοδο. Η τοποθέτηση του παθητικού ηλιακού συστήµατος µε πλαστικούς σωλήνες µε νερό στο θερµοκήπιο αυξάνει τη θερµοχωρητικότητα του. Έµµεσο αποτέλεσµα είναι η ενέργεια που συλλέγεται κατά τη διάρκεια µιας ηµέρας να απελευθερώνεται σταδιακά µέχρι και τις επόµενες δύο έως τρεις ηµέρες, εφόσον δεν επικρατεί ηλιοφάνεια (Pavlou, 1990). Σε πείραµα στην παραθαλάσσια περιοχή του Λιβάνου, το παθητικό ηλιακό σύστηµα, µε την ηλιακή ενέργεια που συνέλεξε την περίοδο εκεµβρίου-μαρτίου, εξοικονόµησε 15% της ολικής ενέργειας που απαιτείται για τη θέρµανση θερµοκηπίου µε καλλιέργεια τοµάτας (Farah, 1989). Μείωση του χρόνου παροχής τεχνητής θέρµανσης. Ένα µέρος της θερµότητας που παρέχεται από το συµβατικό σύστηµα θέρµανσης αποθηκεύεται στο παθητικό σύστηµα µέχρι να επέλθει η θερµική ισορροπία. Το ποσοστό αυτό αποδίδεται στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου, εφόσον η συµβατική θέρµανση διακοπεί. Σύµφωνα µε τον Von Zabeltitz (1989), οι απώλειες προς το έδαφος είναι αµελητέες όταν η καλλιέργεια εφαρµόζεται σε υποστρώµατα, µε την τοποθέτηση ενός στρώµατος µονωτικού υλικού µεταξύ του εδάφους και του πλαστικού εδαφοκάλυψης. 37

50 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων ροσισµός του θερµοκηπίου κατά τη θερινή περίοδο. Το παθητικό ηλιακό σύστηµα µπορεί να λειτουργήσει ως σύστηµα δροσισµού, ειδικά τις ζεστές ηµέρες που επικρατούν υψηλές εξωτερικές θερµοκρασίες, αφού µπορεί να µειώσει τη µέγιστη θερµοκρασία του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου έως 3 ο C (Esquira et al., 1988; Sallambras et al., 1989). Επιµήκυνση της καλλιεργητικής περιόδου. Η εγκατάσταση του παθητικού ηλιακού συστήµατος µε σωλήνες που περιέχουν νερό, σε µη θερµαινόµενα θερµοκήπια, µπορεί να επιµηκύνει την καλλιεργητική περίοδο, είτε παρατείνοντάς την (φθινόπωρο), είτε πρωιµίζοντάς την (άνοιξη). Βελτίωση του µικροκλίµατος ανάπτυξης των φυτών. Η αύξηση του φωτισµού που προκαλείται από την ανάκλαση του φωτός βελτιώνει το µικροκλίµα ανάπτυξης των φυτών στο θερµοκήπιο. Αντιπαγετική προστασία. Το παθητικό ηλιακό σύστηµα συµβάλλει στη µείωση της σχετικής υγρασίας του περιβάλλοντος του θερµοκηπίου και προστατεύει την καλλιέργεια από τις έντονες διακυµάνσεις τις θερµοκρασίας. Απλό στην εγκατάσταση και οικονοµικό. Το σύστηµα αποτελείται από πλαστικό, ενώ δεν απαιτείται η κατανάλωση άλλων µορφών ενέργειας για τη λειτουργία του. Σύµφωνα µε έρευνες αποδείχθηκε ότι είναι ικανό να βελτιώσει το εισόδηµα των παραγωγών από % (Mattas and Grafiadellis, 1989; Mattas et al., 1990; Martika and Papanagiotou, 1991) Αλληλεπίδραση µεταξύ του παθητικού ηλιακού συστήµατος και της καλλιέργειας Το παθητικό ηλιακό σύστηµα έχει σηµαντική επίδραση στο µικροκλίµα των φυτών. Σε έρευνα του Odysseos (1988), αποδείχθηκε ότι εξαιτίας του συστήµατος, σε θερµοκήπιο που καλυπτόταν µε απλό πολυαιθυλένιο, αυξήθηκε η θερµοκρασία των φύλλων των φυτών κατά 1.7 o C σε σχέση µε τα φύλλα των φυτών του θερµοκηπίου µάρτυρα. Επίσης, παρατηρήθηκε µικρότερο ποσοστό συµπύκνωσης υγρασίας πάνω στα φυτά. Ακόµη, το παθητικό ηλιακό σύστηµα είναι ικανό να µειώσει την σχετική υγρασία του αέρα του θερµοκηπίου κατά 6-12% (Farah, 1989; Mougou and Verlodt, 1989). Το φως είναι ο παράγοντας του περιβάλλοντος του θερµοκηπίου που επηρεάζεται περισσότερο από το συγκεκριµένο σύστηµα. Η ηλιακή ακτινοβολία καθώς 38

51 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων προσπίπτει πάνω στους πλαστικούς σωλήνες µε νερό ανακλάται, αυξάνοντας το φωτισµό που δέχονται τα φυτά. Έρευνες στην Κύπρο έδειξαν ότι η ένταση φωτός αυξήθηκε κατά 30-40% δίπλα στους σωλήνες, και έφτασε έως και 70% τις πρωινές και απογευµατινές ώρες, εξαιτίας του παθητικού ηλιακού συστήµατος (Odysseos, 1988). Η αύξηση του φωτισµού στα θερµοκήπια φαίνεται να είναι από τους κυριότερους παράγοντες που συντελούν στην επιτάχυνση της ανάπτυξης των φυτών εξαιτίας του παθητικού ηλιακού συστήµατος. Με την εφαρµογή του παθητικού ηλιακού συστήµατος επιτυγχάνεται σηµαντική πρωίµιση της παραγωγής και αύξηση της απόδοσης των θερµοκηπιακών καλλιεργειών. Εαρινή καλλιέργεια πεπονιών σε θερµοκήπιο µε παθητικό ηλιακό σύστηµα ήταν πρώιµη κατά 2-3 εβδοµάδες (Ben Amor et al., 1990). Άλλη έρευνα έδειξε ότι η εφαρµογή του συστήµατος σε πειραµατικό θερµοκήπιο µε καλλιέργεια πεπονιών αύξησε την ποσότητα των κατάλληλων καρπών για εξαγωγή έως και 70% σε αντιστοιχία µε το 45% του θερµοκηπίου-µάρτυρα (Esquira et al., 1988). Σε πειραµατικό θερµοκήπιο στην Τσεχοσλοβακία, στο οποίο τοποθετήθηκαν σωλήνες πολυαιθυλενίου µε νερό, βρέθηκε ότι η απόδοση καλλιέργειας αγγουριού ήταν κατά 29% υψηλότερη σε σχέση µε την απόδοση του θερµοκηπίου µάρτυρα (Jelinkova, 1988). Σε θερµοκήπιο µε κάλυψη απλού φιλµ PE στο Ισραήλ, το παθητικό ηλιακό σύστηµα αύξησε κατά 70% την απόδοση καλλιέργειας αγγουριού, µείωσε κατά 3-10 ηµέρες τον χρόνο παραγωγής και βελτίωσε τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των καρπών (Esquira et al., 1988). Ενδιαφέρον παρουσιάζει έρευνα που πραγµατοποιήθηκε σε καλλιέργεια τοµάτας, µελετώντας την επίδραση δύο µεθόδων θέρµανσης. Χρησιµοποιήθηκαν τρία θερµοκήπια, τα οποία καλύφθηκαν µε απλό πολυαιθυλένιο. Στο πρώτο εγκαταστάθηκε µόνο το παθητικό ηλιακό σύστηµα. Στο δεύτερο θερµοκήπιο, εκτός από το παθητικό ηλιακό σύστηµα λειτούργησε και αερόθερµο. Το τρίτο θερµοκήπιο αποτέλεσε το θερµοκήπιο-µάρτυρα. Τα δύο πειραµατικά θερµοκήπια αύξησαν τη συνολική παραγωγή τους κατά 29% και 37%, και την πρώιµη παραγωγή τους κατά 45% και 94% αντίστοιχα, σε σύγκριση µε το θερµοκήπιο-µάρτυρα. Την ίδια στιγµή, στο πρώτο θερµοκήπιο αυξήθηκε αισθητά το µέσο µέγεθος των καρπών σε σχέση µε τα άλλα δύο, ενώ σ αυτό που εφαρµόστηκε συνδυασµός της συµβατικής µορφής θέρµανσης και του παθητικού ηλιακού συστήµατος, επηρεάστηκε περισσότερο η πρωιµότητα (Traka-Mavrona et al., 1992). 39

52 3. Ηλιακά συστήµατα θέρµανσης θερµοκηπίων Η αποδοτικότητα του παθητικού ηλιακού συστήµατος επηρεάζεται σηµαντικά από το στάδιο ανάπτυξης της καλλιέργειας. Όσο αναπτύσσονται τα φυτά, τόσο αυξάνεται και ο βαθµός σκίασης των σωλήνων. Ακόµη, το είδος της καλλιέργειας και η αρχιτεκτονική της δηµιουργούµενης φυτοστοιβάδας, επηρεάζουν την ποσότητα της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται το σύστηµα. Μετρήσεις στην Τυνησία έδειξαν ότι το παθητικό ηλιακό σύστηµα δεσµεύει µεγαλύτερα ποσά ενέργειας, όταν τα φυτά είναι λιγότερο αναπτυγµένα (Mougou and Verlodt, 1990). Σωλήνας PE µε νερό, µη σκιαζόµενος από φυτά, απορρόφησε διπλάσια ενέργεια από αντίστοιχο σκιαζόµενο σωλήνα (Photiades, 1989). Η σκίαση του συστήµατος από τα φυτά κατά την ανοιξιάτικη καλλιέργεια δεν αποτελεί µειονέκτηµα, γιατί παράλληλα µε την ανάπτυξη των φυτών αυξάνεται και η θερµοκρασία περιβάλλοντος µε αποτέλεσµα το σύστηµα να δέχεται περισσότερη θερµική ακτινοβολία. Αποµακρύνοντας τα κατώτερα φύλλα των φυτών σε καλλιέργεια τοµάτας µε σκοπό τη µείωση της σκίασης, η απόδοση των φυτών µειώθηκε. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αποφύλλωση προκάλεσε µείωση της περιεκτικότητας των καρπών της πρώτης και δεύτερης ταξιανθίας σε διαλυτά στερεά και ξηρή ουσία (Antunes, 1993). Τελικά, σύµφωνα µε τους Talab and Olympios (1994), η αποφύλλωση για τη µείωση της σκίασης και την αύξηση της αποτελεσµατικότητας του παθητικού ηλιακού συστήµατος είναι χρονοβόρα, µη πρακτική και επηρεάζει αρνητικά την ανάπτυξη των φυτών. 40

53 4. Υδροπονία 4. Υδροπονία 4.1. Εισαγωγή Η προσπάθεια για την τροποποίηση του φυσικού περιβάλλοντος και την επίτευξη άριστων συνθηκών ανάπτυξης των φυτών, µε στόχο τη µεγιστοποίηση της παραγωγής και τη βελτίωση της ποιότητας, οδήγησε στην καλλιέργεια των φυτών σε ελεγχόµενο περιβάλλον. Ο έλεγχος του περιβάλλοντος µπορεί να επιτευχθεί σε κατασκευές υπό κάλυψη, τα θερµοκήπια, στα οποία δίνεται η δυνατότητα για ελεγχόµενη ανάπτυξη του υπέργειου και υπόγειου τµήµατος των φυτών µε τη ρύθµιση της θερµοκρασίας, του φωτός και της θρέψης. Προς την κατεύθυνση αυτή αποβλέπει και η καλλιέργεια φυτών (κυρίως λαχανοκοµικών ειδών) σε υδροπονικά συστήµατα, που τα τελευταία χρόνια αποκτά ολοένα και µεγαλύτερο ενδιαφέρον. Η υδροπονική µέθοδος καλλιέργειας εφαρµόζεται σε ολοένα και περισσότερες θερµοκηπιακές εκτάσεις στις οποίες καλλιεργούνταν κηπευτικά (τοµάτα, αγγούρι κ.α.) και ανθοκοµικά προϊόντα (Morard, 1995) Υδροπονία ή εκτός εδάφους καλλιέργεια, καλείται οποιαδήποτε ανάπτυξη των φυτών που δεν έχει σχέση µε το έδαφος, είτε µε, είτε χωρίς κάποιο µέσο (υπόστρωµα), όπου οι συνολικές απαιτήσεις των φυτών σε νερό και θρεπτικά στοιχεία παρέχονται από το σύστηµα (Jensen, 1999; Hanger, 1993). Mε άλλα λόγια η υδροπονική καλλιέργεια είναι µια προηγµένη και εξελιγµένη τεχνική καλλιέργειας, µε την οποία τα φυτά αναπτύσσονται χωρίς τη χρησιµοποίηση εδάφους ή εδαφικού µίγµατος (Αναστασίου και Παπαγεωργίου, 1999). Η ανάπτυξη των φυτών γίνεται σε τεχνητά υποστρώµατα ή κανάλια συνεχούς ροής θρεπτικού διαλύµατος. Η υδροπονία είναι η επιστήµη της καλλιέργειας των φυτών χωρίς τη χρήση του εδάφους, αλλά µέσω ενός αδρανούς µέσου, όπως το αµµοχάλικο, η άµµος, ο βερµικουλίτης, ο περλίτης, ο πετροβάµβακας ή το πριονίδι, στα οποία χορηγείται ένα θρεπτικό διάλυµα που περιλαµβάνει όλα τα απαραίτητα στοιχεία που απαιτούνται από τα φυτά για την κανονική αύξηση και την ανάπτυξή τους. εδοµένου ότι πολλές υδροπονικές µέθοδοι χρησιµοποιούν κάποιο τύπο υποστρώµατος, που περιέχει οργανικό υλικό όπως την τύρφη ή το πριονίδι, καλείται συχνά καλλιέργεια εκτός εδάφους (soilless culture), ενώ µόνο η καλλιέργεια ύδατος (water culture), θα µπορούσε να θεωρηθεί αληθινή υδροπονία (Σιώµος, 2002). 41

54 4. Υδροπονία Με τη χρήση υδροπονικών συστηµάτων για καλλιέργεια φυτών, όλες οι λειτουργίες που κανονικά πραγµατοποιούνται από το έδαφος, όπως η υποστήριξη, η παροχή νερού και η παροχή θρεπτικών στοιχείων, εκτελούνται από ένα τεχνητό υπόστρωµα και ένα θρεπτικό διάλυµα που εξασφαλίζει τη διαθεσιµότητα του ύδατος και των απαραίτητων θρεπτικών στοιχείων 4.2. Στόχοι της υδροπονικής καλλιέργειας Όταν η καλλιέργεια εφαρµόζεται σε ένα ιδανικό υδροπονικό σύστηµα, στο περιβάλλον της ρίζας των φυτών παρέχεται όλο το οξυγόνο, το νερό και οι διαλυµένες θρεπτικές ουσίες στις συγκεντρώσεις και στη θερµοκρασία που τα φυτά απαιτούν σε κάθε στάδιο της αύξησης και ανάπτυξής τους. Τα φύλλα και ο βλαστός του φυτού απαιτούν φως του σωστού φάσµατος, έντασης και χρονικού διαστήµατος, καθώς επίσης και σωστή θερµοκρασία, υγρασία και εναλλαγή του ατµοσφαιρικού αέρα (Soladome, 2001). Κατά συνέπεια, το υδροπονικό σύστηµα είναι ένα πλήρως ελεγχόµενο σύστηµα παραγωγής. Εποµένως, οι κυριότεροι στόχοι της υδροπονικής καλλιέργειας είναι: Εξοικονόµηση νερού. Βελτίωση της ποιότητας. Αύξηση της παραγωγής. Μειωµένη εφαρµογή λιπασµάτων. Ελαχιστοποίηση χρήσης φυτοφαρµάκων. Προστασία του περιβάλλοντος. Πλήρη έλεγχο του περιβάλλοντος και αυτοµατοποίηση της παραγωγής Τα υδροπονικά συστήµατα και η κατάταξη τους Υπάρχουν πολλά συστήµατα µε τα οποία εφαρµόζονται υδροπονικές καλλιέργειες. Η κατάταξή τους γίνεται µε διάφορα κριτήρια. I. Με βάση την επαναχρησιµοποίηση ή µη του θρεπτικού διαλύµατος, δύο είναι οι κατηγορίες υδροπονικών συστηµάτων : i. Τα Ανοικτά συστήµατα ii. Τα Κλειστά συστήµατα 42

55 4. Υδροπονία Τα ανοικτά και κλειστά υδροπονικά συστήµατα αποτελούν τους δύο κύριους τύπους εµπορικών συστηµάτων φυτικής παραγωγής (Seymour, 1993). II. Με βάση τον τρόπο παροχής του θρεπτικού διαλύµατος, υπάρχουν δύο κατηγορίες υδροπονικών συστηµάτων : i. Τα Παθητικά συστήµατα, που περιλαµβάνουν : 1. Το σύστηµα φυτιλιού (wick feeding system) 2. Την καλλιέργεια ύδατος (water culture system, float system) ii. Τα Ενεργά συστήµατα, που περιλαµβάνουν : 1. Το σύστηµα N.F.T. (nutrient film technique) 2. To σύστηµα πληµµύρας και στράγγισης ή άµπωτης και ροής (flood and drain or ebb and flow system) 3. To σύστηµα στάγδην εφαρµογής του θρεπτικού διαλύµατος (drip feeding control) 4. Την αεροπονία (aeroponics) III. Με βάση τη χρήση ή µη υποστρώµατος, υπάρχουν τρεις κατηγορίες υδροπονικών συστηµάτων : i. Τα συστήµατα µε χρήση υποστρώµατος, το οποίο µπορεί να είναι ανόργανο ή αδρανές και περιλαµβάνουν : 1. Καλλιέργεια σε άµµο 2. Καλλιέργεια σε χαλίκι 3. Καλλιέργεια σε πετροβάµβακα 4. Καλλιέργεια σε περλίτη 5. Καλλιέργεια σε βερµικουλίτη 6. Καλλιέργεια σε µίγµα περλίτη-βερµικουλίτη 7. Καλλιέργεια σε ελαφρόπετρα 8. Καλλιέργεια σε διογκωµένη άργιλο, είτε οργανικό ή ενεργό και περιλαµβάνουν : 1. Καλλιέργεια σε τύρφη 2. Καλλιέργεια σε coco soil ii. Τα υγρά συστήµατα ή συστήµατα συνεχούς ροής που περιλαµβάνουν : 1. Το σύστηµα N.F.T. (nutrient film technique) iii. To σύστηµα αεροπονίας IV. Με βάση τον τρόπο συγκράτησης του υποστρώµατος, υπάρχουν δύο κατηγορίες υδροπονικών συστηµάτων : 43

