يمثل خفض تكلفة تدفئة البيوت البلاستيكية تحديًا كبيرًا لمزارعي البيوت البلاستيكية، خاصة أولئك الذين يقطنون في المناطق الباردة. تم تطبيق تقنيات مختلفة لتقليل تكاليف التدفئة في البيوت المحمية خلال فصل الشتاء. تقدم هذه الدراسة استعراضاً شاملاً لمختلف تقنيات توفير الطاقة التي يمكن تطبيقها لخفض تكاليف التدفئة، بما في ذلك تصميمات الصوبات الزراعية الموفرة للطاقة، واستخدام الأغطية الموفرة للطاقة، واستخدام الستائر الحرارية، وإدارة المناخ الداخلي بكفاءة في استخدام الطاقة، واختيار الصوبات الزراعية الموفرة للطاقة. نظام تدفئة فعال وإمكانية استخدام مصادر الطاقة البديلة. تعتمد إمكانات توفير الطاقة لبارامترات التصميم المختلفة (الشكل والاتجاه) بشكل كبير على الموقع، وقد لا تكون إمكانات توفير الطاقة لمعظم أنظمة التدفئة السلبية (خزانات المياه، والقاعدة الصخرية) مناسبة لإنتاج الدفيئة التجارية في المناطق الباردة. يمكن أن تكون مصادر الطاقة البديلة مثل حرارة النفايات الصناعية والطاقة الحرارية الأرضية والكتلة الحيوية الخشبية خيارًا قابلاً للتطبيق لتقليل تكلفة التدفئة في البيوت الزجاجية للإنتاج على نطاق واسع. ومع ذلك، من المهم مراعاة التوازن بين الاحتياجات الزراعية للنباتات وإمكانات توفير الطاقة لمختلف تقنيات توفير الطاقة، وكذلك الجدوى الاقتصادية لأنظمة توفير الطاقة في الصوبات الزراعية. يمكن أن نستنتج أن هذه الدراسة يمكن أن تكون مفيدة لمزارعي الصوب الزراعية والباحثين والمنتجين لإنشاء إنتاج مستدام من الصوب الزراعية الموفرة للطاقة في المناطق الباردة.
المدخل
أصبحت الزراعة التي يتم التحكم فيها بيئيًا، مثل إنتاج المحاصيل في الصوبات الزراعية، تحظى بشعبية كبيرة نظرًا لارتفاع غلاتها التي تزيد 10-20 مرة لكل وحدة مساحة عن الإنتاج في الهواء الطلق (Nederhoff & Houter، 2007). ومع ذلك، فإن ارتفاع تكاليف الطاقة في إنتاج الدفيئة يمثل تحديًا كبيرًا. ثاني أكبر تكلفة تشغيلية بعد العمالة في إنتاج الدفيئة في المناطق الباردة هي تكلفة الطاقة. يُستخدم ما يقرب من 65-85% من إجمالي الطاقة المستهلكة في البيوت البلاستيكية في التدفئة، بينما يستخدم الباقي في الكهرباء والنقل (Runkle and Both, 2012). تمثل التدفئة (بشكل رئيسي) والتدفئة في الصوبات الزراعية حوالي 70-85% من إجمالي تكاليف التشغيل، باستثناء التكاليف المتعلقة بالعمالة (أنيفانتيس وآخرون، 2017، رورابو وآخرون، 2002). ومع ذلك، واعتماداً على أنواع الصوب الزراعية، وممارسات التحكم البيئي، والأهم من ذلك موقع الصوب الزراعية، يمكن أن تصل طاقة التدفئة إلى 90 في المائة من إجمالي الاحتياجات من الطاقة (كريستينسون، 2006). ولذلك، فإن تقليل تكاليف تدفئة الدفيئة يمكن أن يجعل إنتاج الدفيئة أكثر اقتصاداً واستدامة. ولتقليل تكاليف التدفئة، يجب أن تكون الصوبات الزراعية موفرة للطاقة وقادرة على استخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والكتلة الحيوية والحرارة الجوفية. أُجريت العديد من الدراسات لتقليل تكاليف التدفئة في الصوبات الزراعية؛ واعتمادًا على موقع الصوب الزراعية، يمكن تطبيق استراتيجيات مثل التصميم الهيكلي الموفر للطاقة، واستخدام أغطية موفرة للطاقة، وتحسين أنظمة التدفئة والتهوية، وإدارة المناخ الداخلي بكفاءة في استخدام الطاقة، واستخدام مصادر الطاقة المتجددة. ويتمثل جوهر هذه التقنيات في الغالب في زيادة كسب الحرارة الشمسية للبيت الزجاجي