Θερμοκήπια
Γενικά περί θερμοκηπίων
Ένα θερμοκήπιο είναι μια δομή με τοίχους και οροφή κατασκευασμένη κυρίως από διαφανές υλικό, όπως γυαλί, στην οποία καλλιεργούνται φυτά που απαιτούν ρυθμιζόμενες κλιματολογικές συνθήκες. Αυτές οι κατασκευές κυμαίνονται σε μέγεθος από μικρά υπόστεγα έως κτίρια βιομηχανικού μεγέθους. Το εσωτερικό ενός θερμοκηπίου που εκτίθεται στο φως του ήλιου γίνεται σημαντικά θερμότερο από την εξωτερική θερμοκρασία, προστατεύοντας τα φυτά που περιέχει από τον κρύο καιρό.
Πολλά θερμοκήπια είναι εγκαταστάσεις παραγωγής υψηλής τεχνολογίας για λαχανικά, λουλούδια ή φρούτα. Τα θερμοκήπια αυτά περιέχουν εξοπλισμό που περιλαμβάνει εγκαταστάσεις ελέγχου θέρμανσης, ψύξης, φωτισμού και μπορεί να ρυθμίζονται και να παρακολουθούνται από έναν υπολογιστή για τη βελτιστοποίηση των συνθηκών για την ανάπτυξη των φυτών. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές για την βελτιστοποίηση των συνθηκών καλλιέργειας των θερμοκηπίων, όπως η θερμοκρασία του αέρα, η σχετική υγρασία κλπ.
Ιστορικά στοιχεία
Η ιδέα της καλλιέργειας φυτών σε περιβαλλοντικά ελεγχόμενες συνθήκες υπάρχει από τα ρωμαϊκά χρόνια. Ο Ρωμαίος αυτοκράτορας Τιβέριος έτρωγε ένα αγγούρι καθημερινά. Οι Ρωμαίοι κηπουροί χρησιμοποίησαν τεχνητές μεθόδους (παρόμοιες με το σύστημα του θερμοκηπίου) καλλιέργειας για να υπάρχει στο τραπέζι του κάθε μέρα του χρόνου. Τα αγγούρια φυτεύτηκαν σε τροχοφόρα καροτσάκια τα οποία τα τοποθετούσαν στον ήλιο καθημερινά και στη συνέχεια μεταφέρονταν σε εσωτερικό χώρο για να διατηρηθούν ζεστά τη νύχτα. Τα αγγούρια καλλιεργουντα μέσα σε πλαίσια από τζάμι.
Η πρώτη περιγραφή ενός θερμαινόμενου θερμοκηπίου είναι από το Sanga Yorok, μια πραγματεία για την κτηνοτροφία που συντάχθηκε από βασιλικό ιατρό της δυναστείας Joseon της Κορέας κατά τη δεκαετία του 1450, στο κεφάλαιο για την καλλιέργεια λαχανικών κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Η πραγματεία περιέχει λεπτομερείς οδηγίες για την κατασκευή ενός θερμοκηπίου που είναι ικανό να καλλιεργεί λαχανικά, να μεγαλώνει τα λουλούδια και να ωριμάζει τα φρούτα σε ένα τεχνητά θερμαινόμενο περιβάλλον, χρησιμοποιώντας το ondol, το παραδοσιακό κορεατικό σύστημα ενδοδαπέδιας θέρμανσης, για τη διατήρηση της θερμότητας και της υγρασίας. Πλίθινους τοίχους για διατήρηση της θερμότητας και ημιδιαφανή χάρτινα παράθυρα hanji που επιτρέπουν τη διείσδυση του φωτός για την ανάπτυξη των φυτών και παρέχουν προστασία από το εξωτερικό περιβάλλον. Τα χρονικά της δυναστείας Joseon επιβεβαιώνουν ότι κατασκευές που ομοίαζαν με θερμοκήπιο που ενσωματώνουν το κορεατικο σύστημα ondol κατασκευάστηκαν για να παρέχουν θερμότητα για μανταρινιές πορτοκαλιές κατά τη διάρκεια του χειμώνα του 1438
Η έννοια των θερμοκηπίων εμφανίστηκε επίσης στις Κάτω Χώρες και στη συνέχεια στην Αγγλία τον 17ο αιώνα. Υπήρχαν σοβαρά προβλήματα με την παροχή επαρκούς και ισορροπημένης θερμότητας σε αυτά τα πρώιμα θερμοκήπια. Το πρώτο «θερμαινόμενο» θερμοκήπιο στο Ηνωμένο Βασίλειο ολοκληρώθηκε στο Chelsea Physic Garden το 1681. [7] Σήμερα, οι Κάτω Χώρες έχουν πολλά από τα μεγαλύτερα θερμοκήπια στον κόσμο, μερικά από αυτά τόσο τεράστια που μπορούν να παράγουν εκατομμύρια λαχανικά κάθε χρόνο.
