Desarrollo de un modelo de simulación del microclima dentro de invernaderos mediante balance de energía

F.D. Molina-Aiz, D.L. Valera, A. López y P. Marín (Centro de Investigación en Biotecnología Agroalimentaria (BITAL), Universidad de Almería)

01/10/2013

En el actual contexto económico es necesario optimizar la eficiencia de todos los procesos productivos. En el caso de la agricultura en general, y de la horticultura en invernaderos en particular, ello supone reducir la relación entre el coste de los medios de producción necesarios para el desarrollo de los cultivos con respecto al valor finalmente obtenido con la venta de su cosecha. Del mismo modo, la necesidad de luchar contra el cambio climático, y de disminuir el impacto ambiental que producen las diferentes actividades productivas, nos conduce inexorablemente a reducir al máximo el uso de energía y de agua en todas las actividades agrícolas. Los invernaderos constituyen un sistema productivo en el que se pueden utilizar equipos de control climático, como sistemas de calefacción o de refrigeración evaporativa, que conllevan un importante consumo energético, en el primer caso, y de energía y de agua en el segundo. Sin embargo, la mayoría de los invernaderos existentes en España se basan en el uso exclusivo de la ventilación natural y de la técnica del blanqueo de la cubierta como sistemas de control climático.

La ventilación natural permite controlar los valores de temperatura, humedad y concentración de anhidrido carbónico en el interior del invernadero. Sin embargo, su capacidad de operación se ve limitada por las condiciones exteriores, puesto que la ventilación se basa en la renovación del aire interior por aire exterior normalmente más fresco, menos húmedo y con una concentración constante de CO2. Del mismo modo el blanqueo de la cubierta del invernadero supone una reducción de la radiación solar que se transmite dentro del invernadero, que de un lado permite a los cultivos realizar su actividad fotosintética, y de otro aporta la energía que calienta las plantas, el suelo y el aire.

La gran ventaja de estas dos técnicas tradicionalmente utilizadas en los invernaderos de la costa mediterránea española es que no conllevan un coste significativo económico, energético y de agua en su funcionamiento diario. La apertura y cierre de las ventanas de un invernadero mediante moto-reductores eléctricos supone solo 0,02 MJ de energía por kg de tomate producido (para una producción media de 19,0 kg/m2), lo que constituye un potencial de calentamiento global de 0,003 kg CO2eq/kg. Esto representa apenas el 0,5% de la energía necesaria (4 MJ/kg y 0,25 kg CO2eq/kg) en un invernadero de tipo multitúnel de cubierta plástica en Almería (Torrellas y col., 2013). A modo de comparación citar que la producción de 1 kg de tomate en un invernadero de cristal con sistema de cogeneración e iluminación artificial en Holanda supone unas necesidades de energía global (Global Energy Requirement) de 11,9 MJ/kg (1,18 kg CO2eq/kg) para obtener una producción de 76,5 kg/m2 (van Zundert, 2012). Del mismo modo, en invernaderos multitúnel con calefacción en Francia se necesitan 31,6 MJ/kg (2,02 kg CO2eq/kg) para obtener una producción de 44,0 kg/m2 (Boulard y col., 2011).

Durante las últimas décadas la investigación sobre simulación de invernaderos basada en balances de masa y energía ha conducido al desarrollo de modelos dinámicos que enfocan los diferentes aspectos físicos del clima del invernadero. Estos modelos son herramientas útiles para evaluar los procesos de transferencia de energía en los invernaderos, aunque presentan el inconveniente de que la mayoría de ellos han sido desarrollados y validados en países del norte de Europa (Boulard et al., 1996; Körner, 2003) o de regiones subtropicales (Luo y col., 2005).

Con el objetivo de disponer de una herramienta que permita evaluar el efecto de los diferentes sistemas de control climático en las variables microclimáticas que condicionan el desarrollo del cultivo (temperatura, humedad y concentración de CO2) se ha desarrollado un balance de energía dinámico que permite calcular los diferentes flujos de energía que se producen en un invernadero. Igualmente se están desarrollando balances de humedad y de CO2 que se acoplarán al de energía.

