LOS PROCESOS FÍSICOS Y SU EFECTO EN EL MICROCLIMA DE UN INVERNADERO
1. Introducción.
2. Procesos Físicos.
2.1. Radiación Solar.
2.2. Ventilación.
2.2.1. Ventilación natural.
2.2.2. Ventilación forzada.
3. Conclusión.
1. INTRODUCCIÓN
La permanente necesidad de incrementar la productividad, ha obligado a los productores a introducir un enfoque más tecnológico en la producción bajo cubierta. Por ello la necesidad de entender el comportamiento del microclima de los invernaderos, por medio del conocimiento de la física y la información obtenida de las mediciones de las variables internas y externas. En virtud de lo anterior, en este documento se da una descripción inicial de dos procesos: la radiación solar y la ventilación, así como su relación con el microclima de los invernaderos, con lo cual se pretende dar un aporte en el esfuerzo por mejorar el manejo del microclima en estas casas de cultivo. Todos los datos presentados corresponden a mediciones y /o cálculos realizados para invernaderos ubicados en Venezuela.
2. PROCESOS FÍSICOS
2.1. Radiación solar
La radiación solar (conjunto de varias longitudes de onda que llegan a la tierra a partir del sol y que se perciben en forma de luz y calor), es la fuente principal de energía en el microclima de un invernadero, y está directamente relacionada con el proceso de fotosíntesis (proceso mediante el cual las plantas capturan la radiación fotosintéticamente activa para sintetizar compuestos orgánicos a partir de anhídrido carbónico y agua en asociación con la clorofila) que regula el crecimiento y la producción de las plantas.
La radiación recibida por unidad de área de una superficie se denomina irradiancia y se mide en vatios por m
2 (W/m
2). La radiación solar puede dividirse en radiación de onda corta y radiación de onda larga con la distribución que se muestra en la Figura 1. En la radiación de onda corta se encuentra la radiación fotosintéticamente activa (radiación que será utilizada para el proceso de fotosíntesis), cuyas iniciales son RFA (o en inglés PAR). En la radiación de onda larga se encuentra la radiación infrarroja que cuando incide sobre una superficie, la calienta.
Figura 1. Distribución espectral de la radiación solar en su longitud de onda corta y longitud de onda larga.
De la radiación solar que llega a la cubierta transparente del invernadero, una parte es reflejada, otra es absorbida por la cubierta (calienta la superficie) y la restante es transmitida al interior del invernadero (incide sobre el cultivo y calienta las diferentes superficies en el interior del invernadero), como se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Componentes de la radiación que incide sobre la cubierta de un invernadero.
La fracción de radiación solar transmitida al interior del invernadero se denomina transmisividad y es una propiedad que depende del polietileno o material de la cubierta.
Es importante procurar que el material de la cubierta transmita la máxima cantidad de radiación al interior del invernadero, con el fin de captar la mayor cantidad de radiación fotosintéticamente activa.
Otro aspecto importante a tomar en consideración, al momento de instalar un invernadero, es la orientación (en función del frente del invernadero), ya que de acuerdo al tipo de estructura y la latitud (permite conocer la ubicación de un lugar en el globo terrestre, respecto al Ecuador. Se mide en grados (º) y va de 0º en el Ecuador a 90º en el Polo Norte y - 90º en el Polo Sur), la captación de la radiación solar directa puede ser más eficiente en una dirección que en otras.
En la Figura 3, se presenta un ejemplo donde se ha calculado teóricamente la captación de la energía incidente en la cubierta de un invernadero de techo curvo, con dimensiones de 9 m ancho, 18 m de largo y altura máxima de 6 m, en un lugar cuya latitud es 8º 37’ Norte. Estos cálculos se realizaron para el primer equinoccio, día 21 de Marzo.
Figura 3. Energía incidente sobre la superficie de la cubierta de un invernadero para diferentes orientaciones, para el primer equinoccio (21 de Marzo).
