AKUMULAČNÍ SKLENÍK Josef Miklík
Jeden z příkladů praktického využití obnovitelných energií v rozvojovém světě je výstavba a využívání akumulačních skleníků k pěstování zemědělských kultur, a to především v oblastech s nepříznivými klimatickými podmínkami. Jde především o důkladné využívání sluneční energie založené na jímání tepelné energie v průběhu intenzivního slunečního svitu lávovými kameny, ze kterých jsou skleníky postaveny, a vodou obsaženou v akumulačních nádržích, a na zpětném uvolňování pohlcené tepelné energie v noci, kdy dochází ke značnému poklesu venkovní teploty. Tím je dosaženo přijatelné teploty po celou denní i noční dobu a zabezpečení vhodných vegetačních podmínek (jako jsou teplo a vzdušná vlhkost ve fóliovníku ) pro pěstování zemědělských kultur. Bez použití tohoto systému by v daných oblastech nebylo možno tyto kultury vůbec pěstovat. Takovými regiony jsou například nedozírné oblasti Mongolských stepí nebo různé podhorské oblasti. Zabezpečení lidské populace žijící v těchto oblastech čerstvými potravinami s obsahem vitamínů a minerálů je nezbytné pro zachování kvalitního zdravotního standardu. Tyto čerstvé poživatiny je potřebné zabezpečit právě proto, že v těchto oblastech jsou velmi omezené zemědělské přírodní zdroje a farmáři s pastevci spoléhají pouze na konzumaci dobytku a obilnin a čerstvé potraviny jsou vhodným doplňkem jejich stravy. Stavba fóliovníku vychází ze zkušeností z již realizovaných podobných konstrukcí skleníků pro vysokohorské oblasti Himaláje, kde jsou podobně nepříznivé klimatické podmínky pro pěstování rostlin. Při vytápění skleníků je využívána akumulace tepelné energie vnitřními stěnami skleníku a akumulačními vodními nádržemi. To jsou spolehlivé a prověřené faktory pro dlouhodobé udržení dostatečné teploty, která je potřeba k zachování minimální teploty pro růst rostlin.
|1
Při stavbě akumulačních skleníků se vycházelo z předpokladů finanční a fyzické životaschopnosti pro místní populaci. Podstatným kritériem byla také nutnost stavebního materiálu z místních zdrojů a dlouhodobá udržitelnost provozu skleníku.
Uvedený projekt uvažuje se dvěma variantami skleníků: menší o rozměru 6 x 6 m a větší o rozměrech 6 x 20 m. Vnitřní akumulace tepla bude zajištěna umístěním akumulační stěny z lávových kamenů vyskládaných ve fabionovém koši o šířce 0,4 m po obvodu tří stěn skleníku a umístěním akumulačních nádrží na vodu.
|2
Zásady při stavbě a užití akumulačního skleníku: •
výběr investora stavby a uživatele akumulačního skleníku
•
umístění skleníku s orientací podélné průsvitné strany na jižní stranu
•
použití dostupných materiálů v souladu s projektovou dokumentací
•
dostupnost vody (vrtané či kopané studny, vodoteče)
•
dostupnost přímého a hojného slunečního svitu
•
severní stranu skleníku zahrnout zeminou po horní hranu stěny – neochlazuje se severní strana fóliovníku a severní vítr nepoškozuje fólii
•
znalosti farmářů ve skleníkových pěstebních metodách
•
zabezpečení odběru a účelné spotřeby produkce
•
nutnost dalšího získávání semen pro novou sadbu
•
možnost nákupu igelitu a dalších komponentů pro opravy
|3
Obr. 1 Návrh velkého skleníku s akumulací tepla
Obr. 2 Návrh malého skleníku s akumulací tepla
|4
Akumulační skleník v Mongolsku V roce 2009 české o.s. ADRA realizovalo projekt výstavby akumulačního skleníku v Mongolsku v ajmaku (oblasti) Dornogobi ve spolupráci s místní pobočkou ADRY a zaměstnanci jedné zemědělské farmy (viz fotografie). Místo realizace projektu bylo záměrně vybráno s ohledem na přetrvávající nepříznivé klimatické podmínky. Jedná se o pouštní oblast Gobi, kde převládají pastviny s nedostatkem stromů a lesů, se silnými celoročními severními větry, poměrně malými dešťovými srážkami a poklesem teplot v zimním období až na -40 °C. Následuje pak krátká letní sezóna, kdy se dají pěstovat zemědělské plodiny. Obyvatelé jsou závislí především na chovu skotu, což v tamních podmínkách znamená kočovný život spočívající v pastvě skotu v oblasti pouště Gobi a na zimní dobu přestěhování do trochu přijatelnějšího prostředí v blízkosti hlavního města Ulánbátaru. Projekt vychází ze současného technicko-technologického stavu skleníku a fóliovníku na farmách. Současný stav umožňuje pěstování sadby a plodin v období od 1. dekády dubna do 1. dekády v říjnu. Kontinentální klima je velmi nepříznivé pro pěstování rostlin a venkovní vegetace. Dvouletá praxe pěstování vybraných zemědělských kultur nám ukázala, že myšlenka akumulačních skleníků má reálný základ a potvrdila předpokládané výsledky při pěstování. V některých extrémních případech především na rozhraní zimního a letního období je nutno chránit pěstované kultury před nočními mrazíky, které mohou zničit pěstovanou sadbu. Proto chráníme vysazené kultury klasickým způsobem, tj. přikrýváním folií a plstěnými přikrývkami na noční dobu. Přes den však dosahují, díky intenzivnímu slunečnímu záření ve stejném období, již vysokých teplot. Možností jak odstranit pokles nočních teplot pod únosnou mez je další využití sluneční energie ve formě fotovoltaické energie s možností uchování energie v článcích a následnou přeměnu elektrické energie v nočních hodinách na energii tepelnou. Proto je pro potřeby projektu nutno dále prodloužit délku vegetačního období a to následujícími způsoby: •