Dispositivo experimental

El modelo desarrollado se ha validado en un invernadero de tipo multitunel situado en el Campo de Prácticas 'Catedrático Eduardo J. Fernández Rodríguez' del Centro de Innovación y Tecnología (CIT) Fundación Universidad de Almería-Anecoop. El invernadero de 2.445 m (1.080 m2) está constituido por tres módulos de 8 m de anchura con ventanas cenitales en todos ellos y con ventanas laterales en los costados Norte y Sur (Fig. 1).

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Figura 1: Invernadero multitúnel utilizado en la validación del modelo de simulación de la temperatura interior y estación meteorológica anexa.

La medida de los parámetros climáticos en el exterior se ha realizado mediante una estación meteorológica fija colocada a 10 m de altura y 15 m de distancia del lateral norte del invernadero (Fig. 1). El registro de datos de los sensores instalados en la estación se ha realizado mediante un controlador de clima Multima (Hortimax S.L., El Ejido). Esta estación meteorológica incluye una caja de medida Butron II (Hortimax S.L.) equipada con un sensor de temperatura Pt1000 IEC 751 clase B (Vaisala Oyj, Helsinki, Finlandia) con una precisión de ±0.6 °C. Además, dispone de un sensor de humedad capacitivo Humicap 180R (Vaisala Oyj) con una precisión de ±3%. La velocidad y dirección del viento se midió con un equipo Meteostation II (Hortimax S.L.) que incorpora un anemómetro de cazoletas con una precisión de ±5%. La radiación solar se midió con un equipo Kipp Solari (Hortimax S.L.), con una precisión de ±20 W/m2.

El interior del invernadero estaba equipado con una caja de medición aspirada Ektron III (Hortimax S.L.) que dispone de una sonda EE07-04-PFT6HC01L01 (E+E Elektronik Ges.m.b.H., Engerwitzdorf, Austria) con un sensor de temperatura Pt-1000 clase A con una precisión de ±0,1 °C y un sensor capacitivo de humedad SMD HC105 con una precisión de ±2%. También tiene instalada una sonda de concentración de CO2 EE871 (E+E Elektronik Ges.m.b.H.) con una precisión de ±50 ppm+2%.

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Figura 2: Caja para la medida de la temperatura, humedad y concentración de CO2 del aire dentro del invernadero experimental: vistas exterior (arriba) e interior, con las sondas de temperatura-humedad y de medida de CO2 (abajo).

Desarrollo del modelo de simulación de la temperatura

La ecuación del balance de energía utilizada para calcular la temperatura media dentro del invernadero Ti en cada instante j cada 5 minutos ha sido:

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Siendo Vinv el volumen de aire dentro del invernadero,  pa la densidad del aire a la temperatura interior y cpa el calor específico del aire a presión constante. Los diferentes términos que intervienen en el balance energético del invernadero (Fig. 3) son la radiación neta Rn, el calor aportado por los sistemas de calefacción Qcal, las perdidas por convección y conducción a través de la cubierta del invernadero Qcc, el calor intercambiado por renovación de aire mediante ventilación e infiltración Qven, la transferencia de calor latente debido a la evapotranspiración del cultivo Qevp, el calor perdido por conducción en el suelo Qsue y el calor sensible cedido por el aire por la evaporación del agua aportada por los sistemas de refrigeración (nebulización o paneles evaporativos). Las expresiones de estos términos del balance de energía son similares a las del balance de energía estacionario (Valera y col., 2008) utilizado como herramienta de diseño de sistemas de control climático. Mediante la ecuación anterior del balance de energía y la temperatura interior estimada Ti, j para cada instante tj se calcula un aporte de calor en el aire del invernadero ΔQj como la diferencia entre la energía ganada y perdida por la masa de aire del invernadero:

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El calentamiento o enfriamiento del aire en el instante tj se calcula entonces en función del balance de energía en ese instante como ΔTj=ΔQj•Δt/(Vinv•Pa•Cpa). A partir de este valor se determina la temperatura Ti,j+1 en el instante siguiente tj+1=tj+Δt (siendo Δt=5 minutos).

