دفيئة

قبل اختراع البيوت الزجاجية، كانت الممارسات الزراعية مقيدة بالظروف المناخية. فبحسب المنطقة المناخية للمجتمعات، كان الناس محصورين في أنواع محددة من النباتات وفي أوقات معينة من السنة. ولكن في حوالي عام 30 ميلادي، أنشأت الإمبراطورية الرومانية أول محاولة موثقة لبيئة اصطناعية. ^{[ 6 ]} ونظرًا لتدهور صحة الإمبراطور تيبيريوس ، أوصى الأطباء الملكيون بتناول خيارة واحدة يوميًا. ^{[ 6 ]} إلا أن الخيار من النباتات الحساسة التي لا تنمو بسهولة على مدار السنة. لذلك، صمم الرومان بيئة اصطناعية، كالبيوت الزجاجية، لتوفير الخيار للإمبراطور طوال العام. زُرع الخيار في عربات ذات عجلات وُضعت في الشمس يوميًا، ثم نُقلت إلى الداخل للحفاظ على دفئها ليلًا. وخُزن الخيار تحت إطارات أو في بيوت زجاجية مُغطاة إما بقماش مُشحم يُعرف باسم "سبيكولاريا" أو بألواح من السيلينيت ( المعروف أيضًا باسم " لابيس سبيكولاريس ")، وفقًا لوصف بليني الأكبر . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

جاء الإنجاز الأكبر التالي في تصميم البيوت الزجاجية من كوريا في القرن الخامس عشر خلال عهد مملكة جوسون . ففي خمسينيات القرن الخامس عشر، وصف سون أوي جيون أول بيت زجاجي مُدفأ صناعيًا في مخطوطته "سانغايوروك" . ^{[ 9 ]} كان سون أوي جيون طبيبًا للعائلة المالكة، وكان الهدف من "سانغايوروك" تزويد النبلاء بمعرفة زراعية ومنزلية هامة. ^{[ 9 ]} ضمن قسم التقنيات الزراعية، كتب سون أوي جيون كيفية بناء بيت زجاجي قادر على زراعة الخضراوات والنباتات الأخرى في فصل الشتاء. ^{[ 9 ]} أضاف التصميم الكوري نظام "أوندول" إلى هيكل البيت الزجاجي. ^{[ 9 ]} "أوندول " هو نظام تدفئة كوري يُستخدم في المنازل، ويتكون من أنبوب تهوية يمتد من مصدر حرارة أسفل الأرضية. ^{[ 9 ]} بالإضافة إلى "أوندول" ، كان يُسخّن مرجل مملوء بالماء لإنتاج البخار وزيادة درجة الحرارة والرطوبة داخل البيت الزجاجي. ^{[ ٩ ]} كانت هذه البيوت الزجاجية الكورية أول بيوت زجاجية فعّالة تتحكم بدرجة الحرارة، بدلاً من الاعتماد فقط على طاقة الشمس. ^{[ ٣ ]} تضمن التصميم أساليب تدفئة سلبية، مثل نوافذ هانجي شبه شفافة مطلية بالزيت لالتقاط الضوء وجدران من الطين للاحتفاظ بالحرارة، لكن الفرن وفّر تحكمًا إضافيًا في البيئة الاصطناعية. ^{[ ٩ ]} تؤكد سجلات مملكة جوسون أن هياكل شبيهة بالبيوت الزجاجية مزودة بنظام أوندول قد بُنيت لتوفير التدفئة لأشجار اليوسفي خلال شتاء عام ١٤٣٨. ^{[ ٩ ]}

ظهر مفهوم البيوت الزجاجية في هولندا ثم إنجلترا في القرن السابع عشر، بالتزامن مع ظهور النباتات. تطلّبت بعض هذه المحاولات المبكرة جهودًا جبارة لإغلاقها ليلًا أو لتجهيزها لفصل الشتاء. وواجهت هذه البيوت الزجاجية المبكرة صعوبات جمّة في توفير التدفئة الكافية والمتوازنة. أُنجز بناء أول بيت زجاجي مُدفأ في المملكة المتحدة في حديقة تشيلسي الطبية عام ١٦٨١. ^{[ ١٠ ]} واليوم، تمتلك هولندا العديد من أكبر البيوت الزجاجية في العالم، بعضها ضخم لدرجة أنه قادر على إنتاج ملايين الخضراوات سنويًا.

