Trả lời ngắn gọn
Thông gió nhà kính trao đổi không khí bên trong với bên ngoài qua cửa thông gió mái và bên hông hoặc quạt hút để loại bỏ nhiệt và hơi ẩm. Quy tắc thường dùng là thay toàn bộ không khí khoảng một lần mỗi phút vào mùa hè và bằng một phần tư mức đó vào mùa đông. Tính công suất máy sưởi nhà kính từ tổn thất nhiệt: diện tích lớp bao che nhân với hệ số truyền nhiệt U của lớp bao che, nhân với chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài, cộng thêm phần dự phòng cho rò lọt không khí.
Thông gió và sưởi ấm nhà kính là gì?
Thông gió nhà kính là quá trình trao đổi có kiểm soát giữa không khí bên trong và bên ngoài, thông qua cửa thông gió mái và bên hông hoặc quạt hút, để loại bỏ nhiệt, hơi ẩm và không khí tù đọng. Sưởi ấm nhà kính bù lại năng lượng mà công trình mất đi vào ban đêm và mùa đông, giúp cây trồng được duy trì trong khoảng nhiệt độ mục tiêu. Cùng với làm mát và tuần hoàn không khí, các chức năng này tạo thành hệ thống kiểm soát khí hậu nhà kính.
Phần lớn thiệt hại cây trồng bị quy cho "thời tiết xấu" thực chất là do kiểm soát khí hậu không hiệu quả: cháy lá vào chiều xuân nắng khi cửa thông gió đóng kín, bệnh mốc xám sau một đêm ẩm không có không khí lưu chuyển, hoặc tổn thương do sương giá khi máy sưởi hỏng. Hướng dẫn này trình bày cách tính toán cửa thông gió và quạt, cách chọn và xác định công suất máy sưởi nhà kính, cũng như cách phối hợp thông gió và sưởi ấm suốt năm. Các nguyên lý vật lý giống nhau đều áp dụng cho nhà kính trồng cây theo sở thích rộng 20 m² và khu nhà kính rộng nhiều hecta; chỉ quy mô thiết bị thay đổi.
Nhà kính có cần thông gió không?
Có, mọi nhà kính đều cần thông gió, kể cả vào mùa đông. Nhà kính đóng kín nóng lên nhanh chóng dưới ánh nắng vì lớp bao che cho bức xạ mặt trời sóng ngắn đi vào và giữ nhiệt lại. Vào ngày quang mây, nhiệt độ bên trong có thể tăng vượt xa 35 °C ngay cả khi bên ngoài mát. Thông gió còn đảm nhiệm ba chức năng khác:
- Kiểm soát độ ẩm. Cây thoát ra lượng nước lớn. Nếu không trao đổi không khí, độ ẩm tương đối tăng dần đến mức bão hòa, nước ngưng tụ trên lá và bệnh do nấm phát sinh.
- Bổ sung CO2. Trong nhà kính kín, cây có thể hấp thu carbon dioxide khiến nồng độ ban ngày giảm xuống dưới mức bên ngoài, làm chậm sinh trưởng.
- Tạo sự đồng đều. Không khí lưu chuyển phá vỡ các vùng nóng và lạnh cục bộ, đồng thời giảm sự phân tầng nhiệt độ giữa mái và cây trồng.
Có những loại hệ thống thông gió nhà kính nào?
Hệ thống thông gió nhà kính có thể là tự nhiên (thụ động), cơ giới (dùng quạt), hoặc kết hợp cả hai.