Ο πειραματισμός με το σχεδιασμό του θερμοκηπίου συνεχίστηκε τον 17ο αιώνα στην Ευρώπη, καθώς η τεχνολογία παρήγαγε καλύτερα γυαλί και βελτιώθηκαν οι τεχνικές κατασκευής. Το θερμοκήπιο στο Παλάτι των Βερσαλλιών ήταν ένα παράδειγμα του μεγέθους και της πολυπλοκότητάς τους. είχε μήκος πάνω από 150 μέτρα (490 πόδια), πλάτος 13 μέτρα (43 πόδια) και ύψος 14 μέτρα (46 πόδια).
Ο Γάλλος βοτανολόγος Charles Lucien Bonaparte θεωρείτα από πολλους ως ο πατέρας του πρώτου πρακτικού σύγχρονου θερμοκηπίου στο Λάιντεν της Ολλανδίας, κατά τη διάρκεια του 1800 για την καλλιέργεια φαρμακευτικών τροπικών φυτών. Αρχικά μόνο στα κτήματα των πλουσίων, η ανάπτυξη της επιστήμης της βοτανικής είχε σαν αποτέλεσμα τα θερμοκήπια να εξαπλωθούν στα πανεπιστήμια. Οι Γάλλοι ονόμασαν τα πρώτα θερμοκήπια τους orangeries, καθώς χρησιμοποιούνται για την προστασία των πορτοκαλόδεντρων από τον παγετό. Ακολούθησαν τα θερμοκήπια ανανά καθώς το συγκεκριμένο φρούτο έγινε ιδιαιτέρα δημοφιλές.
Η χρυσή εποχή του θερμοκηπίου ήταν στην Αγγλία κατά τη διάρκεια της βικτοριανής εποχής, όπου κατασκευάστηκαν τα μεγαλύτερα θερμοκήπια που έχουν κατασκευαστη μεχρι σήμερα, καθώς οι πλούσιοι της ανώτερης τάξης και οι επίδοξοι βοτανολόγοι ανταγωνιζόταν για την κατασκευή των πιο περίπλοκων κατασκευών θερμοκηπίων. Ένα καλό παράδειγμα αυτής της τάσης είναι οι πρωτοπόροι Kew Gardens. Ο Joseph Paxton, ο οποίος είχε πειραματιστεί με γυαλί και σίδερο στη δημιουργία μεγάλων θερμοκηπίων ως επικεφαλής κηπουρού στο Chatsworth, στο Derbyshire, εργαζόμενος για τον Δούκα του Devonshire, σχεδίασε και έφτιαξε το Crystal Palace στο Λονδίνο.
Άλλα μεγάλα θερμοκήπια που χτίστηκαν τον 19ο αιώνα περιελάμβαναν το New York Crystal Palace, το Glaspalast του Μονάχου και τα Βασιλικά Θερμοκήπια του Λάκεν (1874-1895) για τον βασιλιά Λεόπολντ Β του Βελγίου.
