1. Nghiờn cứu, đỏnh giỏ thực trạng ứng dụng và nhu cầu của người sử dụng về nhà
1.2. Yờu cầu chung về nhà trồng cõy
Qua khảo sỏt, tỡm hiểu chỳng tụi xỏc định yờu cầu với nhà trồng như sau.
- Yờu cầu về hướng : Tuỳ theo yờu cầu về ỏnh sỏng. Ở Việt nam, dóy nhà theo hướng Bắc – Nam cho lượng ỏnh sỏng lớn nhất.
- Năng lượng – giao thụng – liờn lạc luụn phải thuận tiện đảm bảo.
- Hạn chế gần khu dõn cư và cỏc nhà mỏy – mụi trường canh tỏc khụng tốt. - Cấu trỳc chịu đựng được giú, mưa và cỏc thiết bị sử dụng.
- Đảm bảo ỏnh sỏng cho việc canh tỏc. - Đảm bảo nhiệt độ ( làm ấm/ làm mỏt ). - Tuõn theo code nền khi xõy dựng.
Hỡnh dạng cơ bản cú thể chia thành một số loại như sau dựa trờn cỏc yờu cầu : - Yờu cầu về lượng ỏnh sỏng truyền qua.
- Yờu cầu về khả năng thụng giú tự nhiờn. - Yờu cầu về nhiệt.
- Yờu cầu về khoảng khụng gian bờn trong. - Yờu cầu về sử dụng hiệu quả vật liệu cấu trỳc. - Yờu cầu vềđộ bền và thời gian tỏi sử dụng. -
1.3.1. Nhà hai mỏi – Gable
Với loại nhà này (hỡnh 2.2a) nếu cú thụng giú ở mỏi thỡ là loại cho khả năng thụng giú tự nhiờn hiệu quả nhất và cho phộp ỏnh sỏng truyền qua tốt. Tuy nhiờn mỏi nhà luụn phải cú độ nghiờng tối thiểu 230để nước khụng nhỏ giọt xuống diện tớch canh tỏc phớa dưới. Đõy là loại nhà thường hay được sử dụng nhất cho những vựng khớ hậu nằm dưới vĩ tuyến 400 vỡ độ bền vững – thụng giú tốt.
a) Nhà hai mỏi – Gable b) Nhà một mỏi – Skillion
Hỡnh 2.2: Nhà mỏi dốc
1.3.2. Nhà một mỏi – Skillion
Với loại nhà này (hỡnh 2.2b) được sử dụng cho những vựng cú lượng ỏnh sỏng ớt. Việc thụng giú tự nhiờn ở mỏi thường được chọn những điểm cao nhất ở mỏi để loại trừ khớ núng.
1.3.3. Nhà mỏi răng cưa – Sawtooth
Với loại thiết kế dạng mỏi răng cưa (hỡnh 2.3a) nhất thiết phải chỳ ý đến việc thụng khớ núng tuy nhiờn loại này cú diện tớch canh tỏc lớn. Nếu mỏi được uốn cong thỡ khả năng truyền ỏnh sỏng sẽ rất lớn. Với loại nhà này cần chỳ ý đến việc thụng giú tự nhiờn trờn đỉnh mỏi và việc dẫn nước trờn mỏi trỏnh nước nhỏ giọt xuống diện tớch canh tỏc phớa dưới gõy ra sẽ lõy nhiễm bệnh cho cõy trồng trong diện tớch canh tỏc.
a) Nhà mỏi răng cưa – Sawtooth b) Nhà mỏi vũm hầm - Quonset
1.3.4. Nhà dạng hầm vũm cong – Tunnel – Quonset ( Igloo )
Đõy là dạng chung nhất cho thiết kế dạng hầm (hỡnh 2-6b) dạng này ớt được dựng cho canh tỏc vỡ mỏi thấp, khụng cú cột, khoảng khụng gian nhỏ nờn giảm khả năng cải thiện mụi trường bờn trong.
Loại nhà này thường được dựng ở vựng khớ hậu ụn đới trờn vĩ độ 400 vỡ khả năng giữ nhiệt tốt, khả năng truyền ỏnh sỏng tốt, khả năng chịu tải mỏi tốt (khi cú tuyết).
