Cálculo del balance energético de un invernadero
El sector de los cultivos forzados en invernadero está sumido en un continuo progreso motivado, por un lado, por la aplicación de nuevas normativas de calidad y medioambientales, y por otro, por la propia reestructuración del sector para mejorar su competitividad de cara a mantenerse en el mercado actual. El consumo energético en los in vernade vernaderos ros es un factor muy importante a considerar dentro de los costes de producción, de ahí ue se considere prioritaria la optimización energética de estos sistemas. !mplicados como siempre en el dise"o de procesos altamente eficientes estudiamos en esta ocasión la eficiencia energética de los invernaderos ue utilizan aporte por calefacción. #os centramos e$clusivamente e$clusivamente en el balance energético energético en el periodo invernal. Es decir, lo ue pretend pre tendemos emos es estu estudiar diar apli aplicacio caciones nes de inve inverna rnader deros os des destina tinados dos fund fundame amental ntalment mente e a mantener la temperatura mínima biológica durante el periodo invernal y conseguir de esta forma cultivos fuera de temporada. Temperatura óptima %demás de mantene mantenerr la temperat temperatura ura mínima biológica el objetivo es acercarno acercarnos s en todo lo posible a la temperatura óptima. En la siguiente tabla mostramos los valores adecuados para varios cultivos hortícolas en invernad invernaderos. eros.
Especie
Tomate Pepino Melón Judía Pimiento Berenjena
Temperatura Mínima letal
-2 a 0 0 0 0 -2 a 0 -2 a 0
Temperatura Mínima biológica 8-10 10-13 12-14 10-14 10-12 9-10
Temperatura óptima Noche
Día
13-16 18-20 18-21 16-18 16-18 15-18
22-26 24-28 24-30 21-28 22-28 22-26
Temp. Máxima biológica 26-30 28-32 30-34 28-35 28-32 30-32
Estos valores valores sirv sirven en como base par para a esta establec blecer er las cons consigna ignas s de func funcion ionamie amiento nto de los sistemas de climatización, además de para calcular su potencia de dise"o a través del balance de energía. Necesidades energéticas El proceso térmico originado dentro de los invernaderos agrícolas se basa en el empleo de materiales de cubierta con muy poca transmisividad a la radiación infrarroja. &os sistemas de calefacción y refrigeración se usan para controlar la temperatura interior. 'u objetivo es el de lograr valores de humedad y temperatura lo más cercanos posibles a los
óptimas de producción. En la actualidad, en el sector de los semilleros e invernaderos para flores y plantas ornamentales, está muy e$tendida la utilización de técnicas constructivas y de control climático eficientes por la elevada sensibilidad de su producción a las condiciones ambientales. El material de cubierta utilizado es uno de los factores ue influyen de forma decisiva en las necesidades de calefacción o refrigeración de las plantas cultivadas en los invernaderos. !gualmente tienen importancia la propia refrigeración ue proporcionan estas mismas plantas a través de su transpiración y el calor ue entra o sale a través de los sistemas de ventilación. Cálculo del balance energético en un invernadero El principal parámetro en el balance energético de un invernadero es la temperatura e$terior, ue determina de forma directa las necesidades de refrigeración y calefacción. (a ue lo ue nos interesa es el control de las temperaturas mínimas los principales valores de temperatura e$terior a considere son)
*
+emperatura media de las mínimas mensuales
*
+emperatura mínima absoluta del a"o na forma simplificada de la ecuación del balance de energía en el invernadero puede ser la ue descompone la energía ganada y la energía perdida por el aire en el invernadero de la siguiente forma)
n) adiación neta. cli) Energía calorífica ue es necesario aportar /cal0 o eliminar / ref 0 del invernadero. cc) 1alor perdido por conducción-convección. ren) 1alor sensible y latente perdido por la renovación del aire interior. evp) 1alor latente consumido en la evapotranspiración de las plantas y el suelo. sue) 2lujo de calor perdido por conducción a través del suelo.
