Con todo, la ecuación global de equilibrio energético que plantea SCI es la siguiente:

Transcripción

1 BALANCE ENERGÉTICO DEL INVERNADERO MEDIANTE SCI SCI utiliza patrones horarios de distribución de la radiación solar, la temperatura y la humedad relativa a lo largo del día, de forma que permite obtener el clima medio horario en cada localización, partiendo de valores medios diarios. Si la estrategia de utilización de SCI se establece a partir de los valores medios mensuales de las anteriores variables para una serie de años, el simulador caracterizará la evolución horaria de las variables ambientales para un día tipo de cada mes, la cual es la que mejor representa el patrón de comportamiento diario medio en cada localidad objeto de estudio. Para establecer la simulación, SCI emplea datos de parámetros del invernadero, de las técnicas de climatización empleadas, del manejo del clima y del cultivo implantado. Los resultados de la simulación se corresponden con la evolución horaria de las variables climáticas y tecnológicas (operación de los sistemas de acondicionamiento climático) del invernadero. Para el establecimiento del balance energético del invernadero, SCI usa un modelo formal estático complejo, con definición físico-matemática de los procesos de transmisión de calor y masa. El cálculo del suministro de CO2 empleado en la fertilización carbónica del cultivo se realiza a partir del flujo de ventilación y de las necesidades de los vegetales para obtener una concentración de CO2 óptima para el cultivo. El modelo energético empleado por SCI contiene los siguientes componentes de intercambio térmico y másico: Calor ganado por calefacción, Qcal [W m -2 ]. Calor ganado por absorción de la radiación solar, QRS [W m -2 ]. Calor perdido por el intercambio convectivo-conductivo a través de la cubierta, U (Tint-Text) [W m -2 ]. Calor perdido por transpiración del cultivo, Qtrans [W m -2 ]. Calor eliminado por los sistemas de refrigeración, Qref [W m -2 ]. Calor interceptado por la malla de sombreo, Qmalla [W m -2 ]. Calor disipado por ventilación, Qvent [W m -2 ]. Con todo, la ecuación global de equilibrio energético que plantea SCI es la siguiente:

2 Q cal Q U(T T ) Q Q Q Q Ec. 1 RS int ext trans ref malla vent Las expresiones de los distintos componentes de intercambio térmico que participan en la formulación del equilibrio energético son incluidas a continuación: Q RS b τ RS Ec. 2 Q trans LAI ρaire Caire (PVint PV ie) Ec. 3 (RE 125) Q malla RS (1 s %) Ec. 4 Q vent Q Q Ec. 5 V,sen V,lat Q Q C ρ aire aire φ vent (Tint Text ) Ec. 6 A V, sen cub C aire ρ aire φ vent (PV int PV ext ) Ec. 7 A V, lat cub A vent inf 2 A Vv (T T ) Ec. 8 inf int finf A cub A vent ε Ec. 9 ext Por su parte, para el cálculo del suministro de CO2 para la fertilización carbónica del invernadero, SCI plantea el siguiente balance de masas de CO2: dco dt int G S L P Ec. 10 n siendo G el flujo de CO2 desprendido desde el suelo (kg s -1 ), S el suministro artificial de CO2 (kg s -1 ), L la concentración de CO2 a compensar por ventilación (kg s -1 ) y Pn la tasa de asimilación de CO2 por parte del cultivo (kg s -1 ). Para la cuantificación del flujo de CO2 desprendido del suelo se tomó el valor experimental de 0,123 g m -2 h-1. Por infiltración y ventilación, procesos incorporados en la expresión del flujo de ventilación del invernadero ( vent), y de las necesidades de los vegetales para mantener una concentración de CO2 óptima para el cultivo (Coint), se obtiene la expresión: Co = Coint Coext Ec. 11 Con lo que el flujo de CO2 a introducir en el invernadero será:

3 L = t vent Co (44/22.4) 10-3 Ec. 12 continuación. Las abreviaturas y subíndices empleados en las expresiones anteriores se relacionan a Abreviaturas: A Área [m 2 ]. b Coeficiente de conversión de energía de radiación en calor sensible [tpu]. C Calor específico [J m -3 ºC-1 ]. Co Concentración [ppm]. G CO2 procedente del suelo [kg s -1 ]. Hr Humedad relativa [%]. I Intensidad de radiación PAR [W m -2 ]. J Tasa potencial de saturación de electrones [ equivalentes m -2 s-1 ]. K Coeficiente de extinción radiativa de la cubierta [tpu]. KC Ko Constante de Michaelis para el CO2 [ bar]. Constante de Michaelis para el O2 [ bar]. Q Flujo de calor [W m -2 ]. L Concentración de CO2 a compensar por ventilación [kg s -1 ]. LAI Índice de área foliar [tpu]. P Flujo de CO2 a compensar [m 3 h-1 ]. Pn Tasa de asimilación fotosintética de CO2 [kg s -1 ]. PAR Radiación fotosintéticamente activa [W m -2 ]. PV Presión de vapor [Pa]. R Tasa de respiración [kg s -1 ]. RE Resistencia estomática [s m -1 ]. RS Radiación solar media diaria [W m -2 ]. S Suministro de CO2 [kg s -1 ]. T Temperatura [ºC]. t Tiempo [s]. U Coeficiente de perdidas de la cubierta [W m -2 ºC-1 ] Vv Velocidad del viento media mensual [m s-1]. z Altura [m].

4 Coeficiente de eficiencia foliar de la radiación solar [tpu]. Ángulo de apertura de ventanas [º]. Flujo [m 3 s-1 ]. Constante psicométrica [Pa K -1 ]. Conductancia foliar [m s -1 ]. Densidad aparente [kg m -3 ]. Índice de transmitancia de la cubierta [tpu]. Punto de compensación de ausencia de respiración [ bar]. Subíndices: aire cal cub CO2 ext H2O ie inf int lat malla max ref RS sen trans vent total Del aire Calefacción Cubierta del invernadero Dióxido de carbono Exterior del invernadero Agua Interior de los estomas Infiltración Interior del invernadero Latente Malla de sombreo Máximo Refrigeración Radiación solar Sensible Transpiración Ventilación Total Tal y como se ha comentado con anterioridad, el empleo del SCI permite la simulación climática y de las necesidades de CO2 para el enriquecimiento carbónico de invernaderos, en una localización geográfica concreta, a partir de datos de las características del invernadero, de las técnicas de climatización empleadas, del manejo del clima y del cultivo implantado.

5 Respecto al interface con el usuario, SCI presenta cinco pantallas de introducción de datos, en las cuales se ha de incorporar el conjunto de informaciones que el simulador necesita para su ejecución. A continuación se muestran las cinco pantallas mencionadas. Las variables de características del invernadero, de técnicas de climatización empleadas, del manejo del clima y del cultivo implantado que utiliza SCI se relacionan seguidamente, con la indicación en las propias figuras de los datos empleados en la simulación de ejemplo: Municipio de Calvarrasa de Abajo (Salamanca), cultivo de flor cortada y escenario de temperaturas de consigna ideales de calefacción (16 ºC de noche y 25 ºC de día).

6 Pantalla de información de base Figura 1. Simulador climático de invernaderos (SCI): Pantalla de información de base. Altura del emplazamiento sobre el nivel del mar (m) = 793 m. Latitud del emplazamiento (º) = 41º. Número ordinal en el año de cada uno de los días tipo en los que se realiza la simulación.

7 Pantalla de datos climáticos Figura 2. Simulador climático de invernaderos (SCI): Pantalla de datos climáticos. Valores medios mensuales de las temperaturas media de máximas (ºC), media de medias (ºC) y media de mínimas (ºC), de la humedad relativa media (%), de la radiación solar global media diaria (W m -2 ) y de la velocidad del viento (m s -1 ), los cuales se aplican a cada uno de los días tipo en los que se realiza la simulación. Concentración de CO2 (vpm) media anual en el aire exterior.

8 Pantalla de características del invernadero Figura 3. Simulador climático de invernaderos SCI: Pantalla de características del invernadero. Características constructivas del invernadero. Para el módulo funcional básico de invernadero con el que se ha hecho el presente informe, los valores de las características constructivas son las siguientes: - Invernadero industrial multitunel con ventilación continua cenital. - Longitud de un módulo (m) = 120 m. - Distancia entre canalones (m) = 8 m. - Altura del canalón al suelo (m) = 4 m. - Altura del canalón a la cumbrera (m) = 1 m. - Área de las ventanas (m 2 ) = 80 m 2. - Número de módulos del invernadero = Superficie del invernadero: m 2. Correspondiente a aproximadamente m 2. - Superficie de la cubierta: m 2. - Volumen del invernadero: m 3. - Anchura de la ventana: 1 m.