1.3.5. Nhà mỏi vũm cao – Raised Dome – Arched ridge
Đõy là loại nõng cao của dạng hầm vũm cong (hỡnh 2.4a), do cú tường cao nờn tiện lợi cho việc canh tỏc trờn cỏc giỏ đỡ, đồng thời tiện lợi cho việc đảo khụng khớ trờn diện tớch canh tỏc với cỏc cấu trỳc tường cao cho phộp ỏp dụng tốt cỏc phương phỏp cải thiện khớ hậu mụi trường bờn trong, khả năng chịu tải mỏi (khi cú tuyết) tốt.
a) Nhà mỏi vũm cao – Raised Dome b) Nhà triển khai liờn kế - Multispan
Hỡnh 2.4: Nhà mỏi vũm cao và nhà liờn kế.
1.3.6. Nhà triển khai liờn kế – Multispan – Furrow ( Gable or Raised Dome )
Triển khai liờn kế (hỡnh 2.4b) nhằm sử dụng hiệu quả vật liệu xõy dựng và năng lượng. Sự giải nhiệt trờn diện tớch bề mặt kộm hơn loại đơn. Chớnh điều đú gõy ra sự tớch tụ nhiệt tại vựng trung tõm nhà do đú việc thụng giú cưỡng bức, thụng giú mỏi và đảo giú bằng quạt là cần thiết. Đồng thời phải chỳ ý việc thoỏt nước bằng mỏng xối thật tốt. Thụng thường tại cỏc vựng núng thường dựng loại kiến trỳc mỏi vũm cao và sử dụng màn che sỏng cựng với hệ thống làm mỏt khụng khớ trong nhà.
2. Lựa chọn loại cấu hỡnh cho nhà trồng cõy
2.1. Cỏc yờu cầu lựa chọn
1. Quyết định loại đối tượng canh tỏc trong nhà cần xõy dựng với cỏc yờu cầu về ỏnh sỏng – nhiệt độ – độẩm.
2. Quyết định về thời gian sử dụng – sửa chữa – ngừng canh tỏc. Bao gồm cả tỏc động khớ hậu và mụi trường bờn ngoài lờn nhà trồng cõy.
3. Lường trước cỏc rủi ro cú thể xảy ra do tỏc động mụi trường – bao gồm cảảnh hưởng thời tiết và mụi trường được điều khiển bờn trong nhà.
2.2. Ảnh hưởng của cỏc tham số mụi trường đối với cấu trỳc nhà trồng cõy
2.2.1. Tỏc động của giú lờn cỏc dạng mỏi nhà
Hỡnh 2.5 và 2.6 cho thấy theo Định luật Bernuli dạng mỏi vũm dưới tỏc dụng của giú chịu lực nõng lớn hơn dạng mỏi tam giỏc.
PIndoor PIndoor
POutdoor
POutdoor
Lửùc naõng
Lửùc naõng
Dạng mỏi vũm Dạng mỏi tam giỏc
Hỡnh 2.5: Sự tạo thành lực nõng của giú với dạng mỏi vũm và mỏi tam giỏc.
P P P P
Hỡnh 2.6: Sự tạo thành lực nõng của giú với dạng mỏi vũm và mỏi tam giỏc liền kề. 2.2.2. Hiệu ứng dũng khụng khớ đối lưu tự nhiờn bờn trong nhà
Hỡnh 2.7 và 2.8 cho thấy dũng khớ đối lưu tự nhiờn trong nhà liền kề với mỏi vũm và dạng mỏi tam giỏc cú cỏc kiểu thụng hơi trờn mỏi.
Cool air Cool air
Hot air Hot air
Hot air
Hỡnh 2.7: Dũng khớ đối lưu yếu Dũng khớ đối lưu mạnh
Cool air Cool air
Hot air Hot air
Hot air
2.2.3.Hiệu ứng phản xạ bức xạ lờn mỏi và trong nhà
Bức xạ mặt trời ngoài thành phần xuyờn qua tấm màng phủ ngoài nhà cũn cú một thành phần phản xạ trở lại.
90 90 90
90 90
Hỡnh 2.9: Phản xạ bức xạ mặt trời Hỡnh 2.10: Phản xạ bức xạ mặt trời với mỏi vũm với mỏi tam giỏc.
Với mỏi vũm cong, bức xạ mặt trời trong suốt ban ngày luụn vuụng gúc với mỏi (hỡnh 2.9). Chớnh vỡ thế lượng bức xạ nhận được trờn diện tớch canh tỏc rất lớn. Do đú loại mỏi vũm kiểu này thường được dựng ở những vựng cú lượng bức xạ mặt trời yếu (vựng ụn đới – vựng cú tuyết vỡ khả năng chịu tải của mỏi lớn).
