Lập kế hoạch thông gió và luồng không khí trong nhà kính thương mại như thế nào?
Hệ thống thông gió ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí và diện tích trồng trọt trong nhà kính. Đối với nhà kính thương mại, cần lập kế hoạch thông gió có tính đến cấu trúc nhà kính, mật độ cây trồng, khí hậu và hiệu quả hoạt động.
Vấn đề không chỉ đơn thuần là tăng cường lưu thông không khí. Về mặt kỹ thuật, một kế hoạch thông gió phải đảm bảo tốc độ trao đổi không khí xác định ở hai điểm vận hành rất khác nhau: khoảng 40-60 lần thay đổi không khí mỗi giờ (ACH) khi cần làm mát tối đa vào mùa hè, và chỉ 1 ACH vào mùa đông khi nhiệm vụ duy nhất còn lại là kiểm soát độ ẩm. Hầu hết các lỗi thông gió được tìm thấy trong nhà kính thương mại đã hoạt động lâu năm đều bắt nguồn từ thiết kế chỉ tập trung vào một trong hai điểm đó mà không được kiểm tra ở điểm còn lại.
Thiết kế tốt từ nhà sản xuất nhà kính thương mại cho phép kiểm soát việc đưa không khí trong lành vào, lưu thông khắp cây trồng và thoát ra ngoài mà không tạo ra các vùng tù đọng, gió mạnh hoặc lãng phí năng lượng.
Lên kế hoạch luồng không khí xung quanh cấu trúc nhà kính.
Trước khi lựa chọn thiết bị làm mát, quạt hoặc lỗ thông gió, chiến lược luồng không khí cơ bản cần được xác định dựa trên cấu trúc của nhà kính. Với vị trí đặt các lỗ thông gió không hợp lý, một nhà kính thương mại dù có hệ thống thông gió đầy đủ vẫn có thể tạo ra sự mất cân bằng về nhiệt độ và độ ẩm.
Lập bản đồ khu vực đang phát triển
Lập sơ đồ các hàng cây, giá đỡ, lối đi, vách ngăn, thiết bị và các đặc điểm khác có thể ảnh hưởng đến sự lưu thông không khí. Hãy xem xét kích thước cây trồng dự kiến khi trưởng thành hoàn toàn, chứ không chỉ là kích thước nhà kính khi trống rỗng.
Xác định những khu vực có mật độ cây trồng hoặc thiết bị dày đặc có thể hạn chế luồng không khí. Điều này giúp xác định vị trí đặt các lỗ thông gió và quạt. Một việc hữu ích ở giai đoạn này là đánh dấu diện tích sàn trống và tiết diện trống còn lại khi tán cây khép kín, bởi vì sự lưu thông không khí bên trong được chi phối bởi thể tích không khí tự do phía trên cây trồng, chứ không phải bởi tổng thể tích nhà kính.
Thiết lập đường dẫn khí vào và ra
Mọi hoạt động thông gió đều cần một đường dẫn khí ổn định (luồng khí vào và ra). Không khí bên ngoài có thể xâm nhập qua các khe hở bên hông, và không khí nóng có thể bốc lên từ các lỗ thông gió trên mái nhà.
Các yếu tố này cần được kết nối với nhau, chứ không phải riêng lẻ. Nếu được bố trí đúng cách, các điểm vào và ra có thể cho phép không khí lưu thông qua nhiều khu vực trồng trọt hơn. Mục tiêu thiết kế có thể đo lường được là tổng diện tích thông gió: để thông gió tự nhiên hoạt động hiệu quả, tổng diện tích thông gió trên mái và bên hông phải chiếm không dưới 15%–20% diện tích sàn nhà kính. Áp dụng tỷ lệ đó cho một gian nhà kính 1.000 m² sẽ cho ra 150–200 m² diện tích thông gió hiệu quả, được đo là diện tích thông gió tự do sau khi đã lắp khung và lưới chắn, chứ không phải là kích thước thông gió danh nghĩa.
Hãy xem xét chiều cao của nhà kính.
