Sistema pasivo de calefacción para mejorar el microclima del invernadero mediterráneo

Artículo técnico

Sistema pasivo de calefacción para mejorar el microclima del invernadero mediterráneo

M.C. Sánchez-Guerrero Cantó, E. Medrano P. Fernández del Olmo y P. Lorenzo pilar.lorenzo@juntadeandalucia.es 2018

Artículo técnico

Cultivo / Tecnología

Sistema pasivo de calefacción para mejorar el microclima del invernadero mediterráneo

Por María Cruz Sánchez-Guerrero Cantó, Evangelina Medrano Cortés, Pablo Fernández del Olmo y Pilar Lorenzo Mínguez Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera - IFAPA Centro La Mojonera, Almería.

Índice

Pág.

1. Introducción

3

2. Descripción experimental

4

3. Resultados

7

4. Conclusión

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5. Agradecimientos

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6. Referencias

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Cítanos

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1. Introducción La horticultura mediterránea se basa generalmente en el uso de invernaderos con un bajo nivel de tecnificación que determina unos resultados productivos alejados del potencial en relación con las características climatológicas locales (Lorenzo y col., 2016). Durante el invierno, cuando los precios de los productos son más elevados, las temperaturas mínimas son sub-óptimas por lo que limitan la producción y determinan amplias variaciones de calidad y cantidad.

La incorporación de sistemas pasivos de calefacción podría permitir una revalorización en términos de sostenibilidad de la horticultura protegida mediterránea.

En este sentido, la acumulación de calor en el interior de los invernaderos mediante mangas de polietileno flexible llenas de agua ha sido motivo de estudios previos (Grafiadellis, 1986; Montero y col., 1987; Mavrogianopoulos y Kyritsis, 1993) y recientemente, Baeza y col. (2017) han obtenido incrementos significativos de la producción al integrar el uso de nuevos materiales de cubierta de elevada transmisividad de la radiación fotosintéticamente activa (PAR), con el uso de aditivos en los sistemas de acumulación de calor para aumentar la absorción de radiación del infrarrojo cercano (NIR).

Por otra parte, la incorporación nocturna de pantallas térmicas supone una barrera adicional que reduce las pérdidas de calor del invernadero por convección y ventilación (Kittas y col., 2013).

Un estudio teórico mostró que, en un sistema de almacenamiento energético basado en mangas de polietileno transparente llenas de agua, la integración de tubos perforados inflados por una bomba de aire, colocados en la parte superior de la manga, y de una pantalla térmica, podría suponer una reducción de las pérdidas térmicas por radiación desde el sistema de acumulación en al menos un 60% (Ntinas y col., 2017).

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En el Centro IFAPA La Mojonera (Almería) se evaluó el efecto de la incorporación combinada de acumuladores de calor y pantalla térmica sobre el microclima del invernadero durante periodos fríos.

2. Descripción experimental El estudio se realizó en dos invernaderos de cubierta plástica, tipo multitúnel de 720 m2, orientados E-O y equipados con ventanas cenitales y laterales automatizadas. En ambos invernaderos se desarrolló un cultivo de pimiento (Capsicum annuum ‘SV1204PB’) durante 211 días desde su trasplante el 22 de agosto de 2017, a una densidad de 2,53 plantas m-2.

En uno de los invernaderos se incorporó un sistema pasivo de calefacción (CP) compuesto de acumuladores de calor y pantalla térmica móvil (Harmony 3647, Svensson) y el otro invernadero se consideró como referencia (R) sin calefacción.

La acumulación de calor se llevó a cabo mediante la colocación de 20 mangas de polietileno flexible (longitud: 21,5 m, diámetro: 0,25 m) distribuidas en pares en pasillo alternos entre líneas de cultivo, sobre láminas de polipropileno negra para limitar las pérdidas de calor hacia el suelo del invernadero (Img.1).

Las mangas se llenaron de agua a razón de 30 L m-2.

Desde el trasplante hasta primeros de octubre la malla móvil se utilizó como pantalla de sombreo y se activó por consignas de radiación global exterior, aumentadas progresivamente desde 300 hasta 650 W m-2.

A partir de octubre la malla móvil se programó para su actuación como pantalla térmica, mediante consignas combinadas de hora solar (hs) y radiación global exterior que fueron modificadas a lo largo del ciclo (Inicio: 16:30-18:00 hs y RG < 100-150 W m-2; Fin: 8:00-9:00 hs y RG > 25 W m-2).

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Img.1 Cultivo con sistema pasivo de calefacción

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Se midieron la temperatura y la humedad en el aire con aspiropsicrómetros (Ektron III, HortiMax) y la radiación global incidente sobre el cultivo con piranómetros (CS300, Campbell Sci.). Un piranómetro adicional se situó justo por encima de una manga para evaluar la influencia del desarrollo del cultivo.

La temperatura del agua se midió en el interior de 3 mangas mediante termistores (Model 108, Campbell Sci.) colocados en su parte central (Img.2).

El mismo tipo de sensor se utilizó para medir la temperatura en el sustrato (3 por invernadero). La radiación global y la temperatura del aire en el exterior se midieron con una estación meteorológica (HortiMax). Se evaluó el efecto de la CP durante los meses fríos (noviembre-marzo) sobre las variables climáticas, a partir del registro cada 15 minutos del promedio de las medidas realizadas cada minuto en ambos invernaderos.

