Dimensiones de un invernadero y su temperatura interna

1
Efecto de las dimensiones de un invernadero sobre la temperatura interna en
períodos cálidos
Edio R. BOUCHET (1,2); Carlos E.; FREYRE(2) ; Carlos A., BOUZO(2); Juan C. FAVARO(2)
(1)
Facultad de Ciencias Agropecuarias, UNER, Ruta Pcial. 11.Km. 10. C.C. 24- Suc. 3
Correo Central, 3100 - Oro Verde. Paraná - E.R. TE: 0343-4975075, Fax: 0343-4975096
(2)
Facultad de Ciencias Agrarias, UNL, Kreder 2805, C.P. 3080. Esperanza, Santa Fe, TE
03496-420639, Fax: 03496-426400.
Comunicación con el autor: Correo electrónico: [email protected]; TE; 0342-4601745.
Resumen
La temperatura es uno de los principales factores ambientales que afectan el crecimiento,
desarrollo y rendimiento de las plantas. Durante el ciclo de un cultivo en invernadero, la
temperatura suele exceder el umbral máximo biológico afectando el rendimiento y la calidad. El
objetivo de este trabajo es estudiar el efecto de la altura y volumen de un invernadero en el
incremento de la temperatura interna. Se elaboraron dos ecuaciones matemática considerando la
altura en relación con la ventilación natural y la inercia térmica del sistema. El incremento del
volumen se puede lograr con acoplamiento lateral de invernaderos, sin embargo, en tales casos
la ventilación natural lateral disminuye su eficiencia. El incremento del volumen mediante la
construcción de invernaderos con mayor altura y con ventilación cenital, aumenta la inercia
térmica, acelera el efecto de flotación e incrementa la ventilación natural. Se presentan las
comparaciones entre las velocidades de aire calculadas y medidas en la ventilación cenital y el
efecto del acoplamiento lateral de invernaderos de diferentes tamaños sobre la renovación de
aire causada por efecto dinámico del viento. Estos resultados reafirman la tendencia observada
en la construcción de invernaderos altos.
Palabras claves: Cultivo forzado; Inercia térmica; Ventilación natural.
Abstract
Effect of the greenhouse size on the internal temperature during warm period
Temperature is one of the major environmental factors affecting the growth,
development and yield of the plants. During the course of a crop in the greenhouse, the
temperature tends to exceed the maximum threshold biological affect the yield and quality. The
aim of this work is to study the effect of the height and volume of a greenhouse on increasing of
the internal temperature. Two mathematical equations were developed considering the height in
relation to the natural ventilation and thermal inertia of the system. The increase in the volume
can be achieved by coupling side of greenhouses, however, in such cases the natural
ventilation decreases their efficiency. The increased volume by building greenhouses with
2
greater height and roof ventilation, increases the thermal inertia, accelerates the ´buoyancy´
effect and increases natural ventilation. It presents comparisons between the ratios calculated
air and roof ventilation measures and the effect of coupling side of greenhouses of different
sizes on the renewal of air caused by dynamic effect of the wind. These results confirm the
trend observed in the construction of greenhouses high.
Key Words: Crop Forced; thermal Inertia; Natural ventilation.
Introducción
La ventilación es considerado como uno de los principales procesos en determinar el
microclima de un invernadero habiendo sido investigado por numerosos autores (Fernández and
Bailey, 1992; Boulard and Baille, 1995; Kittas et al., 1997; Bouchet et al., 2003; Teitel et al.,
2005). Técnicas sofisticadas han sido desarrolladas para visualizar y cuantificar el flujo de aire
creado por la ventilación natural, incluyendo el uso de anemómetros sónicos (Wang et al., 1999;
Boulard et al., 2000; Teitel et al., 2005) y modelos físicos de invernaderos en túneles de viento
(Lee et al., 2003). Recientemente, la utilización de modelos más avanzados para estudiar y
caracterizar la ventilación natural en invernaderos incluyen herramientas informáticas tales
como los programas de dinámica computacional de fluídos (CFD) (Boulard and Wang, 2002;
Boulard, 2006).
