گلخانه خورشیدی راه بهینه سازی مصرف سوخت

بکارگیری ساده فناوریهای نوین جهت استفاده از انرژی خورشیدی، به عنوان یک منبع مفید، سالم و بی‌خطر انرژی برای گرم کردن گلخانه‌های کشاورزی، علاوه بر کاهش قابل توجه مشکلات گلخانه‌داران و مسئولین ذیربط در رابطه با سوخت، گامی مهم در صرفه جویی مصرف سوختهای فسیلی کشور و حفظ ذخایر آنها برای آیندگان و جلوگیری از آلودگی هوا و محیط زیست خواهد بود. گلخانه خورشیدی هم در مقیاس کوچک و خانگی و هم در مقیاس بزرگ و تجاری، در طرحهای گوناگون و بوسیله اشخاص و یا گروههای مختلفی از کشورهای مختلف جهان طراحی و ساخته شده و بسیاری از این طرحها موفق بود‌ه‌اند. با مطالعه انواع طرحهای مختلف و هزینه ساخت آنها میتوان چنین نتیجه گرفت، اگر بدون افزایش فاحشی در هزینه ساخت گلخانه‌ها، روشی برای کاهش اتلاف حرارتی در شبهای سرد پیدا شود تعداد بیشماری گلخانه خورشیدی طراحی و ساخته خواهند شد و کاربرد وسیعی در آینده در سطح کشور پیدا خواهند کرد. در این مقاله سعی بر آن است تا ضمن معرفی انواع گلخانه خورشیدی، اصول کاربرد انرژی خورشیدی در طرحهای مختلف، عوامل تأثیرگذار و ویژگیهای اصلی گلخانه خورشیدی مورد بررسی قرار گیرد.

با توجه به محدودیت منابع تولید از جمله خاک مناسب و آب، و وجود عواملی مانند تولید محصول در خارج فصل، پرورش گیاه در مناطقی غیر از رستنگاه طبیعی خود، پیشرس کردن محصولات، صرفه جویی و بهینه کردن مصرف نهاده‌ها، افزایش عملکرد در واحد سطح و در نتیجه افزایش سود و بهره وری اقتصادی بیشتر، ایجاد زمینه اشتغال مولد برای فارغ التحصیلان جدید کشاورزی و غیره، گسترش و توسعه تولیدات گلخانهای در نقاط مختلف کشور با حمایت بخش خصوصی و دولتی، طی سالهای گذشته تا به امروز روند شتابان و فزاینده‌ای داشته است. برغم توفیقات حاصله، متأسفانه به نظر میرسد که گسترش و توسعه روند مذکور عمدتا دارای ویژگیهای صرفا کمی بوده و اصول کیفی طراحی و ساخت گلخانه‌ها کمتر مورد توجه بوده است. به همین دلیل در بعضی نقاط کشور علیرغم استقبال شایان توجه به عمل آمده از این روش، طرحهای گلخانه‌ای مطابق اهداف و پیشبینی‌های اولیه طراحان و عاملان آن پیش نرفته و با مشکلات عمده ای روبرو گردیده است. یکی از عوامل اصلی محدود کننده بویژه در مناطق سردسیر کشور، گرم کردن گلخانه و مصرف بالای سوخت و مسائل و مشکلات مربوط به آن میباشد. مصرف زیاد سوخت در گلخانه‌ها به دلیل طراحی نامناسب و غیر اصولی از یک سو و مشکلات متعدد تأمین آن (بوروکراسی اداری، توزیع نامناسب یارانه، قیمت بالا، گرانی کرایه حمل، عملکرد نامناسب سیستم توزیع و پرسنل آن و نرسیدن به موقع سوخت در زمان لازم ) از سوی دیگر باعث بالا رفتن هزینه تولید، عدم صرفه اقتصادی و گاهی اوقات ایجاد ضررهای هنگفت مالی و نهایتا استیصال گلخانه دار و توقف کار خواهد شد. بکارگیری ساده فنآوریهای نوین جهت استفاده از انرژی خورشیدی، به عنوان یک منبع مفید، سالم و بی خطر انرژی برای گرم کردن گلخانه های کشاورزی، علاوه بر کاهش قابل توجه مشکلات گلخانه‌داران و مسئولین ذیربط در رابطه با سوخت، گامی مهم در صرفه جویی مصرف سوختهای فسیلی کشور و حفظ ذخایر آنها برای آیندگان و جلوگیری از آلودگی هوا و محیط زیست خواهد بود.
گلخانه خورشیدی هم در مقیاس کوچک و خانگی و هم در مقیاس بزرگ و تجاری، در طرحهای گوناگون و بوسیله اشخاص و یا گروههای مختلفی از کشورهای مختلف جهان طراحی و ساخته شده و بسیاری از این طرحها موفق بوده‌اند. با مطالعه انواع طرحهای مختلف و هزینه ساخت آنها میتوان چنین نتیجه گرفت، اگر بدون افزایش فاحشی در هزینه ساخت گلخانه ها، روشی برای کاهش اتلاف حرارتی در شبهای سرد پیدا شود تعداد بیشماری از گلخانه های خورشیدی طراحی و ساخته خواهند شد و کاربرد وسیعی در آینده در سطح کشور پیدا خواهند کرد.