استمرت التجارب في تصميم البيوت الزجاجية خلال القرن السابع عشر في أوروبا، مع تطور التكنولوجيا وإنتاج زجاج أفضل وتحسن أساليب البناء. وكانت البيت الزجاجي في قصر فرساي مثالاً على ضخامتها وروعتها؛ إذ بلغ طوله أكثر من 150 متراً (490 قدماً) ، وعرضه 13 متراً (43 قدماً) ، وارتفاعه 14 متراً (46 قدماً) .   

قام أندرو فانويل، وهو تاجر بوسطني مزدهر، ببناء أول دفيئة أمريكية في عام 1737. ^{[ 11 ]}

عند عودته إلى ماونت فيرنون بعد الحرب، علم جورج واشنطن بوجود دفيئة زراعية بُنيت في مزرعة كارول في ماونت كلير (ماريلاند) . صممتها مارغريت تيلغمان كارول، وهي بستانية مجتهدة كانت تزرع أشجار الحمضيات في هذه الدفيئة. ^{[ 12 ]} في عام 1784، كتب واشنطن يطلب تفاصيل عن تصميم دفيئتها، فاستجابت لطلبه. كتب واشنطن:

سأحاول إتمام بناء بيتي الزجاجي هذا الخريف، لكنني أجد أنني، ولا أي شخص من حولي، نمتلك المهارة الكافية في أعمال البناء الداخلية لنتمكن من المضي قدمًا دون احتمال الوقوع في أخطاء. لذا، هل لي أن أطلب منك، لهذا السبب، وصفًا موجزًا ​​لبيت السيدة كارول الزجاجي؟ لقد اقتنعت الآن بأنني صممت بيتي الزجاجي على نطاق ضيق جدًا. بيتي (المبني من الطوب) أبعاده الخارجية 40 قدمًا × 24 قدمًا... ^{[ 13 ]}

يُنسب الفضل غالبًا إلى عالم النبات الفرنسي شارل لوسيان بونابرت في بناء أول دفيئة حديثة عملية في مدينة ليدن الهولندية خلال القرن التاسع عشر لزراعة النباتات الاستوائية الطبية. ^{[ 14 ]} في البداية، كانت الدفيئات مقتصرة على ممتلكات الأثرياء، ولكن مع تطور علم النبات، انتشرت إلى الجامعات. أطلق الفرنسيون على دفيئاتهم الأولى اسم "أورانجيري" (البرتقاليات )، لأنها كانت تُستخدم لحماية أشجار البرتقال من الصقيع. ومع ازدياد شعبية الأناناس، بُنيت "باينريز " ( بيوت الأناناس ).

شُيِّدت أكبر البيوت الزجاجية التي بُنيت حتى ذلك الحين في إنجلترا خلال العصر الفيكتوري. ونتيجةً مباشرةً للتوسع الاستعماري، تحوّل الغرض من البيوت الزجاجية من الزراعة إلى البستنة. ^{[ 15 ]} وساهم النقل المتسارع للنباتات والمعارف البستانية بين المستعمرات في افتتان الفيكتوريين بالنباتات والبيئات "الغريبة". ^{[ 16 ]} وأصبحت البيوت الزجاجية بمثابة عروض ترفيهية للجمهور. وسعت البيئات المُنسَّقة في البيوت الزجاجية إلى استحضار "الخيال الغربي للمناظر الطبيعية المثالية" ودعم فكرة "الآخر" الثقافي. ^{[ 16 ]} ونتيجةً لذلك، يُعتقد أن مجموعة النباتات تعكس العالم الحقيقي، إلا أنها في الواقع مجرد ترتيبات نمطية لنباتات "غريبة" ترمز إلى مواقع المستعمرات البريطانية ومدى نفوذها. ^{[ 15 ]} وللحفاظ على الهيمنة البريطانية، أصبحت البيوت الزجاجية حججاً للقوة الاستعمارية التي تتباهى بـ "السيطرة المطلقة على البيئات والنباتات المستعمرة... [باستخدام النباتات] كرمز للقوة الإمبراطورية البريطانية. ^{[ 17 ]}