La ventilación influye principalmente en la temperatura, la humedad y la concentración de
dióxido de carbono lo cual afecta el desarrollo y crecimiento de los cultivos (Coelho et al.,
2006). Durante los períodos cálidos la temperatura del invernadero suele exceder el umbral
máximo biológico ocasionando disminuciones de rendimiento y calidad (Ali et al., 1990). La
principal ventaja de la ventilación natural como método de enfriamiento de un invernadero es su
bajo costo de operación (Baptista et al., 2001). Esto determina que se convierta en uno de los
métodos de control del clima del invernadero más adecuados bajo las condiciones de
producción hortícola en nuestro país. La ventilación natural es el resultado de la acción de dos
fuerzas naturales: la dinámica debida al viento y la térmica o de flotación (Coelho et al., 2006).
La ventilación dinámica se incrementa con el incremento de la velocidad del viento y la
superficie de ventanas y la ventilación por efecto de flotabilidad con el aumento de las
diferencias entre la temperatura del aire interno y externo del invernadero (Katsoulas et al.,
2006). El incremento en la superficie de ventana es favorecida con invernaderos de mayor
altura, los cuales además tienen un comportamiento sujeto a fluctuaciones menos bruscas de la
temperatura en comparación a invernaderos de escaso volumen. La importancia de la superficie
de ventanas se evidencia especialmente con la adopción de sistemas de exclusión de insectos, de
uso creciente en invernaderos destinados a la producción de plantines hortícolas en nuestro país.
Estos consisten en el uso de mallas de trama fina que impiden el ingreso de insectos al
invernadero (Teitel et al., 1999) las que permiten reducir la necesidad de aplicación de
3
pesticidas; sin embargo al mismo tiempo las mallas dificultan la ventilación, intensificando los
problemas originados por las altas temperaturas internas (Kittas et al., 2002; Soni et al., 2005).
En nuestro pais la producción en invernaderos bajos encuentran serias limitaciones durante los
meses del año con altas intensidades de radiación solar y temperatura del aire. La construcción
de invernaderos con mayor altura permitiría lograr una mayor eficiencia de la ventilación y un
mejor comportamiento térmico del sistema. El objetivo de este trabajo consistió en estudiar el
efecto de las dimensiones sobre la temperatura interna del invernadero.
Materiales y Métodos
Las mediciones se realizaron en invernaderos situados en el Campo Experimental de Cultivos
Intensivos y Forestales, de la Facultad de Ciencias Agrarias en Esperanza (31° 30' S, 62° 15' W)
Santa Fe. Los invernaderos utilizados fueron de tipo curvo (ADC Invernaderos) conformado por
5 naves acopladas lateralmente. La superficie total de suelo cubierta fue de 1080 m2 y el
volumen total del invernadero de 5477 m3. La superficie de ventanas laterales (A) fue de 180
m2 y el de ventanas cenitales de 60 m2.
Ventilación por efecto dinámico
Los cálculos se realizaron mediante planilla electrónica Excel, en donde se supuso la existencia
de dos modelos de invernaderos, ambos de 180 m2 a los que se denominaron: invernadero bajo
con un altura cenital máxima de 3,5 m y lateral de 2,0 m e invernadero alto con una altura
cenital máxima de 5,5 m y 3,8 m en el lateral. Se supuso la existencia de velocidades de viento
de 0,5 m s-1, 1,0 m s-1 y 2,0 m s-1 incidiendo en forma perpendicular a la pared lateral. Otro
supuesto fue considerar que la superficie efectiva de ventilación correspondió a la mitad de la
superficie total de ventanas (Montero, 1999). El coeficiente global de efecto del viento utilizado
fue de 0,22 (Bouchet et al., 2003). Se midió la permeabilidad de una malla antiáfido de 50
mesh utilizando un caudalímetro digital de hilo caliente marca Testo 405-V1 y variando
artificialmente la velocidad del viento mediante la utilización de un ventilador de 200 W de
potencia y 0,70 m de diámetro. La apertura de ventana se supuso de un 50 % y 80 % de la
superficie lateral de cada pared. El efecto del incremento de la masa interna con el volumen del
invernadero se discute considerando que la rapidez (dT/dt) con que cambia la temperatura T de
un invernadero cuando intercambia calor con el medio ambiente a la temperatura Ta se conoce
como ´inercia térmica´ (Zemansky, 1980): (i) dT = − K . ( T − Ta)
Donde K; conductividad
dt
térmica (s-1) (ii) K = f A .S ; T; temperatura del invernadero (ºC), Ta; temperatura del aire
−
m. c
4
exterior (ºC); fA; factor que depende de la aislación térmica total; S; superficie del cuerpo (m2);
m; masa (kg); c; calor específico (kCal kg-1 ºC-1).
