CONTROL DEL MICROCLIMA EN INVERNADEROS, Guías, Proyectos, Investigaciones de Sociedad y Medio Ambiente

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Taller de investigación Ing. Innovación Agrícola Sustentable Beltrán Lara Ana Lucía; González Mora Natalia Abigail; González Moreno Cinthia.

EL CONTROL DEL MICROCLIMA EN LOS

INVERNADEROS

l. Antecedentes del Problema.

Los invernaderos agrícolas cuentan con un sistema de fertilización automática, un sistema de riego automatizado, e instalaciones de calefacción y refrigeración para poder mantener los cultivos de forma adecuada. Sin embargo, el productor debe estar pendiente de que se mantenga un clima ideal ya que cualquier extremo, ya sea mucho frío o mucho calor, puede arruinar todo el cultivo. Calefacción La necesidad de calentar el aire dentro del invernadero es dictada por las condiciones climáticas que se encuentran en el exterior del invernadero y la temperatura a la cual debe mantenerse el cultivo para su correcto desarrollo. El sistema de calefacción debe considerar las condiciones de funcionamiento más restrictivas, por lo que debe satisfacer las necesidades de calor durante la noche (Djevic M. & Dimitrijevic A., 2009). En un invernadero sin sistema de calefacción es posible que la temperatura de las plantas no sea la suficiente para lograr un desarrollo óptimo. Por lo que es necesario implementar algún sistema de calefacción proveniente de una fuente externa, además del obtenido por la radiación solar, con la finalidad de evitar la temperatura mínima letal y conseguir una temperatura aceptable para las plantas. Este aporte de energía constituye el principal gasto de operación que el productor debe realizar al cultivar dentro de un invernadero (Iriarte, 2002). El sistema de calefacción para invernaderos se utiliza para aumentar la energía térmica en el interior del invernadero. Los sistemas de calefacción de invernadero más importantes existentes son: almacenamiento de agua caliente, cama de piedra y piso radiante. Aparte de estos, el aislamiento de materiales (pantallas térmicas / cortinas). (Sethi V.P & Sharma S.K., 2008) Existen muchos sistemas de calefacción, pero cada sistema requiere de una inversión y por su puesto de gastos de operación dependiendo de la fuente energética que utilice para su funcionamiento.

Enfriamiento Durante el día es más difícil enfriar un invernadero que calentarlo, dado que las longitudes de onda provenientes de la radiación solar son convertidas en energía calorífica y la cubierta detiene el flujo de aire. Por lo que los sistemas de enfriamiento deben mantener las condiciones térmicas adecuadas para el desarrollo de la planta durante el periodo diurno especialmente durante el verano. Existen muchos sistemas de enfriamiento, pero la adaptación de ellos depende en una gran medida de las condiciones climáticas donde se encuentra localizado el invernadero ya que algunos sistemas no funcionarían igual en una región que en otra. Enfriamiento evaporativo El enfriamiento evaporativo es uno de los métodos más efectivos para controlar la temperatura y humedad dentro de un invernadero (Tawegoum R. et. al., 2006). La literatura consultada muestra que se pueden tener temperaturas de 6 a 8 °C más bajas dentro del invernadero comparadas con la temperatura ambiente (Sheti y Sharma, 2007, Ghosal et al., 2004, Jain y Tiwari 2001). Para la evaporación del agua se necesita calor latente de vaporización, que se obtiene del aire reduciendo su temperatura. La evaporación del agua se lleva a cabo en la almohadilla de refrigeración y el aire frío entra en contacto con el aire interior reduciendo su temperatura. (Shukla A. et. al ., 2008) Ventilación Debido a las altas temperaturas durante el verano es necesario implementar la remoción de calor, esto se logra mediante el reemplazo del aire existente dentro del invernadero por aire exterior, siempre y cuando la temperatura de este sea menor que la del aire interior (Aaslyng J.M. et. al., 2003) Existen dos sistemas de ventilación, ventilación natural y ventilación forzada. El sistema de ventilación debe elegirse de acuerdo al tipo de cultivo y características del invernadero.