56 4. Υδροπονία i. Καλλιέργεια σε σάκους ή σε φυτοδοχεία ii. Καλλιέργεια σε υδρορροή υποστρώµατος Ανοικτά και κλειστά υδροπονικά συστήµατα Ανοικτά ονοµάζονται τα υδροπονικά συστήµατα στα οποία, το απορρέον θρεπτικό διάλυµα από τον χώρο των ριζών µετά την άρδευση, δεν συγκεντρώνεται ώστε να επαναχρησιµοποιηθεί, αλλά απορροφάται από το έδαφος ή συλλέγεται και απορρίπτεται εκτός του θερµοκηπίου. Τα συστήµατα αυτά είναι τα πιο απλά, αναπτύχθηκαν νωρίτερα από τα κλειστά και επειδή έχουν λιγότερες απαιτήσεις έχουν διαδοθεί ευρέως. Στα πλεονεκτήµατά τους συγκαταλέγονται τα εξής : το θρεπτικό διάλυµα που χορηγείται στα φυτά, έχει διαρκώς σταθερή την επιθυµητή σύσταση, η οποία µπορεί γρήγορα και χωρίς κόπο να αλλάξει µε την ανάµειξη των πυκνών διαλυµάτων στο αρδευτικό νερό. Επίσης φρέσκο θρεπτικό διάλυµα εφαρµόζεται στα φυτά κάθε φορά. Σε σχέση µε τα κλειστά συστήµατα, παρουσιάζουν µικρότερη ευαισθησία στην αλατότητα του χρησιµοποιούµενου νερού, όπως και στη σύσταση και το είδος του υποστρώµατος. Στα µειονεκτήµατά τους είναι σηµαντικό να αναφερθεί ότι ένα ποσοστό του θρεπτικού διαλύµατος που προστίθεται µε το νερό της άρδευσης κάθε φορά, το οποίο µπορεί να ανέλθει ακόµη και στο 15-20% της χορηγούµενης ποσότητας, απορρέει από τον χώρο των ριζών µε αποτέλεσµα την οικονοµική επιβάρυνση του παραγωγού. Βέβαια, ο παραγωγός ισοσκελίζει αυτήν την επιβάρυνση µε το γεγονός ότι το ανοικτό υδροπονικό σύστηµα δεν απαιτεί εξοπλισµό για τη συγκέντρωση κα επαναχρησιµοποίηση του θρεπτικού διαλύµατος. Επιπρόσθετα, η απορροή αυτή αν οδηγηθεί στο έδαφος, προκαλεί ρύπανση του περιβάλλοντος και ιδιαίτερα του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα (Σιώµος, 2002). Μία λύση είναι να συλλεχθεί το πλεονάζον θρεπτικό διάλυµα και να εφαρµοστεί είτε σε καλλιεργούµενα χωράφια, είτε σε κήπους. Κλειστά ονοµάζονται τα υδροπονικά συστήµατα στα οποία, το απορρέον θρεπτικό διάλυµα από τον χώρο των ριζών µετά την άρδευση, συγκεντρώνεται ξανά σε δεξαµενή και ανακυκλώνεται, ώστε να επαναχρησιµοποιηθεί. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται οικονοµία στην κατανάλωση του νερού και των λιπασµάτων, µε άµεσο αποτέλεσµα την µείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος. Τα συστήµατα αυτά όµως είναι πιο ευαίσθητα και ένα από τα πιο σηµαντικά προβλήµατά που παρουσιάζουν 44

57 4. Υδροπονία είναι η πιθανή εξάπλωση ασθενειών σε όλη την έκταση του συστήµατος. Το υψηλό κόστος επένδυσης, σε εξοπλισµό απολύµανσης του επανακυκλοφορούµενου θρεπτικού διαλύµατος αποτελεί περιοριστικό παράγοντα στην εξάπλωση αυτού του τύπου (Αναστασίου και Παπαγεωργίου, 1999) Καλλιέργεια σε υδρορροή υποστρώµατος (κανάλια και αυλάκια) Τα παραπάνω συστήµατα, µπορούν να συνδυαστούν µε τη χρήση της λεγόµενης υδρορροής υποστρώµατος. Η υδρορροή κατασκευάζεται από µαύρο σκληρό πλαστικό συνήθως σε σχήµα W και έχει µεγάλη αντοχή στο χρόνο. Με το πλαστικό αποφεύγονται τα προβλήµατα των µεταλλικών υλικών (οξειδώσεις). Χαρακτηριστικό της είναι η απλή και εύκολη εγκατάσταση η οποία εξασφαλίζει την σωστή τοποθέτηση του υποστρώµατος στο χώρο του θερµοκηπίου. Η τοποθέτηση της γίνεται µε µια κλίση % ώστε να εξασφαλίζεται η απορροή του θρεπτικού διαλύµατος προς τους σωλήνες απορροής. H υδρορροή είναι κατάλληλη για κάθε είδους υπόστρωµα. Με την χρήση της υδρορροής επιτυγχάνεται : Αποµάκρυνση του απορρέοντος θρεπτικού διαλύµατος από το χώρο του θερµοκηπίου. Με την χρήση της υδρορροής µπορεί πολύ εύκολα να συλλεχθεί το απορρέον θρεπτικό διάλυµα και να επαναχρησιµοποιηθεί (συστήµατα ανακύκλωσης). Οµοιόµορφη διάταξη του υποστρώµατος στο έδαφος του θερµοκηπίου ή στο ύψος που είναι επιθυµητό, ανάλογα την καλλιέργεια. υνατότητα θέρµανσης του υποστρώµατος τοποθετώντας στο µεσαίο κανάλι της υδρορροής σωλήνα ΡΕ Φ25 στον οποίο κυκλοφορεί ζεστό νερό. Για τα συστήµατα υδροπονίας αυτή είναι µια πολύ σηµαντική δυνατότητα, γιατί µε αυτόν το τρόπο επιτυγχάνονται ιδανικές συνθήκες στο περιβάλλον της ρίζας µε αποτέλεσµα την σωστή λειτουργία αυτής ακόµα την χειµερινή περίοδο. Στην περίπτωση που δεν χρησιµοποιηθεί αγωγός νερού για την θέρµανση του υποστρώµατος, τότε το µεσαίο κανάλι µπορεί να καλυφθεί. Στην προσπάθεια για βελτίωση του αερισµού του ριζικού συστήµατος των φυτών, το υπόστρωµα καλλιέργειας µπορεί να τοποθετηθεί σε κανάλια που κατασκευάζονται πάνω από την επιφάνεια του εδάφους ή σε αυλάκια που ανοίγονται στο έδαφος. Και στις δύο περιπτώσεις, το υπόστρωµα αποµονώνεται από το έδαφος µε κάποιον στεγανό τρόπο. Όταν τα αυλάκια ανοίγονται στο έδαφος µπορεί να κατασκευάζονται 45

58 4. Υδροπονία από τσιµέντο και για εξασφάλιση στεγανότητας να καλύπτονται µε πολυαιθυλένιο πάχους 0.1mm. Το πλάτος των καναλιών ή των αυλακιών καθορίζεται από το είδος της καλλιέργειας και το ελάχιστο βάθος που πρέπει να έχουν είναι 25cm. Κλίση 0.5-1% είναι αρκετή για να εξασφαλίζεται η στράγγιση και η απορροή του θρεπτικού διαλύµατος. Το σύστηµα συνήθως είναι ανοικτό (Σιώµος, 2002) Αναγκαίος εξοπλισµός των υδροπονικών συστηµάτων Ένα υδροπονικό σύστηµα καλλιέργειας φυτών απαρτίζεται από δύο µέρη. Το πρώτο, σχετίζεται µε την παρασκευή του θρεπτικού διαλύµατος, τον έλεγχο και την ρύθµισή του και αποτελείται από: δεξαµενή παρασκευής και ανακύκλωσης του θρεπτικού διαλύµατος, δοχεία αποθήκευσης των πυκνών διαλυµάτων, σύστηµα ελέγχου, σύστηµα ρύθµισης και αντλίες τροφοδοσίας. Το δεύτερο, περιλαµβάνει τον χώρο εγκατάστασης και ανάπτυξης των φυτών και αποτελείται από: τους αγωγούς τροφοδοσίας του θρεπτικού διαλύµατος, τις υδρορροές ή κανάλια ανάπτυξης των φυτών και τα συστήµατα για επίτευξη των άριστων κλιµατικών παραµέτρων εντός του θερµοκηπίου. Ο εξοπλισµός των συστηµάτων περιλαµβάνει επίσης την εγκατάσταση παροχής νερού (γεώτρηση, σύνδεση µε αρδευτικό κ.τ.λ..) και τα φίλτρα καθαρισµού του νερού. Σύµφωνα µε τον Σιώµο (2002), ο εξοπλισµός των υδροπονικών καλλιεργειών απαρτίζεται από τα παρακάτω µέρη : εξαµενές: Όταν τα διαλύµατα είναι πυκνά και οι συγκεντρώσεις των ιόντων είναι υψηλές, είναι απαραίτητες δύο τουλάχιστον δεξαµενές, για να διαχωρίζονται τα ανόργανα άλατα του ασβεστίου από τα θειικά και τα φωσφορικά, ώστε να αποφεύγεται ο σχηµατισµός ιζηµάτων. Οι δεξαµενές θα πρέπει να κατασκευάζονται ή να καλύπτονται από αδιαφανές υλικό, για να αποτρέπεται η ανάπτυξη φυκιών από την επίδραση του φωτός. Χρήσιµη είναι και µία τρίτη δεξαµενή για την τοποθέτηση του οξέως, που είναι απαραίτητο για τη ρύθµιση του ph του θρεπτικού διαλύµατος. Σε περίπτωση έλλειψης τρίτης δεξαµενής, τότε το οξύ προστίθεται σε µια από τις δύο δεξαµενές ή και στις δύο ισόποσα. Αντλίες: Μία αντλία είναι απαραίτητη σε όλες τις υδροπονικές καλλιέργειες, για την παροχή του νερού προς τη δεξαµενή ανάµειξης. Ακόµη, χρειάζεται ένα σύστηµα αντλιών για την παροχή των πυκνών διαλυµάτων των ανόργανων αλάτων και του οξέως, από τις αντίστοιχες δεξαµενές προς τη δεξαµενή ανάµειξης. Μια επιπλέον 46

59 4. Υδροπονία αντλία είναι απαραίτητη για την παροχή του θρεπτικού διαλύµατος από τη δεξαµενή ανάµειξης και µέσω του συστήµατος άρδευσης προς τα φυτά. Σύστηµα αυτόµατης ανάµειξης των πυκνών διαλυµάτων: Τα συστήµατα αυτά έχουν ενσωµατωµένο ηλεκτρονικό υπολογιστή υψηλής τεχνολογίας, ο οποίος εξασφαλίζει την ακριβή ανάµειξη νερού και πυκνών διαλυµάτων, ώστε να προκύπτει το θρεπτικό διάλυµα µε την επιθυµητή σύσταση, ph και ηλεκτρική αγωγιµότητα. Μπορούν να τροφοδοτούν µέχρι και 8 καλλιέργειες που απαιτούν θρεπτικό διάλυµα διαφορετικής σύστασης (ανάλογα µε το στάδιο ανάπτυξης των φυτών και το φυτικό είδος). Όργανα µέτρησης του ph και της ηλεκτρικής αγωγιµότητας: Ο έλεγχος του θρεπτικού διαλύµατος µπορεί να γίνει καθηµερινώς µε φορητά όργανα, το πεχάµετρο και το αγωγιµόµετρο. Εναλλακτικά σε µεγάλες µονάδες, ο έλεγχος µπορεί να γίνεται συνεχώς και αυτόµατα µε ένα σύστηµα αντλιών, που προσθέτουν ανάλογα πυκνό διάλυµα για την αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιµότητας ή νερό για µείωση της αγωγιµότητας ή και οξύ για τη µείωση του ph. Σύστηµα άρδευσης παροχής του θρεπτικού διαλύµατος: Το θρεπτικό διάλυµα παρέχεται στα φυτά συνήθως µε σωληνάκια (µακαρόνια ή spaghetti), µε µια παροχή ανά φυτό. Επίσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν συστήµατα στάγδην άρδευσης και σπανιότερα συστήµατα µε µικροεκτοξευτήρες (µπεκάκια). Θα πρέπει να εξασφαλίζεται σταθερή παροχή σε όλη την έκταση της καλλιέργειας. Υποδοχείς υποστρωµάτων: Σε αυτούς τοποθετείται το υπόστρωµα (στα συστήµατα βέβαια που κάνουν χρήση κάποιου υποστρώµατος) και εξασφαλίζουν τη συγκράτηση του υποστρώµατος, την αποµόνωση του από το έδαφος, την απορροή του πλεονάζοντος θρεπτικού διαλύµατος µέσω της κατάλληλης κλίσης που τους δίνεται και τη διατήρηση καλύτερων συνθηκών για τη σωστή ανάπτυξη του ριζικού συστήµατος των φυτών. Οι υποδοχείς αυτοί µπορεί να έχουν τη µορφή σάκου, τη µορφή φυτοδοχείων διαφόρων µεγεθών κα τη µορφή κάποιας υδρορροής, δηλαδή ενός καναλιού ή ενός αυλακιού. ιάφοροι αυτοµατισµοί: Οι αυτοµατισµοί στα υδροπονικά συστήµατα αναφέρονται στον προγραµµατισµό των αρδεύσεων καθώς και στον έλεγχο και τη ρύθµιση του ph και της ηλεκτρικής αγωγιµότητας του διαλύµατος που χορηγείται στα φυτά. Εκτός των παραπάνω, απαιτείται και η εφαρµογή εδαφοκάλυψης στο έδαφος του θερµοκηπίου. Η εδαφοκάλυψη σε µία υδροπονική εγκατάσταση, αναµφισβήτητα, αποτελεί ένα από τα πιο κύρια σηµεία στην φιλοσοφία της υδροπονίας. Η κάλυψη 47

60 4. Υδροπονία του εδάφους µε πλαστικό φιλµ αποσκοπεί στην αποµόνωσή του από την καλλιέργεια. Με την αποµόνωση αυτή, αποτρέπεται η βλάστηση των ζιζανίων, αντιµετωπίζονται ριζικά οι ασθένειες των θερµοκηπιακών καλλιεργειών (φουζάριο, βερτιτσίλλιο, πύθιο, πυρηνοχαίτη), οι οποίες µεταδίδονται µέσω του εδάφους και η προσβολή από έντοµα εδάφους, νηµατώδεις, ορισµένα βακτήρια και φυτοϊοί, κ.λ.π.), ενώ µειώνονται στο ελάχιστο οι εργατο-ώρες για βοτανίσµατα και σκάλισµα του εδάφους. Ένα αυτόµατα ελεγχόµενο σύστηµα χρησιµοποιεί αναµικτήρες λιπάσµατος που αναµειγνύουν συγκεκριµένα ποσά θρεπτικού διαλύµατος στο νερό άρδευσης. Το ιδιαίτερα πυκνό θρεπτικό διάλυµα προετοιµάζεται σε δύο χωριστά µίγµατα, ένα που περιέχει τα νιτρικά άλατα ασβεστίου και το σίδηρο και το άλλο που περιέχει τις υπόλοιπες διαλυµένες χηµικές ουσίες. Με αυτόν τον τρόπο, αποφεύγεται ο συνδυασµός του νιτρικού άλατος ασβεστίου µε το θειικό άλας του µαγνησίου, που σχηµατίζει ένα ίζηµα του θειικού άλατος ασβεστίου. Αυτή η ρύθµιση απαιτεί τη χρήση ενός αναµικτήρα διπλής ή τριπλής κεφαλής. Ο ρυθµός έγχυσης από τις κεφαλές των αναµικτήρων καθορίζει τη συγκέντρωση του θρεπτικού διαλύµατος. Είναι απαραίτητο να ελεγχθεί το σύνολο των διαλυµένων αλάτων του θρεπτικού διαλύµατος που πραγµατικά εφαρµόζεται στα φυτά δύο φορές κάθε εβδοµάδα. Είναι επίσης σηµαντικό να ελεγχθούν οι αντλίες αναµικτήρων χωριστά, για να είναι βέβαιο ότι λειτουργούν σωστά Τα υποστρώµατα των υδροπονικών καλλιεργειών και οι ιδιότητες τους Το υπόστρωµα, είναι το µέσο στο οποίο αναπτύσσονται οι ρίζες των φυτών. Το υπόστρωµα σαν υλικό είναι αδρανές, εποµένως τα φυτά προσλαµβάνουν όλα τα θρεπτικά στοιχεία από το θρεπτικό διάλυµα που παρέχεται σε αυτά. Το ph και η ηλεκτρική αγωγιµότητα του θρεπτικού διαλύµατος ρυθµίζονται εύκολα, έτσι ώστε τα φυτά να λαµβάνουν ακριβώς τις σωστές ποσότητες θρεπτικών στοιχείων και νερού. Οι κύκλοι ποτίσµατος µπορούν να ελεγχθούν απλά από έναν χρονοδιακόπτη, έτσι ώστε στα φυτά να παρέχεται το θρεπτικό διάλυµα όταν το χρειάζονται. Πολλά υλικά µπορούν να χρησιµοποιηθούν σαν υποστρώµατα ο πετροβάµβακας, ο περλίτης, ο βερµικουλίτης, το αµµοχάλικο, η άµµος ή ακόµη ο αέρας. Ο κυριότερος λόγος που προτιµάται η καλλιέργεια των φυτών σε υποστρώµατα από την καλλιέργεια σε περιβάλλον ύδατος, είναι ότι εξασφαλίζεται καλύτερη µηχανική 48

61 4. Υδροπονία στήριξη του ριζικού συστήµατος των φυτών. Το υπόστρωµα µπορεί να τοποθετηθεί σε υδρορροές ή κανάλια. Το θρεπτικό διάλυµα διατηρείται σε µια ξεχωριστή δεξαµενή και εφαρµόζεται µέσω του δικτύου υδρολίπανσης στο υπόστρωµα ανάπτυξης των φυτών για να υγράνει τις ρίζες τους. Ακολουθεί στράγγιση και παράλληλα επιτυγχάνεται και αερισµός. Έτσι, αρκετό νερό και θρεπτικά στοιχεία συγκρατούνται στο υπόστρωµα για τα φυτά µέχρι την επόµενη εφαρµογή του διαλύµατος. Τα υποστρώµατα ανάλογα µε το αν περιέχουν ή όχι οργανική ουσία χαρακτηρίζονται ως οργανικά ή χηµικώς ενεργά οπότε απελευθερώνουν θρεπτικά ιόντα στην περιοχή του ριζοστρώµατος, είτε ως ανόργανα ή αδρανή οπότε δεν συγκρατούν ούτε αποδίδουν ανόργανα ιόντα στο περιεχόµενο σε αυτά θρεπτικό διάλυµα ( 2007). Ένα υπόστρωµα για να επιτελεί µε τον καλύτερο τρόπο τον ρόλο του στην υδροπονία θα πρέπει να έχει τα εξής χαρακτηριστικά (Σιώµος, 2002): Σταθερή δοµή και κατάλληλη πυκνότητα, ώστε να µην αποσυντίθεται εύκολα και να προσφέρει υποστήριξη στις ρίζες των φυτών. Ικανοποιητική αναλογία µεταξύ νερού και αέρα στην κατάσταση της υδατοϊκανότητας ώστε και το µεγαλύτερο µέρος του νερού που συγκρατεί να µπορεί να απορροφάται εύκολα από το ριζικό σύστηµα των φυτών και να επιτρέπεται η είσοδος του οξυγόνου που είναι αναγκαίο για την καλή λειτουργία του ριζικού συστήµατος. Οµοιοµορφία στην σύσταση, στην εµφάνιση και στην συµπεριφορά από άποψη θρέψης, ώστε να µπορεί να λειτουργεί ως δεξαµενή νερού και θρεπτικών στοιχείων. Να είναι απαλλαγµένο από παθογόνα, ζωικούς εχθρούς και σπόρους ζιζανίων. Να είναι εύκολο στη χρήση του και γενικά στους καλλιεργητικούς χειρισµούς. Να είναι χηµικά αδρανές, δηλαδή να µη συγκρατεί ούτε και να αποδίδει ανόργανα ιόντα στο θρεπτικό διάλυµα. ή εφόσον είναι χηµικά ενεργό να διαθέτει µεγάλη εναλλακτική ικανότητα και κατάλληλο pη. Να έχει χαµηλό κόστος. Τα πλέον διαδεδοµένα υποστρώµατα υδροπονικών καλλιεργειών διεθνώς, είναι ο πετροβάµβακας, ο περλίτης, η ελαφρόπετρα, η άµµος, η διογκωµένη άργιλος, ο βερµικουλίτης και το αµµοχάλικο. Επίσης χρησιµοποιούνται και οργανικά υποστρώµατα όπως η τύρφη, η κοκοτύρφη, ενώ έχουν επίσης δοκιµαστεί 49