Với loại mỏi tam giỏc (hỡnh 2.10), bức xạ mặt trời vào sỏng và chiều mới vuụng gúc với mỏi nhà, nhất là khi mỏi càng dốc. Chớnh vào trưa của ngày lượng bức xạ nhận được trờn diện tớch canh tỏc lại được giảm đi vỡ bị phản xạ nhiều trờn hai mỏi nhà.Vỡ vậy loại nhà mỏi tam giỏc thường được dựng ở những vựng cú lượng bức xạ mặt trời cao hơn mức yờu cầu canh tỏc (vựng nhiệt đới – vựng cú sa mạc nắng núng nhiều).
2.3. Phõn tớch lựa chọn vật liệu cho nhà trồng
2.3.1 Vật liệu khung nhà
Với tỡnh hỡnh khớ hậu bức xạ nhiệt cao, núng, cũn mựa mưa thỡ mưa nhiều và giú, việc sử dụng gỗ làm vật liệu cho khung nhà là khụng phự hợp. Với nhụm thỡ loại vật liệu này tuy tốt nhất nhưng lại đắt tiền. Trong tỡnh hỡnh hiện nay phự hợp nhất là sử dụng thộp mạ và thộp xõy dựng là hợp lý.
Tiờu chuẩn chịu tải khung nhà
Sức chịu tải của nhà cũng như cỏc đà ngang theo quy định kiến trỳc của cỏc quốc gia khỏc nhau thường khỏc nhau. Ở Mỹ tiờu chuẩn đưa ra là cỏc thành phần phải chịu được 100pound/foot2 (90kg/929cm2). Núi một cỏch thực tiễn là phải đảm bảo chịu được sức nặng của một người cụng nhõn trốo lờn mỏi thao tỏc sửa chữa. Ngoài ra cỏc cấu kiện nhà phải chịu được tải trọng lớn nhất nếu cú của cỏc thiết bị hoặc tổng khối lượng thiết bị treo hay gắn trờn cỏc cấu kiện nhà.
2.3.2 Vật liệu lợp cho nhà trồng cõy
Việc lựa chọn vật liệu che phủ là yếu tố quyết định cho việc điều khiển tối ưu mụi trường bờn trong nhà, trong đú quan trọng là cường độ bức xạ và bước súng của ỏnh sỏng mặt trời.
Sự phỏt triển mạnh của vật liệu plastic hiện nay đó cho phộp sử dụng chỳng thay cho kớnh. Từ nhiều loại plastic cú cấu trỳc hoỏ học khỏc nhau, khi lựa chọn chỳng ta cần phải tớnh đến 2 đặc tớnh cho nhà trồng cõy: khả năng truyền qua của bức xạ mặt trời và khả năng dẫn nhiệt (đối với xứ lạnh).
2.3.3.Khả năng truyền bức xạ mặt trời
Quỏ trỡnh quang hợp của cõy trồng cần bức xạ mặt trời phần ỏnh sỏng nhỡn thấy (khả kiến -PAR) cú bước súng (400~700nm), chiếm 38,2% trong tổng số cỏc bức xạ mặt trời (Bảng 2.1). Sau khi đi qua bầu khớ quyển, tỷ lệ này tăng lờn 42,9% trong tổng năng lượng bức xạ khi đến mặt đất (theo Duffie và Beckman,1980 [4] và Thimijan và Heins, 1983 [5]).
Bảng 2.1: Tỷ lệ phổ ỏnh sỏng mặt trời trờn bề mặt trỏi đất
Giải tần số bức xạ Trờn bầu khớ quyển Trờn bề mặt trỏi đất
UV (390 ~ 400 nm) 8,6 6,4
PAR (400 ~ 700 nm) 38,2 42,9
FR (700 ~ 850 nm) 16,5 15,2
IR (850 ~ 2800 nm) 33,9 34,2
Bức xạ nhiệt Thermal (>2800 nm) 2,7 1,3
Ngoài ra cũng cú cỏc súng trong vựng khụng nhỡn thấy được như tử ngoại (UV), hồng ngoại (IR) và Rỡa đỏ (FR: Far-Red), đụi khi gộp chung thành gần đỏ (NIR).
Trờn hỡnh 2.11 cho thấy tỷ lệ phần ỏnh sỏng khả kiến PAR cần cho cõy so với những phần UV và NIR tỏc dụng làm tăng nhiệt độ trong nhà màng [6] .