تمام گلخانه‌ها انرژی خورشید را جذب می‌کنند. اما گلخانه خورشیدی به گونه ای طراحی میشوند که علاوه بر جذب انرژی خورشیدی در طول روزهای آفتابی، مقداری از گرما را برای استفاده در شب و یا روزهای ابری در خود ذخیره نمایند. گلخانه های خورشیدی یا بطور مستقل بنا میشوند و یا بصورت الصاقی و پیوسته در کنار خانه‌ها و انبارها برپا میگردند. یک گلخانه خورشیدی ممکن است یک شاسی زیرزمینی ساده، یک گلخانه آلونک مانند و یا یک گلخانه قوسی شکل باشد. تولیدکنندگان بزرگ از گلخانه خورشیدی مجزا استفاده می‌کنند در حالیکه گلخانه‌های الصاقی یا پیوسته اساسا مورد استفاده تولیدکنندگان کوچک و خانگی است. گلخانه خورشیدی غیرفعال به دلیل کارآمدی اقتصادی که در افزایش فصل رویش دارند، انتخاب مناسبی برای تولیدکننده های کوچک میباشند. در آب و هواهای سردتر یا در مناطقی با دوره های ابری طولانی مدت، ممکن است سیستم حرارت خورشیدی به تنهایی جوابگو نبوده و برای حفاظت گیاهان در مقابل سرماهای سخت احتیاج به یک سیستم گرمایش گازی یا برقی مکمل خواهند داشت. در گلخانه های خورشیدی فعال ، برای جابجایی هوا یا آب گرم شده از منطقه ذخیره انرژی به دیگر نواحی گلخانه، کاربرد یک انرژی مکمل ضروری است. استفاده از سیستم گرمایشی فوتو ولاتیک (برق خورشیدی) در گلخانه تنها در صورت تولید انبوه محصول، مقرون به صرفه خواهد بود.

اصول پایه در طراحی گلخانه خورشیدی

گلخانه خورشیدی با پنج ویژگی کلی از گلخانه‌های عادی مرسوم متمایز میگردند : جهت گلخانه و شیب پوششهای شفاف آن برای دریافت حداکثر گرمای خورشیدی در طول زمستان، استفاده از مواد ذخیره کننده برای حفظ کردن گرمای خورشیدی، داشتن عایق‌بندی قوی در قسمتهایی که تابش مستقیم خورشید ناچیز بوده و یا وجود ندارد، روشهای مناسب نصب پوششهای شفاف به منظور به حداقل رساندن پرت حرارتی تکیه بر تهویه طبیعی برای خنک کردن گلخانه در تابستان. درک درست این اصول در طراحی گلخانه خورشیدی کمک خوبی در طراحی، ساخت و نگهداری سازه‌های کارآمد انرژی خواهد بود.

انواع گلخانه خورشیدی

گلخانه خورشیدی الصاقی یا پیوسته مانند اتاقی میمانند که از یک خانه یا انبار غله بیرون زده باشد. این گلخانه‌ها فضای مناسبی را برای نشاء کردن؛ کاشت گیاهان علفی یا کاشت مقادیر محدودی از گیاهان خوراکی ایجاد می کنند. گلخانه‌های پیوسته به طور مشخص دارای سیستم غیر فعال خورشیدی میباشند. اما گلخانه های خورشیدی غیرپیوسته گلخانه‌های بزرگی هستند که برای تولید تجارتی گیاهان زینتی، سبزیجات یا گیاهان علفی دارای فضای کافی میباشند. دو طرح عمده برای گلخانه خورشیدی غیرپیوسته مطرح است : مدل آلونکی و مدل قوسی شکل. جهت گلخانه‌های آلونکی به گونه ای است که محور طولی آن در امتداد شرق به غرب قرار میگیرد. دیوار رو به جنوب برای دریافت بهینه انرژی خورشید باید از مواد شفاف پوشیده شده باشد درحالی که دیوار رو به شمال جهت جلوگیری از پرت دما باید دارای عایقبندی مناسب باشد. این جهت بندی مغایر با آرایش گلخانه‌های عادی بوده که با داشتن سقف شمالی جنوبی موجب میشوند که نور یکسانی در طی روز به تمام قسمتهای گیاهان بتابد. برای کم کردن اثر تابش غیر یکنواخت نور در گلخانه های شرقی غربی، باید دیوار شمالی را با مواد انعکاسی پوشاند یا رنگ کرد.

گلخانه‌های کوآنست، گلخانه‌های متقارن قوسی شکل میباشند. این گلخانه‌ها بر خلاف گلخانه‌های آلونکی، در قسمت شمالی خود دارای عایق نمی باشند. استفاده از انرژی خورشیدی در این گلخانه ها شامل عملیاتی است که موجب بالا رفتن جذب و انتشار گرمای خورشیدی وارد شده به گلخانه میشود. ذخیره سازی انرژی در این سیستم عمدتا شامل جمع آوری گرمای خورشید در خاک زیر کف گلخانه در پروسه‌ای به نام انباشت گرمایی زمین میباشد. درست همانگونه که دیگر مواد ذخیره گرما مانند آب یا سنگ، گرما را در خود ذخیره می‌سازند. عایق کاری دیوار گلخانه‌ها برای به حداقل رساندن اتلاف حرارتی فضای داخل آنها، بسیار حائز اهمیت است. سیستم های جذب گرما و روشهای عایقبندی گلخانه‌ها مفصلا در بخشهای بعدی مطرح خواهند شد.

