Современная стеклянная теплица требует огромных затрат энергии для выращивания растений в межсезонье. Это потому, что каждый квадратный метр стекла, даже если оно имеет тройное остекление, теряет в десять раз больше тепла, чем стена. Тем не менее, экологически чистое выращивание фруктов и овощей межсезонье может стать реальностью с использованием энергии солнца.
В отличие от полностью застекленных теплиц, пассивная солнечная теплица предназначена для сохранения как можно большего количества тепла. Исследования показали, что можно выращивать сельскохозяйственные культуры для теплого климата круглый год, используя только энергию солнца, даже если температура за пределами теплицы очень низкая. Солнечные теплицы особенно успешны в Китае, где за последние десятилетия были построены тысячи таких сооружений.
Стремление к выращиванию теплолюбивых культур в регионах с умеренным климатом изначально вообще не предполагало использования стекла. В Северо-Западной Европе средиземноморские культуры высаживались вблизи специально построенных «фруктовых стен» с высокой термальной массой, создавая микроклимат, который мог быть на 8–12 ° C (14–22 ° F) теплее, чем в обычном климате .
Позже теплицы, построенные из этих фруктовых стен, еще больше повысили эффективность использования солнечной энергии. Только в конце XIX века теплица превратилась в полностью застекленное и искусственно отапливаемое здание, в котором почти мгновенно теряется тепло - полная противоположность примитивной технологии, на основе которой возникли эти современные теплицы.
Во время нефтяного кризиса 1970-х годов возродился интерес к пассивным солнечным теплицам. Однако внимание быстро исчезло, когда цены на энергоносители снова упали, и цельностеклянные теплицы остались рабочей лошадкой садоводства в Северо-Западном мире. Но предпреимчивые Китайцы пошли другим путем построив у себя за последние три десятилетия 800 000 гектаров пассивных солнечных теплиц - это в 80 раз больше, чем площадь самой большой тепличной промышленности в мире - Нидерландов.
Китайская солнечная теплица
В китайской пассивной солнечной теплице три стены (северная, восточная и западная) сделаны из кирпича или глины. Только южная часть здания сделана из прозрачного материала пропускающего солнечные лучи внутрь, (обычно материалом служит прозрачная полиэтиленовая пленка). Из-за высокой тепловой массы кирпичные стены накапливают солнечную энергию днем и медленно отдают ее ночью.
На закате поверх пленки раскатывается утеплитель ввиде матов сделанных из соломы, прессованной травы, таким образом уменьшая теплопотери в ночное время. Стены также блокируют холодные северные ветры, которые в противном случае ускорили бы потерю тепла в теплице.
В отличие от энергоемких стеклянных теплиц, китайские пассивные теплицы круглый год обогреваются только солнечной энергией, даже когда температура на улице опускается ниже нуля. Температура внутри может быть на 25 ° C выше, чем снаружи.
Китайское правительство сделало пассивные теплицы центром системы производства продуктов питания в центральном и северном Китае. В Китае пятая часть всех туннелей и теплиц - это пассивные теплицы. Ожидается, что к 2020 году их общая площадь увеличится как минимум до 1,5 млн га. 1
Улучшение китайской солнечной теплицы
Первая теплица в китайском стиле была построена в 1978 году. Однако эта технология стала популярной только в 1980-х годах, после появления прозрачной пластиковой пленки. Пленка не только дешевле стекла, но и легче и не требует большой несущей способности, что значительно удешевляет строительство конструкции. С тех пор конструкция постоянно улучшалась. Теплица стала глубже и выше, что позволило лучше распределять солнечный свет и уменьшить колебания температуры.
A: Оригинальный дизайн 1980-х годов со стеклянным навесом. B: Улучшенный дизайн середины 1980-х годов с пластиковой пленкой, ночной занавеской и лучше изолированными стенами. Эта конструкция самая распространенная. C: Улучшенный дизайн 1995 года. Стены тоньше, потому что утеплены современными материалами. Ночная занавеска раскрывается автоматически. D: Самая последняя конструкция 2007 года с двойной крышей для дополнительной изоляции.
Кроме того, фермеры все чаще выбирают современные изоляционные материалы вместо использования утрамбованной земли или воздушных полостей для изоляции стен, что экономит пространство и улучшает характеристики поглощения тепла конструкции. Также все чаще используются синтетические изоляционные маты, которые лучше подходят для борьбы с влагой. Старомодные соломенные циновки при намокании становятся тяжелее и меньше изолируют.