Ventilación por efecto de flotación
Un volumen V de aire caliente a la temperatura Tm dentro de aire frío a la temperatura T origina
una fuerza resultante de sentido vertical expresada por: (iii) F = E − W ; donde: E; empuje
vertical del aire frío; W; peso del aire caliente. Si se considera la presión constante:
(iv)
E = V . D(T) . g
; donde D; densidad del aire (kg m-3); g; aceleración de la gravedad terrestre
W = V . D(T) . g
(9,8 m s-2). En una primera aproximación, despreciando otros factores, F es la fuerza resultante
sobre la masa m del volumen V de aire caliente que le produce un desplazamiento vertical con
aceleración a (F = m . a). Si consideramos la cinemática del movimiento vertical del aire con
una aceleración constante se puede expresar por: (v) v 2 − v02 = 2 . a . h ; donde: v; es el valor de la
componente vertical de la velocidad del aire en el interior del invernadero (m s-1), h; es la altura
media entre la ventana lateral y cenital (m).
Como el aire ingresa al invernadero por las ventanas laterales con velocidad prácticamente
horizontal (datos no presentados) la componente vertical en la parte baja del invernadero se
considera nula, entonces: (vi) v 0 = 0 ∴ a =
(viii) V . D(T ) . g − V . D(T) . g = V . D(T) . a
a
(x) v = 1 .
v2
2 .a .h
(ix) a =
(vii) E − W = F = m . a
( D (Ta ) − D(T) ) . g
=
D(T)
v2
2 .h
2 . h . ( D(Ta ) − D(T ) ). g
2
D(T)
Teniendo en cuenta que por el efecto de las paredes laterales del invernadero y por la viscosidad
del aire, el perfil de la componente vertical de la velocidad del flujo de aire no es uniforme,
siendo mayor en el centro y menor conforme se acerca a las paredes. Debido a este
comportamiento se puede considerar un valor medio (vm) de la velocidad del aire en la ventana
cenital dada por: (xi) v m = 1 . v La densidad del aire en función de la temperatura absoluta a
2
la presión atmosférica supuesta constante es: (xii) D = ( P . M ) . 1
R
T
Donde: P; presión atmosférica , M; masa molecular media del aire (kg mol-1), R; constante de
los gases perfectos (8,31434 Jmol-1K-1).
(xiii)
vm =
g
.
2
Reemplazando D = f(1/T) en (xi):
( T − Ta ) . h
Ta
La velocidad calculada con (xiii) se comparó con los datos medidos en invernadero con la
ventanas cenitales abiertas, cuya superficie total por cada invernadero fue de 9 % de la
5
superficie de suelo cubierto. La temperatura se midió mediante sensores acoplados a un
datalogger a diferentes alturas, midiéndose la temperatura externa en un sensor ubicado a 0,5 m
sobre la ventana cenital y la velocidad ascendente del viento se midió con un anemómetro
digital Testo 405-V1.
Resultados y Discusión
Efecto de altura del invernadero sobre la renovación de aire
La Figura 1 presenta la relación entre el número de estructuras invernaderos acoplados
lateralmente con: i) la renovación horaria de los volúmenes de aire (N) con relación a la
velocidad externa del viento; ii) la relación volumen del invernadero (V) y la superficie de
cubierta (SC); iii) la relación entre la superficie de ventanas (SV) y la superficie del suelo (SS).