Hãy xem xét cấu trúc tổng thể chứ không chỉ sơ đồ mặt bằng. Chiều cao mái và chiều cao máng xối kiểm soát hiệu ứng ống khói thúc đẩy thông gió tự nhiên, bởi vì sự chênh lệch áp suất giữa cửa hút gió thấp và cửa thoát gió cao tăng lên theo khoảng cách thẳng đứng giữa chúng.
Các hệ thống thu gom và tưới tự nhiên Venlo thương mại điển hình sử dụng chiều cao máng xối từ 4–6 m, và chiều cao cột trong các cấu trúc có khẩu độ lớn có thể vượt quá 10 m. Nâng cao máng xối không chỉ giúp tăng khoảng cách cho cây trồng mà còn tăng áp suất nâng giúp không khí nóng thoát ra ngoài qua đỉnh máng, và mở rộng thể tích đệm giúp giảm thiểu sự dao động nhiệt độ ngắn hạn.
Mật độ cây trồng dày đặc có thể hạn chế luồng không khí và tạo ra những khu vực có độ ẩm cao hơn. Thiết bị, cây treo, màn chắn và các cấu trúc khác cũng có thể gây ra hiệu ứng tương tự.
Xác định các khu vực mà luồng không khí có thể bị yếu đi và giữ cho các đường dẫn khí đã lên kế hoạch luôn thông thoáng. Điều này giúp xác định vị trí đặt các lỗ thông gió và quạt, đồng thời duy trì hiệu quả của hệ thống khi cây trồng phát triển.
Lựa chọn và phối hợp thiết bị thông gió
Sau khi xác định lưu lượng không khí, hãy lựa chọn các thành phần của hệ thống thông gió dựa trên môi trường và yêu cầu của cây trồng trong nhà kính. Trong nhà kính thương mại, có thể sử dụng thông gió tự nhiên, quạt cơ học và/hoặc thiết bị làm mát, nhưng các hệ thống này cần được thiết kế như một chiến lược thông gió toàn diện.
Tận dụng hiệu quả các lỗ thông gió trên mái nhà
Luồng không khí tự nhiên bốc lên mái nhà có thể được thoát ra ngoài bằng hệ thống thông gió mái. Hiệu quả của hệ thống này phụ thuộc vào vị trí mở cửa, lượng không khí hút vào, cấu hình mái nhà và điều kiện bên ngoài.
Các lỗ thông gió trên mái nhà cần được thiết kế để đảm bảo không khí đi vào có thể lưu thông qua khu vực trồng trọt và phải phối hợp với các cửa hút gió ở tầng thấp hơn. Các lỗ thông gió trên mái nhà không thể đảm bảo sự lưu thông đồng đều. Các nghiên cứu thực địa về sự kết hợp các lỗ thông gió cho thấy một thứ tự ưu tiên rõ ràng: lỗ thông gió bên hông kết hợp với các lỗ thông gió trên mái nhà ở phía đón gió tạo ra lưu lượng gió tự nhiên cao nhất, đạt khoảng 12,3 lần thay đổi không khí mỗi giờ ở tốc độ gió chỉ 0,5 m/s. Các cấu hình chỉ dựa vào lỗ thông gió trên mái nhà hoặc chỉ dựa vào các lỗ thông gió ở phía khuất gió cho kết quả thấp hơn đáng kể.
Sử dụng lỗ thông gió bên hông để hút khí vào.
Các lỗ thông gió bên hông có thể hút không khí bên ngoài ở mức thấp hơn, giúp thúc đẩy sự lưu thông không khí trong không gian trồng trọt. Cần phải lên kế hoạch bố trí chúng sao cho phù hợp với hàng cây trồng, lưới chắn, thiết bị và các công trình khác.
Nếu sử dụng hệ thống thông gió bên hông và trên mái, không khí có thể đi vào tòa nhà ở hoặc gần khu vực trồng trọt và di chuyển lên trên khi ấm lên. Điều này có thể dẫn đến sự lưu thông tự nhiên hiệu quả hơn trong điều kiện bên ngoài thuận lợi. Sự kết hợp này cũng rất quan trọng ở tốc độ gió thấp: cửa hút gió bên hông kết hợp với cửa thoát gió trên mái hướng gió mang lại sự kết hợp tốt nhất giữa lưu lượng gió và sự đồng đều trong không gian, trong khi các cửa mở đối diện có thể hút không khí thẳng qua đỉnh mái mà không bao giờ đến được khu vực trồng trọt.