جذب حرارت خورشید
دو عامل مؤثر بر مقدار گرمای خورشیدی که یک گلخانه قادر به جذب آن باشد عبارتند از:
۱- موقعیت یا مکان گلخانه در برابر خورشید
۲- نوع مواد شفاف مورد استفاده

جهت خورشید

از آنجاکه انرژی خورشید در قمست جنوبی یک ساختمان قوی تر از سایر جهات است، پوشش شفاف گلخانه خورشیدی باید درست رو به جنوب باشد. اما اگر درختان، کوهها یا ساختمانهای بلند مسیر خورشید را مسدود کنند، ۱۵ تا ۲۰ درجه انحراف، حدود %۹۰ انرژی جذب شده در صورت قرار گرفتن در راستای جنوب واقعی را فراهم خواهد کرد. ممکن است بواسطه عرض جغرافیایی محل احداث گلخانه و همچنین وجود موانع بالقوه، نیاز باشد که جهت گلخانه مقدار ناچیزی از جنوب واقعی منحرف شود تا بیشترین انرژی خورشیدی به دست آید. به برخی از تولید کنندگان توصیه میشود که جهت گلخانه‌های خود را کمی متمایل به جنوب شرقی تنظیم نمایند تا بیشترین انرژی خورشیدی را در فصل بهار دریافت نمایند بخصدوص اگر گلخانه به منظور تولید نشاءهای اولیه مدنظر باشد. برای معلوم کردن جهت صحیح احداث گلخانه‌های خورشیدی در هر منطقه میتوان از برنامه و نمودارهایی که برای این منظور طراحی شده اند استفاده نمود. برای استفاده از این برنامه ها باید طول و عرض جغرافیایی و منطقه زمانی مکان احداث گلخانه خورشیدی مشخص باشد.

شیب پوشش شفاف گلخانه

علاوه بر جهت‌گیری شمالی جنوبی، شیب پوپشش شفاف گلخانه خورشیدی نیز باید درست در نظر گرفته شود تا بیشترین مقدار از گرمای خورشید جذب گردد. با یک حساب سر انگشتی میتوان با اضافه کردن ۱۰ یا ۱۵ واحد به عدد عرض جغرافیایی محل، زاویه مناسب را بدست آورد. برای مثال، اگر نقطه ای را در ۴۰ درجه عرض جغرافیایی در نظر بگیریم، شیب مناسب برای پوشش شفاف گلخانه باید بین ۵۰ تا ۵۵ درجه باشد.

پوشش شفاف گلخانه

مواد شفافی که به عنوان پوشش گلخانه خورشیدی بکار میروند باید بیشترین انرژی خورشیدی ممکن را از خود عبور داده و وارد گلخانه نمایند و در عین حال کمترین انرژی را از دست بدهند. به علاوه، برای رشد مناسب گیاه، مواد شفاف باید بتوانند طیف طبیعی پرتوهای فعال فتوسنتزی را به خوبی از خود عبور دهند. شیشه مشجر، پلاستیکهای محکم دو لایه و فایبر گلاس نور را پخش می کنند درحالیکه شیشه تمیز نور مستقیم را عبور میدهد. اگرچه گیاهان داخل گلخانه هم با نور مستقیم و هم با نور غیر مستقیم پخش شده به رشد خود ادامه میدهند ولی سایه اجزای مختلف اسکلت گلخانه در تابش مستقیم نور خورشید باعث عدم یکنواختی رشد اندامهای گیاه میشود. در حالیکه با نور غیرمستقیم پخش شده، سایه اسکلت گلخانه مرتفع و همسان شده و گیاه بطور یکنواخت رشد خواهد کرد. بسیاری از پوششهای جدید گلخانه در یک دهه اخیر پدید آمده‌اند. در حال حاضر پلاستیکها با داشتن ویژگیهایی چون قابلیت عدم فرسایش در هوا، داشتن بازدارنده های تجزیه در برابر اشعه ماوراء بنفش، قدرت جذب اشعه مادون قرمز، داشتن سطح ضد شبنم (تجمع قطرات آب) و قابلیت منحصر به فرد عبور تشعشعات خاص، از متداولترین پوششهای گلخانه‌ای به شمار میروند. روش نصب پوشش گلخانه خورشیدی بسته به میزان پرت حرارتی دارد. برای مثال شکاف و سوراخهایی که در حین نصب ایجاد میشوند باعث هدر رفتن گرما خواهند شد در حالیکه تفاوت فاصله بین دو پوشش بر ابقاء حرارت مؤثر است. برای اسکلتبندی و نصب برخی از پوششهای گلخانه مانند آکریلیکها، باید میزان انبساط و انقباض آنها در هواهای گرم و سرد محاسبه گردد. به طور کلی، در گلخانه‌های خورشیدی، به ازاء هر فوت مربع از مساحت کف گلخانه، باید بین ۷۵٫۰ تا ۱٫۵ فوت مربع پوشش شفاف وجود داشته باشد.

