mikroklimatske razmere in doloČitev optimalnega … · ključne besede: prenos toplote,...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

Magistrsko delo

MIKROKLIMATSKE RAZMERE IN DOLOČITEV OPTIMALNEGA PRENOSA TOPLOTE V

RASTLINJAKU

Marec, 2011 Damijana Meža mentor: prof. dr. Jurij Krope somentor: prof. dr. Darko Goričanec UDK: 620.97+697.7(043)

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran II

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran III

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran IV

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran V

Zahvala Zahvaljujem se mentorju, prof. dr. Juriju Kropetu, za vodenje in pomoč pri opravljanju magistrskega dela. Prav tako se zahvaljujem somentorju, prof. dr. Darku Goričancu. Hvala tudi podjetju PUP Velenje d.d. za pomoč, podatke in dobro voljo. Posebna zahvala pa velja moji družini za podporo in potrpljenje.

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran VI

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran VII

MIKROKLIMATSKE RAZMERE IN DOLOČITEV OPTIMALNEGA PRENOSA TOPLOTE V RASTLINJAKU

Povzetek V magistrski nalogi je analiziran vpliv sončnega obsevanja, odvisno od geografske lege, na postavitev rastlinjakov podjetja PUP Velenje d.d.. Predstavljeni so glavni vplivi na mikroklimo v rastlinjaku ter celovit pregled izmenjave toplote v rastlinjaku, ki je potreben za regulacijo mikroklimatskih parametrov v rastlinjaku. Omejeni so spremenljivi parametri s katerimi opišemo izračun toplotnega ravnotežja rastlinjaka v ekstremnih pogojih v kateremkoli klimatskem področju za različne kritine. Določeni so prihranki energije v primeru kritin kot so: enojno kaljeno steklo 4mm, dvojno izolacijsko steklo in polikarbonatne plošče. Analiza stroškov je izvedena z ekonomsko metodo NSV. Ključne besede: prenos toplote, rastlinjaki, sevanje, mikroklima, stroški UDK: 620.97 + 697.7(043)

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran VIII

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran IX

MICROCLIMATE CONDITIONS AND THE DESIGN OF OPTIMAL HEAT TRANSFER IN GREENHOUSES

Abstract This Master's thesis will analyse the effect of solar radiation, based on geographic positioning, on the placement of greenhouses by the company PUP Velenje d.d.. The main influences on microclimate in a greenhouse will be presented and a holistic overview will be given of the heat transfer within a greenhouse, which is necessary for the regulation of microclimate parameters in a greenhouse. The variable parameters are limited: these parameters describe the calculation of the heat balance of the greenhouse in extreme conditions in any climate for different types of roofing. Energy savings have been determined in the case of the following types of roofing: single toughened glass 4mm, double insulated glass and polycarbonate sheets. A cost analysis will be performed using the NPV economic method. Keywords: heat transfer, greenhouses, radiation, microclimate, costs UDC: 620.97 + 697.7(043)

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran X

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XI

VSEBINA

1 UVOD ......................................................................................................................... 1

2 SONČNA ENERGIJA.................................................................................................. 3

2.1 Sončno sevanje ................................................................................................... 3

2.2 Razdelitev energije v sončnem spektru ................................................................ 5

2.3 Določitev sončnega obsevanja v rastlinjaku podjetja PUP Velenje d.d. .............. 10

3 MIKROKLIMA V RASTLINJAKU [1] .......................................................................... 13

3.1 Svetloba in osvetljenost [2, 3] ............................................................................ 13

3.2 Temperatura zraka ............................................................................................ 14

3.3 Temperatura tal ................................................................................................. 16

3.4 Vlažnost tal in zraka ........................................................................................... 16

3.5 Koncentracija ogljikovega dioksida .................................................................... 16

4 REGULACIJA KLIME V RASTLINJAKU [8,9] ........................................................... 17

4.1 Povratno - zančna in vnaprejšnja regulacija ....................................................... 19

4.1.1 Funkcije regulatorja .................................................................................... 20

5 TOPLOTNA BILANCA [10, 11, 12]............................................................................ 23

5.1 Termično ravnotežje – analizna metoda ............................................................ 23

5.2 Toplotna bilanca svežega zraka......................................................................... 24

5.3 Toplotne potrebe zaradi konvekcije ................................................................... 24

6 VPLIV SEVANJA TRANSPARENTNE STENE NA TOPLOTNO BILANCO [11, 12] .. 27

6.1 Nočni režim........................................................................................................ 27

6.1.1 Poenostavljeni izračun toplotne bilance v rastlinjaku z omejitvami, ki jih predstavljajo tanjše transparentne stene z zmanjšanim termičnim uporom ............... 29

6.1.2 Potrjene hipoteze za temperaturo tal v rastlinjaku in zunaj rastlinjaka ......... 29

6.1.3 Izračun rastlinjaka z dvojno steno – izboljšanje toplotnega upora ............... 31

6.2 Dnevni režim ...................................................................................................... 31

6.2.1 Temperatura tal v rastlinjaku - poenostavitev .............................................. 32

6.2.2 Energija, ki jo rastlinjak prejme preko dneva od sten .................................. 33

7 ZMANJŠANJE TOPLOTNIH IZGUB [6, 11, 13]......................................................... 35

7.1 Izgube zaradi konvekcije.................................................................................... 35

7.2 Izgube zaradi vdora zunanjega zraka ................................................................ 35

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XII

7.3 Izgube zaradi hlajenja pri prezračevanju ........................................................... 35

7.4 Zmanjševanje izgub zaradi stratifikacije ............................................................ 36

7.5 Gretje z vodo za zalivanje ................................................................................. 36

7.6 Pasivna izraba sončne energije ......................................................................... 36

7.7 Skladiščni sistemi toplote .................................................................................. 36

7.7.1 Vloga solarnega sezonskega zbiralnika toplote v rastlinjaku ...................... 36

7.7.2 Elementi in dimenzije sezonskega toplotnega zbiralnika v tleh ................... 36

7.7.3 Aktivna izraba sončne energije ................................................................... 37

7.8 Sistemi ogrevanja .............................................................................................. 37

8 VZORČNI PRIMER OGREVANJA RASTLINJAKA ................................................... 39

8.1 Osnovni podatki ................................................................................................ 39

8.2 Projektni podatki in toplotne potrebe ................................................................. 40

8.3 Analitična metoda .............................................................................................. 42

8.4 Ocena toplotnih potreb rastlinjaka ..................................................................... 53

8.5 Stroški ogrevanja rastlinjaka .............................................................................. 59

9 SKLEP ..................................................................................................................... 61

10 LITERATURA ........................................................................................................... 63

11 PRILOGE ................................................................................................................. 65

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XIII

SEZNAM SLIK

Slika 2.1:Standardizirana spektra sončnega sevanja (AM0 - zunaj zemeljski, AM1.5 - na Zemlji ................................................................................................................................ 4

Slika 2.2:Letna porazdelitev sevanja na različnih lokacijah: Kartum v Sudanu in Ljubljana 5

Slika 2.3: Porazdelitev jakosti sončnega sevanja na Zemeljski površini glede na valovno dolžino .............................................................................................................................. 6

Slika 2.4: Povprečne temperature v referenčnem obdobju 1961 do 1990 za Velenje ........ 8

Slika 2.5: Jakost sončnega sevanja v Sloveniji ................................................................. 8

Slika 2.6: Povprečna letna temperatura zraka v obdobju od leta 1971 - 2000 ................... 9

Slika 3.1: Intenzivnost fotosinteze v odvisnosti od osvetljenosti [4] ..................................14

Slika 3.2: Spremembe temperature v rastlinjaku pri nominalni temperaturi 20°C[5] .........15

Slika 4.1: Shema načrtovanja ..........................................................................................17

Slika 4.2: Optimiranje upravljanja rastlinjaka ....................................................................18

Slika 4.3: Zaprta "feedback" zanka ..................................................................................19

Slika 4.4: Struktura vnaprejšnje ali "feedforward" regulacijske konfiguracije ....................20

Slika 4.5: Struktura povratno - zančne ali "feedback" regulacijske konfiguracije ...............20

Slika 4.6: Net radiometer .................................................................................................21

Slika 4.7: Termočlen z zunanjim uporom (a), termočlen z zunanjim in notranjim uporom (b) ....................................................................................................................................22

Slika 7.1: Toplotna postaja podjetja PUP Velenje d.d.......................................................38

Slika 8.1: Konstrukcija rastlinjaka .....................................................................................39

Slika 8.2: Spremembe temperature zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka ter sončnega obsevanja za dnevni režim v mesecu decembru ..............................................................47

Slika 8.3: Temperaturi sten in tal v rastlinjaku za dnevni režim v mesecu decembru ........47

Slika 8.4: Toplotne potrebe rastlinjaka za dnevni režim v mesecu decembru ...................48

Slika 8.5: Temperatura zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka za nočni režim v mesecu decembru .........................................................................................................................48

Slika 8.6: Izračunani temperaturi stene in tal v rastlinjaku za nočni režim v mesecu decembru. ........................................................................................................................49

Slika 8.7: Toplotne potrebe rastlinjaka za nočni režim v mesecu decembru .....................49

Slika 8.8: Spremembe temperature zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka ter sončnega obsevanja za dnevni režim v mesecu aprilu .....................................................................50

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XIV

Slika 8.9: Temperaturi transparentne stene in tal rastlinjaka v dnevnem režimu za mesec april ................................................................................................................................. 50

Slika 8.10: Toplotne potrebe rastlinjaka za dnevni režim v mesecu aprilu ....................... 51

Slika 8.11:Spremembe temperature zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka za nočni režim v mesecu aprilu ............................................................................................................... 51

Slika 8.12: Temperaturi transparentne stene in tal v rastlinjaku za nočni režim v mesecu aprilu ............................................................................................................................... 52

Slika 8.13:Toplotne potrebe v rastlinjaku za nočni režim v mesecu aprilu ........................ 52

Slika 8.14: Skupne toplotne potrebe v primeru različnih kritin .......................................... 54

Slika 8.15: Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak z 4mm kaljenim steklom . 57

Slika 8.16: Letni toplotni dobitki in toplotne potrebe rastlinjaka v kWh ............................. 58

Slika 8.17: Stroški ogrevanja pri različnih kritinah v EUR ................................................. 60

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XV

SEZNAM PREGLEDNIC

Preglednica 2.1:Gostota moči sončnega sevanja pri različnih vremenskih razmerah ........ 4

Preglednica 2.2: Razdelitev sevanja na površini Zemlje .................................................... 5

Preglednica 2.3: Klimatski podatki za Velenje v referenčnem obdobju 1961 do 1990, nadmorska višina 410 m, zemljepisna širina 46°21'50'', zemljepisna dolžina: 15°07'28'' ... 7

Preglednica 2.4: Vrednosti solarne konstante in dnevnega obsevanja na robu atmosfere za zemljepisno širino L= 46°. ............................................................................................ 9

Preglednica 2.5: Povprečni vpadni koti direktnega sončnega obsevanja za rastlinjak PUP Velenje, d.d. .....................................................................................................................11

Preglednica 2.6: Vpadni koti difuznega in odbitega sončnega obsevanja za rastlinjak PUP Velenje, d.d. .....................................................................................................................11

Preglednica 3.1: Toplotna bilanca rastlinjaka odvisno od vrste prekrivala (J/cm), po Vesneusu [2]. ...................................................................................................................15

Preglednica 3.2: Optimalni razpon temperature koreninskega sistema za paradižnik [3]. 16

Preglednica 4.1: Parametri za nadzor klime .....................................................................21

Preglednica 8.1: Primerjava fizikalnih lastnosti kritin ........................................................40

Preglednica 8.2: Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak z 4mm kaljenim steklom ............................................................................................................................55

Preglednica 8.3: Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak z dvojnim izolacijskim steklom ............................................................................................................................56

Preglednica 8.4:Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak s polikarbinatnimi ploščami. .........................................................................................................................57

Preglednica 8.5: Primerjava energijskih primanjkljajev in presežkov pri različnih materialih rastlinjaka. .......................................................................................................................58

Preglednica 8.6: Primerjava cen za različne kritine rastlinjaka .........................................59

Preglednica 8.7: Stroški ogrevanja pri različnih kritinah ...................................................60

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XVI

UPORABLJENE KRATICE

JAN - januar

FEB - februar

MAR - marec

APR - april

MAJ - maj

JUN - junij

JUL - julij

AVG - avgust

SEP - september

OKT - oktober

NOV - november

DEC - december

UV - ultravijolično sevanje

PC - polikarbonat

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XVII

UPORABLJENI SIMBOLI

A - površina skozi katero prehaja toplota m2

Af - intenziteta fotosinteze mg CO2/(m2s)

a - povprečna absorpcija notranjosti /

a, b - empirični konstanti, ki sta odvisni od konstrukcije

Amax - maksimalna intenziteta fotosinteze za določeno rastlino mg CO2/(m2s)

Aob - obsevana površina rastlinjaka m2

Asr - površina strehe m2

Ast - površina transparentnih sten m2

Ast1 - površini jugovzhodne in severozahodne fasade, m2

Ast2 - površini jugozahodne in severovzhodne fasade, m2

Ast3 - površine trikotnih delov fasad m2

At - površina tal v rastlinjaku m2

A1 - površina enega segmenta strehe m2

c - korekcijski faktor za smer vetra /

dp - debelina stene m

E - trenutna stopnja osvetljenosti lux

EE - intenziteta osvetljenosti lux

F - kotni, brezdimenzijski faktorji /

Fa - kotni, brezdimenzijski faktor, odvisen od zemlje

in sten rastlinjaka /

Fv - kotni, brezdimenzijski faktor med steno

rastlinjaka in zunanjo atmosfero /

fob - povprečni faktor orientacije /

G - sončno obsevanje W/ m2

Gdir,o - direktno sončno obsevanje W/ m2

Gex - solarna konstanta

Gglo,o - celotno sončno sevanje W/m2

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XVIII

H - višina stene do venca m

hb - višina med vencem in slemenom m

Hdif,o - dnevno difuzno sončno obsevanje Wh/ m2

Hdir,o - dnevno direktno sončno obsevanje Wh/ m2

Hex - dnevno sončno obsevanje na zunanjem robu Wh/ m2

Hglo,o - dnevno celotno sončno obsevanje na horizontalno

ploskev Wh/ m2

Hs - entalpija zunanjega zraka kJ/kg

Hstout - sončno obsevanje, ki ga absorbira zunanja

površina transparentne stene W/m2

Hstin - sončno obsevanje, ki ga absorbira notranja

površina transparentne stene W/m2

Hu - entalpija notranjega zraka kJ/kg

i - vpadni kot sončnih žarkov °

idif,β - povprečni kot difuznega sončnega obsevanja °

iodb,β - povprečni kot odbitega sončnega obsevanja °

L - zemljepisna širina °

L1 - dolžina jugovzhodne in severozahodne fasade m

L2 - dolžina jugozahodne in severozahodne fasade m

l - dolžina enega segmenta m

n - število segmentov rastlinjaka /

pae - parcialni tlak vode v zunanjem zraku mbar

R - količina infiltriranega zraka prost. rast./h

Rdif,β - faktor usmeritve difuznega obsevanja /

Rdir,β - faktor usmeritve direktnega obsevanja /

Rodb,β - faktor usmeritve odbitega obsevanja /

qc - jakost sončnega sevanja W/m2

t - čas h

T - temperatura K

Tain - temperatura zraka v rastlinjaku K

Taout - temperatura zraka izven rastlinjaka K

Tc - temperatura neba, ki ga obravnavamo kot črno telo K

Tin - temperatura tal v rastlinjaku K

Te - temperatura tal izven rastlinjaka K

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XIX

Ts - temperatura zemlje K

Tst - temperatura transparentne stene K

Tstin - temperatura notranje površine transparentne stene K

Tstout - temperatura zunanje površine transparentne stene K

tmax - absolutno najvišja temperatura °C

tmin - absolutno najnižja temperatura °C

tp - najnižja dovoljena temperatura prostora °C

tpov - povprečna temperatura °C

tpov,max - maksimalna povprečna temperatura °C

tpov,min - minimalna povprečna temperatura °C

tz - zunanja projektna temperatura °C

U - toplotna prevodnost sten rastlinjaka W/m2K

V - prostornina rastlinjaka m3

v - hitrost vetra m/s

x - razmerje med površino sten kritine in pokrite površine /

ysp - nastavitvena točka /

ym - izmerjena vrednost /

Grške črke

α - koeficient absorpcije transparentne stene za vino sevanje /

αaoutv - koeficient prestopa toplote med transparentno steno

in zunanjim zrakom zaradi vpliva vetra W/m2K

β - naklonski kot ploskve °

ε - pogrešek /

εi - faktor emisivnosti zemlje brez rastlin /

εp - faktor emisivnosti transparentne stene za steklo /

λp - toplotna prevodnost stene W/m2K

ρs - gostota zunanjega zraka kg/m3

ρu - gostota notranjega zraka kg/m3

ρok - albedo (odbojnost) okoliških površin /

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran XX

σ - Stefan – Bolzmanova konstanta W/m2K4

τic - prepustnost transparentne stene /

Φa - skupna toplotna obremenitev infiltriranega zraka W

Φal - latentna toplotna obremenitev W

Φas - toplotni tok, potreben, da se segreje obnovljen zrak W

Φb - celotni toplotni tok zaradi konvekcije W

Φcc - toplotni tok, ki se prenese iz notranje na zunanjo

površino sten W

Φcp - toplotni tok zaradi konvekcije s transparentno kritino W

Φcs - toplotne izgube zaradi konvekcije z zemljo W

Φd - toplotni tok, ki ga sprejema transparentna stena W

Φm - toplotne izgube zaradi sevanja W

Φre - toplotni tok sevanja na zunanji zrak okolice W

Φs - toplotni tok sonca W

Φstout - toplotni tok, ki ga prejme okolica od sten rastlinjaka W

Φstin - toplotni tok, ki se iz notranjosti rastlinjaka prenaša

na transparentno kritino W

Φstp - toplotni tok skozi stene W

υout - zunanja zračna vlažnost %

υin - notranja zračna vlažnost %

Mikroklimatske razmere in določitev optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku Stran 1

1 UVOD

Nova dognanja na področju gojenja vrtnin in cvetja v rastlinjakih kažejo na potrebo po natančnejšem proučevanju virov energije, ki so za to potrebni. Ker rastlinjaki predstavljajo enega od najstarejših načinov industrijske izrabe sončne energije, zahteva učinkovito koriščenje le te celovit pregled o izmenjavi toplote v rastlinjaku in o poznavanju klimatskih razmer področja, kjer se rastlinjak nahaja. Za čim boljše delovanja rastlinjaka in izkoristek je potrebna regulacija klimatskih parametrov, ki poteka na različne načine. Za učinkovito regulacijo in izračun potreb ter zahtev rastlinjakov so potrebni matematični modeli kot tudi uporaba enostavnejših grafičnih metod. V želji, da omejimo količino spremenljivih parametrov, je potrebno natančno preučiti določene predpostavke. V nadaljevanju opisane metode se uporabljajo predvsem za izračun toplotnega ravnotežja v ekstremnih pogojih v kateremkoli klimatskem področju za različne kritine rastlinjakov.


