INVERNADERO CALEFACCIONADO CON ENERGÍA SOLAR PARA

INVERNADERO CALEFACCIONADO CON ENERGÍA SOLAR PARA
RUSTICAR PLANTAS DE OLIVO (Olea europaea L.) 1
2
A. Iriarte y V. García
INENCO, Fac. de Ciencias Agrarias - UNCa
M. Quiroga Nº 93 - 4700 Catamarca - [email protected]
2
C. Matías, A. González y L. Tomalino
E.E.A. - INTA, Catamarca
L. Saravia
INENCO - UNSa, Salta
RESUMEN
En la fase rusticación, el sistema radicular se hace funcional y las plantitas extraídas de la casa de vegetación sufren una serie
de cambios. Para la formación de un nuevo protoplasma (crecimiento), es necesario que el material vegetal se encuentre en
un medio donde las condiciones ambientales sean favorables y puedan ser controladas. En este trabajo se describe el acondicionamiento de un invernadero mediante el manejo de la energía solar incidente y acumulada en el mismo. Se plantea captar
la radiación solar que ingresa durante el día a través del empleo de colectores de agua de bajo costo, extraer de la parte superior del invernadero el excedente de calor y almacemarlo en acumuladores de agua y aire respectivamente, para usarlos en el
momento que sea necesario para calentar los canteros que contienen los plantines (agua) y el ambiente del invernadero (aire).
Se analizan las perdidas del invernadero, el comportamiento de los colectores solares, lecho y canteros.
INTRODUCCIÓN
La etapa para rusticación de estaquillas autoradicadas tiene como objetivo conseguir que el sistema radicular comience a
cumplir su función. A partir de entonces, se precisa un sustrato, ligero no demasiado compacto y que proporcione nutrientes
(Caballero et al., 1994). Al término de esta fase se tiene que haber producido al menos un par de brotes de hojas, como señal
de que el sistema radicular recién formado ya es funcional, y satisface las exigencias hídricas y nutricionales de la planta (Barranco et al., 1997). Desde la extracción del barbado hasta el final de la etapa del endurecimiento, el material vegetal sufrirá
una serie de cambios (adaptación de raíces, brotación de yemas, etc.), indicadores de que el esqueje original ha crecido.
Para que este proceso resulte exitoso, el ambiente donde se colocarán las plantitas debe asegurar condiciones óptimas de crecimiento, principalmente en el período comprendido entre el invierno e inicios de primavera, por que todo lo que influya sobre la formación del nuevo protoplasma, afectará en forma directa al crecimiento. Como lo importante es lograr crecimiento
del material transplantado, se considera que existe una energética del crecimiento en estrecha relación con la respiración, por
lo que un aumento de la temperatura estimula ambos fenómenos. La temperatura actúa estimulando el crecimiento hasta un
cierto límite y luego actúa como inhibidor. Por otro lado, en la planta joven el aumento de masa significa un aumento de área
fotosintética y de crecimiento, puesto que su potencial aumenta al aumentar la masa (Barranco et al., 1997). En el olivo, la
máxima tasa de crecimiento se alcanza cuando se llega aproximadamente al 30 % de la intensidad luminosa correspondiente
al pleno sol (240 W m-2) y a temperaturas comprendidas entre 15 y 30 ºC, además la condición perennifolia del olivo permite
la fotosíntesis en cualquier momento del año con factores ambientales adecuados .
DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO
El invernadero está formado por dos estructuras de hierro con sus ejes orientados de Este a Oeste conformando un macrotúnel
doble de 15 m de ancho, 21 m de largo, 2 m de altura en los laterales y 3 m de altura máxima. La cubierta es de plástico
transparente de larga duración térmica (L.D.T.). En su interior, a los 2 m de altura se ha instalado un techo inclinado de igual
material (segunda cubierta) con pendiente hacia la unión de los dos macrotúneles, de manera que el agua que condensa en la
cubierta y cae sobre la misma pueda ser evacuada fácilmente por la canaleta central. Asimismo, en los dos frontales (Este y
Oeste) se ha instalado una doble pared de plástico desde el suelo hasta la segunda cubierta, Fig. 1. Por debajo de la segunda
cubierta y montada sobre alambres tensados se colocó una cortina aluminizada desplazable que deja pasar el 40 % de la radiación incidente. Su finalidad, durante las horas de sol, es disminuir el ingreso del exceso de radiación evitando el sobrecalentamiento de la cámara interna y por las noches disminuir las pérdidas por radiación infrarroja.