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Figura 3: Balance energético en un invernadero.

Validación del modelo con y sin cultivo

La capacidad del modelo se ha evaluado cuantitativamente utilizando el error medio cuadrático relativo (Relative Root Mean Square Error, RRMSE) que permite cuantificar la desviación de los valores calculados por el modelo con respecto a los medidos experimentalmente:

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Donde Ti,medida es el promedio de las temperaturas medidas dentro del invernadero por los sensores sobre el tiempo total de simulación (un mes), n es el número de medidas (8.928 datos), Ti, simulada,j es la temperatura interior simulada en el instante j y Ti,medida,j es el valor medido en el instante j por el sensor dentro del invernadero.

El modelo desarrollado se ha evaluado comparando los valores estimados de la temperatura interior por el modelo de simulación con los medidos experimentalmente en el invernadero con el sensor de temperatura (Fgi. 2c) durante dos meses. El primer conjunto de datos corresponde al mes de septiembre de 2011 con el cultivo de tomate recién trasplantado, y el segundo al de abril de 2012 cuando el cultivo estaba bien desarrollado (índice de área foliar LAI=2.5 m2/m2).

Los valores del error medio cuadrático relativo para los periodos mensuales completos fueron del 6,0% y 9,2% para los meses de septiembre y abril, respectivamente. Para el diseño de sistemas de control climático se considera un valor del RRMSE inferior o igual al 10% como suficiente (Vanghoor y col., 2011). Como fue demostrado por Baptista (2007), la capacidad de la mayoría de modelos del clima de invernaderos está alrededor de este valor.

Las mayores diferencias entre las temperaturas simuladas y medidas se producen en las horas centrales del día (Fig. 4), cuando se alcanzan las máximas temperaturas y las ventanas están completamente abiertas.

El modelo tiene un comportamiento similar en los dos meses de validación, pese a que en septiembre se alcanzaron temperaturas de 38 °C, y en abril los valores máximos eran de unos 24 °C. Como se puede observar en la Figura 4, el modelo de simulación produce mayores variaciones en la temperatura interior que las registradas experimentalmente, debido a la inercia térmica del invernadero real. En las simulaciones, los cálculos se realizan para periodos de 5 minutos a partir de los valores instantáneos de las variables climáticas exteriores medidas en un determinado instante, lo que provoca grandes fluctuaciones en los valores del flujo de calor intercambiado por la ventilación (Fig. 5).

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Figura 4: Temperaturas del aire exterior (–––), medidas experimentalmente en el interior del invernadero (—-) y simuladas mediante el modelo dinámico (–––) para los días: (arriba) del 7/9/2011 al 14/9/2011 con el cultivo recién trasplantado en el invernadero y (abajo) del 1/4/2012 al 8/4/2012 con un cultivo de tomate bien desarrollado (LAI=2,5 m2•m–2).

Durante las horas centrales del día en el mes de abril el flujo de calor debido a la ventilación Qven constituye aproximadamente el 40% de la radiación interior y la evapotranspiración del cultivo de tomate un 30% (Fig. 5b). La pérdida de calor a través del sistema de ventilación puede llegar a ser en ciertos momentos del día hasta un 70% del calor aportado por la radiación solar, sobretodo cuando las plantas acaban de ser trasplantadas y su evapotranspiración es despreciable, como en el mes de septiembre (Fig 5a). Por ello es fundamental una correcta modelación del flujo energético a través de las ventanas del invernadero, siendo necesario conocer la eficiencia térmica del sistema de ventilación hT. Este parámetro relaciona la diferencia de temperatura entre el aire que entra del exterior y el que sale del invernadero por las ventanas (que determina el flujo de calor perdido), con respecto a la diferencia entre la temperatura del aire medida dentro del invernadero y la medida en el exterior (Molina-Aiz y col., 2012) utilizada para el cálculo del balance energético del invernadero.