2 SONČNA ENERGIJA

Glavni vir energije, ki priteka v našo atmosfero je Sonce, ki neprestano širi del svoje mase z elektromagnetnim valovanjem delcev z visoko energijo v vesolje. Stalna emisija je zelo pomembna, ker predstavlja skoraj vso energijo, ki jo Zemlja potrebuje. Količina energije, ki jo Zemlja prejme, če predpostavimo, da ni motenj zaradi atmosferskih vplivov, je odvisna od sončnega sevanja, razdalje med Soncem in Zemljo, višine Sonca in dolžine dneva. Celotna energija, ki jo prestreže Zemlja, je 20.000 - krat večja, kot je svetovna poraba energije.

2.1 Sončno sevanje

Sončna energija se sprošča pri jedrskih reakcijah, fuziji, v vročem jedru Sonca.

Temperatura v jedru znaša temperatura, T = 16 x 106 K. Energija prehaja na površino

Sonca s sevanjem in konvekcijo vodika. Vidno sončno sevanje, svetloba, prihaja iz

hladnega zunanjega sloja Sonca, ki se imenuje fotosfera, kjer je temperatura, T = 6000K.

Temperatura ponovno naraste v zunanji kromosferi na temperaturo, T = 10 000 K in v

koroni, kjer doseže temperaturo T = 106 K, od koder se konstantno širi v vesolje. Vroči

plini (plazma), ki jih imenujemo tudi solarni veter, s hitrostjo v = 1,5 x 106 km/h, trčijo v

zgornji atmosferi ob Zemljino magnetno polje. Zemlja prestreže tako elektromagnetno sevanje kot tudi energetske delce, ki jih emitira Sonce. Sonce se obnaša kot črno telo. To je telo, ki absorbira vso vpadlo elektromagnetno valovanje (sevanje, svetlobo) in pri dani temperaturi od vseh teles najmočneje seva. Za sevanje črnega telesa veljajo Planckov, Stefanov in Wienov zakon. Sončna energija, ki prispe do Zemljine atmosfere, predstavlja 100% energije. Od atmosfere in Zemeljske površine se odbije 30% energije nazaj v vesolje. Razmerje med vpadno vidno svetlobo in difuzno refleksno, odbito svetlobo se imenuje albedo. Odboj sončnih žarkov je na različnih delih Zemlje različen, zato ima albedo spremenljive vrednosti. Skoraj polovica, okoli 48%, od skupnega Sončnega sevanja se po tem, ko ogreje atmosfero in zgornjo površino Zemlje, v obliki nevidnega infrardečega sevanja kot toplota vrača v vesolje. Preostanek sončnega sevanja, okoli 22%, se porabi za izparevanje vode na površini Zemlje, ter za nastanek oblakov. Majhen del, okoli 0,1%, sončne energije izkoriščajo rastline za fotosinezo in s tem tudi za nastanek fosilnih goriv.

Za praktično izrabo sončne energije je pomembno poznavanje količine in tipa vpadnega sevanja na zemeljsko površino. Jakost oziroma moč sončnega obsevanja se stalno spreminja glede na čas dneva, vremenske razmere in letni čas. Jakost sevanja merimo v vatih na kvadratni meter [Wm-2]. Energijo sevanja, to je integrirano moč tekom določene časovne periode, imenujemo obsevanje in jo podajamo v vatnih urah na kvadratni meter [Whm-2]. Jakost sončnega sevanja nad zemeljsko atmosfero in na ploskev, ki je pravokotna na žarke, je 1325 do 1420 vata na kvadratni meter, pri tleh pa pod 1 kW/m2. Povprečje tega zunaj zemeljskega sončnega sevanja znaša 1367 vatov na kvadratni meter.

Spektralna gostota povprečnega zunaj zemeljskega sevanja je prikazana na sliki 2.1, kot spekter AM0. Odboj, sipanje in absorpcija v atmosferi zmanjšajo spektralno gostoto za približno 30 odstotkov, tako da ob jasnem vremenu in zenitni legi sonca vpada na


zemeljsko površino okrog tisoč vatov na kvadratni meter. Spektralna gostota standardiziranega sevanja na zemeljski površini je prikazana na sliki 2.1, kot spekter AM1.5. Globalno sevanje na zemeljski površini je posledica direktnega in razpršenega sevanja. Direktno sevanje prihaja neposredno od Sonca, medtem ko razpršeno sevanje vpada z vseh strani neba; zato je nebo enako svetlo v vseh smereh. Ko je nebo povsem oblačno, prispe do zemeljske površine le razpršeno sevanje. Delež razpršenega sevanja v odvisnosti od vremena je prikazan v preglednici 2.1.

Slika 2.1:Standardizirana spektra sončnega sevanja (AM0 - zunaj zemeljski, AM1.5 - na Zemlji

Preglednica 2.1:Gostota moči sončnega sevanja pri različnih vremenskih razmerah

vreme jasno megleno/oblačno (sonce le slabo vidno)

oblačno (sonce ni vidno)

celotno sevanje / Wm-2 600 ÷ 1 000 200 ÷ 400 50 ÷ 150

difuzni delež / % 10 ÷ 20 20 ÷ 80 80 ÷ 100

Tudi kadar je nebo jasno, se maksimalna gostota moči sevanja čez dan spreminja. Največ sevanja prispe opoldne, najmanj pa zgodaj zjutraj in pozno popoldne, ker ima sevanje daljšo pot skozi atmosfero (več absorpcije na poti) in je zato močneje dušeno.

Razpršeno (difuzno) sevanje igra pomembno vlogo pri uporabi sončne energije v osrednji Evropi, saj je delež razpršenega sevanja glede na celotno sevanje med 40% v mesecu juniju in 80 odstotki v mesecu decembru.

Razlike obsevanja na vodoravno ploskev (globalno obsevanje) so velike in odvisne od geografske širine, ker je vpadni kot žarkov proti poloma vse manjši. Zato je glede na povprečje v tropih stalen presežek, na polih pa primanjkljaj obsevanja.

Podobno obstajajo razlike v porazdelitvi sončnega obsevanja med letom, kar prikazuje slika 2.2. V osrednji Evropi, velja tudi za mesta Slovenije, je količina vpadne sončne energije v mesecih med novembrom in januarjem približno petkrat manjša kot v poletnih mesecih. Mesečno obsevanje je mnogo bolj enakomerno v področjih ob ekvatorju.

infrardečavidnaultravijolična

spekter AM 0

spekter AM 1,5

nizkoenergijski

fotoni

visokoenergijski

fotonisp

ektr

aln

a g

osto

ta s

eva

nja

(Wm

-2

m-1

)

valovna dolžina (m)


Slika 2.2:Letna porazdelitev sevanja na različnih lokacijah: Kartum v Sudanu in Ljubljana

Lokalna letna porazdelitev celotne količine sončne energije je določena s klimatskimi in meteorološkimi dejavniki, ki so močno odvisni od lokacije. V sončnih področjih, kot so puščave, na primer Sahara, je na razpolago v povprečju dvakrat več energije kot v osrednji Evropi. Povprečno letno obsevanje v Sloveniji znaša 1112 kWhm-2.

2.2 Razdelitev energije v sončnem spektru

Sonce oddaja na Zemljo elektromagnetno valovanje različnih valovnih dolžin in različne intenzivnosti. Del tega valovanja je viden, del pa neviden. Vso valovanje skupaj predstavlja sončni spekter, ki je porazdelitev gostote energijskega toka valovanja po frekvenci ali valovni dolžini. Sončni spekter se razteza od ultravijoličnega sevanja, ki ima valovno dolžino 0,38 µm do infrardeče svetlobe z valovno dolžino 3 µm. V intervalu od 0,38 µm do 0,72 µm se nahajajo valovne dolžine vidne svetlobe z maksimumom pri valovni dolžini 0,5 µm. Infrardeče valovanje se prične z valovno dolžino 0,72 µm. Okoli 90% celotne sončne energije, ki prispe na zemljo pripada valovnim dolžinam med 0,3 in 1,5 µm. Porazdelitev energije na površini Zemlje, po valovnih dolžinah, je predstavljena na sliki 2.3 in podana v preglednici 2.2. Preglednica 2.2: Razdelitev sevanja na površini Zemlje

po

vp

rečn

o d

nevn

o o

bsevan

je

[Wh/(

m2d)]

mesec

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ljubljana

Kartum, Sudan

Vrsta sevanja Porazdelitev sevanja / % Valovne dolžine / µm

ultravijolično sevanje 3 λ < 0,38 µm

vidno svetloba 44 0,38 µm< λ <0,72 µm

infrardeče sevanje 53 λ > 0,72 µm


Slika 2.3: Porazdelitev jakosti sončnega sevanja na Zemeljski površini glede na valovno dolžino

Na osnovi dvajsetletnega povprečja je bilo izračunano, da dobimo v Sloveniji ob povsem jasnem vremenu 1750 kWh/m2 letno in ob oblačnem vremenu 475 kWh/m2 letno. Po grobi oceni imamo razmerje med oblačnim in jasnim vremenom 1:1. Na tej osnovi lahko računamo, da je povprečna količina sončne energije v Sloveniji okoli 1112 kWh/m2 letno.

Vrednosti direktne in difuzne svetlobe se spreminjata. Vrednosti sončnega sevanja in obsevanja so vnaprej praktično nepredvidljive, zato se lahko zanašamo na dolgoletne povprečne vrednosti. Vendar pa so z natančnimi instrumenti za merjenje sončnega obsevanja opremljene le malokatere meteorološke postaje. Kot meteorološki parameter se spremlja število sončnih ur. To je število ur v dnevu, ko je prisotno direktno sončno sevanje. V preglednici 2.3 so navedeni klimatski podatki.

Ja

kost so

nčn

eg

a s

evan

ja (

W/m

2/n

m)

Valovna dolžina (nm)

vidna UV Infrardeča

Sončna svetloba nad atmosfero

5250°C spekter črnega telesa

Sevanje na morski gladini

Absorpcijski pasovi


Preglednica 2.3: Klimatski podatki za Velenje v referenčnem obdobju 1961 do 1990, nadmorska višina 410 m, zemljepisna širina 46°21'50'', zemljepisna dolžina: 15°07'28''1

1 http://hmljn.arso.gov.si/vreme/napovedi%20in%20podatki/velenje.htm [dostop:12.4.2008]

Parametri JAN FEB MAR APR MAJ JUN JUL AVG SEP OKT NOV DEC LETO

tpov/°C -1,0 1,1 4,6 9,1 13,9 17,0 18,8 18,0 14,7 9,8 4,5 0,3 9,2

tpov,max/°C 3,3 5,8 10,0 14,7 19,7 22,7 24,8 24,2 21,0 15,8 9,2 4,3 14,6

tpov,min/°C -4,5 -2,6 0,1 4,0 8,3 11,6 13,3 13,1 10,0 5,5 1,0 -2,8 4,7

tabs,max/°C 17,1 19,6 25,5 27,7 30,5 33,3 35,8 34,0 30,1 26,0 21,6 19,2 35,8

tabs,min/°C -22,9 18,9 20,5 -5,6 -2,7 0,5 3,8 4,6 -0,5 -5,5 -12,4 -20,6 -22,9

št. dni , t < 0 °C

26,5 20,5 14,0 3,0 0,3 0,0 0,0 0,0 0,0 2,7 11,8 23,1 101,9

št. dni , t >25 °C

0,0 0,0 0,0 0,3 3,5 9,8 16,4 13,2 5,4 0,3 0,0 0,0 49,0

Povp. relativna vlaga ob 7. uri /%)

87,8 88,7 88,5 85,3 84,7 85,0 86,9 91,0 93,9 94,3 91,9 88,9 88,9

Povp. relativna vlaga ob 14. uri /%

71,9 66,6 62,1 58,9 59,9 62,3 62,0 63,2 65,2 67,2 71,7 73,6 66,0

Povp. trajanje sonč. obsevanja (h)*

47 95 128 162 210 221 260 230 164 116 56 37 1 712

Št. jasnih dni, oblačnost < 2/10)

4,9 5,2 5,6 4,6 5,2 4,9 7,6 8,4 7,6 7,9 5,6 5,1 72,7

Št. oblačnih dni, oblačnost > 8/10

12,5 11,4 11,6 10,6 8,5 8,6 5,6 6,0 6,9 9,6 11,6 12,7 115,6

Višina padavin/mm

60 62 77 93 108 145 150 130 124 103 108 73 1233

Št. dni s snežno odejo ob 7. uri

18,2 10,9 5,9 1,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 4,3 11,1 51,5

Št. dni s padavinami =>1.0 mm

7,5 7,5 8,6 10,6 11,6 12,4 10,7 10,0 7,8 7,6 8,5 7,6 110,5

Št. dni z nevihto in grmenjem

0,0 0,0 0,2 0,7 1,9 2,8 3,9 2,9 1,3 0,3 0,3 0,0 14,4

Št. dni z meglo

3,8 2,9 1,9 1,0 0,5 0,2 0,3 1,4 4,3 6,3 4,2 3,1 29,9

http://hmljn.arso.gov.si/vreme/napovedi%20in%20podatki/velenje.htm


Na sliki 2.4 so prikazane temperature po mesecih v obdobju od 1961 do 1990 leta.

Slika 2.4: Povprečne temperature v referenčnem obdobju 1961 do 1990 za Velenje

Na sliki 2.5 je prikazana jakost sončnega obsevanja za Slovenijo v letu 2007; na sliki 2.6 pa so grafično predstavljene povprečne temperature zraka v obdobju od 1971 do leta 2000.

Slika 2.5: Jakost sončnega sevanja v Sloveniji2

2 http://www.razvojkrasa.si/640/popup.html [dostop:12.4.2008]

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

jan feb mar apr maj jun jul avg sep okt nov dec

Tem

pe

ratu

ra/°

C

meseci v letu

Povprečne temperature od 1961 ÷ 1990

tpov/°C

tpov,max/°C

tpov,min/°C

http://www.razvojkrasa.si/640/popup.html


Slika 2.6: Povprečna letna temperatura zraka v obdobju od leta 1971 - 20003

Poudariti je potrebno, da gre za povprečne dnevne vrednosti. V preglednici 2.4 so navedene solarne konstante in vrednosti dnevnega obsevanja na robu atmosfere za

povprečen dan v mesecih za zemljepisno širino L = 46°. Ker je Slovenija majhna, lahko v

preglednici 2.4 navedene vrednosti upoštevamo za celotno področje Slovenije. Preglednica 2.4: Vrednosti solarne konstante in dnevnega obsevanja na robu atmosfere

za zemljepisno širino L= 46°.4

mesec Gex Hex

W/m2 Wh/m

2 MJ/m

2

Januar 1 396 3 166 11,40

Februar 1 384 4 682 16,85

Marec 1 365 6 827 24,57

April 1 342 9 096 32,75

Maj 1 322 10 779 38,81

Junij 1 310 11 508 41,43

Julij 1 309 11 158 40,17

Avgust 1 320 9 805 35,30

September 1 340 7 720 27,79

Oktober 1 362 5 427 19,54

November 1 383 3 609 12,99

December 1 395 2 746 9,89

3 http://hmljn.arso.gov.si/vreme/podnebje/karte/karta4013.html [dostop:12.4.2008]

4 Sašo Medved:Zbornik strokovne delavnice Sonce & Zgradbe, Foton d.o.o.,Ljubljana 1992

http://hmljn.arso.gov.si/vreme/podnebje/karte/karta4013.html


2.3 Določitev sončnega obsevanja v rastlinjaku podjetja PUP Velenje d.d.

Osrednji rastlinjak podjetja PUP Velenje, d.d. je postavljen na precej odprti lokaciji v smeri JZ – SV. Zgrajen je iz štirih ladij, od katerih je ena namenjena prodajnemu centru. V okolici ni visokih zgradb, niti visokih dreves, ki bi metale senco na rastlinjak in s tem ovirale dostop svetlobe do rastlin.

