ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΜΑΘΗΜΑ: ΒΙΟΚΛΙΜΑΤΟΛΟΓΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΩΝ ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δρ. Ι. Λυκοσκούφης ΔΡΟΣΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Σύστημα με δυναμικό εξαερισμό και υγρό τοίχωμα Ο εξαερισμός του θερμοκηπίου, ακόμη και όταν εξασφαλίζεται με δυναμικά μέσα, αδυνατεί να μειώσει τη θερμοκρασία σε επίπεδο μικρότερο από την εξωτερική θερμοκρασία. Οι θερμοκρασίες αυτές το καλοκαίρι σε μερικές περιοχές είναι απαγορευτικές για πολλές θερμοκηπιακές καλλιέργειες. Η ψύξη του εμπορικού θερμοκηπίου με τους συνήθεις ψυκτικούς μηχανισμούς (freon κλπ.) που χρησιμοποιούνται στις αποθήκες ψυγεία αποκλείεται, επειδή λόγω των μεγάλων ποσοτήτων θερμότητας που θα πρέπει να απομακρυνθούν από το θερμοκήπιο και της πρόσθετης εγκατάστασης που θα πρέπει να τοποθετηθεί για την αποφυγή της αφυδάτωσης του αέρα (που συμβαίνει συνήθως με αυτά τα συστήματα), απαιτούνται πολύ μεγάλες εγκαταστάσεις και επομένως μεγάλο κόστος εγκατάστασης, λειτουργίας και συντήρησης. Ένας απλός τρόπος για τη μείωση της θερμοκρασίας είναι η εξάτμιση νερού στο χώρο του θερμοκηπίου και η μετατροπή έτσι ενός μεγάλου μέρους της αισθητής θερμότητας σε λανθάνουσα. Στο σύστημα με δυναμικό εξαερισμό και υγρό τοίχωμα χρησιμοποιούνται ανεμιστήρες μικρής ταχύτητας και μεγάλου όγκου, που ρουφούν τον αέρα του θερμοκηπίου και τον βγάζουν έξω. Η υποπίεση που δημιουργείται στο χώρο του θερμοκηπίου αναγκάζει τον εξωτερικό αέρα να περάσει μέσα από ένα πορώδες και υγρό τοίχωμα, που βρίσκεται συνήθως στην απέναντι πλευρά του θερμοκηπίου. Το τοίχωμα αυτό διακρίνεται για τη μεγάλη ειδική επιφάνεια που παρουσιάζει. Ο εξωτερικός αέρας περνώντας από τον υγρό τοίχο εμπλουτίζεται με υγρασία και ταυτόχρονα ψύχεται από την εξάτμιση του νερού που βρίσκεται στην πορώδη επιφάνεια. Ο ψυχρός αέρας, όπως διέρχεται κατά μήκος του θερμοκηπίου, αφαιρεί τη θερμότητα από την περιοχή των φυτών, μειώνοντας έτσι τη θερμοκρασία του χώρου σημαντικά, συγκριτικά με θερμοκήπιο που έχει μόνο εξαερισμό. Η θερμοκρασία του χώρου είναι βέβαια χαμηλότερη στις περιοχές που βρίσκονται κοντά στη βρεχόμενη πλευρά και αυξάνει βαθμιαία όσο πλησιάζουμε κοντά στους εξαεριστήρες. Αυτή η διαφορά σ'ένα αποτελεσματικό σύστημα κυμαίνεται μεταξύ 3-6oC και ποικίλει ανάλογα με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας έξω, τη σχετική υγρασία, την ταχύτητα του αέρα και το ποσοστό σκίασης του θερμοκηπίου. Το καλοκαίρι, σε πολύ θερμές περιοχές για μια αποτελεσματική και ομοιόμορφη ψύξη του χώρου του θερμοκηπίου, απαιτείται και κάποια μικρή σκίαση του θερμοκηπίου. Κατά τη λειτουργία του συστήματος, είναι αυτονόητο ότι δεν πρέπει να υπάρχει κανένα ανοικτό παράθυρο ή άνοιγμα στα τοιχώματα του θερμοκηπίου εκτός από αυτό του υγρού τοιχώματος, γιατί ο αέρας θα παρέκαμπτε το υγρό τοίχωμα που παρουσιάζει μεγαλύτερη αντίσταση και δεν θα εψύχετο.
