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La ventilación del invernadero y la optimización del clima

Basados en las nuevas oportunidades de utilizar computación numérica de los movimientos de aire y el clima dentro de los invernaderos a través de los llamados softwares de dinámica de fluidos computacionales (DFC), se llevó a cabo un estudio para mejorar el diseño y ventilación de los equipos de invernaderos.

Se han explorado tres dominios principales:

  • las consecuencias de desarrollar mosquiteros en clima interior,
  • la optimización de la ventilación con las instalaciones de ventilación existentes, y
  • la mejora de la ventilación y el clima de invernaderos a través del simple diseño de modificaciones como el aumento de la altura del invernadero o la modificación de la forma del arco.

Se mostró que las aberturas de salidas de aire con protección con mallas anti Bemisia dividen por un factor 2 la tasa de intercambio de aire y la velocidad de aire dentro del invernadero y como consecuencia induce a una duplicación de ambos, la humedad del aire y la temperatura aumenta con respecto al exterior. También se demostró que elementos estructuralmente diseñados como la altura del invernadero y la forma del arco tienen una fuerte influencia en el desarrollo de la ventilación y el clima del invernadero.

La orientación más eficiente de las salidas de aire también fue estudiada y se demostró que orientar las salidas de aire paralelas a la dirección del viento era la estrategia más eficiente, pero esto genera una fuerte heterogeneidad climática. En caso de que la dirección del viento sea perpendicular a las canales, la orientación en sentido del viento también es más eficiente que la orientación en sentido sotavento.

Objetivo

Gracias al uso de los modelos de Dinámica de Fluidos Computacionales (DFC), se han observado recientemente importantes progresos para el modelado del clima distribuido de invernadero, especialmente el clima a nivel de cultivo. Esto se consiguió principalmente al incluir los efectos de la dinámica en la acción del cultivo en los flujos y los consecuentes cambios de calor y masa (Boulard and Wang, 2002).

Se probó la mayoría de los tipos de invernadero existentes:

  • túneles plásticos (Roy and Boulard, 2004);
  • casas plásticas multitramo (Mistriotis et al., 1997a; Mistriotis et al., 1997b);
  • casas plásticas a gran escala de tipo canario (Fatnassi et al., 2003; Campen and Bot, 2003; Molina et al., 2004);
  • casas de cristal tipo Venlo (Reichrath and Davis, 2002), o salidas de aire equipadas con techo continuo (Haxaire, 1999; Ould Kahoua et al., 2004; Lee and Short, 2000).

El progreso en el campo de la caracterización de la convección y el clima distribuido dentro de un invernadero a escala real también fueron esenciales como lo ilustran los estudios de Haxaire (1999) y Shilo et al. (2004) quienes han trazado el plan de patrones de convección y clima en casas plásticas comerciales multitramo o túneles de invernadero (Boulard et al., 2000) usando un anemómetro sónico.

Combinar estudios de modelado numérico y caracterización climática ha permitido la validación de estos modelos de invernaderos de cultivo numéricos tanto para casas plásticas multitramo (Haxaire, 1999), casas plásticas a gran escala de tipo canario (Fatnassi et al., 2003) o invernaderos de un solo tramo (Bartzanas et al., 2004). Asimismo, estudios recientes de Boulard et al. (2004) y Ould Kahoua et al. (2006) demuestran que era posible validar toda la acción de ventilación de un invernadero comparando las tasas de descomposición de gas indicador real y virtual dentro del invernadero.

El relativamente buen funcionamiento que fue observado en general entre los valores medidos y simulados de los campos de convección y climáticos o el funcionamiento de la ventilación ha dado seguridad en el uso de dicha numeración para posteriores estudios de sensitividad. La reciente aparición en el sur de Europa de plagas de insectos como la mosca blanca Bemisia tabaci, una de las más importantes especies de plaga del mundo que transmiten virus, ha hecho necesaria la protección física de cultivos de invernaderos usando mallas a prueba de insectos. Sin embargo, las caídas de presión indujeron en los movimientos de aire a reducir las tasas de intercambio de aire en invernaderos y la temperatura del aire y la humedad interna aumentaron dramáticamente.