Thông gió tự nhiên: cửa thông gió mái và bên hông
Thông gió tự nhiên sử dụng hiệu ứng ống khói (không khí ấm bốc lên và thoát qua cửa thông gió mái nhà kính) và áp lực gió để đưa không khí qua các cửa mở. Các bố trí điển hình gồm cửa thông gió liên tục dọc đỉnh mái, cửa mái bản lề trên nhà kính liên hoàn nối bằng máng xối, vách bên cuốn lên trên nhà kính phủ màng và cửa chớp thông gió trên công trình nhỏ hơn. Hướng dẫn khuyến nông thường khuyến nghị tổng diện tích cửa thông gió mái và tổng diện tích cửa thông gió bên hông, mỗi loại tương đương khoảng 15–20% diện tích sàn, và lớn hơn ở vùng khí hậu nóng. Phương pháp này hầu như không dùng điện nhưng phụ thuộc vào gió và chênh lệch nhiệt độ trong–ngoài.
Thông gió cơ giới: quạt hút và cửa chớp lấy gió
Quạt hút nhà kính hút không khí ra ở một đầu, trong khi cửa chớp vận hành bằng động cơ hoặc trọng lực cho không khí vào ở đầu còn lại. Cách này tạo mức trao đổi không khí có thể dự tính được bất kể gió, nhưng tốn điện, gây tiếng ồn và cần nguồn điện dự phòng.
Quạt tuần hoàn không khí
Quạt tuần hoàn nhà kính, thường gọi là quạt tạo luồng khí ngang (HAF), không trao đổi không khí với bên ngoài. Chúng hòa trộn không khí bên trong để đồng đều nhiệt độ, làm khô bề mặt lá và giảm bệnh. Chúng thường chạy khi quạt hút tắt, đặc biệt vào ban đêm và mùa đông.
| Phương pháp | Cách hoạt động | Ưu điểm | Hạn chế | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|---|
| Cửa thông gió mái (đỉnh mái) | Không khí nóng thoát ra tại điểm cao nhất | Ít tiêu thụ năng lượng, yên tĩnh, hoạt động tốt khi mưa nếu thiết kế phù hợp | Kém hiệu quả vào ngày lặng gió, ẩm ướt | Nhà kính bằng kính và polycarbonate liên hoàn nối bằng máng xối |
| Cửa thông gió bên hông dạng cuốn hoặc bản lề | Luồng khí đi ngang nhờ gió | Chi phí thấp, diện tích mở lớn | Phụ thuộc vào gió; gió lùa vào cây trồng | Nhà màng dạng vòm và nhà kính liên hoàn phủ màng |
| Quạt hút + cửa chớp lấy gió | Áp suất âm hút không khí đi qua | Lưu lượng khí có thể dự tính được | Tốn điện, gây tiếng ồn, cần nguồn điện dự phòng | Vùng khí hậu nóng, nhà kính hẹp, nhà kính nhỏ |
| Làm mát bằng quạt và tấm làm mát | Không khí được hút qua tấm ướt và làm mát nhờ bay hơi | Làm mát mạnh khi không khí khô | Tiêu thụ nước; kém hiệu quả hơn ở vùng khí hậu ẩm | Vùng nóng, khô |
| Quạt tuần hoàn (HAF) | Hòa trộn không khí bên trong | Nhiệt độ đồng đều, lá khô hơn | Không tự loại bỏ nhiệt | Mọi nhà kính, đặc biệt vào mùa đông |
Tính toán công suất quạt thông gió nhà kính như thế nào?
Tính toán công suất quạt bắt đầu từ thể tích không khí cần lưu chuyển mỗi phút. Quy tắc kinh nghiệm được sử dụng rộng rãi trong khuyến nông là thay toàn bộ không khí khoảng một lần mỗi phút vào mùa hè và bằng khoảng một phần tư mức đó vào mùa đông, tính theo diện tích sàn nhân với chiều cao giả định khoảng 2.4 m (8 ft).
- Đo diện tích sàn. Ví dụ: nhà kính 9.6 m × 30 m = 288 m².
- Nhân với chiều cao thiết kế. 288 m² × 2.4 m ≈ 690 m³.
- Áp dụng số lần trao đổi không khí. Mùa hè: 690 m³ mỗi phút, tức khoảng 41,000 m³/h. Ở vùng khí hậu rất nóng, một số nhà thiết kế sử dụng mức 1.25–1.5 lần trao đổi mỗi phút.