62 4. Υδροπονία υποστρώµατα όπως το πριονίδι, άχυρο, χαρτοπολτός, αλεσµένοι φλοιοί δένδρων, επεξεργασµένη ιλύς, πλαστικό πολυαιθυλενίου ακόµα και φύκια. Τα πλέον χρησιµοποιούµενα υποστρώµατα είναι ο πετροβάµβακας και ο περλίτης, τα οποία είναι εκτενώς µελετηµένα και αξιόπιστα για την απόδοσή τους. Παρόλα αυτά γίνονται προσπάθειες στο εξωτερικό για την δηµιουργία πιο φθηνών υποστρωµάτων και ταυτόχρονα της ίδιας αποδοτικότητας µε τα παραπάνω. Υδροπονικά συστήµατα χωρίς υποστρώµατα, δεν χρησιµοποιούνται ευρέως στην Ελλάδα λόγω του αρχικού υψηλού κόστους εγκατάστασης (συνεχής ροή θρεπτικού διαλύµατος, οπότε απαιτούνται µεγάλες ποσότητες) και δευτερευόντως λόγω της ευαισθησίας τους στην εύκολη µετάδοση ασθενειών (η οποία βέβαια µπορεί να αντιµετωπισθεί µε την εφαρµογή απολύµανσης του θρεπτικού διαλύµατος, πριν αυτό επαναχρησιµοποιηθεί) Καλλιέργεια σε πετροβάµβακα Ο πετροβάµβακας (Rockwool) αναπτύχθηκε αρχικά ως υλικό µόνωσης. Στις υδροπονικές καλλιέργειες χρησιµοποιείται σαν υπόστρωµα ολοένα και περισσότερο. Είναι ένα διογκωµένο ανόργανο και ινώδες υλικό, το οποίο παράγεται µε θερµική επεξεργασία ενός µείγµατος που αποτελείται κατά 60% από βασάλτη, 20% από ασβεστόλιθο και 20% από γαιάνθρακα (Μαυρογιαννόπουλος, 1994). Το µείγµα αυτό θερµαίνεται στους 1600 ο C, θερµοκρασία που επιτυγχάνεται από την καύση του άνθρακα και ρευστοποιείται. Στη συνέχεια περνάει µέσα από ένα περιστρεφόµενο τύµπανο και εξέρχεται σε µορφή λεπτών νηµάτων που έχουν πάχος 6-8 µικρά (µ), δηλαδή 0.005mm και µήκος 3mm. Οι λεπτές αυτές ίνες, µε τη βοήθεια µιας συνδετικής ρητινικής ουσίας που ονοµάζεται βακελίτης, συµπλέκονται και συγκολλούνται µεταξύ τους σε µια χαλαρή πλέξη, οπότε προκύπτει ένα προϊόν ελαφρύ και πορώδες µε βαµβακώδη εµφάνιση (De Rijck and Schreeves, 1998). Το υλικό αυτό έχει περίπου 92-96% πορώδες, ειδικό βάρος γύρω στα Kgr/m 3 και µπορεί να λάβει οποιοδήποτε σχήµα (Jörgensen, 1975). Η χηµική σύσταση του πετροβάµβακα είναι παραπλήσια µε εκείνη του ανόργανου εδάφους καθώς συνίσταται από οξείδια διαφόρων ανόργανων στοιχείων και κυρίως του πυριτίου, του ασβεστίου, του σιδήρου, του µαγνησίου και του αργιλίου. Τα οξείδια αυτά είναι πρακτικά αδιάλυτα όταν το ph του θρεπτικού διαλύµατος 50

63 4. Υδροπονία κυµαίνεται µεταξύ (Σιώµος, 2002). Κανένα από τα παραπάνω οξείδια δεν φέρει θέσεις ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων, όπως τα κολλοειδή του εδάφους και εποµένως ο πετροβάµβακας δεν έχει εναλλακτική ικανότητα. Έτσι, θεωρείται ότι είναι ένα χηµικά αδρανές, αποστειρωµένο υλικό που είναι τυποποιηµένο και µε σταθερή ποιότητα. Άρα, η θρέψη των φυτών είναι δυνατό να ελέγχεται και να ρυθµίζεται πλήρως µε την παροχή θρεπτικού διαλύµατος κατάλληλης σύστασης. Έχει πολύ καλή συµπεριφορά ως υλικό, για αυτό και χρησιµοποιείται ευρέως ως υπόστρωµα υδροπονίας ( 2007). Ο πετροβάµβακας είναι αδρανής, δε διασπάται βιολογικά, απορροφάει πολύ εύκολα το νερό, έχει ολικό πορώδες 96%, έχει οµοιόµορφα ταξινοµηµένους πόρους, σηµαντικό για τη διατήρηση του ύδατος, και άρα είναι εύκολο να θερµανθεί κατά τη διάρκεια του χειµώνα. Συγκριτικά µε το έδαφος συγκρατεί φορές περισσότερο νερό και διατηρεί 20% αέρα, εποµένως µπορεί να χρησιµοποιηθεί για οποιοδήποτε υδροπονικό σύστηµα. εδοµένου ότι έχει ph 7.8 µπορεί να αυξήσει το ph του θρεπτικού διαλύµατος και για αυτό απαιτείται προσοχή στη σύσταση του θρεπτικού διαλύµατος. εν µπορεί να χρησιµοποιηθεί επί σειρά ετών και για αυτό χρειάζεται η αντικατάστασή του κάθε 2 ή 3 έτη. Η χηµική σύσταση του πετροβάµβακα δίνεται στον πίνακα Α 5 : Πίνακας Α 5. Χηµική σύσταση του πετροβάµβακα, ( ρίµτιας, 1995). ιοξείδιο του πυριτίου SiO 2 47% Οξείδιο του αλουµινίου Al 2 O 3 14% Οξείδιο του τιτανίου TiO 2 1% Οξείδιο του σιδήρου FeO 8% Οξείδιο του ασβεστίου CaO 16% Οξείδιο του µαγνησίου MgO 10% Οξείδιο του µαγγανίου MnO 1% Οξείδιο του νατρίου Na 2 O 2% Οξείδιο του καλίου K 2 O 1% 51

64 4. Υδροπονία Ο πετροβάµβακας χρησιµοποιείται για γεωργική χρήση σε µορφή κύβων, για προβλάστηση και παραγωγή πολλαπλασιαστικού υλικού, και σε µορφή ορθογώνιων πλακών µε διαστάσεις ανάλογες µε το είδος του φυτού που πρόκειται να καλλιεργηθεί πάνω τους. Επιπλέον, το µήκος και το πλάτος των πλακών και των κύβων, επιλέγεται και ανάλογα µε την διάταξη των φυτών στο θερµοκήπιο και κυρίως ανάλογα µε τον επιθυµητό όγκο υποστρώµατος ανά φυτό. Το ύψος τόσο των πλακών όσο και των κύβων επιλέγεται κυρίως µε βάση τις υδραυλικές ιδιότητες του υλικού. Συνήθως για τα λαχανικά χρησιµοποιούνται πλάκες διαστάσεων 90x15x7.5cm (όγκου lt) και 90x20x7.5cm (όγκου 13.5lt). Το ύψος των 7.5cm είναι καθοριστικό στην επιτυχή χρησιµοποίηση αυτού του υλικού στην υδροπονία, καθώς εξασφαλίζει στο ριζικό σύστηµα κλιµακούµενη µεταβολή της υγρασίας και ως εκ τούτου αντίστροφα κλιµακούµενη µεταβολή του αερισµού (δηλαδή µε 100% κορεσµένη µε νερό τη βάση και 100% αερισµό στην επιφάνεια της πλάκας) (Willumsen, 1972). H τιµή του ph του θρεπτικού διαλύµατος κατά την αρχική διαβροχή των πλακών του πετροβάµβακα θα πρέπει να είναι χαµηλότερη (ph περίπου ) από την τιµή που θα έχει αργότερα ( ), όταν δηλαδή τοποθετηθούν τα φυτά πάνω του. Αυτό γιατί, ενώ πετροβάµβακας σε όλη την διάρκεια της καλλιέργειας συµπεριφέρεται ως ένα χηµικά αδρανές υλικό, κατά την αρχική του διαβροχή µε θρεπτικό διάλυµα η τιµή του ph ανυψώνεται κατά 1-2 µονάδες. Με τον τρόπο αυτό, η τιµή του ph µέσα στις πλάκες του πετροβάµβακα µπορεί να συγκρατηθεί µεταξύ ( 2007). Μετά από ενυδάτωση µε το θρεπτικό διάλυµα κατά τη διάρκεια µιας νύχτας, οι σπόροι µπορούν να σπαρθούν άµεσα στους κύβους πετροβάµβακα για να βλαστήσουν. Μετά από τη βλάστηση, τα σπορόφυτα µεταφέρονται σε µεγαλύτερους κύβους, έως ότου είναι έτοιµα να µεταφυτευτούν µόνιµα επάνω σε µια µεγαλύτερη πλάκα (slab). Η χρήση του πετροβάµβακα ως υπόστρωµα στα ανοικτά υδροπονικά συστήµατα κερδίζει συνεχώς έδαφος. Η τοµάτα και το αγγούρι είναι οι κύριες καλλιέργειες που αναπτύσσονται στον πετροβάµβακα. Αυτή η τεχνολογία είναι η αρχική αιτία της γρήγορης επέκτασης των υδροπονικών συστηµάτων στην Ολλανδία και τη ανία, όπου και επινοήθηκε (De Jaeger, 1987). Στα ανοικτά υδροπονικά συστήµατα µε χρήση πετροβάµβακα, τα φυτά συνήθως παράγονται µε άµεση σπορά στους µικρούς κύβους πετροβάµβακα που διαθέτουν µια οπή στην κορυφή τους για την υποδοχή του σπόρου. Οι κύβοι διαποτίζονται µέχρι το σηµείο κορεσµού µε το 52

65 4. Υδροπονία θρεπτικό διάλυµα και µεταφυτεύονται συνήθως σε µεγαλύτερους κύβους πετροβάµβακα που κατασκευάζονται συγκεκριµένα για να υποδεχτούν τους βλαστάνοντες κύβους. Οι µεγαλύτεροι κύβοι τοποθετούνται έπειτα επάνω στις πλάκες πετροβάµβακα (slabs) στο εσωτερικό των θερµοκηπίων. Για την εγκατάσταση της καλλιέργειας το έδαφος των θερµοκηπίων καλύπτεται µε άσπρο πλαστικό πολυαιθυλενίου για την αποφυγή ανάπτυξης ζιζανίων και την αντανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας ή µε πλαστικό διπλής όψης άσπρο στην επιφάνεια και µαύρο από κάτω. Οι πλάκες πρέπει να έχουν µια µικρή κλίση (µέγιστη επιτρεπτή κλίση 1.5%) προς ένα κεντρικό κανάλι απορροής. Στη συνέχεια εγκαθίσταται το σύστηµα άρδευσης και το σύστηµα θέρµανσης, εάν αυτό είναι επιδαπέδιο. Εάν απαιτείται επιδαπέδια θέρµανση, οι πλάκες τοποθετούνται σε φύλλα πολυστυρολίου, που έχουν αυλάκι στην ανώτερη επιφάνεια για να προσαρµοστούν οι σωλήνες θέρµανσης. Στις γραµµές καλλιέργειας, τοποθετούνται πλάκες από φελιζόλ πάχους 2cm και οριζόντιων διαστάσεων (µήκος και πλάτος) παρόµοιων µε αυτών της πλάκας του πετροβάµβακα, ώστε να εξασφαλίζεται µόνωση του υποστρώµατος από τις µεταβολές της θερµοκρασίας του εδάφους. Επάνω στο φελιζόλ τοποθετούνται οι πλάκες του πετροβάµβακα, συνήθως µε το σύστηµα των δίδυµων γραµµών. Ανά δύο σε µικρή απόσταση (περίπου 40cm), µεταξύ των οποίων είναι και το αυλάκι απορροής και µεγαλύτερη απόσταση µεταξύ των δίδυµων γραµµών, ώστε να υπάρχει αρκετός διάδροµος για διευκόλυνση των καλλιεργητικών φροντίδων και των άλλων εργασιών. Λόγω του πορώδους του πετροβάµβακα, και λαµβάνοντας υπόψη ένα κατάλληλο πρόγραµµα άρδευσης, σχεδόν όλο το θρεπτικό διάλυµα παραµένει στην πλάκα του για χρήση από τα φυτά. Εάν υπάρχει ένα πλεόνασµα, θα στραγγίξει από την πλάκα στο ρηχό κανάλι απορροής. Πριν από την εγκατάσταση των φυτών, οι πλάκες ποτίζονται µε νερό ή και µε θρεπτικό διάλυµα σε ποσότητα περίπου 0.8lit/lit πετροβάµβακα. Μετά από 24 ώρες, ανοίγονται 2-3 οπές απορροής, στο κάτω µέρος της πλάκας. Η χρησιµοποιούµενη ποσότητα πετροβάµβακα είναι συνήθως 14lit/m 2. Πριν χρησιµοποιηθούν οι πλάκες του πετροβάµβακα υφίστανται πλήρη ενυδάτωση µε το θρεπτικό διάλυµα. Τα φυτά παραµένουν στους µικρούς κύβους στους οποίους αναπτύχθηκαν και οι οποίοι τίθενται κατά µήκος των πλακών µέσω οπών, που ανοίγονται στην πλαστική κάλυψη της πλάκας του πετροβάµβακα. Εάν τα φυτά έχουν αναπτύξει ένα καλό ριζικό σύστηµα στους κύβους, οι ρίζες τους θα αναπτυχθούν στην πλάκα µέσα σε δύο ή τρεις ηµέρες. Κάθε φυτό λαµβάνει το θρεπτικό διάλυµα 53

66 4. Υδροπονία µεµονωµένα µέσω συστήµατος µικροσωληνίσκων (spaghetti tubes), µε ποσότητα θρεπτικού διαλύµατος που ποικίλει ανάλογα από τις απαιτήσεις των φυτών, το στάδιο ανάπτυξής τους και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τις πρώτες ηµέρες µετά την εγκατάσταση των φυτών, το θρεπτικό διάλυµα χορηγείται µε µεγάλη συχνότητα (περίπου 15 φορές/ 24ωρο) και στη συνέχεια µε µικρότερη συχνότητα (περίπου 10 φορές/24ωρο). Το πότισµα διαρκεί µέχρι να αρχίσει η απορροή του θρεπτικού διαλύµατος από τις πλάκες. Αργότερα όταν τα φυτά θα έχουν αναπτυχθεί αρκετά, το θρεπτικό διάλυµα θεωρητικά θα πρέπει να χορηγείται όταν το υπόστρωµα χάσει το 20% του νερού που συγκρατεί στην κατάσταση της υδατοϊκανότητας. Μια φορά την εβδοµάδα θα πρέπει να γίνεται πότισµα µόνο µε νερό για το ξέπλυµα των αλάτων που πιθανόν έχουν συσσωρευτεί στις πλάκες. Συνήθως επιδιώκεται το ph να διατηρείται στο εύρος και η ηλεκτρική αγωγιµότητα µεταξύ 1.5 και 3.5 ms/cm. Από το συνολικό ποσό του θρεπτικού διαλύµατος που εφαρµόζεται σε µια πλάκα πετροβάµβακα, µόνο το 2% είναι µη διαθέσιµο για λήψη από τα φυτά. Τα οργανικά υλικά όπως η τύρφη και το πριονίδι, έχουν µια υδατοχωρητικότητα 65% και σχεδόν 4-8% του θρεπτικού διαλύµατος απορροφάται στην κολλοειδή δοµή του υλικού και ως εκ τούτου είναι µη διαθέσιµο για τα φυτά. Μετά από την πλήρη ενυδάτωση, η πλάκα ή ο κύβος θα στραγγίξουν αρκετά, σε µια µικρή χρονική περίοδο, έτσι ώστε το 40-50% των πόρων να καταλαµβάνεται από αέρα. Τα πλεονεκτήµατα του συστήµατος µε χρήση πετροβάµβακα είναι τα εξής: Ο πετροβάµβακας είναι ελαφρύς όταν είναι ξηρός, και ο χειρισµός του είναι εύκολος. Είναι απλή η θέρµανση του µε επιδαπέδιους σωλήνες θέρµανσης. Επιτρέπει την ακριβή και οµοιόµορφη διανοµή του θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά. Απαιτεί λιγότερο εξοπλισµό, έχει τις χαµηλότερες δαπάνες εγκατάστασης και υπάρχει µικρότερος κίνδυνος αποτυχίας, εξαιτίας µιας καταστροφής των αντλιών και του εξοπλισµού ανακύκλωσης, λόγω της ικανότητας του να απορροφάει και να συγκρατεί πολλαπλάσια ποσότητα θρεπτικού διαλύµατος από το βάρος του. Το µειονέκτηµα είναι του είναι ότι µπορεί να είναι σχετικά δαπανηρός ιδιαίτερα αν εισάγεται από το εξωτερικό και ότι δεν αποικοδοµείται βιολογικά (Σιώµος, 2002). Ωστόσο οι πλάκες του πετροβάµβακα µπορούν να χρησιµοποιηθούν για περισσότερες από µία καλλιέργειες (συνήθως 4-6), αφού απολυµανθούν µε ατµό ή βρωµιούχο µεθύλιο. 54

67 4. Υδροπονία Σήµερα η καλλιέργεια σε πετροβάµβακα σε ανοιχτό σύστηµα, είναι το πλέον διαδεδοµένο υδροπονικό σύστηµα σε παγκόσµια κλίµακα, καταλαµβάνοντας περίπου το 70% των υδροπονικών καλλιεργειών (κυρίως τοµάτα και αγγούρι) Το θρεπτικό διάλυµα, η παρασκευή του και ο τρόπος εφαρµογής του στα φυτά H θρέψη των φυτών, σε όλα τα υδροπονικά συστήµατα, γίνεται αποκλειστικά και µόνο µε θρεπτικά διαλύµατα, λόγω της έλλειψης εδάφους. Ως θρεπτικό διάλυµα, ορίζεται µια ποσότητα νερού, στην οποία έχουµε διαλύσει τα κατάλληλα θρεπτικά στοιχεία στις ακριβείς ποσότητες και αναλογίες που χρειάζονται για την σωστή ανάπτυξη του κάθε φυτού και µάλιστα για κάθε στάδιο της ανάπτυξής του διαφορετικά. Τα ποιοτικά στοιχεία του νερού που θα χρησιµοποιηθεί για την παρασκευή του θρεπτικού διαλύµατος πρέπει να είναι γνωστά, για αυτό και πρώτα από όλα, γίνεται ανάλυση του νερού της γεώτρησης. Η περιεκτικότητα του νερού σε οξυανθρακικά ιόντα (HCO - 3 ) έχει ιδιαίτερη σηµασία, γιατί η συγκέντρωση τους αποτελεί µέτρο της ρυθµιστικής ικανότητας του στις µεταβολές του ph. Όσο υψηλότερες ποσότητες οξυανθρακικών περιέχονται στο νερό, τόσο µεγαλύτερες ποσότητες οξέος απαιτούνται για την εξουδετέρωσή τους, ώστε να και ρυθµίζεται το ph στη επιθυµητή τιµή (Σιώµος, 2002). Το θρεπτικό διάλυµα, ανάλογα µε το υδροπονικό σύστηµα που χρησιµοποιούµε, µπορεί να είναι µίας χρήσης ή ανακυκλώσιµο. Αποθηκεύεται σε κατάλληλο δοχείο από οξυάντοχο υλικό και καταλήγει στις ρίζες των φυτών, είτε µέσω σταλακτών σε σταγόνες, είτε µέσω ειδικών καναλιών, σε κάποιες περιπτώσεις µε συνεχή ροή και εξαιτίας της βαρύτητας, ενώ υπάρχουν και περιπτώσεις που ψεκάζεται µε ειδικά µπεκ σε πολύ µικρά σταγονίδια απευθείας στο ριζικό σύστηµα των φυτών (αεροπονία). Εφόσον η θρέψη των φυτών στην υδροπονία γίνεται µε θρεπτικά διαλύµατα αυτά πρέπει να είναι πλήρη, δηλαδή να περιέχουν όλα τα απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών ανόργανα θρεπτικά στοιχεία. Εξαιρούνται, ο άνθρακας, τον οποίο τα φυτά τον προσλαµβάνουν ως διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) από την ατµόσφαιρα, το υδρογόνο και το οξυγόνο, που είναι συστατικά του νερού, ενώ οξυγόνο προσλαµβάνεται και από τον ατµοσφαιρικό αέρα για τις ανάγκες της αναπνοής. Το 55