Basados en las capacidades de DFC, se llevó a cabo un estudio con el fabricante de invernaderos Filclair SA, para explotar las capacidades de DFC para intentar mejorar el funcionamiento de la ventilación de los invernaderos simulando las consecuencias de uso de las mallas a prueba de insectos en las salidas de aire, junto con las variaciones de los elementos estructurales del invernadero: posición, superficie y orientación de las salidas de aire, forma de los arcos o altura de los invernaderos.

Materiales y métodos

El modelo numérico

En relación a las simulaciones numéricas, algunos autores han utilizado códigos DFC comerciales o autodesarrollados para llevar a cabo simulaciones para varias configuraciones de invernaderos. De estos estudios, resumidos en un documento por Boulard et al. (2002), se puede deducir que el uso de un modelo 3D y la consideración de la vegetación interior son dos puntos esenciales para la consistencia de los resultados numéricos.

En este estudio presentamos los resultados de un modelo que combina diferentes escalas de modelos 3D (el invernadero y su entorno directo; el dominio interno del invernadero) y que toma en cuenta un cultivo activo modelando el cultivo como un medio poroso y determinando los intercambios de calor y vapor de agua a nivel del cultivo (Boulard and Wang, 2002, Roy y Boulard, 2004). Este modelo ha sido adaptado del software CFD2000 (Haxaire, 1999; Fatnassi et al., 2003) para determinar los patrones de flujo de aire, temperatura y humedad en un invernadero, luego analizar la influencia de ambas condiciones vinculantes (velocidad y dirección del viento) y del diseño del invernadero y las salidas de aire en su desempeño climático.

Los invernaderos y sus condiciones vinculantes

  •  El invernadero. Este estudio está basado principalmente en el modelado de un invernadero plástico tipo arco de 8 capillas (Fig. 1): 8(9.6 m de ancho, 80 m de largo y 5.93 m de alto hasta el tope del techo (4 m de alto a la altura de la canal). La ventilación se realiza por medio de unas salidas de aire continuas de 1.5 m de alto ubicadas a la altura de la canal. (Fig. 1). Sin embargo, diversas variaciones respecto a este tipo base también se examinarán en este estudio: variación de la forma de los arcos, altura del invernadero, presencia o ausencia de mallas a prueba de insectos.
    La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f1

Este invernadero está cultivado por un cultivo virtual de rosas de 2m de alto con un índice de área de hojas de 3 m2 de hojas/ m2 de tierra. Tanto el efecto dinámico de la cobertura del cultivo en el flujo de aire como los intercambios latentes y sensibles de calor con el aire ambiente también fueron considerados y modelados en interacciones con el flujo de aire.

  • Las condiciones vinculantes. Las características de las condiciones climáticas de un día de verano promedio en condiciones mediterráneas han sido seleccionadas (NB, la escala de temperatura es dada en Kelvin, 273K=0°C):
  1. Temperatura externa: 300 K (27°C).
  2. Humedad externa: 50 % RH.
  3. Radiación global externa: 690 W/m2.
  4. Perfil logarítmico de la velocidad del viento con una velocidad de 2.5 m/s a 5 m de altura.

Las diferentes simulaciones

Las consecuencias de las diversas variaciones del invernadero y el diseño y orientación de las salidas de aire han sido investigadas y sólo nos enfocaremos en los efectos de seis modificaciones principales:

  • ƒ Los efectos de una malla anti Bemisia a prueba de insectos en las salidas de aire para ventilación sentido sotavento;
  • ƒ Los efectos de la orientación de las salidas de aire, en sentido del viento, sentido sotavento, paralela a la dirección del viento;
  • ƒ Los efectos de la supresión de una línea de salidas de aire en dos (conservación de una línea de salidas de aire por 2 tramos);
  • ƒ Los efectos de la altura del invernadero (5m, 4m y 3m a nivel de canal.