Tính đến lưới chống côn trùng và lực cản của luồng không khí.
Lưới chống côn trùng rất hữu ích trong nhà kính thương mại, nhưng chúng cũng có thể hạn chế luồng không khí qua các lỗ thông gió. Điều này cần được xem xét khi lập kế hoạch thông gió.
Kiểm tra khu vực mở màn hình
Loại và diện tích lỗ của lưới chắn có thể ảnh hưởng đến việc không khí bên ngoài dễ dàng đi vào nhà kính như thế nào. Lưới chắn quá hẹp có thể làm giảm lưu lượng không khí tự nhiên và tăng nhu cầu thông gió cơ học.
Các nghiên cứu trong hầm gió đã công bố về lưới chống côn trùng với độ xốp từ 25% đến 53% cho thấy tốc độ thông gió giảm khi độ xốp giảm, bởi vì lưới làm giảm hệ số thoát khí của khe hở chứ không chỉ đơn giản là thu hẹp nó. Trên thực tế, một lưới chống côn trùng tiêu chuẩn làm giảm khoảng 10%–20% lưu lượng không khí qua một khe hở không được bảo vệ; việc chuyển từ lưới 40 mắt lưới sang lưới 75 mắt lưới có thể làm giảm thông gió tự nhiên thêm 25%. Ví dụ minh họa: một lưới 50 mắt lưới với tỷ lệ diện tích hở 55% được lắp đặt trên một khe hở 100 m² chỉ cho phép lượng không khí tương đương với khoảng 55–60 m² khe hở không bị cản trở.
Do đó, cần phải tính đến lưới chắn khi thiết kế và bố trí các lỗ thông gió trên mái và bên hông. Giữ cho lưới chắn luôn sạch sẽ vì bụi và thực vật có thể làm giảm thêm diện tích thông gió.
Điều chỉnh hệ thống thông gió sao cho phù hợp với cấu trúc có lưới chắn.
Nếu lưới chống côn trùng được lắp đặt trên các lỗ thông gió, nhà sản xuất cần tính đến ảnh hưởng của chúng khi thiết kế hệ thống thông gió. Không nên lựa chọn công suất quạt và diện tích lỗ thông gió mà không xem xét đến lực cản do lưới tạo ra. Trình tự đúng là xác định tốc độ trao đổi không khí cần thiết, chuyển đổi nó thành lưu lượng cần thiết, sau đó tính toán tổng diện tích lỗ thông gió và công suất quạt để bù cho lực cản của lưới và tổn thất áp suất do chính lưới gây ra.
Điều này đặc biệt quan trọng ở những vùng khí hậu nóng, nơi nhà kính có thể phụ thuộc nhiều vào thông gió tự nhiên. Thiết kế cuối cùng cần đảm bảo đủ lượng không khí trao đổi cho cây trồng trong điều kiện ngoài trời dự kiến.
Lắp thêm quạt ở những nơi luồng không khí tự nhiên bị hạn chế.
Khi hệ thống thông gió tự nhiên không cung cấp đủ lượng không khí lưu thông, quạt cơ học sẽ được sử dụng. Chúng có thể hỗ trợ lưu thông không khí ở những khu vực không được đảm bảo đủ do cấu tạo của nhà kính hoặc do sự thay đổi của khí hậu bên ngoài.
Đối với việc lưu thông không khí ở cấp độ cây trồng, phương pháp luồng không khí ngang (HAF) có một quy tắc tính toán kích thước đã được sử dụng từ lâu: khoảng 2 CFM công suất quạt trên mỗi foot vuông diện tích sàn, tương đương khoảng 0,6 m³/phút trên mỗi mét vuông. Quạt HAF không giống như quạt làm mát. Quạt làm mát hút không khí ra tường và hoạt động ở tốc độ trao đổi cao cần thiết để loại bỏ nhiệt tối đa; quạt HAF chạy liên tục và chỉ đơn giản là giữ cho tán cây chuyển động, cân bằng nhiệt độ, độ ẩm và CO2 giữa các khu vực.
