Ενεργειακή βελτιστοποίηση θερμοκηπίου με χρήση συστήματος θέρμανσης με υπέρυθρη ακτινοβολία: Θεώρηση της μικρού μήκους κύματος ακτινοβολίας (NIR)

Abstract

After the first energy crisis in the seventies during which limited energy supplies led to an important increase in energy prices, greenhouse energy consumption has again become a major research issue. The energy cost reduction need is significant, since energy forms a substantial fraction of the total production costs. In Mediterranean countries it has been estimated that energy consumption for environment conditions control and more specifically for heating, consists 20% - 30% of total production cost, a percentage that is higher in northern countries. Moreover, due to the recent pronounced interest in the global greenhouse effect and climatic change, the use of fossil fuels is once again in the political agenda. Therefore the greenhouse industry is confronted with economical, political and social pressure to reduce energy usage and improve the greenhouse energy efficiency via technological innovations. Energy consumption for greenhouse heating represents a serious concern because greenhouse heat losses due to thin covers and construction specifics are 6-12 times higher than those of a common building of equal volume. Traditionally, thermal energy is transmitted to the greenhouse mainly through conventional heating systems (either by hot water circulation through a piping system or by air heaters) and, in a limited scale, through renewable energy sources (solar, geothermal, biomass). In order for the plants to reach required temperature through these methods, the greenhouse interior has to be heated to the same or even to a slightly higher temperature than the value targeted for the plants (entire climate). This practice results in extremely increased heat losses compared to the energy absorbed by plants, because of the increased energy losses due to construction specifications. The present thesis formulates a complete proposal for the creation of a “cold greenhouse” where plants will directly receive the needed energy in order to reach and preserve the desirable growth temperature without having to increase the internal greenhouse air temperature. The near infrared radiation (NIR) is used for this purpose. In the radiation system, heating is transmitted straight from the source to the receiver, in this particular case plants and soil. The result is an isothermal climate formation in the plant canopy (local climate). Specifically this study investigates the greenhouse thermal performance taking into account all the essential thermal phenomena that take place during heating (conventional and IR heating) and cultivation. For this reason, emphasis is given to the development of a mathematical model that simulates the main heating transfer procedures inside the greenhouse, takes into account a sum of operational conditions and determines all factors influencing the greenhouse thermal performance with relevant accuracy. The simulation model allows a credible description of greenhouse environment as well as a clear estimation of its energy needs with both heating systems. Thus the resulting energy saving by IR heating usage is determined. Quality control of the simulation model and its forward improvement is done by comparing the theoretical results with experimental data. Collecting and processing these data forms the research kernel. The experimental data correspond to experiments that took place in two experimental greenhouse connected with automatic meteorological station where conventional and IR heating have been used respectively. This method makes possible the identification of IR heating potential and quantification of energy saving. Concluding, the systematic theoretical and experimental study of a “cold” greenhouse using near IR heating, and of a “warm” greenhouse using conventional heating, proves the main advantage of IR heating that is that, the heat is directly transferred from the radiation system to the plants and the soil without interference of the internal greenhouse air. This leads to uniform heating of the plant canopy and at the same time to a significant energy saving of 40-50%.