ذخیره سازی گرمای خورشیدی

برای گرم نگهداشتن گلخانه خورشیدی در طول شبهای سرد یا طی روزهای ابری، باید گرمای خورشیدی که در روزهای آفتابی وارد گلخانه میشود را برای استفاده های بعدی ذخیره نمود. رایج ترین روش برای جذب و انبار کردن انرژی خورشیدی استفاده از تخته سنگ، بتون یا آب در مقابل تابش مستقیم آفتاب میباشد. وجود دیوارهای آجری یا سیمانی (با بلوکهای پرشده با خاکستر) ، در قسمت پشت (سمت شمال) گلخانه نیز میتوانند به عنوان منابع ذخیره کننده گرمای خورشیدی عمل نمایند. اگرچه، تنها چهار اینچ بیرونی این مواد، گرما را به طور مؤثر جذب میکنند. همچنین کاشی کردن کف گلخانه با سرامیکهای تیره رنگ باعث جذب و ذخیره سازی مقداری از گرمای خورشیدی میگردد. دیوارهایی که برای جذب گرما استفاده نمیشوند باید دارای رنگ روشن و یا بازتابی باشند تا گرما و نور مستقیم تابیده شده را به داخل گلخانه منعکس نموده و نور را بطور یکنواخت برای گیاهان داخل گلخانه منتشر نمایند.

مواد ذخیره کننده انرژی

مقدار مواد ذخیره کننده مورد نیاز، بسته به موقعیت جغرافیایی محل گلخانه خورشیدی متفاوت است. اگر گلخانه در نیمکره جنوبی یا عرضهای جغرافیایی میانی قرار داشته باشد، حداقل ۲ گالن آب یا ۸۰ پوند سنگ به ازای گرمایی که از هر متر مربع سطح شفاف گلخانه عبور میکند نیاز است. ولی اگر گلخانه در نیمکره شمالی باشد، برای جذب گرمای وارد شده از هر متر مربع سطوح شفاف گلخانه، ۵ گالن آب و یا بیشتر احتیاج خواهد بود. بطور تقریبی برای هر فوت مربع سطح شفاف گلخانه در دیوارهای جنوبی، سه فوت مربع دیوار آجری یا بلوک سیمانی به قطر ۴ اینچ مورد نیاز میباشد.
همچنین برای تعیین مقدار مواد ذخیره کننده مورد نیاز، باید هدف کشت در گلخانه مشخص باشد که آیا تنها افزایش طول فصل رشد مد نظر است و یا هدف کشت محصول در تمام طول سال است. برای افزایش طول فصل رشد در آب و هوای سرد، به ۵٫۲ گالن آب به ازای هر فوت مربع از سطح شفاف یا تفریبا معادل نصف مقدار مورد نیاز برای تولید در تمام طول سال احتیاج است . اگر آب به عنوان ماده ذخیره گرما مورد استفاده قرار گیرد، مخزنهای ۵۵ گالنی معمولی، تیره رنگ و مات برای این منظور مناسب میباشند. ظروف کوچکتر، مثل کوزه های شیر یا بطریهای شیشه ای، در مناطقی که زود به زود ابری میشوند مؤثرتر از مخزنهای ۵۵ گالنی برای ذخیره گرما عمل میکنند. ظروف کوچکتر سطح جذب بیشتری داشته و در نتیجه در اثر تابش آفتاب سریعتر انرژی را جذب میکنند. متأسفانه ظروف پلاستیکی بعد از دو یا سه سال در اثر تابش مستقیم آفتاب از بین میروند. ظروف شیشه ای تمیز بهتر از ظروف فلزی تیره رنگ، گرما را دریافت می کنند و تجزیه هم نمیشوند ولی به آسانی میشکنند .
ترامب یک روش ابتکارانه برای جذب و ذخیره گرما بوده و شامل دیوارهای کوتاهی در داخل گلخانه و نزدیک به پنجره های رو به جنوب میباشد. این دیواره ها از طرف جلوی خود (رو به جنوب) گرما را جذب میکنند، سپس این گرما را از طرف پشت خود (رو به شمال) در گلخانه ساطع مینمایند. یک دیوار ترامب از دیوار سنگ کاری به قطر ۸ تا ۱۶ اینچ با روکشی از یک ماده تیره رنگ جذب کننده گرما با یک یا دو لایه شیشه به فاصله ۴٫۳ تا ۶ اینچ برای ایجاد یک فضای کوچک هوا میباشد. گرمای خورشیدی از شیشه عبور کرده و جذب روکش تیره رنگ میگردد. این گرما در دیوار ذخیره شده و به آرامی از قسمت سنگی به سمت داخل هدایت میشود. با اضافه کردن یک ورقه فویل فلزی و یا یک ماده براق دیگر به قسمت بیرونی دیوار، مقدار جذب گرمای خورشیدی ۳۰ تا ۶۰ درصد بسته به شرایط آب و هوایی افزایش یافته و پرت حرارت از طریق تابش بیرونی کاهش می یابد.

دیوارهای آبی شکل دیگری از دیوارهای ترامب می‌باشند. که در آن‌ها ظرف پر از آب بجای بنای سنگی دیوار، مابین پوشش شفاف گلخانه و فضای داخل گلخانه، در مقابل اشعه خورشید قرار میگیرد. به جای شیشه میتوان از لوله های سخت پلاستیکی و یا ظروف محکم دیگر استفاده نمود. قسمت بالایی دیواره ها نیز میتواند به عنوان یک سکو یا نیمکت مورد استفاده قرار گیرد. تا کنون گلخانه های خورشیدی متعددی بر مبنای طرحهای متنوع دیوارهای آبی ساخته شده اند.