Một kế hoạch thiết kế quạt thực tế từ một nhà sản xuất nhà kính thương mại Trông như thế này:
Hướng gió: Bố trí quạt để hỗ trợ luồng gió mong muốn trong khu vực trồng trọt.
Phạm vi phủ sóng: Kiểm tra các khu vực cây trồng ở xa thay vì chỉ đánh giá lưu lượng gió gần thiết bị.
Điều khiển: Cho phép điều chỉnh lưu lượng gió theo điều kiện và nhu cầu của cây trồng.
Bảo trì: Giữ cho quạt và bộ điều khiển dễ tiếp cận để kiểm tra và bảo dưỡng.
Phối hợp thông gió với làm mát
Thông gió và làm mát cần phải song hành với nhau. Nếu nhiệt độ ngoài trời quá nóng để làm mát bằng thông gió tự nhiên, hệ thống làm mát cơ học có thể giúp tăng cường khả năng kiểm soát. Tuy nhiên, thiết bị làm mát không được sử dụng thay thế cho việc lập kế hoạch luồng không khí cơ bản. Đường dẫn cho không khí mát hoặc trong lành cần đảm bảo luồng không khí tốt và không có những khu vực mà luồng không khí yếu trong khu vực trồng trọt.
Việc tính toán kích thước của cả hai yếu tố cùng nhau có nghĩa là phải làm việc hướng tới hiệu suất đã định. Hệ thống tấm bay hơi thường được thiết kế với hiệu suất làm ướt đạt 70%–80% độ chênh lệch nhiệt độ bầu ướt; ở hiệu suất hệ thống tổng thể khoảng 80%, độ giảm nhiệt độ thực tế trên thành tấm được xây dựng tốt là khoảng 9 °F (5 °C), và tổng độ chênh lệch nhiệt độ không khí cấp so với môi trường xung quanh thường nằm trong khoảng 10–20 °F. Một tấm không đạt được hiệu suất thiết kế hầu như luôn là vấn đề về độ ướt, phân phối luồng không khí hoặc vận tốc bề mặt chứ không phải vấn đề về vật liệu của tấm.
Kiểm tra và bảo trì hệ thống luồng khí
Hệ thống thông gió cần được kiểm tra sau khi lắp đặt và kiểm tra định kỳ trong quá trình sản xuất. Lưu lượng gió có thể thay đổi khi cây trồng phát triển, khi sử dụng lưới lọc hoặc khi bổ sung thiết bị. Các thiết lập thông gió có thể cần điều chỉnh khi mật độ cây trồng, thời tiết hoặc điều kiện sản xuất thay đổi.
Kiểm tra luồng không khí qua khu vực trồng trọt.
Kiểm tra xem không khí có đến được các khu vực khác nhau trong vùng trồng trọt hay không. Tìm kiếm các khu vực có luồng không khí yếu hoặc chuyển động không khí quá mạnh. Cây trồng dày đặc, thiết bị và lưới chắn có thể làm thay đổi luồng không khí khi cây phát triển. Thử nghiệm khói hoặc khảo sát bằng máy đo gió cầm tay ở độ cao tán cây là cách nhanh nhất để chuyển cảm giác "không khí tĩnh lặng" thành bản đồ luồng không khí có thể đo được.
Theo dõi nhiệt độ và độ ẩm
Việc đo nhiệt độ và độ ẩm có thể giúp xác định những khu vực mà hệ thống thông gió không hoạt động hiệu quả. Nên kiểm tra các chỉ số này ở nhiều vị trí khác nhau trong nhà kính thay vì chỉ dựa vào một vị trí duy nhất.
Trong một ngôi nhà nhiều nhịp lớn, một cảm biến duy nhất không thể đại diện cho toàn bộ tòa nhà. Hãy so sánh các chỉ số đo được ở từng khu vực — gần máng xối, ở ngang mái hiên, ở hai đầu hồi và ở giữa — đối với cả nhiệt độ và độ ẩm tương đối, và coi sự chênh lệch nhiệt độ theo chiều dọc hoặc chiều ngang kéo dài là bằng chứng của vấn đề về luồng không khí chứ không phải là vấn đề về hệ thống điều khiển.