وتقليل فقدان الحرارة من البيت الزجاجي. يوضح الشكل 1 نمط فقدان الحرارة النموذجي لبيت زجاجي تقليدي يقع في ساسكاتون (52.1 درجة مئوية) بكندا، من خلال ظواهر مختلفة لانتقال الحرارة (Ahamed, Guo, & Tanino, 2018a). ومن المهم أيضًا مراعاة التوازن بين الاحتياجات الزراعية للمحاصيل وإمكانات توفير الطاقة في التقنيات المختلفة (سانفورد، 2011). لذلك، فإن المعلومات المتعلقة باستراتيجيات كفاءة الطاقة وآثارها على النباتات والجدوى الاقتصادية لتقنيات توفير الطاقة في التدفئة المتاحة للبيوت المحمية التقليدية ستكون مفيدة لمزارعي الصوبات الزراعية والباحثين والمنتجين. قام سيثي وشارما (2008) بمراجعة وتقييم مختلف تقنيات التدفئة السلبية المتاحة للصوبات الزراعية في جميع أنحاء العالم. استعرض كوسي وهارجونويبوو وكوسي (2016) استراتيجيات توفير الطاقة لأنظمة الدفيئة، الموجهة في الغالب نحو الحلول القائمة على الطاقة المتجددة والمستدامة، مثل الوحدات الكهروضوئية (PV)، والمجمعات الشمسية الحرارية (T)، والمجمعات والأنظمة الهجينة الكهروضوئية/التجميعية الشمسية (T)، والحرارة الموفرة للطاقة. المضخات وتقنيات التهوية المبتكرة وأنظمة الإضاءة الفعالة. ومع ذلك، على حد علمنا، لا توجد مراجعات حديثة تدرس تقنيات توفير الطاقة المتاحة لتقليل تكاليف التدفئة في الصوبات الزراعية التقليدية. ولذلك، فإن الهدف من هذه الدراسة هو تقديم مراجعة شاملة للتقنيات المحتملة لتقليل تكلفة التدفئة في البيوت الزجاجية الشتوية ذات الطراز التقليدي.
تصميم الصوبات الزراعية الموفرة للطاقة
تصميم هيكل موفر للطاقة مهم جدًا لتقليل تكلفة التدفئة في الصوبات الزراعية التقليدية في المناطق الباردة. الهدف من التصميم الموفر للطاقة هو زيادة اكتساب الطاقة الشمسية والاحتفاظ بالطاقة في الدفيئة. تشمل معلمات التصميم التي تؤثر بشكل كبير على متطلبات التدفئة لغطاء الدفيئة شكله واتجاهه، وفي نصف الكرة الشمالي، خصائص الجدار الشمالي.
يقلل استخدام الأغطية من تكلفة تدفئة الصوبات الزراعية
ويعتمد اختيار مواد التغطية للبيوت المحمية على عدة عوامل مثل التكلفة الرأسمالية وتكلفة الصيانة، وتأثيرها على نمو النباتات وإنتاجيتها، والمناخ المحلي والدعم الفني (بابادوبولوس وهاو، 1997). يعتبر غطاء الدفيئة أو الزجاج هو العامل الرئيسي الذي يؤثر بشكل كبير على استهلاك الطاقة في الصوبات الزراعية (Papadakis وآخرون، 2000). يجب أن تتمتع مواد الطلاء الجيدة بشفافية عالية للإشعاع الشمسي العالمي، خاصةً في الأوساط النشطة ضوئيًا.
إمكانات توفير الطاقة في ستارة الطاقة
غالباً ما تُستخدم الستائر الحرارية أو الستائر الليلية لتقليل فقدان الإشعاع الحراري إلى السماء في ليالي الشتاء. يمكن أن يقلل استخدام الستائر الحرارية من فقدان الإشعاع طويل الموجة ليلاً في الدفيئة بحوالي 40-70% (Andersson, 2010, Bakker, 2006, Chandra and Albright, 1981). ذكر سيثي وشارما (2008) أن استخدام الستائر الحرارية في الصوبات الزراعية يمكن أن يوفر حوالي 23-60% من طاقة التدفئة، اعتمادًا على موقع ونوع الستائر الحرارية وطاقة التدفئة.
إمكانات توفير الطاقة للعزل
تتميز أغطية الدفيئة بقليل من العزل، حيث أن انتقال الضوء إلى أقصى حد ممكن مفيد للنباتات. يبحث هذا الفصل في وفورات الطاقة الناتجة عن عزل الصوبات الزراعية التقليدية، بما في ذلك عزل فجوة الهواء في الغطاء المزدوج الطبقة، والعزل في الجدار الجانبي والجدار السفلي.