من أبرز تصاميم القرن التاسع عشر البيوت الزجاجية ذات الارتفاع الكافي لاستيعاب الأشجار الكبيرة، والتي تُعرف باسم بيوت النخيل . كانت هذه البيوت تُبنى عادةً في الحدائق العامة أو المتنزهات، وتُجسّد تطور العمارة الزجاجية والحديدية في القرن التاسع عشر. شاع استخدام هذه التقنية في محطات السكك الحديدية والأسواق وقاعات المعارض وغيرها من المباني الكبيرة التي تتطلب مساحة داخلية واسعة ومفتوحة. يُعد بيت النخيل في حدائق بلفاست النباتية أحد أقدم الأمثلة على بيوت النخيل . صممه تشارلز لانيون ، واكتمل بناؤه عام ١٨٤٠. شيده صانع الحديد ريتشارد تيرنر ، الذي بنى لاحقًا بيت النخيل في حدائق كيو الملكية النباتية في كيو ، لندن، عام ١٨٤٨. جاء ذلك بعد فترة وجيزة من بناء المحمية الكبرى في تشاتسوورث (١٨٣٧-١٨٤٠) وقبل فترة وجيزة من بناء قصر الكريستال (١٨٥١)، وكلاهما من تصميم جوزيف باكستون ، وكلاهما مفقود الآن. ^{[ ١٨ ]}

ومن بين البيوت الزجاجية الكبيرة الأخرى التي شُيّدت في القرن التاسع عشر، قصر الكريستال في نيويورك ، وقصر الزجاج في ميونيخ ، والبيوت الزجاجية الملكية في لايكن (1874-1895) للملك ليوبولد الثاني ملك بلجيكا . أما في اليابان، فقد بُني أول بيت زجاجي عام 1880 على يد صموئيل كوكينغ ، وهو تاجر بريطاني كان يُصدّر الأعشاب .

في القرن العشرين، أُضيفت القبة الجيوديسية إلى أنواع عديدة من البيوت الزجاجية. ومن الأمثلة البارزة مشروع إيدن في كورنوال ، ومعهد روديل ^{[ 19 ]} في بنسلفانيا، وجهاز كليماترون في حديقة ميسوري النباتية في سانت لويس، ميسوري، ومصنع تويوتا لتصنيع السيارات في كنتاكي . ^{[ 20 ]} يُعد الهرم شكلاً شائعاً آخر للبيوت الزجاجية الكبيرة والعالية؛ وتوجد عدة بيوت زجاجية هرمية الشكل في محمية موتارت في ألبرتا ( حوالي عام 1976 ).

تطورت هياكل البيوت الزجاجية في ستينيات القرن الماضي عندما أصبحت ألواح البولي إيثيلين (البولي إيثيلين) العريضة متوفرة على نطاق واسع. وقد قامت عدة شركات بتصنيع البيوت المقوسة ، كما قام المزارعون أنفسهم ببنائها في كثير من الأحيان. وبفضل استخدام مقاطع الألمنيوم المبثوقة، أو أنابيب الصلب المجلفن الخاصة، أو حتى أنابيب المياه المصنوعة من الصلب أو البولي فينيل كلوريد (PVC)، انخفضت تكاليف البناء بشكل كبير. ونتيجة لذلك، ازداد عدد البيوت الزجاجية التي تم بناؤها في المزارع الصغيرة ومراكز الحدائق. كما تحسنت متانة أغشية البولي إيثيلين بشكل ملحوظ مع تطوير مثبطات الأشعة فوق البنفسجية الأكثر فعالية وإضافتها في سبعينيات القرن الماضي؛ مما أدى إلى إطالة عمر الغشاء من سنة أو سنتين إلى ثلاث سنوات، ثم إلى أربع سنوات أو أكثر.

