Μελέτη καινοτόμου συστήματος κάλυψης θερμοκηπίου για τη δημιουργία βέλτιστων συνθηκών εσωτερικής θερμοκρασίας

Abstract

The Greenhouse sector use is a rapidly growing worldwide. The reduction of agricultural land combined with the ever-increasing need for food makes the efficient operation of greenhouses a key factor for the future. Energy consumption in greenhouses is an important issue, which affects their sustainability sufficiently. The reduction of energy needs is inextricably linked to the reduction of production costs, as well as, to the impact of greenhouse cultivation on the environment.In the present work, an innovative real scale greenhouse construction is experimentally studied, in order to examine whether energy savings and crop frost protection are achieved. The system under study combines the advantages of a greenhouse with a double inflated plastic cover and the one with a thermal curtain system, which both leads to sufficient savings in heat needs. The experiment was conducted at the premises of the AUTh Farm in two identical greenhouses. In the first greenhouse structure the innovative cover was applied, while the second one was used as a control point structure and was covered by a simple polyethylene cover. The necessary temperature conditions were measured through a monitoring and data storage system in order to draw conclusions about both the energy and the environmental behavior of the greenhouse. The assumed crop was selected to have a relatively low optimum growth temperature as the system is efficient at low temperatures. Heating operation though can act as a drawback to the system’s operation and efficiency.The experimental results showed that the application of the examined system limits the use of artificial heating systems in relation to a typical greenhouse by 35-50% depending on the prevailing conditions. It also prevents the growth of ice even in difficult weather conditions compared to a typical greenhouse. Specifically in the greenhouse under the innovative cover, no temperature drop below 0οC was observed on any day of the experimental period although the external conditions were quite rough. The control greenhouse recorded sub-zero temperatures in 23% of the total operating period and in 66% of the hours when the ambient temperature was below 0oC. It was also found, that a reduction of CO2 emissions by 49% occurred over the entire period of operation. It should be noted that the use of additional equipment for the operation of the system implies additional consumption of electricity. This reduces the energy saving rate in the overall operation of the greenhouse to 7%, while for periods of very low temperatures to 25%. Similarly for CO2 emissions, based on theoretical comparisons with heating systems used, it appears that the best solution is that of LPG or electric air heaters in case the system is supported by an electricity grid where the electricity generation mixture does not contain fossil fuels.The innovative greenhouse construction, under consideration, can be a very effective solution for all greenhouse growers that are seeking for ways to reduce heating costs and prevent the growth of ice when extremely low temperatures prevail. Energy savings lead to a reduction of CO2 emissions. It should be noticed that the system could be further improved if its needs were met by a RES system or its’ operation was carried out in a controlled manner based on external ambient temperatures. This cover is mainly suitable for crops with low growth temperatures or for seedlings in nurseries. Finally, it is mentioned that the proposed combined covering could be applied in areas with different climaticconditions. The reason is that the problem of sharp and sufficient temperature drops is currently encountered in more and more areas even if they are located in typical mild climate regions due to climate change.Part of the results of this Thesis, were published in the ISI journal Sustainable Energy Technologies and Assessments with an impact factor of 3,417. The full title of the work is "Energy and environmental analysis of an innovative greenhouse structure towards frost prevention and heating needs conservation" / Firfiris, VK, Fragos, VP, Kotsopoulos, TA, Nikita-Martzopoulou, C. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2020, 40, 100750)