В некоторых новых теплицах теплоизоляционные покрытия автоматически скручиваются вверх и вниз, и используются более сложные системы вентиляции. В некоторых теплицах установлен двойной слой пленки или светоотражающая изоляция.
Производительность китайской солнечной теплицы
Производительность китайской теплицы зависит от ее конструкции, географической широты и местного климата. Недавнее исследование выявило три типа теплиц в Шэньяне, столице провинции Ляонин. Город находится на 41,8 ° северной широты и является одним из самых северных районов, где построена теплица в китайском стиле (между 32 ° и 43 ° северной широты).
Исследования проводились с начала ноября до конца марта, в период, когда температура на улице опускается ниже нуля. Средняя температура самого холодного месяца составляет от -15 ° C до -18 ° C (от 5 до -0,4 ° F).
Воздушные полости в разрушенной солнечной теплице. На фото: Крис Булер, штаб-квартира в закрытом саду.
Все три изученные теплицы имеют одинаковую форму и размеры (60 x 12,6 x 5,5 м), но стены и пластиковая пленка различаются. Самая простая конструкция имеет стены из утрамбованной земли и внутренний слой кирпича для повышения устойчивости конструкций. Покрытие представляет собой тонкую полиэтиленовую пленку, которую на ночь накрывают матами из соломы.
В двух других проектах северная стена была кирпичная и дополнительно утеплена пенополистиролом (такая конструкция позволила вдвое уменьшить толщину стены по сравнению со стеной из утрамбованной земли и кирпича). Обшивка в обоих случаях была сделана из толстой ПВХ- пленки , на ночь накрытой изолирующими матами. Разница между ними заключалась в том, что в третьей теплице изолирующий мат с внутренней стороны имел дополнительную теплоотражающую поверхность, которая дополнительно ограничивала потери тепла в ночное время.
Китайская теплица. На фото: Крис Булер, штаб-квартира в закрытом саду .
Ночной изолирующий мат солнечной теплицы
В самой простой теплице с начала декабря до середины января температура опускалась ниже нуля. На такой широте без дополнительного обогрева выращивать там растения зимой было бы невозможно. Только самая совершенная третья теплица, могла пассивно постоянно поддерживать положительную температуру, используя только солнечную энергию.
Более того, в третьей теплице большую часть времени поддерживалась температура выше 10 ° C, что выше минимума, необходимого для теплолюбивых растений, таких как томаты и огурцы. Конечно, пассивная теплица, построенная южнее, не потребует такой продвинутой теплоизоляции, чтобы работать без дополнительного обогрева.
Солнечные теплицы в северном климате
Если мы пойдем дальше на север, аналогичные солнечные пассивные теплицы потребуют дополнительного обогрева в самые холодные месяцы года, независимо от того, насколько хорошо они изолированы. Учтите, что чем дальше на север расположена теплица, тем больше будет ее уклон. Наклон крыши перпендикулярен солнечным лучам, когда он находится ниже уровня горизонта.
В 2005 году теплица в китайском стиле была испытана в Манитобе, Канада (50 ° с.ш.). Конструкция была размером 30 на 7 метров с хорошо изолированной северной стеной из стекловолокна (коэффициент теплопередачи из стекловолокна RSI 3,6), с ночным утеплителем (матами) из хлопкового полотна ( RSI 1,2). Испытания длились с января по апрель. В самый холодный месяц (февраль) температура колебалась от + 4,5 ° C до -29 ° C. Хотя температура внутри теплицы была в среднем на 18 ° C выше, чем на улице, оказалось, что выращивать растения зимой без дополнительного обогрева невозможно.
Огурцы в китайской солнечной теплице
Клубника в китайской солнечной теплице. Изображение: Википедия.
Тем не менее, экономия энергии может быть огромной по сравнению со стеклянной теплицей. Чтобы постоянно поддерживать температуру выше десяти градусов, система отопления канадской конструкции должна обеспечивать максимум 17 Вт / м2, или 3,6 кВт для всей постройки. Для сравнения, стеклянная теплица равных пропорций при одинаковой внутренней и внешней температуре потребует максимальной мощности от 125 до 155 кВт.
