Ventilacion natural y nebulizacion aumentan eficiencia de enfriamiento

Se utilizan dos metodos principales para ventilar los invernaderos: la ventilacion mecanica y la ventilacion natural.

Ventilacion mecanica

La ventilacion mecanica incluye los sistemas de pared humeda que son un tipo de sistema de enfriamiento por evaporacion.

Los sistemas de pared humeda enfrian el aire cuando este pasa por material acojinado humedo; reduciendo la temperatura y humidificando el invernadero. Este tipo de sistemas funciona mejor en los climas mas calidos y secos, ya que su capacidad de enfriamiento en climas IMG_1067 humedos es muy limitada.

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

Se requiere agua para el material acolchado y se requiere electricidad para operar la bomba que hara circular el agua a traves del material acolchado, ademas de la electricidad requerida para operar los ventiladores del sistema de extraccion , comenta Kacira. El agua es un recurso valioso de disponibilidad limitada, en especial en zonas deserticas y semideserticas.

Otro problema que puede presentarse es que puede haber un gradiente de temperatura del lado del invernadero donde esta la pared humeda en comparacion con el lado mas caliente del invernadero, en el que se encuentra el ventilador de extraccion. Este gradiente puede afectar la calidad de las plantas y el rendimiento de los cultivos. 

Ventilacion natural

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

Con el financiamiento otorgado por el Fondo para el Desarrollo y la Investigacion Agricola Bilateral Estados Unidos-Israel, nos concentramos en desarrollar estrategias avanzadas de control climatico para operar en invernaderos con ventilacion natural y sistemas de nebulizacion por alta presion, dice Kacira.

Nuestros socios de Technion (Instituto Israelita de Tecnologia) en este proyecto se concentraron en crear estrategias de control climatico utilizando sistemas mecanicos de ventilacion con ventiladores y nebulizacion de alta presion 

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 energia.

Con las estrategias que desarrollamos en un invernadero con ventilacion natural y sistema de de nebulizacion de alta presion variable, pudimos mantener el clima del invernadero cerca del rango deseado, alrededor de 25 ºC con 75 por ciento de humedad relativa, para la produccion de tomate. La temperatura en el exterior fluctuaba entre 35 ºC y 40 ºC con 10 al 25 por ciento de humedad relativa. Con el sistema operando a una tasa de nebulizacion variable y una estrategia definida de dosis de ventilacion, pudimos ahorrar del 20 al 25 por ciento de agua y del 15 al 20 por ciento de electricidad, en comparacion con la estrategia de control en la que se utiliza una tasa de nebulizacion constante y una apertura de ventilacion fija. No hemos comparado los ahorros en agua y electricidad con los costos que tiene nuestro invernadero ventilado mecanicamente. Ese analisis se realizara en un futuro estudio 

Usando la nebulizacion para enfriar

En este trabajo de investigacion Kacira utilizo un sistema de nebulizacion variable de alta presion que produce gotas finas a un rango de presion 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 rapido 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 nebulizacion de alta presion, es que caiga humedad sobre las plantas y se desarrollen enfermedades. Esa es una de las grandes inquietudes que surgen con los sistemas de nebulizacion. Por lo tanto, se requiere un buen diseño, la instalacion del sistema adecuado y una buena estrategia de control. 

Kacira dice que otro reto que presentan los sistemas de nebulizacion de alta presion 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 osmosis inversa.

La nebulizacion de alta presion funciona mejor en climas secos, comenta Kacira. Si el aire exterior es humedo y caliente, la capacidad de enfriamiento del sistema de enfriamiento por evaporacion se limitara a un par de grados centigrados.

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

Mejorando el Control Climatico

IMG_6193Durante la ultima decada, Kacira ha estudiado el desarrollo de estrategias de control climatico considerando distintas variables del ambiente de invernadero junto con la aerodinamica de su estructura. Utilizando modelos bidimensionales y tridimensionales de dinamicas de fluidos computacionales (CFD), Kacira y otros investigadores de la universidad han estudiado la aerodinamica 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 climatico.

Mediante los modelos CFD, los investigadores han podido medir las dimensiones reales de los invernaderos y han añadido la geometria para determinar la forma de mejorar los patrones de flujo de aire en su interior, asi como las tasas de intercambio de aire entre la zona del dosel vegetal y el invernadero, ademas de las diversas configuraciones de ventilacion 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 geometria, configuracion y aerodinamica bajo el peor de los casos. El invernadero puede ser de cualquier forma o tamaño, con todo tipo de configuracion de ventilas, con todo tipo de condiciones climaticas y con cualquier tipo de dosel vegetal. Los modelos nos permiten analizar varias opciones de diseño y de condiciones operativas, asi como otros detalles del invernadero  comenta Kacira.

El analisis 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 patron de flujo de aire del invernadero, las tasas de intercambio de aire, las configuraciones y los diseños de las ventilas, el dosel vegetal, la radiacion solar y la nebulizacion de alta presion. 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 analisis de ingenieria que puede utilizarse con otros sistemas de agricultura bajo ambientes controlados para la produccion de cultivos ornamentales y horticolas.

Existe interes en el uso de modelos CFD para sistemas de invernaderos urbanos y de interiores, incluyendo operaciones de fabricas de plantas en interiores y granjas de produccion vertical.

Algunas compañias que estan trabajando con fabricas de plantas en interiores, granjas de produccion vertical y patrones de flujos de aire, han mostrado interes 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 area en la que queremos trabajar.

Otra area de interes 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 ¿cual 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 estan interesados en comparar ambos patrones de flujo de aire, asi como los distintos tipos de uniformidad climatica y de aerodinamica generadas por los dos tipos de sistemas de ventiladores .

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

No he visto datos que indiquen cual de esos ventiladores produce el ambiente optimo para un cultivo determinado y un sistema de invernadero determinado , comenta Kacira.

Los modelos CFD tambien 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 radiacion. Estos materiales tambien pueden analizarse utilizando modelos CFD para evaluar sus efectos en el clima del invernadero y en las respuestas de los cultivos. Nuestra investigacion tambien se enfoca en esa direccion. 

universidadagricola.com

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