zabránit poklesu teploty ve skleníku v noci pod +5 C (fotovoltaika)
•
zvýšit dobu osvitu pokud to technické možnosti umožňují
•
zvýšit vzdušnou vlhkost v průběhu vegetace
•
zajistit dostatek živin a tepla i ze substrátu pro pěstování
•
zvolit vhodné plodiny a odrůdy pro ranné a pozdní období pěstování
•
zajistit další rozvoj aktivit spojených s využitím skleníku a fóliovníku
o
Vzhledem k tomu, že se jedná o již realizovaný projekt s dvouletou provozní dobou, byla provedena také kontrola ze strany zadavatele projektu. Provedl jí ing. Karel Vítek, CSc., akreditovaný poradce MZe ČR, s následujícími závěry:
|5
Závěry zpracované technické analýzy Technická data dle ČSN 06 0210 Porovnání velkého skleníku 6 x 20 m s akumulací a bez ní: Položka
Skleník bez akumulace
Tepelná ztráta Qc
16 575 W
Měrná tepelná ztráta qc
41,4 W/m
Skleník s akumulací 16 774 W
2
41,9 W/m
2
Tab. 1 Základní parametry tepelné ztráty skleníků
Závěry hodnocení a efektivita projektu Závěry porovnání parametrů: Ve výše uvedeném porovnání je analyzován ve srovnatelných podmínkách skleník bez akumulační stěny se skleníkem s akumulační stěnou: 1. Skleník s akumulační stěnou má téměř srovnatelnou měrnou tepelnou ztrátu proti skleníku bez o akumulační stěny. Pro výpočet byly brány v úvahu celkem tři varianty vnější teploty a to: -18 C, o o -15 C, -12 C. o
Vnější teplota ( C) -18
Tepelná ztráta Qc skleníku bez akumulace 16 575 W
Tepelná ztráta Qc skleníku s akumulací 16 774 W
-15
14 816 W
15 337 W
-12
13 680 W
13 903 W
Tab.2 Porovnání tepelné ztráty skleníků
2. I při srovnatelné tepelné ztrátě u skleníku bez akumulační stěny a s akumulační stěnou dochází u skleníku s akumulační stěnou k významné akumulaci tepla, která zabrání ochlazování skleníku v nočních hodinách. Materiál Čedič
Měrná tepelná kapacita (J/kgK) 920
Hustota 3 (kg/m ) 3200
Tepelná kapacita (J/kgK) 81 254 400
Žula
920
2500
63 480 000
průměr
920
2850
72 367 200
Tab.3 Tepelná kapacita akumulační stěny 3
3
3. Při vypočítané obměně vzduchu 3,49 m při celkové kapacitě skleníku do 400 m dojde ke snížení o teploty akumulační stěny o 1 C za 1 hodinu a 12 minut. V tomto výpočtu není uvažována tepelná kapacita půdního substrátu, který bude bilanci dále zlepšovat, ani nádrže na teplou vodu, které opět budou celkovou tepelnou bilanci zlepšovat. |6
Celkové ztráty skleníku: Následující tabulka ukazuje celkové tepelné ztráty ve skleníku s akumulací při určitých venkovních teplotách. Při výpočtu byly brány v úvahu velmi nepříznivé podmínky v otevřené krajině při velmi intenzivních větrech s umístěním skleníku s jižní orientací, tak jak předpokládáme, že budou skleníky stavěny: Venkovní teplota/Parametr
Qc
Qo
Qinf
Qv,v
Qv
W
W
W
W
W
o
13 903
3 258
10 651
1 525
10 651
o
15 337
3 258
12 103
1 525
12 103
o
16 774
3 258
13 555
1 525
13 555
- 12 C - 15 C - 18 C
Tab. 4 Tepelné ztráty skleníku
Qc – celková tepelná ztráta
Qv,v – tepelná ztráta větracím vzduchem
Qo – tepelná ztráta prostupem
Qv – tepelná ztráta větráním
Qinf – tepelná ztráta infiltrací
Z tabulky č. 4 vyplývá, že největší ztráty tepla vznikají infiltrací a větráním. To z hlediska provozu skleníku znamená zabránit samovolnému větrání, utěsnit dveře a v případě potřeby vložit pod vlastní skleněnou nebo plachtovou střechu ještě jednu tepelně izolační vrstvu prostupnou pro světlo. Při výpočtu bylo také uvažováno, že tři stěny – severní, západní a východní – budou dodatečně zatepleny navrstvením zeminy, tak jak to bylo provedeno i u stávajících skleníků. Akumulační stěna může skutečně prodloužit velmi významně období vhodné pro pěstování některých zelenin. Při dodržování základních pravidel a využívání fotovoltaických systémů můžeme dosáhnout i celoročního provozu v takových sklenících.
Závěr Akumulační skleník značnou měrou přispívá ke zlepšování produktivity a udržitelnosti zemědělství v problémových klimatických oblastech pouští, savan a podhorských oblastí. Snižuje spotřebu paliv a minimalizuje škody na životním prostředí. Z výše uvedených důvodů je třeba získávat další podporu pro stavbu těchto slunečních skleníkových technologií, které zvyšují životní úroveň, kvalitu života a příjmových generačních příležitostí mnoha farmářů a malozemědělců v rozvojovém světě ve složitých klimatických podmínkách.
|7