انتشرت البيوت الزجاجية المتصلة بالمزاريب بشكل واسع في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي. تتكون هذه البيوت من قسمين أو أكثر متصلة بجدار مشترك أو صف من الأعمدة الداعمة. وقد انخفضت متطلبات التدفئة مع الزيادة الكبيرة في نسبة مساحة الأرضية إلى مساحة الجدار الخارجي. تُستخدم البيوت الزجاجية المتصلة بالمزاريب اليوم على نطاق واسع في الإنتاج الزراعي وفي زراعة النباتات وبيعها للجمهور. عادةً ما تُغطى هذه البيوت بمواد البولي كربونات المهيكلة، أو بطبقة مزدوجة من غشاء البولي إيثيلين مع نفخ الهواء بينهما لزيادة كفاءة التدفئة.

تُعدّ التهوية من أهمّ عناصر نجاح البيوت الزجاجية. فبدون تهوية مناسبة، تُصبح البيوت الزجاجية ونباتاتها عرضةً للمشاكل. وتتمثّل الأهداف الرئيسية للتهوية في تنظيم درجة الحرارة والرطوبة إلى المستوى الأمثل، وضمان حركة الهواء، وبالتالي منع تراكم مسببات الأمراض النباتية (مثل فطر بوتريتيس سينيريا ) التي تُفضّل ظروف الهواء الراكد. كما تُؤمّن التهوية إمدادًا بالهواء النقيّ لعمليتيّ التمثيل الضوئيّ والتنفس ، وقد تُتيح للملقّحات المهمة الوصول إلى محاصيل البيوت الزجاجية.

يمكن تحقيق التهوية باستخدام فتحات التهوية - التي يتم التحكم فيها غالبًا تلقائيًا عبر جهاز كمبيوتر - ومراوح إعادة تدوير الهواء. ^{[ 24 ]}

يُعدّ التدفئة أو الكهرباء من أكبر تكاليف تشغيل البيوت الزجاجية في جميع أنحاء العالم، وخاصة في المناطق الباردة. تكمن المشكلة الرئيسية في تدفئة البيوت الزجاجية، مقارنةً بالمباني ذات الجدران الصلبة المعتمة ، في كمية الحرارة المفقودة عبر أغطية البيوت الزجاجية. ولأن هذه الأغطية يجب أن تسمح بمرور الضوء إلى داخلها، فإنها لا توفر عزلًا حراريًا كافيًا. ونظرًا لأن قيمة العزل الحراري (R-value) لأغطية البيوت الزجاجية البلاستيكية التقليدية تبلغ حوالي 2، فإن مبالغ طائلة تُنفق باستمرار لتعويض الحرارة المفقودة. وتستخدم معظم البيوت الزجاجية، عند الحاجة إلى تدفئة إضافية، أفرانًا تعمل بالغاز الطبيعي أو الكهرباء . ^{[ 25 ]}

توجد طرق تدفئة سلبية تستخدم طاقة منخفضة للحصول على الحرارة. يمكن استغلال الطاقة الشمسية خلال فترات وفرتها النسبية (النهار/الصيف)، وإطلاقها لرفع درجة الحرارة خلال الفترات الباردة (الليل/الشتاء). ^{[ 26 ]} يمكن استخدام الحرارة المهدرة من الماشية لتدفئة البيوت الزجاجية، على سبيل المثال، وضع قن دجاج داخل بيت زجاجي يستعيد الحرارة التي تولدها الدجاجات، والتي كانت ستُهدر لولا ذلك. ^{[ 27 ] [ 28 ]} تعتمد بعض البيوت الزجاجية أيضًا على التدفئة الحرارية الأرضية . ^{[ 29 ]}