Resultados

Rendimiento de la simulación numérica

Para una orientación sotavento de las salidas de aire (posicionadas a la altura de la canal) se muestran ejemplos de diferentes campos de dinámica, temperatura y humedad a través de un corte transversal vertical de la casa plástica en Fig. 1, Gráfica 1 y Figura 2.La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-g1La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f2

La circulación de aire general se resalta en Fig. 1, con entradas de aire frío a través de las tres primeras salidas de aire (flechas azul claro: 301K), ambas entradas de aire (flechas azul claro: 301K) y salidas (flechas verdes: 303K) en las dos siguientes, y sólo sale aire (flechas verdes, 303K; y amarillas, 306K) en las tres últimas salidas de aire, y particularmente en la última donde sale aire con la mayor tasa de flujo y la temperatura más alta. También se puede resaltar la circulación de aire ondulante dentro del invernadero, bajo la influencia de las entradas y salidas de aire a través de las salidas de aire y la forma del arco del techo.

Como consecuencia de esta circulación, el aire general actual es periódicamente impedido por la cobertura del cultivo. Los valores numéricos de estos campos climáticos pueden ser deducidos (Fig. 3) a través de un corte transversal vertical a la altura del cultivo (0.5m) y utilizado para el análisis o comparaciones con otras configuraciones. En vistas a una simplificación del análisis, utilizaremos esta representación para luego comparar las consecuencias climáticas de diferentes diseños. Desde el punto de vista de los intercambios de humedad de aire, la Fig. 2 muestra claramente que, en presencia de una cobertura de cultivo en el invernadero, los campos de temperatura periódica y humedad son bastante comparables pero con un claro aumento de la humedad del aire desde la parte del invernadero en sentido del viento hacia la parte en sentido sotavento.La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f3

El corte transversal horizontal de la humedad del aire a 0.5 m de altura en la cobertura del cultivo (Fig. 3) confirma esta progresiva humidificación del aire desde la parte del invernadero en sentido del viento hacia la parte en sentido sotavento, junto con una reducción del carácter periódico de la distribución del campo de humedad (el fenómeno es similar al del campo de temperatura) en los laterales del invernadero.

Para un mejor entendimiento de los patrones de la circulación del aire y la temperatura, también nos podemos acercar a partes críticas del invernadero como es el caso del corte transversal vertical de los campos térmicos y dinámicos en los tramos 1, 4 y 8 del invernadero (Figuras 4a, b, c). Se puede ver que el aire exterior predominantemente entra en el invernadero contra la corriente (respecto a la dirección del viento) a través de la primera salida de aire, luego gira y penetra profundamente en la cobertura del cultivo en el primer tramo (Fig. 4a).La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f4La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f5

Alimentación por el aire entrante a través de las salidas de aire y la forma de los arcos del techo, aumenta a una circulación periódica del aire desde la parte del invernadero en sentido del viento hacia la parte en sentido sotavento (Fig. 5b). También podemos resaltar que sale aire caliente a través de la parte alta de la salida de aire y aire frío que penetra a través de la parte baja.

La Fig. 4b también demuestra claramente que el aire caliente (flechas amarillas) va fuera del invernadero predominantemente a través de la última salida de aire en sentido sotavento y que en las dos salidas de aire anteriores también sale aire pero en una tasa menor a la última.

Efecto de una malla anti Bemisia

Hemos probado el efecto de las mallas anti Bemisia a prueba de insectos (Figura 5) en los patrones de flujo de aire y clima por las mismas condiciones vinculantes que las anteriores.

Comparando los patrones de velocidad y temperatura del aire en los invernaderos equipados con (Figura 5) o sin mallas (Fig. 1), se puede remarcar un descenso dramático de la velocidad del aire, la cual es dividida entre 2 y 4 en el invernadero con malla. En consecuencia, la temperatura del aire aumenta en el invernadero con las mallas de más de 2K (Figura 5 y Gráfica 2a) y humedad de aire de más de 7% RH (Gráfica 2b).La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-g2

Efecto de la altura del invernadero

El aumento general de la altura y volumen del invernadero en el mundo y, particularmente en regiones calurosas durante los últimos veinte años nos hace suponer que este parámetro tiene una fuerte acción en la fijación del clima interior. Para investigar más a fondo este punto, hemos simulado el clima interno en dos invernaderos multitramo similares (el tipo base presentado anteriormente), los cuales difieren sólo en su altura, por ejemplo respectivamente 3m, 4m, 5m a nivel de la cuneta, en condiciones climáticas similares. La Gráfica 3a recapitula los perfiles de temperatura interna de aire correspondientes (a 0.5 m de altura) a lo largo de loa 8 tramos de los invernaderos.La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-g3