Velikost rastlinjaka:

tlorisne mere: 48,7 m x 45,1 m

etažnost: pritlični, enoprostorski,

višinske kote:

- kota pritličja: 0,00 m - kota venca: 3,5 m

- kota slemena: 6,00 m.

Konstrukcija rastlinjaka:

Temelji rastlinjaka so pasovni armiranobetonski, nosilna konstrukcija je v celoti jeklena in antikorozijsko pocinkana, celotni objekt je zastekljen, streha je krita z varnostnim steklom.

Arhitektonsko oblikovanje:

Fasade: do višine 50 cm so zaščitene z AB parapeti, od te višine pa do vencev in strehe so v celoti zastekljene, nosilna kovinska konstrukcija je pocinkana in dekorativno pobarvana v zeleni barvi.

Strehe in kritina: strešine streh nad štirimi ladjami rastlinjakov so v naklonu 20°, slemena so v smeri JZ – SV, žlebovi med sosednjima strešinama imajo notranje odtoke ob nosilnih stebrih, kritina je varnostno kaljeno steklo v kovinskih okvirjih.

Iz literature 5 smo povzeli povprečne vpadne kote direktnega sončnega obsevanja in vrednosti faktorjev . Za streho smo upoštevali naklonski kot 30°, ker odstopanje ni

veliko, za stene pa kot 90°. Glede na usmerjenost rastlinjaka smo upoštevali podatke za JV in JZ. Omenjeni podatki so zbrani v preglednici 2.5.5

5 Damijana Meža, Vpliv sončne energije na mikroklimo v rastlinjakih, diplomsko delo, Maribor 2008


Preglednica 2.5: Povprečni vpadni koti direktnega sončnega obsevanja za rastlinjak PUP Velenje, d.d.

Smer JV,JZ Rdir,β

β 20° 90° 20° 90°

Januar 57 43 1,97 2,26

Februar 53 44 1,61 1,58

Marec 48 47 1,33 1,09

April 44 54 1,12 0,73

Maj 44 61 1,00 0,52

Junij 44 65 0,95 0,44

Julij 44 63 0,97 0,47

Avgust 44 57 1,06 0,63

September 44 50 1,24 0,92

Oktober 51 45 1,50 1,38

November 56 43 1,86 2,04

december 59 44 2,11 2,52

V preglednici 2.6 so navedeni povprečni vpadni koti difuznega in odbitega sončnega obsevanja na rastlinjak.

Preglednica 2.6: Vpadni koti difuznega in odbitega sončnega obsevanja za rastlinjak PUP Velenje, d.d.

β idif,β Rdif,β iodb,β Rodb,β

20 57 0,97 80 0,03

90 59 0,50 60 0,50

Za lažje načrtovanje rastlinjakov je potrebno razumeti dogajanje v rastlinjaku v fazi rasti in poznati potrebe rastlin, ki jih vzgajamo.


3 MIKROKLIMA V RASTLINJAKU [1]

V rastlinjaku moramo ustvariti ustrezno mikroklimo, da gojenim rastlinam ustvarimo optimalne pogoje rasti, ustrezno toploto in svetlobo, ki jo uravnavamo ročno ali računalniško vodeno.

Glavni dejavniki, ki učinkovito vplivajo na mikroklimo so:

osvetljenost,

temperatura zraka,

temperatura tal,

koncentracija ogljikovega dioksida,

vlažnost tal in zraka in

prezračevanje, z omejitvami, kot so:

maksimalna dovoljena osvetlitev, glede na temperaturo listov,

minimalna dovoljena temperatura notranje površine transparentne pregrade in

maksimalna dovoljena hitrost zraka.

3.1 Svetloba in osvetljenost [2, 3]

Svetloba je eden poglavitnih dejavnikov, ki omogočajo uspešno rast in velik pridelek. Zato je pogosto potrebno izvajati ukrepe, ki omogočajo ustrezno osvetlitev, na primer:

redno čiščenje kritine,

dopolnilna osvetlitev pri gojenju za svetlobo zahtevnejših rastlin oziroma pri gojenju na območjih, kjer je manj svetlobe in v svetlobno slabših obdobjih;

senčenje – zastiranje pri gojenju zahtevnejših vrtnin v obdobju s premočno osvetlitvijo in toploto. Le-to izvedemo z montažo raznih senčil – energijskih zaves ali tako, da prebarvamo steklo steklenjakov z apnenim mlekom, kar je potrebno ob vsakem močnejšem deževju obnoviti.

Jakost svetlobe v rastlinjaku je odvisna od kritine in vpadnega kota sončnih žarkov. Za večino rastlin, ki jih gojimo je potrebna osvetlitev najmanj 5000 do 6000 luksov in mora trajati 8 do 10 ur dnevno. Glede na proces fotosinteze se stopnja osvetljenosti določa z enačbo.

[mg CO2/(m

2s)] (3.1)

kjer so: A - intenzivnost fotosinteze

Amax - maksimalna intenzivnost fotosinteze za določeno rastlino

EE - intenzivnost osvetljenosti (lux)

E - trenutna stopnja osvetljenosti (lux).


Za vsako rastlino je mogoče izdelati diagrame, ki omogočajo določanje intenzivnosti fotosinteze v dejanskih okoliščinah osvetljenosti in kontrolo rasti rastline, slika 3.1. Fotosintezo listov rastline izražamo v enotah ogljikovega dioksida, ki je absorbiran na enoto lista v enoti časa, to je mg CO2/(m

2s).

Poleg intenzivnosti je za rastlino pomembna tudi osvetljenost. Od celotnega spektra vpadne svetlobe, le spekter nad 0,7 μm vpliva posredno na življenjske procese rastlin.

Slika 3.1: Intenzivnost fotosinteze v odvisnosti od osvetljenosti [4]

3.2 Temperatura zraka

Posebno pozornost je potrebno posvetiti ohranjanju optimalne temperature prostora zaradi rasti; in se izogibati neugodnim temperaturnim spremembam. V posebnih razmerah je dovoljen padec temperatur pod biološki minimum za 24 ur in dvig temperature nad biološki maksimum za 4 do 6 ur. Temperatura dobre rasti je odvisna od temperature zemlje, temperature sten, emisivnosti površine sten in infrardečega sevanja.

Povečanje intenzivnosti osvetlitve in temperature zraka vodi do povečanja fotosintezne aktivnosti, vendar le do neke mejne temperature, pri kateri prične aktivnost fotosinteze upadati, prične se proces respiracije.

Dnevno temperaturo uravnavamo v odvisnosti od sončnega sevanja in je običajno za 5 do 7°C višja kot nočna. Dnevna temperatura uravnava fotosintezno dejavnost rastline, nočna temperatura pa dihanje rastlin (porabo asimilantov). Razmerje med dnevno in nočno temperaturo vpliva na hitrost rasti, razvoj in količino pridelka. Najbolj kritičen je nočni čas, zato je potrebno narediti analizo relativne toplotne bilance na osnovi katere določimo povprečno temperaturo rastlin. Temperatura zemlje, ki večkrat v analizah ni bila upoštevana, je eden pomembnejših parametrov, saj vpliva na rast rastlin in jo je nujno potrebno natančneje preučiti, da lahko pravilno usmerimo energijo.

Na sliki 3.2 je prikazana sprememba temperature v rastlinjaku v pomladanskem času pri nominalni temperaturi 20°C, ki je primerna za vzgojo pelargonij.


Slika 3.2: Spremembe temperature v rastlinjaku pri nominalni temperaturi 20°C[5]

V času fotosinteze in ob koncu dneva je potrebno določeno obdobje maksimalnega ogrevanja, da omogočimo rastlinam, da absorbirajo in zadržujejo snovi, ki so potrebne za rast.

Količina potrebne energije je močno odvisna od podnebnega področja, kjer je rastlinjak, od potreb gojenih rastlin, od načina uporabe rastlinjaka, vrste prekrivala ter zunanje temperature.

V ugodnih razmerah prispe do površine tal rastlinjaka:

70 do 80% sončnih žarkov - poleti,

do 50% sončnih žarkov - pozimi.

Prepustnost prekrivala se zmanjša zaradi umazanije od 20% pa vse do 70% pri zelo umazani kritini.

Količino toplote, ki ostane v rastlinjaku, kot posledica sončnega sevanja, odvisno od vrste prekrivala, podaja preglednica 3.1.

Preglednica 3.1: Toplotna bilanca rastlinjaka odvisno od vrste prekrivala (J/cm), po

Vesneusu [2].

PE PVC Poliestrske in PVC plošče

Steklo

Količina sončne energije na prostem (zunaj objekta)

1 700 1 700 1 700 1 700

Količina energije, prispele v notranjost rastlinjaka

1 340 1 340 1 170 1 430

Izguba toplote - podnevi 230 130 0 0

Izguba toplote - ponoči 950 730 118 0

Ostanek energije v rastlinjaku (zjutraj)

170 486 1 060 1 430

0

5

10

15

20

25

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

tem

pe

ratu

ra/°

C

čas/h

sprememba temperature v rastlinjaku

temperatura


3.3 Temperatura tal

Potrebna temperatura tal v rastlinjaku je odvisna od faze razvoja rastline, intenzivnosti fotosinteze in temperaturnega ravnotežja rastline. Vrednosti za primer gojenja paradižnika navaja preglednica 3.2.

Preglednica 3.2: Optimalni razpon temperature koreninskega sistema za paradižnik [3]. Faza razvoja Optimalni interval temperature tal / K

Slaba osvetljenost Močna osvetljenost

Razvoj pred cvetenjem 286 ÷ 287 290 ÷ 293

Cvetenje 288 ÷ 289 292 ÷ 295

Razvita rastlina 293 ÷ 295 296 ÷ 298

3.4 Vlažnost tal in zraka

Sistem oskrbe vrtnin z vodo je odvisen od vrste rastline (transpiracijski koeficient je 350 do 700 L/kg suhe snovi vrtnine), območja razvitosti koreninskega sistema, kultivarja, obdobja pridelave in od tehničnih možnosti namakalnega sistema. Najprimernejša oskrba rastlin z vodo, pri gojenju v zavarovanem prostoru, je pri običajnem talnem gojenju, kapljični sistem v kombinaciji s sistemom zamegljevanja ali oroševanja. Sistem omogoča optimalno navlaženost talnega substrata v koreninskem območju, obenem pa je zrak primerno navlažen in pregretost listne površine zmanjšana.

Vlažnost zraka v rastlinjaku je eden glavnih pogojev za intenzivno fotosintezno aktivnost. Odstopanja od relativno ozkih intervalov optimalne vlažnosti zraka direktno vplivajo na razvoj rastline, najbolj je prizadeta faza cvetenja rastline.

Potrebna vlažnost tal za določeno kulturo je odvisna od skupnih potreb rastline in količine vlage, ki izpareva v zrak rastlinjaka. Sestava tal, način dotoka vode, razvejanost koreninskega sistema, temperatura tal, način obdelave tal in način razprostiranja vode v tleh so dejavniki, ki skupaj določajo potrebo rastline po vodi. Če dotok vode ni zadosten lahko pride do odpovedi samoregulacije temperature listne mase rastline in do pregrevanja, rastlina se lahko posuši in odmre. Priporočena hitrost gibanja zraka v območju rastlin je med 0,2 do 0,7 m/s, razen za nekatere rastline s posebnimi potrebami rasti.

3.5 Koncentracija ogljikovega dioksida

Fotosinteza listov se izraža v enotah CO2, ki ga določena površina absorbira v določenem času. Normalna koncentracija CO2 v atmosferi je 0,03%, v zaprtem prostoru pa je lahko koncentracija zelo spremenljiva. Pri nočnih pogojih, ko poteka temotna faza fotosinteze, koncentracija CO2 narašča, preko dneva, v svetlobni fazi fotosinteze pa se koncentracija CO2 zmanjšuje. V primeru močne osvetlitve pride do hitrega padca koncentracije ogljikovega dioksida, kar lahko močno vpliva na nadaljnji razvoj rastline. Priporočena je regulacija koncentracije ogljikovega dioksida. Zelo enostavna regulacija je mogoča s pomočjo reguliranega zračenja, kar pa je v zimskem času precej neugodno.

Vsi našteti dejavniki, ki določajo mikroklimo rastlinjaka direktno ali indirektno vplivajo na porabo energije v rastlinjaku. Čim natančnejše definiramo stanje optimalne mikroklime in zunanje pogoje, tem lažje lahko določimo toplotne potrebe rastlinjaka.


4 REGULACIJA KLIME V RASTLINJAKU [8,9]

Pri vzgoji rastlin je potrebno razen kratkoročnega tudi dolgoročno načrtovanje – slika 4.1, ker neprestano prihaja do klimatskih sprememb v rastlinjaku, sprememb na tržišču in obnašanju posevkov. Vse to zahteva hitre spremembe, ki lahko trajajo nekaj minut ali celo več tednov.

Slika 4.1: Shema načrtovanja

Podoben, vendar natančnejši pristop k poenostavitvi načrtovanja vzgoje rastlin v rastlinjaku podaja tri hierarhične stopnje optimiranja upravljanja. Zgornja, tretja stopnja zajema osnovne odločitve o vzgoji rastlin, kar ustreza taktičnemu načrtovanju iz slike 4.1. Srednji in spodnji nivo pa zajemata operativno načrtovanje. Spodnji nivo ima časovni razpon nekaj minut ali sekund. Zaradi zapletenosti druge stopnje je priporočena uporaba računalnika. V nalogi je predstavljena predvsem prva stopnja in delno druga stopnja. Na sliki 4.2 je predstavljena shema hierarhičnih nivojev optimiranja upravljanja rastlinjaka.

24 ur

dan - teden leto več let

Operativno

načrtovanje

Taktično

načrtovanje

Strateško

načrtovanje

Načrtovalna linija


Slika 4.2: Optimiranje upravljanja rastlinjaka

Optimiranje upravljanja rastlinjaka je omogočeno z regulacijo klime v rastlinjaku, ki lahko poteka na več načinov. Zaradi zunanje temperature, vlage, vetra, ki delujejo kot motnje, je potrebno narediti popravke. Zato je v proces potrebno uvesti regulacijo oz. regulacijske mehanizme, ki z ustreznimi aktivnostmi v rastlinjaku odpravijo negativne učinke motenj. Lahko je enostaven analogni vklop – izklop (on – off) termostat, ki prižiga ali ugaša grela. Lahko se uporabi tudi povratno – zančni ali »feedback« regulacijski sistem, ki meri regulirano spremenljivko (na primer temperaturo). Možna pa je tudi naprednejša vnaprejšnja ali »feedforward« regulacija, kje se merijo vhodne spremenljivke in se ne čaka, da se vpliv zunanjih motenj razširi po rastlinjaku, temveč ustrezno deluje še preden motnje spremenijo klimo v rastlinjaku.

tretja raven

Načrtovanje proizvodnje

feedback

nastavitev osnovnih vrednosti

parametrov

on – line nadzor omejitve

kriteriji za optimiranje

matematična pravila -

optimiranje

-

osnovni parametri

matematična pravila

matematični model za

simulacijo in optimiranje

nadzor klimatskih

parametrov

rastlinjak okoljski faktorji

prva raven

druga raven


4.1 Povratno - zančna in vnaprejšnja regulacija

Rastlinjak predstavlja prostor v katerem se dogaja proces. Meritve izhodne spremenljivke iz rastlinjaka (na primer temperatura, vlažnost…) se merijo z ustreznimi merilnimi instrumenti (nekaj je navedenih v preglednici 4.1.). Signal iz merilnega instrumenta se vodi nazaj v tako imenovani detektor napak. Tam se primerja izmerjena vrednost z želeno vrednostjo (nastavitveno točko – set point). Pogrešek ali napako dobimo

tako, da od nastavljene vrednosti preprosto odštejemo izmerjeno vrednost . Z

ozirom na pogrešek ε regulator spremeni manipulirano spremenljivko tako, da zmanjša

pogrešek. Večinoma to stori preko izvršilnega člena (ventil). Slika 4.3 prikazuje zaprto zanko. Učinek »feedback« - povratne regulacije je temeljit.

