Alternatywą do systemów zamgławiania i chłodzenia w szklarniach może być wykorzystanie paneli ewaporacyjnych nazywanych czasami również ścianami wodnymi. Panele te chłodzą powietrze poprzez odparowanie wody - jest to tzw. chłodzenie adiabatyczne. Do niedawna wykorzystywane były one głównie w budynkach inwentarskich, ale obecnie zarówno w Polsce jak i na świecie są one wykorzystywane w szklarniach, pieczarkarniach, różnego rodzaju halach usługowych i produkcyjnych, salach sportowych i centrach handlowych.
Do zalet chłodzenia adiabatycznego zalicza się m.in. niskie koszty chłodzenia, którego oszczędności dochodzą nawet do 80% energii elektrycznej w porównaniu z konwencjonalnymi klimatyzatorami. Inne zalety to szybkie chłodzenie dużych powierzchni, niskie koszty budowy takiego systemu, brak w systemie sprężarek, freonów czy innych szkodliwych gazów dla środowiska używanych w chłodnictwie. Ze względu na prostotę systemu istnieje możliwość jego samodzielnej budowy i serwisowania bez konieczności korzystania usług specjalistycznych firm.
Zasada działania chłodzenia adiabatycznego bezpośredniego
W czasie pracy panelu ewaporacyjnego przepływające przez niego powietrze chłodzone jest poprzez odparowanie wody. Do odparowania 1 l wody potrzeba 628 Wh energii cieplnej pobieranej z powietrza, co w efekcie powoduje obniżenie temperatury. Przepływ powietrza przez panel wymuszają wentylatory. W zależności od temperatury i wilgotności powietrza możliwe jest schłodzenie powietrza nawet o 15°C (rysunek). Im wyższa jest wilgotność wchodzącego do panelu powietrza, tym efekt chłodzenia jest słabszy, gdyż mniej wody może zostać odparowane. W uprawach szklarniowych dodatkowym ograniczeniem w możliwości chłodzenia jest maksymalna wilgotność powietrza, która w dzień powinna zapewniać roślinom możliwość transpiracji, a jednocześnie nie dopuszczać do tworzenia warunków sprzyjających do występowania chorób grzybowych. Stąd w szklarniach należy zachować niedosyt pary wodnej na poziomie 3‑5 g/m3.
Przepływ powietrza
Aby zapewnić w szklarniach odpowiedni przepływ powietrza przez panele ewaporacyjne na przeciwległej do nich ścianie obiektu instalowane są wentylatory promieniowe. Przy takim rozwiązaniu nie otwiera się wietrzników, gdyż wietrzenie uniemożliwia zasysanie powietrza do szklarni przez panel ewaporacyjny. Możliwe jest też wykorzystanie paneli ewaporacyjnych, w których wentylatory (osiowe lub promieniowe) zainstalowano w jednej obudowie z wkładami ewaporacyjnymi. Przy takim rozwiązaniu w czasie pracy paneli ewaporacyjnych konieczne jest otwarcie wietrzników znajdujących się najlepiej na przeciwnej stronie szklarni. W szklarniach o dużej powierzchni najlepszym rozwiązaniem jest budowa systemu rozprowadzanie schłodzonego powietrza po całej szklarni za pomocą rur powietrznych instalowanych pod rynnami uprawowymi, czy stołami. W systemach takich wykorzystywane są wentylatory promieniowe ze względu na wyższe ciśnienie ułatwiające rozprowadzenie schłodzonego powietrza. Wietrzenie odbywa się z wykorzystaniem wietrzników górnych. Dzięki czemu możliwe jest równomierne chłodzenie całej szklarni, co przy dużych powierzchniach nie jest możliwe przy wykorzystaniu tradycyjnego rozwiązania z panelami ewaporacyjnych z jednej strony i wentylatorami z drugiej. W szklarniach o dużej powierzchni przy zamontowaniu paneli i wentylatorów tylko na przeciwległych ścianach schłodzone powietrze zanim dotrze do drugiej strony zdąży się nagrzać nim wentylatory je usuną ze szklarni. W efekcie w pobliżu wentylatorów temperatura jest o kilka stopni niższa niż przy wentylatorach.
Budowa panelu ewaporacyjnego
Panel ewaporacyjny składa się z ramy, najczęściej aluminiowej, do której w górnej części zmontowany jest system podawania wody a w dolnej – rynienka zbierająca nadmiar spływającej wody. Cała rama wypełniona jest wkładem ewaporacyjnym. Obecnie najczęściej wykorzystuje się lamelowe wkłady celulozowe nasączane żywicą, która stabilizuje celulozę zarówno w stanie suchym jak i wilgotnym zapewniając stałe właściwości fizyczne tj. przede wszystkim przepływ powietrza i wody przez wkład. Na świecie do budowy wkładów ewaporacyjnych wykorzystuje się różne materiały, w tym m. in. wkłady z mat włókna drzewnego, tekturę falistą, gąbki naturalne lub syntetyczne, różnego rodzaju tkaniny o rzadkim splocie, które łatwo przepuszczają powietrze takie jak np. juta czy tkaniny polietylenowe. Wykorzystywane mogą być również materiały sypkie, które umieszczane są w panelu pomiędzy dwoma siatkami. Wykazano m. in. przydatność do tego celu keramzytu, wkładów ceramicznych lub plastikowych, czy różnych sypkich materiałów organicznych takich wióry drzewne, węgiel drzewny a nawet łuski ryżowe. Same wkłady bywają plecione z drutów polietylenowych lub z aluminiowego drutu. Czyli jak widać może to być dowolny materiał przepuszczalny dla wody i powietrza oraz nie zmieniający swoich właściwości z czasem. Wyjątkiem są materiały organiczne, które wymienia się okresowo. Budowa paneli jest tak prosta, że każdy ogrodnik jest wstanie zbudować je we własnym zakresie i wykorzystać do chłodzenia szklarni, czy tunelu foliowego.
