Ανάπτυξη συστήματος μείωσης της σχετικής υγρασίας στο θερμοκήπιο με τη χρήση αντλίας θερμότητας και υγροσκοπικών υλικών

Abstract

Greenhouse dehumidification is an essential part of the environmental control of the greenhouse. High relative humidity in the greenhouse causes the development of plant diseases, which cause significant qualitative and quantitative degradation on the production of greenhouse crops. The risk of plant infection against fungal diseases increases when there is available moisture on the surfaces of the plants. The relative humidity inside the greenhouse displays intense variability due to the uneven distribution of temperature, with increased likelihood of condensation on the plants. For this reason, humidity control is necessary. Humidity control, when it occurs with ventilation and simultaneously heating, increases the energy consumption. In greenhouses without heating system is not possible to control high humidity with ventilation and heating. To increase energy saving in heated greenhouses and to control the humidity in greenhouses without heating systems for reducing the relative humidity in the greenhouse are studied in this thesis. Initially, evapotranspiration of the greenhouse cultivation was calculated through a vapor balance model, based on losses of vapor of greenhouse through leaks in the external environment, condensation on the cover and removal by the dehumidification system. Thus, the requirements for greenhouse dehumidifying were determined using the above vapor balance to maintain the relative humidity up to the upper desirable setpoint. Three systems were manufactured and tested for the greenhouse dehumidification: a system of hygroscopic absorption, an air to air heat pump system and a hybrid system by the combination of heat pump and hygroscopic absorption. From the study of hygroscopic absorption system, was found, that the capacity to remove water vapor from greenhouse air is determined by the air temperature, air specific humidity and air flow rate through the system, as well as by the concentration and the temperature of the hygroscopic solution. If low cost regeneration of the hygroscopic solution is achievable then the operating cost is less that the cost of operating the heat pump system.