Slika 4.3: Zaprta "feedback" zanka6

Čeprav lahko navedena regulacija stabilizira nestabilni sistem, je lahko tudi dvorezen meč. V primerih, ko klimo v rastlinjaku spremenijo nekontrolirani faktorji, kot je na primer sevanje, zunanja temperatura, hitrost vetra in podobno, povratno – zančna regulacija ni vedno najbolj uspešna, ker ne prepreči zunanjih motenj dovolj hitro, temveč dovoli, da se motnja razširi po sistemu. Vnaprejšnja, »feedforward« regulacija lahko to prepreči za motnje, ki jih lahko merimo. Ta regulacija meri neposredno motnje in predvideva učinke teh motenj na klimo v rastlinjaku. Zaporedoma spremeni manipulirano spremenljivko tako, da popolnoma odpravi vpliv motnje na procesni izhod. Na sliki 4.4. je prikazana struktura regulacijske konfiguracije vnaprejšnje (a) in povratno – zančne (b) regulacije.

6 Zdravko Kravanja: Dinamika procesov, Zbrano gradivo; Maribor, februar 2004

Končni regulacijski

člen

m

Proces

y

d

Merilni instrument

ym

Regulator

-

ε ysp + ε


Slika 4.4: Struktura vnaprejšnje ali "feedforward" regulacijske konfiguracije7

Slika 4.5: Struktura povratno - zančne ali "feedback" regulacijske konfiguracije8

4.1.1 Funkcije regulatorja

Za učinkovito regulacijo klime v rastlinjaku je potreben ustrezen matematični model in poznavanje procesa v rastlinjaku. Naloga regulatorja je sprejeti merjeni izhodni signal in po primerjanju z želeno vrednostjo proizvesti signal tako, da se izhod

vrne k vrednosti . Regulatorjev vhod je torej , izhod pa . Vrste se

med seboj razlikujejo po načinu zveze med in . Signal je lahko pnevmatski za pnevmatske regulatorje ali električni za elektronske regulatorje. Ločimo proporcionalni regulator (P regulator), proporcionalno integrirni (PI) regulator ter proporcionalno – integrirno – diferecirni (PID) regulator.

Čeprav je PID regulator zelo pogost, se lahko uporabijo za posamezne primere tudi ostale kombinacije P, PI in PD regulatorjev. Slednji se v rastlinjakih največ uporabljajo za regulacijo temperature vroče vode za ogrevanje.

Ne glede na sistem se morajo nastavitvene vrednosti nastavljati brez težav, posebej

zjutraj, drugače težko sistem zadosti potrebam rastlinjaka.



Proces

Manipulirana spremenljivka

Motnja

Reguliran izhod

Regulator

Regulator Motnja

Proces

Manipulirana

spremenljivka

Reguliran izhod


Z regulacijo lahko poleg klime v rastlinjaku upravljamo tudi senčenje, ki ima prav tako posredni vpliv na klimo.

V preglednici 4.1 so predstavljeni okoljski parametri, ki jih je potrebno meriti za nadzor klime v rastlinjaku, ki je močno odvisna od zunanjih pogojev. Primer net radiometra s katerim lahko merimo sevanje je predstavljen na sliki 4.5.

Preglednica 4.1: Parametri za nadzor klime

Glavni parameter

Merske enote

Podenote Instrumenti Vplivi Opombe

Sevanje W/m

2

μmol/m2s

- globalno sončno sevanje PAR -temperatura neba

- piranometer - quantum senzor - net radiometer

- senčila - dan, noč

Če so karakteristike prenosa sevanja znane, se zunanje meritve poenostavijo, prihaja do interakcije med temperaturo in koncentracijo CO2.

Temperatura °C

- zunanja - notranja - v območju korenin - vode, cevi…

- termistor - termočlen - infrardeča termometrija

- grelniki; - ventilatorji; - sistemi za mešanje zraka

Potrebno je vključiti minimalno in maksimalno temperaturo, trenutno in povprečno temperaturo; ločitev dnevnega in nočnega režima; temperatura neba je potrebna za toplotno bilanco.

Koncentracija CO2

ppm μL/L; Pa; mmol/m

3

- zunanji - notranji

- infrardeči plinski analizator (IGRA)

- dodajanje CO2

Močna interakcija med sevanjem in temperaturo; potrebujemo trenutne in povprečne vrednosti.

Vlažnost kPa;

% relativna vlažnost;

- zunanja - notranja - rosišče

- psikrometer - lasni element

- vlažilni sistemi; - ogrevalni sistemi; - ventilatorji

Pomembne so interakcije med gretjem in prezračevanjem; potrebujemo trenutne in povprečne vrednosti.

Veter m/s; km/h

- zunanji; - hitrost in smer

- anemometer prezračevanje

Interakcija med temperaturo in prezračevanjem. Potrebne so povprečne in ekstremne vrednosti.

Slika 4.6: Net radiometer9

Dominantni parameter je temperatura, sledita pa vlažnost in koncentracija CO2.

9 http://en.wikipedia.org/wiki/Net_radiometer[10.12.2010]

http://en.wikipedia.org/wiki/Net_radiometer


Za merjenje temperature se uporabljajo temperaturni senzorji. Najpogostejši so termočleni, uporovni termometri in termistorji. Osnovno dinamično obnašanje je odvisno od tega, kako je upor proti toplotnemu prenosu lociran glede na ohišje temperaturnega senzorja. Na sliki 4.6 sta prikazani shemi termočlena z zunanjim (a) in zunanjim ter notranjim (b) uporom.

(a) (b) Slika 4.7: Termočlen z zunanjim uporom (a), termočlen z zunanjim in notranjim uporom (b)10

Notranja klima v primerjavi z zunanjo vključuje širi parametre, ki so predstavljeni v nadaljevanju.

Hitrosti vetra so običajno manj kot 1m/s, pogosto manj kot 0,04 m/s, zunaj pa hitrost vetra običajno presega 1m/s. V rastlinjaku so hitrosti vetra redko preko 0,3 m/s, razen pri prezračevanju in delovanju grelcev.

Zaradi rastlin je vlažnost v rastlinjaku večja kot zunaj. Relativna vlažnost mnogokrat preseže 90% in 100% (nasičenost), še posebej ob sončnem zahodu. Primanjkljaj tlaka vodne pare bo vedno manjši od 0,5kPa. Vrednosti manjše od 0,3 kPa imajo neugoden učinek na rastlinje. Posebna pozornost je potrebna pri zmanjševanju oziroma preprečevanju odvečne vlažnosti, da se vlaga ne kondenzira na občutljivih rastlinah.

Koncentracija CO2 se tekom dneva zmanjšuje do vrednosti okoli 100 ppm, razen če se CO2 injicira v rastlinjak.

Sevanje je v rastlinjaku vedno nižje kot zunaj (običajno med 60 do70% zunanjega), zato je potrebno izbrati sestavo in kritino rastlinjaka tako, da poveča vstopno energijo sevanja. Dodatno sevanje zagotovimo z dodatno energijo v dneh, ko ni veliko sončnega sevanja.

Temperaturni razpon je običajno med 5 in 30°C. Najpomembnejši vpliv na rastline je v intervalu 15 do 25°C.

10

Zdravko Kravanja: Dinamika procesov, Zbrano gradivo; Maribor, februar 2004


5 TOPLOTNA BILANCA [10, 11, 12]

Toplotno okolje rastlinjaka temelji na razliki med energijo, ki je vstopila v rastlinjak in energijo, ki rastlinjak zapušča. Energijska vira sta dnevno sončno sevanje in dodatne ogrevalne naprave. Potrebno je narediti toplotno bilanco med toplotnimi viri in med izgubami toplote, da lahko vzdržujemo želene klimatske razmere.

Na toplotno bilanco rastlinjaka vplivajo:

sonce, s kratkovalovnim sevanjem;

prostor rastlinjaka, z izmenjavo dolgovalovnega sevanja v toplotno sevanje;

zunanja okolica, izmenjava toplotnega sevanja;

zračni tokovi, ki pritekajo v rastlinjak;

zrak v rastlinjaku;

tla in rastlinska odeja v rastlinjaku; (nastaja izmenjava toplote s sevanjem notranjih sten rastlinjaka, prehod toplote na notranji zrak in evaporacija ter transpiracija).

5.1 Termično ravnotežje – analizna metoda

Izračun temelji na sledečih predpostavkah:

temperatura zemlje v rastlinjaku in okolice je enotna horizontalno ( in ), temperatura zraka v rastlinjaku in okolice je enotna vertikalno in horizontalno

( in ); temperatura transparentne stene ( ) je enotna;

stena je brez termične inercije;

zemlja in stena sta sivi telesi;

rastlinjak je brez vegetacije.

Toplotne potrebe rastlinjaka, enačba (5.1) določajo:

toplotni tok, potreben, da se segreje obnovljeni zrak ( );

toplotni tok, potreben, da se ohrani vlažnost obnovljenega zraka ( );

toplotni tok, potreben, da se nadomesti izgube toplote, nastale pri izmenjavi

toplote z zemljo ( );

toplotni tok, potreben da nadomesti izgube skozi transparentno kritino ( ).

(5.1)


5.2 Toplotna bilanca svežega zraka

Količina svežega zraka je odvisna od vrste rastlinjaka, od njegove prepustnosti za zunanji zrak in od pogojev prezračevanja.

Pod pojmom infiltracija svežega zraka razlikujemo:

nekontrolirane vdore zunanjega zraka v rastlinjak,

kontrolirane vdore zunanjega zraka v rastlinjak.

Pri navadnih rastlinjakih se nekontrolirani vdori zraka izražajo s številom skupne prostornine rastlinjaka na enoto časa (prost. rast./h) – enačba (5.2.):

[prost. rast./h] (5.2)

kjer so: a,b - empirični konstanti odvisni od dosežene zatesnjenosti rastlinjaka, smeri vetra in višine rastlinjaka;

v - hitrost vetra.

Empirično zvezo sprememb nekontroliranih vdorov zraka (R), odvisno od spremembe hitrosti in smeri vetra podaja enačba (5.3.),

(5.3)

kjer sta: c - korekcijski faktor vpadnega kota zračnih tokov,

v - hitrost vetra.

Toplotni vpliv infiltriranega zraka izračunamo z enačbo (5.4.),

[W] (5.4)

kjer so: - skupna toplotna obremenitev infiltriranega zraka (W),

- občutna toplotna obremenitev (W),

- latentna toplotna obremenitev (W),

- prostornina rastlinjaka (m3),

- entalpija notranjega zraka (kJ/kg),

- entalpija zunanjega zraka (kJ/kg),

- količina infiltriranega zraka (prost.rast./h),

- gostota notranjega zraka (kg/m3)

- gostota zunanjega zraka (kg/m3)

V izračunu ne upoštevamo vpliva kondenzacije na stenah rastlinjaka.

5.3 Toplotne potrebe zaradi konvekcije

Za enostavnejše izračune predpostavimo, da je koeficient prehoda toplote zaradi konvekcije med notranjim zrakom, zemljo in stenami rastlinjaka konstanten. Toplotno obremenitev zaradi konvekcije izračunamo z enačbo (4.5):

(5.5)

kjer so: - celotni toplotni tok zaradi konvekcije (W),


- toplotne izgube zaradi konvekcije z zemljo (W),

- toplotni tok zaradi konvekcije s transparentno kritino (W),

- koeficient prehoda toplote s sten in zemlje na notranji zrak (W/m2),

- površina tal v rastlinjaku (m2),

- površina zunanjih sten (m2),

- temperatura tal v rastlinjaku (K),

- temperatura zraka v rastlinjaku (K),

- temperatura sten (K).

Za izračun moramo poznati:

- temperaturo transparentnih sten,

- temperaturo notranje površine transparentne stene (K),

- temperaturo zunanje površine transparentne stene (K),

Za rastlinjake z dvojno steno velja enačba (5.6).

(5.6)

Enačbo (5.6) je potrebno korigirati z upoštevanjem vpliva vetra, za kar uporabimo enačbo (5.7).

[W/m2K] (5.7)

kjer sta: - koeficient prestopa toplote med transparentno steno in zunanjim

zrakom zaradi vpliva vetra (W/m2K),

- hitrost vetra (m/s).

V primeru prenosa toplote s prevodom iz notranje na zunanjo površino stene, izračunamo toplotni tok z enačbo (5.8).

(5.8)

kjer sta: - toplotna prevodnost stene (W/mK),

- debelina stene (m).


6 VPLIV SEVANJA TRANSPARENTNE STENE NA TOPLOTNO BILANCO [11, 12]

Za določitev toplotne bilance je potrebno analizirati dnevni in nočni režim delovanja rastlinjaka. Toplotna bilanca omogoča definiranje temperature transparentne stene in temperaturo tal v rastlinjaku brez vegetacije.

6.1 Nočni režim

V splošnem primeru, če sprejema stena sevanje iz notranjosti rastlinjaka, izračunamo toplotne izgube zaradi sevanja z enačbo (6.1).

(6.1)

kjer so: - faktor emisivnostni transparentne stene za steklo (0,94 do 0,98);

- faktor emisivnostni zemlje brez rastlin (0,97);

- Stefan-Bolzmanova konstanta (5,67·10-8 W/m2K).

Enačba (6.1) velja v primeru, če stena absorbira infra rdeče sevanje, ki ga emitira zemlja. Če je absorptivnost sten ( ) manjša ali enaka ena, velja enačba (6.2).

(6.2)

Toplotni tok sevanja sten na zunanji zrak okolice izračunamo z enačbo (6.3).

(6.3)

kjer so: - kotni, brezdimenzijski faktor, odvisen od zemlje in sten rastlinjaka.

- temperatura zemlje izven rastlinjaka (K)

- temperatura neba (K), ki ga obravnavamo kot črno telo, s faktorjem emitivnosti ena.

V primeru rastlinjakov s konveksnimi stenami izračunamo z enačbo (6.4).

(6.4)

kjer je: - razmerje med površino sten kritine in pokrite površine ( ).

- kotni brezdimenzijski faktor, med steno rastlinjaka in zunanjo atmosfero;

V primeru konveksnih sten ga izračunamo z enačbo (6.5).

(6.5)


Temperatura neba je odvisna od temperature zraka na površini zemlje in njegove relativne vlažnosti in jo lahko izračunamo z Brantovo enačbo (6.6).

(6.6)

kjer je: (mbar) - parcialni tlak vode v zunanjem zraku, pri temperaturi .

Z upoštevanjem vseh predhodnih navedb, lahko zapišemo sledeče:

Stena sprejema toplotni tok iz notranjosti s konvekcijo in sevanjem - enačba (6.7).

(6.7)

Toplotni tok s kondukcijo prevaja stena od notranje k zunanji površini - enačba (6.8).

(6.8)

Zunanja površina transparentne stene oddaja toplotni tok s konvekcijo in sevanjem nebesnemu svodu - enačba (6.9).

(6.9)

Ker imajo stene zanemarljivo majhno inercijo, velja enakost (6.10):

(6.10)

Če namesto vrednosti , in pišemo dobimo tri neznane fizikalne veličine,

toplotni tok - , temperaturo zunanje stene - in temperaturo notranjih sten - . Temperatura zemlje izven rastlinjaka - in temperatura tal v rastlinjaku - , sta lahko merljiva parametra. Reševanje sistema enačb s tremi neznankami zahteva določen čas.

V primeru rastlinjakov z velikim toplotnim uporom (dvojna stena), lahko račun poenostavimo z uvajanjem fiktivne temperature v sredini stene rastlinjaka – enačba

(6.11).

(6.11)

Koeficient prehoda toplote notranje stene - , v enačbi (6.7) zamenjamo z izrazoma (6.12) in (6.13).

(6.12)

(6.13)

kjer je: - globalna vrednost, ki se nanaša na dvojno steno.

Poenostavitev ne spremeni količine toplote, ki se prenese s konvekcijo, vendar pa pri prehodu toplote s sevanjem ta način ni dovolj natančen.


6.1.1 Poenostavljeni izračun toplotne bilance v rastlinjaku z omejitvami, ki jih predstavljajo tanjše transparentne stene z zmanjšanim termičnim uporom

V primeru enojne stene moramo upoštevati, da sta temperaturi stene v rastlinjaku in zunaj njega enaki. Osnovna enačba (6.14) predstavlja toplotno bilanco.

(6.14)

kjer so: - površina tal v rastlinjaku,

- temperatura transparentnih sten,

- površina zunanjih sten,

- temperatura zemlje zunaj rastlinjaka.

V primeru standardnih rastlinjakov s konveksno streho lahko razmerje med površino sten in površino tal izračunamo s pomočjo enačbe (6.15).

(6.15)

Enačba (6.14) dobi z uvedbo razmerja obliko (6.16).

(6.16)

Enačbo (6.16) lahko napišemo v obliki, ki jo predstavlja enačba (6.17).

(6.17)

kjer so:

(6.18)

(6.19)

(6.20)

Temperaturo stene dobimo z iteracijo enačbe (6.21).

(6.21)

kjer sta: in večja od nič, izraz pa je manjši od nič.

Krivulja funkcije se povečuje za pozitivne vrednosti temperature.

6.1.2 Potrjene hipoteze za temperaturo tal v rastlinjaku in zunaj rastlinjaka

Tekom dneva površinski sloj zemlje absorbira sončno sevanje, ki se ponoči deloma vrača nazaj. Posledično temperatura zemlje variira v skladu z dnevnim režimom. Na določeni globini - 1,5m temperatura zemlje - , niha zelo malo, samo v skladu z dnevnimi spremembami zunanje temperature.