En la gráfica anterior se puede observar que la captación de radiación solar (en vatios, W) para el área total del invernadero, es mayor y más uniforme a lo largo del día con la orientación (forma de ubicarnos en el espacio, de acuerdo a los puntos cardinales de referencia (Norte, Sur, Este, Oeste). En el caso de un invernadero se mide el ángulo entre el frente del invernadero y el punto cardinal) Este-Oeste (EO) que en la orientación Norte-Sur (NS).
Después que la radiación solar es transmitida al interior del invernadero, la fracción no utilizada en los procesos fisiológicos, se encarga de calentar las diferentes superficies y éstas a su vez emiten radiación de onda larga o térmica. Este intercambio de energía entre las superficies aumenta sus temperaturas propias y mientras no se intervenga en este proceso continuarán incrementándose, reemitiendo radiación de onda larga y simultáneamente estarán calentando el aire por convección natural (sin movimiento o renovación del aire interno).
La descripción anterior se aprecia muy claramente en la variación de temperatura del aire interior de un invernadero completamente cerrado, ubicado en Santa Rosa, a una altura de 1930 m.s.n.m cuyas dimensiones son: 5 m ancho, 10 m largo y 5 m alto. En la Figura 4 se muestra la variación horaria de la temperatura del aire exterior con relación a la variación de la temperatura del ambiente exterior.
Figura 4. Perfil de temperaturas interior y exterior de un invernadero completamente cerrado, ubicado en Santa Rosa, estado Mérida, Venezuela, durante el periodo del 05/05 al 09/05/2008.
Puede apreciarse que en este caso, el calor ganado por la radiación solar incrementa la temperatura interior, principalmente en horas de mayor radiación solar, con diferencias de hasta 20 ºC sobre la temperatura del aire exterior. Esto puede deberse a que se trata de un invernadero con un volumen de aire muy pequeño, completamente cerrado.
Una forma de intervenir en el proceso de incremento de temperaturas (reduciéndolo a niveles más bajos) es a través de la ventilación (renovación con aire exterior).
2.2. Ventilación
La ventilación en un invernadero consiste en la renovación de la masa de aire interior a través de la introducción de otra masa de aire más fría procedente del exterior. Así puede removerse gran parte de la sobrecarga de calor disminuyendo la temperatura, la humedad y aumentando la concentración de dióxido de carbono en el interior.
La ventilación se mide en función del flujo de ventilación (m³/s) que entra al invernadero y la tasa de renovación por hora del volumen del aire dentro del invernadero. La ventilación de un invernadero puede hacerse de forma natural o forzada.
2.2.1. Ventilación natural
En este caso se aprovecha la velocidad y dirección del viento exterior para mejorar el flujo de ventilación del invernadero, sin el uso de ningún medio mecánico o eléctrico sólo con la apertura de las ventanas (lateral y cenital). A manera didáctica se realizó una simulación en Ansys (es un programa que permite obtener soluciones aproximadas de los problemas de ingeniería, mediante el método de elementos finitos contribuyendo a reducir el tiempo total de desarrollo de un proyecto) para un invernadero ubicado en el Instituto de Investigaciones Agropecuarias, en un instante de tiempo determinado, suponiendo que el viento exterior choca por el frente del invernadero, lo que podría originar entrada de viento por ambas ventanas laterales. Si una fotografía fuera tomada justo antes de abrir la ventana cenital (ventana ubicada a lo largo del techo de un invernadero), para permitir la salida del aire en el interior del invernadero, se obtendría la Figura 5, mientras que en la Figura 6 (a y b) se presenta el invernadero simulado.
Este caso hipotético es solo para enfatizar la distribución de temperatura en el interior sin el efecto que produce la apertura de la ventana cenital.
En la simulación se aprecia una distribución de temperaturas en el aire interior, a consecuencia de entrada de una masa de aire del exterior con menor temperatura que la existente en el interior del invernadero.
Figura 5. Distribución de la temperatura en el aire interior de un invernadero con ventilación natural.