Trong cụng trỡnh [7] sử dụng bộ lọc để loại trừ bức xạ gần đỏ NIR. Cấu hỡnh chứa bộ phản xạ bức xạ NIR dạng cầu gắn dưới mỏi (hỡnh 2.12) cú bộ pin mặt trời đặt ở tiờu cự để thu năng lượng. Cấu hỡnh này cho phộp giảm nhiệt độ trong nhà màng, cho phộp tiết kiệm năng lượng.
Hỡnh 2.12: Cấu hỡnh mỏi cú gắn bộ phản xạ khử bức xạ gần đỏ NIR.
Năng lượng mặt trời bị phản xạ và hấp thụ bởi bầu khớ quyển và vật liệu phủ nhà. Phần truyền qua dành cho sự phỏt triển của cõy thực tế chỉ khoảng 1 - 5 %. Phần cũn lại bị hấp thu và phỏt ra bức xạ nhiệt làm núng khụng khớ bờn trong nhà, hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng nhà kớnh. Đối với xứ núng, việc nghiờn cứu hiệu ứng này cho thấy bắt buộc phải làm mỏt khụng khớ trong nhà thỡ mới đảm bảo nhiệt độ mụi trường cho cõy phỏt triển. Đồng thời khả năng truyền nhiệt của vật liệu lợp nhà cần phải được xem xột kỹ khi thiết kế nhà.
Bức xạ phỏt ra từ mặt trời (được gọi là bức xạ trực tiếp) khi vào bầu khớ quyển (hoặc vật che chắn) sẽ bị phản xạ, cả hai thành phần này đều được cõy hấp thu. Vật liệu bao phủ nhà trồng cõy cũng truyền cả hai loại bức xạ này. Nhưng tuỳ thuộc vào đặc tớnh vật lý của vật liệu phủ cú thể biến đổi tỷ lệ giữa hai thành phần này. Loại vật liệu plastic chủ yếu làm tăng thành phần phản xạ và giảm thành phần trực tiếp.
Hệ số truyền là đặc tớnh vật lý của vật liệu bao phủ. Nú được định nghĩa là tỷ số cường độ bức xạ bờn dưới lớp phủ (I) được đo đồng thời với cường độ bức xạ bờn trờn lớp phủ (Io) với cựng một bước súng( cho cỏc giải tần UV, FR, IR )
Hệ số truyền = (I) / (Io)
Rất khú cú thể xỏc định đỳng hệ số truyền của vật liệu che phủ nhà. Cỏch tốt nhất là dựng thực nghiệm đề đỏnh giỏ. Tuy nhiờn thực tế cho thấy cũng cần phải tiến hành lặp đi lặp lại nhiều và trong thời gian khỏc nhau trong cỏc mựa, vỡ vật liệu tấm phủ bị lóo hoỏ theo thời gian. Hệ số truyền thường được nhà cung cấp vật liệu cho biết kốm theo cỏc thụng số kỹ thuật của loại vật liệu làm tấm lợp. Tuy nhiờn cần lưu ý là hệ số này là của tấm lợp cũn chưa sử dụng (mới 100%).
• Những yếu tố chớnh ảnh hưởng đến hệ số truyền ỏnh sỏng: - Cỏc ngày trong năm/ giờ trong ngày.
- Vĩđộ.
- Khớ hậu của điạ phương.
- Ưu thế của tia trực tiếp hay giỏn tiếp từ mặt trời. - Bước súng hay phổ lượng của bức xạ.
- Đặc tớnh của vật liệu ( sựảnh hưởng thời tiết, sự ụ nhiễm khụng khớ…) • Về cấu trỳc vật lý ảnh hưởng đến hệ số truyền:
- Gúc và độ cong của mỏi nhà. - Số lượng gian nhà trải ra. - Độ cao của bức tường cuối.
- Chiều dài và chiều rộng của cấu trỳc. - Hướng nhà.
Hệ số truyền trung bỡnh của ỏnh sỏng khả kiến PAR (400 ~ 700nm) đo ngay dưới mỏi và ngay trờn cõy trồng với 4 loại màng được đưa ra trong Bảng 2.2 (theo K.C.Ting & G.A. Giacomelli, 1987, [8]).
Bảng 2.2: Hệ số truyền trung bỡnh của ỏnh sỏng khả kiến đối với một số vật liệu:
Loại vật liệu Kớnh 1 lớp Kớnh 2 lớp Acrylic Màng PE 2 lớp
Ngay dưới mỏi 60 58 58 67
Ngay trờn cõy trồng 56 56 55 45
Nhỡn chung hệ số truyền ỏnh sỏng khả kiến đối với đa số cỏc vật liệu che phủ nhà màng khụng khỏc nhau nhiều.