Eksperimentalni podatki so potrdili sledeče:

V zimskem obdobju je temperatura zemlje - , višja kot povprečna temperatura

zunanjega zraka, kar pomeni, da zemlja predaja toploto zraku v okolici.


V poletnem obdobju je temperatura zemlje nižja od temperatura zunanjega zraka, kar pomeni, da zemlja prejema toploto iz okolice.

Za nočni režim velja, da je temperatura zemlje - , višja od zunanje temperature zraka.

6.1.2.1 Temperatura tal zunaj rastlinjaka – poenostavitve

Pozimi in ponoči zemlja teži k temu, da okolici predaja določeno količino toplote. Ob predpostavki, da je temperatura zemlje izven rastlinjaka - , enaka temperaturi zunanjega zraka - , je količina toplote, ki se prenaša iz zemlje enaka nič, toplotne izgube rastlinjaka pa se povečajo.

6.1.2.2 Temperatura tal v rastlinjaku - poenostavitve

Temperatura v rastlinjaku - , se določa v skladu z vrsto gojenih rastlin. Vse dokler se zemlja segreva do temperature zraka v rastlinjaku ne moremo predpostaviti izenačitve teh temperatur. V povprečju je temperatura zraka v rastlinjaku večja od temperature zemlje v njem. Za izračun temperatur zemlje izven rastlinjaka in v rastlinjaku je potrebno analizirati toplotno bilanco zemlje, ki jo lahko zaradi velike toplotne inercije, izrazimo s Fourierjevo diferencialno enačbo (6.22).

(6.22)

Enačbo lahko rešimo numerično, če poznamo vse karakteristike tal, kar pa je v praksi zelo težko. Zato je potrebno upoštevati poenostavitve:

V primeru zelo dolgih rastlinjakov, kadar je razmerje med dolžino in širino večje ali enako pet, predpostavimo, da imajo tla neskončno prevodnost; in da so temperature zunanjih in notranjih tal ter temperatura zunanjega zraka enake.

Kadar zemlja ne deluje kot neskončni prevodnik, lahko zapišemo toplotno bilanco površine tal.

Toplotni tok, ki ga tla prejemajo je enak vsoti toplotnega toka, ki je akumuliran v tleh in toplotnemu toku proti stenam rastlinjaka. Velja enačba (6.23).

(6.23)

kjer je: - prepustnost transparentne stene,

- toplotni tok sonca.

Enačbo (6.23) lahko zapišemo tudi v obliki (6.24).

(6.24)

kjer so vrednosti , in določeni z enačbami (6.25), (6.26) in (6.27).

(6.25)

(6.26)

(6.27)

Toplotni tok sonca - , je odvisen od toplotne inercije zemlje, zalivanja, vrste kulture, ki jo gojimo itd.. Za idealno izolirana tla je toplotni tok sonca enak nič. V primeru gojenja tradicionalnih kultur nihajo vrednosti gostote toplotnega toka sonca med 25 in 35 W/m2.


Enačbe (6.24), (6.25), (6.26) in (6.27) omogočajo iterativni izračun temperature sten in temperature tal v rastlinjaku.

6.1.3 Izračun rastlinjaka z dvojno steno – izboljšanje toplotnega upora

Ker se stena definira brez termičnega upora lahko njeno toplotno bilanco izrazimo z uporabo hipotez, da stena prejema toplotno energijo z notranje površine stene, , ki je

enaka toploti, ki se je prenesla od notranje površine stene na zunanjo površino, . Notranja površina izmenja toploto s konvekcijo z zrakom v rastlinjaku in sevanjem zemlje, kar lahko zapišemo z enačbo (6.28).

(6.28)

Ker stena s kondukcijo prenaša toploto od notranje k zunanji površini stene, lahko toploto, ki se prenaša na zunanjo steno izračunamo z enačbo (6.29).

(6.29)

kjer je: - toplotna prevodnost sten rastlinjaka.

Zunanja površina sten nato izmenja toploto s konvekcijo z zunanjim zrakom in sevanjem neba in tal izven rastlinjaka. To toploto izračunamo z enačbo (6.30).

(6.30)

Če predpostavimo, da so vsi toplotni tokovi enaki toplotnemu toku sonca - velja enačba (6.31).

(6.31)

Če poznamo temperaturo tal v rastlinjaku in izven njega se lahko toplotna bilanca zapiše s sistemom treh enačb s tremi neznankami ( , in ), ki jih je mogoče določiti z iteracijo.

6.2 Dnevni režim

Pri zapisu toplotne bilance, kot posledice sevanja tekom dneva predpostavimo enotno temperaturo tal v in izven rastlinjaka.

Nebo obravnavamo kot črno telo z imaginarno temperaturo , ki je odvisna od temperature v nižji atmosferi - . Medsebojno odvisnost obeh temperatur podaja enačba (6.32).

(6.32)

Če poznamo površino sten, ki absorbirajo sevanje, je dovolj poznati količino toplote, ki jo stene prejmejo, da izpopolnimo predhodno izražene enačbe s parametrom, ki predstavlja moč sevanja, ki prihaja s transparentne površine. Za poenostavitev izračuna lahko uporabimo Lambertov zakon, ki pravi, da nebo enakomerno seva, da se vidno sevanje pretvori v infrardeče sevanje, in da moramo upoštevati kotne faktorje med steno in nebom. Poenostavitev dosežemo tudi s predpostavko, da transparentne stene omogočajo popolno in enakomerno razsipanje svetlobe.


Za izračun toplotnega toka - , ki ga sprejema stena moramo upoštevati albedo (odbojnost) Zemlje za vidno sevanje in tudi notranji vpliv sten na sistem, kar opisuje enačba (6.33).

(6.33)

kjer so: - toplotni tok, ki ga prejema transparentna stena,

- albedo (za tla brez rastlin znaša 0,10 do 0,25, z rastlinami znaša 0,15 do 0,30);

- koeficient absorpcije transparentne stene za vidno sevanje,

- jakost sončnega sevanja, ki ga merimo na horizontalni površini

rastlinjaka (W/m2),

- kotni brezdimenzijski faktorji.

Toplotni tok - povzroči spremembe temperature, zraka in tal v rastlinjaku ter temperaturo sten, ne more pa vplivati na zmanjšanje moči nočnega gretja v zimskem času. Lahko trdimo, da del neba - , z emisivnostjo - , pošilja sivi površini z merami , določeno količino energije. Ker imajo stene rastlinjaka zanemarljivo majhno toplotno inercijo, velja enačba (6.34).

(6.34)

Površina rastlinjaka prejme direktno sevanje , ker se določen odstotek (n) sevanja absorbira, preostanek pa transmitira, zato ni potrebno upoštevati faktorja refleksivnosti. Transmitirani del sevanja znaša .

Del prenesene energije se vrača na steno iz notranjosti, s pomočjo kotnih faktorjev notranjih sten ( ). Pri navedenih pogojih se kotni faktor na notranji steni lahko izračunamo z enačbo (6.35).

(6.35)

Če upoštevamo sekundarno emitiranje , velja, da transparentna stena prejme

sevanje . Stene prejemajo od zemlje v rastlinjaku energijo, ki je

odvisna od albeda. Potek dogajanj je sledeč: notranja tla prejemajo od zunanje površine stene določeno količino energije, ker ni inercije, velja enačba (6.36).

(6.36)

Ker je vrednost faktorja , bo ta parameter prejel , absorbiral , in vrnil k steni energije. Stena na koncu absorbira

energije. Seveda obstaja tudi vpliv zemlje izven rastlinjaka, ki ga

upoštevamo z izrazom .

6.2.1 Temperatura tal v rastlinjaku - poenostavitev

Hipoteza o površini tal, kot neskončnem prevodniku, ki lahko dopušča maksimalne toplotne izgube tekom noči, v dnevnem ciklu ne velja več. V tem primeru je boljše, če predpostavimo, da je zemlja delni ali popolni izolator.

Ustrezno toplotni bilanci tal, ki je zapisana z enačbo za izolirana tla (6.24), lahko v tem primeru zapišemo z enačbo (6.37).

(6.37)


Od izraza C odštejemo toplotni tok, , ki ga absorbira zemlja.

6.2.2 Energija, ki jo rastlinjak prejme preko dneva od sten

Skupno energijo, ki jo rastlinjak sprejme preko dneva od sten zapišemo z enačbo (6.38).

(6.38)

kjer sta: - sončno sevanje, ki ga absorbira zunanja površina transparentne stene,

- sončno sevanje, ki ga absorbira notranja površina transparentne stene.

Pri določitvi toplotne bilance stene, moramo toplotnemu toku, ki ga prejme notranja površina stene dodati sončno sevanje, ki ga absorbira notranja površina stene in sončno sevanje, ki ga absorbira zunanja površina stene, da se uravnoteži s toplotnim tokom, ki izhaja skozi zunanjo površino stene. Veljajo enačbe (6.39), (6.40), (6.41) in (6.42).

(6.39)

(6.40)

(6.41)

(6.42)

kjer so: - toplotni tok, ki se iz notranjosti rastlinjaka prenaša na transparentno kritino;

- toplotni tok skozi stene,

- toplotni tok, ki ga sprejme okolica od sten rastlinjaka.

V primeru rastlinjaka z zelo tankimi stenami je temperatura sten v rastlinjaku enaka temperaturi sten zunaj rastlinjaka. Sistem enačb (6.39), (6.40) in (6.41) lahko poenostavimo na eno enačbo (6.43).

(6.43)

Rešitev enačb dnevne toplotne bilance omogoča izračun temperature sten, notranje

temperature, izgube toplote zaradi konvekcije z zemljo, izgube toplote skozi stene ( ) ter količino toplote, ki je nujna za zagotavljanje ustreznih klimatskih razmer v rastlinjaku. Če je toplota večja od nič, je potrebno gretje, če je manjša od nič se gretje ustavi in prične zračenje ali hlajenje rastlinjaka.

Izračuni toplotnih tokov z omenjenimi hipotezami (tla kot neskončni prevodnik in kot popolnoma izolirana tla), nam dajejo dva parametra toplotne disperzije, za prekomerno toploto in ko toplote ni.

Toplota, ki jo prejme rastlinjak od sonca se spreminja v skladu s stanjem zemlje in je vedno med dvema skrajnima omenjenima vrednostima med 25 in 35 W/m2, kar omogoča dober izračun toplotne bilance rastlinjaka.


7 ZMANJŠANJE TOPLOTNIH IZGUB [6, 11, 13]

Zmanjšanje toplotnih izgub in prihranke toplotne energije v rastlinjakih lahko dosežemo na različne načine. V primeru klasičnega ogrevanja, lahko energijo prihranimo tako, da toploto dovajamo samo v območje gojenih rastlin in s tem preprečimo dvigovanje toplega zraka v višje plasti rastlinjaka. Za zmanjšanje toplotnih izgub pa je potrebno povečati učinek sončnega sevanja. V nadaljevanju so analizirani različni načini zmanjševanja toplotnih izgub glede na toplotne izmenjave.

7.1 Izgube zaradi konvekcije

Najenostavnejša metoda zmanjšanja toplotnih izgub je uporaba dvojnih prosojnih sten, med katerima kot izolator deluje zrak. V nadaljevanju je na primeru vzorčnega rastlinjaka predstavljen izračun prednosti dvojne stene. Največjo oviro predstavljajo toplotni mostovi, ki se jim skoraj ni mogoče izogniti. Pri uporabi kritine z dvojno steno bo učinek tople grede večji.

Če je rastlinjak zaščiten pred vetrom se zmanjšajo konvektivne toplotne izgube. To je mogoče doseči z naravno zaščito (lahko posadimo drevje) ali z umetno zaščito, tako da uporabimo mreže ali plastične pregrade.

7.2 Izgube zaradi vdora zunanjega zraka

Rastline za rast ne zahtevajo zračenja, zato vsak vdor zunanjega zraka predstavlja izgubo energije. Če je rastlinjak popolnoma tesen je izgube mogoče zmanjšati za 10 do 30%. Rastlinjak mora biti prepusten za zunanji zrak do 0,5L/h. Večina obstoječih rastlinjakov prepušča 3,5 do 4,5L/h zraka.

7.3 Izgube zaradi hlajenja pri prezračevanju

Obstajajo različne rešitve s katerimi zmanjšujemo izgube zaradi prezračevanja. Možen način je uporaba odbojnih površin, ki odbijajo infra-rdeče sevanje. So samo iz plastičnih materialov in jih lahko razprostremo zunaj ponoči, da zaščitimo rastline. Ostale ekonomične rešitve so zasnovane na uporabi zaščitnih zaslonov iz plastičnega materiala, ki odbija svetlobo tako, da omejuje učinek sevanja na nižje periferne dele rastlinjaka.

Med zimsko sezono so pogoji za rast rastlin neugodnejši ob zunanjih stenah, ker je izmenjava zraka večja. V teh primerih je mogoče uporabiti aluminijaste trakove, ki odbijajo infra – rdeče valovne dolžine. Možna je tudi uporaba specialnega dvojnega stekla, ki vsebuje bakrov oksid, kar pa vsekakor sistem.


7.4 Zmanjševanje izgub zaradi stratifikacije

Najtoplejši zrak se akumulira na najvišjih predelih rastlinjaka, kar škodi rastlinam, ki se običajno nahajajo na višini 1 do 1,5m. Za zmanjšanje te akumulacije se uporablja sistem mešanje zraka. Zunanji zrak se prenaša s pomočjo cevi, ki se nahajajo v bližini najvišje točke in izhaja skozi odprtine z veliko hitrostjo. Tako dobimo mešanico toplega in hladnega zunanjega zraka ter s tem istočasno zmanjšujemo temperaturo v višjih delih rastlinjaka, izgube zaradi transmisije ter večjo enotnost temperature po celem rastlinjaku. Sistem mešanja se lahko uporabi tudi za injiciranje ogljikovega dioksida.

7.5 Gretje z vodo za zalivanje

Zalivanje pridelka z relativno hladno vodo preprečuje pravilno rast nekaterih rastlin, ker povzroča zmanjševanje optimalne temperature med 20 od 30°C. To lahko preprečimo z neznatnim segrevanjem vode za zalivanje. S koriščenjem sončne energije lahko to izvedemo z uporabo ustreznih toplotnih izmenjevalnikov.

7.6 Pasivna izraba sončne energije

Sončno energijo lahko na pasiven način uporabimo:

za ogrevanje betonskih tal v rastlinjaku ali

za ogrevanje vode v širokih polietilenskih ceveh.

Učinek pasivne energije je večji, če uporabimo energijsko zaveso ali večplastno prekrivanje, tako da zmanjšamo izgubo energije skozi kritino.

7.7 Skladiščni sistemi toplote

Skladiščni sistemi so odvisni od načrtovane vzgoje rastlin. Delimo jih v dva glavna sistema:

rastlinjaki s kulturami, ki jih gojimo direktno na tleh in

rastlinjaki z rastlinami v lončkih.

7.7.1 Vloga solarnega sezonskega zbiralnika toplote v rastlinjaku

Zbiralnik toplote mora zagotoviti akumulacijo toplote preko letnih mesecev, ki so najbogatejši s sončnim sevanjem, da se lahko pokrijejo potrebe po toploti v mesecih revnejših s sončnim sevanjem. Dnevno zagotovi osnovne toplotne potrebe za pokrivanje toplotnega deficita tekom nočnega režima. S takšnim zbiralnikom lahko tudi zmanjšamo toplotno izgubo v okolico zaradi toplotnega ponora v tla.

7.7.2 Elementi in dimenzije sezonskega toplotnega zbiralnika v tleh

Sezonski toplotni zbiralnik v tleh omogoča enostavno in poceni konstrukcijo s preizkušenimi tehnologijami in materiali. Omogoča izkoriščanje velikih akumulacijskih prostornin in s tem velike količine razpoložljive toplotne energije. Elementi in dimenzije sezonskega akumulatorja toplote se izbirajo glede na

površino tal pod rastlinjakom;

toplotne potrebe potrošnika in


tehnično in ekonomsko upravičenost tehničnih rešitev in materialov napeljave in termoizolacije akumulatorja.

7.7.3 Aktivna izraba sončne energije

V aktivnih sistemih za izrabo sončne energije uporabljamo posebne zbiralnike, ki se polnijo z energijo dobljeno s sončnimi celicami ali toplotnimi črpalkami. Iz zbiralnika toplote se segreta voda transportira s pomočjo regulacijskega sistema po razvodnem sistemu v prostore, namenjene za gojenje rastlin.

Polnjenje zbiralnika poteka z odvzemanjem toplote iz zraka rastlinjaka s pomočjo talnega prenosnika toplote. Za stacionarno stanje velja enakost - enačba (7.1):

(7.1)

Na osnovi enačbe (6.1) je mogoče z integracijo po celi površini prenosnika toplote izračunati povratno temperaturo zraka, . Toplotno energijo, ki prehaja iz zraka v toplotni zbiralnik izračunamo z enačbo (7.2):

[W] (7.2)

V sezoni rasti, ko postane temperatura zraka v rastlinjaku ( ) nižja od temperature prvega sloja v toplotnem zbiralniku, pride do procesa odvzema toplote iz zbiralnika.