Στην Ιαπωνία, το πρώτο θερμοκήπιο φτιάχτηκε το 1880 από τον Samuel Cocking, έναν Βρετανό έμπορο που εξήγαγε βότανα.
Τον 20ο αιώνα, ο γεωδαιτικός θόλος προστέθηκε στους πολλούς τύπους θερμοκηπίων. Αξιοσημείωτα παραδείγματα είναι το Eden Project, στην Κορνουάλη, το Ινστιτούτο Rodale [9] στην Πενσυλβάνια, το Climatron στο Βοτανικό Κήπο του Μιζούρι στο St. Louis, Missouri και το Toyota Motor Manufacturing Kentucky. [10]
Οι δομές του θερμοκηπίου προσαρμόστηκαν στη δεκαετία του 1960, όταν κατασκευάστηκαν πλέον μεγαλύτερα φύλλα μεμβράνης από πολυαιθυλένιο. Τα θερμοκήπια στεφάνης κατασκευάστηκαν από διάφορες εταιρείες και συχνά κατασκευάζονταν επίσης από τους ίδιους τους καλλιεργητές. Κατασκευασμένα από εξώθηση αλουμινίου, ειδικές γαλβανισμένες χαλύβδινες σωληνώσεις, ή ακόμη και μόνο από χαλύβδινες ράβδους ή από σωλήνες PVC, το κόστος κατασκευής μειώθηκε σημαντικά. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή περισσότερων θερμοκηπίων σε μικρότερα αγροκτήματα και οικιακούς κήπους. Η ανθεκτικότητα της μεμβράνης πολυαιθυλενίου αυξήθηκε πολύ όταν αναπτύχθηκαν και προστέθηκαν αποτελεσματικότεροι αναστολείς UV. Αυτά επέκτειναν τη διάρκεια ζωής της μεμβράνης από ένα ή δύο χρόνια έως 3 και τελικά 4 ή περισσότερα χρόνια.
Τα θερμοκήπια που συνδέονται με σύστημα απομάκρυνσης υδάτων έγιναν πιο διαδεδομένα στη δεκαετία του 1980 και του 1990.
Αυτά τα θερμοκήπια έχουν δύο ή περισσότερους χώρους που συνδέονται με έναν κοινό τοίχο ή μια σειρά από θέσεις στήριξης. Οι είσοδοι θέρμανσης μειώθηκαν καθώς ο λόγος της επιφάνειας του δαπέδου προς την εξωτερική επιφάνεια του θερμοκηπίου αυξήθηκε σημαντικά. Τα θερμοκήπια που συνδέονται με υδρορροές συνήθως καλύπτονται με δομημένα πολυανθρακικά υλικά ή ένα διπλό στρώμα από ,μεμβράνη πολυαιθυλενίου με ένα στρώμα αέρα που υπάρχει μεταξύ τους για να παρέχει αυξημένη απόδοση θέρμανσης.
Θεωρητική Βάση λειτουργίας
Η μεγαλύτερη θερμοκρασία σε ένα θερμοκήπιο συμβαίνει επειδή η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία διέρχεται από τη διαφανή στέγη και τους τοίχους και απορροφάται από το πάτωμα, τη γη και τα περιεχόμενα, τα οποία γίνονται θερμότερα. Δεδομένου ότι η δομή δεν είναι ανοιχτή στην ατμόσφαιρα, ο θερμός αέρας δεν μπορεί να διαφύγει μέσω μεταφοράς, οπότε η θερμοκρασία στο εσωτερικό του θερμοκηπίου αυξάνεται. Αυτό διαφέρει από τη γήινη θεωρία που είναι γνωστή ως «φαινόμενο του θερμοκηπίου».
