Ventilación natural y nebulización aumentan eficiencia de enfriamiento

Se utilizan dos métodos principales para ventilar los invernaderos: la ventilación mecánica y la ventilación natural.

Ventilación mecánica
La ventilación mecánica incluye los sistemas de pared húmeda que son un tipo de sistema de enfriamiento por evaporación.

Los sistemas de pared húmeda enfrían el aire cuando éste pasa por material acojinado húmedo; reduciendo  la temperatura y humidificando el invernadero.  Este tipo de sistemas funciona mejor en los climas más cálidos y secos, ya que su capacidad de enfriamiento en climas IMG_1067 húmedos es muy limitada.

El Profesor Murat Kacira de la Universidad de Arizona dice que una desventaja del sistema de pared húmeda es el consumo de agua y electricidad.

“Se requiere agua para el material acolchado y se requiere electricidad para operar la bomba que hará circular el agua a través del material acolchado, además de la electricidad requerida para operar los ventiladores del sistema de extracción”, comenta Kacira. “El agua es un recurso valioso de disponibilidad limitada, en especial en zonas desérticas y semidesérticas.

“Otro problema que puede presentarse es que puede haber un gradiente de temperatura  del lado del invernadero donde está la pared húmeda en comparación con el lado más caliente del invernadero, en el que se encuentra el ventilador de extracción. Este gradiente puede afectar la calidad de las plantas y el rendimiento de los cultivos.”

 

Ventilación natural
La ventilación natural es el otro sistema utilizado para enfriar los invernaderos.  Durante los tres últimos años, Kacira ha estado participando en un proyecto internacional que estudia invernaderos con ventilación natural en los que se cuenta con un sistema de nebulización.

“Con el financiamiento otorgado por el Fondo para el Desarrollo y la Investigación Agrícola Bilateral Estados Unidos-Israel, nos concentramos en desarrollar estrategias avanzadas de control climático para operar en invernaderos con ventilación natural y sistemas de nebulización por alta presión,”dice Kacira.

“Nuestros socios de Technion (Instituto Israelita de Tecnología) en este proyecto se concentraron en crear estrategias de control climático utilizando sistemas mecánicos de ventilación con ventiladores y nebulización de alta presión”

El objetivo final fue desarrollar estrategias de control avanzadas para mantener el micro-clima deseado en el invernadero, al mismo tiempo que se ahorra en agua y energía.

“Con las estrategias que desarrollamos en un invernadero con ventilación natural y sistema de de nebulización de alta presión variable, pudimos mantener el clima del invernadero cerca del rango deseado, alrededor de  25ºC con 75 por ciento de humedad relativa, para la producción de tomate.  La temperatura en el exterior fluctuaba entre 35ºC y 40ºC con 10 al 25 por ciento de humedad relativa.  Con el sistema operando a una tasa de nebulización variable y una estrategia definida de dosis de ventilación, pudimos ahorrar del 20 al 25 por ciento de agua y del 15 al 20 por ciento de electricidad, en comparación con la estrategia de control en la que se utiliza una tasa de nebulización constante y una apertura de ventilación fija. No hemos comparado los ahorros en agua y electricidad con los costos que tiene nuestro invernadero ventilado mecánicamente. Ese análisis se realizará en un futuro estudio”

 

Usando la nebulización para enfriar
En este trabajo de investigación Kacira utilizó un sistema de nebulización variable de alta presión que produce gotas finas a un rango de presión operativa de 4.5 a 10.4 MPa .

“Para las aplicaciones en invernaderos, es preferible que las gotas sean finas, ya que deben evaporarse tan rápido como sea posible antes de que caigan en el dosel vegetal y mojen las plantas”, dice Kacira. “Una de las grandes preocupaciones con los sistemas de nebulización de alta presión, es que caiga humedad sobre las plantas y se desarrollen enfermedades. Esa es una de las grandes inquietudes que surgen con los sistemas de nebulización. Por lo tanto, se requiere un buen diseño, la instalación del sistema adecuado y una buena estrategia de control.”

Kacira dice que otro reto que presentan los sistemas de nebulización de alta presión es que requieren agua de muy buena calidad (agua potable) para que las boquillas no se tapen. Si no hay una fuente de agua de alta calidad, se requiere instalar un sistema de tratamiento de agua; por ejemplo el de ósmosis inversa.

La nebulización de alta presión funciona mejor en climas secos, comenta Kacira. Si el aire exterior es húmedo y caliente, la capacidad de enfriamiento del sistema de enfriamiento por evaporación se limitará a un par de grados centígrados.

