Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Szklarnia wymyślona na nowo

W przeciwieństwie do w pełni oszklonych szklarni czy foliowych tuneli, pasywna szklarnia solarna jest zaprojektowana tak, aby zatrzymywać tyle ciepła, ile to tylko możliwe.

Przekład: Michal Kolbusz

image

Chińska szklarnia: Zdjęcie: Chris Buhler, Indoor Garden HQ

Aby we współczesnych szklarniach hodować warzywa i owoce poza sezonem, potrzeba ogromnych ilości energii. Powodem tego jest to, że każdy metr kwadratowy szyby, nawet potrójnej, traci ciepło dziesięć razy szybciej niż ceglany mur.

Jednak zrównoważona uprawa roślin poza sezonem, oparta na wykorzystaniu energii słonecznej, jest możliwa. W przeciwieństwie do w pełni oszklonych szklarni czy foliowych tuneli, pasywna szklarnia solarna jest zaprojektowana tak, aby zatrzymywać tyle ciepła, ile to tylko możliwe.

Badania pokazują, że uprawa ciepłolubnych roślin z użyciem tylko i wyłącznie energii słonecznej możliwa jest przez cały rok, nawet kiedy na zewnątrz panuje mróz. Pasywne szklarnie odniosły wielki sukces w Chinach, gdzie w ostatnich dekadach postawiono ich tysiące.

W początkach pogoni za uprawą ciepłolubnych roślin w klimacie umiarkowanym w ogóle nie stosowano szkła. W północozachodniej Europie śródziemnomorskie rośliny były sadzone przy specjalnie skonstruowanych “murach owocowych”, charakteryzujących się wysoką masą termiczną. Mury owocowe tworzyły dogodny dla roślin ciepły mikroklimat. W ich sąsiedztwie temperatura była wyższa nawet o 8-12 stopni Celsjusza.

Później zaczęto do ścian murów owocowych dostawiać szklarnie, które dodatkowo podnosiły plony. Dopiero w ostatnich latach XIX wieku szklarnie przybrały taką formę jaką mają dzisiaj - w pełni oszklonych, sztucznie ogrzewanych budynków prawie natychmiast tracących ciepło. Jest to kompletne z zerwanie z zasadami, które dały im początek

Zainteresowanie pasywną szklarnią powróciło ponownie razem z pierwszym kryzysem naftowym początku lat siedemdziesiątych XX wieku. 6 Niestety, entuzjazm szybko opadł razem ze spadającymi cenami energii. Całkowicie przeszklona szklarnia (i foliowy tunel, przyp. tłum.) pozostała “ogrodniczym wołem roboczym” północnozachodniego świata. Jednak w innej części globu, mianowicie w Chinach, pasywna szklarnia solarna nie została tak szybko zapomniana. W ostatnich trzech dekadach Chińczycy postawili 800 tys. hektarów szklarni pasywnych - to 80 razy więcej niż cała powierzchnia szklarni w Holandii.

Chińska szklarnia solarna

W chińskiej pasywnej szklarni solarnej trzy ściany (północna, wschodnia i zachodnia) zrobione są z cegieł lub z gliny. Tylko południowa część budynku jest wykonana z przezroczystego materiału (zwykle z plastikowej folii), który wpuszcza do środka promienie słoneczne. Dzięki wysokiej masie termicznej murowane ściany akumulują w ciągu dnia energię słoneczną i powoli oddają ją w nocy.

Kiedy zachodzi słońce, na folię rozwija się izolującą płachtę - kurtynę nocną - zrobioną ze słomy, trawy lub płótna. Ten zabieg podnosi właściwości izolacyjne całej konstrukcji. Mury dodatkowo osłaniają przed zimnymi wiatrami z północy, które mogłyby szybko wychłodzić szklarnię.

image

Chińskie szklarnie. Zdjęcie: HortTechnology.

W przeciwieństwie do energochłonnej oszklonej szklarni, chińska szklarnia pasywna ogrzewana jest przez cały rok jedynie energią słoneczną, nawet wtedy, gdy temperatura na zewnątrz spadnie poniżej zera. Temperatura w środku niej może być nawet o 25°C wyższa niż na zewnątrz.

