فن آوری های خنک کننده گلخانه معرفی شد.
آخرین پیشرفت ها و مشخصات در ملاحظات و فناوری های طراحی گلخانه بررسی می شود.
نگاشت اهداف توسعه پایدار به گلخانه ها مورد بحث قرار گرفت.
مسیرهای آتی برای توسعه گلخانه ها مشخص شد.
خلاصه
تقاضا برای مواد غذایی برای مطابقت با نرخ رشد جمعیت در حال افزایش است. در همین حال، بسیاری از کشورها به دلیل شرایط آب و هوایی سخت در فصول سرد و گرم در تضمین تولید محصول در تمام طول سال مشکل دارند. گلخانهها برای کاهش شرایط آب و هوایی سخت و امکان تولید محصول در طول سال با کنترل آب و هوا استفاده میشوند و اطمینان حاصل میکنند که محصولات به سطح مورد نیاز دما، رطوبت، آب و نور میرسند. عوامل مختلف طراحی نقش بسیار مهمی در جانمایی موفق گلخانه دارند. این پارامترها شامل شکل، جهت، ساختار، مواد پوشش دهنده و فن آوری های کنترل آب و هوا می باشد. استراتژی های کنترل آب و هوا شامل فن آوری های سرمایش و گرمایش است. این مقاله بررسی جامعی از فناوری های خنک کننده برای گلخانه ها، به ویژه آنهایی که در آب و هوای گرم استفاده می شوند، ارائه می دهد. فن آوری هایی مانند تهویه طبیعی، سایه و بازتاب، خنک کننده تبخیری، خنک کننده خشک کننده، و فن آوری های خنک کننده ترکیبی ارائه و مورد بحث قرار می گیرند. علاوه بر این، این مقاله به بررسی آخرین پیشرفتها در زمینه فناوریها و سیستمهای خنککننده میپردازد. در این مقاله همچنین راهکارهای فعلی برای صرفه جویی در مصرف انرژی و افزایش راندمان گلخانه ها توضیح داده شده است. انتظار می رود نتایج این بررسی، محققان را در فرآیند انتخاب مناسب ترین فناوری خنک کننده برای منطقه خود راهنمایی کند.
وارد شدن
هوا، آب و غذا نیازهای اساسی برای بقای همه موجودات زنده است [1]. با افزایش بیسابقه جمعیت جهان، تقاضا برای غذا چندین برابر افزایش یافته است و اهمیت شیوههای کشاورزی مدرن را که تا حد امکان مستقل از محیط خارجی هستند، آشکار میکند [2]، [3]. کمبود عرضه مواد غذایی باعث شد 811 میلیون نفر در سال 2017 و تقریباً 820 میلیون نفر در سال 2018 از غذا محروم شوند [4]. علاوه بر این، انتظار می رود که وضعیت بدتر شود، به ویژه با درگیری های مسلحانه در سراسر جهان. تولید و نگهداری مواد غذایی برای تضمین عرضه غذا به جامعه بسیار مهم است [5]. با این حال، بسیاری از کشورها در تضمین تولید محصول در تمام طول سال به دلیل شرایط آب و هوایی سخت در فصول سرد و گرم مشکل دارند. در کشورهایی که شرایط آب و هوایی سوزان دارند، شدت تابش نور خورشید باعث دمای بالا می شود که تولید مواد غذایی را محدود می کند [6]. تمرکز این کشورها بر واردات مواد غذایی است زیرا تولید محصولات در منطقه دشوار است. با این حال، به دلیل همهگیری کووید-19، محدودیتهای مرزی و قرنطینههای زیادی برای محدود کردن شیوع آن، محدود کردن حملونقل غذا بین کشورها و کاهش برداشت در بسیاری از مناطق اعمال شده است. علاوه بر این، همهگیری COVID-19 امنیت غذایی جهان را تهدید میکند و تا پایان سال 2020، 265 میلیون نفر از غذا محروم میشوند [7].