El incremento de la altura de un invernadero tuvo como consecuencia una mayor relación de
superficie de ventana a superficie de suelo (Figura 1a). Esta relación se considera adecuada para
una eficiente ventilación cuando es al menos de 25 % (F.A.O., 1990); 15 a 25 % (von Zabeltitz,
1999) ó más de 20 % (Montero et al., 2001, Connelan, 2002). Se observó que este valor se
supera solo si se trata de un solo módulo para el invernadero de menor altura (Figura 1a) a
diferencia del invernadero de mayor altura en que puede alcanzarse con cuatro módulos
acoplados lateralmente (Figura 1b). Estos resultados se obtuvieron con una superficie de
ventana del 50 % de la superficie de paredes. Este valor se considera apropiado debido a la
utilización del resto de la superficie de pared con una película de polietileno permanente. Esto
permite proteger a las plantas de los bordes del invernadero del exceso de viento, debido a que
con velocidades del viento superiores a 4,0 m s-1 se pueden originar daños físicos al cultivo
(Aldrich et al., 1983).
SV/SS (m2 m-2)
35,6
21,1
16,3
13,9
12,4
11,5
10,8
10,3
9,9
SV/SS (m2 m-2)
9,6
2,0
100
1,5
80
1,0
60
40
0,5
20
0
0,0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Invernaderos
N (0,2 m s-1)
N (1,0 m s-1)
N (2,0 m s-1)
(a)
67,6
40,1
31,0
26,4
23,6
21,8
20,5
19,5
18,8
18,2
2,0
120
Renovaciones N (h -1)
Renovaciones N (h -1)
120
100
1,5
80
1,0
60
40
0,5
20
0
0,0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Invernaderos
N (0,2 m s-1)
N (1,0 m s-1)
N (2,0 m s-1)
V/SC (m3/m2)
V/SC (m3/m2)
(b)
Figura 1: Efecto del acoplamiento lateral de invernaderos sobre la tasa de renovación horaria del aire N
(h-1) bajo diferentes velocidades de viento externo (m s-1); las relaciones volumen el invernadero y
superficie de cobertura (V/SC) (m3 m-2) y superficie de ventanas a superficie de suelo (SV/SS) (m2 m-2)
para un invernadero bajo (a) y alto (b).
6
Otro parámetro de interés que permite evaluar la eficiencia de la ventilación natural es la tasa de
renovación horaria N (h-1) (Fernández and Bailey, 1992). Aunque muy variable de acuerdo a
diferentes situaciones y en ausencia de otros sistemas de control térmico como el sombreo o la
nebulización interna, un invernadero se considera suficientemente ventilado cuando la
renovación de volúmenes es al menos de 40 h-1 (Montero, 2006) ó entre 45 y 60 h-1 (ASAE,
1991). Aquí se observó que una renovación de aire de 40 h-1 se puede obtener en el invernadero
de mayor altura aún acoplando hasta 5 estructuras laterales cuando la velocidad externa del
viento es de 2 m s-1 (Figura 1b) en tanto que en el invernadero de menor altura fue de 4
estructuras (Figura 1a). Además, se observó que la disminución de la renovación con la adición
de nuevas estructuras fue menor en el invernadero de mayor altura. No obstante, una
disminución de la velocidad externa del viento a valores de 1,0 m s-1 ó 0,5 m s-1 representó una
importante reducción en la renovación horaria de aire en ambos tipos de invernaderos (Figura 1a
y 1b). El curso de la disminución de la renovación del aire observada aquí en función de un
aumento en el número de invernaderos acoplados lateralmente, es similar a la observada en
invernaderos tipo parral de diferentes anchos, en donde la tasa de ventilación decrece
abruptamente hasta los 30 metros para luego continuar disminuyendo en naves de mayor ancho
aunque con una tasa menor (Montero, 2006).
