Πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας και στήριξης υδροπονικής καλλιέργειας σε θερμοκήπιο

Abstract

The prospect of early crop production along with qualitative characteristics is the challenge of modern greenhouses. Greenhouse energy requirements demand intensive energy consumption which is a serious problem for greenhouse producers around the world. The existing high prices of conventional fuels compose a pressing need to implement new, energy saving technologies in greenhouses, so that the producer can ensure an adequate profit. These technologies should combine maximum plant growth and productivity along with reduced production cost. Moreover, these technologies must be environmentally friendly. For this reason, research is moving towards designing systems that utilize renewable energy sources. The exploitation of renewable energy sources and the implementation of energy saving systems can lead to a decrease on greenhouse crop production cost. The utilization of solar energy is a factor that can contribute in this objective, provided that appropriate systems are used, which are able to exploit the maximum available amount of solar radiation.In this Thesis, the thermal behavior of a hybrid solar energy saving system (HSESS) was studied within a heated greenhouse. The HSESS is composed of polyethylene sleeves filled with water and perforated, peripheral, polyethylene tubes filled with air. The innovation of the HSESS is that it was used as a support base for hydroponic cultivation of tomatoes in rockwool substrates. The perforated, peripheral tubes were placed on either side of the sleeves in order to form a gutter and also for the mixing of greenhouse air which is achieved by an appropriate redistribution system. The aim of the present research was to study the effects arising from the use of the complex hybrid solar energy saving system during winter period, on the internal environment of the greenhouse, the energy consumption from the conventional heating system, and the growth of the hydroponic crop. Another aim of this work was the development and validation of a mathematical model, capable of simulating the water temperature of the hybrid solar sleeves, in order to calculate the thermal energy that this system can release. The mathematical model is able to predict the energy efficiency of the HSESS by solving the energy balance of the complex polyethylene sleeve.The conclusions derived from research conducted in this Thesis are:1.The application of a hybrid solar energy saving system (HSESS) in a heated greenhouse during the winter, leads to energy saving by 20%, even though the polyethylene sleeves are partially covered by the hydroponic crop substrates.2.The HSESS, along with the air redistribution system contribute to better air mixing inside the greenhouse. Thus, uniform internal temperature conditions are created, which are closer to the optimum temperature range for crop growth.3.The mathematical model that was developed during this research can adequately predict the water temperature of the solar sleeves. Moreover, it provides detailed predictions concerning the thermal behaviour and energy that can be released from the HSESS.4.The average rate of growth and yield of the tomato crop in the experimental part of the greenhouse did not present significant differences in comparison with a control part, which was heated exclusively by a conventional heating system. The tomato plants that were cultivated on the HSESS gutter produced less fruits but with greater weight.