گلخانه ها برای کاهش شرایط آب و هوایی سخت و اجازه تولید محصول در طول سال با کنترل ریزاقلیم و حصول اطمینان از دستیابی محصولات به سطح مورد نیاز دما، رطوبت، آب و نور استفاده می شود [5]، [8]. 9]. در عین حال، محافظت در برابر گرد و غبار، خاک، حیوانات و باران را فراهم می کند، بنابراین عرضه حیوانات با کیفیت بالا را تضمین می کند [5]. در نتیجه، گلخانه ها در دسترس بودن منابع غذایی منطقه ای را تضمین خواهند کرد. ابزار مهمی که برای تأثیرگذاری بر تولید گیاه در گلخانه ها استفاده می شود، کنترل آب و هوا است.[10] . کنترل آب و هوا با حفظ دما، مقدار نور، رطوبت و جذب CO2 در صورت نیاز، محیط بهینه را برای بقا و رشد گیاهان حفظ می کند. شرایط آب و هوایی داخلی نه تنها به شرایط آب و هوایی در فضای باز بلکه به انواع محصولات کشت شده در گلخانه نیز بستگی دارد. بیشتر گونه هایی که در گلخانه ها رشد می کنند به دمایی بین 17 تا 27 درجه سانتی گراد نیاز دارند[11] . این وضعیت برای کشورهایی که دارای آب و هوای گرم، مرطوب و خشک هستند و در مناطق گرم و خشک زندگی می کنند، مشکل ایجاد می کند.[12] ،[13] . در چنین کشورهایی در ماههای تابستان دمای محیط تا 50 درجه سانتیگراد افزایش مییابد و میزان رطوبت از 90 درصد فراتر میرود و استفاده از روشهای خنککننده برای کنترل درجه حرارت و رطوبت در گلخانهها ضروری است. علاوه بر این، تنظیم و حفظ سطح رطوبت در محدوده مورد نظر بسیار مهم است زیرا سطوح رطوبت پایین رشد گیاه را مهار می کند. به نوبه خود، سطح رطوبت بالا باعث افزایش بروز بیماری های قارچی گیاهی می شود که رشد و نمو گیاه را محدود می کند.[14] . بنابراین، در مناطق گرم و خشک، محدوده رطوبت نسبی مطلوب بین 50 تا 85 درصد است.[15] .
هدف این بررسی، انجام یک بررسی جامع از ادبیات موجود با تمرکز بر فناوری های خنک کننده برای گلخانه ها است. نوآوری در اینجا از این واقعیت ناشی می شود که تصور رایج از عملکرد گلخانه هنگام استفاده در آب و هوای گرم تغییر کرده است و بنابراین نیاز به خنک کردن است. مفهوم گلخانه به طور کلی به محفظه ای اشاره دارد که انرژی حرارتی را از طریق مدولاسیون طول موج های انرژی خورشیدی فرودی به دام می اندازد. این امر با بهرهگیری از آفتاب موجود در مناطقی با دمای بسیار پایین برای رشد محصولات در فصول سرد، یا در مناطقی که به دلیل دمای پایین بومی نیستند، اتفاق میافتد. خنک کردن چنین گلخانههایی برای کاربردهایی که در بالا ذکر شد، غیرمعمول است، به ویژه با توجه به این که گرمایش جهانی ناشی از تجمع دی اکسید کربن در لایههای پایینی جو توسط «گازهای گلخانهای» تولید شده و به دام افتاده است. در آب و هوای گرم، تعریف گلخانه در شرایط فعلی فقط برای نشان دادن یک محیط حفاظت شده برای رشد محصولات استفاده می شود و از این رو راه های مختلفی برای کنترل دما در این فضای بسته ابداع می شود. برخی از مکانیسم ها غیرفعال هستند و بر کاهش تابش خورشیدی که به داخل محوطه می رسد متکی هستند، در حالی که برخی دیگر برای حذف بار خنک کننده به مصرف انرژی نیاز دارند. این مطالعه شامل مقایسه و بحث در مورد فن آوری های خنک کننده گلخانه های متعدد است. این فناوری ها بر اساس نیازهای انرژی، طراحی غیرفعال و خواص نوری مواد پوششی طبقه بندی می شوند. این به بحث در مورد فن آوری های تهویه طبیعی، تکنیک های سایه و بازتاب، فن آوری های خنک کننده تبخیری و سیستم های خنک کننده خشک کننده مربوط می شود. مقالات مروری دیگری قبلاً برای تجزیه و تحلیل و بحث در مورد فنآوریهای مختلف خنککننده گلخانه، از جمله غنی و همکاران، انجام شده است. [9]، غولم و همکاران.[16] و کومار و همکاران[17] . با این حال، این مطالعه بر پیشرفت های اخیر در فناوری های مورد استفاده برای خنک سازی گلخانه ها متمرکز است. نتایج این بررسی تحلیلی به محققان کمک میکند تا مناسبترین فناوری خنککننده گلخانه مناسب برای مناطق جغرافیایی خاص را انتخاب کنند. اجزای زیادی برای بهینه سازی در گلخانه وجود دارد و اینها در شکل 1 به عنوان پارامترهای اصلی طراحی که در بررسی متون باید در نظر گرفته شوند، فهرست شده اند. این پارامترها؛ مواد پوشش، طراحی محوطه، جهت و ساختار، کنترل آب و هوا، و آبیاری/توزیع مواد مغذی.