3ara el cálculo del balance radiativo a nivel del invernadero se puede considerar ue la radiación neta ue calienta el invernadero es igual a la energía absorbida por la cubierta, por el suelo y las plantas menos la radiación emitida por la cubierta) 4onde) 's 5 'uperficie captadora de la radiación solar /m 60. ! 5 adiación solar incidente /78m 60
α 5 1oeficiente de absorción de la cubierta para la radiación solar /tabla 90. τ 5 1oeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación solar. 'c 5 'uperficie de suelo cubierta /m 60.
σ 5 1onstante de 'tefan-:oltzman /;,< $ => -? 78m 6 @A0 τter 5 1oeficiente de transmisión del material de cubierta para la radiación térmica. ℇter 5 Emisividad del material de cubierta para la radiación térmica.
+c 5 +emperatura absoluta de la cubierta /@0 El coeficiente de absorción de las plantas y del suelo puede calcularse como) 'iendo fp la fracción del suelo cubierto por las plantas y αpla el coeficiente de absorción de las plantas para la radiación solar /+abla =0. +abla =. 1oeficientes de absorción de una cubierta vegetal para la radiación solar y térmica en función del índice de área foliar
El coeficiente de absorción del suelo a la radiación solar se puede obtener a partir de su refle$ión a la radiación solar o albedo ρsue /tabla =0.
+abla 6. Balores del albedo para diferentes superficies desuelo.
&a temperatura de emisión de energía de la atmósfera puede estimarse a partir de la siguiente e$presión.
&a emisividad de la atmósfera se puede calcular como)
'iendo la presión parcial del vapor de agua en el aire en el e$terior)
Ce) humedad relativa e$terior
&a presión parcial del vapor saturante en el aire en el e$terior se puede calcular mediante la fórmula de Dagnus-+etens
Tabla 3. Absorbividad ( α), transmisividad ( τ) y relectividad ( δ) para dierentes tipos de radiación! coeiciente de pérdidas de calor (") y densidad ( ρc) de materiales com#nmente utili$ados como cubierta de invernaderos
Calor perdido por conducción%convección, & cc En los intercambios energéticos por conducción-convección entre el interior del invernadero y el ambiente e$terior, el calor ue pasa por unidad de superficie de cubierta /m 20 y por unidad de tiempo /s0, puede e$presarse mediante las siguientes ecuaciones)
Siendo Sd la superfcie desarrollada de la cubierta del invernadero (m2), ti la temperatura interior (°C) y te la temperatura eterior (°C)! El coeficiente global de pérdidas de calor por conducción-convección es)
/7 8 m6 10 4onde)
ec) espesor del material de cobertura /m0 Fc) conductibilidad térmica del material de cobertura /78m 9G@0 /+abla H0 he) coeficiente superficial de convección para el ambiente e$terior del invernadero /+abla ;0 I+) salto térmico entre el interior y el e$terior del invernadero /@0 v) velocidad del viento /m8s0 &) longitud del invernadero /m0 Tabla '. Conductividad térmica de algunos materiales de cubierta, λc
Tabla . órmulas emp*ricas para el coeiciente de convección e+terior determinadas por varios autores
El coeficiente superficial de convección para el ambiente interior del invernadero en función de la temperatura de la cubierta y del aire es)
Calor sensible y latente perdido por la renovación del aire interior, & ren
a entrada de aire pro!edente del e"terior #upone una p$rdida o %anan!ia de ener%ía #e%&n la# di'eren!ia# de temperatura ( )umedad en el e"terior*
4onde) Binv) volumen del invernadero /m 90 cpa) calor
del aire /a > J1 es =>><,H6;A> KGLg-=G@-=0
cpv) calor específico del vapor recalentado /a > J1 es =?M;,
* &a presión dentro del invernadero p se puede considerar igual a la presión atmosférica, ue es función de la elevación sobre el nivel del mar.