- Chọn quạt theo áp suất tĩnh làm việc. Đọc đường đặc tính quạt ở khoảng 25–30 Pa, không phải ở áp suất bằng không, vì cửa chớp, lưới và tấm làm mát làm tăng sức cản.
- Phân chia công suất cho nhiều quạt hoặc nhiều cấp. Nhiều quạt nhỏ hơn hoặc quạt hai tốc độ cho phép bộ điều khiển điều chỉnh lưu lượng khí theo mùa, thay vì bật tắt một quạt lớn.
- Tính toán kích thước cửa lấy gió. Bố trí diện tích thông thoáng thực tế của cửa lấy gió ít nhất bằng khoảng 1.25 lần tổng diện tích cửa quạt để quạt không bị thiếu khí cấp.
- Kiểm tra khoảng cách giữa các quạt và quãng đường không khí di chuyển. Giữ khoảng cách giữa các quạt hút không quá khoảng 7–8 m và tránh hút không khí trên quãng đường dài hơn nhiều so với khoảng 45 m (150 ft) từ cửa lấy gió đến quạt.
Với quạt cho nhà kính nhỏ, áp dụng cùng phương pháp ở quy mô nhỏ hơn: nhà kính 3 m × 4 m cần khoảng 29 m³ mỗi phút vào mùa hè. Quạt hút nhà kính nhỏ có bộ điều nhiệt là cấu hình đơn giản: bộ điều nhiệt bật tắt quạt theo nhiệt độ cài đặt, còn cửa chớp trọng lực mở trên tường đối diện.
Đối với tuần hoàn không khí, hướng dẫn thường dùng là khoảng 2 cfm trên mỗi ft² sàn (khoảng 0.6 m³ mỗi phút trên mỗi m²), được tạo ra bởi các quạt bố trí cách nhau sao cho không khí lưu chuyển thành vòng, đi dọc một bên nhà kính rồi quay về dọc bên còn lại.
Ngoài thông gió, nhà kính được làm mát bằng cách nào?
Thông gió chỉ có thể hạ nhiệt độ bên trong xuống gần nhiệt độ bên ngoài. Khi không khí ngoài trời đã nóng, cần làm mát bổ sung:
- Màn che nắng. Che nắng bên ngoài thường ngăn nhiệt hiệu quả hơn che nắng bên trong. Tỷ lệ che nắng của màn thể hiện mức giảm ánh sáng, không phải mức giảm nhiệt độ tương ứng.
- Làm mát bay hơi bằng quạt và tấm làm mát. Quạt hút kéo không khí qua các tấm cellulose ướt trên tường đối diện. Khi không khí khô, phương pháp này có thể giảm nhiệt độ vài độ; trong điều kiện thuận lợi, mức giảm khoảng 5–10 °C. Hướng dẫn khuyến nông đề xuất khoảng 1 m² tấm làm mát cho mỗi 20 m² sàn. Phương pháp này kém hiệu quả ở vùng khí hậu ven biển ẩm.
- Phun sương mịn áp suất cao. Các giọt nước nhỏ bay hơi trước khi chạm lá, làm mát và tăng độ ẩm không khí. Phun sương mịn cần nước sạch, vì vậy hãy dự trù hệ thống lọc hoặc thẩm thấu ngược.
Bộ mở cửa thông gió nhà kính tự động có đáng đầu tư không?
Thông gió tự động cho nhà kính đáng đầu tư trong hầu hết trường hợp, vì nhiệt độ có thể tăng nhanh hơn khả năng phản ứng của con người. Có hai loại chính:
- Bộ mở cửa thông gió tự động dùng xi lanh sáp. Sáp trong xi lanh kín giãn nở khi nóng lên và đẩy pít-tông để nâng cửa thông gió. Thiết bị không cần điện và phù hợp với nhà kính nhỏ, nhà kính trồng cây theo sở thích. Có thể điều chỉnh nhiệt độ mở trong một khoảng nhất định, nhưng thiết bị không thể phản ứng theo độ ẩm, mưa hoặc gió.