2.3.4. Khả năng bảo toàn năng lượng
Nhà trồng cõy mục đớch là làm giảm sự ảnh hưởng của sự thay đổi thời tiết bờn ngoài như giú, mưa đỏ, tuyết, khớ núng hay lạnh lờn mụi trường canh tỏc.
Mụi trường nhiệt trong nhà trồng cõy dựa trờn cơ sở mối liờn hệ tương quan giữa luồng năng lượng vào và ra thể tớch nhà. Trong đú nguồn năng lượng phỏt sinh trong nhà bao gồm nguồn bức xạ mặt trời và năng lượng nhiệt do cỏc thiết bị hoặc cõy trồng trong nhà phỏt ra phải cõn bằng với nguồn năng lượng mất đi. Biểu thức cõn bằng năng lượng được túm tắt như sau :
Năng lượng mặt trời + Nguồn nhiệt = Năng lượng mất đi
Năng lượng mất đi trong nhà bao gồm do quỏ trỡnh đối lưu, do tỏn xạ ra mụi trường xung quanh, do sự thõm nhập qua lớp phủ.
Năng lượng mất đi = Đối lưu + Tỏn xạ + Thõm nhập
Sự mất nhiệt do đối lưu trong nhà liờn quan đến cấu trỳc vật liệu. Đối với màng plastic 1 lớp thỡ sự mất nhiệt lớn hơn so với 2 lớp và sự mất nhiệt nhỏ nhất nếu dựng cấu trỳc plastic dạng cú khoang rỗng (multicell).
Sự mất nhiệt do tỏn xạ nhiệt cũng liờn quan đến cấu trỳc vật lý của vật liệu như khả năng tỏn xạ, phản xạ cỏc bức xạ trong vựng hồng ngoại hay vựng bước súng nhiệt. Sự mất nhiệt do thõm nhập (cửa vào – ra ) là do cấu trỳc nhà mở và tỏc động của giú bờn ngoài hay do quạt thụng giú…gõy nờn. Cần luụn phải chỳ ý đến sự cõn bằng nhiệt để trỏnh sự thay đổi nhiệt và độ ẩm gõy nờn sự ngưng tụ nước trờn bề mặt lớp phủ.
Nhà màng xứ ụn đới cú yờu cầu giảm sự mất nhiệt. Ngược lại, đối với xứ núng, nhà màng lại quan tõm đến việc tăng cường giải nhiệt tớch tụ bờn trong.
2.3.5. Lựa chọn vật liệu mỏi:
Như đó biết hiện nay cú 3 nhúm vật liệu chớnh được sử dụng cho nhà trồng cõy là kớnh, màng plastic và tấm plastic. Cỏch đõy chừng 40 năm vật liệu chớnh được sử dụng chỉ là kớnh. Sau đú, khi plastic ra đời đó dần thay thế cho kớnh. Cỏc loại vật liệu này bao gồm:
- Nhựa cú sợi thủy tinh (FRP - Fiberglass Reinforced Polyester). - Thuỷ tinh hữu cơ (Acrylic–PMMA– Polymethylmethacrylate). - Polycarbonate (PC).
- Nhựa PVC (Polyvinyl Cloride).
- Màng Polyethylene mật độ thấp (LDPE). - Màng PVC.
- Màng Ethylene vinyl acetate copolymer (EVA).
• Kớnh (Glass) : Là loại vật liệu trơ với mụi trường cú thề sử dụng rất lõu ( hàng chục năm), khụng chỏy, chống tia cực tớm, truyền ỏnh sỏng tốt nhưng đắt tiền, diện tớch cỏc tấm nhỏ, khú uốn, dễ vỡ. Núi chung dựng kớnh cú nhiều bất lợi cho việc làm nhà. Hiện nay nếu dựng kớnh thỡ nờn chọn loại kớnh cú pha 0.03% oxide sắt loại này cú tờn thương mại là (kớnh nổi). Loại kớnh này làm tăng bức xạ khả kiến và ngăn tia cực tớm tốt.
• Màng Plastic (Film): Trỏi với kớnh thủy tinh, cỏc loại plastic lại bị phõn hủy mủn ra bởi quỏ trỡnh quang hoỏ của tia cực tớm. Đồng thời ảnh hưởng của nhiệt độ trong