Las entradas de aire exterior se disponen por la parte baja de la pared opuesta a la de los ventiladores o por ambas si la descarga es central. (Chen W. & Liu W., 2006). Se denomina forzada por el hecho de transportar aire del exterior, con su temperatura y humedad. Para luego ser descargado dentro del invernadero extrayendo la humedad, gases y carga de calor hacia el exterior. Es lógico que la temperatura mínima interior que puede esperarse con este sistema sea a lo sumo la misma que la del aire exterior. La agricultura protegida es aquella que se realiza bajo condiciones controladas y en las que el productor puede manejar y hasta cierto punto modificar las condiciones ambientales. De esta manera, minimiza el impacto que las condiciones adversas le causan al cultivo. Una de las principales estructuras utilizadas son los microtúneles, se trata más que nada, de una hilera de arcos cercanos al suelo entre los cuales se tiende una malla y aunque tenga algunas variaciones, la idea es la misma. Estas estructuras se construyen para la protección de las plantas (principalmente hortalizas) en una etapa temprana, ya que en los primeros días de desarrollo es cuando el cultivo se encuentra más vulnerable. Bajo este sistema especializado los productores logran productos de excelente calidad, en cualquier época del año, sin daños por factores climáticos y mucho menos por plagas y enfermedades. La utilización de micro túneles se originó en países con un clima templado que se veían afectados por la nieve, el frío y/o condiciones meteorológicas extremas. Los primeros registros datan del año 1850 en los Países Bajos. Sin embargo, es una fecha estimada porque existen registros de construcciones erigidas cerca de esa fecha, destinadas al crecimiento y la conservación de las uvas. Esta invención alteró las prácticas de la agricultura. Cayeron en cuenta que la mejor solución para proteger los cultivos era mediante el control de variables como la temperatura, la humedad y el agua que les permitiera crear un microclima favorable. Pero su impacto real, fue cuando ocurrieron fenómenos climáticos muy dramáticos para la época entre 1972 y 1973, que dieron pie a las normativas NEN 3859 en Holanda y

Países Bajos, considerados como unos de los pioneros en implementación e investigación sobre este tipo de sistemas. Sin embargo, otros países que también son pioneros de esta tecnología a nivel mundial son: China, España, Japón, Italia y Corea; lugares donde además se encuentran las mayores extensiones de cultivos protegidos. En América del norte son notorios los avances que han hecho en Estados Unidos y México. En América Central, Guatemala es el referente más inmediato. Derivado de la importancia de proteger los cultivos, la industria de agricultura protegida se ha convertido en uno de los pilares para el crecimiento de la industria agrícola en México. Actualmente existen varias soluciones para protección de cultivo que hoy superan las 100 mil has, de las cuales aproximadamente 26,000 has se encuentran cubiertas con micro túneles. Lo que representa casi 15 por ciento del valor total de las exportaciones agroalimentarias mexicanas. Sin embargo, aun cuando realmente ayuda al productor a reducir su riesgo de pérdida por eventos climatológicos y genera mayor productividad, es importante que el agricultor conozca las consecuencias tras las implementaciones de pasar de cielo abierto a agricultura protegida, ya que el manejo agronómico, el uso del agua y el incremento de mano de obra es evidente.

afecta de forma directa sobre la fotosíntesis de la planta, de modo que los procesos de respiración y división celular se ven alterados de algún modo. Por otro lado, con la aplicación de agua y de nutrientes podemos influir sobre la temperatura de las raíces y la humedad del aire, lo que implica una variación en la división y en el crecimiento celular. Con el control de los factores climáticos obtendremos un incremento de la calidad y la producción, aumentando la rentabilidad del cultivo. Además, podremos adelantar la siembra y con ello la recolección, lo que significa que pondremos nuestros productos en el mercado antes que otros productores, es decir, cuando los precios sean más favorables; también podremos producir en épocas extremas de frío y de calor, en las que mermaba la calidad y producción. En definitiva, podremos ser más competitivos en el mercado actual con productos de alta calidad demandados en los mercados de destino, pues los productos que no cumplan con estas características verán dificultada su comercialización lo que dará lugar, finalmente, a la desaparición de muchos agricultores.