- Cửa thông gió vận hành bằng động cơ. Động cơ truyền động thanh răng–bánh răng hoặc cuốn màng được vận hành bởi bộ điều khiển khí hậu. Nhà kính thương mại sử dụng các thiết bị này, kết nối với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió và mưa để cửa thông gió đóng khi có bão và mở theo từng cấp.
Nếu lắp lưới chống côn trùng trên cửa thông gió, hãy nhớ rằng lưới làm giảm lưu lượng không khí, vì vậy có thể cần tăng diện tích cửa thông gió.
Các hệ thống sưởi ấm nhà kính chính là gì?
Việc chọn thiết bị sưởi nhà kính phù hợp phụ thuộc vào kích thước nhà kính, nhiên liệu sẵn có và nhiệt độ đêm dùng làm cơ sở thiết kế.
| Hệ thống sưởi | Nhiên liệu | Phù hợp nhất cho | Điểm chính |
|---|---|---|---|
| Thiết bị sưởi điện cho nhà kính (quạt sưởi hoặc tấm sưởi) | Điện | Nhà kính nhỏ, chống sương giá | Đơn giản, sạch, không có khí thải đốt cháy; chi phí vận hành trên mỗi đơn vị nhiệt cao ở hầu hết các khu vực |
| Máy sưởi cục bộ đốt khí | Khí tự nhiên hoặc propane | Hầu hết nhà kính thương mại | Đáp ứng nhanh; nên dẫn khí thải ra ngoài và cấp không khí tươi cho quá trình đốt cháy |
| Thiết bị sưởi ống bức xạ hồng ngoại | Khí đốt | Nhà kính mái cao, công trình có cửa thường xuyên mở | Làm ấm trực tiếp cây trồng và các bề mặt thay vì không khí |
| Sưởi bằng ống nước nóng (kiêm đường ray) | Nồi hơi: khí đốt, sinh khối, bơm nhiệt | Nhà kính lớn, mùa vụ kéo dài | Phân bố nhiệt đều ở tầm cây trồng; ống có thể kiêm đường ray cho xe đẩy; chi phí lắp đặt cao hơn |
| Sưởi vùng rễ hoặc dưới bàn trồng | Nước nóng hoặc điện | Nhân giống và cây trồng trong chậu | Cho phép duy trì không khí mát hơn trong khi rễ vẫn ấm |
| Năng lượng mặt trời, địa nhiệt, sinh khối | Năng lượng tái tạo | Địa điểm có nguồn tài nguyên và vốn đầu tư | Chi phí nhiên liệu thấp nhưng chi phí thiết bị cao hơn; duy trì hệ thống dự phòng thông thường |
Cảnh báo về quá trình đốt cháy: thiết bị sưởi đốt khí hoặc dầu hỏa không có đường thoát khí thải sẽ thải ra carbon monoxide, các oxit nitơ và ethylene, có thể gây hại cho cây trồng nhạy cảm và gây nguy hiểm cho người lao động. Thiết bị sưởi có đường thoát khí thải là lựa chọn an toàn hơn cho mọi nhà kính có người làm việc bên trong.
Tính toán công suất máy sưởi nhà kính như thế nào?
Công suất nhiệt của thiết bị sưởi ít nhất phải bằng mức tổn thất nhiệt trong đêm lạnh nhất dùng làm cơ sở thiết kế. Công thức cơ bản là Q = U × A × ΔT:
- A là tổng diện tích lớp bao che xuyên sáng (mái, vách và đầu hồi), không phải diện tích sàn. Với nhà kính độc lập, diện tích này thường bằng khoảng 1.5–2 lần diện tích sàn.
- U là hệ số tổn thất nhiệt của vật liệu bao che. Giá trị gần đúng: kính một lớp khoảng 6 W/m²K, màng polyethylene hai lớp bơm khí khoảng 4 W/m²K, polycarbonate hai vách khoảng 3.3–3.6 W/m²K. Cần ưu tiên sử dụng dữ liệu của nhà sản xuất thay cho các giá trị này.