Οι ποσοτικές μελέτες δείχνουν ότι η επίδραση της απώλειας θερμοκρασίας μεσω της υπέρυθρης ακτινοβολίας δεν είναι αμελητέα μικρή και μπορεί να έχει οικονομικές επιπτώσεις σε ένα θερμαινόμενο θερμοκήπιο. Σήμερα υπάρχουν υλικά που μειώνουν αποτελεσματικά την απώλεια από αυτό το φαινόμενο
Εξαερισμός
Ο εξαερισμός είναι ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά ενός επιτυχημένου θερμοκηπίου. Εάν δεν υπάρχει σωστός εξαερισμός, τα θερμοκήπια και τα φυτά που αναπτύσσονται μπορούν να αναπτύξουν σοβαρά προβλήματα. Οι κύριοι σκοποί του αερισμού είναι η ρύθμιση της θερμοκρασίας και της υγρασίας στο βέλτιστο επίπεδο και η διασφάλιση της κίνησης του αέρα και, συνεπώς, η πρόληψη της συσσώρευσης παθογόνων μικροοργανισμών που προτιμούν τις ακίνητες συνθήκες αέρα. Ο εξαερισμός διασφαλίζει επίσης την παροχή καθαρού αέρα για τη φωτοσύνθεση και την αναπνοή των φυτών και μπορεί να επιτρέψει σε σημαντικούς επικονιαστές να έχουν πρόσβαση στην καλλιέργεια του θερμοκηπίου.
Ο εξαερισμός μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση αεραγωγών – συχνά ελέγχονται αυτόματα μέσω υπολογιστή – και ανεμιστήρες ανακύκλωσης αέρα.
Θέρμανση
Η θέρμανση ή η ηλεκτρική ενέργεια είναι ένα από τα πιο σημαντικά κόστη για τη λειτουργία θερμοκηπίων σε όλο τον κόσμο, ειδικά σε ψυχρότερα κλίματα. Το κύριο πρόβλημα με τη θέρμανση ενός θερμοκηπίου σε αντίθεση με ένα κτίριο που έχει συμπαγείς αδιαφανείς τοίχους είναι η ποσότητα θερμότητας που χάνεται μέσω του υλικού που είναι φτιαγμένα τα θερμοκηπίου. Δεδομένου ότι το υλικό πρέπει να επιτρέπει το φως να φιλτράρεται στη δομή, και τα οποία δεν μπορούν να μονωθούν σε ικανοποιητικό βαθμό. Με τα παραδοσιακά πλαστικά καλύμματα θερμοκηπίου με τιμή R περίπου 2, συνεπώς δαπανάται μεγάλο χρηματικό ποσό για τη συνεχή αντικατάσταση της χαμένης θερμότητας.
Υπάρχουν παθητικές μέθοδοι θέρμανσης που επιδιώκουν τη θερμότητα χρησιμοποιώντας χαμηλή ενέργεια. Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να συλληφθεί από περιόδους σχετικής αφθονίας (ώρα ημέρας / καλοκαίρι) και να απελευθερωθεί για να αυξήσει τη θερμοκρασία κατά τη διάρκεια ψυχρότερων περιόδων (νυχτερινή ώρα / χειμώνας).
Ψύξη
Η ψύξη γίνεται συνήθως ανοίγοντας παράθυρα στο θερμοκήπιο όταν γίνεται πολύ ζεστό για τα φυτά μέσα σε αυτό. Αυτό μπορεί να γίνει χειροκίνητα ή με αυτοματοποιημένο τρόπο..
Φωτισμός
Κατά τη διάρκεια της ημέρας, το φως εισέρχεται στο θερμοκήπιο μέσω των παραθύρων και χρησιμοποιείται από τα φυτά. Ορισμένα θερμοκήπια είναι επίσης εξοπλισμένα με φώτα ανάπτυξης (συχνά φώτα LED) τα οποία ανάβουν τη νύχτα για να αυξήσουν την ποσότητα φωτός που παίρνουν τα φυτά, αυξάνοντας έτσι την απόδοση με ορισμένες καλλιέργειες.