En el interior del invernadero se instalaron 79 colectores solares, de los cuales 39 fueron construidos de plástico transparentes
(U.V) ubicados a 0,20 m de la pared lateral Norte y 40 de plástico negro en el lateral Sur, configurando en ambos casos una
doble pared con la cobertura externa. Los colectores transparentes solo absorben la radiación infrarroja y una pequeña parte
del visible, no produciendo sombra sobre las plantas. Los negros, interceptan la radiación que se perdería a través de la cubierta externa de plástico transparente.
1
Parcialmente financiado por:
ANCyT- SECyT, INTA y U.N.Ca.
2
Investigador del CONICET
Externo a todo el sistema se instaló el acumulador de aire caliente; es un lecho de piedra compuesto por dos módulos de
6,75 m3 cada uno, con paredes laterales y techo aislados térmicamente con placas de poliestireno expandido de 0,10 m y
densidad de 15 kg m-3. La piedra tiene un diámetro comprendido entre 0,03 y 0,04 m. Para evitar la pérdida de aire, todo el
conjunto fue recubierto con dos mantas de plástico negro de 200 micrones. El aire caliente que atraviesa cada módulo (0,28
kg s-1) succionado por un ventilador, es recolectado y conducido por una manga ubicada entre las dos cubiertas en la parte
superior del invernadero e impulsado a la parte inferior del mismo.
El sistema se completa con un acumulador de 15 m3 de agua caliente, localizado en el exterior del invernadero y construido
bajo tierra (Iriarte et al., 1998). El agua acumulada y conservada en éste reservorio aislado recorre unos tubos de polietileno
negro de 0,0125 m de diámetro instalados longitudinalmente en la base de canteros, constituyendo las camas calientes, Fig. 1.
Sobre los mismos, para aumentar la humedad relativa, disminuir la temperatura y aportar agua al sustrato donde están las
plantas, se instaló un sistema de humectación, formado por emisores autocompensados, con válvulas antigoteo, que permiten
crear artificialmente y en forma periódica una nebulización o niebla en el ambiente. Al disminuir la temperatura ambiente se
reduce la evapotranspiración de las hojas.
Fig. 1. Corte y planta del invernadero rusticadero
Para monitorear el funcionamiento del sistema, se colocaron sensores tipo termistores para registrar temperatura de aire y
agua, puntas capacitivas Vaisala para la medición de la humedad y radiómetros Kipp & Zonen y Black & White para la medición de la radiación solar interior y exterior respectivamente. La medición de las variables se realizó con una computadora
PC/AT provista con tarjetas de adquisición de datos Keithley 1600 y PClab 812
RUTINA DE FUNCIONAMIENTO
El sistema de control se basó en la comparación de tres parámetros: temperatura de referencia, temperatura del ambiente interior del invernadero y la hora del día. La temperatura de referencia (Tref), es la temperatura de una placa de hierro pintada de
negro ubicada en la parte superior del invernadero de 0,04 m de alto x 0,04 m ancho y 0,005 m espesor, aislado del ambiente
interior del invernadero por un vidrio y 0,05 m de poliestireno expandido. Esta temperatura se utiliza para que la computadora determine si el sistema de colectores tiene posibilidades de absorber energía solar o debe detenerse. El dispositivo descripto precedentemente, tiene una inercia térmica que permite evitar que una disminución transitoria de la radiación solar,
como puede ser la presencia de una nube, produzca un cambio en la rutina de funcionamiento. El software de control tiene
subrutinas que contemplan si es de día o de noche, si salió el sol o está nublado. Así, de esta manera, se tiene en cuenta lo siguiente:
Durante el día, si hay radiación (Tref > 25 °C) y la hora esta comprendida entre las 9 y las 18 horas, el sistema de control ordena la puesta en marcha del banco de colectores y controla cada 10 minutos si la diferencia de temperatura entre la entrada y
