محبوبه رضایی- فارغ‌التحصیل مهندسی انرژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر

مقدمه‌ای بر گلخانه

با افزایش جمعیت در جهان امروز، نیازهای بشری بیشتر شده و شکل تازه‌ای به خود گرفته است. در این میان با توجه به اهمیت کشاورزی در تامین مواد غذایی، تحقیقات وسیعی در این زمینه صورت گرفته است که کشت گلخانه‌ای یکی از نتایج آن است. از طرفی با توجه به محدودیت منابع انرژی، استفاده مناسب از فناوری‌های پیشرفته مناسب‌ترین راهکار برای افزایش کیفیت و بهره‌وری محصولات زراعی گلخانه‌ای به شمار می‌آید [1].

علم پرورش گل و گياه در داخل گلخانه از تاريخچه طولاني برخوردار نيست. اين روش توليد تقريباً از حدود نيم قرن گذشته، در ايران آغاز شده است. در طول اين مدت، تحول چندانی در زمينه كنترل عوامل محيطی در ايران صورت نگرفته و تجهيزات خاص اين رشته نه تنها در داخل كشور ساخته نشده است، بلكه به علت عدم شناخت گلخانه‌داران نسبت به اين تجهيزات، از كشورهای خارجي نيز وارد نشده است. به همين دليل بازده و عملكرد در واحد سطح گلخانه‌ها در كشور ما بسيار پايين‌تر از كشورهای خارجی است [2].

کشت گلخانه‌ای که در سال‌های اخیر رشد قابل توجهی داشته است، به دلیل ماهیت تولید در خارج فصل، دارای مصرف بالای انرژی می‌باشد. مزیت‌های فراوان شرایط کنترل شده گلخانه‌ای برای توليد از يك سو و تاثيرات مثبت اقتصادی (ثبات قيمت) باعث شده است كه بررسی روش‌های مديريت بهينه گلخانه‌ای در اولويت‌های برنامه چهارم توسعه قرار گيرد. علی رغم تمامی مزيت‌های كشت گلخانه‌ای، مصرف بالای انرژی در گلخانه‌ها، به ويژه در فصل سرما از مواردی است كه نياز مبرم به بررسی‌های علمی دارد.

سالانه میزان زیادی از محصولات گلخانه‌ای به دلیل استفاده از سیستم‌های سنتی از بین رفته و هم چنین بسیاری از محصولات تولید شده از عملکرد قابل قبولی برخوردار نیستند. به علاوه در سال‌های اخیر به دلیل افزایش هزینه‌های جاری از جمله انرژی و نیروی انسانی تولیدکنندگان را برآن داشته که به روش‌های مکانیزه و مدرن روی آورند. در گلخانه‌های مدرن هزینه سوخت تا میزان 70 درصد کاهش یافته هم‌چنین کاهش چشمگیر هزینه نیروی انسانی مشاهده شده، به علاوه در سیستم‌های هوشمند خطاهای انسانی به حداقل رسیده است. از سایر مزایای گلخانه‌های مدرن می‌توان به افزایش کمی و کیفی محصولات تولید شده، کاهش آفات و بیماری‌ها، افزایش کارایی مصرف عناصر غذایی و هم‌چنین استفاده بهینه از سایر صنایع مدرن در راستای تولید محصولات اشاره کرد [2].

تعریف گلخانه

گلخانه یا Greenhouse به فضای محدودی اطلاق می‌شود که قابلیت کنترل شرایط محیطی مناسب را براي رشد گیاهان از نواحی مختلف در طی فصول مختلف یک سال داشته باشد. طبق این تعریف از جمله عملکرد گلخانه، فراهم کردن شرایط محیطی لازم و مورد نیاز محصولی معین است [3].

 انواع گلخانه‌ها

گلخانه‌ها دارای تقسیم‌بندی‌های متفاوتی هستند از جمله: تقسیم‌بندی بر اساس مصالح ساختمانی، تقسیم‌بندی بر اساس شکل ظاهری، تقسیم‌بندی بر اساس پوشش گلخانه و تقسیم‌بندی بر اساس پتانسیل کنترل اقلیمی [3].