إمكانات توفير الطاقة في إدارة المناخ المحلي الداخلي
إن التحكم الأمثل في المناخ المحلي الداخلي أمر بالغ الأهمية لتقليل تكلفة تدفئة الصوبات الزراعية. يمكن توفير قدر كبير من طاقة التدفئة من خلال الإدارة الفعالة للمناخ الداخلي للبيت الزجاجي الدفيئة بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة النسبية في الأماكن المغلقة.
مساهمة التدفئة في الإضاءة الإضافية
بالنسبة لبيت زجاجي حديث يقع في خطوط العرض الشمالية (فوق 40 درجة شمالاً في الولايات المتحدة الأمريكية وفوق 50 درجة شمالاً في أوروبا)، فإن الإضاءة التكميلية مهمة جداً لأن قصر طول النهار وانخفاض الإشعاع الشمسي يؤثران على نمو النبات في البيوت الزجاجية (نيلسون، 1985). وتعتمد الإضاءة التكميلية المستخدمة في الصوبات الزراعية على تكامل الضوء اليومي، والذي يختلف باختلاف الموقع والوقت من العام وأنواع المحاصيل؛ كما يتأثر اختيار الإضاءة أيضًا بتكلفة المصباح وتكلفة الكهرباء ومتطلبات التدفئة.
إمكانات توفير الطاقة لأنظمة التدفئة
يمكن أن يكون نظام التدفئة في الصوبات الزراعية في الوضع النشط أو السلبي أو مزيج من الاثنين معاً. يعني الوضع النشط لأنظمة التدفئة إمداد الحرارة من مصادر أخرى لزيادة درجة الحرارة الداخلية. في الوضع السلبي، تُستخدم الطاقة الشمسية لتدفئة الدفيئة عن طريق تخزين الحرارة باستخدام مواد مختلفة لتخزين الحرارة. أنظمة التدفئة السلبية مناسبة للبيوت الزجاجية الصغيرة الموجودة في المناخات المعتدلة، وعادة ما يستخدم الوضع النشط لنظام التدفئة للأغراض التجارية.
استخدام الطاقة البديلة لتقليل تكلفة تدفئة الصوبات الزراعية
تشجع الأسعار المتزايدة للوقود الأحفوري والأثر البيئي لاستخدام الوقود الأحفوري مزارعي الدفيئة على النظر في استخدام أنواع بديلة من الوقود لتدفئة الدفيئة. يمكن أن تكون المصادر البديلة الممكنة لتدفئة الدفيئة هي حرارة النفايات الصناعية، والحرارة الحرارية الأرضية، والكتلة الحيوية الخشبية.
المراجع (212)
- JA Adaro et al.مساهمة الطاقة الحرارية الأرضية في التدفئة في الاحتباس الحراريالطاقة التطبيقية(1999)
- MS Ahamed et al.نموذج الحالة شبه الثابتة للتنبؤ بمتطلبات التدفئة للبيوت البلاستيكية التقليدية في المناطق الباردةمعالجة المعلومات في الزراعة(2018)
- الحسينى وآخروناستخدام الأحواض الشمسية الضحلة كمصدر للتدفئة في الصوبات الزراعية في المناخات الباردةتحويل الطاقةوإدارتها (1998)
- R. Andrews et al.التقييم البيئي والاقتصادي للتبادل الحراري لنفايات الدفيئةمجلةالإنتاجالأنظف(2011)
- AS Anifantis وآخرون.تقييم الطاقة الحرارية لنظام مستقل صغير الحجم للطاقة الضوئية والهيدروجين والطاقة الحرارية الأرضية للتدفئة في البيوت الزجاجيةالطاقة المتجددة(2017)
- بي جيهبيليتقليل الإشعاع الحراري في الصوبات الزراعيةبواسطة الستائر الحرارية الصوبات الزراعية-إينرجي-كولانيمي/مجلة بحوث الهندسة الزراعية (1981)
- GC Bakos وآخرون.التدفئة في الدفيئة باستخدام الطاقة الحرارية الأرضية Geothermics(1999)
- M. Balghouthi et al.بحث تجريبي للسلوك الحراري والرطوبة للتربة الرطبة والجافة مع نظام التسخين الشعري المدفونالطاقة الشمسية(2005)
- T. Bartzanas et al.تأثير طريقة التدفئة على المناخ المحلي للبيت الزجاجي واستهلاك الطاقةهندسة النظم البيولوجية(2005)
- H.Benliتحليل أداء الطاقة لنظام المضخة الحرارية الأرضية المصدر مع تخزين الحرارة الكامنة لتدفئةالبيوتالزجاجيةتحويل الطاقةوإدارتها(2011)
