Πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας και στήριξης υδροπονικής καλλιέργειας σε θερμοκήπιο
Authors: Ντίνας Γεώργιος 
Published: August 2021

Η δυνατότητα παραγωγής πρώιμων προϊόντων που συγχρόνως θα διακρίνονται για τα ποιοτικά χαρακτηριστικά τους, είναι το ζητούμενο των σύγχρονων θερμοκηπιακών εκμεταλλεύσεων. Η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του θερμοκηπίου απαιτεί εντατική κατανάλωση ενέργειας που αποτελεί σοβαρό πρόβλημα για τους παραγωγούς θερμοκηπιακών προϊόντων σε όλο τον κόσμο. Οι ισχύουσες υψηλές τιμές των συμβατικών καυσίμων καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για εφαρμογή νέων τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας κατά τη λειτουργία των θερμοκηπίων. Οι τεχνολογίες αυτές θα πρέπει να συνδυάζουν τη μεγιστοποίηση της ανάπτυξης και της παραγωγικότητας των φυτών και τη μείωση του κόστους παραγωγής, αλλά θα πρέπει να είναι και φιλικές προς το περιβάλλον. Για αυτό το λόγο, οι έρευνες στρέφονται προς τη σχεδίαση συστημάτων τα οποία αξιοποιούν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Με τη χρήση και την ορθή διαχείριση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και την εφαρμογή συστημάτων εξοικονόμησης ενέργειας είναι δυνατό να επιτευχθεί μείωση του κόστους παραγωγής των θερμοκηπιακών καλλιεργειών. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας είναι ένας παράγοντας ο οποίος μπορεί να συνεισφέρει προς αυτή την κατεύθυνση, αρκεί να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα συστήματα τα οποία θα αξιοποιούν κατά το μέγιστο τα διαθέσιμα ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η θερμική συμπεριφορά ενός υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας το οποίο εγκαταστάθηκε σε ένα θερμαινόμενο θερμοκήπιο. Το υβριδικό ηλιακό σύστημα αποτελείται από σακούλες πολυαιθυλενίου πληρωμένες με νερό και διάτρητους πλευρικούς σωλήνες πολυαιθυλενίου μέσα από τους οποίους διέρχεται ρεύμα αέρα. Καινοτομία του υβριδικού ηλιακού συστήματος αποτέλεσε το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκε ως βάση στήριξης για την υδροπονική καλλιέργεια τομάτας σε υποστρώματα πετροβάμβακα. Οι διάτρητοι, πλευρικοί σωλήνες τοποθετήθηκαν εκατέρωθεν της σακούλας με σκοπό τη δημιουργία τεχνητής υδρορροής, αλλά και για την ανάμιξη του εσωτερικού αέρα του θερμοκηπίου με κατάλληλο σύστημα αναδιανομής. Στόχος της παρούσας έρευνας ήταν η μελέτη των επιδράσεων που προκύπτουν από τη χρήση του σύνθετου υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας, κατά τη διάρκεια του χειμώνα, στο εσωτερικό περιβάλλον του θερμοκηπίου, στην κατανάλωση ενέργειας του συμβατικού συστήματος θέρμανσης καθώς και στην ανάπτυξη της υδροπονικής καλλιέργειας. Περαιτέρω στόχος της εργασίας, ήταν η ανάπτυξη και επιβεβαίωση ενός μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης της θερμοκρασίας του νερού που περιέχουν οι σακούλες πολυαιθυλενίου του υβριδικού ηλιακού συστήματος, για τον υπολογισμό της θερμικής ενέργειας που μπορεί να αποδώσει το συγκεκριμένο σύστημα. Το μαθηματικό μοντέλο μπορεί να προβλέπει την αποδοτικότητα της χρήσης του υβριδικού ηλιακού συστήματος, με τη χρήση του ενεργειακού ισοζυγίου της σύνθετης σακούλας πολυαιθυλενίου.Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την παρούσα διδακτορική διατριβή είναι τα εξής:1.Η εφαρμογή του υβριδικού ηλιακού συστήματος εξοικονόμησης ενέργειας σε ένα θερμαινόμενο θερμοκήπιο, κατά τη χειμερινή περίοδο, οδηγεί σε εξοικονόμησης ενέργειας, σε ποσοστό 20%, παρόλο που οι σακούλες πολυαιθυλενίου καλύπτονται εν μέρει από τα υποστρώματα της υδροπονικής καλλιέργειας.2.Το υβριδικό ηλιακό σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας σε συνδυασμό με το σύστημα αναδιανομής του αέρα συντελεί στην ανάμιξη του αέρα του θερμοκηπίου. Έτσι, δημιουργούνται ομοιόμορφες συνθήκες θερμοκρασίας οι οποίες βρίσκονται πιο κοντά στο άριστο εύρος θερμοκρασιών για την ανάπτυξη της καλλιέργειας.3.Το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας έρευνας, δύναται να παράγει πολύ καλές προβλέψεις ως προς τη θερμοκρασία του νερού της σακούλας του υβριδικού ηλιακού συστήματος. Επίσης, μπορεί να παράγει λεπτομερείς προβλέψεις σχετικά με τη θερμική συμπεριφορά και τη θερμική ενέργεια που μπορεί να απελευθερώσει το υβριδικό ηλιακό σύστημα εξοικονόμησης ενέργειας.4.Ο μέσος ρυθμός ανάπτυξης και απόδοσης της καλλιέργειας στο πειραματικό τμήμα δεν παρουσίασε σημαντικές διαφορές σε σύγκριση με ένα συμβατικά θερμαινόμενο τμήμα του θερμοκηπίου. Τα φυτά τομάτας που καλλιεργήθηκαν πάνω στο υβριδικό ηλιακό σύστημα παρήγαγαν μεν λιγότερους καρπούς αλλά με μεγαλύτερο βάρος.