1. Nghiờn cứu, đỏnh giỏ thực trạng ứng dụng và nhu cầu của người sử dụng về nhà
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 thời gian dài cũng làm cỏc loại màng plastic yếu đi nhiều. Ngoài ra cũn phải kểđến tỏc dụng của cỏc chất hoỏ học trong phõn bún, chất tăng trưởng và nhất là hoỏ chất trong mụi trường bị ụ nhiễm cũng làm giảm nhanh một cỏch đỏng kể tuổi thọ của chất liệu plastic (thụng thường với loại màng plastic ở vựng khớ hậu ụn hoà tuổi thọ của nú cú thểđược tới 2 ~ 3 năm. Cũn khớ hậu khắc nghiệt thỡ tối đa chỉ 9 thỏng. Tuy nhiờn Plastic vẫn được sử dụng ngày càng nhiều vỡ giỏ thành thấp, sử dụng dễ, kớch thước khụng hạn chế, an toàn ( nhất là loại cú thể tỏi chế được). Hiện nay loại EVA là loại cú chất lượng cao nhất, bền vững nhất đó được sử dụng nhiều.
súng > 2800nm khi màng khụng cú trỏng lớp chắn hồng ngoại (IR) như trong Bảng 2.3 (L.C.Godbey, T.E.Bond, H.F.Zornig, 1979 [9]).
Bảng 2.3: Hệ số truyền bức xạ nhiệt qua một số vật liệu nhà màng
Loại vật liệu Hệ số truyền
PE một lớp ( 0. 1mm ) 0,80 PE hai lớp ( 0.1 mm) 0,63 Kớnh 1 lớp ( 3.2mm ) 0,03 FRP một lớp ( 0.63mm) 0,12
• Cấu trỳc plastic dạng tấm ( panel ): Cỏc dạng plastic tấm được dựng cho nhà trồng cõy thường được sàn xuất dạng súng hay dạng cú lừi rỗng. Với dạng này khả năng chịu lực tăng lờn đồng thời tạo ra một lớp đệm cỏch nhiệt tốt, đồng thời việc lắp rỏp dễ dàng hơn nhiều. Ưu điểm của cỏc loại FRP, PC, PMMA, PVC là khụng truyền cỏc súng 385nm thuộc dải tử ngoại. Bức xạ nhiệt truyền qua rất thấp ( hệ số truyền chỉ là 0.02 cỏc súng trong dải 4000 ~ 10000nm ( R.A.Aldrich and J.W.Bartok, 1989[10]).
PMMA và FRP bền, khụng chỏy. FRP chống được mưa đỏ nhưng mau bắt bụi bẩn. Polycarbonate là loại vật liệu nhiều triển vọng vỡ sự bền vững, khả năng truyền sỏng, khả năng cỏch nhiệt, nhẹ và ngăn bức xạ tử ngoại tốt. Hiện nay Polycarbonate được ứng dụng phổ biến trong xõy dựng cỏc cụng trỡnh nhà ở và nhà trồng cõy. Mặt hàng tiờu biểu được sử dụng tại Úc là tấm lợp DANPALON loại trong suốt. Vớ dụ ở Bảng 2.4 cho thấy khả năng truyền sỏng và nhiệt của tấm lợp này.
Bảng 2.4: Khả năng truyền cỏc bức xạ ỏnh sỏng và nhiệt của tấm lợp polycarbonate
Loại tấm lợp Polycarbonate LT.400~700nm Ánh sỏng HT. 300~2800nm Bức xạ nhiệt Hệ số truyền nhiệt Tấm đặc 4mm 89 80 0,81 3 lớp ruột rỗng 8mm 71 60 0,61 3 lớp ruột rỗng 16mm 63 67 0,53
Bảng trờn cho ta thấy, với bề dày tấm phủ tăng thỡ ỏnh sỏng thấy được giảm nhưng khả năng giảm cỏc súng khỏc khụng tăng và khả năng cỏch nhiệt tăng mạnh.
Nhận xột chung:
1. Kớnh thuỷ tinh (Glass) – vật liệu truyền thống
• Đặc điểm:
- Truyền sỏng tốt, hạn chế tốt tia cực tớm (UV), bền, giữ nhiệt ban đờm tốt, chi phớ bảo quản sửa chữa thấp.
- Giỏ thành cao, trọng lượng nặng và khụng an toàn trong một số loại thời tiết (tuyết, bóo, mưa đỏ,…)
- Tuổi thọ trờn 25 năm.
• Ứng dụng : Ít được ứng dụng trong cỏc nhà trồng cõy hiện nay.
2. Tấm Plastic– Polycarbonate(PC) / Acrylic(PMMA)/ Fiberglass
• Đặc điểm:
- Truyền sỏng khỏ tốt, hạn chế tốt tia cực tớm, bền hơn màng Plastic, giữ nhiệt khỏ tốt, chi phớ bảo quản sửa chữa thấp.
- Giỏ cả khụng cao, trọng lượng nhẹ, an toàn trong thời tiết bóo và mưa đỏ. - Tuổi thọ cao (Polycarbonate : trờn 10 năm).
• Ứng dụng: Được ứng dụng rộng rói trong cỏc nhà trồng cõy chất lượng cao
3. Màng Plastic- Polyethylen (PE)/ Ethylvinyl Acetate/ Polyvinyl Cloride (PVC).
• Đặc điểm:
- Truyền sỏng và tia cực tớm tốt, giữ nhiệt kộm
- Màng dễ rỏch, thủng, dễ bỏm bẩn, thường phải thay thế sau thời gian sử dụng 9 đến 36 thỏng tuỳ mụi trường khớ hậu.
- Giỏ cả rẻ, trọng lượng rất nhẹ.
• Ứng dụng: Được ứng dụng phổ biến trong cỏc nhà màng canh tỏc phổ thụng. Thường che mỏi 2 lớp để giảm bớt sự truyền nhiệt và trỏnh rỏch thủng.
Với tỡnh hỡnh khớ hậu bức xạ nhiệt cao, núng cũn mựa mưa thỡ mưa nhiều và giú, việc sử dụng loại màng polyethylen cú hạn chế là sớm bị lóo hoỏ nờn sớm phải định kỳ thay thế. Vỡ vậy, màng plastic với ưu điểm là giỏ rẻ (~ 6.000 ĐVN/m2 giỏ 02-2009) thớch hợp cho nhà màng đầu tư ớt, cụng nghệ khụng cao và canh tỏc sản xuất nhanh thu hồi vốn.
Với cỏc loại nhà màng cụng nghệ cao, việc sử dụng vật liệu kớnh và tấm Polycarbonate/ Acrylic là phự hợp hơn. Tuy nhiờn loại vật liệu này cũn đắt nờn việc ứng dụng cũn bị hạn chế, nhất là khi vốn đầu tư ớt. Hiện nay, trờn thị trường trong và ngoài nước đó cú bỏn cỏc tấm Polycarbonate 2 lớp rỗng cú độ dày từ 4mm đến 20mm, phự hợp cho cỏc nhà màng cụng nghệ cao, cần sự bền vững trong thời gian dài. Giỏ thành của loại vật liệu này (~ 70.000 ĐVN/m2 giỏ 02-2009) là cú thể chấp nhận được trong hoàn cảnh Việt Nam.