El incremento del volumen de aire (V) con relación a la superficie de cubierta (SC) es superior
en el invernadero de mayor tamaño (Figura 1b) siendo esta relación un 14 % superior para una
sola estructura y 26 % superior para 10 estructuras acopladas lateralmente respecto al
invernadero de menor tamaño (Figura 1a). Aunque un incremento de volumen de aire es
inversamente proporcional al número de renovaciones horarias (Katsoulas et al., 2006), un
incremento de la superficie de ventanas por una mayor altura lateral compensa ampliamente el
aumento del volumen (Bouzo et al., 2006). Por otra parte, el aumento del volumen del
invernadero incrementa potencialmente la masa interna del mismo, con lo cual disminuye la
conductividad térmica del sistema (ec. ii) incrementando su inercia térmica (ec. i) (Zemansky,
1980). Esto determina que el invernadero sea menos susceptible a cambios bruscos de la
temperatura, además de permitir una mejor ventilación (Papadakis et al., 1996).
Efecto de la utilización de malla antiáfido sobre la renovación de aire
Mediante las mediciones de velocidad del viento efectuadas a barlovento y sotavento de la malla
antiáfido se obtuvo un valor medio de permeabilidad al aire de 47,2 % con un coeficiente de
variación de 0,28. Aunque se observó una importante dispersión de la permeabilidad, se pudo
determinar una relación positiva entre el incremento de la permeabilidad y la velocidad del
viento (Figura 2). Esto significa que con velocidades bajas de viento el efecto de reducción del
movimiento interno de aire en el interior del invernadero se acrecienta aún más con el uso de
esta malla (Figura 3a y 3b).
7
y = 10,189x - 12,126
R2 = 0,42
70,0
Permeabilidad (%)
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
3
4
5
6
7
8
Viento (m s-1)
Figura 2: Relación entre la velocidad del viento (m s-1) y la permeabilidad de una malla antiáfidos de 50
mesh.
Aunque la disminución de la velocidad del viento depende de la porosidad de la malla, cuando
la velocidad del viento es baja, con un pequeño valor del número de Reynolds (Re < 10) la
resistencia de la malla al flujo de aire se incrementa (Cabrera et al., 2006). Este comportamiento
también fue observado por Montero et al., 1999, quienes trabajaron con una malla antiáfido de
60 mesh, obtuvieron una permeabilidad de 31 % para una velocidad del viento externa de 5,0 m
s-1 y una permeabilidad de sólo 25 % para una velocidad del viento externo de 2,0 m s-1. Sin
embargo, otros autores obtuvieron valores mayores de permeabilidad, cercanos a 65 % (Kittas et
al., 2006).
La utilización de un malla antiáfido de 50 mesh tanto para invernaderos bajos como altos y para
una apertura de ventana de 50 % de la superficie de pared, para una velocidad de viento externa
de 2,0 m s-1, determinó una notable reducción de la renovación horaria (Figuras 3a y 3b).
La utilización de malla antiáfidos obliga a incrementar la superficie de ventanas para compensar
la menor ventilación (Fatnassi, 2002). En este trabajo se observó que aún utilizando una
apertura de ventana de 80 % (Figuras 3a y 3b ) no se pudo igualar la renovación de aire obtenida
para el caso de invernaderos sin malla y con apertura de ventana de 50 % (Figuras 1a y 1b). Se
destaca que esta necesidad por una mayor amplitud de la superficie de ventilación en el caso de
utilizar mallas antiáfido es más fácilmente obtenible con invernaderos altos que con
invernaderos bajos.
120,0
120,0
Renovaciones N (h -1)
Renovaciones N (h -1)
100,0
100,0
80,0
60,0
40,0
80,0
60,0
40,0
20,0
20,0
0,0
0,0
0
1
2
3
4
5
6
7
Invernaderos
Malla 50
Malla 80
8
9
10
11
0
1
2
3
4
5
6
7
Invernaderos
Malla 50
Malla 80
8
9
10
11
8
(a)
(b)
Figura 3: Efecto del acoplamiento lateral de invernaderos sobre la tasa de renovación horaria del aire N
(h-1) con una velocidades de viento externo de 2,0 m s-1 utilizando una malla antiáfido de 50 mesh con
una apertura de ventanas de 50 % y 80 % de la superficie lateral de pared (Malla 50 y Malla 80,
respectivamente) para un invernadero bajo (a) y alto (b).