1.3 Objetivos Objetivo General:  Proporcionar al cultivo un clima óptimo para su correcto desarrollo mediante el benéfico control del microclima en los invernaderos. Objetivos Específicos:  Conocer las necesidades y requerimientos de cada invernadero dependiendo los productos.  Conocer las ventajas y desventajas que trae consigo llevar un control del microclima en invernaderos.  Mantener un registro climático de la región para su aprovechamiento en el control del microclima del invernadero.  Adaptar a las posibilidades económicas al establecer el sistema.

2. Marco Teórico. Los invernaderos tienen diferentes tipos de cubierta, para algunas formas del techo diversamente orientadas se refieren a la radiación luminosa incidente sobre la superficie del techo y a la que penetra en el interior sobre una superficie paralela al techo, considerando un índice de 1.5 de refracción del material. El diseño de armazón del invernadero es una de las partes más importante que los horticultores deben decidir, ya que implica el gasto más elevado dentro de la inversión de un negocio que involucre a los invernaderos. El diseño y tipo de estructura define el potencial del invernadero para ventilarse o la entrada y almacenaje de radiación solar que finalmente se convierte en un aumento de temperatura. La luminosidad y radiación solar son importantes para aumentar la fotosíntesis de las plantas y elevar la temperatura del invernadero. Existe una gran variedad de tipos de invernaderos, algunos de estos cuentan con ventajas y desventajas importantes al momento de manipular los valores de temperatura. Es conveniente estudiar los tipos de estructura y en base a ese análisis poder seleccionar el sistema de control de temperatura idóneo. Invernadero tipo plano El invernadero tipo plano suele tener mala ventilación. La instalación de ventanas cenitales es bastante difícil al igual que su mecanización, debido al excesivo número de postes, alambres, piedras de anclaje, etc. Los invernaderos tipo planos pueden ser débiles si se desean instalar componentes mecanismos en su estructura horizontal ya que no soportaría un dispositivo de gran peso.

Por lo tanto, se deberá considerar la ligereza al momento de diseñar el prototipo para que pueda ser instalado este tipo de invernaderos. Invernadero tipo raspa y amagado Su estructura es muy similar al tipo plano, pero varía la forma de sostener la cubierta. Se aumenta la altura del invernadero en la cumbrera, que oscila entre 3 y 4.2 m. Dando espacio a lo que se conoce como raspa, la parte más baja es conocida como amagado. Se podrían mencionar las mismas desventajas que otorgan los tipos planos, pero el de raspa y amagado otorga una altura mayor en comparación al tipo plano. La condensación se llevaría a cabo más arriba del cultivo y el aumento de la altura significaría más espacio para calentar o enfriar Invernadero tipo túnel Se caracteriza por la forma de su cubierta y por su estructura totalmente metálica. El empleo de este tipo de invernadero es extendido por su mayor capacidad para el control de los factores climáticos, su gran resistencia a fuertes vientos y su rapidez de instalación al ser estructuras prefabricadas. La ventilación se realiza mediante ventanas cenitales que se abren hacia el exterior del invernadero y ventanas sotavento. Invernaderos tipo capilla En estos invernaderos la ventilación es por ventanas frontales y laterales. Cuando se trata de estructuras formadas por varias naves unidad provoca la ausencia de ventanas cenitales dificultando la ventilación. Para resolver este inconveniente se creó la estructura diente de sierra, otro tipo de invernadero con paredes laterales es la techumbre estructurada en arco. De cúpula fija o tipo chino Se puede construir con diferentes materiales siguiendo un diseño básico en el que el biogás es colectado en una cúpula fija. Este biodigestor se compone de un registro de carga, el digestor y un tanque de compensación para el tratamiento del residual porcino es pequeña y mediana producción, se construye un cilindro con bloques de hormigón y