68 4. Υδροπονία χλώριο τις περισσότερες φορές εµπεριέχεται σε επαρκείς ποσότητες ως χλωριούχο ανιόν στο νερό που χρησιµοποιείται για την παρασκευή του διαλύµατος, καθώς επίσης και στις προσµίξεις των λιπασµάτων. Έτσι, ενώ τα απαραίτητα στοιχεία για την ανάπτυξη των φυτών είναι 16 µόνο τα 12 πρέπει να προστίθενται στο νερό κατά την παρασκευή του θρεπτικού διαλύµατος, δηλαδή τα µακροστοιχεία N, P, S, K, Ca και Mg και τα ιχνοστοιχεία Fe, Mn, Zn, Cu, B, και Mo. Τα θρεπτικά στοιχεία που χρειάζονται τα φυτά τα προσλαµβάνουν από το διάλυµα στο οποίο προστίθενται απλά υδατοδιαλυτά άλατα και ορισµένα οξέα, ενώ ειδικά ο σίδηρος χορηγείται σε µορφή οργανοµεταλλικών συµπλόκων (χηλικές ενώσεις σιδήρου). Ορισµένα ανόργανα άλατα και οξέα που χρησιµοποιούνται κατά την παρασκευή θρεπτικών διαλυµάτων για υδροπονικές καλλιέργειες παρατίθενται στον πίνακα Α 6. Πίνακας Α 6. Συνοπτική περιγραφή απλών ανόργανων αλάτων (λιπασµάτων) και οξέων που χρησιµοποιούνται για την παρασκευή θρεπτικών διαλυµάτων στην υδροπονία (Resh, 1981; Sonnveld, 1985; ρίµτζιας, 1995). Ανόργανα άλατα (λιπάσµατα) και οξέα Χηµικός τύπος ιαλυτότητα Περιεκτικότητα σε στο νερό µακροστοιχεία και ιχνοστοιχεία Νιτρικό κάλιο ΚΝΟ 3 1:4 13.8% ΝΟ % Κ Νιτρικό ασβέστιο 1:1 14.4% ΝΟ Ca(NO 3 ) 3 1.1% NH %Ca Νιτρική αµµωνία NH 4 NO 3 1:1 17.5% ΝΟ % NH 4 Νιτρικό µαγνήσιο Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O 11% ΝΟ 3 9.9% Mg Νιτρικό οξύ 67% HNO 3 Πυκνό διάλυµα Θειική αµµωνία (NH 4 ) 2 SO 4 1:2 20.5% NH 4 Μονοόξεινη φωσφορική 1:2 (NH αµµωνία 4 ) 2 HPO 4 12% NH 4 22% P ισόξεινη φωσφορική αµµωνία NH 4 H 2 PO 4 1:4 12% NH 4 27% P Φωσφορικό µονοασβέστιο Ca(H 2 PO 4 )2H 2 0 1:60 Φωσφορικό µονοκάλιο KH 2 PO 4 1:3 22.7% P 28.5% K Τριπλό υπερφοσφωρικό Ca(H 2 PO 4 ) 2 1:300 40% P 5% Ca Φωσφορικό οξύ 85% H 3 PO 4 Πυκνό διάλυµα Θειικό κάλιο K 2 SO 4 1: % K 18.4% SO 4 Χλωριούχο κάλιο KCl 1:3 49% K Θειικό µαγνήσιο MgSO 4 7H 2 O 1:2 9.3% Mg - 13% SO 4 Χλωριούχο ασβέστιο CaCl 2 6H 2 O 1:1 20% Ca Θειικό ασβέστιο (γύψος) CaSO 4 2H 2 O 1:500 22%Ca 18% SO 4 Θειικός σίδηρος FeSO 4 7H 2 O 1:4 Χλωριούχος σίδηρος FeCl 3 6H 2 O 1:2 Χηλικός σίδηρος Fe-EDTA Πολύ υψηλή 6% Fe 56

69 4. Υδροπονία Βορικό οξύ H 3 BO 3 1:20 14% B Τετραβορικό νάτριο (βόρακας) Na 2 B 4 O 7 10H 2 O 1:25 11% B Θειικός χαλκός CuSO 4 5H 2 O 1:5 25% Cu Θειικό µαγγάνιο MnSO 4 H 2 O 1:2 27.3% Mn Χλωριούχο µαγγάνιο MnCl 2 H 2 O 1:2 Χηλικό µαγγάνιο MnEDTA Πολύ υψηλή Θειικός ψευδάργυρος ZnSO 4 7H 2 O 1:3 22.7% Zn Χλωριούχος ψευδάργυρος ZnCl 2 1:1.5 Χηλικός ψευδάργυρος Zn-EDTA Πολύ υψηλή Μολυβδαινικό αµµώνιο (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 4H 2 0 1: % Mo Μολυβδαινικό νάτριο 39.6% Mo Από τον πίνακα συµπεραίνεται ότι, τα χρησιµοποιούµενα στην υδροπονία απλά υδατοδιαλυτά λιπάσµατα, συνίστανται µόνο από µία χηµική ένωση, συνοδευόµενη συνήθως και από νερό, είτε σε κρυσταλλική µορφή (άλατα), είτε ως διαλύτη (οξέα µε περιεκτικότητα χαµηλότερη από 100%). Εποµένως, επιλέγοντας κάθε φορά κατάλληλες αναλογίες ανάµειξης ορισµένων από αυτά τα λιπάσµατα, είναι δυνατόν να παρασκευασθεί ένα πλήρες θρεπτικό διάλυµα µε εξατοµικευµένες σε µία δεδοµένη καλλιέργεια αναλογίες και περιεκτικότητες σε θρεπτικά στοιχεία ( 2007). Yπάρχουν πολλές συνταγές για τα υδροπονικά θρεπτικά διαλύµατα (Hoagland s, Johnson s, Jensen s, Larsen s και Cooper s), ωστόσο είναι όλες παρόµοιες και διαφέρουν συνήθως στην αναλογία του αζώτου ως προς το κάλιο. Τα ποσοστά Ν-Κ είναι διαφορετικά, επειδή τα φυτά χρειάζονται λιγότερο άζωτο κατά τη διάρκεια των σύντοµων ή σκοτεινών ηµερών και αντίστροφα περισσότερο άζωτο κατά τη διάρκεια των µακρών ηµερών, σε έντονο φως ήλιου και σε υψηλότερες θερµοκρασίες. Μπορεί να υπάρξει µια σηµαντική διαφορά στο κόστος, την καθαρότητα και τη διαλυτότητα των χηµικών ουσιών που χρησιµοποιούνται για την παρασκευή του θρεπτικού διαλύµατος. Όταν µιλάµε για θρεπτικό διάλυµα, θα πρέπει να ξέρουµε ότι µιλάµε για ποσότητες πολλές φορές, χιλιοστών του γραµµαρίου (ppm) και για τον λόγο αυτό παρασκευάζουµε το διάλυµα µε αναλογίες 100 φορές περισσότερο από ότι το χρειαζόµαστε, το αποθηκεύουµε και το διαλύουµε όταν θα το χρειαστούµε σε ένα ποσοστό 1:100. Τα δοχεία των πυκνών διαλυµάτων είναι µεγάλα δοχεία χωρητικότητας λίτρων, στα οποία περιέχονται τα θρεπτικά διαλύµατα σε συγκέντρωση φορές µεγαλύτερη από αυτή που χρειάζονται τα φυτά. 57

70 4. Υδροπονία Τα δοχεία των πυκνών διαλυµάτων πρέπει να είναι τουλάχιστον δύο (δοχεία Α και Β), ώστε να διαχωρίζονται τα θειικά και τα φωσφορικά ιόντα, από το ασβέστιο και τον χειλικό σίδηρο προς αποφυγή δηµιουργίας ιζηµάτων, όπως αναφέρθηκε. Αν υπάρχει και τρίτο δοχείο µε κάποιο οξύ, τότε ρυθµίζεται ακριβέστερα το ph του θρεπτικού διαλύµατος. Κατά την παρασκευή των θρεπτικών διαλυµάτων αποφεύγεται η απευθείας ζύγιση των αλάτων, λόγω των σχετικά µικρών ποσοτήτων που χρειάζονται ιδιαίτερα στην περίπτωση των ιχνοστοιχείων. Η εργασία αυτή διευκολύνεται κατά πολύ µε την παρασκευή πυκνών διαλυµάτων των αλάτων που αποθηκεύονται σε δεξαµενές, από τις οποίες κάθε φορά χρησιµοποιούνται ορισµένες ποσότητες, αφού πρώτα αραιωθούν σε νερό. Η παρασκευή τεσσάρων πυκνών διαλυµάτων αλάτων είναι συνηθέστερη, τα οποία χρησιµεύουν ως πηγή µακροστοιχείων. Για τα ιχνοστοιχεία εκτός από τον σίδηρο, σχηµατίζεται ενιαίο πυκνό διάλυµα. Η ανάµειξη του σιδήρου µε τα υπόλοιπα ιχνοστοιχεία πρέπει να αποφεύγεται πριν από την τελική αραίωση και για αυτό διατηρείται σε ξεχωριστό διάλυµα. Το στοιχείο αυτό είναι ανάγκη να χορηγείται µόνο του, όταν πρόκειται για θεραπευτικούς σκοπούς, κυρίως γιατί τα φυτά παρουσιάζουν εύκολα τροφοπενία σιδήρου. Αφού το θρεπτικό διάλυµα περάσει από τους αγωγούς και τα φυτά, συγκεντρώνεται στον αγωγό επιστροφής και είτε καταλήγει στην δεξαµενή παρασκευής και τροφοδοσίας του θρεπτικού διαλύµατος (εφόσον πρόκειται για κλειστό υδροπονικό σύστηµα στο οποίο γίνεται ανακύκλωση του θρεπτικού διαλύµατος), είτε πετιέται (ανοικτό υδροπονικό σύστηµα). Αντίθετα µε ότι συµβαίνει κατά την καλλιέργεια επί του εδάφους, αν κάποια τοξική ουσία µπει στο θρεπτικό διάλυµα σε µια υδροπονική καλλιέργεια, τότε θα παραµείνει και θα ανακυκλώνεται συνέχεια. Για αυτό τον λόγο το θρεπτικό διάλυµα θα πρέπει να έρχεται σε επαφή µε υλικά τα οποία δεν περιέχουν διαλυτά συστατικά, που θα µπορούσαν να βλάψουν τα φυτά. Επιπλέον επιβάλλεται να χρησιµοποιούνται µε µεγάλη προσοχή τα φυτοφάρµακα, γιατί διαφορετικά υπάρχει κίνδυνος να περάσουν στο διάλυµα και να προκαλέσουν ζηµιές στα φυτά. Στην περίπτωση που θα µπουν στο διάλυµα τοξικές ουσίες για τα φυτά, τότε θα πρέπει να αλλαχτεί τελείως το θρεπτικό διάλυµα. Τα ίδια ισχύουν αν µπει στη δεξαµενή κάποιο παθογόνο µικρόβιο, καθώς διαδίδεται µέσα σε µερικά λεπτά σε όλο το σύστηµα. Για την αποφυγή µιας τέτοιας περίπτωσης χρησιµοποιούνται ορισµένα σκευάσµατα. Όµως στην πράξη και σε καλά οργανωµένες µονάδες δεν έχουν παρατηρηθεί σοβαρά προβλήµατα όσον αφορά το θέµα αυτό. 58

71 4. Υδροπονία Στην δεξαµενή παρασκευής και τροφοδοσίας του θρεπτικού διαλύµατος, είναι απαραίτητο να ελεγχθούν οι λειτουργικές παράµετροι του θρεπτικού διαλύµατος. Οι µετρήσεις αυτές µπορεί να γίνουν µε αυτόµατα συστήµατα ή µε φορητές συσκευές. Αποκλίσεις από τις προδιαγραφές λειτουργίας του θρεπτικού διαλύµατος, το οποίο χορηγείται στα φυτά και επιστρέφει σε αυτά, απαιτούν κατάλληλες διορθώσεις. Συνήθως ελέγχεται και ρυθµίζεται το ph και η ηλεκτρική αγωγιµότητα. Οι τροφοδοτικές αντλίες, έχουν ως αποστολή τους να προωθούν το θρεπτικό διάλυµα από την δεξαµενή παρασκευής και ελέγχου/ρύθµισής του, στις υδρορροές ή κανάλια ανάπτυξης των φυτών, µέσω των αγωγών τροφοδοσίας. Αποτελούν ευαίσθητο σηµείο της µεθόδου, γιατί οποιαδήποτε βλάβη σηµαίνει την µη-παροχή θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά, µε καταστροφικά αποτελέσµατα. Εποµένως, είναι απαραίτητη η ύπαρξη και βοηθητικής τροφοδοτικής αντλίας, σε περιπτώσεις διακοπής λειτουργίας της κανονικής, λόγω βλάβης ή συντήρησής της. Στους αγωγούς κυκλοφορεί συνέχεια το θρεπτικό διάλυµα, ενώ οι υδρορροές ή κανάλια ανάπτυξης των φυτών, εκτελούν συγχρόνως και λειτουργία στήριξης, γιατί πάνω τους είναι τοποθετηµένα και τα φυτά. Οι υδρορροές, µπορεί να κατασκευαστούν από µπετόν, γαλβανισµένη λαµαρίνα, πλαστικό ή οποιοδήποτε υλικό. Σε κάθε περίπτωση επιβάλλεται να επενδύονται από ειδικό φύλλο πλαστικού, το οποίο δεν αντιδρά χηµικά µε το θρεπτικό διάλυµα. Το πλαστικό είναι δίχρωµο µε την µία πλευρά άσπρη και την άλλη µαύρη. Η µαύρη πλευρά χρησιµοποιείται εσωτερικά, ώστε το ριζικό σύστηµα των φυτών να αναπτύσσεται σε σκοτεινό χώρο. Η άσπρη πλευρά βρίσκεται εξωτερικά, ώστε να ανακλάται το φως του ήλιου και να µην υπερθερµαίνεται το θρεπτικό διάλυµα. Το µήκος της υδρορροής, είναι περιορισµένο γιατί επιδιώκεται να υπάρχει αρκετή ποσότητα οξυγόνου στο διάλυµα και προς το τέλος του αγωγού. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι αυτές, µπορεί να έχουν µήκος 17-20m και πλάτος 10-35cm, ανάλογα µε το είδος του φυτού που πρόκειται να καλλιεργηθεί. Για να εξασφαλιστεί καλή κυκλοφορία του διαλύµατος η υδρορροή πρέπει να έχει κλίση % και όχι µεγαλύτερη, γιατί διαφορετικά το διάλυµα θα φεύγει πολύ γρήγορα. Επιπλέον η κλίση αυτή πρέπει να είναι οµαλή και να µην δηµιουργούνται κοιλότητες σε ορισµένα σηµεία. Κατάλληλη ταχύτητα ροής του θρεπτικού διαλύµατος θεωρείται η τιµή 2-4 l/min. Το µήκος της υδρορροής, συνδέεται άµεσα µε την ταχύτητα ροής, γιατί η περιεκτικότητα του διαλύµατος σε οξυγόνο στο σηµείο εξόδου του από το τµήµα ανάπτυξης των 59

72 4. Υδροπονία φυτών, απαιτείται να διατηρηθεί στο επιθυµητό επίπεδο. Στα συστήµατα που δεν δηµιουργείται ροή του θρεπτικού διαλύµατος, αλλά χρησιµοποιούνται διάφορα υποστρώµατα πάνω στα οποία αναπτύσσονται τα φυτά, το θρεπτικό διάλυµα από έναν κεντρικό αγωγό τροφοδοσίας, αντλείται και τροφοδοτείται σε κάθε φυτό ξεχωριστά µέσω ειδικών σωληνίσκων (σύστηµα άρδευσης τύπου spaghetti). Μονάδα άντλησης-δοσοµέτρησης-αραίωσης των πυκνών διαλυµάτων µπορεί να είναι απλά µια αντλία Ventouri, αναλογικές δοσοµετρικές αντλίες ή εξελιγµένα ηλεκτρονικά συστήµατα υδροπονίας αυτόµατης διαχείρισης, όπως το MACQU H. Η συσκευή υδροπονίας MACQU H, είναι απλής κατασκευής, έχει ελάχιστα κινητά µέρη και όλα τα εξαρτήµατά της, είναι ανθεκτικά στα διαβρωτικά υγρά. Αποτελείται από ένα σύνολο ηλεκτρονικών κυκλωµάτων και υδραυλικών συνδέσεων, που σκοπό έχουν την ανάληψη όλων των λειτουργιών της κεφαλής αυτόµατα, σε συνεργασία µε ειδικούς αισθητήρες ph και ηλεκτρικής αγωγιµότητας. Μπορεί να συνδεθεί µε υπολογιστή, από τον οποίο να γίνεται η παρακολούθηση της καλλιέργειας ακόµα και από απόσταση µέσω Internet. Επιπροσθέτως το µηχάνηµα συνεργάζεται µε αντλία που υποστηρίζει το αρδευτικό δίκτυο, ως προς την απαιτούµενη παροχή και την πίεση. Το µηχάνηµα έχει τη δυνατότητα να συνεργαστεί µε αισθητήρες κλιµατολογικών παραµέτρων, ώστε να προσαρµόζει ανάλογα τις λειτουργίες του. Κατά κανόνα για την ταυτόχρονη τροφοδότηση ενός στρέµµατος µε διάλυµα, αρκεί µια αντλία παροχής 5-8 m 3 /h (ανάλογα µε τον αριθµό των σταλακτών και την παροχή τους). Η κλίση του εδάφους δεν πρέπει να ξεπερνά το 1% (σύστηµα υποστρωµάτων µε στάγδην άρδευση) ή το 1.5% ( σύστηµα N.F.T.) Ηλεκτρική αγωγιµότητα (Electrical Conductivity=EC) του θρεπτικού διαλύµατος Η ηλεκτρική αγωγιµότητα, σαν φυσικό µέγεθος είναι το αντίστροφο της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης ενός υλικού, έχει δηλαδή διαστάσεις ηλεκτρικής αντίστασης ανά µονάδα µήκους ( 2007). Στην πραγµατικότητα πρόκειται για την ειδική ηλεκτρική αγωγιµότητα, για χάρη συντοµίας όµως έχει επικρατήσει να ονοµάζεται απλώς ηλεκτρική αγωγιµότητα. Σήµερα, σαν µονάδα µέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιµότητας έχει καθιερωθεί διεθνώς το ds/m (επίσης χρησιµοποιείται και το millisiemens/cm, (ms/cm) και ισχύει 1dS/m = 1mS/cm = 1mmhos/cm). 60

73 4. Υδροπονία H ηλεκτρική αγωγιµότητα ενός υδατικού διαλύµατος, για συγκεκριµένη θερµοκρασία, είναι ανάλογη της συγκέντρωσης των ιόντων που βρίσκονται διαλυµένα σε αυτό. Έτσι, στην περίπτωση των νερών άρδευσης και των θρεπτικών διαλυµάτων, αποτελεί µέτρο της περιεκτικότητας τους σε θρεπτικά στοιχεία κι άλλα ανόργανα άλατα (Σιώµος, 2002). Η ηλεκτρική αγωγιµότητα δεν παρέχει πληροφορίες για το είδος των αλάτων που είναι διαλυµένα σε ένα διάλυµα, αλλά µόνο για την συνολική τους συγκέντρωση. Πάρα ταύτα στην υδροπονική πράξη η αγωγιµότητα χρησιµοποιείται, τόσο κατά τον καθηµερινό έλεγχο της κατάστασης του θρεπτικού διαλύµατος στον χώρο του ριζικού συστήµατος, όσο και για την πιστοποίηση της καταλληλότητας των νέων διαλυµάτων, εξαιτίας της ευκολίας µε την οποία προσδιορίζεται. Η ηλεκτρική αγωγιµότητα µεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα µε τη θερµοκρασία. Για τα περισσότερα λαχανοκοµικά είδη που καλλιεργούνται υδροπονικα, το άριστο εύρος της ηλεκτρικής αγωγιµότητας στο περιβάλλον του ριζικού συστήµατος είναι συνήθως mS/cm και πιο σπάνια για ορισµένα είδη 4mS/cm. Όταν οι τιµές της ηλεκτρικής αγωγιµότητας είναι χαµηλότερες από το κατώτερο όριο, υποδηλώνουν ότι η περιεκτικότητα του διαλύµατος σε ορισµένα τουλάχιστον θρεπτικά στοιχεία είναι ανεπαρκής. Αντίστροφα, πολύ υψηλές τιµές πάνω από το ανώτατο όριο, δείχνουν ότι η συνολική περιεκτικότητα του διαλύµατος σε άλατα (θρεπτικών στοιχείων και µη) είναι τόσο µεγάλη, ώστε τα φυτά υφίστανται αλατούχο καταπόνηση ανάλογη µε αυτή στην οποία είναι εκτεθειµένα όταν καλλιεργούνται σε αλατούχα εδάφη Το ph του θρεπτικού διαλύµατος Το ph του θρεπτικού διαλύµατος, που αποτελεί µέτρο της περιεκτικότητάς του σε ιόντα υδρογόνου, δηλαδή της ενεργού οξύτητάς του, είναι καθοριστικό κριτήριο για την καταλληλότητα του διαλύµατος. Οι τιµές του ph κυµαίνονται από 0 έως 14 (0-6 όξινο, 7 ουδέτερο, 8-14 αλκαλικό). Η τιµή του ph αναφέρεται εποµένως στην οξύτητα ή την αλκαλικότητα του θρεπτικού διαλύµατος. Όταν το ph είναι ψηλότερο ή χαµηλότερο από κάποιες τιµές που θεωρούνται ως ανώτερα ή κατώτερα επιθυµητά όρια, πολλά θρεπτικά στοιχεία καθίστανται δυσδιάλυτα (κυρίως ο P, ο Fe, το Mn σε υψηλό ph), οπότε η απορρόφησή τους από τα φυτά δυσχεραίνεται, ενώ άλλα απορροφώνται µε ταχύτερους από τους συνήθεις ρυθµούς (π.χ. το Mn και το αργίλιο 61