Efecto de la altura del invernadero sobre la renovación de aire por flotabilidad
Los cálculos efectuados utilizando la ecuación (xiii) deducida anteriormente para describir el
movimiento ascendente del aire por efecto de la flotabilidad o también conocido como efecto
´chimenea´ (Papadakis et al., 1996) fue comparado con los resultados medidos en el interior del
invernadero (Figura 4). Se observa que el coeficiente de determinación de 0,82 indica una
aceptable correspondencia entre los datos medidos y los calculados. La ecuación obtenida aquí
señala la importancia de dos factores que influyen en forma directamente proporcional sobre la
velocidad de ascenso del aire: el gradiente de temperatura y la altura media. En condiciones de
muy bajas velocidades externas del aire el número de renovaciones horarias por efecto dinámico
del viento disminuye notablemente (Figura 1a y 1b). En similares situaciones se midieron
gradientes térmicos de 2,5º C con 60 renovaciones a más de 10 º C con 10 renovaciones horarias
(Montero, 2006). Al incrementarse el gradiente térmico entre el interior y exterior del
invernadero aumenta el desplazamiento del aire por efecto de flotabilidad (Boulard and Baille,
1995). Por otra parte, la altura h (ec. xiii) con respecto a las ventanas cenitales, está en directa
relación con la altura del invernadero, lo que destaca la bondad de la utilización de invernaderos
altos para mejorar la ventilación cenital.
Calculado (m s -1)
0,110
R2 = 0,82
0,090
0,070
0,050
0,030
0,010
0,010
0,030
0,050
0,070
0,090
0,110
Medido (m s-1)
Figura 4: Recta de regresión lineal entre los valores de velocidad del viento ascendente interna del
invernadero medida (m s-1) y la calculada utilizando la ecuación (xiii).
De lo anterior se puede deducir la importancia relativa que adquiere la ventilación cenital
cuando las renovaciones de aire se reducen debido a la disminución de la velocidad externa del
viento, por acoplamiento lateral de varios invernaderos o bien por la utilización de mallas
antiáfidos.
9
La ecuación obtenida aquí para calcular el efecto de ventilación debido a la flotabilidad, es
además muy similar a las propuestas por Wang and Deltour (1998) aunque estos autores
incorporan un coeficiente de descarga que depende de la geometría de la ventana cenital para
estimar la tasa de renovación horaria. Es de destacar que aún considerando el bajo efecto de la
ventilación cenital en condiciones de velocidad de viento superiores a 1 m s-1 (Wang and
Deltour, 1998) la mayor eficiencia fue obtenida por combinación de ventanas laterales a razón
de 15 % de superficie de suelo y cenitales 10 % (Montero, 1999). Además, recientemente
diferentes simulaciones realizadas con modelos de Dinámica Computacional de Fluídos (CFD)
para invernaderos acoplados lateralmente han demostrado que la máxima tasa de ventilación se
alcanza cuando se utilizan tanto ventanas laterales como cenitales (Kacira et al., 2004).
No obstante se advierte que en caso de trabajar con invernaderos aislados, la renovación de aire
obtenida por efecto dinámico del viento puede por sí solo determinar una eficiente ventilación
con renovaciones superiores a 40 h-1 (Figuras 1a y 1b) no justificándose el uso de ventanas
cenitales a excepción de ocurrir muy escasa velocidad de aire externo (< 1,0 m s-1) o bien por el
uso de mallas antiáfidos.
Conclusiones
-
Una mayor altura de los invernaderos significó:
a) Obtener una mayor renovación horaria (N) de los volúmenes de aire (h-1).
b) Acoplar lateralmente un mayor número de invernaderos con una disminución
menor de N.
c) Incrementar la inercia térmica del sistema.
d) Mejorar la ventilación con el uso de malla antiáfido.
e) Incrementar la velocidad ascendente del aire por efecto de flotabilidad
aumentando la eficiencia de la ventilación cenital.
-
Estos resultados avalan la tendencia actual hacia invernaderos con mayor altura.
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