Εμπλουτισμός διοξειδίου του άνθρακα
Τα οφέλη του εμπλουτισμού σε διοξειδίου του άνθρακα σε περίπου 1100 μέρη ανά εκατομμύριο στην καλλιέργεια θερμοκηπίου για την ενίσχυση της ανάπτυξης των φυτών είναι γνωστά εδώ και σχεδόν 100 χρόνια. Μετά την ανάπτυξη εξοπλισμού για τον ελεγχόμενο σειριακό εμπλουτισμό διοξειδίου του άνθρακα, η τεχνική καθιερώθηκε σε ευρεία κλίμακα στις Κάτω Χώρες. Οι δευτερογενείς μεταβολίτες, παράγονται σε υψηλότερες ποσότητες με καλλιέργεια θερμοκηπίου σε αυξημένη θερμοκρασία και σε αυξημένη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα. Ο εμπλουτισμός διοξειδίου του άνθρακα μπορεί επίσης να μειώσει τη χρήση νερού θερμοκηπίου κατά ένα σημαντικό ποσοστό μειώνοντας τη συνολική ροή αέρα που απαιτείται για την παροχή επαρκούς διοξειδίου του άνθρακα για την ανάπτυξη των φυτών και μειώνοντας έτσι την ποσότητα του νερού που χάνεται από την εξάτμιση. Τα εμπορικά θερμοκήπια βρίσκονται συχνά κοντά σε κατάλληλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις για αμοιβαίο όφελος. Για παράδειγμα, το Cornerways Nursery στο ΗΒ βρίσκεται σε στρατηγική τοποθεσία κοντά σε ένα μεγάλο διυλιστήριο ζάχαρης, [25] καταναλώνει τόσο απόβλητη θερμότητα όσο και CO2 από το διυλιστήριο που διαφορετικά θα εξαεριζόταν στην ατμόσφαιρα. Το διυλιστήριο μειώνει τις εκπομπές άνθρακα, ενώ το φυτώριο απολαμβάνει αυξημένες αποδόσεις ντομάτας και δεν χρειάζεται να παρέχει τη δική του θέρμανση θερμοκηπίου.
Ο εμπλουτισμός γίνεται αποτελεσματικός μόνο όταν, σύμφωνα με το νόμο του Liebig, το διοξείδιο του άνθρακα έχει γίνει ο περιοριστικός παράγοντας. Σε ένα ελεγχόμενο θερμοκήπιο, η άρδευση μπορεί να είναι ασήμαντη και τα εδάφη μπορεί να είναι εύφορα από προεπιλογή.
Τύποι
Ψυχαγωγικό θερμοκήπιο στο Palazzo Parisio, Μάλτα.
Στα οικιακά θερμοκήπια, το γυαλί που χρησιμοποιείται είναι συνήθως 3mm (ή ⅛ ″) «γυαλί κηπουρικής», το οποίο είναι γυαλί καλής ποιότητας που δεν πρέπει να περιέχει φυσαλίδες αέρα (που μπορεί να προκαλέσει καψίματα στα φύλλα ενεργώντας σαν φακος συγκέντρωσης ηλιακού φωτός
Τα πλαστικά που χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον είναι μεμβράνη πολυαιθυλενίου και πολυκαρβονικά ή ακρυλικό γυαλί PMMA.
Τα εμπορικά θερμοκήπια από γυαλί είναι συχνά εγκαταστάσεις παραγωγής υψηλής τεχνολογίας για λαχανικά ή λουλούδια. Τα γυάλινα θερμοκήπια είναι γεμάτα με εξοπλισμό όπως εγκαταστάσεις ελέγχου, θέρμανσης, ψύξης και φωτισμού και μπορεί να ελέγχονται αυτόματα από υπολογιστή.