برای ذخیره گرما از سنگ هم میتوان به جای آب استفاده نمود. سنگها برای داشتن سطح بالای جذب گرما باید ۱ اینچ ضخامت داشته باشند. برای مهار کردن سنگها، میتوان آنها را درون قفس هایی از توریهای فلزی جمع کرد. از آنجاکه BTU ذخیره گرمایی سنگ خیلی پانتر از آب میباشد ( ۳۵ در مقابل ۶۳ ) برای فراهم کردن مقدار ذخیره یکسان حرارتی سه برابر حجم آب، سنگ نیاز است. البته سنگها نسبت به آب مقاومت بیشتری در مقابل جریان هوا دارند که این امر موجب انتقال گرمای کمتر میشود . هر ماده ای که برای ذخیره کردن گرما مورد استفاده قرار میگیرد باید در محلی قرار گیرد که بیشترین میزان گرما را جذب و جمع آوری نماید و کمترین میزان گرما را در ارتباط با هوای اطرافش از دست بدهد. باید توجه داشت که نباید جرم گرمایی به گونه ای قرار گیرد که با دیواره های خارجی گلخانه در تماس باشد چرا که بدین ترتیب به سرعت گرمای خود را به هدر میدهد.

مواد تغییر فاز دهنده

در گلخانه خورشیدی برای ذخیره گرما میتوان به جای آب یا سنگ از ”مواد تغییر فاز“ استفاده نمود. با وجود اینکه مواد تغییر فاز معمولا گرانتر از مواد عادی میباشند ولی ۵ تا ۱۴ بار بهتر گرما را نسبت به آب و سنگ در خود ذخیره میکنند. بدین ترتیب، وقتی فضای موجود محدود باشد استفاده از این مواد بسیار مفید است. مواد تغییر فاز عبارتند از:
فسفات سدیم دودکاهیدرات
تیوسولفات سدیم پنتاهیدرات
پارافین
سولفات سدیم دکاهیدرات
کلرید کلسیم هگزاهیدرات
اسیدهای چرب
این مواد هنگامیکه از فاز جامد به فاز مایع تبدیل میشوند گرما را جذب و ذخیره مینمایند و سپس وقتی که به فاز جامد برمیگردند گرمای ذخیره شده را آزاد می کنند. ظرفیت ذخیره گرمای کلرید کلسیم هگزاهیدرات ۱۰ برابر آب میباشد. این مواد معمولا در لوله‌های سربسته محصور میشوند، که با بکارگیری تعداد مناسبی از این لوله‌ها میتوان ذخیره گرمایی لازم را فراهم نمود. به دلیل قابلیت جذب بالای مواد تغییر فاز، از آنها میتوان به عنوان تعدیل کننده‌های حرارت گلخانه‌ها در تابستان استفاده نمود. بیشتر تحقیقات در زمینه استفاده از مواد تغییر فاز در گلخانه‌ها در اروپا، اسرائیل، ژاپن و استرالیا انجام گرفته است. در اسرائیل با وارد کردن مواد تغییر فاز درون پوششهای شفاف گلخانه باعث افزایش جذب، ذخیره و ماندگاری گرما در گلخانه‌ها شده‌اند از طرفی با این کار در روزهای ابری که مواد تغییر فاز به مایع تبدیل نمیشوند، میزان شفافیت پوشش گلخانه کاهش می‌یابد. در حال حاضر برخی شرکتهای آمریکایی و استرالیایی سیستمهای گرمایش تحت الارضی را با کمک مواد تغییر فاز طراحی و پیاده سازی میکنند.