- ΔT là chênh lệch giữa nhiệt độ cài đặt bên trong và nhiệt độ ngoài trời dùng để thiết kế. Một cách tính theo hướng dẫn khuyến nông là lấy nhiệt độ tối thiểu trung bình tháng Một tại khu vực của bạn rồi trừ thêm khoảng 8 °C (15 °F) để tạo biên độ an toàn.
Ví dụ: 500 m² lớp bao che bằng màng polyethylene hai lớp, U = 4 W/m²K, nhiệt độ bên trong 15 °C, nhiệt độ ngoài trời dùng để thiết kế −5 °C (ΔT = 20 K). Q = 4 × 500 × 20 = 40,000 W, tương đương 40 kW. Cộng thêm khoảng 10–25% cho rò lọt không khí, tùy độ kín của kết cấu, đưa công suất yêu cầu lên khoảng 45–50 kW. Phân bổ công suất này cho ít nhất hai thiết bị sưởi để sự cố ở một thiết bị không khiến cây trồng bị đóng băng.
Cách tính tương tự cho biết công suất mà thiết bị sưởi cho nhà kính nhỏ cần cung cấp. Một nhà kính polycarbonate kích thước 3 m × 4 m có khoảng 40–45 m² lớp bao che xuyên sáng; để duy trì nhiệt độ cao hơn bên ngoài 10 °C cần khoảng 1.5–2 kW. Vì vậy, thiết bị sưởi điện cho nhà kính công suất 2 kW có bộ điều nhiệt là lựa chọn phổ biến để chống sương giá trong nhà kính nhỏ.
Nên thiết lập hệ thống điều khiển nhiệt độ nhà kính như thế nào?
Kiểm soát tốt nhiệt độ nhà kính chủ yếu phụ thuộc vào cảm biến và trình tự vận hành hơn là quy mô thiết bị.
- Đặt cảm biến đúng vị trí. Lắp cảm biến ở độ cao tán cây, giữa nhà kính, bên trong hộp được che nắng và thông gió bằng hút khí. Cảm biến đặt dưới nắng trực tiếp hoặc cạnh thiết bị sưởi sẽ cho số đo sai.
- Vận hành sưởi và làm mát theo từng cấp. Trình tự điển hình trong ngày ấm: mở cửa thông gió từng mức, sau đó bật quạt theo từng cấp, rồi bổ sung làm mát bay hơi. Trong đêm lạnh: đóng cửa thông gió, chạy quạt tuần hoàn, sau đó khởi động thiết bị sưởi theo từng cấp.
- Chừa vùng chết điều khiển. Giữ khoảng cách vài độ giữa ngưỡng nhiệt độ bật sưởi và ngưỡng mở cửa thông gió để hai hệ thống không hoạt động đối nghịch nhau.
- Bổ sung kiểm soát độ ẩm. Sưởi trong thời gian ngắn kết hợp hé cửa thông gió giúp giảm độ ẩm lúc bình minh, từ đó giảm ngưng tụ trên quả và lá.
- Lắp hệ thống cảnh báo và dự phòng. Cảnh báo nhiệt độ cao/thấp, nguồn điện dự phòng cho quạt và bộ điều khiển, cùng chế độ điều khiển thủ công là các biện pháp dự phòng ít tốn kém.
Với dự án lớn hơn, bộ điều khiển tích hợp quản lý đồng thời cửa thông gió, quạt, màn che, thiết bị sưởi và hệ thống tưới là khoản đầu tư xứng đáng. Nhà kính polycarbonate dạng bánh răng tích hợp IoT của chúng tôi là một ví dụ về kết cấu được thiết kế cho kiểu điều khiển dựa trên cảm biến này.
Nhà kính hoạt động như thế nào vào mùa đông?