* El calor latente de vaporización se calcula como)
* &a humedad absoluta de una masa de aire hNmedo es función de la humedad relativa
C) humedad relativa El cálculo de la presión parcial del vapor en saturación se puede realizar mediante la e$presión de Dagnus o +etens
&a tasa de renovación de aire debido a la infiltración de aire a t ravés de la estructura cuando las ventanas están cerradas es función del tipo de estructura. Tabla . Tasas de renovación de aire por iniltración a través de la estructura
1uando se abren las ventanas la tasa o índice de renovación de aire del invernadero se puede calcular a partir del caudal de ventilación natural)
El caudal de aire ue entra y sale del invernadero se debe al efecto combinado de la diferencia de temperatura y del viento)
4onde) g) aceleración de la gravedad, H,?>M /m8s 60 h ) diferencia de altura entre las aperturas de ventilación lateral y cenital /m0 =6
' ) superficie efectiva de ventilación lateral /m 60 =
' ) superficie efectiva de ventilación cenital /m 60 6
1v) coeficiente adimensional del efecto del viento /+abla M0
Tabla -. alores del coeiciente de eecto eólico determinados por algunos autores
* El coeficiente de caída de presión a través de una ventana con mallas anti-insectos depende del coeficiente adimensional de pérdida de carga)
* El coeficiente adimensional de pérdida de carga a través de una ventana con malla antiinsectos puede estimarse como)
4onde) &) longitud de la apertura de ventilación /m0 C) altura de la apertura de ventilación o profundidad característica /m0 O) ángulo de apertura de una ventana con alerón /J0
") porosidad de la malla anti-insectos
3ara invernaderos sin mallas e$isten datos para varias geometrías de ventanas /+abla ?0
Tabla /. alores del coeiciente adimensional de ca*da de presión determinados por algunos autores
Calor latente consumido en la evapotranspiración de las plantas y el suelo, &evp En los Nltimos a"os se han realizado un gran nNmero de estudios para determinar el valor del calor latente en condiciones de invernadero y para diversos cultivos hortícolas. 3ara un cultivo de tomate en invernadero se puede utilizar la siguiente e$presión
+iendo R sol la radia!ión #olar diurna ,.m-2/ ,#e !orre#ponde !on lo# alore# po#itio# de R n/ ( u la elo!idad del aire en el i nernadero ,m.#-1/ Para un !ultio de %erera en inernadero lo# !oe'i!iente# de la e"pre#ión anterior #on di'erente#*
l d$'i!it de pre#ión de apor en el interior del inernadero e#*
e 'orma %eneral el 'lujo de !alor a#orido por el a%ua eapotran#pirada #e otiene a partir de la eapotran#pira!ión poten!ial dentro del inernadero
a pendiente de la !ura de pre#ión de apor #e pue de !al!ular !omo la deriada par!ial de la e!ua!ión de Murra(*
a !on#tante p#i!rom$tri!a e# 'un!ión de la pre#ión atmo#'$ri!a la !apa!idad !alorí'i!a del aire ( el !alor latente de aporia!ión*
apotran#pira!ión del !ultio*
l !alor a#orido por la eapotran#pira!ión del !ultio e#*
l !oe'i!iente del !ultio #e puede e#timar en 'un!ión del índi!e de 7rea 'oliar del !ultio*
Tabla 0. alores de los coeicientes de cultivo para los estados de crecimiento inicial 1cini, a mitad de campa2a 1c med y a inal de campa2a 1c fn de los principales cultivos ort*colas creciendo en invernaderos de plástico en Almer*a
lu4o de calor perdido por conducción a través del suelo, & sue na parte de las pérdidas de calor en el invernadero, alrededor del =>P, se producen a t ravés del suelo. 'u cálculo se realiza mediante la fórmula)
4onde) @s) coeficiente de intercambio térmico a t ravés del suelo /78m G J10 /+abla =>0 6
+s) temperatura del suelo del invernadero /J10 p* pro'undidad a la ue e#tima la di'eren!ia de temperatura ,m/
Tabla 56. Conductividad térmica de algunos tipos de suelo, 7 s
Energía calorífica que es necesaria aportar ( cal! o eliminar (ref ! "el in#erna"ero$ cli
l !alor ue e# ne!e#ario #umini#trar mediante lo# #i#tema# de !ale'a!!ión o ue )a( ue eliminar del inernadero !on lo# #i#tema# de re'ri%era!ión #e dedu!e del alan!e de ener%ía*
%ibliografía*
)orro ( e'i!ien!ia ener%$ti!a en inernadero# :