Η δυνατότητα παραγωγής πρώιμων προϊόντων που συγχρόνως θα διακρίνονται για τα ποιοτικά χαρακτηριστικά τους, είναι το ζητούμενο των σύγχρονων θερμοκηπιακών εκμεταλλεύσεων. Η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου απαιτεί εντατική κατανάλωση ενέργειας που αποτελεί σοβαρό πρόβλημα για τους παραγωγούς θερμοκηπιακών προϊόντων σε όλο τον κόσμο. Οι ισχύουσες υψηλές τιμές των συμβατικών καυσίμων καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για εφαρμογή νέων τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας κατά τη λειτουργία των θερμοκηπίων. Οι τεχνολογίες αυτές θα πρέπει να συνδυάζουν τη μεγιστοποίηση της ανάπτυξης και της παραγωγικότητας των φυτών και τη μείωση του κόστους παραγωγής, αλλά θα πρέπει να είναι και φιλικές προς το περιβάλλον. Για αυτό το λόγο, οι έρευνες στρέφονται προς τη σχεδίαση συστημάτων τα οποία αξιοποιούν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Με τη χρήση και την ορθή διαχείριση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και την εφαρμογή συστημάτων εξοικονόμησης ενέργειας είναι δυνατό να επιτευχθεί μείωση του κόστους παραγωγής των θερμοκηπιακών καλλιεργειών. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας είναι ένας παράγοντας ο οποίος μπορεί να συνεισφέρει προς αυτή την κατεύθυνση, αρκεί να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα συστήματα τα οποία θα αξιοποιούν κατά το μέγιστο τα διαθέσιμα ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η θερμική συμπεριφορά ενός υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας το οποίο εγκαταστάθηκε σε ένα θερμαινόμενο θερμοκήπιο. Το υβριδικό ηλιακό σύστημα αποτελείται από σακούλες πολυαιθυλενίου πληρωμένες με νερό και διάτρητους πλευρικούς σωλήνες πολυαιθυλενίου μέσα από τους οποίους διέρχεται ρεύμα αέρα. Καινοτομία του υβριδικού ηλιακού συστήματος αποτέλεσε το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκε ως βάση στήριξης για την υδροπονική καλλιέργεια τομάτας σε υποστρώματα πετροβάμβακα. Οι διάτρητοι, πλευρικοί σωλήνες τοποθετήθηκαν εκατέρωθεν της σακούλας με σκοπό τη δημιουργία τεχνητής υδρορροής, αλλά και για την ανάμιξη του εσωτερικού αέρα του θερμοκηπίου με κατάλληλο σύστημα αναδιανομής. Στόχος της παρούσας έρευνας ήταν η μελέτη των επιδράσεων που προκύπτουν από τη χρήση του σύνθετου υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, στο εσωτερικό περιβάλλον του θερμοκηπίου, στην κατανάλωση ενέργειας του συμβατικού συστήματος θέρμανσης καθώς και στην ανάπτυξη της υδροπονικής καλλιέργειας. Περαιτέρω στόχος της εργασίας, ήταν η ανάπτυξη και επιβεβαίωση ενός μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης της θερμοκρασίας του νερού που περιέχουν οι σακούλες πολυαιθυλενίου του υβριδικού ηλιακού συστήματος, για τον υπολογισμό της θερμικής ενέργειας που μπορεί να αποδώσει το συγκεκριμένο σύστημα. Το μαθηματικό μοντέλο μπορεί να προβλέπει την αποδοτικότητα της χρήσης του υβριδικού ηλιακού συστήματος, με τη χρήση του ενεργειακού ισοζυγίου της σύνθετης σακούλας πολυαιθυλενίου.Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρούσα διδακτορική διατριβή είναι τα εξής:1.Η εφαρμογή του υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας σε ένα θερμαινόμενο θερμοκήπιο, κατά τη χειμερινή περίοδο, οδηγεί σε εξοικονόμησης ενέργειας, σε ποσοστό 20%, παρόλο που οι σακούλες πολυαιθυλενίου καλύπτονται εν μέρει από τα υποστρώματα της υδροπονικής καλλιέργειας.2.Το υβριδικό ηλιακό σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας σε συνδυασμό με το σύστημα αναδιανομής του αέρα συντελεί στην ανάμιξη του αέρα του θερμοκηπίου. Έτσι, δημιουργούνται ομοιόμορφες συνθήκες θερμοκρασίας οι οποίες βρίσκονται πιο κοντά στο άριστο εύρος θερμοκρασιών για την ανάπτυξη της καλλιέργειας.3.Το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας έρευνας, δύναται να παράγει πολύ καλές προβλέψεις ως προς τη θερμοκρασία του νερού της σακούλας του υβριδικού ηλιακού συστήματος. Επίσης, μπορεί να παράγει λεπτομερείς προβλέψεις σχετικά με τη θερμική συμπεριφορά και τη θερμική ενέργεια που μπορεί να απελευθερώσει το υβριδικό ηλιακό σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας.4.Ο μέσος ρυθμός ανάπτυξης και απόδοσης της καλλιέργειας στο πειραματικό τμήμα δεν παρουσίασε σημαντικές διαφορές σε σύγκριση με ένα συμβατικά θερμαινόμενο τμήμα του θερμοκηπίου. Τα φυτά τομάτας που καλλιεργήθηκαν πάνω στο υβριδικό ηλιακό σύστημα παρήγαγαν μεν λιγότερους καρπούς αλλά με μεγαλύτερο βάρος.