يتم تبريد البيوت الزجاجية عادةً بفتح النوافذ عندما ترتفع درجة الحرارة فيها بشكل لا يناسب النباتات. ويمكن القيام بذلك يدويًا أو آليًا. إذ يمكن لمحركات النوافذ فتحها بناءً على فرق درجات الحرارة، أو يمكن فتحها بواسطة وحدات تحكم إلكترونية . وتُستخدم وحدات التحكم الإلكترونية غالبًا لمراقبة درجة الحرارة وضبط تشغيل الفرن وفقًا للظروف. وقد يكون ذلك بسيطًا باستخدام منظم حرارة أساسي، ولكنه قد يكون أكثر تعقيدًا في البيوت الزجاجية الكبيرة. ^{[ 30 ]}

في الحالات شديدة الحرارة، يمكن استخدام بيت مظلل يوفر التبريد عن طريق الظل.

خلال النهار، يدخل الضوء إلى الدفيئة عبر النوافذ وتستفيد منه النباتات. كما تُجهز بعض الدفيئات بمصابيح نمو (غالباً مصابيح LED) تُشغل ليلاً لزيادة كمية الضوء التي تتلقاها النباتات، مما يزيد من إنتاجية بعض المحاصيل. ^{[ 31 ]}

تُعرف فوائد إثراء ثاني أكسيد الكربون إلى حوالي 1100 جزء في المليون في الزراعة المحمية لتعزيز نمو النباتات منذ ما يقرب من 100 عام. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} بعد تطوير معدات للإثراء المتسلسل والمتحكم فيه لثاني أكسيد الكربون، تم تطبيق هذه التقنية على نطاق واسع في هولندا. ^{[ 35 ]} يتم إنتاج المستقلبات الثانوية، مثل جليكوسيدات القلب في نبات الديجيتاليس الصوفي ، بكميات أكبر من خلال الزراعة المحمية في درجات حرارة وتركيزات أعلى من ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 36 ]} يمكن أن يقلل إثراء ثاني أكسيد الكربون أيضًا من استهلاك المياه في البيوت المحمية بنسبة كبيرة عن طريق تخفيف تدفق الهواء الكلي اللازم لتوفير الكربون الكافي لنمو النبات، وبالتالي تقليل كمية المياه المفقودة بالتبخر. ^{[ 37 ]} غالبًا ما تُقام البيوت المحمية التجارية الآن بالقرب من المنشآت الصناعية المناسبة لتحقيق منفعة متبادلة. على سبيل المثال، يقع مشتل كورنر وايز في المملكة المتحدة في موقع استراتيجي بالقرب من مصفاة سكر رئيسية، ^{[ 38 ]} حيث يستهلك كلاً من الحرارة المهدرة وثاني أكسيد الكربون _الناتج عن المصفاة والذي كان سيُطلق في الغلاف الجوي لولا ذلك. وبذلك، تُقلل المصفاة من انبعاثاتها الكربونية، بينما يستفيد المشتل من زيادة إنتاج الطماطم ولا يحتاج إلى توفير التدفئة اللازمة لبيوته الزجاجية.

لا يصبح الإثراء فعالاً إلا عندما يصبح ثاني أكسيد الكربون ، وفقًا لقانون ليبيغ ، العامل المحدد . في البيوت الزجاجية المُحكمة، قد يكون الريّ ضئيلاً، وقد تكون التربة خصبة بطبيعتها. أما في الحدائق والحقول المفتوحة الأقل تحكمًا، فإن ارتفاع مستويات _ثاني أكسيد الكربون لا يزيد الإنتاج الأولي إلا إلى حد استنزاف التربة (بافتراض عدم وجود جفاف، ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} أو فيضانات، ^{[ 42 ]} أو كليهما ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} )، كما يتضح ظاهريًا من استمرار ارتفاع مستويات _ثاني أكسيد الكربون . إضافةً إلى ذلك، توفر التجارب المخبرية، ومواقع اختبار إثراء الكربون في الهواء الطلق (FACE)، ^{[ 48 ] [ 49 ]} والقياسات الميدانية إمكانية التكرار . ^{[ 50 ] [ 51 ]}