Обратите внимание, что эти результаты не могут быть применены ко всем точкам на 50 ° северной широты. Канадские исследования показывают, что солнечная энергия оказывает большее влияние на внутреннюю температуру конструкции, чем внешняя температура. Корреляция между внутренней температурой и солнечным светом почти в четыре раза больше, чем корреляция между внутренней и внешней температурой. Например, Брюссель находится на той же широте, что и Манитоба, но в последней в среднем в 1,5 раза больше солнца.
Теплоемкость теплицы можно повысить, разместив окрашенные в черный цвет резервуары для хранения воды у северной стены внутри теплицы. Они будут дополнительно накапливать солнечное тепло днем и отдавать его ночью. Другой метод улучшения удержания тепла в теплице - засыпание землей северной, восточной и западной стены. Еще одно решение для улучшения теплоизоляции - подземная теплица или «траншейная теплица». Однако эта теплица получает меньше солнечного света и подвержена затоплению.
Требуется больше места
Пассивные теплицы позволяют сэкономить много энергии, но не бесплатно. Прибыль от пассивных теплиц в китайском стиле на квадратный метр в 2–3 раза меньше, чем у их стеклянных конкурентов. В наиболее эффективных китайских теплицах вы можете собрать в среднем 30 кг томатов и 30 кг огурцов на квадратный метр (данные за 2005 г.), в то время как в типичных европейских теплицах вы можете вырастить 60 кг томатов и 100 кг огурцов с одного квадратного метра (данные за 2003 г.).
Китайская солнечная теплица.
Таким образом, пассивная тепличная промышленность потребует в два-три раза больше места для производства того же количества продуктов питания. Это можно рассматривать как проблему, однако, что действительно занимает место в сельском хозяйстве, так это производство мяса. Пассивные теплицы предлагают широкий выбор овощей и фруктов, что может снизить потребление мяса. Если это произойдет, то проблем с количеством места не должно быть.
Компостные теплицы
Еще одна проблема теплиц, работающих на солнечной энергии, - это отсутствие источника CO2. В современных теплицах концентрация СО2 в воздухе как минимум в три раза выше, чем на улице. Это побочный продукт отопления с использованием ископаемого топлива. Так увеличивается урожай. Однако, поскольку пассивная теплица отказывается от ископаемого топлива, необходимо найти другой источник CO2 . Проблема нехватки углекислого газа также является причиной того, что теплицы с электрическим и геотермальным обогревом не получили широкого распространения.
В китайских солнечных теплицах эта проблема иногда решается комбинированным выращиванием продуктов и животных. Свиньи, куры и рыба производят CO2, который может поглощаться растениями, в то время как растения производят кислород (и зеленые отходы) для животных. Животные и их навоз также способствуют обогреву конструкции. Исследование таких интегрированных тепличных систем показало, что комбинированное производство овощей, мяса, молока и яиц значительно повышает урожайность.
Деталь теплицы с компостом
Джастас Уолкер, американец, живущий в Сибири, строит монастырскую оранжерейную систему, сочетающую выращивание растений с разведением лошадей, коз и овец. Из-за сурового климата его конструкции частично заглублены в землю, а части поверхности засыпаны землей. В одной части есть пристроенный сарай, который зимой наполнен сеном, что обеспечивает дополнительную изоляцию от холода, а летом, когда он пустой, улучшает вентиляцию. Уокер разработал систему рекуперации тепла компоста, которая нагревает воду, которая затем распределяется по системе труб под полом теплицы. Двуокись углерода обеспечивают животные.
Отопление и производство CO2 также можно производить без содержания животных в теплице. Их навоза достаточно. Использование конского навоза для обогрева небольших теплиц в Европе возникло несколько столетий назад, а в Китае это практиковалось уже 2000 лет назад. С 1980-х годов в США было построено несколько компостных теплиц. Они показали, что теплицу можно полностью отапливать компостом, если она хорошо изолирована, и что этот метод значительно увеличивает уровнь CO2 в почве и в воздухе теплицы. Кроме того, компост также увеличивает плодородие почвы.
Автор статьи: Крис Де Декер
Автор перевода: Климентий Ранчуков
Первоисточник: https://www.lowtechmagazine.com/2015/12/reinventing-the-greenhouse.html