7.8 Sistemi ogrevanja

Glavni sistemi ogrevanja v rastlinjaku so:

zračni sistemi z razvodnimi cevmi,

toplovodni sistemi,

podzemni sistemi (sistemi s plastičnimi cevmi, ki so nameščene v tleh rastlinjaka ali večslojna betonska plošča z akumulirano vodo),

kombinirani sistemi,

električno ali plinsko ogrevanje,

sončna energija, termalne ali odpadne tehnološke vode.

Avtomatizirani načini gretja so prilagodljivi hitrim spremembam temperature.

Obravnavani rastlinjak je iz kovinske konstrukcije, prekrit z enojnim kaljenim steklom in strešno ventilacijo, ki je avtomatsko uravnana. Ogrevalna napeljava sestoji iz cevnih ogrevalnih teles, razporejenih vzdolž vrst. Toplotni izvor je toplotna energija iz omrežja toplovoda, kjer se koristi temperatura povratnega voda (75°C/55°C). Na sliki 7.1 je fotografija toplotne postaje v rastlinjaku podjetja PUP Velenje, d.d..

Priključna moč znaša 11,87 kW in predstavlja maksimalno porabo toplotne energije toplotnih naprav v rastlinjaku v eni uri, pri računski minimalni zunanji temperaturi minus 20 oC. Priključna moč je določena v watih (W) na osnovi tehničnih navodil, tehnične dokumentacije in soglasij za priključitev toplotnih naprav na omrežje toplovoda.


Slika 7.1: Toplotna postaja podjetja PUP Velenje d.d.

Glavni in edini distributer toplotne energije, ki jo proizvaja TEŠ, je Komunalno podjetje Velenje – poslovna enota Energetika. Ta poslovna enota, ki ima priključno moč konzuma 265 MW in obračunskega konzuma 219 MW, deluje na štirih različnih tlačnih in temperaturnih režimih. S svojim distribucijskim omrežjem dolžine 141,5km, oskrbuje 90% prebivalcev Šaleške doline, vključno z oddaljenimi naselji. V magistralnem omrežju, ki se razteza vzhodno in zahodno od TEŠ, kroži s pomočjo obtočnih črpalk maksimalno 2115 m3 vroče vode na uro, s temperaturo 140 °C in nato ohlajeno na 80 °C.

Dobljena toplotna energija se prenaša v rastlinjak po grelnih telesih. Pomembno je, da so grelna telesa čim manjša, da zavzamejo čim manj površine rastlinjaka in oddajo čim več toplote na enoto grelne površine ter, da jih je lahko vzdrževati. Uporabljene so gladke kovinske cevi v katerih se pretaka ogreta voda z nižjimi do srednje visokimi temperaturami (od 20 °C do 45 °C). Kadar so ohladitve premočne, je potrebno dodatno ogrevati z grelniki na topel zrak.


8 VZORČNI PRIMER OGREVANJA RASTLINJAKA

8.1 Osnovni podatki

Predmet raziskave oziroma izračunov je rastlinjak na sliki 8.1, predviden za gojenje pelargonij in postavljen na precej odprti lokaciji v smeri JZ – SV. Zgrajen je iz štirih ladij, od katerih je ena namenjena prodajnemu centru. V okolici ni visokih zgradb, niti visokih dreves, ki bi metale senco in s tem ovirale dostop svetlobe do rastlin. Temelji rastlinjaka so pasovni armiranobetonski, nosilna konstrukcija je v celoti jeklena in antikorozijsko pocinkana, celotni objekt je zastekljen, streha je krita z varnostnim steklom.

Fasade do višine 50 cm so zaščitene z AB preparati, najprej do vencev in strehe pa so v celoti zastekljene, nosilna konstrukcija je pocinkana in dekorativno pobarvana v zeleni barvi.

Strešine streh nad štirimi ladjami rastlinjakov so v naklonu 20°, slemena v smeri JZ – SV, žlebovi med sosednjima strešinama imajo notranje odtoke ob nosilnih stebrih, kritina je varnostno kaljeno steklo v kovinskih okovjih.

Slika 8.1: Konstrukcija rastlinjaka

Povprečne, maksimalne in minimalne temperature tekom leta v referenčnem obdobju od 1981 do 2006 leta so razvidne na sliki 2.4.

Pri izbiri materiala kritine so upoštevani naslednji dejavniki:

geografska lega,

potrebe rastlin, ki jih vzgajajo v rastlinjaku,

izkušnje pridelovalcev in kot ključni faktor,

potrebe po gretju oziroma hlajenju.


Ob upoštevanju prvih treh alinej je v nadaljevanju izvedena primerjava toplotnih izgub rastlinjaka za obstoječe 4 mm kaljeno steklo, dvojno steklo in 16 mm polikarbonatne plošče.

Fizikalne lastnosti materialov so navedene v preglednici 8.1.

Preglednica 8.1: Primerjava fizikalnih lastnosti kritin

Fizikalne lastnosti

Materiali

Vrsta materiala Kaljeno enojno steklo

Kaljeno enojno steklo

Dvojno izolacijsko steklo Polikarbonatne plošče

Debelina materiala /mm

4 6 Stene

4/16/4

Streha

8K/16/4+4L

16

Emisivnost 0,89 0,89 / / /

Teža (g/m2) / / / / 2 700

Toplotna

prehodnost / U (W/m

2K)

5,8 5,7 1,1 1,1 3,1

Transmisivnost

svetlobe, τs

0,9 0,89 0,76 0,76 0,85

Refleksija

svetlobe, ρs

0,08 0,08 0,12 0,12 /

g – vrednost* /%

/ / 58 58 /

*v odstotkih izražen del energije sončnega sevanja, ki prodre skozi zasteklitev v notranjost zgradbe in je vsota direktne in difuzne energije

8.2 Projektni podatki in toplotne potrebe

Projektni podatki ogrevanja rastlinjaka so:

zunanja projektna temperatura

najnižja dovoljena temperatura prostora

prepustnost stekla 87%

toplotna prestopnost na notranji strani stene W/m2K

toplotna prestopnost na zunanji strani stene W/m2K

skupna površina kritine rastlinjaka m2

Toplotno bilanco transparentnih sten oziroma rastlinjaka formirajo različni dejavniki, ki se med seboj močno dopolnjujejo. Ti dejavniki so:

sonce,

atmosfera,

okolje,

zrak v rastlinjaku,

tla in rastlinska podloga v rastlinjaku.


Zapis toplotne bilance vključuje vse vire toplote v rastlinjaku. Kritina in rastline imajo zanemarljivo majhno termično inercijo, edino zemlja ima lastnost akumulacije toplote. Pri zapisu termičnega ravnotežja je potrebno upoštevati sledeče predpostavke:

temperatura zemlje v rastlinjaku in izven rastlinjaka sta linearno odvisni, prav tako tudi temperaturi zraka v rastlinjaku in izven njega,

temperatura steklene stene je povsod enaka,

zemlja in stene sta sivi telesi,

rastlinjak je prostor brez vegetacije.

Toplotne potrebe rastlinjaka se določa na precej enostaven način, upoštevati je potrebno:

toplotni tok, da se segreje zrak v rastlinjaku na določeno temperaturo,

toplotni tok, da se ohrani vlažnost zraka,

toplotni tok, ki nadomesti izgube zaradi izmenjave toplote z zemljo in

toplotni tok, ki nadomesti izgube skozi transparentno površino.

Skupni toplotni tok zaradi prehoda toplote skozi stene in strop rastlinjaka določimo z enačbo (8.1):

(8.1)

Zaradi konstantne temperature v rastlinjaku in namestitvi ogrevalnih cevi tik nad zemljo predvidevano, da so izgube zaradi prehoda toplote v zemljo zanemarljive, zato talne površine ne upoštevamo.

Površine sten določimo z enačbami (8.2), (8.3), (8.4) in (8.5):

(8.2)

(8.3)

(8.4)

(8.5)

kjer so: - površini jugovzhodne in severozahodne fasade, (m2),

- površini jugozahodne in severovzhodne fasade, (m2),

- površine trikotnih delov fasad, (m2),

- višina stene do venca, (m),

- dolžina jugovzhodne in severozahodne fasade,(m),

- dolžina jugozahodne in severovzhodne fasade,(m),

- dolžina enega segmenta,(m),

- višina med vencem in slemenom,(m).

Podatki uporabljeni v izračunih:

= 3,5m

= 48,7m

= 45,1m

= 11,2m


=2,5m

Izračun površine sten:

Izračun površine tal:

Površino strehe določimo z enačbo (8.6):

(8.6)

kjer je:

- število segmentov,

- površina enega segmenta strehe, (m2).

Število segmentov:

Površina strehe znaša:

Skupna površina kritine na rastlinjaku zanaša 3156,84m2. Površina tal rastlinjaka meri 2196,39 m2.

8.3 Analitična metoda

V nadaljevanju je predstavljen izračun z analitično metodo, ki je predstavljena v petem in šestem poglavju. Izračun je izveden za dnevni režim, za obdobje sedem ur, za mesec december. Rezultati so prikazani grafično in podani v preglednicah. V prilogi so navedeni


rezultati izračunov za nočni in dnevni režim za mesec december in dnevni ter nočni režim za mesec april. Podatki za izračun so pridobljeni iz arhiva podatkov in meritev podjetja PUP Velenje d.d..

Osnovni podatki:

- temperatura zraka v rastlinjaku,

- temperatura zunanjega zraka,

- prostornina rastlinjaka

- temperatura zunanjih tal

- zunanja zračna vlažnost

- notranja zračna vlažnost

- gostota notranjega zraka

- gostota zunanjega zraka

- entalpija notranjega zraka

- entalpija zunanjega zraka

- temperatura neba

- jakost sevanja

Toplotna bilanca svežega zraka

Uporabljeni sta enačbi (5.3) in (5.4).

- za vpadni kot zračnih tokov

- povprečna hitrost vetra za mesec december

prost. rast./s

Za dane dimenzije rastlinjaka:


Toplotne izgube zaradi infiltriranega zraka znašajo 76,57 kW.

Izgube zaradi konvekcije

Uporabimo enačbo (5.6) ob predpostavki, da je temperatura transparentne stene na zunanji in notranji strani stene enaka.

Predpostavimo, da je W/m2K in W/m2K.

Za izračun vrednosti moramo poznati:

– temperaturo transparentnih sten, ki jo izračunamo s postavitvijo toplotne bilance za stene rastlinjaka. Predpostavimo, da je temperatura sten enaka na zunanji in notranji strani, zanemarimo debelino stene.

– temperatura tal v rastlinjaku, ki jo določimo s postavitvijo toplotne bilance tal.

Toplotna bilanca transparentne stene

Uporabimo enačbo (6.43).

Ki jo lahko oblikujemo v naslednjo obliko:

kjer so:

- koeficient emisije zemlje brez rastlin

- koeficient emisije transparentne stene

- prepustnost transparentne stene

- koeficient absorpcije sten

W/m2K4 - Stefan – Boltzmannova konstanta

- albedo

- absorptivnost

– jakost sončnega sevanja, ki jo merimo na horizontalni površini rastlinjaka

Sončno sevanje, ki ga absorbira transparentna stena, izračunamo z enačbo (6.38).


Toplotna bilanca tal

Uporabimo enačbo (6.23) kjer smo za dnevni režim upoštevali še toplotni tok, ki ga absorbira zemlja,

Hipoteza o površini tal, kot neskončnem prevodniku, ki dopušča maksimalne toplotne izgube tekom noči, v dnevnem ciklu ne velja več, zato predpostavimo da je zemlja popolni izolator. Za idealno izolirana tla je toplotni tok sonca enak nič, V primeru nočnega režima smo upoštevali gostoto toplotnega toka sonca 30 W/m2.

Enačbo lahko zapišemo v obliki:

kjer so:


Dobimo nelinearni sistem dveh enačb z dvema neznankama:

Z numerično metodo in iteracijo dobimo rešitve enačb:

Z izračunom temperature sten in temperature tal določimo toplotne izgube zaradi konvekcije.

Toplotni tok, lahko izračunamo z enačbo:

Toplotne izgube rastlinjaka zaradi infiltriranega zraka in konvekcije ob sedmi uri, za mesec december, znašajo 239,296kW. Toplotni tok zagotovimo z sistemom ogrevanja v rastlinjaku, ki je opisan v sedmem poglavju.

V nadaljevanju so v grafih prikazani rezultati značilnih parametrov rastlinjaka za dnevni in nočni režim v mesecu decembru ter dnevni in nočni režim za mesec april. Rezultati so izračunani glede na izmerjene temperature v rastlinjaku v enem dnevu, kjer zaradi različnih motenj lahko prihaja tudi do odstopanja od mesečnega povprečja. Sončno obsevanje je predvideno za jasen dan tako, da se povečuje od jutranjih ur, doseže maksimum opoldne in pada do noči.

Na sliki 8.2 sta prikazani temperaturi zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka, ter sončno obsevanje za dnevni režim v mesecu decembru.


Slika 8.2: Spremembe temperature zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka ter sončnega obsevanja za dnevni režim v mesecu decembru

Na sliki 8.3 sta prikazani temperaturi stene in tal v rastlinjaku, ki smo jih določili z numerično metodo.

Slika 8.3: Temperaturi sten in tal v rastlinjaku za dnevni režim v mesecu decembru

V povprečju je temperatura zraka v rastlinjaku večja kot temperatura zemlje v njem. Površina tal variira glede na temperaturo zraka, v obravnavanem primeru pa to ne velja.

Iz izračunov je razvidno, da se temperatura tal v rastlinjaku tekom dneva precej poveča, medtem ko se temperatura stene, zaradi hladnega zunanjega zraka zelo malo spreminja.

0,000

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Te

mp

era

tura

/ K

So

nč

no

ob

se

van

je /

(W/m

2K

ure v dnevu

Taout/K

Tain /K

G/(W/m2)

250,000

260,000

270,000

280,000

290,000

300,000

310,000

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Tem

pe

ratu

ra / K

ure v dnevu

Tst/K

Ti/K


Na sliki 8.4 so prikazane spremembe toplotnih potreb za dnevni režim v mesecu decembru.

Slika 8.4: Toplotne potrebe rastlinjaka za dnevni režim v mesecu decembru

Izgube toplote zaradi konvekcije z zemljo in toplotne izgube skozi transparentne stene se tekom dneva precej zmanjšajo, vendar je skupni toplotni tok večji od nič, kar pomeni, da moramo rastlinjak ogrevati z dodatnim virom. V prilogi A so tabelarno predstavljeni podatki in izračuni za posamezne ure tekom dneva.

Na slikah 8.5, 8.6 in 8.7 so prikazani grafi podatkov in izračunanih vrednosti za nočni režim v mesecu decembru na enak način, kot za dnevni režim.

Slika 8.5: Temperatura zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka za nočni režim v mesecu decembru

0,000

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

350,000

400,000

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

To

plo

tni to

k /

kW

ure v dnevu

Φa/kW

Φb/kW

Φ/kW

255

260

265

270

275

280

285

290

295

1 2 3 4 5 6 17 18 19 20 21 22 23 24

Tem

pe

ratu

ra / K

ure v dnevu

Taout/K

Tain /K


Temperatura zraka v rastlinjaku se tekom noči zelo malo spreminja, pri zunanji temperaturi pa je višja v zgodnjih popoldanskih urah.

Slika 8.6: Izračunani temperaturi stene in tal v rastlinjaku za nočni režim v mesecu decembru.

Podobno kot se spreminja temperatura zunanjega zraka se spreminjata tudi temperatura sten in temperatura tal v rastlinjaku.

Slika 8.7: Toplotne potrebe rastlinjaka za nočni režim v mesecu decembru

Toplotne potrebe preko noči so konstantne, rahlo povečane so v poznih popoldanskih urah, v tem času so tudi izgube toplote največje. Iz rezultatov je razvidno, da je potrebno stalno ogrevanje. Izračuni za nočni režim v meseci decembru so priloženi v prilogi B.

262,000

264,000

266,000

268,000

270,000

272,000

274,000

276,000

278,000

280,000

1 2 3 4 5 6 17 18 19 20 21 22 23 24

Tem

pe

ratu

ra / K

ure v dnevu

Tst/K

Ti/K

0,000

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

800,000

900,000

1 2 3 4 5 6 17 18 19 20 21 22 23 24

To

plo

tni to

k /

kW

ure v dnevu

Φa/kW

Φb/kW

Φ/kW


Enak izračun je izveden za dnevni in nočni režim za mesec april. Na slikah 8.8., 8.9. in 8.10 so grafično predstavljeni podatki in izračuni za dnevni režim, tabelarno pa so navedeni v prilogi C.

Slika 8.8: Spremembe temperature zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka ter sončnega obsevanja za dnevni režim v mesecu aprilu

Temperaturi zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka se malo spreminjata in sta zelo podobni, sončno obsevanje pa je precej močnejše kot v mesecu decembru.

Slika 8.9: Temperaturi transparentne stene in tal rastlinjaka v dnevnem režimu za mesec april

Podobno, kot v mesecu decembru se tla v rastlinjaku močno segrejejo, rahlo pa se poveča tudi temperatura transparentne stene.