في المملكة المتحدة ودول شمال أوروبا الأخرى ، كان يُستخدم لوح زجاجي زراعي يُعرف باسم "الزجاج الهولندي" كوحدة بناء قياسية، بأبعاد 730 مم × 1420 مم . يوفر هذا الحجم مساحة زجاجية أكبر مقارنةً بالألواح الأصغر، مثل تلك التي يبلغ عرضها 600 مم ، والتي تُستخدم عادةً في التصاميم المنزلية الحديثة ، والتي تتطلب بدورها هيكلًا داعمًا أكبر لحجم الدفيئة الإجمالي. يُطلق على نمط الدفيئة ذي الجوانب المائلة (مما ينتج عنه قاعدة أعرض من ارتفاع السقف) والذي يستخدم هذه الألواح غير المقطوعة اسم "تصميم الزجاج الهولندي"، كما يُطلق على الإطار البارد الذي يستخدم لوحًا كاملًا أو نصف لوح اسم "الزجاج الهولندي" أو "نصف الزجاج الهولندي".       

توجد تصاميم متخصصة تسمح بزراعة المحاصيل في المناخات الباردة عند خطوط العرض العليا . في المناطق الشمالية من الصين، مثل شنيانغ ، تُستخدم البيوت الزجاجية الشمسية المائلة لتوفير تدفئة سلبية فعالة للمحاصيل. ^{[ 59 ]} وقد ثبت أن هذه التدفئة تمنع وصول المحاصيل إلى درجات حرارة منخفضة قاتلة، حتى عند تعطيل عناصر التسخين النشطة. ^{[ 59 ]} تم بناء هذا النوع من البيوت الزجاجية لأول مرة عام 1978، وازدادت شعبيته خلال ثمانينيات القرن الماضي. ^{[ 28 ]}

تضم هولندا بعضاً من أكبر البيوت الزجاجية في العالم. ويصل حجم إنتاج الغذاء في البلاد إلى حد أنه في عام 2017، شغلت البيوت الزجاجية ما يقرب من 5000 هكتار . ^{[ 67 ]}

بدأ بناء البيوت الزجاجية في منطقة ويستلاند بهولندا في منتصف القرن التاسع عشر. وقد أدى إضافة الرمل إلى المستنقعات والتربة الطينية إلى خلق تربة خصبة للزراعة، وفي حوالي عام 1850، زُرع العنب في أولى البيوت الزجاجية، وهي عبارة عن مبانٍ زجاجية بسيطة ذات جدار صلب من أحد جوانبها. وبحلول أوائل القرن العشرين، بدأ بناء البيوت الزجاجية بجدران زجاجية بالكامل، وبدأ تزويدها بنظام تدفئة. وقد أتاح ذلك إنتاج الفواكه والخضراوات التي لم تكن تنمو عادةً في المنطقة. واليوم، تُعد ويستلاند والمنطقة المحيطة بألسيمير من أكثر المناطق كثافةً في زراعة البيوت الزجاجية في العالم. ^{[ 68 ]} وتنتج ويستلاند في الغالب الخضراوات، إلى جانب النباتات والزهور؛ وتشتهر ألسيمير بشكل رئيسي بإنتاج الزهور والنباتات المحفوظة في أصص. ومنذ القرن العشرين، أصبحت المنطقة المحيطة بفينلو وأجزاء من درينته مناطق مهمة لزراعة البيوت الزجاجية.

منذ عام 2000، شملت الابتكارات التقنية "البيوت الزجاجية المغلقة"، وهي نظام مغلق تمامًا يتيح للمزارع التحكم الكامل في عملية النمو مع استهلاك طاقة أقل. وتُستخدم البيوت الزجاجية العائمة في المناطق المائية من البلاد.

يوجد في هولندا حوالي 4000 مشروع زراعي في البيوت الزجاجية، تدير أكثر من 9000 هكتار ^{[ 69 ]} من البيوت الزجاجية، وتوظف نحو 150 ألف عامل، وتنتج ما قيمته 7.2 مليار يورو ^{[ 70 ]} من الخضراوات والفواكه والنباتات والزهور، ويتم تصدير حوالي 80% منها. ^{[ 71 ] [ 72 ]}