74 4. Υδροπονία σε χαµηλό ph). Το αποτέλεσµα είναι να εµφανίζονται διαταραχές στην θρέψη των φυτών (τροφοπενίες, τοξικότητες κ.λ.π.). Για τα περισσότερα είδη φυτών, το ph του θρεπτικού διαλύµατος στον χώρο των ριζών θα πρέπει να κυµαίνεται µεταξύ 5.5 και 6.5 (Σιώµος, 2002). Το ph του θρεπτικού διαλύµατος εξαρτάται από τη θερµοκρασία, την ποσότητα του φωτός, την εξάτµιση, την ποσότητα των θρεπτικών στοιχείων και την καθαρότητα του νερού της βρύσης. Ο περιοδικός έλεγχος του επιπέδου του ph του διαλύµατος είναι ζωτικής σηµασίας για την αύξηση και ανάπτυξη των φυτών. Η ρύθµιση της τιµής του µπορεί να γίνει µε την προσθήκη οξέος, όταν το διάλυµα είναι αλκαλικό και µε την προσθήκη βάσης όταν είναι όξινο. Είναι εύκολο να ρυθµιστεί µε την προσθήκη των µικρών ποσών διαλυτού ανθρακικού καλίου για την αύξηση της τιµής του, ή φωσφορικού οξέος για τη µείωση του ph. Ο παρακάτω πίνακας (Α 7 ), παρουσιάζει τα όρια των τιµών του ph για διάφορες καλλιέργειες. Πίνακας Α 7. Όρια των τιµών του ph για διάφορες καλλιέργειες, (University of Arizona, College of Agricultural and Life Sciences ). Καλλιέργεια ph Καλλιέργεια ph Φασόλι Πεπόνι Λάχανο Μπιζέλι Αγγούρι Ραδίκι Μελιτζάνα Φράουλα Μαρούλι Πιπεριά Τοµάτα Τα περισσότερα φυτά µπορούν να αναπτυχθούν υδροπονικά µέσα σε ένα εύρος ph 5.8 έως 6.8, µε άριστη την τιµή 6.3. Το ph σε ένα υδροπονικό σύστηµα είναι πολύ ευκολότερο να ελεγχθεί από ότι σε καλλιέργεια επί του εδάφους. Ο έλεγχος του ph είναι εύκολος και ουσιαστικός σε ένα υδροπονικό σύστηµα. 62

75 4. Υδροπονία Καλλιέργεια µε σύστηµα στάγδην εφαρµογής του θρεπτικού διαλύµατος Πρόκειται για ένα ενεργό υδροπονικό σύστηµα που µπορεί να λειτουργεί είτε ως ανοικτό, είτε ως κλειστό. Αυτό το σύστηµα χρησιµοποιεί πιεστικό σύστηµα που είναι συνδεδεµένο µε µία δεξαµενή µε τους σωλήνες µεταφοράς του θρεπτικού διαλύµατος να φτάνουν σε κάθε φυτό. Μπορεί να ρυθµιστεί το ποσό του διαλύµατος ανά φυτό. Μια υδρορροή κάτω από κάθε σειρά φυτών, που στέλνει το διάλυµα πίσω στη δεξαµενή, µπορεί εύκολα να κάνει αυτό το σύστηµα ένα ενεργό κλειστό υδροπονικό σύστηµα. Τα συστήµατα αυτά χρησιµοποιούνται συχνά µε πετροβάµβακα, αν και µπορεί να χρησιµοποιηθεί οποιοδήποτε υπόστρωµα µε αυτό το σύστηµα, χάρη στη ρύθµιση να εφαρµόζεται σε κάθε µεµονωµένο φυτό το θρεπτικό διάλυµα µέσω σταλακτήρων. Το σύστηµα αυτό, είναι ο πιο ευρύτατα χρησιµοποιούµενος τύπος υδροπονικού συστήµατος στον κόσµο. Η λειτουργία του είναι απλή, καθώς ένας χρονοδιακόπτης ελέγχει τη λειτουργία της αντλίας. Ο χρονοδιακόπτης δίνει εντολή στη αντλία και το θρεπτικό διάλυµα παρέχεται σε κάθε φυτό από ένα σύστηµα άρδευσης µε σταγόνες (spaghetti system). Το θρεπτικό διάλυµα που απορρέει µετά την εφαρµογή του, συλλέγεται πίσω στη δεξαµενή και επαναχρησιµοποιείται στα κλειστά συστήµατα ή απορρέει στα ανοιχτά συστήµατα όπου δεν γίνεται ανακύκλωσή του. Ένα κλειστό σύστηµα χρησιµοποιεί το θρεπτικό διάλυµα αποτελεσµατικότερα, καθώς το πλεονάζον διάλυµα επαναχρησιµοποιείται, επιτρέποντας επίσης τη χρήση ενός πιο ανέξοδου χρονοδιακόπτη, καθώς δεν απαιτείται ακριβής έλεγχος των κύκλων ποτίσµατος. Το ανοιχτό σύστηµα, πρέπει να έχει έναν ακριβέστερο χρονοδιακόπτη, έτσι ώστε οι κύκλοι ποτίσµατος να µπορούν να ρυθµιστούν µε ακρίβεια, για να εξασφαλιστεί ότι τα φυτά παίρνουν την απαραίτητη ποσότητα του θρεπτικού διαλύµατος και ότι η απορροή περιορίζεται στο ελάχιστο. Το ανοιχτό σύστηµα απαιτεί λιγότερη συντήρηση εξαιτίας του γεγονότος ότι το πλεονάζον θρεπτικό διάλυµα δεν ανακυκλώνεται πίσω στη δεξαµενή, και εποµένως η σύσταση του διαλύµατος και το ph της δεξαµενής δεν ποικίλουν. Ένα κλειστό σύστηµα µπορεί να έχει µεγάλες µεταβολές στο ph και τη σύσταση του θρεπτικού διαλύµατος και απαιτείται έτσι περιοδικός έλεγχος και ρύθµισή τους. 63

76 4. Υδροπονία Αλλαγή του θρεπτικού διαλύµατος Η αλλαγή του θρεπτικού διαλύµατος δεν γίνεται σε καθορισµένα χρονικά διαστήµατα. Συνήθως η δεξαµενή συµπληρώνεται µε νερό χωρίς να προστίθεται κανένα θρεπτικό στοιχείο. Αυτό συµβαίνει επειδή σηµειώνονται απώλειες νερού λόγω εξάτµισης και απορρόφησης από τα φυτά. Παρόλα αυτά η θρεπτική αξία του διαλύµατος δεν µειώνεται απαραίτητα µε τη µείωση του επιπέδου του νερού. Σε µερικές περιπτώσεις παρατηρείται το φαινόµενο ενώ η στάθµη ύδατος της δεξαµενής µειώνεται, η συγκέντρωση του διαλύµατος σε θρεπτικά στοιχεία να γίνεται µεγαλύτερη. Έτσι, προστίθεται µόνο νερό και ρυθµίζεται κατόπιν αναλόγως το ph. Ένα αρχείο είναι απαραίτητο για την καταγραφή της ποσότητας του νερού που προστίθεται κάθε φορά στη δεξαµενή, ώστε να γεµίσει µέχρι πάνω και όταν αυτή η συνολική ποσότητα που προστέθηκε στη δεξαµενή, είναι ίση µε το µισό της συνολικής χωρητικότητας της δεξαµενής, είναι ώρα να αλλαχτεί το διάλυµα, να ξεπλυθεί η δεξαµενή και να παρασκευαστεί από την αρχή το θρεπτικό διάλυµα. Για παράδειγµα, αν η δεξαµενή, έχει χωρητικότητα 80λίτρα και κατά τη διάρκεια 12 ηµερών λειτουργίας του συστήµατος προστέθηκαν 40λίτρα νερού, είναι καιρός να αλλαχτεί το θρεπτικό διάλυµα. 64

77 5. Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά 5. Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά 5.1. Εισαγωγή Η χρήση υδροπονικών συστηµάτων σε θερµοκηπιακές καλλιέργειες επεκτείνεται διαρκώς, γιατί εξασφαλίζει ιδανικότερο περιβάλλον για την ανάπτυξη του ριζικού συστήµατος των φυτών συγκριτικά µε το έδαφος. Το πρόσθετο οξυγόνο που παρέχεται από τα υδροπονικά συστήµατα συνεργεί στην αύξηση της ρίζας, αφού τα φυτά απορροφούν τα θρεπτικά στοιχεία µε πιο γρήγορο ρυθµό. Τα προβλήµατα που παρουσιάζουν τα συστήµατα αυτά όσον αφορά προσβολές από µύκητες, ιούς και έντοµα είναι µειωµένα. Η υδροπονική καλλιέργεια δύναται να αποτελέσει µια µέθοδο που θα προσφέρει οφέλη στο περιβάλλον, αφού τα καλλιεργούµενα φυτά θα απαιτούν µικρότερες ποσότητες σε νερό, φυτοφάρµακα, λιπάσµατα και οι επεµβάσεις στο χώρο του εδάφους θα είναι µειωµένες Πλεονεκτήµατα της υδροπονικής καλλιέργειας στην ανάπτυξη του φυτού Τα πλεονεκτήµατα που παρουσιάζει η υδροπονική καλλιέργεια σύµφωνα µε τους Nelson (1991), Μαυρογιαννόπουλο (1994), Hanan (1998), Σιώµο (2002) και την ηλεκτρονική πηγή ( 2007) είναι τα εξής : 1. Η σηµαντική πρωίµηση της παραγωγής, λόγω των υψηλότερων µέσων θερµοκρασιών στον χώρο του ριζοστρώµατος. 2. Η σωστότερη και πιο ακριβής θρέψη των φυτών, η οποία είναι πιο εύκολο να ελεγχθεί και να διορθωθεί σε περίπτωση λάθους. 3. Η δυνατότητα εφαρµογής µεγαλύτερων πυκνοτήτων φύτευσης, καθώς και η φύτευση νέας καλλιέργειας άµεσα µετά την αποµάκρυνση της προηγούµενης. 4. Η αύξηση της απόδοσης των παραγόµενων προϊόντων που κυµαίνεται από 20 έως 50%, συγκριτικά µε καλλιέργειες σε έδαφος, λόγω των καλύτερων φυσικοχηµικών ιδιοτήτων των υποστρωµάτων, της βελτιστοποίησης της θρέψης και των υψηλότερων θερµοκρασιών στο στρώµα των ριζών. Η αύξηση 65

78 5. Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά αυτή µπορεί να φτάσει και το 100% αν συγκριθεί µε καλλιέργειες σε προβληµατικά εδάφη. 5. Η παραγωγή ποιοτικότερων προϊόντων, αφού τα φυτά θα λαµβάνουν θρεπτικά στοιχεία σε ιδανικές ποσότητες και θα αναπτύσσονται σε ελεγχόµενες συνθήκες περιβάλλοντος. 6. Η απαλλαγή των υδροπονικών καλλιεργειών από προβλήµατα που προκαλούν οι ασθένειες του εδάφους (έντοµα εδάφους, νηµατώδεις, βακτήρια, φυτοϊοί, βερτιτσίλιο, πυρηνοχαίτη) και η µείωση της πιθανότητας µόλυνσης από παθογόνα του εδάφους (πύθιο, φουζάριο, φυτόφθορα). 7. Η παραγωγή πιο καθαρών προϊόντων από χηµικής άποψης, αφού δεν είναι δεν είναι απαραίτητες πρακτικές όπως η απολύµανση του υποστρώµατος. 8. Η δυνατότητα καλλιέργειας φυτών σε προβληµατικά εδάφη, είτε επειδή µειονεκτούν σε φυσικές ιδιότητες (πολύ συνεκτικά ή πολύ ελαφρά εδάφη ή εδάφη µε µικρό ποσοστό οργανικής ουσίας), είτε επειδή λείπει εντελώς το έδαφος (βραχώδεις περιοχές ή έρηµοι). 9. Η δυνατότητα καλλιέργειας φυτών σε αλατούχα εδάφη όπου το νερό άρδευσης παρουσιάζει υψηλές τιµές ηλεκτρικής αγωγιµότητας (1-1.5ds/m) που είναι απαγορευτικές για οποιαδήποτε άλλη µορφή καλλιέργειας. Αυτή η µορφή καλλιέργειας όµως, µπορεί να γίνει µόνο σε ανοιχτό υδροπονικό σύστηµα. 10. Επειδή, οι ρίζες αναπτύσσονται στον µικρού όγκου εσωτερικό χώρο των υποστρωµάτων ή των θρεπτικών διαλυµάτων, τα οποία βρίσκονται πάνω από την καλυµµένη επιφάνεια του εδάφους, επιτυγχάνεται εξοικονόµηση ενέργειας, από την µειωµένη εξάτµιση του εδαφικού νερού, καθώς η θερµοκρασία του εδάφους δεν επηρεάζει πλέον σηµαντικά την καλλιέργεια. 11. Λόγω του ότι περιορίζονται τα ελλείµµατα, µε επιφανειακές διαρροές και διείσδυση, του νερού στο έδαφος δεν εµφανίζονται µεγάλες απώλειες σε νερό και θρεπτικά στοιχεία. 12. Η εφαρµογή πολλών και χρήσιµων αυτοµατισµών, που περιορίζουν την σκληρή χειρωνακτική εργασία στην περίπτωση που υπάρχει έδαφος, για την κατεργασία του εδάφους, το φύτευµα και τη ζιζανιοκτονία. 13. Τέλος, σπουδαία σηµασία έχει η συµβολή, ειδικά των κλειστών υδροπονικών συστηµάτων, στην προστασία του περιβάλλοντος, ειδικά σε περιοχές όπου τα 66

79 5. Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά υπόγεια νερά µολύνονται από την έκπλυση λιπασµάτων, φυτοφαρµάκων και απολυµαντικών µέσων Μειονεκτήµατα της υδροπονικής καλλιέργειας στην ανάπτυξη του φυτού Κατά την εφαρµογή και τη λειτουργία των υδροπονικών συστηµάτων είναι απαραίτητη η ρύθµιση όλων των παραµέτρων που επηρεάζουν την ανάπτυξη των φυτών. Όµως, παρουσιάζονται και προβλήµατα µε αρνητικές επιπτώσεις για τις καλλιέργειες, τα οποία σύµφωνα µε τους Μαυρογιαννόπουλο (1994), Hanan (1998), Σιώµο (2002) και την ηλεκτρονική πηγή ( 2007) είναι τα εξής : 1. Είναι απαραίτητο να υπάρχει όσο το δυνατό µεγαλύτερη ακρίβεια κατά τη σύνθεση του θρεπτικού διαλύµατος. Αν οι προστιθέµενες ποσότητες, ειδικά των ιχνοστοιχείων αποκλίνουν έστω και λίγο, τότε υπάρχει σοβαρή πιθανότητα εµφάνισης τοξικότητας ή τροφοπενιών. 2. Είναι σχετικά ευαίσθητα συστήµατα καλλιέργειας, για αυτό έχουν µικρότερη ανοχή σε λάθη, σε σχέση µε το έδαφος. Έτσι, οποιαδήποτε απόκλιση του ph και της ηλεκτρικής αγωγιµότητας του θρεπτικού διαλύµατος από τις καθορισµένες είναι απότοµη και µπορεί να είναι επιζήµια για ολόκληρη την καλλιέργεια. 3. Επίσης, µικρή ανοχή υπάρχει σε λάθη καλλιεργητικών χειρισµών, καθώς οι δυσµενείς επιδράσεις για τα φυτά εµφανίζονται γρηγορότερα και σε πιο έντονο βαθµό, µε αρνητικές επιπτώσεις στην απόδοση της παραγωγής. 4. Ειδικά τα κλειστά υδροπονικά συστήµατα, είναι πιο ευαίσθητα σε καθολική µόλυνση από ασθένειες, όπως φουζάριο και βερτσίλιο, µέσω του ανακυκλούµενου θρεπτικού διαλύµατος, έστω κι αν προσβληθεί ένα µόνο φυτό. 5. Απαιτείται προηγµένη τεχνολογία και εξειδικευµένες γνώσεις σχετικά µε τη φυσιολογία των φυτών, αφού ο χειρισµός των αυτόµατων συστηµάτων της ανάµιξης και κυκλοφορίας του θρεπτικού διαλύµατος, του ποτίσµατος και της ρύθµισης του περιβάλλοντος του θερµοκηπίου είναι σχετικά περίπλοκος. 67

80 5. Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά 6. Για την ανάλυση του θρεπτικού διαλύµατος, αλλά και των φυτών, είναι υποχρεωτική η παρουσία ενός εργαστηρίου, στο οποίο θα πρέπει να γίνονται επαναλαµβανόµενες αναλύσεις. 7. Το προσωπικό που εφαρµόζει την υδροπονική καλλιέργεια θα πρέπει να είναι πολύ καλά καταρτισµένο και να µπορεί να χειρίζεται τα συστήµατα της υδροπονίας. 8. Τέλος, είναι απαραίτητο να αναφερθεί ότι απαιτούνται µεγάλα αρχικά κεφάλαια για την εγκατάσταση της υδροπονικής καλλιέργειας συγκριτικά µε την καλλιέργεια στο έδαφος Τοξικότητες, αλατότητες και ασθένειες στις υδροπονικές καλλιέργειες Η εφαρµογή υδροπονικών συστηµάτων καλλιέργειας, ανοιχτών και ειδικά κλειστών, παρουσιάζει προβλήµατα που αφορούν φυτοτοξικότητες οξέων, συσσώρευση αλάτων και µολύνσεις από παθογόνα. Οι µικρές συγκεντρώσεις των οξέων στο ριζικό περιβάλλον συνεισφέρουν στη ανάπτυξη των φυτών, όταν όµως συσσωρευτούν σε επαναχρησιµοποιούµενα θρεπτικά διαλύµατα προκαλούν φαινόµενα φυτοτοξικότητας (Rice, 1984; Sinqueira et al., 1991; Lee J.G. et al., 2006). Σύµφωνα µε τους Yu και Matsui (1993,1994), η απόδοση των καλλιεργειών τοµάτας και αγγουριού ήταν µειωµένη λόγω της συνεχούς καλλιέργειας µε ανακυκλούµενα θρεπτικά διαλύµατα τα οποία περιείχαν ποσότητες πολλών οργανικών οξέων. Πολλοί ερευνητές ασχολήθηκαν µε την αναγνώριση φυτοτοξικών οξέων στο ριζικό περιβάλλον των φυτών (Al Saadawi et al., 1983; Guenzi and McCalla, 1966; Perez and Ormeno-Nunez, 1991; Rice, 1984; Tang and Young, 1982; Whitehead, 1964; Yamane et al., 1992; Politycka et al. 1984). Για την εξάλειψη της ποσότητας των οξέων αυτών από το θρεπτικό διάλυµα και τη µείωση της αυτοτοξικότητας των υδροπονικών συστηµάτων, χρησιµοποιείται η µέθοδος του ενεργού άνθρακα και η µέθοδος µε τη χρήση µικροοργανισµών (Asoa et al., 2004b). Οι Asao et al. (1998, 1999a,b), Yu and Matsui (1994), Yu et al. (1993), έδειξαν ότι η χρήση του ενεργού άνθρακα σε επαναχρησιµοποιούµενα θρεπτικά διαλύµατα περιόρισε σηµαντικά πολλές φυτοτοξικές ενώσεις. Επίσης, η δραστηριότητα µικροοργανισµών, όπως βακτήρια του είδους Pseudomonas spp., µπορεί να καταστείλει τα τοξικά αποτελέσµατα ειδικά φαινολικών οξέων, κατά την 68