ذرات بخش
مواردی که در طراحی گلخانه باید در نظر گرفت
کنترل تمامی شرایط ریزاقلیمی گلخانه منجر به رشد بهینه محصول می شود و در نتیجه مزایا و معایب مختلف اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی را به همراه خواهد داشت.[18] . در آب و هوای گرم/خشک، گلخانه ها برق بیشتری مصرف می کنند زیرا سیستم های خنک کننده برای دستیابی به دمای مورد نیاز در گلخانه به یک ضرورت تبدیل می شوند.[19] . مصرف برق در گلخانه ها ممکن است باعث برخی مشکلات زیست محیطی مانند تخریب لایه اوزون، آلودگی و تغییرات آب و هوایی شود.
نگاشت اهداف توسعه پایدار به گلخانه ها
سازمان ملل متحد (سازمان ملل متحد) کنفرانسی را در سال 2015 برای ارائه چارچوب سیاست سازمان ملل برای توسعه پایدار برگزار کرد. این چارچوب بیان می کند که دستیابی به 17 هدف توسعه پایدار (SDGs) و 169 هدف مرتبط، توسعه پایدار جهانی را تضمین می کند. چارچوب سیاست سازمان ملل متحد برای اطمینان از اینکه نیازهای نسل های آینده نیازهای نسل های کنونی را به خطر نمی اندازد، ساده شده است.[42] . به منظور ترسیم این 17 هدف پایدار به گلخانه ها،
فن آوری های خنک کننده گلخانه
در طول فصل تابستان، بسیاری از کشورها با مشکلات زیادی در زمینه رشد محصولات کشاورزی حتی با استفاده از امکانات کشت محافظت شده مانند گلخانه ها مواجه هستند. بنابراین، گلخانهها از فناوریهای خنککننده استفاده میکنند که نقش مهمی در کنترل ریزاقلیم گلخانه ایفا میکنند. با این حال، انتخاب فناوری خنککننده مناسب برای محیط گلخانه چالشی است که بسیاری از تولیدکنندگان با آن روبرو هستند. انتخاب فن آوری خنک کننده بهینه نیازمند در نظر گرفتن محصول است
سیستم های خنک کننده تبخیری فن و پد
سیستم های خنک کننده تبخیری مستقیم به عنوان سیستم های فن و پد و سیستم های مه پاش/مه پاش طبقه بندی می شوند. این سیستم های خنک کننده تبخیری برای بهبود شرایط محیطی در گلخانه استفاده می شود[38] . سیستمهای خنککننده تبخیری فنها و پدها، فنآوریهای خنککنندهای هستند که در سال 1954 برای تجهیز گلخانهها در مناطق گرم به نیازهای سرمایش لازم معرفی شدند. این سیستم ها از فن های اگزوز، پدهای اواپراتور و پمپ های سیرکولاسیون برای رسیدن به خنک کننده استفاده می کنند.
سیستم های خنک کننده تبخیری مه پاش
سیستم مه پاش/مه پاش دومین نوع سیستم خنک کننده مستقیم تبخیری است که محیط مناسب را برای رشد بهینه گیاه حفظ می کند. سیستم های مه پاش از نازل های کوچک برای پاشیدن قطرات ریز آب به داخل گلخانه استفاده می کنند. اندازه قطرات آب بین 2 تا 60 میکرومتر متغیر است. نگه داشتن اندازه قطرات در این محدوده تضمین می کند که قطرات قبل از رسیدن به برگ گیاه به سرعت تبخیر می شوند. نرخ بالای تبخیر قطرات آب باعث کاهش قابل توجه آلودگی هوا می شود.
