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Estudio y propuesta de mejoras del uso de calefactores en invernaderos mediterráneos

López A.; Valera D.L.; Molina-Aiz F.D.; Marín P. (Centro de Investigación en Biotecnología Agroalimentaria BITAL. Universidad de Almería)18/09/2013
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En este trabajo se ha estudiado el uso de calefactores de combustión indirecta de gasoil como sistema de calefacción en invernaderos mediterráneos. La distribución del aire caliente en el interior del invernadero se realiza conectando a la salida de cada calefactor una manga de polietileno (colocada a nivel del suelo) a la que se le practica una fila de orificios equidistantes y de igual tamaño. El sistema se ha instalado según las recomendaciones de la empresa distribuidora, siguiendo las prácticas habituales en invernaderos mediterráneos equipados con este tipo de sistema de calefacción.

Para estudiar el patrón del flujo de aire y la distribución de la temperatura del aire interior se han utilizado 12 anemómetros sónicos; la temperatura del cultivo se monitorizó utilizando una cámara termográfica de altas prestaciones. Como aspectos positivos del sistema estudiado caben destacar dos cosas, durante los ensayos: (i) la temperatura media interior se mantuvo al menos 7 °C por encima de la temperatura media exterior; (ii) la temperatura media del cultivo se mantuvo por encima de los 17 °C. Como aspecto negativo destacamos principalmente que este tipo de sistema de calefacción genera una distribución de la temperatura de aire interior muy poco homogénea. Analizado el flujo del aire se observa que el aire caliente sale por los orificios de la manga de distribución, impacta con el suelo y asciende hacia la parte alta del invernadero. Al no existir ningún elemento auxiliar que haga descender el aire, este aire caliente se acumula por flotabilidad en la parte alta del invernadero, reduciendo la capacidad del sistema para aumentar la temperatura del aire en la zona del cultivo.

Para mejorar la uniformidad de la temperatura del aire interior proponemos aumentar el diámetro de los orificios de salida con la distancia al calefactor, de este modo se compensaría la caída de presión y de temperatura que se produce a lo largo de la manga. Para evitar que el aire caliente se acumule en la parte alta del invernadero, y mejorar también la uniformidad de la temperatura del aire interior, se plantean posibles soluciones: (i) mejorar la orientación de los orificios de salida; (ii) utilizar ventiladores interiores situados en la parte alta del invernadero que hagan circular el aire caliente hacia la zona del cultivo; (iii) añadir mangas de distribución transversales para distribuir el aire entre las líneas de cultivo.

Figura 1: Invernaderos mediterráneos multitúneles de tres módulos experimentales...
Figura 1: Invernaderos mediterráneos multitúneles de tres módulos experimentales. Invernadero 1 calefactado (a la derecha) e invernadero 2 testigo (a la izquierda).

Introducción

En la provincia de Almería los invernaderos se caracterizan por ser unas estructuras de bajo coste, con muy poca incorporación de tecnología avanzada, que permiten mantener condiciones adecuadas para los cultivos durante la mayor parte del año, pero en condiciones climáticas extremas pueden producirse daños en los cultivos, lo que se traduce en pérdidas económicas para los agricultores. Aunque en la región del mediterráneo, dadas sus condiciones climáticas tan favorables, los sistemas de calefacción están muy poco extendidos, pensamos que es fundamental estudiar el funcionamiento de estos sistemas de control climático para adaptarlos a los requerimientos concretos de los invernaderos mediterráneos. Los calefactores son el tipo de calefacción más extendido en la región del Mediterráneo (Bartzanas et al., 2005). Entre sistemas de calefacción con calderas y tuberías de agua caliente o calefactores de aire caliente, quizás este segundo sea el que mejor se adapte al clima mediterráneo, ya que los calefactores permanecen apagados y se encenderían “a modo de emergencia” para evitar daños en los cultivos en momentos puntuales, gracias al tiempo de respuesta bajo de los calefactores.

