Contribución al conocimiento del microclima de los invernaderos mediterráneos mediante anemometria sónica y termografía

Résumé

En este trabajo se ha estudiado en profundidad la ventilación natural y el microclima de un invernadero mediterráneo de estructura multitúnel, equipado con mallas anti-insectos, utilizando anemómetros sónicos bidimensionales y tridimensionales. La anemometría sónica nos ha permitido describir los patrones del flujo de ventilación natural del invernadero para los vientos predominantes de la zona (definiendo las entradas y salidas de aire) y estudiar la influencia sobre la ventilación de obstáculos próximos a los laterales del invernadero. A partir de los patrones observados se ha determinado la interacción entre el efecto eólico y el efecto chimenea en la ventilación natural del invernadero y modificado tres modelos basados en la ecuación de Bernoulli según la relación entre ambos efectos. Mediante la anemometría sónica se ha medido el caudal de ventilación (G) del invernadero para diferentes condiciones de viento en velocidad e intensidad (18 ensayos). A partir de las características aerodinámicas de las mallas anti-insectos obtenidas en un túnel de viento, se han determinado los coeficientes de descarga de las ventanas Cd (con valores medios de 0.129±0.057 para las ventanas laterales y de 0.175 ± 0.066 para la ventana cenital). A partir de los valores medidos de G, de los valores de Cd, de los valores medios de temperatura (interior Ti y exterior Te) y de la velocidad del viento ue se han calculado los coeficientes eólicos Cw del invernadero para tres modelos empíricos de ventilación [vientos de Levante Cw igual a 0.150±0.005 (modelo 1), 0.107±0.011 (modelo 2) y 0.154±0.003 (modelo 3); vientos de Poniente Cw igual a 0.177±0.087 (modelo 1), 0.281±0.134 (modelo 2) y 0.096±0.039 (modelo 3)]. En general se ha observado que la ventilación natural del invernadero es más efectiva cuando el lateral de barlovento se encuentra libre de obstáculos y la ventana cenital abre a sotavento; favoreciendo la entrada del aire por las ventanas laterales y la salida por la ventana cenital, complementándose el efecto eólico y el efecto chimenea. El coeficiente de efectividad de las ventanas Ev = Cd¿Cw0.5 fue mayor cuando ambos efectos generan un flujo de aire en el mismo sentido (Ev = 0.092 ± 0.006) que cuando se oponen (Ev = 0.041 ± 0.015). Se ha estimado que una malla de 13×30 hilos cm-2 (porosidad ¿ = 39.0%) provoca una reducción en el número de renovaciones de aire, con respecto al invernadero sin malla, del 65% en los ensayos realizados con viento de Levante y entre un 74% y 86% en los ensayos realizados con viento de Poniente. La reducción es mayor cuanto menor es la velocidad del viento y, por tanto, cuando mayores son las necesidades de ventilación. Por otro lado, sería necesaria una superficie de ventilación SV del 80% de la superficie cubierta por el invernadero SA para alcanzar 45 h-1 renovaciones de aire para una velocidad de viento de 3 m s-1. También se ha comprobado que el uso de mallas anti-insectos en las ventanas del invernadero reduce drásticamente los niveles de turbulencia, con un valor promedio de la reducción de la energía cinética turbulenta (k) del 95%, llegando a producirse disminuciones de hasta el 99.97%. En esta Tesis también se ha analizado el uso de ventiladores desestratificadores en el interior del invernadero como sistema de apoyo a la ventilación natural. Se observó que aunque los ventiladores ayudan a mezclar y homogeneizar el aire, disminuyendo los gradientes verticales de temperatura y aumentando la uniformidad de la temperatura en el interior del invernadero, la disposición estudiada (alejada de las ventanas) no favorece la entrada del aire exterior. Se ha comprobado en campo el efecto sobre la ventilación natural y el microclima del invernadero de dos mallas anti-insectos de diferentes propiedades; una malla comercial de 10×20 hilos cm-2 (porosidad ¿ = 33.5 %) y una malla experimental de 13×30 hilos cm-2 (¿ = 39.0 %) con mayor densidad de hilos que la malla comercial pero a su vez más porosa. Cada una de las mallas se instaló en las ventanas de uno de los dos sectores en los que fue dividido un mismo invernadero. En el sector donde se instaló la malla experimental se observó un mayor número de renovaciones y menor temperatura media del aire. El número de renovaciones de aire fue un 15% menor en el sector con la malla comercial, produciéndose un incremento de temperatura de 0.1ºC por punto porcentual de diferencia entre la porosidad de ambas mallas. Mediante anemometría sónica también se ha evaluado un sistema de refrigeración de paneles evaporadores y extractores de aire (variando su frecuencia de giro), se ha comprobado que es un sistema bastante efectivo para evacuar calor y reducir la temperatura del aire en el interior del invernadero. Para una frecuencia de giro de los extractores de 40 Hz el sistema mantuvo la temperatura en el interior del invernadero entre 1.2 y 2.6ºC por debajo de la temperatura exterior. La temperatura dentro del invernadero con cultivo fue entre 2.2 y 5.1ºC inferior a la temperatura registrada en otros invernaderos con ventilación natural (SV/SA = 18.8%-19.6%); y entre 1.4 y 2.4ºC inferior a la de otro sector del mismo invernadero con ventilación forzada. Estas diferencias se incrementaron de manera considerable en ausencia del cultivo. El principal inconveniente de este tipo de sistemas son los gradientes de temperatura que se generan en el interior del invernadero y en el sentido de avance del flujo de aire. Las diferencias de temperatura entre la zona más fría junto al panel y la más caliente próxima a los extractores fueron de hasta 5.6ºC en los ensayos realizados con cultivo y 8.3ºC sin cultivo. También se observaron importantes gradientes verticales de temperatura, con un valor medio de 1.0ºC m-1 y 2.0ºC m-1 para los ensayos realizados con y sin cultivo, respectivamente. De la comparación de los ensayos realizados con y sin cultivo se deduce el efecto laminador que el cultivo produce sobre el flujo de aire en el interior del invernadero. El cultivo contribuye a homogeneizar y estabilizar el flujo de aire en el interior y reduce la turbulencia del aire, a la vez que genera una dirección preferente del flujo de aire dada por la disposición de las líneas de cultivo. La anemometría sónica nos ha permitido determinar que el uso combinado de este sistema de refrigeración con los ventiladores desestratificadores es una buena alternativa para reducir los gradientes de temperatura y que su uso combinado con una malla de sombreo incrementa la capacidad del sistema para reducir la temperatura dentro del invernadero. Se ha detectado la necesidad de realizar un mantenimiento periódico del sistema y que el uso de una sola caja de medida de temperatura y humedad en el centro del invernadero no es adecuado para el control de este tipo de sistemas. Para el seguimiento de la temperatura del cultivo mediante termografía infrarroja durante los ensayos realizados para evaluar el sistema de refrigeración fue necesario determinar la emisividad de las hojas del cultivo. Se ha obtenido en laboratorio la emisividad de nueve cultivos hortícolas, recomendándose un valor de emisividad de 0.98 como referencia para la medida de la temperatura de estos cultivos.