0

100

200

300

400

500

600

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Tem

pe

ratu

ra / K

So

nč

no

ob

sevan

je /

(W

/m2)

ure v dnevu

Taout/K

Tain /K

G/(W/m2)

265,00

270,00

275,00

280,00

285,00

290,00

295,00

300,00

305,00

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Tem

pe

ratu

ra / K

ure v dnevu

Tst/K

Ti/K


Slika 8.10: Toplotne potrebe rastlinjaka za dnevni režim v mesecu aprilu

Toplotne potrebe preko dneva močno padejo zaradi povečanega toplotnega toka sonca, vendar je še vedno potrebno dodatno ogrevanje. Vidna je anomalija ob osmi uri zjutraj, ki je verjetno nastala zaradi dodatnih toplotnih izgub ob prihodu zaposlenih v rastlinjak.

Na slikah 8.11, 8.12, in 8.13 so prikazani grafi podatkov in izračunanih vrednosti za nočni režim v mesecu aprilu, kjer se temperature in toplotne potrebe ne spreminjajo veliko, vsekakor pa je potrebno dodatno ogrevanje.

Slika 8.11:Spremembe temperature zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka za nočni režim v mesecu aprilu

0,000

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

To

plo

tni to

k /

kW

ure v dnevu

Φa/kW

Φb/kW

Φ/kW

278

280

282

284

286

288

290

292

294

1 2 3 4 19 20 21 22 23 24

Tem

pera

tura

/ K

ure v dnevu

Taout/K

Tain /K


Slika 8.12: Temperaturi transparentne stene in tal v rastlinjaku za nočni režim v mesecu aprilu

Slika 8.13:Toplotne potrebe v rastlinjaku za nočni režim v mesecu aprilu

Natančni podatki za dnevni in nočni režim v mesecu aprilu so predstavljeni v preglednicah C in D v prilogi.

Predhodni izračuni so namenjeni izračunu optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku. Uporabimo ga lahko za programiranje regulatorjev. Na ta način lahko z merjenjem vhodnih spremenljivk, kot sta temperatura zraka v rastlinjaku in izven rastlinjaka zagotovimo minimalne izgube toplotnega toka ter s tem zmanjšanje dodatnih energentov.

275,00

276,00

277,00

278,00

279,00

280,00

281,00

282,00

283,00

284,00

1 2 3 4 19 20 21 22 23 24

Tem

pe

ratu

ra / K

ure v dnevu

Tst/K

Ti/K

0,000

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

1 2 3 4 19 20 21 22 23 24

To

plo

tni to

k /

kW

Naslov osi

Φa/kW

Φb/kW

Φ/kW


8.4 Ocena toplotnih potreb rastlinjaka

Za oceno toplotnih potreb rastlinjaka glede na različne kritine uporabimo enostavnejši izračun. Skupne toplotne potrebe rastlinjaka zaradi prehoda toplote skozi kritino rastlinjaka določimo z enačbo (8.1). Vsem koeficientom toplotne prehodnosti je dodano 10% vrednosti zaradi izgub skozi konstrukcijo. Potrebe so izračunane za tri primere kritin.

Kaljeno steklo debeline 4 mm:

Izolacijsko dvojno steklo:

Polikarbonatne plošče:

Iz rezultatov je razvidno, da so najmanjše toplotne izgube v primeru, če je rastlinjak prekrit z dvojnim izolacijskim steklom.

Skupne toplotne potrebe

K toplotnim potrebam zaradi prehoda toplote je potrebno dodati delež toplote, ki ga je potrebno nadomestiti zaradi prezračevalnih izgub. Ker lokacija rastlinjaka ni izrazito vetrovna in leži na dokaj odprti legi, lahko privzamemo dodatek za prezračevanje 24% 11. Skupni toplotni tok, določimo z enačbo (8.7), in znaša:

Kaljeno steklo debeline 4 mm:

(8.7)

Izolacijsko dvojno steklo:

Polikarbonatne plošče:

Skupne toplotne potrebe v primeru različnih kritin so prikazane grafično na sliki 8.14.

11

S.J.Zrnič:Grejenje i klimatizacija (1972)


Slika 8.14: Skupne toplotne potrebe v primeru različnih kritin

Letna poraba energije za ogrevanje je odvisna predvsem od števila ogrevalnih dni. Za ogrevalni dan štejemo vse dneve, ko znaša zunanja temperatura tekom dneva manj kot 16°C, ker so tako zagotovljene zahteve po minimalni temperaturi v rastlinjaku. Da bi lahko določili letno potrebo po toploti, ki je potrebna za ogrevanje rastlinjaka, moramo upoštevati:

povprečne srednje temperature po mesecih, [°C]

stopnjo povprečnega dnevnega globalnega obsevanja, , [Wh/m2]

razpoložljivo energijo namenjeno za ogrevanje in

toplotne potrebe rastlinjaka.

Povprečne temperature so dobljene s strani hidrometeorološkega zavoda Slovenije in vključujejo podatke za obdobje od 1961 do 1991 leta. Stopnja povprečnega dnevnega sevanja je povzeta po diagramih, ki so priloženi knjigi Jermanj Bojca: Greje naj sonce12.

Toploto dobljeno s sončnim sevanjem določimo z enačbo (8.8):

(8.8)

kjer so: - transmisivnost stekla,

- povprečna absorpcija notranjosti,

- povprečni faktor orientacije,

- obsevana površina rastlinjaka, (m2).

Predvidevamo, da je zaradi velike površine strehe proti površini sten povprečno obsevane 85% celotne površine rastlinjaka, dobimo:

12

Bojc Jermanj: Greje naj sonce (1986)

0200

400600800

1000

Kaljeno steklo 4mm

Dvojno izolacijsko

steklo

PC plošče

899,1

170,5

480,5


Za doseganje hitrega in skladnega razvoja vrtnin je potrebno upoštevati posebne zahteve posamezne vrtnine. Pozorni moramo biti na količino potrebne toplote za gojenje rastlin in omejitev toplotnega režima v območju občutljivejših predelov rastline. Ko oskrbujemo rastlinjak s potrebno toplotno energijo, moramo upoštevati sledeče dejavnike:

razmerje med zgornjo in talno površino rastlinjaka,

izkoristek izvora energije,

izgube energije pri transportu,

prepustnost toplote skozi gradbene elemente.

Mesečne potrebe toplotne energije rastlinjaka za vse obravnavane primere so izračunane na osnovi toplotnega toka, ki zapušča rastlinjak. Kot najnižja temperatura je upoštevana povprečna mesečna temperatura Minimalna zahtevana temperatura rastlinjaka tekom celega dne je 16 °C. Za izračun je uporabljena enačba (8.1), ob predpostavki, da so potrebe po ogrevanju prisotne štiriindvajset ur na dan in vse dni v mesecu.

Potrebna količina toplote za ogrevanje rastlinjaka je enaka vsoti različnih toplotnih izgub. Dobljena vrednost se poveča za 24 do 25% zaradi izgub, ki so posledica vpliva raznih dejavnikov, kot je na primer vetrovnost.

Največje izgube energije nastajajo zaradi konvekcije toplote skozi material v okolico. V preglednicah 8.2 do 8.4 so predstavljene količine toplotne energije zaradi sončnega sevanja, toplotne potrebe rastlinjaka in morebitni presežki ali primanjkljaji energije, potrebne za ogrevanje rastlinjaka, ki je prekrit s kritinami različnih materialov. Preglednica 8.2: Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak z 4mm kaljenim steklom

Mesec tpov/°C

Povprečno trajanje sončnega obsevanja na mesec/h

Hglo,o/

(Wh/m2)13

ϕs/kWh

Toplotne potrebe/

kWh

Primanjkljaj/

presežek energije

Januar -1,0 47 1 271 68 509,6 315 587,95 247 366,30

Februar 1,1 95 1 860 90 555,5 266 846,20 176 290,70

Marec 4,6 128 2 947 158 849,6 211 822,66 52 973,06

April 9,1 162 3 843 200 463,7 124 072,70 -76 391,00

Maj 13,9 210 4 834 260 562,8 39 019,96 -221 542,84

Junij 17,0 221 5 975 311 675,9 -17 981,55 -329 657,45

Julij 18,8 260 6 042 325 676,6 -52 026,62 -377 703,22

Avgust 18,0 230 3 873 208 762,9 -37 161,87 -245 924,77

September 14,7 164 4 014 209 383,6 23 376,01 -186 007,59

Oktober 9,8 116 2 546 137 234,7 115 201,80 - 22 032,90

November 4,5 56 1 453 75 793,3 206 787,83 130 992,53

December 0,3 37 908 48 943,1 291 720,71 242 777,61

Skupaj 2 096 411,3 1 594 435,82 850 400,20

Letne toplotne potrebe za rastlinjak prekrit z 4 mm kaljenim steklom znašajo 1.594.435,82

kWh.

13

Meteorološki letopis 2006, podatki za Šmartno pri Slovenj Gradcu. ARSO


Preglednica 8.3: Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak z dvojnim izolacijskim steklom

Mesec tpov/

°C


Hglo,o/

(Wh/m2)14

ϕs/kWh

Toplotne potrebe/

kWh

Primanjkljaj/

presežek energije

Januar -1,0 47 5 57 852,5 59 907,78 2 055,28

Februar 1,1 95 1 860 76 469,1 50 609,00 -25 860,10

Marec 4,6 128 2 947 134 139,5 40 173,45 -93 966,05

April 9,1 162 3 843 164 280,3 23 531,14 -140 749,16

Maj 13,9 210 4 834 220 030,6 7 400,37 -212 630,23

Junij 17,0 221 5 975 263 192,8 - 3 410,31 -266 603,11

Julij 18,8 260 6 042 275 015,5 - 9 867,16 -284 882,66

Avgust 18,0 230 3 873 176 288,5 - 7 047,97 -183 336,47

September 14,7 164 4 014 176 812,7 4 433,40 -172 379,30

Oktober 9,8 116 2 546 115 887,0 21 848,72 -94 038,28

November 4,5 56 1 453 63 990,1 39 218,57 -24 771,53

December 0,3 37 908 41 329,7 55 326,60 13 996,90

Skupaj 1 765 288,3 302 449,03 16 052,18

Letne toplotne potrebe za rastlinjak prekrit z dvojnim izolacijskim steklom znašajo

302.449,03 kWh.

14



Preglednica 8.4:Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak s polikarbinatnimi ploščami.

Mesec tpov/

°C


Hglo,o/

(Wh/m2)

15

ϕs/kWh

Toplotne potrebe/

kWh

Primanjkljaj/

presežek energije

Januar -1,0 47 5 64 703,10 168 830,25 104 127,15

Februar 1,1 95 1 860 85 524,20 142 624,72 57 100,52

Marec 4,6 128 2 947 150 023,70 113 215,58 -36 808,12

April 9,1 162 3 843 189 325,80 66 314,73 -123 011,07

Maj 13,9 210 4 834 246 085,70 20 855,50 -225 230,20

Junij 17,0 221 5 975 294 359,00 -9 610,83 -303 969,83

Julij 18,8 260 6 042 307 581,70 -27 807,33 -335 389,03

Avgust 18,0 230 3 873 197 163,80 -19 862,38 -217 612,48

September 14,7 164 4 014 197 750,10 12 494,08 -185 256,02

Oktober 9,8 116 2 546 129 610,00 61 573,38 -68 036,62

November 4,5 56 1 453 71 582,00 110 524,55 38 942,55

December 0,3 37 908 46 223,80 155 919,70 109 695,90

Skupaj 1 979 932,29 852 352,49 309.866,12

Letne toplotne potrebe za rastlinjak prekrit s polikarbonatnimi ploščami znašajo

852.352,49 kWh.

K toplotnim potrebam zaradi prehoda toplote je potrebno dodati delež toplote, ki ga je potrebno nadomestiti zaradi prezračevalnih izgub. Ker lokacija rastlinjaka ni izrazito vetrovna in leži na dokaj odprti legi, lahko privzamemo 24% dodatek.

Na sliki 8.15 so grafično predstavljene toplotne potrebe in količina vpadle sončne energije tekom leta, za rastlinjak s 4 mm kaljenim steklom.

Slika 8.15: Toplotni dobitki in potrebe po mesecih za rastlinjak z 4mm kaljenim steklom

15


en

erg

ija/k

Wh

meseci v letu

Sončna energija/kWh

Toplotne potrebe/ kWh

Primanjkljaj/ presežek energije


Predvidevamo, da je zaradi velike površine strehe proti površini sten povprečno obsevane 85% celotne površine rastlinjaka. Največje izgube energije nastajajo zaradi konvekcije toplote skozi material v okolico. Letne toplotne potrebe za rastlinjak prekrit z 4 mm kaljenim znašajo 1.594.435,82 kWh.

Letne dobitke in toplotne potrebe rastlinjaka za različne materiale podajata preglednica 8.5 in slika 8.16.

Preglednica 8.5: Primerjava energijskih primanjkljajev in presežkov pri različnih materialih rastlinjaka.

Material kritine Toplota dobljena

s sončnim sevanjem/kWh

Toplotne potrebe

rastlinjaka/kWh

Primanjkljaj energije, ob uporabi toplotne energije sončnega

sevanja/kWh

Neuporabljen presežek

toplotne energije sončnega

sevanja/kWh

Enojno, kaljeno, 4 mm steklo

2 096 411,30 1 594 435,82 850 400,20 1 495 259,77

Dvojno izolacijsko

steklo 1 765 288,30 302 449,03 16 052,18 1 499 216,89

Polikarbonatne plošče

1 979 932,29 852 352,49 309 866,12 1 495 313,37

Slika 8.16: Letni toplotni dobitki in toplotne potrebe rastlinjaka v kWh

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

Toplota dobljena s sončnim

sevanjem

toplotne potrebe

rastlinjaka

primanjkljaj energije

presežek energije

toplo

ta Q

/kW

h

enojno, kaljeno steklo, 4mm izolacijsko steklo PC plošče


8.5 Stroški ogrevanja rastlinjaka

Z dobro izbiro kritine in optimalno kombinacijo vseh naštetih možnosti ogrevanja, je mogoče v skladu z naravnimi razmerami in z energijskimi viri, ki so na voljo:

zmanjšati porabo energije,

izboljšati pridelovalne razmere in s tem omogočiti večji pridelek,

cenejše in preprostejše vzdrževati instalacije in

nadomeščati uvoženo energijo.

Sredstva vložena v gradnjo ogrevalnih naprav so, odvisno od površine, vrste pridelave rastlin in vrste ogrevalnih naprav, povrnjena po treh mesecih do petih let. Uspešnost izrabe je precej povezana z uporabo novih tehnik gnojenja, odvisna pa je tudi od izbire ustreznega sortimenta.

V obravnavanem primeru so primerjalne cene izbranih materialov sledeče: za 4 mm kaljeno steklo 14,40 do 30 EUR za kvadratni meter, za dvojno izolacijsko steklo od 47,99 EUR do 100,87 EUR za kvadratni meter in za polikarbonatne plošče 39,5 EUR na kvadranti meter. Za primerjavi je upoštevana povprečna cena materiala na kvadratni meter. Površina kritine je izračunana v 6. poglavju in znaša 3157 m2. V preglednici 8.6 so zbrane povprečne cene in stroški za obravnavane kritine rastlinjaka. Preglednica 8.6: Primerjava cen za različne kritine rastlinjaka

Iz rezultatov lahko razberemo, da je dvojno izolacijsko steklo, ki se je v predhodni analizi pokazalo za najugodnejše, bistveno dražje od enojnega trenutno uporabljenega stekla. Cena je višja za 3,37 krat.

Kot energent se trenutno uporablja topla voda. Cena za MWh znaša 17,4035 EUR. V primeru uporabe deponijskega plina pa znaša cena 0,05 EUR/kWh.

V nadaljevanju smo primerjali strošek ogrevanja brez uporabe sončne energije in z popolno izrabo sončne energije, za 4 mm kaljeno steklo in dvojno izolacijsko steklo.

Strošek obračunske moči je obračunan mesečno oziroma v skladu z opredelitvijo v pogodbi o dobavi toplote.

Poznanih je več metod za določanje ekonomskega donosa naložbe. Metode za takšno oceno so razdeljene v statične in dinamične metode, glede na to ali upoštevamo časovno komponento ali ne.

Material Cena/(EUR/m2)

Cena uporabljene kritine/EUR

Enojno kaljeno steklo debeline 4 mm

22,20 70 081,85

Dvojno izolacijsko steklo (4/16/4 in 8/16/4+4)

75,00 236 763,00

Polikarbonatne plošče debeline 16 mm

39,50 124 695,18


V nadaljevanju je za oceno rentabilnosti naložbe ogrevanja rastlinjakov z različnima kritinama in uporabo različnih energentov uporabljena metoda neto sedanje vrednosti16, ki daje rezultate, predstavljene v preglednici 8.7 oziroma na sliki 8.5.

Preglednica 8.7: Stroški ogrevanja pri različnih kritinah

Slika 8.17: Stroški ogrevanja pri različnih kritinah v EUR

Prihranek energije pri izolacijskem steklu in obstoječem načinu toplovodnega ogrevanja znaša 22.484,98 EUR na leto. S takšnim prihrankom lahko stroške kritine povrnemo v 7,5 letih, z uporabo sončne energije pa celo v 6 letih. V slednjem primeru niso upoštevani stroški, potrebni za postavitev aktivnega sončnega sistema.