81 5. Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά ανάπτυξη φυτών σε καλλιέργειες χωρίς έδαφος (Vaughan et al., 1983,1993; Caspersen et al.,1999). Όσον αφορά τη συσσώρευση αλάτων, η αύξηση των φυτών σε υδροπονικά συστήµατα, ειδικά κλειστά, ελαττώνεται µε την αύξηση της αλατότητας, όπως διαπιστώθηκε σε καλλιέργεια φασολιού που εκτέθηκε συνεχώς σε συγκρίσιµα επίπεδα αλατότητας (Savas et al., 2007a). Σύµφωνα µε τους Sonneveld (2000) και Savas (2002a), στα κλειστά υδροπονικά συστήµατα παρουσιάζεται συσσώρευση αλάτων στο ανακυκλούµενο θρεπτικό διάλυµα, λόγω της διαφοράς της συγκέντρωσης των ιόντων, µεταξύ της προσφερόµενης ποσότητας αρδευτικού νερού και της αποδιδόµενης στο ριζικό περιβάλλον των φυτών. Η παρουσία αλατότητας στο αρδευτικό νερό, οφείλεται κυρίως λόγω έλλειψης επαρκών πηγών νερού, στη αναγκαστική χρήση νερού µε µεγάλες συγκεντρώσεις αλάτων (Reed, 1996). Λύση σε αυτό το πρόβληµα θα µπορούσε να είναι η αύξηση της συχνότητας άρδευσης, µε επακόλουθο την αύξηση του όγκου του διαλύµατος που αποστραγγίζεται. Επακόλουθο είναι να αυξάνεται η αναλογία της διάλυσης των αλάτων µέσα στο µόνιµα ανακυκλούµενο θρεπτικό διάλυµα. Έτσι, η συγκέντρωση αλάτων στο περιβάλλον ρίζας διατηρείται σχετικά χαµηλά επίπεδα (Savas et al., 2007b). Οι ασθένειες που µολύνουν τις υδροπονικές καλλιέργειες είναι µυκητολογικές και χωρίζονται σε δύο είδη, τις ασθένειες που αφορούν τα υπέργεια µέρη των φυτών και τις συστηµατικές ασθένειες το ριζοστρώµατος. Η τοµάτα (Lycopersicon esculentum Mill.) είναι το κυριότερο λαχανοκοµικό είδος που καλλιεργείται στην Ελλάδα, σε υδροπονικά συστήµατα (Chatzivassiliou et al., 2000). Οι κυριότερες ασθένειες στα υπέργεια µέρη της τοµάτας οφείλονται στους µύκητες βοτρύτη (Botrytis cinerea) και κερκόσπορα (Cercospora fuliginea). Για την καταπολέµηση τους εφαρµόζονται ψεκασµοί και απολυµάνσεις ατµού µε µυκητοκτόνα, καθώς και µέσα βιολογικού ελέγχου, όπως ο µη παθογόνος οργανισµός Trichoderma harzianum; (Moyano et al., 2003). Οι κύριες συστηµατικές ασθένειες του ριζοστρώµατος προκαλούνται από τους µύκητες φουζάριο (Fusarium oxysporum), περονόσπορο (Phytophthora infestans) και πύθιο Pythium aphanidermatum; (Schwarz and Grosch, 2003). Η σοβαρότερη ασθένεια για τις καλλιέργειες σε υδροπονικά συστήµατα, είναι ο µαρασµός από το φουζάριο, ο οποίος προκαλεί φράξιµο των αγγείων. Μετάδοση αυτών των ασθενειών έχουµε µε µεταφορά σπορίων µε τον αέρα, από τις πόρτες και τα χωρίσµατα, µε 69

82 5. Επίδραση της υδροπονίας στα φυτά µεταφορά παθογόνων του εδάφους µε την σκόνη ή το µολυσµένο χώµα στα παπούτσια και σε µολυσµένα υλικά. Καταπολέµηση των ασθενειών αυτών γίνεται µε τη χρήση µυκητοκτόνων, συστηµατικών µε χαµηλή τοξικότητα και διάρκεια, (Song et al., 2004). Συνεργιστικά µε τον χηµικό έλεγχο της τοµάτας και των λοιπών υδροπονικών καλλιεργειών, µέθοδοι όπως µεταχειρίσεις µε οσµωτική πίεση, µε υπεριώδη ακτινοβολία, απολυµάνσεις, καθώς και η χρήση βιολογικών ελέγχων είναι δυνατές, (Paulitz and Belanger, 2001). 70

83 B Mέρος

84 1. Σκοπός του πειράµατος 1. Σκοπός του Πειράµατος Η δυνατότητα παραγωγής πρώιµων προϊόντων που συγχρόνως θα διακρίνονται για τα ποιοτικά χαρακτηριστικά τους, είναι το ζητούµενο των σύγχρονων θερµοκηπιακών εκµεταλλεύσεων. Με την είσοδο νέων καινοτόµων τεχνολογιών, φιλικών προς το περιβάλλον, ο παραγωγός θα µπορεί να εξασφαλίζει αυξηµένες αποδόσεις και ικανοποιητικό κέρδος, αλλά και ο καταναλωτής να προµηθεύεται ποιοτικά προϊόντα σε χαµηλές τιµές. Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε η δυνατότητα εφαρµογής ενός παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης θερµοκηπίων, το οποίο συνδυάστηκε µε υδροπονική καλλιέργεια τοµάτας. Το θερµοκήπιο στο οποίο πραγµατοποιήθηκε το πείραµα, ήταν παρόµοιο µε τα περισσότερα θερµοκήπια κηπευτικών της Ελλάδος (τυποποιηµένα τοξωτά θερµοκήπια µε πλαστικό κάλυµµα και φυσικό αερισµό) και βρίσκεται στο Κέντρο Ελέγχου Γεωργικών Κατασκευών (Κ.Ε.Γ.Κ.), το οποίο λειτουργεί υπό την εποπτεία του Εργαστηρίου Γεωργικών Κατασκευών και Εξοπλισµού, στο Αγρόκτηµα του Α.Π.Θ. Σκοπός της έρευνας, ήταν να µελετηθεί η επίδραση του συγκεκριµένου συστήµατος στη ρύθµιση του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερµοκηπίου. Ακόµη, να υπολογιστεί η εξοικονόµηση ενέργειας µε τη εφαρµογή ενός σύνθετου παθητικού ηλιακού συστήµατος που αποτελείται από πλαστικές σακούλες µε νερό και πλαστικούς σωλήνες PE σε ένα θερµοκήπιο µε υδροπονική καλλιέργεια τοµάτας. Επιπλέον επιδίωξη του πειράµατος, ήταν να διαπιστωθούν τα οφέλη που προκύπτουν από την εφαρµογή ανανεώσιµων πηγών ενέργειας και σύγχρονων µεθόδων καλλιέργειας στη συµπεριφορά θερµοκηπιακών καλλιεργειών και συγκεκριµένα της τοµάτας, κατά την περίοδο της άνοιξης. Για τον καθορισµό της αποτελεσµατικότητας του παθητικού ηλιακού συστήµατος γινόταν, αφενός συνεχής µέτρηση και καταγραφή της θερµοκρασίας του αέρα του θερµοκηπίου και αφετέρου µέτρηση της πιθανής διαφοροποίησης στην ανάπτυξη µεταξύ της καλλιέργειας στην οποία χρησιµοποιήθηκε το συγκεκριµένο σύστηµα και αυτής που χρησίµευσε ως µάρτυρας. Το χρονικό διάστηµα που επιλέχθηκε για τη µελέτη της συµπεριφοράς του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης συνδυασµένου µε υδρορροή υδροπονίας, ήταν η περίοδος από 1 Μαρτίου έως 31 Μαΐου. Κατά τους µήνες αυτούς, όταν επικρατούν 72

85 1. Σκοπός του πειράµατος χαµηλές θερµοκρασίες εξωτερικού περιβάλλοντος, οι ανάγκες για θέρµανση, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της νύχτας, είναι επιβεβληµένες. Στο πείραµα καθορίστηκαν ακριβώς τα χρονικά διαστήµατα κατά τα οποία λαµβάνονταν µετρήσεις σχετικές µε το ρυθµό της βλαστικής ανάπτυξης των φυτών. 73

86 2. Στοιχεία για την υδροπονική καλλιέργεια της τοµάτας 2. Στοιχεία για την υδροπονική καλλιέργεια της τοµάτας Η τοµάτα lycopersicon lycopersicum είναι το πιο διαδεδοµένο λαχανοκοµικό είδος, που καλλιεργείται στα θερµοκήπια. Ανήκει στην οικογένεια Solanaceae, και η απόδοσή της στην Ελλάδα, για περίοδο συγκοµιδής από 3 έως 6 µήνες, κυµαίνεται µεταξύ 6 και 20 τόνων ανά στρέµµα. Η θερµοκηπιακή καλλιέργεια τοµάτας εστιάζεται στην Κρήτη µε ποσοστό που ξεπερνά το 40%, ενώ ακολουθούν η Κ. Μακεδονία µε 17% και η Πελοπόννησος µε 13%. Οι καλλιεργούµενοι γενότυποι είναι υβρίδια F-1, παράγονται στο εξωτερικό και τα χαρακτηριστικά που έχουν είναι ότι, παράγουν καρπούς καλής ποιότητας, είναι ανθεκτικά στις ασθένειες, πρωιµίζουν την παραγωγή και δίνουν υψηλές αποδόσεις. Ειδικά, όταν εφαρµόζεται υδροπονική καλλιέργεια τοµάτας σε θερµοκήπια, οι αποδόσεις είναι δυνατό να αυξηθούν από 20 έως 50%, συγκρινόµενες µε την παραδοσιακή καλλιέργεια στο έδαφος, ενώ µπορεί και να διπλασιαστούν συγκρινόµενες µε καλλιέργεια σε προβληµατικά εδάφη. Για παράδειγµα σε υδροπονική καλλιέργεια τοµάτας στην Ολλανδία, η παραγωγή ξεπέρασε τους 60 τόνους ανά στρέµµα, για περίοδο συγκοµιδής που έφτασε τους 8 µήνες ( 2007). Κλιµατικές απαιτήσεις του φυτού Θερµοκρασία: το ιδανικό εύρος της θερµοκρασίας που πρέπει να διατηρείται στον εσωτερικό χώρο του θερµοκηπίου, εξαρτάται από την ποικιλία και την ένταση του φωτισµού. Γενικά, οι ιδανικές θερµοκρασίες κατά τη διάρκεια της ηµέρας είναι µεταξύ 20 και 26 ο C µε ανώτερη ανεκτή τιµή τους 30 ο C, ενώ κατά τη διάρκεια της νύχτας κυµαίνονται από 16 έως 18 ο C µε κατώτερη ανεκτή τιµή τους 12 ο C. Σχετική υγρασία αέρα: η σχετική υγρασία για την ανάπτυξη της τοµάτας πρέπει να διατηρείται µεταξύ των ορίων 60-75%, αφού όταν αυξάνεται η τιµή της η καλλιέργεια κινδυνεύει από µυκητολογικές ασθένειες, ενώ όταν µειώνεται εµφανίζονται φαινόµενα ξηρασίας. Φως: η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας επιδρά στη φωτοσυνθετική ικανότητα των φύλλων της τοµάτας, για αυτό πρέπει να κυµαίνεται σε µέτρια 74

87 2. Στοιχεία για την υδροπονική καλλιέργεια της τοµάτας επίπεδα της τάξης των 550 µmolm -2 s -1. Υψηλότερες εντάσεις προκαλούν εγκαύµατα, ενώ χαµηλότερες οδηγούν σε ανθόρροια. Χαρακτηριστικά υποστρώµατος θρεπτικού διαλύµατος Υπόστρωµα: σαν υλικό πρέπει να είναι αδρανές, µε ηλεκτρική αγωγιµότητα ms/cm και ph Θρεπτικό διάλυµα: το θρεπτικό διάλυµα πρέπει να προσφέρει στην καλλιέργεια τις ιδανικές ποσότητες θρεπτικών στοιχείων ανάλογα µε το στάδιο ανάπτυξής της. Έτσι, τα όρια του ph κυµαίνονται από 5.5 έως 6.0, ενώ η ηλεκτρική αγωγιµότητα επιδιώκεται να έχει εύρος από 2.5 έως

88 3. Υλικά και µέθοδοι 3. Υλικά και µέθοδοι 3.1. Περιγραφή του θερµοκηπίου Οι µετρήσεις του πειράµατος πραγµατοποιήθηκαν κατά την περίοδο από 1 Μαρτίου 2007 έως 31 Μαίου 2007 σε θερµοκήπιο του Κέντρου Ελέγχου Γεωργικών Κατασκευών (Κ.Ε.Γ.Κ.), στις εγκαταστάσεις του Αγροκτήµατος του Α.Π.Θ., στην περιοχή της Θέρµης του Νοµού Θεσσαλονίκης. Το αγρόκτηµα βρίσκεται σε γεωγραφικό πλάτος 40 ο 54 και γεωγραφικό µήκος 22 ο 99. Το συγκεκριµένο θερµοκήπιο είναι ένα τροποποιηµένο τοξωτό θερµοκήπιο, προσανατολισµένο 25 ο δεξιόστροφα από τη διεύθυνση Βορρά-Νότου, µε τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Μήκος θερµοκηπίου : 22 m Πλάτος θερµοκηπίου : 7 m Μήκος βασικής κατασκευαστικής µονάδας : 7 m Πλάτος βασικής κατασκευαστικής µονάδας : 2 m Αριθµός βασικών κατασκευαστικών µονάδων : 22 Εµβαδόν καλυµµένου εδάφους : 154 m 2 Ύψος υδρορροής : 2.1 m Ύψος κορφιά : 3.6 m Όγκος θερµοκηπίου : m 3 Ο σκελετός του θερµοκηπίου κατασκευάστηκε από γαλβανισµένο σίδηρο και ως υλικό κάλυψης χρησιµοποιήθηκε πολυαιθυλένιο (ΡΕ), για µεγαλύτερη αντοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Για τη διεξαγωγή του πειράµατος το θερµοκήπιο διαχωρίστηκε σε δύο ανεξάρτητα τµήµατα µε ενδιάµεσο διαχωριστικό διάδροµο. Τα δύο τµήµατα είχαν τις ίδιες διαστάσεις (10 x 7m), ενώ οι διαστάσεις του διαχωριστικού διαδρόµου ήταν 2 x 7m (Σχήµα Β 1 ). Ο διαχωρισµός έγινε µε πλαστικό πολυαιθυλένιο (ΡΕ), της ίδιας σύστασης µε εκείνο της οροφής. Στις πλευρές προς το διαχωριστικό τµήµα προσαρµόστηκαν πόρτες που έκλειναν για τον περιορισµό των απωλειών θερµότητας. Ο αερισµός του θερµοκηπίου επιτυγχάνονταν µε φυσικό αερισµό. Στη µία πλευρά του θερµοκηπίου υπήρχε πλαϊνό παράθυρο που άνοιγε χειροκίνητα µε τη βοήθεια 76

89 3. Υλικά και µέθοδοι µανιβέλας, ενώ στην αντίθετη πλευρά προσαρµόστηκε παράθυρο οροφής, το οποίο λειτουργούσε αυτόµατα. Το µέγιστο ύψος των ανοιγµάτων ήταν 1m. Σχήµα Β 1. Οι διαστάσεις του θερµοκηπίου και οι θέσεις των φυτών. 77

90 3. Υλικά και µέθοδοι 3.2. Περιγραφή του εξοπλισµού Σύστηµα καταγραφής των µετρήσεων Καθόλη τη διάρκεια του πειράµατος προσαρµόστηκε ένα σύστηµα µέτρησης και καταγραφής των ακόλουθων δεδοµένων: 1) της θερµοκρασίας και της υγρασίας στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου, 2) της θερµοκρασίας του πετροβάµβακα, 3) της θερµοκρασίας του νερού που περιέχεται µέσα στο φιλµ πολυαιθυλενίου και 4) της εισερχόµενης στο θερµοκήπιο ηλιακής ακτινοβολίας. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των οργάνων µέτρησης ήταν: Ένα πυρανόµετρο τάξης Α. 14 αισθητήρες θερµοκρασίας τύπου PT-100 (1 αέρα, 12 υποστρώµατος και 1 νερού). 4 αισθητήρες υγρασίας-θερµοκρασίας HOBO H8 (Εικόνα Β 3 ). 1 αισθητήρας υγρασίας-θερµοκρασίας HOBO PRO (Εικόνα Β 4 ) Ολοκληρωµένος εξωτερικός µετεωρολογικός σταθµός, ο οποίος αποτελείται από ανεµόµετρο, ανεµοδείκτη, θερµόµετρο, πυρανόµετρο και υγρασιόµετρο. Το πυρανόµετρο τοποθετήθηκε στο πειραµατικό µέρος µε σκοπό να καταγράφει την εισερχόµενη στο θερµοκήπιο ηλιακή ακτινοβολία. Η τοποθέτησή του έγινε µεταξύ των γραµµών των φυτών, ώστε να µη σκιάζεται (Εικόνα Β 1 ). Οι δώδεκα αισθητήρες τύπου PT-100 µετρούσαν τη θερµοκρασία στην περιοχή του υποστρώµατος, όπου βρισκόταν το ριζικό σύστηµα των φυτών (Εικόνα Β 2 ). Ένας µετρούσε τη θερµοκρασία του νερού στο εσωτερικό των πλαστικών σωλήνων (φιλµ πολυαιθυλενίου). Οι τέσσερις αισθητήρες HOBO H8 κατέγραφαν τη θερµοκρασία και την σχετική υγρασία του αέρα στο εσωτερικό περιβάλλον των θερµοκηπίων πάνω από την καλλιέργεια, δύο σε ύψος 1m και δύο σε ύψος 2m από το έδαφος. Ο αισθητήρας HOBO PRO µετρούσε τη θερµοκρασία και τη σχετική υγρασία του εισερχόµενου αέρα στην αεραντλία, στο πειραµατικό µέρος του θερµοκηπίου και σε ύψος 1.5m. Τέλος, ένας αισθητήρας τύπου PT-100 µετρούσε τη θερµοκρασία του αέρα κατά την έξοδό του από το σύστηµα ανακύκλωσης, στο ύψος του ριζοστρώµατος των φυτών. Όλοι οι αισθητήρες που χρησιµοποιήθηκαν για τη 78

91 3. Υλικά και µέθοδοι µέτρηση της θερµοκρασίας είχαν καλυφθεί µε διάτρητα κύπελλα από φελιζόλ, ώστε να µετρούν υπό σκιά. Για τη συλλογή και την επεξεργασία των µετρήσεων χρησιµοποιήθηκε καταγραφικό δεδοµένων (Data logger CR10) το οποίο ήταν συνδεδεµένο µε υπολογιστή στο Κ.Ε.Γ.Κ.. Ο υπολογιστής είχε εγκατεστηµένο λογισµικό, το οποίο υποστήριζε τη λήψη και καταγραφή των δεδοµένων. Οι µετρήσεις τόσο από τους αισθητήρες θερµοκρασίας όσο και από το πυρανόµετρο καταγράφονταν ανά 5 λεπτά, ενώ παράλληλα υπήρχε η δυνατότητα παρακολούθησης των δεδοµένων σε πραγµατικό χρόνο. Στον ίδιο υπολογιστή κατέληγαν και οι µετρήσεις από τον µετεωρολογικό σταθµό. Οι αισθητήρες υγρασίας-θερµοκρασίας λειτουργούσαν αυτόνοµα και κατέγραφαν τη σχετική υγρασία και τη θερµοκρασία του αέρα του θερµοκηπίου ανά 5 λεπτά. Σύµφωνα µε τις κατασκευάστριες εταιρίες τους ισχύουν τα παρακάτω: Το πυρανόµετρο µπορεί να παρουσιάσει σφάλµα µικρότερο από ± 0.5%. Οι αισθητήρες υγρασίας-θερµοκρασίας µπορεί να παρουσιάζουν µια απόκλιση της τάξεως του ± 5%. Οι αισθητήρες θερµοκρασίας µπορεί να παρουσιάζουν µια απόκλιση της τάξεως του ± 2%. Τα σφάλµατα και οι αποκλίσεις των οργάνων µέτρησης δεν θεωρούνται σηµαντικές, γεγονός που θα φανεί και από την ανάλυση των αποτελεσµάτων. Όλα τα όργανα µέτρησης πριν από την έναρξη του πειράµατος ελέγχθηκαν, ρυθµίστηκαν και δοκιµάστηκαν από τον τεχνικό της εταιρίας που τους προµήθευσε. 79

92 3. Υλικά και µέθοδοι Εικόνα Β 1. Το πυρανόµετρο που χρησιµοποιήθηκε στο πείραµα. Εικόνα Β 2. Αισθητήρας για την καταγραφή της θερµοκρασίας στο υπόστρωµα. 80

93 3. Υλικά και µέθοδοι Εικόνα Β3. Αισθητήρας υγρασίας-θερµοκρασίας HOBO H8. Εικόνα Β4. Αισθητήρας υγρασίας-θερµοκρασίας HOBO PRO. 81

