Controlled mechanical ventilation to reduce primary energy consumption in air conditioning of greenhouses

In order to ensure optimal growing conditions inside greenhouse it becomes necessary a very close control of the internal climate conditions. In the first section, the available conditioning plant solutions are described. However, these systems generally require high investment costs. In addition, also high operational costs are required for an efficient solution without reducing yield crop or quality. Therefore, the winter conditioning of the internal air of a greenhouse occurs by means of fossil fuels. The use of a mechanical ventilation system contributes to a proper control of temperature, relative humidity and CO2 rate. However, the literature about the application of mechanical ventilation with heat recovery applied in greenhouses conditioning is very poor. For this purpose a research is being carried out. In section 2 a prototype of a mechanical ventilation unit and two climate rooms, for the reproduction of external and internal (built in laboratory) conditions, are described. The recovery unit is equipped with a heat pump and is able to increase the thermal energy recovered by the flow of exhaust air and through a high efficiency heat exchanger. A first study was carried on to evaluate the energy performances of the system during the control of temperature in winter season. Tests reported in section 3 were performed at different temperature values of simulated outdoor air TO (-5 °C, 0 °C, 5 °C and 10 °C) and a fixed (reference) internal simulated greenhouse temperature (20 °C). Each trial was performed with a ventilation flow rate of 535 m3/h. The resulting Coefficient Of Performance of the overall system (COPs) is 9.50 at 0 °C, 8.86 at 5 °C and 6.62 at 10 °C respectively. It has to be highlighted that during the trials carried out at -5°C the compressor behaved as an on-off type. This is due to a safety mechanism for the defrost of the evaporator. In addition, the ventilation flow rate was reduced to avoid a too low value of the supply air temperature. For the other trials (TO = 0 °C or 5 °C), the overall COPs decreases when the external temperature increases, due to a lower difference between external and indoor air enthalpy. To study a real case the mechanical ventilation unit was also installed at service of a greenhouse at Vivaio Verde Molise, Termoli – Italy. The experimental apparatus, described in detail in section 4, consists of the mechanical ventilation system, a perforated duct for air distribution, a fog system to adjust humidity and a supervision system to acquire the field data. Another dedicated supervision system allows measuring and collecting all the parameters of the prototype, such as thermophysical parameters of the airflow, thermophysical parameters of the refrigerant circuit of the heat pump, status and alarms of the unit. First tests, carried out on temperature control in winter season, are analysed in section 5. They show that the indoor air temperature (set at 27 °C) is suitable regulated by driving the unit with the reference probe installed on the recovery side. Only an offset of few Celsius degree is observed due to duct heat loss and the recovery grid placed on one side. Moreover, the mechanical ventilation system had also shown notable energy performance: COPs (mean value) of 5.4 and 5.7 at outdoor air temperature of 18.0 °C and 15.7 °C respectively. Finally, section 6 displays the main conclusions of the present work.

Per garantire condizioni di crescita ottimali di una serra è necessario un controllo molto accurato delle condizioni climatiche interne. Nella prima parte di questo lavoro sono descritte le principali soluzioni impiantistiche attualmente disponibili per il condizionamento delle serre. Tuttavia, questi sistemi richiedono generalmente elevati costi di investimento. Inoltre, anche i costi operativi risultano elevati affinché una soluzione sia efficiente senza ridurre la resa e la qualità del raccolto. Pertanto il condizionamento invernale dell’aria all’interno di una serra avviene per mezzo di combustibili fossili. L’uso di un sistema di ventilazione meccanica contribuisce a un corretto controllo della temperatura, dell’umidità relativa e della velocità di CO2. Tuttavia, la letteratura riguardante l’applicazione della ventilazione meccanica con recupero di calore per il condizionamento delle serre è molto povera. Nella sezione 2 vengono descritti il prototipo di ventilazione meccanica e le due camere climatiche, per la riproduzione delle condizioni esterne e interne (costruite in laboratorio). L’unità di recupero è dotata di una pompa di calore ed è in grado di aumentare l’energia termica recuperata dall’aria espulsa attraverso uno scambiatore di calore ad alta efficienza. Un primo studio è stato condotto per valutare le prestazioni energetiche durante il controllo della temperatura nella stagione invernale. Le prove riportate nella sezione 3 sono state eseguite a diversi valori simulati dell’aria esterna TO (-5 °C, 0 °C, 5 °C e 10 °C) e interna (20 °C di riferimento). Ogni prova è stata eseguita con una portata di ventilazione di 535 m3/h. Il coefficiente di prestazione di sistema (COPs) è di 9.50 a 0 °C, 8.86 a 5 °C e 6.62 a 10 °C. Durante le prove effettuate a -5 °C il compressore si è comportato come uno on-off. Ciò è dovuto a un meccanismo di sicurezza per lo sbrinamento dell’evaporatore. Inoltre, la portata di ventilazione si è ridotta per evitare temperatura di mandata troppo bassa. Durante le altre prove, i COPs totali diminuiscono quando la temperatura esterna aumenta, a causa di una minore differenza tra entalpia dell’aria interna ed esterna. Per studiare un caso reale il prototipo è stato installato in serra presso Vivaio Verde Molise, Termoli - Italia. L’apparato sperimentale, descritto in dettaglio nella sezione 4, è costituito dal sistema di ventilazione meccanica, un condotto forato per la distribuzione dell’aria, un sistema di nebulizzazione per regolare l’umidità e un sistema di supervisione per acquisire i dati dal campo. Un altro sistema di supervisione dedicato consente di misurare e raccogliere tutti i parametri del prototipo, come i parametri termofisici del flusso d’aria, i parametri termofisici del circuito frigorifero, lo stato e gli allarmi dell’unità. I primi test, effettuati sul controllo della temperatura nella stagione invernale, sono analizzati nella sezione 5. I dati rilevati mostrano che la temperatura dell’aria interna (impostata a 27 °C) è opportunamente regolata gestendo l’unità con la sonda di riferimento installata sulla ripresa. Si evidenzia solo un piccolo offset dovuto aella perdita di calore nel condotto e al posizionamento della griglia di ripresa (su un lato). Inoltre, il sistema ha mostrato prestazioni energetiche notevoli: COPs (medio) di 5.4 e 5.7 alla temperatura dell’aria esterna di 18.0 °C e 15.7 °C rispettivamente. Infine, nella sezione 6 vengono illustrate le principali conclusioni del lavoro.