Bảo trì quạt và các lỗ thông gió.
Quạt, lỗ thông gió trên mái, lỗ thông gió bên hông và lưới chống côn trùng cần được kiểm tra thường xuyên. Loại bỏ bụi, cây cối hoặc các vật cản khác có thể làm giảm lưu lượng không khí. Các bộ phận chuyển động cũng cần được kiểm tra và bảo dưỡng theo yêu cầu của thiết bị.
Giữ cho đường dẫn khí luôn thông thoáng.
Khi các đường thông gió hiện có bị tắc nghẽn bởi thiết bị, vật liệu lưu trữ, lưới chắn, cây treo hoặc cây trồng, hiệu suất của hệ thống thông gió có thể bị giảm. Những thay đổi này có thể diễn ra từ từ và có thể không được nhận thấy trong hoạt động kinh doanh hàng ngày.
Cần phải thiết kế lại bố cục nhà kính thương mại mỗi khi có sự thay đổi lớn trong sản xuất. Duy trì các luồng không khí thông thoáng theo đúng kế hoạch giúp hệ thống thông gió hoạt động hiệu quả.
Điều chỉnh hệ thống khi quá trình sản xuất thay đổi.
Mô hình luồng không khí lý tưởng có thể thay đổi tùy thuộc vào chiều cao cây trồng, mật độ trồng, vị trí đặt thiết bị và điều kiện theo mùa. Do đó, kế hoạch thông gió nên được coi là một hệ thống vận hành có thể điều chỉnh chứ không phải là một thiết bị cố định. Thông thường, lịch trình thông gió được cân bằng khi nhà kính trống sẽ cần được cân bằng lại khi tán cây khép kín, vì thể tích không khí tự do và sức cản đối với luồng không khí ngang đều thay đổi đáng kể.
Hãy ghi chép lại các vấn đề thường xuyên xảy ra về nhiệt độ, độ ẩm hoặc lưu lượng gió. Những ghi chép này từ nhà sản xuất nhà kính thương mại có thể giúp người vận hành xác định xem có cần thay đổi hoạt động của quạt, vị trí mở cửa hoặc phân phối lưu lượng gió hay không. Các bước kiểm tra bảo trì hữu ích bao gồm:
Các lỗ thông gió: Kiểm tra xem các lỗ thông gió có mở, đóng và không bị tắc nghẽn hay không.
Quạt: Kiểm tra cánh quạt, động cơ, lưới bảo vệ và bộ điều khiển để đảm bảo hoạt động bình thường.
Các hướng lưu thông không khí: Tìm kiếm các chướng ngại vật mới do thiết bị hoặc sự phát triển của cây trồng gây ra.
Các chỉ số môi trường: So sánh nhiệt độ và độ ẩm giữa các khu vực khác nhau.
Các nút điều khiển vận hành: Xác nhận rằng các điều chỉnh thủ công hoặc tự động hoạt động chính xác.
Câu hỏi thường gặp
Hai con số quan trọng, chứ không phải một. Hãy thiết kế hệ thống với khoảng 40-60 lần thay đổi không khí mỗi giờ vào mùa hè khi đạt điều kiện làm mát cao điểm, và cung cấp mức tối thiểu có thể điều chỉnh được khoảng 1 lần thay đổi không khí mỗi giờ vào mùa đông để quản lý độ ẩm và CO2. Một hệ thống chỉ đáp ứng được con số của mùa hè thường sẽ tính toán quá mức lượng nhiệt vào giữa trưa và không thể duy trì nhiệt độ cài đặt mùa đông mà không cần cung cấp quá nhiều nhiệt.
Để đạt hiệu quả thông gió tự nhiên, diện tích thông gió kết hợp giữa mái và tường bên cần đạt ít nhất 15%–20% diện tích sàn. Diện tích này được đo bằng diện tích thông gió hiệu quả sau khi trừ đi các thanh giằng, cơ cấu thông gió và lưới chống côn trùng, chứ không phải kích thước thông gió danh nghĩa. Tính theo diện tích 1.000 m², tức là diện tích thông gió hiệu quả cần đạt 150–200 m².