Figura 6. Invernadero ubicado en el Instituto de Investigaciones Agropecuarias, Sector Santa Rosa, Mérida, Estado Mérida, Venezuela. (a) Invernaderos con ventana cenital cerrada (b) Invernadero con ventana cenital abierta.
De la Figura 5 se infiere que:
- Horizontalmente, la temperatura del aire en el centro del invernadero es mayor que en los laterales, debido al flujo de ventilación que entra por las ventanas. El flujo va disminuyendo a medida que encuentra obstáculos a su paso.
- Verticalmente, la temperatura del aire en la parte inferior del invernadero es menor que la temperatura del aire en la parte superior, debido a que el aire caliente tiene menor densidad (propiedad que permite medir que tan ligera o pesada es una sustancia, se expresa en Kg/m³) y por eso sube hacia el techo del invernadero.
La distribución vertical de temperatura del aire sugiere la importancia de que se coloque una ventana cenital, de manera que la diferencia de densidades ayude a impulsar la salida de aire caliente por la parte superior (Figura 7), mejorando la circulación y reduciendo la temperatura en el aire interior del invernadero.
Figura 7. Ventilación cenital en un invernadero que emplea solo ventilación natural.
En la Figura 8, se representa un registro de la variación de las temperaturas del aire interior, en un invernadero con malla en las ventanas laterales, ubicado en Tapipa con un altitud de 20 m. Las mediciones se realizaron a 1 y 4 m de altura. Se observa que la temperatura del aire interior a 1 m de altura oscila alrededor de 35 ºC para horas de mayor radiación, mientras que a 4 m de altura oscila alrededor de 47 ºC, lo cual corroboraría los resultados de la simulación con Ansys (Figura 5).
Figura 8. Perfil de temperaturas del aire interior (ºC) medidas a 1m y 4m de altura respectivamente, para un invernadero ubicado en Tapipa-Estado Miranda, Venezuela, durante el periodo del 27/09 al 03/10/2008.
En la Figura 9 se puede comparar la variación de temperatura del aire interior y exterior de un invernadero ubicado en La Toma, Mucuchies, a una altura de 3032 m.s.n.m.
Figura 9. Perfil de temperaturas interior y exterior de un invernadero ubicado en La Toma, ventana cenital abierta y ventanas laterales cubiertas con malla antiáfido durante las mediciones, durante el periodo del 22/04 al 29/04/2008.
Si la ubicación del invernadero aprovecha la dirección del viento predominante en las ventanas laterales en las horas de mayor radiación, se puede aprovechar un flujo de ventilación adecuado con la apertura de las ventanas para mantener la temperatura entre los límites esperados. En caso contrario si la ubicación o las condiciones ambientales externas no son las apropiadas y el microclima del invernadero presenta problemas de temperatura y/o humedad altas, es recomendable la utilización de la ventilación forzada o de otros métodos para controlar las condiciones microclimáticas.
2.2.2. Ventilación Forzada
En este caso se utilizan extractores bien sea el sistema moderno de ventilación eólica (Figura 10) o el tradicional sistema de extracción eléctrica (Figura 11) para forzar la salida de aire caliente y/o humedad del interior del invernadero. La selección del extractor y el número de extractores requeridos, depende del número de veces que es necesario remover el volumen del aire interior.
Figura 10. Extractor eólico, imagen de VentDepot.
Figura 11. Extractor eléctrico, imagen de Fredive.
3. CONCLUSIÓN
Los procesos descritos reflejan el impacto que tiene sobre el microclima de un invernadero y si bien cada invernadero es un caso especifico y son diversos los aspectos que influyen en el microclima, el manejo adecuado de la ventilación resulta crucial para el control de la temperatura y/o la humedad.
Autores:
Leyde Briceño; Ramón E. Jaimez.
Universidad de Los Andes. Facultad de Ciencias Forestales y Ambientales. Instituto de Investigaciones Agropecuarias. Merida (Venezuela).