Para distribuir el aire caliente en el interior de los invernaderos suelen utilizarse mangas de polietileno perforadas. El estudio de diferentes sistemas de calefacción suele centrarse en el análisis del microclima interior mediante el uso de diferentes sensores de temperatura y humedad (Kittas et al., 2003). Pensamos que es muy importante conocer como se mueve el aire en el interior del invernadero con este tipo de sistemas, de modo que en este trabajo proponemos una metodología, similar a la propuesta por Tadj et al. (2010), para estudiar la distribución horizontal de temperatura y determinar el patrón del flujo de aire en el interior de invernaderos equipados con sistemas de calefacción comerciales mediante calefactores.

Para caracterizar el patrón de flujo del aire y la distribución de la temperatura del aire en el interior del invernadero 1 calefactado se realizaron 3 ensayos en los que se midió la velocidad del aire y su temperatura en 16 posiciones en las que se colocaban cuatro dispositivos de medida con tres anemómetros cada uno, resultando un total de 192 puntos de medida. La velocidad y la temperatura del aire se midieron con dos anemómetros sónicos 3D modelo CSAT3 (Campbell Scientific Spain S.L.). La velocidad del aire se midió también con 10 anemómetros sónicos 2D modelo Windsonic (Gill Instrument LTD) (Fig. 2b). En cada una de las 16 posiciones se registraban datos durante 3 min (López et al., 2012a).
Figura 2: Calefactor de combustión indirecta Munters GP 80 (a)...
Figura 2: Calefactor de combustión indirecta Munters GP 80 (a). Colocación de los 2 anemómetros sónicos 3D (CSAT3) y los 10 anemómetros sónicos 2D (Windsonic) durante un ensayo (b). Cámara termográfica ThermoVisionTM A40-M (c).

Para medir las condiciones climáticas exteriores se dispone, a escasos metros del invernadero, de una completa estación meteorológica equipada con: una caja de medida Butron II (Hortimax, S.L.) para medir la temperatura (sonda Pt1000) y la humedad relativa del aire (sensor capacitivo); un equipo Meteostation II (Hortimax, S.L.) para medir la velocidad (anemómetro de cazoletas) y dirección (veleta) del viento y un piranómetro Kipp Solari (Hortimax S.L.) para medir la radiación solar. La temperatura y humedad del aire en el interior de cada invernadero se midió con una caja de medida Ektron II-C (Hortimax S.L.) equipada con las mismas sondas que la caja Butron II. Para el seguimiento de la temperatura del cultivo se utilizó una cámara termográfica ThermoVisionTM A40-M (Flir Systems AB) (Fig. 2c), el valor de la emisividad del cultivo, imprescindible para poder medir su temperatura con una cámara termográfica, fue determinada en un estudio previo publicado (López et al., 2012b). La velocidad y temperatura del aire en los orificios de la manga de polietileno y a la salida del calefactor se midió con un equipo Testo 445 (Testo, S.A.).

Resultados y discusión

Se realizaron tres ensayos de campo los días 10 (ensayo 1), 16 (ensayo 2) y 18 (ensayo 3) de febrero de 2011, los ensayos comenzaban entre las 7:00 y 8:00 horas de la mañana y tenían una duración aproximada de 2 horas. La velocidad media del viento estuvo en los tres ensayos entre 1 y 2 m s-1, en el primer ensayo la humedad exterior fue mayor (81±3%) mientras que en los otros dos ensayos fue menor (46±4% en ambos casos). La temperatura media exterior fue en los tres ensayos igual o inferior a 10,6 °C, estando por debajo del valor de consigna establecido para que se pusiera en funcionamiento el sistema de calefacción (consigna de calefacción fijada en 12 °C). Las condiciones exteriores eran propicias para que el sistema se pusiera en funcionamiento de forma automática. Durante los ensayos los calefactores estuvieron funcionando en continuo, para de este modo poder medir la velocidad de aire en diferentes puntos del invernadero y determinar el patrón del flujo de aire.

