El sector de los cultivos forzados en invernadero está sumido en un continuo progreso motivado, por un lado, por la aplicación de nuevas normativas de calidad y medioambientales, y por otro, por la propia reestructuración del sector para mejorar su competitividad de cara a mantenerse en el mercado actual.
El consumo
energético en los invernaderos es un factor muy importante a considerar dentro
de los costes de producción, de ahí que se considere prioritaria la
optimización energética de estos sistemas.
Implicados como
siempre en el diseño de procesos altamente eficientes estudiamos en esta ocasión
la eficiencia energética de los invernaderos que utilizan aporte por
calefacción. Nos centramos exclusivamente en el balance energético en el
periodo invernal. Es decir, lo que
pretendemos es estudiar aplicaciones de invernaderos destinados fundamentalmente
a mantener la temperatura mínima biológica durante el periodo invernal y
conseguir de esta forma cultivos fuera de temporada.
Temperatura óptima
Además de mantener
la temperatura mínima biológica el objetivo es acercarnos en todo lo posible a
la temperatura óptima. En la siguiente tabla mostramos los valores adecuados
para varios cultivos hortícolas en invernaderos.
Especie
|
Temperatura
Mínima letal
|
Temperatura
Mínima biológica
|
Temperatura
óptima
|
Temp.
Máxima biológica
|
|
Noche
|
Día
|
||||
Tomate
|
-2 a 0
|
8-10
|
13-16
|
22-26
|
26-30
|
Pepino
|
0
|
10-13
|
18-20
|
24-28
|
28-32
|
Melón
|
0
|
12-14
|
18-21
|
24-30
|
30-34
|
Judía
|
0
|
10-14
|
16-18
|
21-28
|
28-35
|
Pimiento
|
-2 a 0
|
10-12
|
16-18
|
22-28
|
28-32
|
Berenjena
|
-2 a 0
|
9-10
|
15-18
|
22-26
|
30-32
|
Estos valores
sirven como base para establecer las consignas de funcionamiento de los
sistemas de climatización, además de para calcular su potencia de diseño a
través del balance de energía.
Necesidades energéticas
El proceso
térmico originado dentro de los invernaderos agrícolas se basa en el empleo de
materiales de cubierta con muy poca transmisividad a la radiación infrarroja.
Los sistemas
de calefacción y refrigeración se usan para controlar la temperatura interior.
Su objetivo es el de lograr valores de humedad y temperatura lo más cercanos
posibles a los óptimas de producción. En la actualidad, en el sector de los
semilleros e invernaderos para flores y plantas ornamentales, está muy
extendida la utilización de técnicas constructivas y de control climático
eficientes por la elevada sensibilidad de su producción a las condiciones
ambientales.
El material de
cubierta utilizado es uno de los factores que influyen de forma decisiva en las
necesidades de calefacción o refrigeración de las plantas cultivadas en los
invernaderos. Igualmente tienen importancia la propia refrigeración que
proporcionan estas mismas plantas a través de su transpiración y el calor que
entra o sale a través de los sistemas de ventilación.
Cálculo del balance energético en un invernadero
El principal
parámetro en el balance energético de un invernadero es la temperatura
exterior, que determina de forma directa las necesidades de refrigeración y
calefacción.
Ya que lo que nos
interesa es el control de las temperaturas mínimas los principales valores de
temperatura exterior a considere son:
–
Temperatura media de las mínimas mensuales
–
Temperatura mínima absoluta del año
Una forma
simplificada de la ecuación del balance de energía en el invernadero puede ser
la que descompone la energía ganada y la energía perdida por el aire en el invernadero
de la siguiente forma:
Rn: Radiación neta.
Qcli:
Energía calorífica que es necesario aportar (Qcal) o eliminar (Qref)
del invernadero.
Qcc:
Calor perdido por conducción-convección.
Qren:
Calor sensible y latente perdido por la renovación del aire interior.
Qevp:
Calor latente consumido en la evapotranspiración de las plantas y el suelo.
Qsue: Flujo de calor
perdido por conducción a través del suelo.