salida de agua es positiva o negativa. En caso de ser negativa, automáticamente detiene la electrobomba por espacio de 30
minutos; luego de ese periodo, la pone en marcha durante 10 minutos. Si persiste la diferencia negativa la vuelve a detener,
caso contrario continua funcionando. En este periodo, si la temperatura de la parte superior del invernadero es mayor que la
temperatura del aire a la salida del lecho de piedra, el mismo recoge calor y lo almacena. Tiene igual sistema de control que
los colectores solares. Durante un día nublado (Tref < 25 °C) o de noche cuando la temperatura del invernadero es igual o
menor que 14 °C, se enciende el ventilador del lecho de piedra para iniciar la circulación de aire desde el mismo al interior
del invernadero. Los colectores solares no funcionan en estas situaciones. Asimismo, cuando la temperatura dentro del invernadero supera los 16 °C, se apaga el ventilador. También dispone de una rutina especial para detener el ventilador cuando la
temperatura de salida del lecho es menor que 12 °C. Por otro lado, en cualquier horario, si la temperatura de los canteros es
menor que 18,5 °C funciona una electrobomba que produce la circulación de agua caliente a través de los mismos. Si la temperatura de la cama supera 24 °C, la bomba deja de funcionar.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
En el primer invierno de funcionamiento del sistema completo se han realizado los ajustes de coordinación de cada uno de los
módulos que lo componen. A continuación se analizan y discuten los resultados obtenidos, mostrándose en las gráficas los
parámetros más significativos con el propósito de visualizar el funcionamiento del invernadero “rusticadero” y la estrategia
de control.
En la Fig. N° 2 se pueden observar la diferencia de temperaturas entre el aire del ambiente interior (Ta,i) y exterior (Ta,ex)
del invernadero para diferentes coberturas interiores. La primera situación ha considerar se presenta con el invernadero sin
coberturas interiores (doble cubierta y malla media sombra) y con los colectores solares en sus laterales constituyendo una
doble pared con cámara de aire. A las 30,38 horas (6:23 a.m.) del inicio del periodo de análisis (Fig. 2a), se observa que
cuando ocurre la mínima temperatura exterior (8,7 °C) la temperatura del ambiente interior fue de 11,4 °C. En la noche siguiente, con la doble cubierta de plástico, se obtuvo una diferencia de temperatura de 4 °C a las 56,07 horas (8:40 a.m.), siendo la temperatura mínima exterior de 10,8 °C. Los días posteriores (3ero y 4to) se cubrieron con la malla de media sombra
aluminizada, a partir de las 66 horas y 90 horas, que corresponden a las 6 p.m. de cada día. En estas situaciones se obtuvieron
diferencias del orden de 6,6 °C y 5,5 °C, siendo las temperaturas mínimas exteriores de 2 °C y 1,8 °C respectivamente. Esto
indica que la incorporación de la doble cubierta disminuye la pérdida de calor del invernadero, aumentando la diferencia de
temperatura con el exterior en un 48 %, mientras que la incorporación de la malla aluminizada aumenta la diferencia entre un
37,5 % y 65 % según el día, obteniéndose una diferencia respecto al invernadero sin coberturas internas de 103 % al 144 %.
En la Fig. 2b se observa la evolución de la diferencia de temperatura para el invernadero calentado con el aire proveniente del
lecho de piedra, con la doble cobertura instalada y la malla extendida a partir de las 6 p.m. todos los días. Esta diferencia de
temperatura fue de 6,1 °C, 10,2 °C, 13,7 °C y 10 °C con temperaturas externas mínimas de 7,3 °C, 3,1 °C, 0,9 °C y 4,3°C para los días graficados.