94 3. Υλικά και µέθοδοι Στο σχήµα Β 2 αποτυπώνονται οι αισθητήρες στο εσωτερικό του θερµοκηπίου. Σχήµα Β 2. Οι αισθητήρες και η θέση τους στο θερµοκήπιο. 82

95 3. Υλικά και µέθοδοι Συµβατικό σύστηµα θέρµανσης του θερµοκηπίου Το συµβατικό σύστηµα θέρµανσης χρησιµοποιήθηκε για την κύρια θέρµανση του τµήµατος που καλείται µάρτυρας, και σαν συµπληρωµατικό σύστηµα θέρµανσης στο µέρος που καλείται πείραµα, εφόσον ήταν απαραίτητο. Αποτελείτο από : Καυστήρα, εκτός του θερµοκηπίου, ο οποίος λειτουργούσε µε συµβατικό καύσιµο και θέρµαινε το νερό που κυκλοφορούσε στο σύστηµα σωληνώσεων. Ηλεκτροβάνες, που βρίσκονταν στο σύστηµα των µεταλλικών σωληνώσεων, οι οποίες ανάλογα µε την εντολή από τον πίνακα ελέγχου ανοιγόκλειναν και επέτρεπαν την κυκλοφορία του νερού, όταν αυτό είχε την επιθυµητή θερµοκρασία (Εικόνα Β 5 ). ίκτυο σωληνώσεων, µεταλλικών για τη µεταφορά του θερµικού µέσου εντός και εκτός του θερµοκηπίου και πλαστικών για την κυκλοφορία του γύρω από τις γραµµές της καλλιέργειας (Εικόνες Β 5,Β 6 ). ύο αισθητήρες µέτρησης της θερµοκρασίας του αέρα του εσωτερικού περιβάλλοντος, ένας για κάθε τµήµα του θερµοκηπίου, οι τιµές των οποίων αποτυπώνονταν σε πίνακα ελέγχου. Πίνακα ελέγχου τοποθετηµένο στο ενδιάµεσο τµήµα του θερµοκηπίου, στον οποίο προσαρµόστηκαν δύο ωροµετρητές, ένας για το πείραµα και ένας για το µάρτυρα, οι οποίοι καταµετρούσαν το χρόνο ανάγκης θέρµανσης για κάθε τµήµα. Ο πίνακας ελέγχου συνδέονταν µε τους δύο αισθητήρες και ανά πάσα στιγµή η θερµοκρασία εντός των τµηµάτων αναγράφονταν πάνω στον πίνακα. Με τη βοήθεια προγραµµατιστή υπήρχε η δυνατότητα καθορισµού µίας κρίσιµης τιµής, κάτω της οποίας ξεκινούσε η λειτουργία του συστήµατος θέρµανσης και το αντίθετο. Για το συγκεκριµένο πείραµα η κρίσιµη τιµή της θερµοκρασίας ορίστηκε στους 16 ο C (Εικόνα Β 7 ). Στο σχήµα Β 3 φαίνεται το συµβατικό σύστηµα θέρµανσης του θερµοκήπιο. 83

96 3. Υλικά και µέθοδοι Εικόνα Β 5. Οι µεταλλικοί σωλήνες µεταφοράς του νερού εντός και εκτός του θερµοκηπίου, µε το πράσινο χρώµα διακρίνονται οι ηλεκτροβάνες. Εικόνα Β 6. ίκτυο πλαστικών σωληνώσεων για την κυκλοφορία του νερού γύρω από τις γραµµές της καλλιέργειας. 84

97 3. Υλικά και µέθοδοι Εικόνα Β 7. Πίνακας ελέγχου στον οποίο διακρίνονται οι ωροµετρητές. 85

98 3. Υλικά και µέθοδοι Σχήµα Β 3. Το συµβατικό σύστηµα θέρµανσης του θερµοκήπιο. 86

99 3. Υλικά και µέθοδοι To παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης Το παθητικό ηλιακό σύστηµα εγκαταστάθηκε στο πειραµατικό µέρος του θερµοκηπίου. Το σύστηµα απαρτίζονταν από δύο µέρη: α) µία κυλινδρική πλαστική σακούλα PE µε πάχος 200µm., περίµετρο 152cm, διάµετρο 48.4cm, µήκος 7m και β) δύο περιφερειακούς σωλήνες PE, εκατέρωθεν της σακούλας, τους οποίους διαπερνούσε ρεύµα αέρα προερχόµενο από αεραντλία. Οι περιφερειακοί σωλήνες είχαν πάχος 200µm., περίµετρο 20cm, διάµετρο 6.4cm και µήκος 6.86m. Το σύστηµα τοποθετήθηκε επάνω σε µαύρο πλαστικό εδαφοκάλυψης, ενώ στους διαδρόµους τοποθετήθηκε λευκό πλαστικό εδαφοκάλυψης για την αντανάκλαση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, όπως φαίνεται στο σχήµα Β 8. Συνολικά τοποθετήθηκαν 5 σύνθετες σακούλες, όσες και οι γραµµές καλλιέργειας. Το έδαφος είχε κλίση της τάξης του 1-1.5%, ώστε να αποµακρύνεται το θρεπτικό διάλυµα που απέρρεε προς τη λεκάνη συγκέντρωσής του. Οι σακούλες πληρώθηκαν µε νερό από το αρδευτικό σύστηµα του θερµοκηπίου. Η κάθε σακούλα περιείχε 1287lt νερού. Για την αποφυγή της δηµιουργίας µικροφυκών (algae sp.) κρίθηκε σκόπιµη η διάλυση στο νερό πενταένυδρου θειικού χαλκού (CuSO 4.5H 2 O) σε ποσότητα 15gr/σακούλα. όθηκε ιδιαίτερη προσοχή κατά την εγκατάσταση για την αποφυγή διαρροών νερού. Επίσης, η επιφάνεια της κάθε σακούλας καθαριζόταν ανά τακτά χρονικά διαστήµατα από τις αποθέσεις σκόνης. Με τον τρόπο αυτόν διατηρήθηκε η λειτουργικότητα του συστήµατος έως το τέλος της πειραµατικής εφαρµογής. Μεταξύ των περιφερειακών σωλήνων και πάνω στην πλαστική σακούλα τοποθετήθηκε λεπτό στρώµα από χαλίκι για τη διευκόλυνση της αποµάκρυνσης του απορρέοντος θρεπτικού διαλύµατος και την αποφυγή δηµιουργίας µικροφυκών. Στη συνέχεια πάνω στο χαλίκι προσαρµόστηκαν οι πλάκες πετροβάµβακα µήκους 1m. Οι κυλινδρικοί σωλήνες είχαν κατά µήκος οπές από τις οποίες εξερχόταν µέρος του περιεχόµενου αέρα προς τις πλάκες πετροβάµβακα. Η παροχή της αεραντλίας εξασφάλιζε απόλυτη πληρότητα του εσωτερικού όγκου των περιφερειακών σωλήνων µε αέρα. Οι περιφερειακοί σωλήνες χρησιµοποιήθηκαν ως πλαϊνά τοιχώµατα για την αποµάκρυνση του απορρέοντος θρεπτικού διαλύµατος. Η θέρµανση του πειραµατικού µέρους γινόταν µε το παθητικό ηλιακό σύστηµα και εφόσον δεν µπορούσαν να καλυφθούν οι απαιτήσεις θέρµανσης λειτουργούσε συµπληρωµατικά το συµβατικό σύστηµα µε καυστήρα πετρελαίου. 87

100 3. Υλικά και µέθοδοι Η εγκατάσταση του παθητικού ηλιακού συστήµατος έγινε σύµφωνα µε τις τεχνικές οδηγίες συνεργείου της εταιρίας Γεωθερµική Α.Ε.. Στην εικόνα Β 8 φαίνεται το παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης συνδυασµένο µε υδρορροή υδροπονίας που χρησιµοποιήθηκε. Εικόνα Β 8. Το παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης, συνδυασµένο µε υδρορροή υδροπονίας. 88

101 3. Υλικά και µέθοδοι Σύστηµα αναδιανοµής του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου Στο πειραµατικό τµήµα του θερµοκηπίου εγκαταστάθηκε σύστηµα αναδιανοµής του εσωτερικού αέρα (Εικόνα Β 9 ). Είναι γνωστό ότι ο θερµότερος αέρας ανέρχεται σε υψηλότερα στρώµατα, καθότι πιο ελαφρύς. Έτσι, η λειτουργία του συστήµατος συνίσταται στη ανακύκλωση του αέρα από τα υψηλότερα στρώµατα σε χαµηλότερα, όπου βρίσκεται το ριζικό σύστηµα των φυτών. Εποµένως, επιτυγχάνονται οµοιόµορφες συνθήκες θερµοκρασίας αέρα σε ολόκληρο το περιβάλλον του θερµοκηπίου. Το σύστηµα αποτελείτο από τα εξής µέρη: Έναν απορροφητήρα µονής αναρρόφησης από τον οποίον εισέρχεται ο αέρας στο σύστηµα. Έναν πλαστικό αγωγό PE, από τον οποίον διέρχεται ο αέρας. ύο περιφερειακούς σωλήνες PE, εκατέρωθεν της κάθε σακούλας, που συνδέονται µε τον αγωγό και στους οποίους καταλήγει το ρεύµα αέρα, προερχόµενο από αεραντλία. Οι περιφερειακοί σωλήνες PE έχουν οπές ανά ένα µέτρο από τις οποίες ο αέρας διοχετεύεται στο ριζόστρωµα των φυτών και στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου. Εικόνα Β 9. Το σύστηµα αναδιανοµής του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου. 89

102 3. Υλικά και µέθοδοι Σύστηµα αερισµού του θερµοκηπίου Το σύστηµα αερισµού του θερµοκηπίου περιελάµβανε τα εξής δύο παράθυρα. Ένα πλαϊνό, κατά µήκος της µίας πλευράς που άνοιγε χειροκίνητα µε τη χρήση µανιβέλας, µε µέγιστο ύψος ανοίγµατος 1m (Εικόνα Β 10 ). Στην άλλη πλευρά εγκαταστάθηκε κατά µήκος παράθυρο οροφής, µε µέγιστο ύψος ανοίγµατος 1m (Εικόνα Β 11 ). Για το χειρισµό του παράθυρου οροφής τοποθετήθηκε στο ενδιάµεσο τµήµα του θερµοκηπίου προγραµµατιστής (Εικόνα Β 12 ). Το συγκεκριµένο παράθυρο λειτουργούσε µε βάση µία κρίσιµη τιµή θερµοκρασίας. Έτσι, άνοιγε όταν η θερµοκρασία στο εσωτερικό του θερµοκηπίου ξεπερνούσε τους 23 ο C, ενώ έκλεινε όταν η θερµοκρασία έπεφτε χαµηλότερα από αυτήν την τιµή, µε τη βοήθεια ηλεκτρικού µειωτήρα στροφών. Για τη µέτρηση της θερµοκρασίας χρησιµοποιήθηκαν δύο αισθητήρες, οι οποίοι τοποθετήθηκαν ένας σε κάθε τµήµα του θερµοκηπίου. Εικόνα Β 10. Χειροκίνητο πλευρικό παράθυρο. 90

103 3. Υλικά και µέθοδοι Εικόνα Β 11.Αυτόµατο παράθυρο οροφής. Για τη λειτουργία του προσαρµόστηκε ηλεκτρικός µειωτήρας στροφών. Εικόνα Β 12. Πίνακας ελέγχου µε προγραµµατιστή χειρισµού του παράθυρου οροφής. 91

104 3. Υλικά και µέθοδοι Σύστηµα παροχής θρεπτικού διαλύµατος Για τη θρέψη των φυτών χρησιµοποιήθηκε θρεπτικό διάλυµα, το οποίο χορηγήθηκε στα φυτά µέσω αρδευτικού συστήµατος µε σταλάκτες (µακαρόνια). Το αρδευτικό σύστηµα αποτελείτο από τα εξής µέρη : Αυτόµατο προγραµµατιστή Rainbird image 2, για τον έλεγχο της παροχής. Η χορήγηση του θρεπτικού διαλύµατος γινόταν 8 φορές την ηµέρα µε διάρκεια ανάλογη µε το στάδιο ανάπτυξης των φυτών και τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Σε κάθε περίπτωση και στα δύο τµήµατα εφαρµόζονταν διαδοχικά η ίδια ποσότητα θρεπτικού διαλύµατος µε τη χρήση 2 ηλεκτροβάνων (Εικόνα Β 13 ). ύο δεξαµενές των 1000lt, µαύρου χρώµατος στις οποίες αποθηκεύονταν το θρεπτικό διάλυµα. Στις δεξαµενές τοποθετήθηκαν µεταλλικοί αναδευτήρες, οι οποίοι λειτουργούσαν αυτόµατα για µισή ώρα πριν από κάθε πότισµα. (Εικόνες Β 14, Β 15 ). Αντλία αύξησης της πίεσης της παροχής, ώστε να διατηρείται σταθερή η παροχή θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά (Εικόνα Β 14 ). Ξεχωριστό δίκτυο σωληνώσεων για το πείραµα και τον µάρτυρα, το οποίο σε κάθε περίπτωση απαρτιζόταν από 2 αγωγούς τροφοδοσίας διαµέτρου Φ20 και 5 αγωγούς εφαρµογής µήκους 8m, διαµέτρου Φ16. Οι αγωγοί εφαρµογής παρείχαν στα φυτά θρεπτικό διάλυµα µε 21 σωληνάκια που κατέληγαν σε καρφιά (µακαρόνια) παροχής 2lt/h. Οι αγωγοί ήταν κατασκευασµένοι από µαύρο πολυαιθυλένιο (Εικόνες Β 14, Β 16 ). Στο σχήµα Β 4 αποτυπώνεται το σύστηµα παροχής του θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά. 92

105 3. Υλικά και µέθοδοι Εικόνα Β 13. Αυτόµατος προγραµµατιστής Rainbird image 2. Εικόνα Β 14. εξαµενή 1000lt, µαύρου χρώµατος στην οποία αποθηκευόταν το θρεπτικό διάλυµα. Στην ίδια εικόνα φαίνεται η αντλία αύξησης της πίεσης της παροχής. 93

106 3. Υλικά και µέθοδοι Εικόνα Β 15. Αυτόµατος µεταλλικός αναδευτήρας προσαρµοσµένος στη δεξαµενή. Εικόνα Β 16. ίκτυο σωληνώσεων τροφοδοσίας θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά. 94

107 3. Υλικά και µέθοδοι Σχήµα Β 4. Το σύστηµα παροχής του θρεπτικού διαλύµατος στα φυτά. 95

108 3. Υλικά και µέθοδοι 3.3. Χρονοδιάγραµµα προετοιµασίας του πειράµατος Η προετοιµασία του πειράµατος διήρκεσε από τις 7/2 ως την 1/3. Παρακάτω περιγράφονται οι απαραίτητες εργασίες : 7-11/2 Προετοιµασία του θερµοκηπίου και ισοπέδωση του εδάφους για την έναρξη του πειράµατος. 12/2 Κάλυψη του εδάφους του θερµοκηπίου µε λευκό πλαστικό εδαφοκάλυψης, για την αποφυγή ανάπτυξης ζιζανίων και την αντανάκλαση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας /2 Εγκατάσταση των πλαστικών υδρορροών στο τµήµα του µάρτυρα και τοποθέτηση των πλαστικών σωλήνων πολυαιθυλενίου στο τµήµα του πειράµατος µε παράλληλη πλήρωση µε νερό /2 Εγκατάσταση του αρδευτικού συστήµατος µε σταγόνες, του πιεστικού και των δεξαµενών αποθήκευσης θρεπτικού διαλύµατος /2 20/2 Εγκατάσταση του συστήµατος θέρµανσης. Εγκατάσταση του συστήµατος αερισµού. 22/2 Προετοιµασία και τοποθέτηση των αισθητήρων θερµοκρασίας και υγρασίας σε καθορισµένες θέσεις του θερµοκηπίου. Σύνδεση των αισθητήρων µε το καταγραφικό σύστηµα δεδοµένων και τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. 25/2 Τοποθέτηση των υποστρωµάτων πάνω στις υδρορροές. Τοποθέτηση του πυρανόµετρου. 27/2 Έλεγχος και ρύθµιση όλων των αισθητήρων από τεχνικούς της εταιρίας που τους προµήθευσε. Έλεγχος των συστηµάτων θέρµανσης και παροχής θρεπτικού διαλύµατος. Εµποτισµός των υποστρωµάτων για 24 ώρες µε θρεπτικό διάλυµα πριν τη δηµιουργία σχισµών. 28/2 Πραγµατοποίηση δοκιµαστικών αρδεύσεων και µέτρηση της ποσότητας του απορρέοντος θρεπτικού διαλύµατος, για τον καθορισµό του χρόνου άρδευσης. 1/3 Εγκατάσταση των φυτών της καλλιέργειας. Έναρξη καταγραφής των µετρήσεων. 96

109 3. Υλικά και µέθοδοι 3.4. Περιγραφή των µεθόδων καλλιέργειας Εγκατάσταση καλλιέργειας Για την διεξαγωγή του πειράµατος χρησιµοποιήθηκαν 210 φυτά τοµάτας, 105 για το πείραµα και 105 για το µάρτυρα. Χρησιµοποιήθηκε το υβρίδιο optima sp., και αρχικά αναπτύχθηκε µέσα σε κύβους πετροβάµβακα, σε φυτώριο της περιοχής των Βασιλικών µέχρι να φτάσει το ύψος των δύο πραγµατικών φύλλων. Ακολούθησε εγκατάστασή (φύτευση), στα υποστρώµατα του θερµοκηπίου. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε ώστε να φυτά που επιλέχτηκαν να παρουσιάζουν όλα την ίδια ανάπτυξη. Η κατανοµή τους έγινε σε 5 σειρές, µε 21 φυτά σε κάθε σειρά. Η απόσταση µεταξύ των σειρών ήταν 1m και η απόσταση των φυτών της ίδιας σειράς 0,33m. Οι εξωτερικές σειρές απείχαν από τις πλευρές του θερµοκηπίου 1.5m. Στο σχήµα Β 1, φαίνεται η διάταξη τοποθέτησης των φυτών Κλάδεµα και περιποίηση των φυτών Εφαρµόστηκε κατακόρυφη ανάπτυξη των κεντρικών βλαστών των φυτών, µε υποστύλωσή τους µε τη βοήθεια πλαστικού σπάγκου. Το κάτω άκρο του σπάγκου στερεώθηκε µεταξύ του κύβου και της πλάκας πετροβάµβακα και το πάνω άκρο δέθηκε σε οριζόντιο σύρµα σε ύψος 2m πάνω από το έδαφος. Όλοι οι πλευρικοί βλαστοί (2 ης τάξης) που εµφανίστηκαν στους κεντρικούς βλαστούς αφαιρέθηκαν κατά την εµφάνισή τους Αντιµετώπιση προβληµάτων από εχθρούς και ασθένειες της καλλιέργειας Πριν την εκτέλεση του πειράµατος δεν εφαρµόστηκαν προληπτικοί ψεκασµοί µε εντοµοκτόνα ή µυκητοκτόνα, αφού δεν αναµένονταν σοβαρά προβλήµατα από εχθρούς και ασθένειες στα φυτά, λόγω της υδροπονικής καλλιέργειας. Προς το τέλος της διάρκειας του πειράµατος, παρουσιάστηκε προσβολή από τα έντοµα αφίδα (Aphis gossypii) και αλευρώδη (Trialeurodes vaporariorum), αλλά δεν κρίθηκε σκόπιµη η καταπολέµησή τους, γιατί το πείραµα έφτανε στο τέλος του. 97

