Μικροκλίμα θερμοκηπίου

Το θερμοκήπιο είναι μια κλειστή κατασκευή εντός της οποίας το περιβάλλον μπορεί να ελεγχθεί ή να τροποποιηθεί έτσι ώστε να είναι ευνοϊκό για την σωστή ανάπτυξη των φυτών. Το περιβάλλον του θερμοκηπίου αντιπροσωπεύεται από μια ομάδα μέσων τιμών κλιματικών παραγόντων όπως η ακτινοβολία, η θερμοκρασία, η υγρασία και η συγκέντρωση του CO₂ οι οποίοι επιδρούν στην ανάπτυξη των φυτών. Η ρύθμιση των περιβαλλοντικών παραγόντων που περιβάλλουν τα φυτά στο θερμοκήπιο ορίζεται ως το μικροκλίμα του θερμοκηπίου. Το μικροκλίμα του θερμοκηπίου ελέγχει άμεσα τις ανταλλαγές ενέργειας και μάζας και επιδρά στις μεταβολικές δραστηριότητες των φυτών. Το μικροκλίμα του θερμοκηπίου επηρεάζεται και από το μακροκλίμα και από την φυσιολογική κατάσταση των φυτικών στοιχείων της μονάδας (γεωμετρικοί παράμετροι, θερμικές συνθήκες) που υπόκεινται σε αυτό.

Η διαφορά μεταξύ του κλίματος του θερμοκηπίου και του εξωτερικού καιρού οφείλεται κυρίως σε δύο μηχανισμούς. Ο πρώτος είναι ο αέρας που περικλείεται μέσα στο θερμοκήπιο και ο οποίος είναι εγλωβισμένος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι εναλλαγές του θερμοκηπιακού αέρα με τον εξωτερικό αέρα να είναι μειωμένες και οι ταχύτητες του αέρα μέσα στο θερμοκηπίου να είναι μικρές σε σχέση με αυτές του εξωτερικού αέρα. Η μείωση των εναλλαγών του αέρα (ή του εξαερισμού) επιδρά άμεσα στα ισοζύγια ενέργειας και μάζας, ενώ οι μικρότερες ταχύτητες επηρεάζουν την ανταλλαγή ενέργειας, την εξάτμιση νερού και το CO₂ ανάμεσα στον αέρα του θερμοκηπίου και τα υπόλοιπα στοιχεία του θερμοκηπίου (καλλιέργεια, έδαφος, κάλυμμα, σύστημα θέρμανσης). Ο δεύτερος είναι ο μηχανισμός της ακτινοβολίας κατά τον οποίο η μικρού μήκους ηλιακή ακτινοβολία εμποδίζεται από τα διαφανή και αδιαφανή στοιχεία του θερμοκηπίου ενώ η ανταλλαγή της μεγάλου μήκους ακτινοβολίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος είναι αποτέλεσμα των ραδιομετρικών ιδιοτήτων των υλικών κάλυψης.

Το μικροκλίμα του θερμοκηπίου ποσοτικά περιγράφει την διαδικασία μεταφοράς ενέργειας και μάζας εντός του φυτικού θόλου, την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του αέρα, των φυτών και λοιπών επιφανειών, και τους τρόπους με τους οποίους τα φυτά ανταποκρίνονται στους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Το μικροκλίμα του θερμοκηπίου επηρεάζεται από τον προσανατολισμό, το γεωγραφικό πλάτος και την περιοχή του θερμοκηπίου, τον φυτικό θόλο μέσα στο θερμοκήπιο, την επιφάνεια του γυμνού εδάφους, τον δομικό σχεδιασμό (σχήμα και μέγεθος), τις ιδιότητες των υλικών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του θερμοκηπίου, κλπ. Επίσης εξαρτάται από τα συστήματα θέρμανσης και εξαερισμού που υπάρχουν εντός του θερμοκηπίου.

Ο σχεδιασμός και η λειτουργική χρήση ενεργειακά αποδοτικών και πλήρως ελεγχόμενων ως προς το μικροκλίμα τους θερμοκηπιακών συστημάτων είναι η σημερινή τάση για έλεγχο της παραγωγής και της ποιότητας, ανεξάρτητα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Η κλίμακα ελέγχου παρουσιάζει μια σαφή τάση, από τον έλεγχο του μακροκλίματος στον έλεγχο σε επίπεδο μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Ο βέλτιστος σχεδιασμός του θερμοκηπίου και ο έλεγχος του περιβάλλοντος, αντιπροσωπεύουν ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης και η χρήση των φυσικών και φυσιολογικών πληροφοριών καθώς επίσης και των μοντέλων προσομοίωσης έχει δείξει να είναι ένα πολύ ισχυρό εργαλείο όσον αφορά αυτό το πρόβλημα. Οι μέθοδοι προσομοίωσης για πρόβλεψη του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου, παρέχουν μια γρήγορη, ευέλικτη και επαναλαμβανόμενη μέθοδο έναντι των πειραματικών προβλέψεων. Σε όλο τον κόσμο ερευνητικές ομάδες αναπτύσσουν και χρησιμοποιούν τα μοντέλα για το σχεδιασμό και το λειτουργικό έλεγχο των θερμοκηπίων.

Τα μοντέλα προσομοίωσης του μικροκλίματος του θερμοκηπίου είναι φυσικά μοντέλα και περιγράφουν την εξέλιξη των παραγόντων του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου υπολογίζοντας τις επιδράσεις της δομής του θερμοκηπίου, τις ιδιότητες των υλικών κάλυψης, τις εξωτερικές κλιματολογικές συνθήκες, και την εφαρμογή των συστημάτων ελέγχου στο μικροκλίμα του θερμοκηπίου. Επομένως, ένα τέτοιο μοντέλο προάγει τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του θερμοκηπίου, την διαχείριση του κλίματος και της παραγωγής. Η έρευνα πάνω στο ενεργειακό ισοζύγιο, οι διαδικασίες προσομοίωσης και οι εφαρμογές στον έλεγχο του κλίματος του θερμοκηπίου άρχισαν να διεξάγονται στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων δεκαετιών, η έρευνα προσομοίωσης του θερμοκηπίου έχει συμβάλει στην κατανόηση των φυσικών πτυχών του μικροκλίματος όπως τη μετάδοση της ακτινοβολίας, τη θέρμανση, τον εξαερισμό και τις φυσιολογικές διαδικασίες εντός του θερμοκηπίου όπως η διαπνοή των φυτών και η φωτοσύνθεση. Με βάση τα ισοζύγια ενέργειας και μάζας του θερμοκηπίου, διάφοροι ερευνητές έχουν αναπτύξει θερμικά μοντέλα προσομοίωσης με αντιπροσωπευτικότερα στην κατηγορία το KASPRO, το GDGCM, το SimGreC κλπ. Τέλος οι Gary et al (1998) ανέπτυξαν το μοντέλο SIMULSERRE που χρησιμεύει ως ένα λογισμικό εκπαίδευσης και προσομοιάζει το σύστημα παραγωγής μέσα στο θερμοκήπιο.

Σχετικές σελίδες

• Θερμοκήπια
• Σύστημα θέρμανσης στο θερμοκήπιο
• Εξαερισμός θερμοκηπίων
• Υλικά κατασκευής θερμοκηπίων
• Σύστημα εξαερισμού και ψύχρανσης στο θερμοκήπιο
• Συστήματα ελέγχου κλίματος θερμοκηπίου

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