50
50
Ta,ex
Ta,i
Ta,ex
40
Temperatura [°C]
40
Temperatura [°C]
Ta,i
30
20
30
20
10
10
0
0
0
24
48
72
Tiempo [hs]
96
120
0
24
48
72
Tiempo [hs]
96
120
(a)
(b)
Fig. 2. Evolución de la temperatura interior del invernadero bajo diferentes condiciones de cobertura interior
La incorporación de la segunda cubierta permite lograr valores de humedad relativa en el ambiente interior del invernadero,
comprendidos entre el 50 y 80 % para horarios diurnos, y entre el 80 y 95 % para los nocturnos. Asimismo, los valores de
iluminación, con la cortina desplegada cubriendo todo el invernadero, son aceptables y estuvieron comprendidos entre 3.500
y 4.000 lux a las 9:00 a.m. y entre 7.500 y 8.000 a las 1:00 p.m., para días claros.
Los colectores solares de plástico, ubicados en los laterales del invernadero, funcionaron solo cuando la radiación fue suficiente para que la temperatura del agua a la entrada (Th,e) sea menor que a la salida (Th,s). En la Fig. 3, se pueden observar
los momentos en que los mismos estuvieron funcionando, las temperatura del agua a la entrada y salida de los colectores solares transparentes (Th,sT) y negros (Th, sN), en contraste con las temperaturas promedio del acumulador (Th, ac) y la base
de una maceta dentro de un cantero (Tc, bm). En el primer día de análisis los colectores funcionaron en pequeños intervalos
de tiempo según la rutina, evidenciando que no alcanzaron la diferencia de temperatura adecuada. En el segundo día se advierte esa diferencia de temperatura, siendo los niveles de radiación incidente sobre superficie horizontal de 800 W m-2 y
dentro del invernadero sobre superficie vertical de 300 W m-2, para el medio día solar. La diferencia máxima de temperatura
de agua fue de 5 °C para los transparentes y 4,3 °C para los negros, con una eficiencia global respecto a la radiación incidente
sobre superficie horizontal de un 23 y 18 % respectivamente. La contribución solar al sistema de acumulación fue de 152,9
Mj para los transparentes y 122,5 Mj para los negros. Para los días siguientes la situación se repite obteniéndose valores aún
mayores. En la misma figura se ve como disminuye la temperatura del acumulador a partir de las 18 horas, como consecuencia de la energía absorbida por los canteros y macetas cuya temperatura es del orden de 23 °C. La temperatura de la cama durante la noche disminuye hasta los 18,5 °C y a partir de las 10 horas el aporte de calor de la radiación solar sobre el invernadero produce su recuperación. Es claro que parte del calor entregado por el agua que circula en el cantero está siendo transferido al invernadero durante la tarde, la noche y la madrugada. Sin embargo se puede advertir que el valor medio de la temperatura del acumulador va subiendo con el tiempo, en el primer día su temperatura final fue 20,4 °C y para los días sucesivos
21,8 °C, 22,3 °C, 23,4 °C. El máximo valor obtenido el último día fue 30,5 °C.
En la Fig. 4 se detalla la evolución de las temperaturas de entrada (Ta,eLp) y salida de aire (Ta,sLp) del lecho de piedra en
comparación con la temperatura del aire interior y exterior del invernadero. En el primer día (nublado) durante la mañana entre las 10 y 18 horas el aporte de calor al lecho fue muy escaso y funcionó solo en pequeños intervalos de tiempo. A las 23
horas del inicio, cuando la temperatura interior llegó a 14 °C, el ventilador del lecho comienza a incorporar al invernadero el
calor acumulado en los días anteriores, hasta las 10:00 a.m. del día siguiente. La temperatura promedio del aire a la entrada
del lecho fue de 22,5 °C y la temperatura interior de 12,5 °C. A esa hora, como la Tref es mayor que 25 °C comienza a funcionar el ventilador del lecho, impulsando el aire de salida hacia el ambiente exterior para no sobrecalentar el invernadero. Su
carga continua hasta la hora 42 de iniciado el proceso. Durante la noche (2do. día) a las 49 horas (1:46 a.m.) se inicia nuevamente el calentamiento del invernadero hasta las 58 horas. Este proceso continua aportando diariamente lo disponible. Para la
madrugada más fría (72 hs) se observa que el lecho arrancó con temperaturas del orden de 21 °C, manteniendo la temperatura
del aire en el interior del invernadero por arriba de los 12 °C durante 8 hs. La temperatura mínima interna fue de 10,6 °C a las
82 hs (9:45 p.m.).