تقسیم‌بندی گلخانه‌ها بر اساس مصالح

گلخانه‌ها بر حسب اینکه چه نوع مصالح ساختمانی در آنها به کار برده شده است به نوع ثابت و متحرك تقسیم بندی می‌شوند. گلخانه‌های ثابت و متحرك بنا بر نیاز در موقعیت معین، در جایی که مدنظر ماست احداث می‌شوند.
گلخانه‌های ثابت، به گلخانه‌هایی گفته می‌شود که مصالح ساختمانی به کار رفته در آنها از جنس پایدار و بادوام باشد. پس باید سالیان سال از آنها استفاده کرد. این نوع از گلخانه‌ها به انواع یک طرفه، دوطرفه و نیمه دوطرفه تقسیم می‌شوند.

 تقسیم‌بندی گلخانه‌ها بر اساس شکل ظاهری

اشکال ظاهری گلخانه‌ها شامل:

1.کوانست (مقطعی از استوانه به شکل کمانی از دایره)؛

2.سقف مثلثی؛

3. ایستاده سقف قوسی؛

4. فرم D؛

 5.گنبدی؛

 6. دندان اره‌ای؛

7.گلخانه‌های دارای شکل خاص (برای پارک‌ها و مراکز توریستی).

 تقسیم‌بندی گلخانه‌ها بر اساس پوشش گلخانه

پوشش گلخانه‌ها شامل ‌ شیشه‌ای، پلاستیکی، صفحات سخت، پلی کربنات، پی وی سی، آکرلیک و پلی استایرن می‌باشد.

 تقسیم‌بندی گلخانه‌ها بر اساس پتانسیل کنترل اقلیمی

 گلخانه درجه 1: گلخانه‌هایی هستند که 4 عامل محیطی در آن بر اساس نیاز گلخانه کنترل می‌شود (نور، دما، رطوبت و CO2)؛

 گلخانه درجه 2: گلخانه‌هایی هستند که 3 عامل محیطی در آن بر اساس نیاز گلخانه کنترل می‌شود (نور ، دما ، رطوبت)؛

 گلخانه درجه 3: گلخانه‌هایی هستند که 2 عامل محیطی در آن بر اساس نیاز گلخانه کنترل می‌شود (نور،دما)؛

 گلخانه درجه 4: گلخانه‌هایی هستند که 1 عامل محیطی در آن بر اساس نیاز گلخانه کنترل می‌شود (دما) [3].

گلخانه هوشمند

گلخانه‌ هوشمند دارای ابزار و سیستم‌هایی است که در جهت ارتقاء کمیت و کیفیت محصول و به حداقل رساندن نیروی انسانی به خدمت گلخانه‌داران درآمده است. وظیفه عمده این تجهیزات، ثابت نگاه داشتن شرایط  اقلیمی داخل گلخانه در تمام فصول سال است [3].

گلخانه هوشمند يك سيستم غيرخطی زنده با رفتار پيچيده و عدم قطعيت زياد است، از زير سيستم‌های بسياری مانند سيستم تامين حرارتی، سيستم تامين رطوبتی هوا و خاك و سيستم نور تشكيل می‌شود. گرچه كنترل تمام اين زير اجزا با توجه به عدم قطعيت محيطی می‌تواند به نحو موثری به وسيله كنترل فازی مطرح شود، بيشترين ميزان بهينه‌سازی مصرف انرژی و بهبود كيفيت رشد گياه را به وسيله كنترل نظارتی (به عبارتی ديگر تعيين مقادير ايده آل پارامترها)  اين زير سيستم‌ها می‌توان بدست آورد.

سيستم هوشمند اقليم گلخانه (اتوماسيون CLIMATRONIC) وظيفه كنترل فرايندهای گلخانه را به صورت هوشمند و همزمان دارد كه استفاده از اين سيستم به اين صورت است كه پارامترهای زير را بسته به نوع كشت كنترل می‌نمايد [2].

1. كنترل دما: براي تنظيم هرچه دقيق‌تر دما در اين سيستم دما توسط سنسورهاي شبكه شده در محيط گلخانه به سيستم مركزی ارسال شده و عملگرهای مربوطه در صورت نياز فعال می‌شوند. همچنين جهت كاهش دفعات روشن و خاموش شدن مقدار درجه آزادی اين سيستم قابل تنظيم می‌باشد.

2. كنترل رطوبت: كنترل رطوبت در اين سيستم با استفاده از دقيق ترين و به روزترين سيستم‌های دنيا انجام می‌شود كه جهت افزايش رطوبت در گلخانه از عملگرهايی همچون فوگر و رطوبت‌ساز و جهت كاهش رطوبت از باز شدن پنجره و فن استفاده می‌شود.

