Συστήματα θέρμανσης με υπέρυθρη ακτινοβολία στα θερμοκήπια

Όταν εφαρμόζεται θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία στα θερμοκήπια σε αντιδιαστολή με τα συστήματα θερμού αέρα εξαναγκασμένης συναγωγής, η θερμότητα στέλνεται απ’ ευθείας από την πηγή με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο δέκτη, δηλαδή στα φυτά και το έδαφος που γίνονται η πρωταρχική πηγή θερμότητας μέσα στο θερμοκήπιο. Ο αέρας δεν θερμαίνεται απ’ ευθείας από την ακτινοβολία, αλλά με συναγωγή λόγω της επαφής του με τα φυτά και το έδαφος που θερμαίνονται άμεσα. Επειδή η στρωματοποίηση του εσωτερικού αέρα (διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας εδάφους και θερμοκρασίας οροφής) είναι σημαντικά χαμηλότερη από συστήματα θερμού αέρα εξαναγκασμένης συναγωγής, οι ενεργειακές απώλειες από την δομή του θερμοκηπίου μειώνονται σημαντικά λόγω μείωσης των απωλειών λόγω συναγωγής από το κάλυμμα και μείωσης των διαφυγών, καταλήγοντας σε μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση. Επίσης, επιτυγχάνεται και σημαντική μείωση της υγρασίας της επιφάνειας των φυτών γεγονός που βοηθά στην μείωση της εξάπλωσης ασθενειών που είναι σοβαρότατο πρόβλημα εντός των θερμοκηπίων.

Τα συστήματα θέρμανσης με υπέρυθρη ακτινοβολία χρησιμοποιήθηκαν αρκετά στα θερμοκήπια στις μεγάλες πετρελαϊκές κρίσεις (70’s) (κυρίως στις ΗΠΑ), εν συνεχεία όμως η χρήση τους εγκαταλήφθηκε. Γι’ αυτόν τον λόγο λίγες μελέτες δημοσιεύτηκαν στις αρχές της δεκαετίας του ’80, που διερευνούσαν την καταλληλότητα της IR για θέρμανση του θερμοκηπίου. Οι έρευνες είναι κυρίως πειραματικές και δεν υπάρχουν ολοκληρωμένες προσπάθειες μοντελοποίησης του συγκεκριμένου τρόπου θέρμανσης. Σε αυτές τις έρευνες αναφέρονται ενεργειακά οφέλη της τάξεως των 33 - 40 % σε σύγκριση με τον συμβατικό τρόπο θέρμανσης. Το σύστημα Gas - Fired Infrared Heating ήταν η πρώτη προσπάθεια εφαρμογής της υπέρυθρης ακτινοβολίας στα θερμοκήπια.

Στην βιομηχανία θερμοκηπίων σήμερα, η θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία είναι ευρέως άγνωστη και παρανοημένη και η χρήση της περιορισμένη. Αντιθέτως έχει βρει ευρύτατη εφαρμογή στην βιομηχανία τροφίμων σε πολλές εφαρμογές. Π.χ. χρησιμοποιείται στην ξήρανση προϊόντων λόγω των πλεονεκτημάτων που διαθέτει με όρους ποιότητας και κόστους σε σχέση με τον θερμό αέρα εξαναγκασμένης συναγωγής.

Gas-Fired Infrared Heating system

Το σύστημα αποτελείται από σωλήνες υπέρυθρης ακτινοβολίας ισχύος 17.5 kW (εναλλάκτης θερμότητας) καυστήρα μείγματος αέρα - καυσίμου και αντλία. Τα καπναέρια οδεύουν μέσα από τους χαλύβδινους σωλήνες διαμέτρου 10 - 15 cm που αποτελούν την επιφάνεια ακτινοβολίας με θερμοκρασία επιφανείας 480 – 595^oC και μήκος κύματος εκπομπής 3.2 - 3.8 μm (μακρινό υπέρυθρο) και αποβάλλονται στην ατμόσφαιρα με αντλία αναρρόφησης. Ώσπου να φθάνουν τα αέρια στην αντλία, σχεδόν όλη η ενέργεια θερμότητας λόγω της εξάπλωσή της σε μεγάλη περιοχή έχει απελευθερωθεί. Σε ένα τέτοιο σύστημα η καύση και η ροή αερίων πρέπει να γίνεται σε κενό, για αποφυγή διαφυγής αερίων στο θερμοκήπιο. Για τον έλεγχο της κατανομής της θερμικής ροής χρησιμοποιούνται ανακλαστήρες διαμέτρου 40 cm. Οι σωλήνες τοποθετούνται σε απόσταση 2.6 - 3 m από τα φυτά, 1.5 m από την οροφή και 3 m από τα πλαϊνά τοιχώματα για να εμποδίζονται καταστροφές. Τα αποτελέσματα από την χρήση του συστήματος είναι η υψηλή θερμοκρασία αέρα, η ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας στο επίπεδο των φυτών και του εδάφους, οι υψηλές απώλειες λόγω συναγωγής, οι διαφυγές καπναερίων και η ίδια η πολυπλοκότητα του συστήματος που το καθιστούσαν δύσχρηστο.