16 Pintarič, Zorka Novak. Razvoj procesov v kemijski industriji. Maribor : Fakulteta za kemijo in kemisko tehnologijo, 2006.

Cena za toplovodno ogrevanje/EUR

Cena za deponijski plin/EUR

Cena toplovod ob uporabi sončne energije/EUR

Cena za deponijski plin ob uporabi sončne energije/EUR

27748,66

79721,15

14799,93

42520

5263,68

15122,5

279,32

802,5

Dvojno izolacijsko steklo Enojno steklo debeline 4mm

Material

Letna toplotne potrebe

rastlinjaka/MWh

Cena za

toplovodno

ogrevanje/

EUR

Cena za

deponijski

plin/EUR

Letne potrebe

po energiji,

ob uporabi

toplotne

energije

sončnega

sevanja/MWh

Cena/

EUR

Cena za

deponijski

plin/EUR

Enojno steklo debeline 4mm

1 594,43 27 748,66 79 721,15 850,40 14 799,93 42 520,00

Dvojno izolacijsko steklo

302,45 5 263,68 15 122,50 16,05 279,32 802,50


9 SKLEP

V magistrskem delu so predstavljena dejstva o mikroklimi zaprtega prostora (rastlinjaka) za gojenje rastlin. Posebej so definirani optimalni pogoji, ki so odvisni od faze razvoja rastlin in vpliva zunanjih klimatskih parametrov na rast.

Predstavljen je matematični model prenosa toplote v rastlinjaku brez kultur na osnovi katerega je mogoče zapisati toplotno bilanco različnih mesecev upoštevaje dnevne in nočne vplive na mikroklimo rastlinjaka. Za dan v mesecu decembru in v mesecu aprilu so tako za dnevni kot nočni režim numerično izračunane temperature transparentne stene in temperature tal v rastlinjaku, s katerimi so izračunane toplotne izgube zaradi infiltriranega zraka in zaradi konvekcije v rastlinjaku. Te vrednosti se iz ure v uro ter iz dneva v dan močno spreminjajo, zato je predstavljen izračun primeren za optimiranje delovanja rastlinjaka s pomočjo regulatorjev, ki omenjene izgube zmanjšujejo (zračenje, senčenje, ventilatorji…). Velik vpliv na zmanjševanje toplotnih izgub zaradi konvekcije pa ima vsekakor material kritine rastlinjaka.

Seveda obstaja veliko možnih prilagoditev matematičnega modela in usklajevanje tehničnih pogojev z ekonomičnostjo produkcije in zahtev tržišča, kar pa terja veliko dodatnega dela in raziskav. Na osnovi približnih izračunov obravnavanega rastlinjaka vidimo, da dobimo največ toplote s sončnim sevanjem pri enojnem steklu, najmanj pa pri dvojnem izolacijskem steklu. Letne potrebe po toplotni energiji se pri dvojnem izolacijskem steklu bistveno zmanjšajo, razpolovijo pa se tudi pri uporabi PC plošč. Potrebe po dodatni energiji za ogrevanje, so pri dvojnem izolacijskem steklu manjše, presežki sončne energije, pa so pri vseh primerjanih materialih skoraj enake.

Glede na lastnosti posameznih materialov in možne prihranke energije, je vsekakor najboljše dvojno izolacijsko steklo, ki zaradi povečanega učinka tople grede, poveča delež neizkoriščene sončne energije.

Primerjava cen posameznih materialov pa kaže tudi drugo plat primerjanih materialov, povprečna cena dvojnega izolacijskega stekla je namreč relativno zelo visoka v primerjavi z enojnim steklom. Precej visoko ceno dosegajo tudi PC plošče. Investicija v dvojno izolacijsko steklo za nove rastlinjake bi se povrnila v 7,4 letih, če upoštevamo samo prihranke energije brez presežkov sončne energije. Če upoštevamo presežek sončne energije, bi bila investicija vrnjena v 6 – ih letih.

Vsekakor je dvojno izolacijsko steklo dobra izbira, ker pa je na tržišču več izvedb tega stekla, je potrebna natančnejša primerjava med njimi in tudi natančnejši izračun NSV.


10 LITERATURA

1. Jože Osvald, Marinka Kogoj-Osvald. Gojenje vrtnin v zavarovanem prostoru.

Ljubljana : Kmečki glas, 1994.

2. Greenhouse covering systems. Giacomelli, Gene A in Roberts, William. New Jersey :

s.n., januar 1993, ASHS HortTechnology Journal.

3. Prediction og solar energy input in greenhouses. Mettawee, Eman Sayed. Cairo :

Department of Solae energy, National research Center of Egypt, 2002, Izv. Energy and

the Environment (43 -49).

4. Chorley, Roger G. Barry and Richard J. Atmosphere, weather and climate, seventh

edition. London and New York : Routledge, 1998.

5. J.M. Aaslyng, J.B. Lund, N. Ehler, E. Rosenquist. IntelliGrow: a greenhouse

component-based climate control system. [science direct] Aarslev, Denmark : Royal

Veterinary and Agricultural University, 2003.

6. Jurij Krope, Darko Goričanec. Smotrna raba energije. Maribor : Fakulteta za

strojništvo, 1997.

7. Beytes, Chris. Ball Redbook, Greenhouses and Equipment, Volume1. Batavia, Illinois,

USA : Ball Publishing, 17 th edition.

8. Joe J.Hanan. Advanced Technology for Protected Horticulture. Colorado State University, Fort Collins, Colorado; CRC Press LLC, 2000.

9. Zdravko Kravanja. Dinamika procesov, Zbrano gradivo. Maribor: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, 2004.

10. Possibility of energy utilizaton in greenhouses at the Velika Ciglena geothermal field.

Tomislav Kurevija, Renata Kos. Zagreb : Faculty of Mining, 2004, Zv. Energy and the

environment.

11. Naterer, Greg F. Heat Transfer in Single and multiphase systems. Boca Raton,

Florida : CRC Press LLC, 2003.

12. John a. Duffie, William A.Beckman. Solar engineering of thermal processes. New

York, USA : John Wiley&sons, inc., 1991.

13.Izračunavanje koeficijenta refleksije, apsorpcije i prolaza sunčevog zračenja za

jednostruko i dvostruko vertikalno staklo za lokaciju Beograda. Lilić, Dimitrije. Beograd :

vojnotehnički inštitut, septembar 2000, KGH, klimatizacija, grejanje, hlaĎenje, Zv. Broj 3.

septembar.

14. Planning and Installing. Solar thermal Systems, a giude for installers, arcitects and

engineers. Berlin : The German Solar energy society, 2005.


15. Oletič, Denis. Ogrevanje rastlinjaka z delno izrabljeno geotermalno vodo. Maribor :

Univerza v Mariboru, 2001.

16. http://www.westbrooksystems.com/greenhouses_venlo.html

17. http://www.batavia-greenhouses.com/venlo.shtml

18. www.ampelite.com.au/

19. www.nature.com

20. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/phyopt/freseq.html#c1

21. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_radiation

22. http://geoheat.oit.edu/images/bulletin/bull18-1/fig36-3.gif

23. bioweb.wku.edu/.../images/Photophosphryl.asp

24. generalhorticulture.tamu.edu/.../light.html

25. www.marietta.edu/.../photolab/photosyn.html

26. http://extension.unh.edu/Agric/Poinseta.htm

27. http://www.hrovatin.com/slo/katalog/details.asp?id_rastlina=113

http://www.westbrooksystems.com/greenhouses_venlo.html

http://www.batavia-greenhouses.com/venlo.shtml

http://www.ampelite.com.au/

http://www.nature.com/

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/phyopt/freseq.html#c1

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_radiation

http://geoheat.oit.edu/images/bulletin/bull18-1/fig36-3.gif

http://bioweb.wku.edu/courses/Biol120/images/Photophosphryl.asp

http://generalhorticulture.tamu.edu/lectsupl/Light/light.html

http://www.marietta.edu/~spilatrs/biol103/photolab/photosyn.html

http://extension.unh.edu/Agric/Poinseta.htm

http://www.hrovatin.com/slo/katalog/details.asp?id_rastlina=113


11 PRILOGE

Priloga A: Dnevni režim za mesec december

Priloga B: Nočni režim za mesec december

Priloga C: Dnevni režim za mesec april

Priloga D: Nočni režim za mesec april

Priloga A

December – dnevni režim

h 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Taout/K 269,2 269,3 269,5 269,7 270,2 270,5 270,7 270,9 270,9 270,7

υout/% 82 82 81 81 80 79 78 77 77 78

Tain /K 287 290 293 293 293 293 293 293 293 291

υin /% 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55

P/Pa 98 471 98 498 98 525 98 551 98 565 98 538 98 511 98 485 98 485 98 498

Hs/(kJ/kg) 1,85 2,00 2,31 2,62 3,38 3,80 4,15 4,46 4,46 4,15

Hu/(kJ/kg) 27,95 33,95 40,55 40,55 40,55 40,55 40,55 40,55 40,55 36,10

ρs/(kg/m3) 1,291 1,290 1,290 1,288 1,286 1,285 1,284 1,282 1,282 1,284

ρu/(kg/m3) 1,21 1,19 1,18 1,18 1,18 1,18 1,18 1,18 1,18 1,19

Tc4 /K

4·10

9 3,78 3,79 3,80 3,81 3,84 3,86 3,87 3,88 3,88 3,87

Tst/K 273,968 274,979 276,064 276,259 276,637 276,843 276,944 277,026 276,975 276,193

Ti/K 296,469 299,894 303,382 304,901 305,964 306,089 305,292 303,995 302,675 299,957

G/(W/m2) 11,36 68,63 129,00 192,00 230,00 230,00 191,00 130,00 72,00 16,30

qc/(W/m2) 4,544 27,452 51,600 76,800 92,000 92,000 76,400 52,000 28,800 6,520

Hst/W -1 726,59 -10 430,99 -19 606,56 -29 181,85 -34 957,42 -34 957,42 -29 029,86 -19 758,54 -10 943,19 -2 477,42

Φa/kW 76,556 92,282 109,480 108,517 106,145 104,837 103,749 102,800 102,800 91,818

Φb/kW 162,740 205,504 245,292 213,677 185,453 178,054 189,508 210,226 234,708 216,564

Φ/kW 239,296 297,786 354,773 322,195 291,599 282,891 293,257 313,027 337,508 308,382

Priloga B

December – nočni režim

h 1 2 3 4 5 6 17 18 19 20 21 22 23 24

Taout/K 269,6 269,4 269,3 269,2 269,1 269,3 270,4 270,3 270,3 270,2 270,1 269,6 269,7 269,4

υout/% 81 82 82 82 82 82 79 80 80 80 81 81 82 82

Tain /K 285 285 285 285 285 285 289 287 285 285 285 285 285 285

υin /% 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55

P/Pa 98 458 98 445 98 458 98 445 98 431 98 445 98 511 98 525 98 485 98 485 98 485 98 485 98 485 98 511

Hs/(kJ/kg) 2,46 2,15 2,00 1,85 1,69 2,00 3,69 3,54 3,54 3,38 3,23 2,92 2,62 2,15

Hu/(kJ/kg) 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2 31,8 27,9 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2

ρs/(kg/m3) 1,290 1,290 1,290 1,290 1,290 1,290 1,285 1,285 1,285 1,286 1,286 1,287 1,288 1,289

ρu/(kg/m3) 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,19 1,21 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22

Tc4/K

4 ·10

9 3,49 3,48 3,47 3,46 3,45 3,47 3,55 3,54 3,54 3,53 3,53 3,51 3,49 3,48

Tst/K 267,595 267,474 267,414 267,353 267,293 267,414 269,247 268,602 268,017 267,957 267,897 267,595 267,655 267,474

Tin/K 274,770 274,735 274,717 274,699 274,684 274,718 277,853 276,366 274,889 274,871 274,854 274,770 274,783 274,734

Φa/kW 64,295 65,271 65,743 66,215 66,719 65,743 80,910 71,420 60,939 61,432 61,903 62,868 63,804 65,276

Φb/kW 619,309 622,980 624,812 626,668 628,447 624,794 694,720 651,486 606,561 608,392 610,206 619,309 617,566 622,998

Φ/kW 683,605 688,251 690,554 692,883 695,166 690,537 775,629 722,906 667,500 669,825 672,109 682,178 681,370 688,274

Priloga C

April – dnevni režim

h 1 2 3 4 5 6 17 18 19 20 21 22 23 24

Taout/K 269,6 269,4 269,3 269,2 269,1 269,3 270,4 270,3 270,3 270,2 270,1 269,6 269,7 269,4

υout/% 81 82 82 82 82 82 79 80 80 80 81 81 82 82

Tain /K 285 285 285 285 285 285 289 287 285 285 285 285 285 285

υin /% 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55

P/Pa 98 458 98 445 98 458 98 445 98 431 98 445 98 511 98 525 98 485 98 485 98 485 98 485 98 485 98 511

Hs/(kJ/kg) 2,46 2,15 2,00 1,85 1,69 2,00 3,69 3,54 3,54 3,38 3,23 2,92 2,62 2,15

Hu/(kJ/kg) 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2 31,85 27,95 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2 24,2

ρs/(kg/m3) 1,29 1,29 1,29 1,29 1,29 1,29 1,285 1,285 1,285 1,286 1,286 1,287 1,288 1,289

ρu/(kg/m3) 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,19 1,21 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22 1,22

Tc4 /K

4 ·10

9 3,49 3,48 3,47 3,46 3,45 3,47 3,55 3,54 3,54 3,53 3,53 3,51 3,49 3,48

Tst/K 267,595 267,474 267,414 267,353 267,293 267,414 269,247 268,602 268,017 267,957 267,897 267,595 267,655 267,474

Tin/K 274,770 274,735 274,717 274,699 274,684 274,718 277,853 276,366 274,889 274,871 274,854 274,770 274,783 274,734

G/(W/m2) 19 99 214 365 484 544 513 506 478 421 309 190 98 19

qc/(W/m2) 7,6 39,6 85,6 146,0 193,6 217,6 205,2 202,4 191,2 168,4 123,6 76,0 39,2 7,6

Hst/W -288,78 -15 046,89 -32 525,60 -55 475,91 -73 562,58 -82 681,91 -77 970,25 -76 906,33 -72 650,65 -63 987,29 -46 964,54 -28 877,87 -14 894,90 -2 887,79

Φa/kW 64,295 65,271 65,743 66,216 66,719 65,743 80,910 71,420 60,939 61,433 61,903 62,869 63,805 65,276

Φb/kW 619,309 622,980 624,812 626,668 628,447 624,794 694,720 651,486 606,561 608,392 610,206 619,309 617,566 622,998

Φ/kW 683,605 688,251 690,555 692,884 695,166 690,537 775,630 722,906 667,500 669,825 672,110 682,178 681,370 688,274

Priloga D

April – nočni režim

h 1 2 3 4 19 20 21 22 23 24

Taout/K 284,3 284,1 283,9 283,7 286,7 286,3 286,0 285,7 285,3 285,0

υout/% 77 77 77 77 68 70 71 73 75 76

Tain /K 290 290 290 290 292 291 290 290 290 290

υin /% 55 55 55 55 55 55 55 55 55 55

P/Pa 98258 98245 98245 98245 98218 98258 98272 98272 98285 98285

Hs/(kJ/kg) 26,97 26,97 26,97 26,97 31,28 29,70 29,70 30,42 28,65 28,65

Hu/(kJ/kg) 33,95 33,95 33,95 33,95 38,30 36,10 33,95 33,95 33,95 33,95

ρs/(kg/m3) 1,220 1,220 1,220 1,220 1,209 1,211 1,212 1,213 1,215 1,216

ρu/(kg/m3) 1,195 1,195 1,195 1,195 1,186 1,191 1,195 1,195 1,195 1,195

Tc4 /K

4 ·10

9 4,77 4,57 4,72 4,70 4,95 4,91 4,90 4,89 4,86 4,83

Tst/K 278,18 278,05 277,95 277,85 280,16 279,66 279,20 279,00 278,76 278,60

Tin/K 281,145 281,150 281,145 281,100 282,959 282,300 281,400 281,400 281,345 281,300

Φa/kW 18,707 18,707 18,707 18,707 18,559 17,149 11,160 8,957 14,056 13,986

Φb/kW 454,102 457,297 459,910 463,226 457,900 439,281 423,861 428,912 435,940 440,771

Φ/kW 472,809 476,004 478,617 481,933 476,459 456,430 435,021 437,869 449,995 454,757

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

IZJAVA KANDIDATA

Podpisani-a _______________Damijana Meža____________________, vpisna številka

______95033043_________

izjavljam,

da je magistrska naloga z naslovom ____ Mikroklimatske razmere in določitev

optimalnega prenosa toplote v rastlinjaku_______________________________________

rezultat lastnega raziskovalnega dela,

da predložena disertacija v celoti ali v delih ni bila predložena za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

da so rezultati korektno navedeni in

da nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih.

Podpis kandidata-ke:

___________________________________

mikroklimatske razmere in doloČitev optimalnega … · ključne besede: prenos toplote,...

Documents