Rząd chiński umieścił szklarnie pasywne w centrum systemu produkcji żywności w środkowych i północnych Chinach. W Chinach jedna piąta całej powierzchni zajmowanej przez tunele i szklarnie to szklarnie pasywne. Do roku 2020 ich łączna powierzchnia ma wzrosnąć do co najmniej 1.5 miliona hektarów. 1

Ulepszyć chińską szklarnię solarną

Pierwszą szklarnie w stylu chińskim postawiono w 1978 roku, jednak technologia ta zyskała na popularności dopiero w latach 80. – dzięki plastikowi. Plastikowa folia jest nie tylko tańsza, ale również lżejsza od szkła, dzięki czemu konstrukcja szklarni nie musi być tak solidna, co pozwala oszczędzić pieniądze na materiałach.

image

A: Pierwotna konstrukcja z lat 80. ze szklanym poszyciem. B: Ulepszony projekt z poszyciem z folii, kurtyną nocną i lepiej zaizolowanymi ścianami. C: Ulepszony projekt z 1995 r. Ściany są cieńsze, ponieważ wykonano je z nowoczesnych materiałów. Kurtyna nocna jest rozwijana automatycznie. D: Najnowszy projekt z 2007 roku z podwójnym poszyciem i dodatkową izolacją.

Technologia ta ciągle się rozwija. Szklarnie buduje się teraz wyższe i głębsze, dzięki czemu światło słoneczne jest lepiej rozprowadzane, a rozkład temperatur wewnątrz jest korzystniejszy.

Nowoczesne materiały izolacyjne wypierają ubitą glinę i komory powietrzne, ponieważ zapewniają lepsze własności termiczne i oszczędzają miejsce. Coraz częściej spotyka się koce wykonane z materiałów syntetycznych, które lepiej radzą sobie z wilgocią niż staroświeckie maty ze słomy. Słoma kiedy namoknie robi się ciężka i traci swoje własności termoizolacyjne.

W niektórych z najnowszych konstrukcji kurtyny nocne zwija się i rozwija automatycznie. Systemy wentylacyjne również stają się bardziej zaawansowane. Pojawiają się takie rozwiązania jak podwójne dachy czy wewnętrzne powierzchnie odbijające światło. Co więcej, folia plastikowa - nie da się ukryć, że najmniej zrównoważony element systemu - jest ciągle ulepszana w kierunku większej trwałości

Produktywność chińskiej szklarni

Produktywność chińskiej szklarni pasywnej zależy od projektu, szerokości geograficznej i lokalnego klimatu. Przyjrzyjmy się, co mówią ostatnie badania, które przeprowadzono na trzech różnych typach szklarni w mieście Shenyang, stolicy prowincji Liaining. Miasto to jest jednym z najdalej wysuniętych na północ rejonów Chin (41.8°N), gdzie stawia się szklarnie pasywne (można je spotkać w pasie pomiędzy 32°N a 43°N szerokości geograficznej).

Badania trwały od początku listopada do końca marca. W tym okresie temperatury na zewnątrz regularnie spadały poniżej zera. Średnia temperatura dobowa najzimniejszego miesiąca (luty) wahała się od -15 do -18 stopni Celsjusza. 1

image

Komory powietrzne w murze zrujnowanej szklarni. Zdjęcie: Chris Buhler, Indoor Garden HQ

Wszystkie trzy testowane szklarnia miały ten sam kształt i wymiary (60 x 12.6 x 5.5 metra), ale różniły się wykonaniem ścian i foliowym poszyciem. Najprostsza konstrukcja miała mury zrobione z ubitej ziemi z dodatkową wewnętrzną ceglaną ścianą poprawiającą stabilność konstrukcji. Poszycie stanowiła cienka plastikowa folia, przykrywana na noc rozwijaną słomianą matą.

W dwóch pozostałych projektach północną ścianę wykonano z cegieł i zaizolowano dodatkowo styropianem (taka konstrukcja pozwoliła zmniejszyć grubość muru o połowę w porównaniu z murem z ubitej ziemi i cegieł). Poszycie w obu przypadkach stanowiła gruba folia PCV, na noc przykrywana izolacyjną matą. Różnica pomiędzy nimi polegała na tym, że w trzeciej szklarni mata izolacyjna od wewnątrz miała dodatkową powierzchnię odbijającą ciepło, co jeszcze bardziej ograniczało straty ciepła w nocy.

image

Chińska szklarnia: Zdjęcie: Chris Buhler, Indoor Garden HQ

image

Kurtyna nocna szklarni pasywnej. Źródło: Energy Farms

W szklarni o najprostszej konstrukcji temperatura spadała poniżej zera od wczesnego grudnia do połowy stycznia. Na tej szerokości geograficznej nie można by było zimą uprawiać w niej roślin bez dodatkowego ogrzewania. Tylko najbardziej zaawansowana, trzecia konstrukcja, była w stanie w sposób pasywny (wykorzystując jedynie energię słoneczną), utrzymać cały czas temperaturę na plusie.