Η χρήση θερμοκηπίων αποτελεί ένα ραγδαία αναπτυσσόμενο κλάδο της γεωργίας παγκοσμίως. Η μείωση της αγροτικής γης σε συνδυασμό με τη διαρκή αύξηση των αναγκών σε τρόφιμα καθιστά την αποδοτική λειτουργία των θερμοκηπίων κομβικό παράγοντα για το μέλλον. Η ενεργειακή κατανάλωση στα θερμοκήπια αποτελεί σημαντικό ζήτημα, που επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό και τη βιωσιμότητα τους. Η μείωση των ενεργειακών αναγκών είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τη μείωση του κόστους παραγωγής καθώς και με τον αντίκτυπο της θερμοκηπιακής καλλιέργειας στο περιβάλλον.Στην παρούσα εργασία μελετάται σε πραγματική κλίμακα, μέσω πειράματος μία καινοτόμος κατασκευή θερμοκηπίου με σκοπό να εξεταστεί κατά πόσο επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας και προστασία της καλλιέργειας από τον πάγο. Το σύστημα που μελετάται συνδυάζει τα πλεονεκτήματα ενός θερμοκηπίου με διπλό φουσκωτό πλαστικό κάλυμμα και αυτού με σύστημα θερμοκουρτίνας, γεγονός που οδηγεί σε επαρκή εξοικονόμηση θερμικών αναγκών. Το πείραμα διεξήχθη στις εγκαταστάσεις του Αγροκτήματος του ΑΠΘ σε δύο πανομοιότυπα θερμοκήπια. Στο ένα εφαρμόστηκε η καινοτόμος κάλυψη, ενώ το δεύτερο χρησιμοποιήθηκε ως μάρτυρας και έφερε απλή κάλυψη πολυαιθυλενίου. Οι απαραίτητες συνθήκες θερμοκρασίας μετρήθηκαν μέσω συστήματος καταγραφής και αποθήκευσης ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα τόσο για την ενεργειακή όσο και για την περιβαλλοντική συμπεριφορά του θερμοκηπίου. Η καλλιέργεια μελέτης επιλέχθηκε ώστε να έχει σχετικά χαμηλή θερμοκρασία ανάπτυξης καθώς το σύστημα ενεργοποιείται σε χαμηλές θερμοκρασίες και η έντονη λειτουργία θέρμανσης εντός της κατασκευής ενδεχόμενα να εμπόδιζε τη λειτουργία του.Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η εφαρμογή του συστήματος που μελετάται περιορίζει τη χρήση συστημάτων τεχνητής θέρμανσης σε σχέση με ένα τυπικό θερμοκήπιο σε ποσοστό από 35-50% ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες. Επίσης αποτρέπεται η ανάπτυξη πάγου ακόμη και σε δύσκολες καιρικές συνθήκες σε σχέση με ένα τυπικό θερμοκήπιο Συγκεκριμένα στο θερμοκήπιο υπό την καινοτόμο κάλυψη δεν παρατηρήθηκε πτώση της θερμοκρασίας κάτω από 0οC σε καμία μέρα της πειραματικής περιόδου παρόλο που οι εξωτερικές συνθήκες ήταν αρκετά δυσμενείς. Το θερμοκήπιο μάρτυρας σημείωσε θερμοκρασίες υπό το μηδέν σε ποσοστό 23% της συνολικής περιόδου λειτουργίας και στο 66% των ωρών που η εξωτερική θερμοκρασία ήταν υπό τους 0οC. Ακόμη παρατηρήθηκε, με βάση πάντα τα πειραματικά αποτελέσματα, μείωση των εκπομπών CO2 σε ποσοστό 49% όσον αφορά το σύνολο της περιόδου λειτουργίας. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η χρήση συμπληρωματικού εξοπλισμού για τη λειτουργία του συστήματος συνεπάγεται επιπλέον κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό ρίχνει το ποσοστό εξοικονόμησης ενέργειας στο σύνολο της λειτουργίας του θερμοκηπίου στο 7%, ενώ για τις περιόδους πολύ χαμηλών θερμοκρασιών στο 25%. Αντίστοιχα για τις εκπομπές CO2, βάσει των θεωρητικών συγκρίσεων με χρησιμοποιούμενα συστήματα θέρμανσης προκύπτει ότι η καλύτερη λύση είναι εκείνη του αερόθερμου φυσικού αερίου ή του ηλεκτρικού αερόθερμου στην περίπτωση που το σύστημα υποστηρίζεται από δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας με μίγμα ηλεκτροπαραγωγής που δεν περιέχει ορυκτά καύσιμα.Η καινοτόμος κατασκευή θερμοκηπίου που εξετάστηκε μπορεί να αποτελέσει μία πολύ αποτελεσματική λύση για όλους τους παραγωγούς θερμοκηπίων που αναζητούν τρόπουςμείωσης του κόστους θέρμανσης και αποτροπής ανάπτυξης πάγου, όταν επικρατούν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Συνέπεια της εξοικονόμησης είναι και ο περιορισμός των εκπομπών CO2. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το σύστημα θα μπορούσε να βελτιωθεί περεταίρω αν οι ανάγκες του καλυπτότανε από κάποιο σύστημα ΑΠΕ ή η λειτουργία του πραγματοποιούνταν ελεγχόμενα με κριτήριο τις εξωτερικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Η εν’ λόγω κάλυψη είναι κατάλληλη κυρίως για καλλιέργειες με χαμηλές θερμοκρασίες ανάπτυξης ή για δενδρύλλια σε φυτώρια. Σημειώνεται τέλος ότι η συγκεκριμένη κάλυψη θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε διαφορετικές περιοχές και κλίματα. Ο λόγος είναι ότι το πρόβλημα των απότομων και σημαντικών πτώσεων θερμοκρασίας συναντάται πλέον σε περιοχές με διαφορετικό κλίμα, ειδικά με τη διαφοροποίηση των φαινομένων εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής.Μέλος των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την παρούσα Διατριβή, δημοσιεύτηκαν στο ISI περιοδικό Sustainable Energy Technologies and Assessments με δείκτη απήχησης 3,417. Ο πλήρης τίτλος της εργασίας είναι «Energy and environmental analysis of an innovative greenhouse structure towards frost prevention and heating needs conservation”/ Firfiris, V.K., Fragos, V.P., Kotsopoulos, T.A., Nikita-Martzopoulou, C. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2020, 40, 100750).