3. كنترل گاز : CO2 يكی از فاكتورهای مهم در رشد گياهان وجود گاز دی اكسيد كربن در محيط گلخانه می‌باشد. در فصل زمستان به علت بسته بودن پنجره‌ها و همچنين عدم فعاليت سيستم تهويه كمبود CO2 بطور شايع مشاهده می‌شود. تشخيص دقيق اين كمبود توسط سنسور CO2 انجام شده و در صورت كمبود دی اكسيد كربن دستگاه CO2 ساز فعال شده و كمبود جبران می‌شود.

4. كنترل نور: نور گلخانه توسط سنسورهای دقيق اندازه‌گيری شده و با توجه به نياز نوری گياه مورد كشت از نظر شدت نور مورد نياز و سيستم فتوپريودی گياه توسط سيستم هوشمند آناليز شده و در صورت نياز به نور تكميلی از پروژكتورها و در صورت نياز به كاهش نور يا دوره تاريكی از شيدهای مخصوص استفاده می‌شود. بعلاوه سيستم پاور سيوينگ با سنسور نور لينك شده و عمل ذخيره انرژی بطور اتوماتيك انجام می‌شود.

5. كنترل آبياری: توسط سنسورهای رطوبتی كه در بستر كشت گياه تعبيه می‌شوند عمليات آبياری با توجه به نياز گياه انجام شده و تنها با دستوری كه از سمت سيستم هوشمند به شير برقی فرستاده می‌شود، شير باز شده و تا سيراب شدن كامل گياهان آبياری ادامه پيدا می‌كند.

6. سيستم پنجره اتوماتيك: پنجره‌های گلخانه با كاهش دما بسته و با افزايش دما بطور اتوماتيك باز می‌شوند. جهت جلوگيری از آسيب ديدن گيربكس و دينام سيستم توسط سنسور و تايمرهای مربوطه كنترل می‌شود. بعلاوه پنجره‌‎ها با سنسور هوا اقليم لينك شده و در صورت شرايط نا مساعد از جمله وزش باد شديد پنجره جهت محافظت از سازه بسته می‌شود.

7. سيستم كنترل پيامك : يكی از دغدغه‌های گلخانه داران اطلاع از شرايط گلخانه در زمان عدم حضور و همچنين كنترل گلخانه از راه دور می‌باشد، از آنجايی كه اكثر گلخانه داران آشنايی با محيط اينترنت ندارند لذا در اين سيستم كنترل از راه دور از طريق پيامك امكان پذير می‌باشد. اين سيستم در طی شبانه روز مقادير دما، رطوبت و … را اندازه‌گيري و به كاربر اعلام می‌كند. در زمان نوسانات شديد دما كه در اثر خرابی عملگرها بوجود می‌آيد را اعلام می‌كند. همچنين كاربر می‌تواند با استفاده از پيامك به دستگاه عملگرهای اتوماسيون اعم از فن، پد، فوگر، روشنايی و هر عملگری كه در محيط گلخانه وجود دارد را كنترل كند. مقادير مينيمم، ماكسيمم دما در طی 24 ساعت اعلام می‌شود. با توجه به درخواست مصرف كننده می‌توان كنترل هوشمند را از طريق اينترنت نيز انجام داد.

8. ایستگاه هواشناسی:

• اندازه گيری سرعت باد توسط بادسنج جهت بستن دريچه‌ها در بادهای با سرعت بالاتر از حد مجاز و يا جلوگيری از باز شدن آنها محدوده سرعت مجاز باد را نوع گلخانه و سازه مشخص می‌نمايد.

• تعيين جهت وزش باد توسط بادنما جهت تشخيص باد با جهت موافق يا مخالف؛

• سنسور باران براي تشخيص بارش باران؛

• سنسور دمای خارج از گلخانه برای اندازه‌گيری دمای هوای بيرون جهت مقايسه در عمليات كنترل واحد اتوماسيون؛

• سنسور نور براي سنجش شدت نور خارج از گلخانه و مقايسه با مقدار داخلي گلخانه؛

• سيستم تغذيه برق( (power unit).

9. تغذيه تمامي المانهای نصب شده در گلخانه از اين قسمت صورت می‌گيرد كه هر يك دارای تغذيه جداگانه و كاملا حفاظت شده در برابر:
اتصال كوتاه، اضافه بار، قطع يكی از فازها، اضافه ولتاژ، كاهش ولتاژ، اتصال بدنه، سيستم حفاظت از جان، سيستم رارت.