Co więcej, w trzeciej szklarni przez większość czasu utrzymywała się temperatura powyżej 10°C, czyli powyżej minimum wymaganego przez ciepłolubne rośliny, takie jak pomidory i ogórki. Oczywiście szklarnia pasywna zbudowana bardziej na południu nie będzie wymagała tak zaawansowanej termoizolacji, żeby móc działać bez dodatkowego ogrzewania.

Szklarnie pasywne w północnym klimacie

Stawiając szklarnie jeszcze bardziej na północ trzeba się liczyć z potrzebą dodatkowego ogrzewania w czasie zimy, bez względu na to, jak dobrze zaizolowane by one nie były. Pamiętajmy również, że im dalej na północ, tym szklarnia musi mieć bardziej pochyloną stronę transparentną, ponieważ słońce wschodzi niżej nad horyzontem. Aby w optymalny sposób wykorzystać lokalne warunki słoneczne, poszycie powinno być nachylone pod kątem prostym do kąta padania promieni słonecznych w czasie, gdy słońce jest najniżej na horyzoncie.

W 2005 roku w kanadyjskiej Manitobie (50°N) przeprowadzono testy szklarni w stylu chińskim. Konstrukcja miała wymiary 30 na 7 metrów z dobrze zaizolowaną włóknem szklanym ścianą północną (współczynnik przenikania ciepła RSI włókna szklanego to 3.6), z nocną kurtyną wykonaną z bawełnianego płótna (RSI 1.2). Testy trwały od stycznia do kwietnia. W najzimniejszym miesiącu (lutym) temperatury wahały się od +4.5°C do -29°C. Chociaż temperatura wewnątrz szklarni była średnio o 18°C wyższa niż na zewnątrz, to okazało się że bez dodatkowego ogrzewania nie jest w niej możliwa uprawa roślin w zimie. 2

image

Ogórki w szklarni w stylu chińskim. Źródło: Energy Farms.

image

Truskawki w szklarni w stylu chińskim. Źródło: Wikipedia Commons.

Niemniej jednak, w porównaniu w pełni oszkloną szklarnią, oszczędności energetyczne były ogromne. Trzeba było dostarczać maksymalnie 17 watów energii na metr kwadratowy dziennie (albo 3.6 kW na budynek), żeby w testowanej w Kanadzie szklarni pasywnej utrzymać przez cały czas temperaturę powyżej 10°C. 2. W pełni przeszklona szklarnia, w takim samym klimacie i o takich samych rozmiarach, potrzebuje ogrzewania na poziomie dochodzącym do 125-155 kW.

Trzeba mieć jednak na uwadze, że wyników tych testów nie można odnieść do każdego miejsca na Ziemi położonego na szerokości 50°N. Kanadyjskie doświadczenia pokazują, że nasłonecznienie ma większy wpływ na temperaturę wewnątrz niż temperatura zewnętrzna. Korelacja między temperaturą wewnętrzną, a nasłonecznieniem jest prawie czterokrotnie wyższa niż korelacja między temperaturą wewnętrzną, a temperaturą zewnętrzną. 2 Na przykład, Bruksela leży na tej samej szerokości geograficznej co Manitoba, ale ta druga ma średnio 1.5 razy więcej słońca.

Pojemność cieplną szklarni można polepszyć stawiając w środku przy północnej ścianie zbiorniki z wodą pomalowane na czarno. Będą one za dnia dodatkowo akumulować ciepło słoneczne i oddawać je w nocy. Kolejnym sposobem na zwiększenie retencji ciepła może być okopanie ziemią północnej, wschodniej i zachodniej ściany. Jeszcze innym sposobem, wykorzystującym właściwości izolujące gruntu, może być budowa szklarni częściowo zagłębionej w ziemi. 7 Niestety, przez niższą wysokość taka szklarnia będzie dostawać mniej słońca i będzie narażona na podtopienia.

Potrzeba więcej miejsca

Szklarnie pasywne mogą zaoszczędzić mnóstwo energii, ale nie za darmo. Zyski, jakie generują szklarnie pasywne w chińskim stylu, są 2 do 3 razy mniejsze w przeliczeniu na 1 metr kwadratowy powierzchni niż w przypadku ich szklanych rywali. W najbardziej wydajnych chińskich szklarniach można zebrać średnio 30 kilogramów pomidorów i 30 kilogramów ogórków na metr kwadratowy (dane z 2005 roku), kiedy w typowej szklarni europejskiej można wyhodować 60 kg pomidorów i 100 kg ogórków z jednego metra kwadratowego (dane z 2003 roku). 34.

image

Chińska szklarnia solarna. Zdjęcie: Energy Farms.