Υπολογισμός μιας τυπικής εγκατάστασης ψύξεως του θερμοκηπίου με ανεμιστήρα και υγρό τοίχωμα. - Για καλή λειτουργία του συστήματος (ταχύτητα ροής) η απόσταση μεταξύ βρεχόμενης πλευράς και εξαεριστήρων, πρέπει να είναι μεταξύ 30 και 60 m. -Σε πολύ μεγάλου μήκους θερμοκήπια οι εξαεριστήρες θα πρέπει να τοποθετούνται στο μέσον του θερμοκηπίου και να δημιουργούνται δυο βρεγμένα τοιχώματα στις άκρες. - Οι ανεμιστήρες διαλέγονται έτσι ώστε να αποδίδουν την απαιτούμενη ποσότητα αέρα για στατική πίεση 24,5 Pa ή 2,45 mm νερού (ισοδυναμεί με άνεμο περίπου 24 km/h). - Όταν είναι δυνατόν, οι εξαεριστήρες τοποθετούνται στην αντίθετη από τον επικρατούντα άνεμο πλευρά. Εάν όχι, τότε η παροχή αέρα πρέπει να αυξάνει τουλάχιστον κατά 10% και η ιπποδύναμη των κινητήρων ανάλογα. - Το κάθε εμπόδιο έξω από το θερμοκήπιο, στην πλευρά των εξαεριστήρων θα πρέπει να είναι σε απόσταση 1,5 φορά τουλάχιστον τη διάμετρο των ανεμιστήρων. Όταν δεν είναι δυνατό να γίνει αυτό, τοποθετούνται στη στέγη. - Η απόσταση μεταξύ των εξαεριστήρων στην πλευρά δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 6,50 m. - Όταν χρησιμοποιούνται 2-3 εξαεριστήρες, θα πρέπει ο ένας τουλάχιστον να έχει δυο ταχύτητες, για μεγαλύτερες δυνατότητες ρύθμισης της παροχής αέρα. - Καθώς ο δροσερός αέρας διατρέχει το θερμοκήπιο, αφαιρεί τη θερμότητα που εισέρχεται από την ηλιακή ακτινοβολία κι έτσι αυξάνει η θερμοκρασία του προοδευτικά προς την έξοδο. Η αύξηση αυτή μπορεί να μειωθεί, είτε με αύξηση της παροχής, είτε με σκίαση. - Για μία ανεκτή ομοιομορφία περιβάλλοντος στο χώρο του θερμοκηπίου, η απαιτούμενη ροή του αέρα στο θερμοκήπιο σε σχέση με την προσπίπτουσα ακτινοβολία μπορεί να ληφθεί όπως στον πίνακα 1. - Κατά τη λειτουργία του συστήματος η στεγανότητα των θερμοκηπίων πρέπει να επιθεωρείται συχνά, ώστε να μην υπάρχει κανένα ανοικτό παράθυρο ή άνοιγμα στα τοιχώματα του θερμοκηπίου εκτός από αυτό του υγρού τοιχώματος. - Η πυκνότητα των οπών του υγρού τοιχώματος θα πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να επιτρέπει εξάτμιση 80% τουλάχιστον, με μια ταχύτητα 0,8 m/s και μια πτώση πίεσης που να μην υπερβαίνει το 10 Pa στατική πίεση. - H ταχύτητα του αέρα δεν πρέπει να υπερβαίνει το 1,5 m/s γιατί προκαλείται υπερβολική πτώση πίεσης που μειώνει την απόδοση των ανεμιστήρων. Έτσι, η συνολική επιφάνεια της βρεχόμενης πλευράς υπολογίζεται διαιρώντας τη συνολική παροχή (m 3 /s) με ταχύτητα 1,5 m/s. Αν ληφθεί ταχύτητα > 1,5 m/s, απαιτείται πρόσθετη φροντίδα για την καλή συντήρηση του υγρού τοιχώματος και τη γενικότερη λειτουργία του συστήματος, - Το πλάτος του υγρού τοιχώματος είναι όσο το πλάτος της πλευράς του θερμοκηπίου. - Το ύψος του υγρού τοιχώματος υπολογίζεται από τη συνολική επιφάνεια, δια του πλάτους. - Όταν γίνονται συγκροτήματα θερμοκηπίων, δεν θα πρέπει οι ανεμιστήρες του ενός να κατευθύνουν τον αέρα στους ανεμιστήρες του άλλου, ειδάλλως θα πρέπει να έχουν μεταξύ τους απόσταση πάνω από 10 m. - Η απόσταση μεταξύ του υγρού τοιχώματος από την έξοδο του αέρα κάποιου άλλου θερμοκηπίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 15 m. - Η παροχή του νερού στο υγρό τοίχωμα για τη λειτουργία του συστήματος εξαρτάται από το ρυθμό εξάτμισης, πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την εξάτμιση ώστε αυτό που στραγγίζει να απομακρύνει και ένα μέρος των αλάτων που συμπυκνώνονται. Σχεδιάζεται να είναι 2