گلخانه‌های خورشیدی فعال

در این روش از سیستم ”گرمایش تحت الارضی“ یا سیستم ”انباشت حرارتی زمین“ جهت گرم کردن گلخانه‌ها استفاده میشود. در این گلخانه‌ها، هوا، آب و یا مواد تغییر فاز توسط انرژی خورشیدی گرم شده، سپس درون لوله هایی که در زیر خاک مدفون شده‌اند جریان می یابند. اگر بنا باشد که در سیستم گرمایش تحت الارضی از هوای گرم استفاده شود میتوان از لوله‌های انعطاف پذیر نسبتا ارزان زهکشی یا فاضلاب با قطر حدود ۱۰ سانتیمتر ( ۴ اینچ ) برای این منظور استفاده نمود. لوله‌های گران قیمت تر و با تیوبهای موجدار، گرمای مؤثرتری را نسبت به لوله‌های صاف فراهم مینمایند چرا که سطح تماس بیشتری بین لوله و سطح خاک جهت انتقال حرارت وجود دارد. مساحت قسمت لوله کشی شده باید برابر مساحت کف گلخانه باشد. برای تعیین متراژ لوله های ۴ اینچی مورد نیاز باید مساحت کف گلخانه را تقسیم بر دو نمود. در هنگام نصب این لوله ها باید روی آنها را با کفپوشهای سوراخدار پوشاند تا آب وارد خاک اطراف آنها گردد، زیرا خاک مرطوب گرما را بهتر از خاک خشک انتقال میدهد. هوای داغ جمع شده در بالاترین قسمت کف از طریق لوله ها، پایین کشیده شده و وارد شبکه لوله های زیر خاک میگردد. هوای گرم داخل لوله ها، خاک اطراف آنها را در طول روز گرم میکند و در شب، هوای سرد گلخانه وارد شبکه لوله کشی شده و توسط خاک به آرامی گرم میشود و در نتیجه فضای گلخانه گرم میگردد . سیستم گرم کردن ناحیه اطراف ریشه گیاهان که معمولا با کمک هیترهای آبی گازسوز انجام میگیرد به خوبی میتواند با انرژی خورشیدی منطبق شده و با گرم کردن زمین یا سکوهای داخل گلخانه، فضا گلخانه را گرم نماید. استفاده از سکوهای گرمایش سطحی و لوله های اطراف ریشه، کاربرد وسیعی در گلخانه های مدرن داشته و به آسانی نصب میگردد. یک سیستم گرمایش زمینی ثابت، از یک سری لوله های موازی PVC که در عمق ۱۲ تا ۱۶ اینچی سیمان منفذدار، ماسه یا شن جاسازی شده اند، تشکیل شده است. آب در یک هیتر خورشیدی بیرونی گرم شده و سپس به وسیله یک پمپ به داخل گلخانه پمپاژ میگردد. آب گرم، داخل لوله ها جریان یافته و کف گلخانه را گرم مینماید. گرم کردن گلخانه در طرح دیگری از گلخانه های خورشیدی فعال، مبتنی بر جذب گرما توسط لوله های پلی بوتیلین مشکی مارپیچ در رأس گلخانه میباشد. لوله های مارپیچ روی یک زمینه مشکی و زیر پوششهای شفاف در معرض نور خورشید قرار میگیرند. آب از مخزنی که روی کف گلخانه واقع شده است به قسمت لوله های مارپیچ، پمپاژ شده و سپس به مخزن اصلی باز میگردد. آبی که داخل این لوله های مارپیچی گرم میشود قادر خواهد بود که آب داخل مخزن را ۵۵ تا ۱۰۰ درجه فارنهایت در روزهای آفتابی گرم نماید. گرمای ذخیره شده در آب مخزن در گرم شدن هوای گلخانه در شب بسیار مؤثر است. مدیریت عملیات گلخانه نیز در ذخیره گرمای گلخانه مؤثر میباشد. برای مثال یک گلخانه پر، گرمای بیشتری را نسبت به یک گلخانه خالی ذخیره مینماید. تقریبا نیمی از انرژی خورشید برای تبخیر آب از سطح برگ و خاک هدر رفته و قابل ذخیره کردن برای مصرف آینده نمیباشد. گرمای خورشیدی را میتوان بوسیله گرمای حاصل از فرایند تشکیل کمپوست، تکمیل کرد. در این روش علاوه بر افزایش گرمای گلخانه، گاز دی اکسید تولید شده توسط فعالیت میکروارگانیسمهای کمپوست نیز راندمان تولید گیاه را افزایش خواهد داد.

عایقکاری گلخانه

عایقکاری دیوارها و کف گلخانه

عایقکاری مناسب گلخانه, انرژی گرمایی جذب شده ازخورشید را در فضای گلخانه بمدت بیشتری حفظ میکند. استفاده از درزگیرها برای دربها , سوراخها و سایر منافذ جریان هوا, بکارگیری پوششهای شفاف مخصوص و مناسب با سایز پنجره های گلخانه که ضمن عبور حداکثر نور, انتقال حرارت پایینیدارند, و همچنین استفاده از فومهای پلی یورتان, پلی استایرن و فایبرگلاس, اقدامات کاملا مؤثری برای عایقکاری گلخانه ها میباشد. این مواد جهت کارایی و عملکرد بهتر میبایست در شرایط محیطی خشک نگهداری شوند. استفاده از یک لایه ضد تبخیر پلی اتیلن مابین دیوارهای گلخانه و عایق حرارتی, در عملکرد عایقها بسیار مؤثر است. قسمتهایی از گلخانه که فاقد شیشه میباشند, به تناسب محل و شرایط آب و هوایی آنجا میبایست عایقکاری شوند. به عنوان مثال, در منطقه ایلینویس و میسوری استفاده از عایقهای۱۹-R و در نیومکزیکو که هوا سردتر است, استفاده از عایق ۲۱-R در دیوار گلخانه ها توصیه میشود.
آقای ریچارد نلسون در سازمان سولاروف گاردن, شیوه جدیدی را برای ایزولاسیون دیوارهای گلخانه ارائه کرده است. در این روش با استفاده از دو ورق شفاف پلاستیک بجای شیشه و استفاده از یدک دستگاه تولید حباب در بین این دو صفحه ورق , یک دیواره عایق با ۲۰-R و بلکه بالاتر برای گلخانه ایجاد میکند. در زمستان و فصلهای سرد, دستگاه تولید حباب در بین دو ورق پلاستیکی, در سمت شمال گلخانه نصب میگردد و در تابستان برای جلوگیری از حرارت بیش از حد خورشید در سمت جنوب گلخانه بعنوان سایبان استفاده میگردد. کف گلخانه هایی که آجر, موزائیک و یا سنگفرش شده اند, بمانند چاهی, حرارت را هدر میدهند و چنانچه مابین زمین و کف گلخانه عایقکاری صورت نگیرد بسرعت گرمای گلخانه از دست میرود. برای مقابله با این اتلاف, در فونداسیون گلخانه از ورقهای عایق به ضخامت ۱ تا ۲ اینچ استفاده میشود. استفاده از بلوکهای سنگی اسفنجی (دارای خلل و فرج) به ضخامت ۴ اینچ در کف گلخانه ها و یا گودالهای به عرض ۴ اینچ که از سنگ ریزه‌های اسفنجی (مشابه پوکه معدنی) پرشده باشد, نیز بسیار موثر و رایج میباشد. اینکار علاوه بر یک عایق مناسب برای کف گلخانه, فرورفتن آب به زمین در حین شستشو و آبیاری را نیز سهل‌تر میکند.