Se puede remarcar un claro descenso de la temperatura interna de aire mientras se aumenta la altura del invernadero. En temperatura de aire interno promedio (Gráfica 3b) descensos de alrededor de 2K cuando se pasa de 3 a 4m de altura. El efecto del aumento de la altura del invernadero en el descenso de la temperatura del aire interno es claramente asintótico. Como el coste de elevar la altura del invernadero es importante, podemos concluir que si consideramos una optimización económica, no siempre es necesario intentar elevar demasiado el invernadero.

Efectos de bajar la altura del arco

Hemos visto en el parágrafo 3.1 que la forma del arco explica ampliamente el perfil ondulatorio de la circulación de aire dentro del invernadero (Fig. 1), lo cual influye directamente en los patrones de temperatura y humedad del aire (Figs. 1 y 3). En esta sección hemos intentado investigas las consecuencias de la modificación de la forma del arco y hemos simulado los patrones climáticos internos cuando se baja la altura del arco desde 1.93 m para el tipo base a 1.30 m. Los patrones de temperatura y circulación de aire interno con el arco de 1.30 m de alto se presentan en la Fig. 6, y pueden ser comparados con aquellos obtenidos con el estándar (Fig. 1). Se puede afirmar una clara modificación de la circulación de aire interno (comparación de Gráfica 4 y Gráfica 1) al bajar la altura del arco y se puede resaltar una circulación de aire más recta, favoreciendo el intercambio de aire e induciendo a un significante descenso de la temperatura de aire interno (-1.5K).La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f6La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-g4

Efectos de la reducción del número de salidas de aire

Un análisis anterior de los intercambios de aire a través de las salidas de aire del techo ha demostrado que las salidas de aire no tienen la misma eficiencia y que algunas, particularmente la primera y la última, eran más eficientes. Considerando también que el coste de las salidas de aire representa una gran parte del coste del invernadero (= 1/4), nos hemos dedicado a examinar si suprimir una línea de salidas de aire del techo en dos podría afectar seriamente el clima interior. Los resultados de esta simulación se dan en la Figura 7 para el corte vertical de los campos de dinámica y temperatura del invernadero y en la Gráfica 5 para los perfiles de temperatura de aire a 0.5m de altura.La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f7La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-g5

Al comparar estos datos con aquellos de un invernadero de una salida de aire por tramo (Fig. 1 y Gráfica 1), se puede afirmar una clara disminución de la velocidad de aire interno (dividida aproximadamente por 2) y una circulación de aire más recta junto con un importante aumento en la diferencia entre la temperatura de aire interno y externo (dividida aproximadamente por 2). Así, la disminución del número de salidas de aire afecta fuertemente el clima interior. La optimización de la eficiencia de las salidas de aire se debe buscar en un dimensionamiento más inteligente de las salidas de aire más «eficientes», por ejemplo, la primera ubicada en la dirección del viento y la última colocada sotavento.

Una mejor orientación respecto al viento dominante también es crucial y esta cuestión será tratada en la siguiente sección.

Efectos de la orientación de las salidas de aire y la dirección del viento

La orientación de las salidas de aire respecto a la orientación del viento puede afectar fuertemente la eficiencia de la ventilación; esto se ha demostrado por estudios recientes de Boulard et al. (2005) para una casa plástica y Bournet et al. (2005) y Ould Kahoua et al., (2006) para una casa de cristal. En los tres casos, la eficiencia de las salidas de aire en dirección del viento fue comparada con la eficiencia de las salidas de aire en dirección sotavento y se concluyó que aquellas en dirección del viento eran más eficientes. Además de esta comparación, también hemos examinado el caso de un viento paralelo a las aberturas de las salidas de aire (Fig. 8). Los perfiles verticales de dinámica y térmicos obtenidos son bastante diferentes de aquellos observados para un viento perpendicular a las aberturas de las salidas de aire (Fig. 1). Para un viento en dirección paralela a las salidas de aire, el aire entra en el invernadero a través de toda la parte sotavento de la abertura continua y sólo sale a través de un área limitada ubicada al final de la salida de aire en dirección del viento.La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-f8