Un gran inconveniente del uso de calefactores: el patrón del flujo de aire propicia que el aire caliente se acumule en la parte alta del invernadero

Los resultados obtenidos indican que el aire caliente que sale por los orificios de la manga de polietileno asciende por flotabilidad a escasos metros de distancia de los orificios de salida, el aire caliente se desplaza por encima del cultivo hasta llegar al lateral sur del invernadero, desciende a la zona baja donde se encuentra el cultivo y vuelve en dirección norte, dirigiéndose otra vez hacia la manga de polietileno; creando así un ciclo en sentido horario (Fig. 3). Con el uso exclusivo de calefactores el aire caliente se acumula en la parte alta del invernadero. Este aspecto fue observado también por otros investigadores en Grecia quienes, en un invernadero de tipo mono-túnel (altura 4,1 m) con un calefactor situado a 2,6 m de altura, observaron mediante simulaciones CFD (Computational Fluid Dynamics) diferencias en la temperatura del aire entre la parte alta (más caliente) y la parte baja (más fría) de hasta 10 °C (Tadj et al., 2010).
Figura 3: Diagrama propuesto para el patrón del flujo de aire interior
Figura 3: Diagrama propuesto para el patrón del flujo de aire interior.

Análisis del microclima interior

Los datos de temperatura registrados en este trabajo han sido tomados en la parte baja del invernadero (a 0.8 m de altura con los anemómetros 3D y a 2 m de altura con las cajas de medida Ektron II-C), por lo que se presuponen muy por debajo de la temperatura del aire en la parte alta del invernadero, según lo observado en el patrón del flujo de aire. Así, gran parte del calor generado por los calefactores no es aprovechado para aumentar la temperatura del aire en la zona baja del invernadero, donde se localiza el cultivo. A 2 m de altura (Ektron II-C), en el invernadero 1 calefactado, se ha observado una diferencia entre la temperatura media interior y la temperatura media exterior de 11,2, 8,2 y 7,6 °C para los ensayos 1, 2 y 3, respectivamente. Mientras que en el invernadero testigo, esta diferencia fue de 3,4, -0,6 y 0,3 °C, respectivamente.

Como valor medio, el invernadero calefactado se mantiene 7,9 °C por encima de la temperatura del invernadero testigo y 9,0 °C por encima de la temperatura exterior. A 0,8 m de altura (Anemómetros 3D CSAT3), en el invernadero 1 calefactado, se ha observado una diferencia entre la temperatura media interior y la temperatura media exterior de 11,1, 7,6 y 7,2 °C para los ensayos 1, 2 y 3, respectivamente; similares a los observados a 2 m de altura. Estos valores indican que el uso de calefactores en invernaderos mediterráneos, de forma puntual, puede ser un método adecuado de prevención de daños y pérdidas en los cultivos durante periodos en los que se puedan producir descensos bruscos de temperatura (heladas).

Sin tener en cuenta el consumo de combustible, los resultados obtenidos en este trabajo no son muy diferentes a los obtenidos por otros autores con otros sistemas de calefacción. Por ejemplo, utilizando un sistema de calefacción con tuberías de agua caliente, colocadas sobre el cultivo y en los laterales de un invernadero de cristal mono-span (en Grecia), Kittas et al. (2003) observaron una diferencia de temperatura (interior-exterior) de 10,8 °C (combinando el sistema con el uso de una malla térmica) y 10,0 °C (sin malla térmica). La combinación del uso de tuberías de agua caliente y de calefactores puede dar un incremento de 5 °C adicionales en la temperatura del aire interior, en comparación con el uso exclusivo de tuberías de agua caliente (Bartzanas et al., 2005). Resulta imprescindible hacer un estudio comparativo de ambos sistemas (calefactores y tuberías de agua caliente) durante al menos dos o tres ciclos de cultivo en periodos invernales. Por un lado se deben analizar las condiciones microclimáticas en el interior del invernadero con ambos sistemas, realizar un registro de las horas de funcionamiento de cada sistema, del consumo de combustible y/o de electricidad y ver si el aumento de producción (si lo hay) compensa la inversión económica inicial que hay que realizar para instalar ambos sistemas de calefacción y el coste de funcionamiento y mantenimiento de los sistemas.