Nhà kính hoạt động trong mùa đông bằng cách thu năng lượng mặt trời vào ban ngày, giữ nhiệt nhờ lớp bao che kín và cách nhiệt tốt, đồng thời bổ sung nhiệt bằng hệ thống sưởi khi cần. Việc có cần thiết bị sưởi hay không phụ thuộc vào khí hậu và cây trồng của bạn. Ở vùng khí hậu ôn hòa, nhà kính không sưởi có thể bảo vệ rau chịu lạnh và cây qua đông khỏi sương giá trong hầu hết các đêm. Ở vùng khí hậu lạnh, sản xuất quanh năm các cây ưa ấm như cà chua và dưa chuột trong nhà kính cần có hệ thống sưởi và thường cần cả chiếu sáng bổ sung.
Đặc điểm của nhà kính được xây dựng cho mùa đông và khí hậu lạnh:
- Lớp bao che xuyên sáng có khả năng cách nhiệt. Polycarbonate hai vách hoặc nhiều vách, màng hai lớp bơm khí hoặc kính hai lớp. Xem bài so sánh tấm polycarbonate và tấm kính dùng cho nhà kính của chúng tôi.
- Khung được thiết kế chịu tải tuyết, với độ dốc mái đủ lớn để tuyết trượt xuống. Khung thép mạ kẽm và khung nhôm được trình bày trong bài khung nhà kính: so sánh nhôm, thép và gỗ.
- Màn tiết kiệm năng lượng hoặc màn giữ nhiệt đóng lại vào ban đêm để giảm tổn thất nhiệt qua mái.
- Kết cấu kín: cửa ra vào được làm kín, cửa thông gió đóng hoàn toàn và hạn chế tối đa khe hở ở chân nhà kính.
- Vách phía bắc được cách nhiệt hoặc bố trí nhà kính tựa vào một tòa nhà có sưởi đối với công trình nhỏ. Xem hướng dẫn về nhà kính tựa tường.
Nhà kính di động và lều màng bật mở có khả năng chống sương giá ở mức nhất định nhưng mất nhiệt nhanh và dễ bị ảnh hưởng bởi gió, tuyết. Chúng phù hợp để kéo dài mùa vụ hơn là trồng trọt thực sự trong mùa đông. Để biết cách chọn một kết cấu nhỏ chắc chắn, xem hướng dẫn về nhà kính nhỏ, mini và di động của chúng tôi.
Lựa chọn kết cấu ảnh hưởng thế nào đến thông gió và sưởi ấm?
Thông gió và sưởi cần được thiết kế đồng bộ với kết cấu, thay vì bổ sung sau. Chiều cao máng xối, cách bố trí cửa thông gió mái, vật liệu bao che và khẩu độ đều ảnh hưởng đến lượng không khí có thể lưu chuyển và lượng nhiệt thất thoát. Máng xối cao hơn tạo thể tích không khí đệm lớn hơn và nhiệt độ ổn định hơn. Các cửa thông gió mái liên tục trên nhà kính polycarbonate liên hoàn kết hợp khả năng cách nhiệt với thông gió tự nhiên mạnh, trong khi nhà kính liên hoàn khung thép phủ màng có vách cuốn và cửa thông gió mái là lựa chọn chi phí thấp hơn cho vùng ấm.
Mars Vertical Farm sản xuất kết cấu nhà kính tại Thượng Hải và thiết kế cửa thông gió, chiều cao vách cùng các điểm lắp thiết bị phù hợp với khí hậu tại địa điểm của khách hàng; thiết bị sưởi và quạt được lựa chọn theo yêu cầu dự án thay vì bán như sản phẩm độc lập. Khám phá các mẫu nhà kính và phòng kính (sunroom) của chúng tôi, đọc hướng dẫn về nhà kính thương mại để tìm hiểu các loại kết cấu, hoặc gửi cho chúng tôi địa điểm, cây trồng và quy mô dự kiến để nhận phương án bố trí nhà kính và báo giá.