Σύγχρονα συστήματα θέρμανσης με ακτινοβολία (Infrared Heaters)

θεωρούνται σύγχρονα συστήματα γιατί έχουν υψηλή απόδοση και ενεργειακή μετατροπή και η θερμοκρασία επιφανείας τους παραμένει σε σχετικά ήπια επίπεδα. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε εργοστάσια παραγωγής, βιομηχανικά κτίρια, αθλητικές εγκαταστάσεις, χώρους αναψυχής, βιομηχανία τροφίμων, εκθεσιακούς χώρους, αγροτικές φάρμες, θερμοκήπια, μονάδες επεξεργασίας αποβλήτων, μονάδες ανακύκλωσης. Συνοπτικά διαθέτουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα:

• Υψηλή ενεργειακή αποδοτικότητα
• Συντελεστή ενεργειακής απόδοσης της ακτινοβολίας σε θερμότητα 60% – 96%
• Οικονομικά - Μειωμένο λειτουργικό κόστος
• Παροχή άμεσης θέρμανσης
• Ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας
• Υψηλή αντοχή στην σχετική υγρασία περιβάλλοντος
• Μεγάλη διάρκεια ζωής
• Μεγάλη δυναμικότητα
• Διζωνική λειτουργία
• Εύκολα στην εγκατάσταση - απεγκατάσταση συντήρηση και χρήση
• Φιλικά προς το περιβάλλον

Τα σύγχρονα συστήματα θέρμανσης με ακτινοβολία διακρίνονται ανάλογα με το μήκος κύματος που εκπέμπουν σε χαμηλής έντασης, low-intensity (3.2 - 3.8 μm) με μέγιστη θερμοκρασία επιφανείας 480 – 600^oC και σε υψηλής έντασης, high - intensity (1.0 - 2.9 μm) με μέγιστες θερμοκρασίες επιφάνειας 700 – 2000^o C. Έχουν δυνατότητα λειτουργίας με φυσικό αέριο, προπάνιο/βουτάνιο και ηλεκτρισμό.

Στην κατηγορία λειτουργίας με φυσικό αέριο, προπάνιο / βουτάνιο ανήκουν τα blackheats γραμμικού τύπου, διπλoύ γραμμικού, σωληνωτού μορφής U, πάνελ κλπ. υπέρυθρα συστήματα και γενικά όλοι οι gas radiators. Η ονομαστική τους ισχύς κυμαίνεται από 2 - 30 kW. Έχουν μεγάλη δυναμικότητα παρέχοντας μεγάλη κάλυψη επιφανείας, ομοιόμορφη κατανομή θερμότητας και απαιτούν ύψος εγκατάστασης από 3.3 - 5m. Η χρήση αερίου μπορεί να δημιουργήσει διαφυγές και οσμές σε κλειστό χώρο εάν το σύστημα δεν είναι αξιόπιστο και να απαιτείται εξαερισμός.

Στην κατηγορία λειτουργίας με ηλεκτρισμό ανήκουν τα Quartz Tubes, Quartz lamps, Metal Sheath, Ceramic Infrared lamps κλπ. Είναι συνήθως υψηλής έντασης, με μεγάλη δυναμικότητα και ομοιόμορφη κατανομή θερμότητας. Οι ηλεκτρικές υπέρυθρες διατάξεις είναι καλή εναλλακτική και οικονομική λύση διότι δεν χρειάζονται εξαερισμό και μακροπρόθεσμα επιθυμητή από περιβαλλοντική άποψη. Και οι δύο παραπάνω κατηγορίες συστημάτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα θερμοκήπια.

Η μικρού μήκους ακτινοβολία (NIR) που εκπέμπεται από τα υψηλής έντασης συστήματα παρουσιάζει κάποια χαρακτηριστικά τα οποία συμβάλλουν στην καλύτερη αξιοποίησή της στα θερμοκήπια σε σχέση με την μεγάλου μήκους ακτινοβολία. Απορροφάται λιγότερο από την πάνω επιφάνεια των φυτών και έχει υψηλό ποσοστό ανάκλασης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να δημιουργούνται συνθήκες διάχυσης και να θερμαίνονται επαρκώς οι κάτω επιφάνειες των φυτών και το έδαφος.

Σχετικές σελίδες

• Υπέρυθρη ακτινοβολία
• Θερμοκήπια

Βιβλιογραφία

• "Ενεργειακή βελτιστοποίηση θερμοκηπίου με χρήση συστήματος θέρμανσης με υπέρυθρη ακτινοβολία", Διδακτορική διατριβή της Αγγελικής Καυγά, Γεωπόνου MSc, Πανεπιστήμιο Πατρών, Πολυτεχνική Σχολή, Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Τομέας Ενέργειας Περιβάλλοντος και Αεροναυτικής, Πάτρα 2010