اين سيستم همچنين انواع ولتاژ را نيز برای تمامی مصرف كننده‌ها توليد می‌كند شامل : 50 الی 400 ولت AC  و 5 الی 32 ولت DC. 

ویژگی گلخانه هوشمند

امكان توليد مستمر محصولات در تمام طول سال بدون تاثير محدوديت‌های موجود از ويژگی‌های بكارگيری فناوری هوشمند در توليد محصولات گلخانه‌ای محسوب می‌شود. در اين نوع گلخانه با استفاده از تجهيزات پيشرفته سنسوری و عملگرهای خاص براي تزريق مواد معدنی افزودنی و استفاده از سيستم پردازشگر به طور پيوسته تمام پارامترهای مورد نظر را با استفاده از الگوريتم‌های كنترلی هوشمند كنترل كرد. همچنين استفاده مجدد از آب برگشتی علاوه بر صرفه اقتصادی در به هدر نرفتن آب و مواد افزودنی به آن تاثير به سزايی در بهداشت محيط زيست خواهد داشت. سيستم كنترل مدام اطلاعات مواد موجود در آب را توسط سنسورهای مختلف اندازه گيری می‌كند و همزمان با توجه به اطلاعاتی كه از آب ورودی دارد، ميزان تزريق مواد مورد نياز را تنظيم می‌نمايد [3].

  عوامل موثر بر شرایط گلخانه

 ساختمان گلخانه

گياهان برای داشتن رشد مطلوب به شرايط خاصی از نظر شدت نور، دمای روزانه، دمای شبانه، ميزان رطوبت نسبی هوا و رطوبت خاك نياز دارند. برای توليد و پرورش تجاری گياهان با كيفيت بالا و در تمام طول سال بايد شرايط محيطی مطلوب به همراه عوامل خسارت زا نظير باد، طوفان‌های ويرانگر، سرما و يخبندان و… را کنترل کرد.

يكي از اولين تصميماتی كه بايد اتخاذ شود، اين است كه موقعيت گلخانه بايد به صورتی باشد كه بيشترین مقدار نور را دريافت كند. اولين انتخاب براي موقعيت گلخانه به صورت نمای جنوبی يا جنوب شرقی می‌باشد. نور تمام روز بهترين شرايط را برای گياه فراهم می‌كند. البته نور تابيده شده از جانب شرق، به هنگام صبح برای گياهان كافی می‌باشد. نور صبح بيشترين مطلوبيت را دارا است، زيرا به گياهان اجازه می‌دهد كه فرايند توليد غذا را زودتر آغاز نمايند و اين موضوع منجر به حداكثر رشد می‌شود. بالطبع انتخاب‌های بعدی، نمای جنوب غربی و نمای غربی می‌باشد، چرا كه دريافت نور ديرتر صورت می‌گيرد. نمای شمالی كمترين مطلوبيت را دارد و فقط برای گياهانی كه نور كمی احتياج دارند مناسب می‌باشد [2].

 سیستم گرمایش گلخانه

گرمايش گلخانه يكی از چند فاكتور موثر در بالا بردن راندمان توليد و دستيابی به محصولی با كيفيت و بازار پسندی بيشتر می‌باشد. تنظيم درجه حرارت در گلخانه‌ها شرط اوليه برای رشد و نمو بسياری از گياهان است. نياز گياهان به درجه حرارت دامنه‌های مختلفی دارد. بعضی از گياهان درجه حرارت‌های بالاتری نياز دارند مثل گياهان مناطق گرمسيری بعضی ديگر در درجه حرارت‌های كمتر از 20 درجه سانتی گراد هم به خوبی رشد و نمو می‌كنند، مانند گياهانی كه از مناطق سردسيری منتقل شده‌اند نظير پامچال كه در جنگل‌های شمال ديده می‌شود. بنابراين با توجه به اينكه گلخانه برای چه كاری مورد استفاده قرار می‌گيرد، بايد محيط آن كنترل شده باشد، اين كار برای سلامت گياهان گلخانه ضروری می‌باشد [2].