respiración-transpiración se ve afectado. Es por ello por lo que las elevadas temperaturas, hecho conocido por todos, provocan pérdidas de producción y calidad. Sin embargo, la variación de la temperatura se encuentra estrechamente relacionada con la humedad; Cuando la temperatura sube, el aire es capaz de absorber una mayor cantidad de humedad. Es por ello que un control sobre la temperatura tanto en exceso como en defecto, implica un control de la humedad. Para regular el exceso de temperatura se pueden emplear varios medios: 1- Ventilación:  Ventilación pasiva o natural: Se realiza mediante la incorporación al invernadero de ventanas tanto laterales como cenitales, debiendo llegar a un óptimo de ventilación del 30%. Es muy importante la distancia entre las ventanas cenitales, laterales y la altura del cultivo (limitante cuando el viento es suave). También es muy importante la forma y orientación de las ventanas en función de los vientos dominantes (barlovento y sotavento). En la actualidad, se instalan ventanas abatibles de tubo cremallera y bandas enrollables desde arriba.  Ventilación forzada: Otro tipo de solución es la instalación de ventiladores helicoidales de gran caudal entorno a los 40.000 m3/h. Este sistema sirve para evacuar zonas de acumulación de calor (partes altas de invernaderos con pendiente). También es frecuente el empleo de destratificadores. 2- Pantallas de sombreo y mixtas Hasta hace poco tiempo se utilizaba el encalado como único método para el control de la radiación solar que daba como resultado una importante reducción de la temperatura. Hoy en día se utilizan las mallas de sombreo, pero su manejo requiere de un controlador climático para abrirla o cerrarla en función de la humedad relativa interior.

Además, en los últimos tiempos se están empleando pantallas mixtas que combinan propiedades de sombreo y de ahorro energético, ofreciendo una gran ventaja de manejo y de instalación, de modo que por el día se usan para controlar el exceso de T, y durante la noche para mantener una T mínima y ahorrar calefacción (hasta un 30%). 3- Nebulización (alta y baja presión) En el caso del empleo de la nebulización para disminuir la temperatura en el interior del invernadero se dispone en la actualidad de varias opciones:  Nebulización a alta presión (Fog system) Se trata de una serie de boquillas colocadas a lo largo de tuberías timbradas para soportar presiones de trabajo de 60-70 bares (se necesita un mínimo de 40 bares de presión). Se suele colocar una cada 8-10 m2, y el caudal de agua que se vaporiza por boquilla está entorno a los 5 l/h (60-70 bares). El diseño de la boquilla es muy importante. El chorro de agua choca con un obstáculo en la boquilla de forma que provoca un cono de gotas de las cuales el 95% son menores de 20 micras de diámetro. La calidad de agua también es de vital importancia para evitar obturaciones. Si el agua es superficial requiere una dosificación de 0.5 ppm de Cl. Cuando las aguas empleadas contienen gran cantidad de cal ha de instalarse, además, un descalcificado o una planta de ósmosis. Actualmente es el mejor sistema para bajar temperatura y aumentar humedad, debido a que la fina gota que provoca se evapora en el ambiente y no llega a mojar la planta.  Nebulización a baja presión El sistema es similar al fog system pero la baja presión a la que trabaja (4-6 bares), provoca una gota muy grosera y suele mojar la planta. Es eficiente en algunos cultivos en épocas muy calurosas de máxima evaporación, pero en semilleros y plantas ornamentales es muy perjudicial por las manchas que provoca la gota de agua.  Cooling system