Para el cálculo del
balance radiativo a nivel del invernadero se puede considerar que la radiación
neta que calienta el invernadero es igual a la energía absorbida por la
cubierta, por el suelo y las plantas menos la radiación emitida por la
cubierta:
Donde:
Ss =
Superficie captadora de la radiación solar (m2).
I =
Radiación solar incidente (W/m2)
α = Coeficiente de absorción
de la cubierta para la radiación solar (tabla 3).
τ = Coeficiente de
transmisión del material de cubierta para la radiación solar.
Sc =
Superficie de suelo cubierta (m2).
σ = Constante de
Stefan-Boltzman (5,6 x 10 -8 W/m2 K4)
τter = Coeficiente
de transmisión del material de cubierta para la radiación térmica.
ℇter = Emisividad
del material de cubierta para la radiación térmica.
Tc
= Temperatura absoluta de la cubierta (K)
El
coeficiente de absorción de las plantas y del suelo puede calcularse como:
Siendo fp la
fracción del suelo cubierto por las plantas y αpla
el coeficiente de absorción de las plantas para la radiación solar (Tabla 1).
Tabla 1.
Coeficientes de absorción de una cubierta vegetal para la radiación solar y
térmica en función del índice de área foliar
El coeficiente de absorción del
suelo a la radiación solar se puede obtener a partir de su reflexión a la
radiación solar o albedo ρsue
(tabla 1).
Tabla
2. Valores del albedo para diferentes superficies desuelo.
La temperatura de emisión de energía de la atmósfera puede estimarse a partir de la siguiente expresión.
La emisividad de la atmósfera se puede calcular como:
Siendo
la presión parcial del vapor de agua en el aire en el exterior:
HRe: humedad relativa exterior
HRe: humedad relativa exterior
La presión parcial
del vapor saturante en el aire en el exterior se puede calcular mediante la
fórmula de Magnus-Tetens
Tabla 3. Absorbividad (α),
transmisividad (τ) y reflectividad (δ)
para diferentes tipos de radiación; coeficiente de pérdidas de calor (U) y
densidad (ρc) de materiales comúnmente
utilizados como cubierta de invernaderos
Calor perdido por conducción-convección, Qcc
En los intercambios
energéticos por conducción-convección entre el interior del invernadero y el
ambiente exterior, el calor que pasa por unidad de superficie de cubierta (m2) y por unidad de
tiempo (s), puede expresarse mediante las siguientes ecuaciones:
Siendo Sd la superficie desarrollada de la cubierta del invernadero (m2), ti la temperatura interior (°C) y te la temperatura
exterior (°C).
El coeficiente
global de pérdidas de calor por conducción-convección es:
(W
/ m2 ºC)
Donde:
ec: espesor del
material de cobertura (m)
λc: conductibilidad
térmica del material de cobertura (W/m3·K) (Tabla 9)
he: coeficiente
superficial de convección para el ambiente exterior del invernadero (Tabla 5)
∆T:
salto térmico entre el interior y el exterior del invernadero (K)
v:
velocidad del viento (m/s)
L: longitud del
invernadero (m)
Tabla 4. Conductividad térmica de algunos materiales de cubierta, λc
Tabla 5. Fórmulas empíricas para el coeficiente de convección
exterior determinadas por varios autores
El coeficiente superficial de convección para el ambiente interior del invernadero en función de la temperatura de la cubierta y del aire es:
Calor sensible y
latente perdido por la renovación del aire interior, Qren
La entrada de aire procedente del exterior supone una pérdida o
ganancia de energía según las diferencias de temperatura y humedad en el
exterior:
Donde:
Vinv: volumen del
invernadero (m3)
cpa: calor
del aire (a 0 °C es 1006,92540 J·kg-1·K-1)
cpv: calor específico
del vapor recalentado (a 0 °C es 1875,6864 J/kg·K)
xi, xe: humedades
absolutas interiores y exteriores, respectivamente (kg/kg)
– La densidad del aire es función de la temperatura y la
presión:
– La presión
dentro del invernadero p se puede considerar igual a la presión atmosférica,
que es función de la elevación sobre el nivel del mar.