Otro gran inconveniente del uso de calefactores: la falta de uniformidad en la distribución horizontal de la temperatura interior

Con los valores de temperatura registrados con los anemómetros sónicos 3D CSAT3, tras ser corregidos convenientemente (López et al., 2012a), se obtienen los mapas con la distribución de la temperatura del aire en el interior del invernadero (Fig. 4). Como se puede observar, este tipo de sistemas genera un microclima interior muy poco uniforme, al menos en lo que a temperatura interior concierne. Como dato, se puede indicar que la diferencia de temperatura entre el punto de mayor temperatura y el punto de menor temperatura fue de 6,5 °C, 8,8 °C y 8,3 °C para los ensayos 1, 2 y 3, respectivamente. Aunque en principio se podría pensar que la zona del invernadero que se debería mantener a menor temperatura sería la zona más alejada de la manga de distribución, sorprende que en general la zona de menor temperatura se corresponda con la zona central del invernadero.
Figura 4: Diferencia de temperatura entre el interior y el exterior en el invernadero 1 con los calefactores (altura 0,8 m)...
Figura 4: Diferencia de temperatura entre el interior y el exterior en el invernadero 1 con los calefactores (altura 0,8 m). Ensayo realizado el 10 de febrero.
Una vez analizada la distribución de temperatura interior queremos plantear algunas posibles soluciones para mejorar la uniformidad de la temperatura: (i) aumentar el diámetro de los orificios a lo largo de la manga de distribución o cambiar la distancia entre orificios; (ii) modificar la geometría de los orificios; (iii) colocar la malla aluminizada a menor altura; (iv) usar ventiladores interiores, siendo necesario determinar su posición y orientación más adecuada; (v) añadir mangas de distribución secundarias paralelas a las líneas del cultivo.

Conclusiones

Tras realizar este estudio podemos concluir que el flujo de aire generado por el calefactor y distribuido por la manga de polietileno en el interior del invernadero, primero, es causa principal de la gran falta de homogeneidad en la distribución de la temperatura del aire en el interior del invernadero y, segundo, no evita que el aire caliente ascienda por flotabilidad hacia la cubierta del invernadero, de modo que la mayor parte del calor generado por el calefactor no se utiliza para el calentamiento del aire que envuelve al cultivo. Una mejora sencilla de este tipo de sistema de calefacción, con la que se podría obtener una mayor uniformidad en la salida de calor a lo largo de la manga de distribución, sería incrementar el diámetro de los orificios conforme nos alejamos del calefactor, o bien, variar la distancia entre orificios. Con el objetivo de reducir el gradiente vertical de temperatura y evitar que el aire caliente se acumule en la parte alta del invernadero se debería de estudiar y mejorar la orientación de los orificios de salida. Otras opciones planteadas para mejorar la distribución de la temperatura del aire en el interior del invernadero serían el uso de ventiladores interiores, colocar la malla de sombreo a menor altura o añadir mangas de distribución secundarias entre las líneas de cultivo.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado por la Junta de Andalucía y por el Ministerio de Ciencia e Innovación mediante los proyectos P09-AGR-4593 y AGL2010-22284-C03-01, respectivamente.

Bibliografía

  • Bartzanas, T., Tchamitchian, M., and Kittas C. (2005). Influence of the Heating Method on Greenhouse Microclimate and Energy Consumption. Biosystems Engineering 91, 487–499.
  • Kittas, C., Katsoulas, N., and Baille, A. (2003). Influence of an aluminized thermal screen on greenhouse microclimate and canopy energy balance. Transactios of the ASAE 46, 1653–1663.
  • López, A., Valera, D.L., Molina-Aiz, F.D., Peña A. (2012a). Thermography and sonic anemometry to analyze air heaters in mediterranean greenhouses. Sensors 12, 13852–13870.
  • López, A., Valera, D.L., and Molina-Aiz, F.D. (2012b). Determining the emissivity of the leaves of nine horticultural crops by means of infrared thermography. Scientia Horticulturae 137, 49–58.
  • Tadj, N., Bartzanas, T., Fidaros, D., Draoui, B., and Kittas, C. (2010). Influence of heating system on greenhouse microclimate distribution. Transactions of the ASABE 53, 225–238.