Se trata de otro método pasivo cuya función es la de promover una ganancia térmica y evitar condensaciones. Consiste en la colocación de una capa de plástico, por debajo de la cubierta principal, de unas 50-100 m, separada de la cubierta de 2 a 10 cm. En el interior se aplica aire a presión, para formar un colchón de aire. El ahorro de energía que produce está entorno al 30%, además de dotar al invernadero de una mayor resistencia estructural. Sin embargo, reducen la transmisión de la luz alrededor de un 10 % al no poder ser retiradas durante el día. En cuanto a los métodos activos de incremento de la temperatura, disponemos de ventilación y calefacción. 3-Calefacción Los motivos por los que en determinadas circunstancias interesa aumentar la temperatura en el interior de un invernadero son las de incrementar la velocidad de crecimiento de las plantas, la de reducir la humedad relativa del ambiente y la de eliminar los riesgos de heladas. En el caso de emplear calefacción, además de evitar la llegada a la temperatura mínima letal del cultivo se ha de intentar aportar la temperatura óptima de crecimiento, teniendo siempre presente que al no dejar de renovar el aire, habrá una pérdida de calor. La calefacción puede realizarse por agua o aire caliente.  Calefacción por aire caliente Entre los sistemas de calefacción, es el que menor coste de instalación supone. La corriente de aire que produce elimina la condensación de la cara interna del invernadero y resulta ser un sistema sencillo de regulación de la temperatura, además de ser aprovechable en verano si re emplea como destratificación. Sin embargo, la distribución de calor resulta irregular, no proporcionando uniformidad en cuanto a la temperatura del interior del invernadero se refiere. Además, la potencia térmica que puede proporcionar es limitada y el consumo de combustible es elevado. Otros puntos en su contra es que sólo calienta la parte aérea de la planta y, en caso de avería, el enfriamiento del aire se produce rápidamente.

Existen dos formas de calentar el aire, bien por combustión directa o indirecta. Cuando la combustión se produce de forma directa, además de elevar la temperatura se realiza un aporte extra de CO2 y de humedad al ambiente, pero pueden darse casos de fitotoxicidad. Los combustibles empleados son limpios (gas natural, propano…). La gran ventaja de este sistema es la extrema sencillez constructiva. Por otro lado, tenemos la calefacción por aire caliente generada por combustión indirecta de gasoil, lo que implica la necesaria evacuación de los gases generados a través de chimeneas.  Calefacción por agua caliente Se trata de un sistema de calefacción que se aplica al suelo mediante gran cantidad de emisores, proporcionando una muy buena uniformidad en la temperatura del aire. Además, representa un ahorro energético frente a la calefacción por agua caliente de un 10 a un 20 %, especialmente cuando son frecuentes los vientos fuertes. El incremento de temperatura conseguido también es superior y, además de la parte aérea, calienta las raíces, permitiendo una diferencia entre la temperatura de ambas inferiores a los 5-7ºC. Los inconvenientes de este sistema respecto al de aire es su elevado coste, suponiendo unas cuatro veces más. Tampoco su respuesta a los cambios de temperatura es rápida. Otro punto en su contra es la necesidad de una sala de calderas y el mantenimiento del sistema es elevado. En calefacción por agua caliente podemos diferenciar el sistema a baja y alta temperatura, donde la primera tiene un salto térmico de 10ºC (el agua de entrada está a 50 ºC y la de salida a 40) y el de alta presión tiene un salto térmico de 20 ºC debido a que el agua a la entrada tiene 80 ºC y a la salida 60 ºC. Las ventajas del sistema de calefacción por agua caliente a baja temperatura respecto al sistema por alta temperatura son, por una parte, el ahorro de combustible para calentar el agua, los menores costos de instalación y la economía de los materiales (plásticos frente a los de acero para alta temperatura), sin embargo, presenta el inconveniente del mayor costo de bombeo por necesitar más caudal de agua.