– El calor latente de vaporización se calcula como:
– La humedad absoluta de una masa de aire húmedo es función de la humedad relativa
HR: humedad relativa
El cálculo
de la presión parcial del vapor en saturación se puede realizar mediante la
expresión de Magnus o Tetens
La tasa de
renovación de aire R debido a la infiltración de aire a través de la estructura
cuando las ventanas están cerradas es función del tipo de estructura.
Tabla 6. Tasas de renovación de aire por infiltración a través de
la estructura
Cuando se abren las ventanas la tasa o índice de renovación de aire del invernadero se puede calcular a partir del caudal de ventilación natural:
El caudal de
aire que entra y sale del invernadero se debe al efecto combinado de la
diferencia de temperatura y del viento:
Donde:
g:
aceleración de la gravedad, 9,807 (m/s2)
h12:
diferencia de altura entre las aperturas de ventilación lateral y cenital (m)
S1:
superficie efectiva de ventilación lateral (m2)
S2:
superficie efectiva de ventilación cenital (m2)
Cv: coeficiente
adimensional del efecto del viento (Tabla 7)
Tabla 7. Valores del coeficiente de efecto eólico determinados por
algunos autores
– El coeficiente de caída de presión a través de una ventana con mallas anti-insectos depende del coeficiente adimensional de pérdida de carga:
– El
coeficiente adimensional de pérdida de carga a través de una ventana con malla
anti-insectos puede estimarse como:
Donde:
L: longitud de la apertura de ventilación (m)
H: altura de la apertura de ventilación o
profundidad característica (m)
α: ángulo de apertura de una ventana con alerón
(°)
φ:
porosidad de la malla anti-insectos
Para
invernaderos sin mallas existen datos para varias geometrías de ventanas (Tabla
8)
Tabla 8. Valores del coeficiente adimensional de caída de presión
determinados por algunos autores
Calor latente consumido en la evapotranspiración de las plantas y el suelo, Qevp
En los últimos años se han realizado un
gran número de estudios para determinar el valor del calor latente en
condiciones de invernadero y para diversos cultivos hortícolas.
Para un cultivo de tomate en invernadero
se puede utilizar la siguiente expresión
Siendo
Rsol la radiación solar diurna
(W·m-2) (se corresponde con los
valores positivos de Rn) y u la velocidad del aire en el invernadero (m·s-1).
Para un cultivo de gerbera en invernadero los coeficientes de la
expresión anterior son diferentes:
El déficit de presión de vapor en el interior del invernadero es:
La constante psicrométrica es función de la presión atmosférica, la capacidad calorífica del aire y el calor latente de vaporización:
Evapotranspiración del cultivo:
El calor absorbido por la evapotranspiración del cultivo es:
El coeficiente del cultivo se puede estimar en función del índice de área foliar del cultivo:
Flujo de calor perdido por conducción a través del suelo, Qsue
Ks: coeficiente de
intercambio térmico a través del suelo (W/m2 · °C) (Tabla 10)
Ts: temperatura del
suelo del invernadero (°C)
p: profundidad a la que estima la diferencia de temperatura (m)
Tabla 10. Conductividad térmica de algunos tipos de suelo, Ks
Energía calorífica que es necesaria aportar (Qcal) o eliminar (Qref) del invernadero, Qcli
El
calor que es necesario suministrar mediante los sistemas de calefacción o que
hay que eliminar del invernadero con los sistemas de refrigeración se deduce
del balance de energía:
Bibliografía:
Ahorro y eficiencia energética en invernaderos. IDAE
Bibliografía:
Ahorro y eficiencia energética en invernaderos. IDAE
4 comentarios:
como calculan la radiacion neta? que lo explican pero no dan la ecuación
como calculan la radiacion neta? que lo explican pero no dan la ecuación
La radiación neta no la calculas, la tienes que obtener de una estación meteorológica. Es la cantidad de energía que proviene del sol.
La radiación neta se obtiene de una estación mete reológica, es la energía que aporta el sol.
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