فن آوری های خنک کننده ترکیبی
اغلب، استفاده از یک فناوری خنککننده ممکن است برای کنترل ریزاقلیم گلخانهای در مناطقی با شرایط آب و هوایی شدید ناکافی باشد. بنابراین، بسیاری از محققین برای دستیابی به نتایج مطلوب به ترکیب چندین فناوری خنک کننده سازگار متوسل می شوند. فنآوریهای خنککننده ترکیبی، مقدار بهینه سرمایش مورد نیاز گلخانه را فراهم میکنند. علاوه بر این، فناوری های ترکیبی مصرف انرژی و دمای گلخانه را کاهش می دهند[16] . در نتیجه یک مناسب
دستورالعمل های آینده
این بررسی از فناوریهای خنککننده گلخانه، مروری بر فرآیند انتخاب بهترین فناوری خنککننده برای مناطق جغرافیایی خاص ارائه میکند. برای اطمینان از حداقل انرژی ورودی، تهویه طبیعی همراه با انتخاب مناسب از خواص نوری به دنبال است. این شامل انتخاب مواد پوششی، انتخاب جهت گلخانه برای استفاده مناسب از سایه و بازتاب طبیعی، استفاده از اواپراتور، خشک کن و فن آوری های خنک کننده ترکیبی برای دستیابی به حداقل خنک کننده است.
نتایج
این مقاله یک بررسی جامع با تمرکز بر فناوری های خنک کننده فعلی مورد استفاده در گلخانه ها ارائه می دهد. این فناوری های خنک کننده وظیفه فراهم کردن محیط گلخانه ای مناسب برای تولید محصول در شرایط آب و هوایی گرم و خشک را بر عهده دارند. پس از بررسی جامع این فناوریها، مشخص شد که معیار اصلی ارزیابی عملکرد این فناوریها، توانایی ایجاد یک ریزاقلیم مناسب برای به حداکثر رساندن عملکرد محصول است. صادقانه بگویم،
اعلامیه منافع رقابتی
نویسندگان اعلام می کنند که هیچ منافع مالی رقیب یا روابط شخصی شناخته شده ای ندارند که به نظر می رسد بر کار گزارش شده در این مقاله تأثیر بگذارد.
منابع (173)
- SJ Vermeulen Agriculture و گزینه های امنیت غذایی در چارچوب تغییرات آب و هوایی محیط زیست. علوم پایه. سیاست (2012)
- سیستم خنک کننده خورشیدی پنسیلوانیا دیویس برای تولید مواد غذایی گلخانه ای در آب و هوای گرم Sol. انرژی (2005)
- W. Morshed et al. عملکرد گرمایش یک مبدل حرارتی لوله خاک-هوای PVC که در یک گلخانه در منطقه ساحلی غرب سوریه اعمال می شود: یک مطالعه تجربی حرارتی. علوم پایه. مهندس برنامه (ژانويه 2022)
- س. غنی چالش های طراحی گلخانه های کشاورزی در محیط های گرم و خشک – بررسی مهندس. کشاورزی. محیط. غذا (2019)
- A. Ghosh et al. سیستم خنک کننده حرارتی تبخیری با خشک کن مایع خورشیدی برای کاربرد ساختمان های اداری در آب و هوای گرم و مرطوب . علوم پایه. مهندس Prog. (2021)
- اچ ام علی و همکاران طراحی گلخانه ای کارآمد برای آب و هوای گرم انرژی تحولات. اجرایی.(1990)
- M. Ghoulem و همکاران. فن آوری های طراحی و خنک کننده گلخانه برای کشاورزی پایدار مواد غذایی در آب و هوای گرم: بررسی شیوه های فعلی و وضعیت آینده Biocyst. مهندس (2019)
- KS Kumar و همکاران. طراحی و فناوری خنکسازی گلخانه در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری: مروری بر ساختار انرژی (2009)
- تی صالح پور و همکاران. ارزیابی اثرات زیست محیطی برای گلخانه های زینتی: رویکرد ارزیابی چرخه زندگی برای محیط تولید پامچال . آلودگی. (2020)
- BHE Vanthoor روشی برای طراحی گلخانه مبتنی بر مدل: فصل 4، ارزیابی اقتصادی طرحهای مختلف گلخانه: مورد اسپانیا