“En un clima como el que tenemos en Arizona puede haber una gran caída de temperatura dentro del invernadero, en comparación con la temperatura exterior”, agrega. “En lugares donde el clima es húmedo y caliente como en Alabama, este sistema es muy poco efectivo. La efectividad de este sistema depende de las temperaturas de bulbo húmedo y seco del aire exterior, en comparación con la temperatura del aire deseada en el interior.

 

Mejorando el Control Climático
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Durante la última década, Kacira ha estudiado el desarrollo de estrategias de control climático considerando distintas variables del ambiente de invernadero junto con la aerodinámica de su estructura. Utilizando modelos bidimensionales y tridimensionales de dinámicas de fluidos computacionales (CFD), Kacira  y otros investigadores de la universidad han estudiado la aerodinámica de los sistemas de invernadero para mejorar la uniformidad del clima y ofrecer recomendaciones a los fabricantes y productores sobre las mejores opciones de diseño de invernaderos  y sistemas de control climático.

Mediante los modelos CFD,  los investigadores han podido medir las dimensiones reales de los invernaderos y han añadido la geometría para determinar la forma de mejorar los patrones de flujo de aire en su interior,  así como las tasas de intercambio de aire entre la zona del dosel vegetal y el invernadero, además de las diversas configuraciones de ventilación que se pueden aprovechar en las distintas estructuras.

“Gracias a los modelos CFD podemos basarnos en  el diseño actual de un invernadero y analizar su geometría, configuración y aerodinámica bajo el peor de los casos.  El invernadero puede ser de cualquier forma o tamaño, con todo tipo de configuración de ventilas, con todo tipo de condiciones climáticas y con cualquier tipo de dosel  vegetal. Los modelos nos permiten analizar varias opciones de diseño y de condiciones operativas, así como otros  detalles del invernadero” comenta Kacira.

El análisis se puede realizar con cualquier tipo de estructura utilizada para producir  bajo un ambiente controlado.

“Hemos estado trabajando en modelos complejos CFD  tomando en cuenta el patrón de flujo de aire del invernadero, las tasas de intercambio de aire, las configuraciones y los diseños de  las ventilas, el dosel vegetal, la radiación solar y la nebulización de alta presión. Todos estos elementos se integran en los modelos CFD para evaluar las mejores opciones”, agrega en investigador.

 

Uso de los Modelos CFD en el Futuro
Kacira dice que los  modelos CFD son una herramienta de análisis de ingeniería que puede utilizarse con otros sistemas de agricultura bajo ambientes controlados para la producción de cultivos ornamentales y hortícolas.

Existe interés en el uso de modelos CFD para sistemas de invernaderos urbanos y de interiores, incluyendo operaciones de fábricas de plantas en interiores y granjas de producción vertical.

“Algunas compañías que están trabajando con fábricas de plantas en interiores,  granjas de producción vertical  y patrones de flujos de aire, han mostrado interés en estos modelos”, comenta Kacira. “El flujo de aire es un problema en ese tipo de diseños. Es necesario asegurarse de que haya un flujo de aire uniforme, con tasas de intercambio de aire adecuadas para que se desarrollen cultivos uniformes, saludables y de alta calidad.  Esa es un área en la que queremos trabajar.

Otra área de interés para el uso de los modelos CFD es comparar la efectividad de los sistemas de flujo de aire vertical  con la efectividad de los sistemas de flujo de aire horizontal en invernaderos.

“En Holanda, los productores tienden a preferir los ventiladores verticales. Los ventiladores de flujo de aire vertical van montados en la estructura del techo y empujan el aire de manera vertical hacia el dosel vegetal”, dice Kacira. “La pregunta es ¿cuál tipo de ventilador es mejor, el de flujo de aire vertical o el de flujo de aire horizontal, para cada tipo de invernadero y cada cultivo? Tanto los productores como los fabricantes de invernaderos están interesados en comparar ambos patrones de flujo de aire, así como los distintos tipos de uniformidad climática y de aerodinámica generadas por los dos tipos de sistemas de ventiladores”.

El propósito de los ventiladores de flujo de aire horizontal es mezclar y homogeneizar el aire arriba del dosel vegetal.

“No he visto datos que indiquen cuál de esos ventiladores produce el ambiente óptimo para un cultivo determinado y un sistema de invernadero determinado”, comenta Kacira.

Los modelos CFD también pueden utilizarse con algunos de los nuevos materiales desarrollados que se asemejan al cristal ( materiales de acristalamiento).

“Hay nuevos materiales que asemejan al cristal, con capacidad selectiva de longitud de onda que sirven para bloquear parte de la radiación. Estos materiales también pueden analizarse utilizando modelos CFD para evaluar sus efectos en el clima del invernadero y en las respuestas de los cultivos. Nuestra investigación también se enfoca en esa dirección.”

 

 

 

 

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