Lưới chống côn trùng tiêu chuẩn thường có chi phí bằng 10%–20% lưu lượng không khí của một lỗ thông gió không bị cản trở tương đương. Lưới mắt nhỏ hơn có chi phí cao hơn: chuyển từ lưới 40 mắt lưới sang lưới 75 mắt lưới sẽ làm giảm thông gió tự nhiên thêm 25%, và các thử nghiệm trong đường hầm gió được công bố trên các loại lưới có độ xốp từ 25%–53% cũng xác nhận xu hướng tương tự. Khi một lưới 50 mắt lưới với tỷ lệ diện tích hở 55% che phủ một lỗ thông gió 100 m², hãy coi lỗ thông gió hiệu quả là khoảng 55–60 m².
Hãy sử dụng quy tắc ước lượng lưu lượng gió ngang khoảng 2 CFM trên mỗi foot vuông diện tích sàn, tương đương với khoảng 0,6 m³/phút trên mỗi mét vuông, phân bổ khắp nhà sao cho không khí chuyển động theo một vòng tuần hoàn liên tục. Quạt tuần hoàn được tính toán dựa trên sự trộn lẫn và đồng đều luồng gió trong khu vực mái che, trong khi quạt làm mát gắn tường được tính toán dựa trên tốc độ trao đổi không khí — hai phép tính này nên được thực hiện riêng biệt.
Việc chỉ mở các lỗ thông gió không đồng nghĩa với việc thông gió đầy đủ. Nếu tổng diện tích lỗ thông gió nhỏ hơn khoảng 15% diện tích sàn, nếu các lỗ thông gió được che chắn mà không được bù trừ, hoặc nếu tòa nhà không có cửa hút gió thuận chiều để kết hợp với cửa thoát khí trên mái, thì tỷ lệ trao đổi nhiệt đo được có thể thấp hơn nhiều so với mức 40-60 ACH mà một ngày hè cao điểm yêu cầu. Hãy so sánh sự chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngoài đo được với con số thiết kế trước khi bổ sung công suất làm mát.
Các tấm làm mát bay hơi thường được thiết kế với hiệu suất làm ướt đạt 70%–80% dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ bầu ướt. Ở hiệu suất hệ thống tổng thể khoảng 80%, mức giảm nhiệt độ thực tế xấp xỉ 9 °F (5 °C); một hệ thống chỉ đạt được một nửa mức đó thường gặp vấn đề do khả năng làm ướt tấm kém, tốc độ gió trên bề mặt quá cao, hoặc không khí đi vòng qua bề mặt tấm thay vì do tấm quá nhỏ.
Luồng không khí hiệu quả bắt đầu từ khâu lập kế hoạch cấu trúc, chứ không phải từ việc lựa chọn thiết bị. Một nhà kính thương mại được thiết kế tốt cần có đường dẫn khí thông thoáng, các lỗ thông gió được phối hợp nhịp nhàng, hệ thống hỗ trợ cơ khí phù hợp và đủ linh hoạt để đáp ứng sự thay đổi của cây trồng và điều kiện thời tiết.
Việc này cũng giúp xác định rõ các thông số trước khi mua thiết bị: tỷ lệ diện tích lỗ thông gió từ 15%–20% diện tích sàn, lưu lượng gió tối đa thiết kế là 40–60 lần/giờ, điện trở lưới lọc từ 10%–20% (cao hơn đối với lưới mịn), lưu lượng vòng tuần hoàn khoảng 2 CFM/foot vuông, và hiệu suất tấm làm mát đạt 70%–80%. Năm giá trị này quyết định tính khả thi của kế hoạch thông gió, và việc thay đổi chúng trên bản vẽ sẽ rẻ hơn nhiều so với việc thay đổi trên công trình đã hoàn thành.
Đối với các dự án thương mại, cần thiết kế hệ thống thông gió song song với kết cấu và các yêu cầu kiểm soát môi trường. Hợp tác với nhà sản xuất nhà kính thương mại có năng lực có thể giúp thống nhất bố cục nhà kính, các lỗ thông gió, thiết bị lưu thông không khí và các yêu cầu vận hành trước khi bắt đầu lắp đặt.