عایقکاری قسمتهای بیرونی گلخانه

از اقدامات موثر برای جلوگیری از اتلاف انرژی در گلخانه‌ها این است که قسمتی از گلخانه در داخل زمین قرار گیرد و یا در سمت جنوب یک تپه بناگردد. برای دستیابی به وضعیت بهتر, بین دیوارهای خارجی میتوان از پوشال و یا عایقهای مشابه آن استفاده نمود. این روش اتلاف حرارت چه در سرمای زمستان و چه در گرمای تابستان را از دیوارها و سطوح خارجی گلخانه کاهش میدهد. همچنین در شرایط هوای بادی و کلا در مناطق بادخیز بسیار مناسب عمل میکند. آنچه در این روش ممکن است به عنوان اشکال در پیش روی سازندگان گلخانه قرارگیرد, ورود نم ناشی از آبهای زیر زمینی از کف و یا تراوش رطوبت از منافذ دیوارهای گلخانه میباشد.  برای کاستن و بلکه جلوگیری از نفوذ آب از کف میبایست چنین گلخانه هایی در مناطقی ساخته شوند که حداقل ۵ فوت بالاتر از سطح آبهای زیرزمینی باشد و برای جلوگیری از ورود رطوبت از دیوارها میبایست دورتادور گلخانه را به منظور جمع آوری مستقیم آب با حفر خندق, زهکشی نمود. استفاده از مواد ضد آب و یا خاک رس در دیوارها و کف چنین گلخانه هایی توصیه میشود. این شیوه گلخانه ها در انجمن بنسون دانشگاه بریگهام یانگ به عنوان یک شیوه نیمهسنتی در حال تحقیق و گسترش میباشد.

در یک گلخانه آنچه موجب ورود نور و انرژی خورشید به گلخانه میشود, پوشش شفاف آن میباشد. اما از طرفی همین سطوح شفاف نیز بیشترین سطوح تلفات حرارتی در یک گلخانه بحساب می آیند. همانطور که پیش از این نیز اشاره شد, افزایش مقدار R جهت ایزولاسیون سطوح شفاف گلخانه, اغلب موجب کاهش ورود نور خورشید به گلخانه میگردد. لذا در هنگام انتخاب نوع پوششهای شفاف می بایست بهدنبال موادی باشیم که هم میزان عبور نور از آن و هم مقدار R(عایق بودن) آن خوب باشد. برای مثال ورقهای شفاف پلی اتیلن که با عناوین ورق های IR یا ورق‌های حرارتی شناخته میشوند هر دو خاصیت مذکور را دارا میباشند. به این صورت که استفاده از یک یا دو ورقه شفاف پلی اتیلن بر روی شیشه گلخانه، حدود %۵۰ تلفات حرارتی را کاهش میدهد. همچنین با استفاده از دو ورق شفاف پلی اتیلن که بین آنها توسط فن کوچکی هوا دمیده میشود تا یک عایق هوایی را بوجود آورد میتوان تا %۴۰ اتلاف انرژی را کاهش داد. استفاده از پرده در گلخانه موجب محدود شدن تلفات حرارتی پوششهای شفاف در طول شب و روزهای ابری میشود. بطوریکه بر اساس مطالعات انجام شده استفاده از یک پرده پلی استایرن به ضخامت ۲ اینچ موجب کاهش اتلاف تا %۹۰ در مقایسه با زمان فقدان پرده می شود. در گلخانه‌های کوچک که نیروی انسانی همیشه در دسترس بوده و یک معضل بحساب نمی آید، گشودن این پرده در شب و بستن آن در صبح هر روز بصورت دستی امکانپذیر میباشد. البته استفاده از گیره‌های آهنربایی و یا استفاده از کابل و قرقره, باز و بسته کردن پرده ها را راحتتر می‌کند. اکثر سازندگان چنین پرد‌ه‌هایی ترجیح میدهند جهت کم درد سر کردن باز و بسته شدن آن، هنگام بستن پرده آن را بصورت رول در بالای شیشه و نزدیک سقف گلخانه نگه دارند.