Así, la parte sotavento del invernadero se mantiene más fresca que la parte en dirección del viento, y se puede notar la expansión de una «burbuja» de aire caliente y húmedo al final de la parte en dirección del viento del invernadero. Dichos patrones térmicos y dinámicos fueron observados experimentalmente en un invernadero orientado similarmente por Haxaire (1999), quien también ha validado los resultados de las simulaciones DFC para dicha orientación.

Comparando ahora los tres casos (viento paralelo a las salidas de aire y orientaciones en dirección del viento y sotavento) el perfil de temperatura transversales a 0.5 m de altura en el medio del invernadero (Gráfica 6), indica claramente que las temperaturas de aire más bajas se obtuvieron para el viento paralelo a las cunetas. Si el viento es perpendicular a las salidas de aire, la orientación en dirección al viento también genera una elevación moderada de la temperatura de aire interno; y la orientación sotavento, la más alta elevación.La-ventilación-del-invernadero-y-la-optimización-del-clima-g6

Se puede notar que, paradójicamente, la orientación sotavento también se practica en la mayor parte de las configuraciones observadas. Como genera también la elevación de temperatura interna más alta, los fabricantes deben considerar otras cuestiones como la tensión mecánica ejercida sobre las solapas y la heterogeneidad del clima interno.

Conclusiones

Combinar interacciones de aire y cultivo a través de software DFC otorga un gran realismo a las simulaciones numéricas de ventilación y clima de los invernaderos. Durante los últimos años, se ha puesto énfasis en la validación comparando campos de clima de invernadero computados y medidos (velocidad, temperatura y humedad del aire) así como tasas de intercambio de aire global simuladas y medidas. Se han notado algunas discrepancias a través de los valores simulados y medidos, pero globalmente, los principales fenómenos observados experimentalmente también fueron confirmados por simulación.

Ahora hay nuevas oportunidades de utilizar estas nuevas herramientas para mejorar el diseño y los equipos de los invernaderos más rápidamente que con los métodos tradicionales implicando prototipos a escala real. Se han explorado tres dominios principales:

  • cómo utilizar mosquiteros de invernadero manteniendo un clima interno aceptable,
  • cómo optimizar la ventilación con instalaciones de ventilación existentes, y
  • cómo mejorar la ventilación y el cuma de los invernaderos a través de simples modificaciones de diseño como el aumento de la altura del invernadero o la modificación de la forma del arco.

De este estudio se puede concluir que las salidas de aire protegidas con mallas anti Bemisia dividen por un factor de entre 2 y 4 la tasa de intercambio de aire y la velocidad del aire dentro del invernadero e induce a la duplicación de la humedad y la temperatura del aire que aumenta con respecto al exterior. En el caso de mallas anti Thrip, otros estudios (Boulard et al., 2004) muestran que este factor puede llegar a un factor de 3.

Elementos de diseño estructural como la altura del invernadero y la forma del arco influyen también fuertemente en el desarrollo de la ventilación y el clima. Especialmente, se demostró que las consecuencias de un aumento en la altura del invernadero en el clima interno son asintóticas y que la forma del arco tiene un fuerte efecto en la circulación de aire interno y en el desarrollo de la ventilación y el clima. También es importante optimizar los equipos existentes de salidas de aire y se sugirió que una orientación de las salidas de aire paralela a la dirección del viento era la más eficiente pero esto genera una fuerte heterogeneidad climática marcada por el desarrollo de una burbuja de aire caliente y húmedo al final de la parte del invernadero en dirección del viento. En caso de una dirección del viento perpendicular a las cunetas la orientación en dirección del viento es la más eficiente, pero se deben considerar otros aspectos como la tensión mecánica ejercida sobre las solapas y la homogeneidad del clima interno.  HC

Dr. Rodrigo Vigoroux, Representante de Filclair