Woda wykorzystywana do chłodzenia
Woda do chłodzenia podawana jest cały czas do górnej części panelu i nawilża ona wkład ewaporacyjny a jej nadmiar spływa do rynienki na dole ramy, skąd za pomocą rur trafia do niżej położonego zbiornika na wodę. Z tego zbiornika podawana jest za pomocą pompy jednocześnie do wielu paneli, a ilość wody w zbiorniku jest uzupełniana automatycznie.
Do nawilżania wkładu może być używana dowolna czysta woda. Nie ma potrzeby stosowania wody po odwróconej osmozie jak to jest wymagane przy systemach zamgławiania wysokociśnieniowego. W niektórych krajach używana jest nawet zasolona morska woda. Oczywiście im więcej woda zawiera rozpuszczonych soli, tym więcej osadów pozostaje na wkładach ewaporacyjnych. Jednak ze względu na dużą przepuszczalność porowatych materiałów używanych do budowy wkładów powstające osady nie mają zazwyczaj większego znaczenia dla efektywność pracy paneli, ich nadmiar można usuwać po wysuszeniu.
Inne rozwiązania techniczne
Panele ewaporacyjne pracują wydajnie, kiedy na zewnątrz temperatura jest wysoka, a wilgotność powietrza niska. Przy wysokiej wilgotności powietrza na zewnątrz wydajność paneli szybko maleje. Dlatego aby móc wykorzystywać panele przy wysokiej wilgotności powietrza opracowano system łączący chłodzenie adiabatyczne pośrednie z bezpośrednim. W pierwszej części systemu, ciepłe i wilgotne powietrze jest schładzane z wykorzystaniem pośredniego systemu chłodzenia adiabatycznego. W systemie pośrednim strumień nawilżanego powietrza przechodzi przez chłodnicę, która obniża temperaturę powietrza przedostającego się do szklarni, co powoduje częściowe wykroplenie pary wodnej. Następnie powietrze przechodzi do modułu nawilżania bezpośredniego co powoduje dalsze zmniejszenie temperatury powietrza. Taki system jest zdecydowanie droższy i ma mniejszą sprawność energetyczną niż chłodzenie ewaporacyjne bezpośrednie, jednak efektywność energetyczna chłodzenia często bywa wyższa niż tradycyjnych systemów chłodniczych.
W szklarniach można wykorzystywać również tylko chłodzenie ewaporacyjne pośrednie, dzięki czemu schłodzone powietrze nie trafia do szklarni, lecz z powrotem na zewnątrz, ale przedtem jest wykorzystywane w rekuperatorze do schłodzenia powietrza ze szklarni. Taki system daje możliwość utrzymania wysokiego poziomu CO₂ wewnątrz szklarni.
W szklarniach można montować jednocześnie panele ewaporacyjne oraz zamgławianie wysokociśnieniowe. W takim przypadku schłodzone przez panele ewaporacyjne powietrze może być transportowane system rur bezpośrednio pod rośliny, a zamgławianie wysokociśnieniowe może służyć do obniżenia temperatury powietrza nad roślinami. Przy takim rozwiązaniu, w warunkach silnej radiacji można dodatkowo cieniować szklarnię i koniecznie otworzyć wszystkie wietrzniki dachowe, aby możliwe było wtłoczenie schłodzonego powietrza do obiektu.
Panele ewaporacyjne wykorzystywane są też do zwiększenie efektywności zwykłych układów chłodniczych, w których efektywność skraplaczy zmniejsza się przy wysokiej temperaturze powietrza na zewnątrz. Schłodzenie powietrza poprzez panel ewaporacyjny zanim przejdzie przez skraplacz pozwala zwiększyć wydajność chłodnicza układów chłodniczych w upalne dni.
Podsumowanie
Zastosowani chłodzenia adiabatycznego w szklarniach może poprawić warunki wzrostu, a tym samym poprawić jakość warzyw produkowanych pod osłonami i umożliwić zwiększenie plonu. Biorąc pod uwagę prostą budowę paneli ewaporacyjnych oraz niskie koszty inwestycyjne i użytkowania, technologia ta w najbliższych latach może stać się standardowym wyposażeniem każdej nowoczesnej szklarni, czy bloku foliowego.
Rysunek. Temperatura powietrza po przejściu przez panel ewaporacyjny w zależności temperatury i wilgotności powietrza wchodzącego
fot. 1–4 W. Krzesiński