سیستم تهویه هوای گلخانه خورشیدی

بطور کلی سیستم تهویه هر بنایی به نحوی طراحی و ساخته میشود که بتواند در زمستان به فضا هوای گرم بدهد و در تابستان هوای گرم را دفع کند. تهویه هوا در رشد و نمو گیاهان یک گلخانه به لحاظ مناسب بودن میزان دی اکسید کربن و شدت رطوبت, امری بسیار مهم و حیاتی بحساب می آید. برای این منظور, جهت تامین هوای مناسب مورد نیاز گیاهان, هوای درون گلخانه می بایست حدودا ۲ بار در دقیقه تعویض گردد. (این میزان برای یک خانه مسکونی حدود ۱٫۵ بار در دقیقه میباشد ). به این ترتیب بطور ساده, شدت جریان هوای مورد نیاز یک گلخانه معادل دو برابر حجم گلخانه در دقیقه برآورد میگردد که این میزان فوت مکعب در دقیقه یا CFM هوا مورد نیاز را خواهد داد و به کمک آن میتوان ظرفیت کولر آبی مورد نیاز آن گلخانه را مشخص نمود.
ذیلا به برخی از انواع روشهای تهویه هوا در گلخانه خورشیدی اشاره ای خواهیم داشت:

– تعبیه دریچه‌هایی مشابه بادگیر در سقف و دیوارهای جانبی گلخانه, میتواند ایجاد یک تهویه طبیعی را در گلخانه در پی داشته باشد. به این صورت که دریچه‌های روی دیوارهای جانبی اجازه ورود هوای خنک به داخل را میدهد و دریچه‌های سقفی هوای گرم را از سقف گلخانه خارج مینماید. چنین تهویه‌ای نیازمند دمش برای ایجاد چرخش هوا میباشد. روزهایی که باد برای ایفای این امر نمیوزد, استفاده از فن در گلخانه لازم میباشد. مساحت این دریچه‌ها میبایست حدود یک پنجم تا یک ششم مساحت گلخانه باشد.
– یک روش جالب و ساده دیگری که برای تهویه گلخانه‌ها میتوان بکار گرفت, استفاده از دودکشهای خورشیدی است. این دودکشها در وسط سقف گلخانه و در بالاترین قسمت آن نصب شده و ورودی آن در طرفین داخل گلخانه میباشد. نحوه عمل بطور ساده بدین صورت است که هوای گرم را از داخل گلخانه به درون خود میکشد و توسط یک خروجی که در سقف گلخانه تعبیه شده به بیرون تخلیه میکند. علت این امر گرمای قسمتی از دودکش است که موجب ایجاد اختلاف فشار شده و هوای داخل گلخانه را میمکد. بمنظور افزایش شدت جریان هوا ناودانی دودکش را از داخل رنگ مشکی میزنند. برای ایجاد مکش بهتر, یک توربین کوچک نیز در بالای دودکش قرار میگیرد تا هوای گرم گلخانه را با قدرت بیشتری به بیرون بمکد.

– استفاده از موادی که انرژی حرارتی را در خود ذخیره میکنند, جهت خنک نگهداشتن گلخانه در تابستان و گرم نگهداشتن آن در زمستان بسیار مفید و مؤثر میباشند. به این صورت که چون این مواد، جذب کننده خیلی خوب گرما میباشند, زمانی که خورشید تابان و درخشان است, عمده انرژی را جذب و بخش کمی از آن را منعکس می‌کنند. و در مقابل هنگامیکه خورشید غروب میکند, حرارت ذخیره شده خود را به فضای داخل گلخانه پس داده و موجب گرمایش طبیعی گلخانه میگردند.

– استفاده از سایبان در خارج گلخانه میتواند در جلوگیری از افزایش بیش از حد گرمای گلخانه و در نتیجه تعادل دمای داخل و خارج موثر باشد. سایه انداختن با درختان تنومند و پر شاخه و برگ پیشنهاد نمیشود. مراجع قدیمی طراحی گلخانه های خورشیدی، با دلیل و برهان ثابت کرده اند که درختانی که برگ ریز هستند، در تابستان سایه مناسبی برای گلخانه ایجاد میکنند و در زمستان نیز پس از برگ ریزان درخت، عمده نور خورشید را از خود عبور داده و به گلخانه میرسانند. اما آنچه در مطالعات اخیر پژوهشگران این حوزه میتوان یافت این است که درختان برگ ریز، حتی زمانیکه کل برگهایشان ریخته باشد، بیش از %۴۰ نور خورشید را در شاخه های خود جذب میکنند که این در زمستان به هیچ وجه مطلوب نمیباشد.

– استفاده از سیستمهای خنک کاری خورشیدی (هواساز خورشیدی) و همچنین دستگاه های فوتوولتاک (برق خورشیدی) جهت کولرهای آبی نیز برای گلخانه‌های خورشیدی امکان پذیر است که نسبت به روشهای قبل پرهزینه و پیچیده‌تر میباشند.

نتیجه گیری

با وارد کردن راهکارهای جدید عایقکاری، ذخیره سازی انرژی گرمایی در مواد، استفاده از شیشه‌های با تکنولوژی جدید و استفاده از برخی تکنیکهای ساده و کار آمد دیگر میتوان گلخانه های خورشیدی سنتی را که سالهاست در کشورهای پیشرفته متداول میباشد به یک سطح راندمان و بهره وری مطلوب و مناسب رسانید و به کمک انرژی لایزال خورشید، بهبود چشمگیری را در کاهش مصرف سوختهای فسیلی در گلخانه‌ها ایجاد نمود.

تهیه کنندگان : سید احمدرضا فخارزاده و محمدرضا نبیفر