35
50
30
40
Temperatura [°C]
Temperatura [°C]
Ta,sLp
25
20
Ta,eLp
Ta,i
Ta,ex
30
20
10
Th,e
Th,sT
Th,sN
Tc,bm
Th, ac
15
0
8
32
56
80
Tiempo [hs]
104
128
Fig. 3. Comportamiento de los colectores solares, acumulador de agua y canteros con cama caliente
0
24
48
72
Tiempo [hs]
96
120
Fig. 4. Evolución de las temperaturas del lecho de piedra,
interior y exterior al invernadero.
Del análisis de los datos obtenidos, el lecho acumuló 131, 145, 161 y 156 Mj y entregó 241, 180, 215 y 144 Mj del primer al
cuarto día, cargando en promedio 6.126 W durante 8 horas y descargando 5.816 W durante 11 horas. La energía total acumulada durante los cuatros primeros días fue de 594 Mj y la entregada fue de 782 Mj. Se observó que la temperatura promedio de entrada al lecho fue muy baja (8 °C). Esto se debe a la necesidad de disponer un circuito de recirculación no muy
complicado y evitar la inversión del flujo durante la noche como en los lechos convencionales.
En la Foto 1, se muestra una vista del lecho, sus conductos, casilla de medición y la parte frontal Este del invernadero. En la
Foto 2 se puede observar los canteros, la doble cubierta, los colectores negros, las mangas de ingreso de aire caliente, la malla
aluminizada y los sistemas de nebulización. También se observa un importante crecimiento de las plantas con un gran desarrollo de la masa foliar. No se observó deterioro ni marchitación de las hojas por falta de humedad.
Foto 1.Vista del lecho de piedra
Foto 2. Vista del interior del invernadero rusticadero
CONCLUSION
El rusticadero se comportó dentro de los niveles térmicos previamente calculados, destacándose la importante disminución de
pérdidas convectivas y radiativas, especialmente radiación infrarroja nocturna. Por otro lado, tanto el lecho de piedra como
los colectores aportaron una cantidad apreciable de energía de origen solar. Sin embargo, se advierte que la misma no es suficiente para el funcionamiento de varios días con niveles de baja radiación, en especial en lo que respecta a los canteros.
Desde el punto de vista agrícola los resultados obtenidos fueron muy satisfactorios, aumentando los niveles de sobrevivencia
y calidad del material transplantado. Destacándose que durante algunas horas diurnas y durante la noche mientras incorpora
aire caliente del lecho de piedra se produce una disminución de la humedad relativa ambiente.
BIBLIOGRAFIA
Barranco, D., Fernandez Escobar, R. y Rallo, L. (1997): El Cultivo del Olivo. Ed. Mundi-Prensa, Madrid. 2º Edición. pp. 651.
Caballero, J. M. y Del Rio, C. (1994): Propagación del olivo por enraizamiento de estaquillas semileñosas bajo nebulización. Comunicación I+D Agroalimentaria, 7/94. Consejería de Agricultura y Pesca, Junta de Andalucía. pp. 23.
Iriarte, A., García, V., Saravia, L., Matias, C., González, A. y Tomalino, L. (1998). "Invernadero rusticadero" para plantines
de olivo: Diseño y construcción. Avances en Energía Renovables y Medio Ambiente. Vol 2 N° 1, pp. 01/41 - 44.