110 3. Υλικά και µέθοδοι Το κυριότερο πρόβληµα που παρουσιάστηκε στην καλλιέργεια ήταν η σήψη κορυφής του καρπού, που αποτελεί φυσιολογική ανωµαλία. Για την καλύτερη αντιµετώπιση του προβλήµατος συλλέχθηκαν δείγµατα από τα φυτά, τα οποία εξετάστηκαν στο εργαστήριο φυτοπαθολογίας της Γεωπονικής Σχολής του Α.Π.Θ. Ο κυριότερος λόγος της εµφάνισης αυτής της ανωµαλίας ήταν οι συνθήκες ξηρασίας που επικράτησαν στο περιβάλλον του θερµοκηπίου προς το τέλος του πειράµατος, µε αποτέλεσµα να µειωθεί η πρόσληψη νερού και εποµένως η πρόσληψη και µεταφορά ασβεστίου Θρεπτικό διάλυµα Για την παρασκευή του θρεπτικού διαλύµατος χρησιµοποιήθηκαν δύο συνταγές θρέψης η πρώτη κατά την ανάπτυξη και την ανθοφορία µέχρι το σχηµατισµό της δεύτερης ταξιανθίας µε χρονική διάρκεια από 1/3 έως 25/4, ενώ η δεύτερη κατά το στάδιο της καρπόδεσης µε χρονική διάρκεια από 25/4 έως 31/5. Κατά την παρασκευή του θρεπτικού διαλύµατος πραγµατοποιούνταν µέτρηση του pη και της ηλεκτρικής αγωγιµότητας µε τα ακόλουθα όργανα (Εικόνα Β 17 ) : Portable ph/mv/ o C Meter HANNA Instruments HI8424 Portable Multi-Range Conductivity/TDS Meters HANNA Instruments HI8733 Εικόνα Β 17. Το ph-µετρο (δεξιά) και το αγωγιµόµετρο (αριστερά) που χρησιµοποιήθηκαν στο πείραµα. 98

111 3. Υλικά και µέθοδοι Στον πίνακα Β 1 δίνεται η συνταγή παρασκευής του θρεπτικού διαλύµατος για τα στάδια βλαστικής ανάπτυξης και ανθοφορίας της καλλιέργειας, ενώ στον πίνακα Β 2 δίνεται αντίστοιχα η συνταγή για το στάδιο της καρπόδεσης. Πίνακας Β 1. Συνταγή παρασκευής του θρεπτικού διαλύµατος που χρησιµοποιήθηκε στο πείραµα κατά τα στάδια ανάπτυξης και ανθοφορίας των φυτών. ΥΓΡΑΣΙΑ Slab 70-75% WC(%) ph Slab EC(mS/cm) Slab ph άρδευσης EC(mS/cm) 2.5 άρδευσης Λίπασµα ΣΥΝΤΑΓΗ ΘΡΕΨΗΣ (ανάπτυξη- ανθοφορία) Περιεκτικότητα σε µικροστοιχεία και ιχνοστοιχεία Ποσότητα σε γραµµάρια Νιτρικό κάλιο ΚΝΟ % ΝΟ % Κ 430 Νιτρικό ασβέστιο Ca(NO 3 ) % ΝΟ 3 1% NH %Ca Νιτρική αµµωνία NH 4 NO % ΝΟ % 20 NH 4 Νιτρικό Mg(NO 3 ) 2 11% ΝΟ 3 9.9% Mg 160 µαγνήσιο Φωσφορικό KH 2 PO % P 28.% K 200 µονοκάλιο Θειικό κάλιο K 2 SO % K 18% SO 4 85 Θειικό µαγνήσιο MgSO 4 9.3% Mg - 13% SO Χηλικός σίδηρος Fe-EDTA 6% Fe 20 Νιτρικό οξύ 67% HNO 3 ΙΧΝΟΣΤΟΙΧΕΙΑ Τετραβορικό Na 2 B 4 O % B νάτριο (βόρακας) Θειικός χαλκός CuSO 4 25% Cu 0.2 Θειικό µαγγάνιο MnSO % Mn Θειικός ZnSO 4 22% Zn 0.6 ψευδάργυρος Μολυβδαινικό νάτριο 39.6% Mo

112 3. Υλικά και µέθοδοι Πίνακας Β 2. Συνταγή παρασκευής του θρεπτικού διαλύµατος που χρησιµοποιήθηκε στο πείραµα κατά το στάδιο της καρπόδεσης. ΥΓΡΑΣΙΑ Slab 65-70% WC(%) ph Slab EC(mS/cm) Slab ph άρδευσης EC(mS/cm) 2.8 άρδευσης Λίπασµα ΣΥΝΤΑΓΗ ΘΡΕΨΗΣ (καρπόδεση) Περιεκτικότητα σε µικροστοιχεία και ιχνοστοιχεία Ποσότητα σε γραµµάρια Νιτρικό κάλιο ΚΝΟ % ΝΟ % Κ 630 Νιτρικό ασβέστιο Ca(NO 3 ) % ΝΟ 3 1% NH %Ca Νιτρική αµµωνία NH 4 NO % ΝΟ % 10 NH 4 Νιτρικό Mg(NO 3 ) 2 11% ΝΟ 3 9.9% Mg 160 µαγνήσιο Φωσφορικό KH 2 PO % P 28.% K 200 µονοκάλιο Θειικό κάλιο K 2 SO % K 18% SO 4 45 Θειικό µαγνήσιο MgSO 4 9.3% Mg - 13% SO Χηλικός σίδηρος Fe-EDTA 6% Fe 20 Νιτρικό οξύ 67% HNO 3 ΙΧΝΟΣΤΟΙΧΕΙΑ Τετραβορικό Na 2 B 4 O % B νάτριο (βόρακας) Θειικός χαλκός CuSO 4 25% Cu 0.2 Θειικό µαγγάνιο MnSO % Mn Θειικός ZnSO 4 22% Zn 0.6 ψευδάργυρος Μολυβδαινικό νάτριο 39.6% Mo

113 3. Υλικά και µέθοδοι 3.5. Ανάλυση του χρησιµοποιούµενου νερού. Η ποιότητα του χρησιµοποιούµενου νερού για την παρασκευή του θρεπτικού διαλύµατος έχει ιδιαίτερη σηµασία για την ανάπτυξη των φυτών. Έτσι, κρίθηκε σκόπιµο να γίνει ανάλυση δείγµατος νερού από τη γεώτρηση του Αγροκτήµατος. Η ανάλυση του δείγµατος νερού πραγµατοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Εδαφολογίας Θεσσαλονίκης του ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε. και προσδιορίστηκαν τα εξής: 1. Η δυνατότητα δηµιουργίας αλατότητας-αλκαλίωσης. 2. Η συγκέντρωση σε νιτρώδη, νιτρικά και αµµωνιακά ιόντα. 3. Η συγκέντρωση σε βόριο 4. Το ph. 5. Η ηλεκτρική αγωγιµότητα Αποτελέσµατα της ανάλυσης του νερού Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα της ανάλυσης το συγκεκριµένο δείγµα νερού έχει ελαφρά αλκαλικό ph και κανονική ηλεκτρική αγωγιµότητα-αλατότητα (Πίνακας Β 3 ). Εποµένως, είναι κατάλληλο για άρδευση ή φυτωριακή χρήση. Πίνακας Β 3. Αποτελέσµατα ανάλυσης δείγµατος νερού Κατηγορία από άποψη κινδύνου αλατότητας υνατότητα δηµιουργίας αλατότητας Cl - +1/2So Κατηγορία από άποψη κινδύνου αλκαλίωσης Συγκέντρωση Ν-ΝΟ 2 (ppm) 0.00 Συγκέντρωση Ν-ΝΟ 3 (ppm) 12.5 Συγκέντρωση Ν-ΝΗ 4 (ppm) 0.00 Κατηγορία από άποψη κινδύνου περιεκτικότητας σε Β Συγκέντρωση Β (ppm) 0.06 ph 7.85 Ec x 10 6 (25 o C) 598 I I I 101

114 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος Η παρούσα έρευνα πραγµατοποιήθηκε σε δύο τµήµατα ενός θερµοκηπίου µε υδροπονική καλλιέργεια τοµάτας. Οι µετρήσεις εστιάστηκαν: στη διαφοροποίηση της θερµοκρασίας του εσωτερικού περιβάλλοντος στον υπολογισµό της εξοικονόµησης ενέργειας που παρατηρήθηκε κατά τη θέρµανση µε συµβατικό σύστηµα θέρµανσης στην καταγραφή των διαφοροποιήσεων, που µπορεί να προέκυψαν στην ανάπτυξη των φυτών µεταξύ των δύο τµηµάτων, µε την εφαρµογή ενός παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης, που αποτελείτο από πλαστικές σακούλες µε νερό και πλαστικούς σωλήνες PE, στο πειραµατικό τµήµα Παρουσίαση και ερµηνεία των διαφοροποιήσεων, όσον αφορά τη θερµοκρασία του εσωτερικού περιβάλλοντος των δύο τµηµάτων Στο πειραµατικό τµήµα, το παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης είναι συνδεδεµένο µε σύστηµα αναδιανοµής του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου (Εικόνα Β 9 ). Στο σχήµα Β 5 παρουσιάζονται οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας του αέρα στο πειραµατικό τµήµα του θερµοκηπίου, στο σηµείο εισόδου του αέρα στον εξαεριστήρα µονής αναρρόφησης, στο σηµείο εξόδου του αέρα από τις οπές των πλευρικών σωλήνων του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης και η θερµοκρασία του αέρα σε ύψος 1m. Επίσης, παρουσιάζονται οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στο νερό της πλαστικής σακούλας, κατά τη διάρκεια του διηµέρου από έως Κατά την ηµεροµηνία αυτή αρχίζει να εµφανίζεται το πρώτο άνθος στην καλλιέργεια τοµάτας, ταυτόχρονα στα δύο τµήµατα του θερµοκηπίου, όπως θα αναλυθεί παρακάτω. 102

115 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος Σχήµα Β 5. Οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στο εσωτερικό του πειραµατικού τµήµατος του θερµοκηπίου, στον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στο νερό της πλαστικής σακούλας, κατά τη διάρκεια του διηµέρου από έως Η θερµοκρασία του εξερχόµενου αέρα από το σύστηµα κατά τις νυχτερινές ώρες (ελάχιστη θερµοκρασία ο C), είναι κατά µέσο όρο υψηλότερη από εκείνη του αέρα στο 1m (ελάχιστη θερµοκρασία ο C). Αντίθετα, κατά τη διάρκεια της ηµέρας, το σύστηµα συντελεί στο δροσισµό του θερµοκηπίου, αφού αποδίδει αέρα χαµηλότερης θερµοκρασίας, µε µέγιστη θερµοκρασία ο C, έναντι της µέγιστης θερµοκρασίας του αέρα στο 1m (34.85 ο C). Αυτό οφείλεται στο γεγονός, ότι λόγω της παρουσίας παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης, ο αέρας που διέρχεται µέσα από αυτό, ανταλλάσει θερµότητα µε το νερό που περιέχεται στις σακούλες, µε αγωγή και µεταφορά, µε αποτέλεσµα να είναι θερµότερος κατά τη διάρκεια της νύχτας και ψυχρότερος κατά τη διάρκεια της ηµέρας (εύρος ο C). Άρα, το παθητικό ηλιακό σύστηµα θέρµανσης σε συνδυασµό µε το σύστηµα αναδιανοµής αέρα συντελεί στη δηµιουργία πιο οµοιόµορφων συνθηκών θερµοκρασίας του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου, του οποίου το αντίστοιχο εύρος θερµοκρασιών στο 1m, είναι ο C. 103

116 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος Στο σχήµα Β 6 παρουσιάζονται οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας του αέρα στα δύο τµήµατα του θερµοκηπίου, του αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και του νερού της πλαστικής σακούλας κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου της Σχήµα Β 6. Οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στον αέρα των δύο τµηµάτων του θερµοκηπίου, στον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στο νερό της πλαστικής σακούλας, κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου της Όπως φαίνεται η θερµοκρασία του εσωτερικού περιβάλλοντος του πειράµατος για το πρώτο οκτάωρο της ηµέρας ήταν περίπου 1 ο C υψηλότερη από αυτή του µάρτυρα. Για το ίδιο χρονικό διάστηµα παρατηρήθηκε ότι η θερµοκρασία του αέρα στο περιβάλλον του µάρτυρα ήταν για µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα χαµηλότερη από την κρίσιµη τιµή των 16 ο C µε αποτέλεσµα την καύση πετρελαίου για την κάλυψη θέρµανσης. Κατά τη διάρκεια της ηµέρας η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στο θερµοκήπιο. Το παθητικό ηλιακό σύστηµα απορροφά µέρος της. Το νερό που εµπεριέχεται στους πλαστικούς σωλήνες θερµαίνεται και έτσι αποθηκεύεται στο σύστηµα ενέργεια µε τη µορφή θερµότητας. Έτσι, η µέγιστη θερµοκρασία στο χώρο του πειραµατικού τµήµατος φτάνει τους ο C, ενώ στο χώρο του µάρτυρα ανέρχεται στους ο C. Στις η θερµοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος αρχίζει να πέφτει, οπότε παρατηρείται ότι η πτώση της θερµοκρασίας του αέρα στο µάρτυρα είναι πιο απότοµη. Αντίθετα, στο πειραµατικό τµήµα του θερµοκηπίου, λόγω της παρουσίας 104

117 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης, η πτώση της θερµοκρασίας του αέρα είναι πιο οµαλή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ενέργεια που είναι αποθηκευµένη, υπό µορφή θερµότητας, στο νερό που περιέχεται στις πλαστικές σακούλες, µεταδίδεται µε αγωγή, µεταφορά και ακτινοβολία στο εσωτερικό περιβάλλον του θερµοκηπίου, όταν η θερµοκρασία του αέρα εντός του θερµοκηπίου εµφανίσει χαµηλότερες τιµές από τη θερµοκρασία του νερού, µε αποτέλεσµα να διατηρεί υψηλότερη τη θερµοκρασία του αέρα. Στο σχήµα Β 7 παρουσιάζονται οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στα υποστρώµατα των δύο τµηµάτων του θερµοκηπίου, του αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και του νερού της πλαστικής σακούλας κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου της Σχήµα Β 7. Οι διακυµάνσεις της θερµοκρασίας στα υποστρώµατα των δύο τµηµάτων του θερµοκηπίου, στον αέρα του εξωτερικού περιβάλλοντος και στο νερό της πλαστικής σακούλας, κατά τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου της Από το σχήµα παρατηρούµε ότι, κατά τη διάρκεια της νύχτας, η ελάχιστη θερµοκρασία στα υποστρώµατα του πειραµατικού τµήµατος είναι ο C, ενώ στο µάρτυρα είναι ο C. Κατά τη διάρκεια της ηµέρας η µέγιστη θερµοκρασία στα υποστρώµατα του πειραµατικού µέρους είναι ο C, ενώ στο µάρτυρα είναι ο C. Το εύρος των θερµοκρασιών των υποστρωµάτων για το πειραµατικό µέρος 105

118 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος είναι 6.47 ο C, ενώ το αντίστοιχο εύρος θερµοκρασιών για τα υποστρώµατα του µάρτυρα είναι ο C. Η διαφορά που παρατηρείται, οφείλεται στην παρουσία του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης στο πειραµατικό τµήµα. Άρα, και στα υποστρώµατα του πειραµατικού µέρους παρατηρούνται οµαλότερες διακυµάνσεις της θερµοκρασίας Υπολογισµός της εξοικονόµησης ενέργειας µε τη χρήση του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης Όπως φαίνεται στον πίνακα Β 4 το σύνολο ωρών λειτουργίας του καυστήρα πετρελαίου, από 1 Μαρτίου µέχρι 31 Μαΐου, για το µάρτυρα ανήλθε σε ώρες. Στο πειραµατικό µέρος, στο οποίο εγκαταστάθηκε παθητικό ηλιακό σύστηµα, η θέρµανση µε συµβατικό καύσιµο ήταν συµπληρωµατική. Ο ωροµετρητής κατέγραψε ώρες συνολικής λειτουργίας του καυστήρα για την κάλυψη των αναγκών θέρµανσης. εδοµένου ότι η έρευνα διεξήχθη κατά την ανοιξιάτικη καλλιεργητική περίοδο, οι ανάγκες θέρµανσης προοδευτικά µειώνονταν. Πίνακας Β 4. Σύνολο ωρών λειτουργίας του καυστήρα πετρελαίου για το χρονικό διάστηµα 1 ης Μαρτίου έως 31 ης Μαΐου 2007 ΣΥΝΟΛΟ ΩΡΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΥΣΤΗΡΑ ΣΕ ΩΡΕΣ ΙΑΦΟΡΑ ΣΤΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΙΑΣΤΗΜΑ ΠΕΙΡΑΜΑ ΜΑΡΤΥΡΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΪΟΣ ΣΥΝΟΛΟ Όπως διαπιστώνεται στο πείραµα η λειτουργία του καυστήρα εµφανίζεται µειωµένη σηµαντικά για κάθε µήνα. Στο σύνολο των ηµερών διεξαγωγής της έρευνας η διαφορά στο χρονικό διάστηµα λειτουργίας ανήλθε σε ώρες. Στον πίνακα Β 5 φαίνεται η µηνιαία και η συνολική εξοικονόµηση ενέργειας µε τη χρήση του παθητικού ηλιακού συστήµατος. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα των µετρήσεων το ποσοστό εξοικονόµησης ήταν αρκετά σηµαντικό και ικανό για τη 106

119 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος µείωση του ενεργειακού κόστους του θερµοκηπίου. Θεωρητικοί υπολογισµοί δείχνουν ότι η χρήση παθητικών ηλιακών συστηµάτων µε πλαστικές σακούλες µε νερό σε θερµοκήπια µπορεί να εξοικονοµήσει έως και 8% της εισερχόµενης ενέργειας. Στο συγκεκριµένο πείραµα το συνολικό ποσοστό εξοικονόµησης ενέργειας ανήλθε στο 36%. Πίνακας Β 5. Μηνιαία και συνολική εξοικονόµηση ενέργειας, (%) ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (%) ΜΑΡΤΙΟΣ 29.7 ΑΠΡΙΛΙΟΣ 40.4 ΜΑΪΟΣ 86.9 ΣΥΝΟΛΙΚΑ Παρουσίαση και ερµηνεία των διαφοροποιήσεων που προέκυψαν µεταξύ των καλλιεργειών των δύο τµηµάτων Για να καταστεί δυνατό να αποδοθούν οι οποιεσδήποτε διαφοροποιήσεις στη χρήση του παθητικού ηλιακού συστήµατος, οι υπόλοιποι παράγοντες που επιδρούν στην ανάπτυξη των φυτών, δε διέφεραν στα δύο τµήµατα. Η χορήγηση του θρεπτικού διαλύµατος ήταν ταυτόχρονη και στα δύο τµήµατα και σε ίδιες ποσότητες και χρονικά διαστήµατα. Ακόµη, οι καλλιεργητικές φροντίδες ήταν οι ίδιες για όλα τα φυτά. Ο εξαερισµός πραγµατοποιούταν ταυτόχρονα, καθώς σε όλο το µήκος της µίας πλευράς του θερµοκηπίου υπήρχε ενιαίο άνοιγµα αερισµού, ενώ από την άλλη πλευρά τοποθετήθηκε ενιαίο παράθυρο οροφής. Για τον αποκλεισµό λαθών, από τις µετρήσεις εξαιρέθηκαν τα φυτά των εξωτερικών σειρών κάθε καλλιέργειας, δεδοµένου ότι οι παράγοντες του µικροπεριβάλλοντος είναι πιο σταθεροί και οµοιογενείς στην κεντρική περιοχή µιας καλλιέργειας, από ότι στην περίµετρο (Σχήµα Β 8 ). Οι µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν αφορούσαν τη βλαστική ανάπτυξη των φυτών κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των συστηµάτων θέρµανσης, την εµφάνιση του πρώτου άνθους και την εµφάνιση του πρώτου καρπού. 107

120 4. Παρουσίαση και ερµηνεία των αποτελεσµάτων του πειράµατος Στον Πίνακα Β 6 παρουσιάζεται η επίδραση του παθητικού ηλιακού συστήµατος θέρµανσης στη βλαστική ανάπτυξη της υδροπονικής καλλιέργειας τοµάτας. Η πλαστική σακούλα πολυαιθυλενίου, µε τη δοµή που είχε, συνετέλεσε στην αναδιανοµή του εσωτερικού αέρα του θερµοκηπίου, µε αποτέλεσµα να επιτευχθούν οµοιόµορφες συνθήκες περιβάλλοντος. Η σωστή θερµοκρασία, υγρασία και η εναλλαγή του εσωτερικού αέρα είναι βασικά κριτήρια για την ανάπτυξη των βλαστών και των φύλλων των φυτών. Σχήµα Β 8. Αρίθµηση των φυτών και των σειρών. Κάθε σειρά (Σ) περιλαµβάνει 21 φυτά. Με έντονο χρώµα σηµειώνονται τα φυτά που συµµετείχαν στις µετρήσεις. Από τις µετρήσεις στο πειραµατικό µέρος και στο µάρτυρα (Σχήµα Β 8 ) προέκυψε ότι τα φυτά τοµάτας στο πειραµατικό µέρος παρουσίασαν ταχύτερη βλαστική ανάπτυξη. 108