Szklarnie pasywne mogą wymagać aż trzy razy więcej miejsca, aby dostarczyć tę samą ilość pożywienia. Może to być problemem, jednakże tym, co w rolnictwie naprawdę pożera przestrzeń, jest produkcja mięsa. Szklarnie pasywne oferują bogaty wybór warzyw i owoców, co może przyczynić się do spadku spożycia mięsa. Jeśli tak się stanie, to ilość miejsca nie powinna być problemem.

Szklarnie ogrzewane kompostem

Zasilane energią słoneczną szklarnie stoją przed jeszcze jednym wyzwaniem - brakiem źródła dwutlenku węgla. W nowoczesnych szklarniach stężenie CO2 w powietrzu utrzymuje się na poziomie przynajmniej trzy razy wyższym niż na zewnątrz. Jest on produktem ubocznym ogrzewania paliwami kopalnymi. W ten sposób podnosi się plony. Jednak skoro szklarnia pasywna rezygnuje z paliw kopalnych, to trzeba poszukać innego źródła CO2. Problem z niedoborami dwutlenku węgla jest również przyczyną tego, że szklarnie ogrzewane energią elektryczną i geotermalną nie są powszechnie używane.

Sposobem na niedobór dwutlenku węgla w chińskim szklarniach jest czasem łączenie uprawy roślin z hodowlą zwierząt. Świnie, kury i ryby produkują CO2, który mogą asymilować rośliny, a warzywa i owoce produkują tlen (i jadalne zielone odpadki), którym oddychają zwierzęta. Co więcej, sama obecność zwierząt oraz nawóz, jaki zostawiają, może działać jako dodatkowo źródło ciepła. Badania wskazują, że takie zintegrowane podejście do prowadzenia szklarni, gdzie naraz produkuje się warzywa, mięso, mleko i jajka, zauważalnie podnosi plony. [^5]

image

Kompost wytwarzający ciepło w szklarni. Źródło: Pelaf

Justin Walker, Amerykanin mieszkający na Syberii, buduje przyklasztorny system szklarniowy łączący uprawę roślin z hodowlą koni, kóz i owiec. Z uwagi na surowy klimat jego konstrukcje są częściowo zagłębione w gruncie, a części powierzchniowe są okopane ziemią. W jednej części mają dostawioną stodołę, która w zimie, wypełniona sianem, daje dodatkową izolację przed chłodem, a latem, kiedy jest pusta, poprawia wentylacje. Walker zaprojektował system odzyskiwania ciepła z kompostu, który grzeje wodę rozprowadzaną później systemem rur pod podłogą szklarni. Dwutlenek węgla dostarczają zwierzęta. 5

Do ogrzewanie i produkcji CO2 nie trzeba trzymać zwierząt wewnątrz szklarni. Wystarczy sam nawóz. Pisaliśmy o tym w poprzednim artykule, że koński nawóz jako źródło ciepła w małych szklarniach znany jest w Europie od wielu stuleci, a w Chinach ta metoda ma już ponad 2 tysiące lat. Od lat 80. XX wieku w Stanach Zjednoczonych wybudowano wiele szklarni ogrzewanych kompostem. Pokazano, że szklarnia, jeśli jest odpowiednio zaizolowana, może być ogrzewana tylko dzięki kompostowi. Dodatkowo w ten sposób znacznie podnosi się stężenie CO2 w glebie i powietrzu. Na koniec trzeba dodać, ze kompost służy również jako nawóz dla roślin. 5

Kris De Decker


  1. Energy performance optimization of typical chinese solar greenhouses by means of dynamic simulation, Alessandro Deiana et al., International conference of agricultural engineering, 2014, Zurich. 

  2. Winter performance of a solar energy greenhouse in southern Manitoba, Canadian Biosystems Engineering. 2006. 

  3. The solar greenhouse: state of the art in energy saving and sustainable energy supply. G. Bot et al., 2005 

  4. Structure, function, application, and ecological benefit of a single-slope, energy-efficient solar greenhouse in China. HortTechnology, June 2010 Integrated energy self-served animal and plant complementary ecosystem in China, in “Integrated energy systems in China — the cold northwestern region experience”, FAO, 1994 

  5. The Compost-Powered Water Heater: How to heat your greenhouse, pool, or buildings with only compost, Gaelan Brown, 2014 

  6. See for example The Solar Greenhouse Book, published by Rodale Press in 1978 

  7. The Earth Sheltered Solar Greenhouse Book, Mike Oehler, 2007 

608.53KB