Στο Ηνωμένο Βασίλειο και σε άλλες χώρες της Βόρειας Ευρώπης ένα ιστορικό γυαλί κηπουρικής που αναφέρεται ως “Ολλανδικό φως” χρησιμοποιήθηκε ιστορικά ως τυπική μονάδα κατασκευής, με διαστάσεις 28¾ ¾ x 56 ″ (περίπου 730 mm x 1422 mm). Αυτό το μέγεθος δίνει μεγαλύτερη επιφάνεια με τζάμια σε σύγκριση με τη χρήση μικρότερων υαλοπινάκων όπως το πλάτος 600 mm που χρησιμοποιείται συνήθως σε μοντέρνα οικιακά σχέδια, τα οποία στη συνέχεια απαιτούν μεγαλύτερο πλαίσιο στήριξης για ένα δεδομένο συνολικό μέγεθος θερμοκηπίου. Ένα στυλ θερμοκηπίου με κεκλιμένες πλευρές (με αποτέλεσμα μια ευρύτερη βάση από ό, τι σε ύψος) και τη χρήση αυτών των υαλοπινάκων συχνά αναφέρεται επίσης ως “σχέδιο Ολλανδικού Φωτός
Χρήσεις
Τα θερμοκήπια επιτρέπουν μεγαλύτερο έλεγχο στο αναπτυσσόμενο περιβάλλον των φυτών. Ανάλογα με την τεχνική προδιαγραφή ενός θερμοκηπίου, βασικοί παράγοντες που μπορούν να ελεγχθούν περιλαμβάνουν θερμοκρασία, επίπεδα φωτός και σκιά, άρδευση, εφαρμογή λιπάσματος και ατμοσφαιρική υγρασία. Τα θερμοκήπια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ξεπεράσουν τα μειονεκτήματα, όπως μια μικρή περίοδο καλλιέργειας ή χαμηλά επίπεδα φωτός, και έτσι μπορούν να βελτιώσουν την παραγωγή σε δύσκολες κλιματικές συνθήκες.
Καθώς μπορούν να επιτρέψουν την καλλιέργεια ορισμένων καλλιεργειών καθ ‘όλη τη διάρκεια του έτους, τα θερμοκήπια είναι όλο και πιο σημαντικά για τον εφοδιασμό τροφίμων σε χώρες με μεγάλο γεωγραφικό πλάτος. Ένα από τα μεγαλύτερα συγκροτήματα στον κόσμο είναι η Αλμερία, Ανδαλουσία, Ισπανία, όπου τα θερμοκήπια καλύπτουν σχεδόν 200 km2 (49.000 στρέμματα). [44]
Τα θερμοκήπια χρησιμοποιούνται συχνά για την καλλιέργεια λουλουδιών, λαχανικών, φρούτων και μοσχευμάτων. Ειδικές ποικιλίες θερμοκηπίου ορισμένων καλλιεργειών, όπως ντομάτες, χρησιμοποιούνται γενικά για εμπορική παραγωγή.
Πολλά λαχανικά και λουλούδια μπορούν να καλλιεργηθούν σε θερμοκήπια στα τέλη του χειμώνα και στις αρχές της άνοιξης και στη συνέχεια να μεταφυτευθούν έξω καθώς θερμαίνεται ο καιρός..
Οι μέλισσες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επικονιαστές για επικονίαση, αλλά έχουν χρησιμοποιηθεί και άλλοι τύποι εντόμων, καθώς και τεχνητή επικονίαση.
Το σχετικά κλειστό περιβάλλον ενός θερμοκηπίου έχει τις δικές του μοναδικές απαιτήσεις διαχείρισης, σε σύγκριση με την εξωτερική παραγωγή. Τα παράσιτα και οι ασθένειες, και τα όρια της θερμοκρασίας και της υγρασίας, πρέπει να ελέγχονται και η άρδευση είναι απαραίτητη για την παροχή νερού. Τα περισσότερα θερμοκήπια χρησιμοποιούν ψεκαστήρες ή στάγδην γραμμές αρδευσης. Ενδέχεται να απαιτούνται σημαντικές ποσότητες θερμότητας και φωτός, ιδιαίτερα με τη χειμερινή παραγωγή λαχανικών.