Η αφύγρανση του θερμοκηπίου αποτελεί ένα ουσιαστικό μέρος του ελέγχου του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου. Η υψηλή σχετική υγρασία στο θερμοκήπιο είναι μια αιτία ανάπτυξης των ασθενειών των φυτών η οποία προκαλεί σημαντική ποιοτική και ποσοτική υποβάθμιση της παραγωγής των θερμοκηπικών καλλιεργειών. Ο κίνδυνοςτης προσβολής των φυτών από μυκητολογικές ασθένει αυξάνεται όταν υπάρχει διαθέσιμη υγρασία στις επιφάνειες των φυτών. Η σχετική υγρασία μέσα στο θερμοκήπιο εμφανίζει έντονη παραλλακτικότητα εξαιτίας της ανομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας, με αυξημένη πιθανότητα εμφάνισης επιφανειακής συμπύκνωσης πάνω στα φυτά. Για το λόγο αυτό ο έλεγχος της υγρασίας είναι απαραίτητος. Ο έλεγχος της υγρασίας, όταν πραγματοποιείται με εξαερισμό και ταυτόχρονη θέρμανση, αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας του θερμοκηπίου. Στα θερμοκήπια που δεν έχουν εγκατεστημένο κάποιο σύστημα θέρμανσης δεν είναι δυνατός ο έλεγχος της υψηλής υγρασίας με εξαερισμό και θέρμανση. Με στόχο τη μείωση, την εξοικονόμηση ενέργειας στα θερμαινόμενα θερμοκήπια αλλά και τη δυνατότητα ελέγχου της υγρασίας στα θερμοκήπια χωρίς συστήματα θέρμανσης, στη παρούσα διατριβή, μελετώνται συστήματα μείωσης της σχετικής υγρασίας στο θερμοκήπιο Πριν τη μελέτη των συστημάτων υπολογίστηκε η εξατμισοδιαπνοή θερμοκηπιακής καλλιέργειας, μέσω ενός μοντέλου ισορροπίας υδρατμών βασισμένο στις απώλειες υδρατμών του θερμοκηπίου, μέσω διαφυγών στο εξωτερικό περιβάλλον, συμπύκνωσης στην εσωτερική πλευρά του καλύμματος και απωλειών από το σύστημα αφύγρανσης. Έτσι, οι απαιτήσεις αφύγρανσης του θερμοκηπίου προσδιορίστηκαν μέσω του παραπάνω ισοζυγίου υδρατμών για διατήρηση της σχετικής υγρασίας μέχρις ανώτατου ορίου. Κατασκευάστηκαν και μελετήθηκαν τρία συστήματα για την αφύγρανση του θερμοκηπίου: σύστημα υγρσκοπικής απορρόφησης, σύστημα αντλίας θερμότητας αέρα-αέρα κι υβριδικό σύστημα με συνδυασμό αντλίας θερμότητας και υγροσκοπικής απορρόφησης. Από τη δοκιμή του συστήματος της υγροσκοπικής απορρόφησης, βρέθηκε ότι η ικανότητα του στην απομάκρυνση υδρατμών από τον αέρα του θερμοκηπίου καθορίζεται από τη θερμοκρασία και την ειδική υγρασία του αέρα, από το ρυθμό ροής του αέρα μέσα από το σύστημα, από την συγκέντρωση και τη θερμοκρασία του υγροσκοπικού διαλύματος. Αν μπορεί να εξασφαλιστεί χαμηλού κόστους αναγέννηση του υγροσκοπικού διαλύματος τότε το κόστος λειτουργίας είναι μικρότερο συγκριτικά με το κόστος λειτουργίας του συστήματος της αντλίας θερμότητας. Η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης υδρατμών από την αντλία θερμότητας αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του θερμοκηπίου για σταθερό επίπεδο σχετικής υγρασίας. Ο έλεγχος της σχετικής υγρασίας με τη χρήση αντλίας θερμότητας αέρα-αέρα αυξάνει την θερμοκρασία ενός μη θερμαινόμενου θερμοκηπίου μέχρι και κατά 2°C. Η λειτουργία των υβριδικών συστημάτων αυξάνει την αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης υδρατμών από τον αέρα, όμως η τεχνολογική τους ανάπτυξη καθορίζεται από την πορεία ανάπτυξης των υγροσκοπικών συστημάτων μιας και τα συστήματα συμπίεσης ατμού έχουν ήδη τυποποιηθεί και παρουσιάζουν παγκόσμια εμπορική εξάπλωση. Για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος αφύγρανσης του θερμοκηπίου με χρήση υγροσκοπικών υλικών απαιτείται ο σχεδιασμός και η διαστασιολόγηση ενός ηλιακού συλλέκτη, ο οποίος θα παράγει την απαιτούμενη ενέργεια για την αναγέννηση του υγροσκοπικού υλικού. Από την αξιολόγηση της επίδρασης του ελέγχου της σχετικής υγρασίας στην ανάπτυξη, την παραγωγή και ευαισθησία προσβολής από το βοτρύτη βγήκε το συμπέρασμα ότι, ο έλεγχος της υγρασίας στο θερμοκήπιο αυξάνει σημαντικά την παραγωγικότητα των καλλιεργειών και περιορίζει την ανάπτυξη μυκητολογικών ασθενειών όπως ο βοτρύτης. Συμπερασματικά, λαμβάνοντας υπόψη την παρούσα κατάσταση της τεχνολογικής προόδου, στη παρούσα χρονική στιγμή, η αφύγρανση του αέρα του θερμοκηπίου με τη χρήση αντλίας θερμότητας μπορεί να θεωρηθεί ως η πιο ενδεδειγμένη λύση για την αφύγρανση τόσο των μη θερμαινόμενων θερμοκηπίων όσο και για την αφύγρανση των θερμαινόμενων θερμοκηπίων. Η αύξηση του εισοδήματος, λόγω της βελτίωσης της απόδοσης των καλλιεργούμενων φυτών, με τον έλεγχο της υγρασίας, διευκολύνει την απόσβεση εγκατάστασης μιας αφυγραντικής αντλίας θερμότητας.