τουλάχιστον 240 lit/h για κάθε 1 m πλάτους του υγρού τοιχώματος. Πολύ μεγάλες παροχές μειώνουν την αποτελεσματικότητα του συστήματος, διότι κάνουν κουρτίνα νερού και εμποδίζουν το πέρασμα του αέρα. Πολύ μικρές παροχές επιταχύνουν τη συγκέντρωση αλάτων στο υγραινόμενο τοίχωμα, με αποτέλεσμα το κλείσιμο των οπών και την υπερβολική αντίσταση στην είσοδο του αέρα. - Η κατανάλωση νερού ποικίλει από 0 έως περισσότερο από 240 lit/h για κάθε 10 m 2 υγρού τοιχώματος. - Η αντλία πρέπει να έχει ωφέλιμη απόδοση τουλάχιστον 700-1000 lit/h για κάθε 1 m μήκους βρεχόμενης πλευράς. - Η απόσταση των 40 m από το βρεγμένο τοίχωμα μέχρι τους ανεμιστήρες, αναμένεται να έχει μια αύξηση θερμοκρασίας στην περιοχή των ανεμιστήρων περίπου 3-4 o C. Πίνακας 1. Η σχέση μεταξύ προσπίπτουσας ηλιακής ενέργειας στο χώρο και απαιτούμενης ροής του αέρα ανά ώρα και m 2 εδάφους θερμοκηπίου. Ηλιακή ακτινοβολία θερμοκηπίου σε W/m 2 Ροή αέρα σε m 3 /h*m 2 εδάφους 810 254 720 225 630 189 540 169 3
Παράδειγμα: Σε ένα θερμοκήπιο πρόκειται να εγκατασταθεί σύστημα δροσισμού με τη μέθοδο του βρεχόμενου τοιχώματος. Να υπολογισθεί η συνολική επιφάνεια και το ύψος του τοιχώματος που είναι αναγκαία για τη σωστή ψύξη του θερμοκηπίου όταν ισχύουν οι παρακάτω προϋποθέσεις καθώς και η θερμοκρασία του αέρα αμέσως μετά το υγρό τοίχωμα. Διαστάσεις θερμοκηπίου 125 m x 40 m Προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στο εσωτερικό του θερμοκηπίου 720 W/m 2 Θερμοκρασία εξωτερικού αέρα T o =35 o C Σχετική υγρασία RH o =25% Απόδοση υγρού τοιχώματος n = 80% Επιθυμητή ταχύτητα αέρα 1,5 m/s Επειδή το σύστημα βασίζεται στη μείωση της θερμοκρασίας με εξάτμιση, η μέγιστη διαφορά θερμοκρασίας που μπορεί να επιτευχθεί, θεωρητικά, είναι ίση με τη διαφορά θερμοκρασίας του ξηρού και υγρού θερμομέτρου. Από το ψυχρομετρικό διάγραμμα βρίσκουμε το σημείο που αντιστοιχεί για συνθήκες Τ = 35 o C και σχετική υγρασία 25%. Επειδή με αυτόν τον τρόπο ψύξης η ενέργεια για την εξάτμιση αποσπάται από τον αέρα μετατρεπόμενη σε λανθάνουσα θερμότητα, η διαδικασία όπως φαίνεται στο διάγραμμα ακολουθεί τη γραμμή σταθερής ενέργειας και επομένως η θερμοκρασία του υγρού θερμομέτρου θα είναι 20 o C. Αν λάβει κανείς 80% απόδοση του υγρού τοιχώματος, η θερμοκρασία του αέρα αμέσως μετά το βρεγμένο τοίχωμα στην πράξη θα είναι {35-(35-20)*0.8}= 23 o C. Από τον πίνακα 1 βρίσκουμε ότι η ροή του αέρα στο παράδειγμα πρέπει να είναι: 225 m 3 /m 2 h, και η έκταση του εδάφους του θερμοκηπίου A g = 125m*40m = 5000m 2 οπότε η συνολική απαιτούμενη παροχή του αέρα Q air είναι: Q air = 225 m 3 /m 2 h * 5000 m 2 = 1 125 000 m 3 /h ή 1 125 000 m 3 /h / 3600 s/h = 312,3 m 3 /s. Αυτή η παροχή αέρα θα περάσει μέσα από το υγρό τοίχωμα με ταχύτητα 1,5m/s. Γνωρίζουμε ότι η σχέση που συνδέει την παροχή (Q air ) με την διατομή (S) και την ταχύτητα (u) είναι: Q air = S*u, λύνουμε τη σχέση ως προς S, δηλαδή: S = Q air / u 312,5 m 3 /s / 1,5 m/s = 208,3 m 2 Για ομοιομορφία στο χώρο του θερμοκηπίου, το βρεγμένο τοίχωμα καταλαμβάνει όλο το μήκος της πλευράς του θερμοκηπίου 125 m. (Το βρεχόμενο τοίχωμα δεν είναι δυνατόν να τοποθετηθεί από την πλευρά των 40 m γιατί απόσταση μεγαλύτερη των 60m από το βρεγμένο τοίχωμα μέχρι τους ανεμιστήρες δεν επιτρέπει αποδοτική λειτουργία του συστήματος). Το ύψος της βρεχόμενης πλευράς θα πρέπει να είναι: 208,3 m 2 /125 m = 1,67 m + 0,13 m = 1,8 m. Όπου 0,13m είναι το μέρος που καλύπτεται από τα στοιχεία στερέωσης. Στην πράξη επομένως απαιτείται συνολική επιφάνεια βρεχόμενου τοιχώματος 125 * 1,8 = 225 m 2. 4
5