9 - Superficie de ventilación: 120 m 2. Parámetros del comportamiento energético del invernadero: - Factor de perdidas del invernadero por conducción-convección (W m -2 ºC-1 ) = 10 W m -2 ºC-1. - Factores de transformación de la radiación solar en calor sensible (tpu), con (0.4 tpu) y sin calefacción (0.6 tpu). Material de cubierta: Plástico rígido (placa ondulada de policarbonato, metacrilado o similar) en los cerramientos laterales y plástico flexible (film tricapa de polietileno térmico o similar) en la cubierta. - Transmisividad de la cubierta a la radiación solar (%) = 88 %. - Factor de infiltración del aire en el invernadero, en función de su hermeticidad (tpu) = 0,0005 tpu (cubierta no aislada pero sin agujeros aparentes). Parámetros del cultivo: - Cultivo ornamental de bajo porte cultivado en sustrato o contenedores. - Factores de ajuste exponencial de la resistencia estomática de las hojas en función de la radiación solar y de la temperatura. Resistencia estomática del cultivo, correspondiente a un cultivo ambiestomático: e -0,0087 RSi (s m -1 ), siendo RSi (W m -2 ) la radiación solar global incidente. - Concentración de CO2 de inhibición fotosintética (vpm) = 220 vpm. - Índice de ocupación del invernadero (%) = 75 %. - Superficie cultivada: m 2. - Índice de área foliar (LAI, tpu) del cultivo. Se ha de especificar para cada uno de los meses del año mediante una pantalla emergente de introducción de datos (Figura 4). Indicar que el dato del LAI influye en el comportamiento del simulador, al variar la superficie foliar que interacciona con el ambiente (Figura 5).

10 Figura 4. Simulador climático de invernaderos (SCI): Pantalla de datos del LAI. Temperaturas (ºC) 40 T ext T int Días medios de los 12 meses del año Temperaturas (ºC) 40 T ext T int Días medios de los 12 meses del año Figura 5. Simulador climático de invernaderos (SCI): Comportamiento del simulador ante cambios del LAI.

11 Pantalla de características de manejo Figura 6. Simulador climático de invernaderos (SCI): Pantalla de características de manejo. Temperaturas de consigna (ºC) de cada actuador: calefacción (consignas diurna y nocturna, o consigna constante a lo largo del día), ventilación, refrigeración activa y malla de sombreo. En la presente simulación se han empleado los siguientes valores de referencia: - Calefacción con escenario de consignas ideales: 16 ºC de noche y 25 ºC de día. - Ventilación: 27,5 ºC (primera actuación de refrigeración). - Malla de sombreo: 30ºC (segunda actuación de refrigeración). - Refrigeración activa (se ha considerado nebulización): 32,5 ºC (tercera actuación de refrigeración). - Potencia de calefacción disponible para el simulador (W m -2 ) = 500 W m Porcentaje de sombreo de la malla (%) = 60 %. - Potencia de refrigeración disponible para el simulador (W m -2 ) = 500 W m Ángulo máximo de apertura de las ventanas interior (º) = 10 º. - Concentración de CO2 de consigna para el sistema de enriquecimiento carbónico (vpm) = vpm.

12 - Humedad relativa interior de consigna: Valor medio de %, valor máximo de % y valor mínimo de 50 %.

13 Pantalla de ejecución Figura 7. Simulador climático de invernaderos (SCI): Pantalla de ejecución. Error de cálculo (ºC) admitido en la simulación de la temperatura interior. Mediante los botones de ejecución incorporados en esta pantalla se puede lanzar la simulación (botón Simulación ), mostrar los resultados de la simulación (botón Resultados ) o salir de las pantallas de introducción de datos (botón Salir de menú de cálculo ).

14 Los resultados obtenidos con el SCI se muestran en tablas y se corresponden con la evolución anual, hora a hora, de las siguientes variables: Temperatura final después de usar todas las actuaciones (calefacción, climatización, sombreo y ventanas) (ºC). Resumen de temperaturas exteriores (ºC). Radiación solar incidente (W m -2 ). Radiación dentro del invernadero con malla, si fuera precisa (W m -2 ). Perdidas del invernadero U(T int - T ext) (W m -2 ). Calor de transpiración del cultivo (W m -2 ). Potencia usada de la calefacción (W m -2 ). Potencia usada de la refrigeración (W m -2 ). Calor disipado por la ventilación (W m -2 ). Temperatura en que queda el invernadero si no se realizase ninguna actuación (ºC). Temperatura en que queda el invernadero si sólo se realizase la actuación de la calefacción (ºC). Temperatura en que queda el invernadero después de realizar la calefacción y la 1ª actuación (ºC). Temperatura en que queda el invernadero después de realizar la calefacción, la 1ª y la 2ª actuación (ºC). Concentración de CO2 a compensar por perdidas de ventilación y fotosíntesis (kg h -1 ). Humedad relativa exterior (%). Humedad relativa interior (%).