Μετά την πρώτη ενεργειακή κρίση την δεκαετία του ’70 κατά την οποία τα περιορισμένα αποθέματα ενέργειας προκάλεσαν την πρώτη σημαντική αύξηση στην τιμή της ενέργειας, η χρήση ενέργειας στα θερμοκήπια έχει γίνει κύριο ερευνητικό ζήτημα. Η ανάγκη για μείωση του ενεργειακού κόστους είναι σημαντική, γιατί η ενέργεια αποτελεί σημαντικό κλάσμα του συνολικού κόστους παραγωγής. Στις Μεσογειακές χώρες έχει υπολογιστεί ότι η χρήση ενέργειας για έλεγχο των συνθηκών περιβάλλοντος και ειδικότερα για τη θέρμανση, είναι 20% - 30% του συνολικού κόστους παραγωγής, ποσοστό το οποίο στις βορειότερες χώρες αυξάνεται. Ταυτόχρονα, με το έντονο ενδιαφέρον για το παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου και τις κλιματικές αλλαγές, η χρήση των συμβατικών καυσίμων είναι και πάλι στην πολιτική ατζέντα. Έτσι και η βιομηχανία θερμοκηπίων είναι αντιμέτωπη με οικονομική, πολιτική και κοινωνική πίεση για μείωση της χρήσης ενέργειας και βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των θερμοκηπίων μέσω τεχνολογικών καινοτομιών. Η κατανάλωση ενέργειας για τη θέρμανση του θερμοκηπίου αποτελεί ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα διότι οι απώλειες του θερμοκηπίου σε θερμότητα λόγω των λεπτών τοιχωμάτων του και της κατασκευής του, είναι πολύ μεγάλες, 6-12 φορές μεγαλύτερες από εκείνες ενός συνήθους κτίσματος ίσου όγκου. Η θερμότητα παρέχεται στο θερμοκήπιο κυρίως μέσω συμβατικών συστημάτων θέρμανσης (συστήματα σωληνώσεων θερμού νερού, συστήματα θερμού αέρα) και σε περιορισμένη έκταση με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ηλιακή, γεωθερμία, βιομάζα). Για να επιτευχθεί με αυτές τις μεθόδους η απαραίτητη θερμοκρασία στο επίπεδο των φυτών, το εσωτερικό του θερμοκηπίου πρέπει να θερμανθεί στην ίδια ή υψηλότερη θερμοκρασία από την επιθυμητή θερμοκρασία των φυτών με αποτέλεσμα την δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος σε ολόκληρο το θερμοκήπιο (όλον κλίμα). Το αποτέλεσμα αυτής της πρακτικής σε όλες τις μελέτες που διεξάγονται είναι ότι, τα θερμοκήπια καταναλώνουν απαράδεκτα υψηλά ποσά ενέργειας σε σχέση με την ενέργεια που απορροφάται από τα φυτά, για να καλύπτουν τις αυξημένες ενεργειακές απώλειες που λόγω κατασκευής παρουσιάζουν. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται μια ολοκληρωμένη πρόταση για την δημιουργία ενός “ψυχρού θερμοκηπίου” στο οποίο τα φυτά θα λαμβάνουν απευθείας την ενέργεια που χρειάζονται προκειμένου να φτάσουν και να διατηρήσουν την επιθυμητή για την ανάπτυξή τους θερμοκρασία χωρίς να υπάρχει ανάγκη για αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα του θερμοκηπίου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται σύστημα θέρμανσης με μικρού μήκους υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR). Σε αυτά τα συστήματα η θερμότητα μεταδίδεται απευθείας από την πηγή στον δέκτη, στην προκειμένη περίπτωση στα φυτά και το έδαφος και το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος μόνο στην περιοχή του φυτικού θόλου (τοπικό κλίμα). Ειδικότερα η παρούσα εργασία αντιμετωπίζει τη θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου λαμβάνοντας υπόψη όλα τα ουσιαστικά θερμικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά την διάρκεια θέρμανσης (με συμβατικό και με σύστημα θέρμανσης με ακτινοβολία) και παρουσία καλλιέργειας. Γι αυτό τον λόγο δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που προσομοιάζει επαρκώς τις κύριες διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας μέσα στο θερμοκήπιο, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύνολο λειτουργικών συνθηκών, και στο οποίο καθορίζονται με σχετική ακρίβεια οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου. Το μοντέλο προσομοίωσης δίνει την δυνατότητα αξιόπιστης περιγραφής του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου, και σαφούς εκτίμησης των ενεργειακών αναγκών του και με τις δύο τεχνικές θέρμανσης. Έτσι προσδιορίζεται το εξοικονομούμενο ενεργειακό όφελος που προκύπτει με τη χρήση συστήματος θέρμανσης με ακτινοβολία. Ο έλεγχος της ποιότητας του μοντέλου προσομοίωσης και η περαιτέρω βελτίωσή του γίνεται με σύγκριση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα, η συλλογή και επεξεργασία των οποίων αποτελεί τον πυρήνα της έρευνας. Τα πειραματικά δεδομένα προέρχονται από πειράματα που διεξήχθησαν σε δύο πειραματικά θερμοκήπια συζευγμένα με αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό, στα οποία εφαρμόζεται συμβατικό σύστημα θέρμανσης και θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία αντίστοιχα. Αυτό δίνει την δυνατότητα πιστοποίησης των δυνατοτήτων της θέρμανσης με ακτινοβολία και ποσοτικοποίησης του ενεργειακού οφέλους που επιτυγχάνεται. Συμπερασματικά, η συστηματική θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός “ψυχρού” θερμοκηπίου με χρήση μικρού μήκους υπέρυθρης ακτινοβολίας (NIR) και ενός “θερμού θερμοκηπίου” με χρήση συμβατικού συστήματος θέρμανσης αναδεικνύουν το κύριο πλεονέκτημα της υπέρυθρης ακτινοβολίας, δηλαδή η θερμότητα να μεταδίδεται απευθείας από το σύστημα ακτινοβολίας στα φυτά και το έδαφος χωρίς να παρεμβάλλεται ο αέρας του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερμοκηπίου. Αυτό οδηγεί σε ομοιομορφία θέρμανσης του φυτικού θόλου και ταυτόχρονα σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 40-50%.