سیستم سرمایش گلخانه

سيستم های سرمايشی و رطوبت ساز فن و پد و فوگر (مه پاش) دارای توان فوق‌العاده در ايجاد برودت و توليد رطوبت سرد تا سقف 80% و هوادهی و ايجاد ابر سرد سيال يا مصرف پايين آب به شما اين امكان را می‌دهد كه در كوتاه‌ترين زمان تا 18 درجه سانتی گراد دما را كاهش دهيد و رطوبت كافی مورد نياز كشت خود را تامين نماييد.

از جمله مزايای استفاده از سيستم مه پاش هم می‌توان به  ايجاد برودت، ايجاد رطوبت مخصوصا در كشت گل، كاهش اختلاف رطوبت روز و شب و جلوگيری از ايجاد سفيدك پودری، چرخش هوا و جلوگيری از شوك‌های حرارتی و رطوبت بر روی محصول در گلخانه اشاره کرد [2].

سیستم آبیاری (سختی گير- فيلتراسيون- تزريق كود)

داشتن يك فيلتراسيون كارا و استاندارد اعم از فيلترهای شنی و ديسكی به شما اين كمك را می‌كند كه از استهلاك بيش از حد لوله‌هاي انتقال و قطره چكان‌ها جلوگيری نماييد و با انجام تزريق خوب كود به آب آبياری، با كاهش هزينه كارگری و افزايش دقت، به راندمان 100% توليد دست پيدا نماييد. سيستم فيلتراسيون شامل تجهيزات زير می‌شود: فيلترهای شنی، فيلترهای ديسكی، شيرآلات دستی و برقی، سوپاپ هوا، شير تخليه، مانومتر، پمپ، خروجی بك واش، تانك كود.

 سيستم سايه‌انداز و ذخيره انرژی و برق و روشنايی

كاهش و تنظيم لوكس نوری در حد دلخواه، جلوگيری از تابش مستقيم نور خورشيد، جلوگيری از اتلاف دما در زمستان از مزايای استفاده از سيستم سايه‌انداز است. سيستم سايه‌انداز جهت ايجاد سايه و ايجاد فركانس خاص نوری با استفاده از پرده‌های 50% رنگی به دو روش تلسكوپی و درام اجرا می‌شود. درام شامل اجزا زير است: درام، وايرهای نگه دارنده، كليپس، قرقره، آنتن شيد، موتور گيربكس.

پرده تلسكوپی شامل اجزا زير می‌باشد: راك و پينيون، وايرهای نگهدارنده، كليپس، قرقره، آنتن شيد، موتور گيربكس، بازوهای متحرك.

پرده سيستم ذخيره انرژی نيز با توجه به ميزان روشنايی موجود در گلخانه سايه‎ بان‌ها را باز يا بسته می‌كند و در صورت لزوم نيز سيستم روشنايی را هم وارد مدار می‌كند [2].

 انواع تجهیزات گلخانه هوشمند در ایران

*** قیمت ها در تاریخ 30/5/1399 به روز رسانی شده‌اند. در این تاریخ دلار معادل 223930 ریال می‌باشد.‌

 انواع تجهیزات گلخانه هوشمند در دنیا

 جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در این بخش با جمع‌بندی مطالب به شما کمک می‌کنیم که با توجه به سلیقه و علاقه خود انتخابی درست داشته باشید و از شرکتی خرید کنید که تمام نیازهای شما را برطرف نماید. بحث گلخانه هوشمند بسیار گسترده است چون برای هوشمندسازی گلخانه تجهیزات مختلفی وجود دارد و هوشمندسازی شامل مواردی چون آبیاری هوشمند، سنسورهای رطوبت، دما و کربن دی اکسید و کنترل اقلیم گلخانه می‌باشد. اگر می‌خواهید هوشمندسازی گلخانه را از صفر تا 100 انجام دهید بهتر است از پکیج‌های هوشمندسازی استفاده کنید و از شرکت‌های پیشتاز در این زمینه مشاوره بگیرید.

منابع

[1] ح. هوشمندی صفا, ا. بی جامی and ا. قاسم پور, “مدل سازی و کنترل اقلیم گلخانه هوشمند با هدف مدیریت مصرف انرژی و کاهش هزینه برق,” شرکت توزیع نیروی برق شهرستان مشهد, مشهد.

[2] ح. جمالی گلدیانی and م. وکیلی راد, “نخستین همایش ملی سیستم های هوشمند مدیریت ساختمان با رویکردهای بهینه سازی مصرف انرژی”.

[3] م. خردمند, “گلخانه هوشمند”.