En nuestro caso se han utilizado los valores de hT obtenidos en el invernadero experimental por López (2011) mediante medidas del caudal de ventilación con anemómetros sónicos.

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Figura 5: Valores simulados de los diferentes términos del balance de energía para los días del 7/9/2011 al 14/9/2011 con el cultivo recién trasplantado en el invernadero (arriba) y del 1/4/2012 al 8/4/2012 con un cultivo de tomate bien desarrollado (abajo): Rn (––), Qcc (––), Qven (—-), Qevp (––) y Qsue (––).

Conclusiones

El balance de energía dinámico permite simular la temperatura media del aire dentro de un invernadero con un cultivo de tomate en su interior con un error inferior al 10% para periodos de un mes. El principal componente del balance de energía es el flujo de calor debido a la ventilación (40-70% de la radiación neta) por lo que su cálculo es fundamental para obtener una buena precisión del modelo del balance de energía. Para su correcta cuantificación es necesario conocer la eficiencia térmica del sistema de ventilación, que representa la relación entre la diferencia de termperatura del aire de salida por las ventanas con la del aire exterior y el gradiente térmico entre el invernadero y el exterior.

Referencias bibliográficas

 

  • Baptista F.J., 2007.- Modelling the climate in unheated tomato greenhouses and predicting Botrytis cinerea infection. Tesis Doctoral, Universidad de Évora, 180 pp.
  • Boulard T., Draoui B. y Neirac F., 1996.- Calibration and validation of a greenhouse climate control model. Acta Horticulturae, 406: 49-61.
  • Boulard T., Raeppel C., Brun R., Lecompte F., Hayer F., Carmassi G. y Gaillard G., 2011.- Environmental impact of greenhouse tomato production in France. Agronomy for Sustainable Development, 31 (4): 757-777.
  • Körner O., 2003.- Crop based climate regimes for energy saving in greenhouse cultivation. Tesis Doctotal, Wageningen University, Wageningen (Holanda), 244 pp.
  • López A., 2011.- Contribución al conocimiento del microclima de los invernaderos mediterráneos mediante anemometría sónica y termografía. Tesis Doctoral, Universidad de Almería, 559 pp.
  • Luo W., de Zwart H.F., DaiI J., Wang X., Stanghellini C. y Bu C., 2005.- Simulation of greenhouse management in the subtropics, Part I: Model validation and scenario study for the winter season. Biosystems Engineering, 90 (3): 307–318.
  • Molina-Aiz F.D., Valera D.L., López A. y Álvarez A.J., 2012.- Analysis of cooling ventilation efficiency in a naturally ventilated Almería-type greenhouse with insect screens. Acta Horticulturae, 927: 551-558.
  • Torrellas M., Antón A. y Montero J.I., 2013.- An environmental impact calculator for greenhouse production systems. Journal of Environmental Management, 118: 186–195.
  • Valera D.L., Molina-Aiz F.D. y Álvarez A.J., 2008.- Ahorro y eficiencia energética en invernaderos. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Serie: Eficiencia y ahorro energética en la Agricultura 7. Madrid, 64 pp.
  • Vanthoor B.H.E., Stanghellini C., van Henten E.J. y de Visser P.H.B., 2011.- A methodology for model-based greenhouse design: Part 1, a greenhouse climate model for a broad range of designs and climates. Biosystem Engineering, 110: 363-377.
  • van Zundert T., 2012.- Life Cycle Assessment (LCA) of the Dutch greenhouse tomato production system. Masters of Agricultural and Bioresource, University of Wageningen (Holanda), 66 pp.

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