Img.2 Sensor temperatura en agua interior mangas

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3. Resultados En la Figura 1 se ilustra el comportamiento térmico experimentado en el agua de los acumuladores térmicos y en el aire de los invernaderos, a lo largo de 24 horas en condiciones de cielo despejado (15-16 de enero). Se observa cómo el agua en el interior de las mangas de la CP se calienta conforme avanza el periodo diurno y alcanza su máxima temperatura con cierto retraso respecto al aire debido a su mayor inercia térmica; después, el aire se enfría y se genera un gradiente térmico agua-aire que favorece la emisión de calor desde las mangas, coincidiendo con la activación de la pantalla.

Como resultado, la temperatura nocturna del aire en el invernadero CP aumentó en 2,2-3,3 ºC respecto al R. En este caso, el sistema pasivo de calefacción evitó la inversión térmica en el invernadero respecto al exterior y mejoró los niveles térmicos mínimos registrados en el invernadero de referencia en un rango muy desfavorable para el cultivo (6-10 ºC).

Figura 1. Evolución durante 24 horas, entre los días 15 y 16 enero, de: radiación global exterior (RG), posición de la pantalla térmica (%) en CP y temperatura (T) del aire en el exterior e interior de los invernaderos con y sin calefacción pasiva (CP y R respectivamente), así como del agua contenida en las mangas de CP.

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En la figura 2 se muestra el análisis de los cambios térmicos experimentados en los acumuladores de calor a lo largo del periodo evaluado. La temperatura del agua (Tagua) (Figura 2.A) alcanzó valores máximos en marzo (28,2 ºC) y mínimos en enero (14,7 ºC). La media semanal de máximas y mínimas diarias se movían en los rangos de 20-24 ºC y 16–20 ºC, respectivamente. El incremento máximo diario de Tagua mostró una relación lineal con la integral diaria de radiación global en el invernadero CP (Figura 2.B) y fue por término medio de 4ºC. Estos resultados ponen de manifiesto el interés que puede suponer la aplicación de este sistema pasivo en el área mediterránea con elevada incidencia de radiación.

Figura 2. A) Evolución durante los meses de noviembre-marzo de los valores semanales máximos, medios de máximos, medios de mínimos y mínimos alcanzados por la temperatura del agua (Tagua) en el interior de las mangas plásticas. B) Relación entre la integral diaria de radiación global en el interior del invernadero CP (RGCP) y el incremento máximo diario en la temperatura del agua en las mangas (ΔTagua).

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A medida que el cultivo fue creciendo se observó un mayor efecto de sombreo sobre las mangas de plástico (Figura 3) que supuso una reducción de la radiación incidente sobre las mangas respecto a la incidente sobre el cultivo, del orden del 26% en noviembre (A) y del 56% en diciembre y en enero (B,C).

Minimizar este efecto de sombreo podría incrementar la acumulación de calor en el agua, mejorando así la eficiencia del sistema.

Figure 3. Evolución diaria de la radiación global (RG) incidente sobre el cultivo y sobre el sistema de acumulación de calor, en diferentes fases del crecimiento del cultivo.

La Figura 4 muestra el resumen de la evolución del microclima de los invernaderos durante el periodo frío del cultivo (noviembre-marzo). La radiación global (RG) interior varió en el rango de 4-9 MJ m-2 d-1, con ligeras diferencias entre CP y R debidas a la actuación de la pantalla (Figura 4.A).

El sistema pasivo de calefacción aplicado permitió un incremento de los niveles mínimos de temperatura del aire de 2,5-3,4ºC, respecto al invernadero de referencia (Figura 4.B). Este efecto es superior al aumento de 1-2,5ºC encontrado por Baeza et al. (2017) al incorporar en invernadero tipo ‘Parral’ un sistema similar de acumuladores de calor, pero sin combinar con pantalla térmica.

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Los valores medios semanales de temperatura mínima en CP se situaron en 10,7-14,4ºC mientras que en R estuvieron en 7,7-11,7ºC; estas diferencias suponen una ventaja muy importante ya que niveles térmicos inferiores a 12ºC son limitantes para el desarrollo y la producción de los cultivos (Lorenzo, 2012).

Respecto a los valores térmicos máximos, ambos invernaderos se comportaron de manera similar. El déficit de presión de vapor del aire (DPV) adquirió valores máximos ligeramente más bajos (< 0.3 kPa) en el invernadero CP que en el R (Figura 4.C), debido probablemente a la influencia del cultivo (mayor biomasa en CP que en R, datos no mostrados). En cuanto a la temperatura del sustrato (Figura 4.D), se observó un efecto positivo de la calefacción pasiva, con incrementos en torno a 1,5 ºC en las medias en CP respecto a R.

Figura 4. Evolución del microclima en el interior de los invernaderos con calefacción pasiva (CP) y referencia (R): A) integral de radiación global (RG), B) temperatura del aire (Taire), C) déficit de presión de vapor (DPVair) and D) temperatura de sustrato (Tsustrato). Los datos mostrados en B, C and D son los máximos (---), medios (─) y mínimos (…) registrados en los invernaderos (líneas rojas: CP; líneas azules: R).

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4. Conclusión La aplicación de un sistema pasivo de calefacción en invernadero mediterráneo, consistente en la combinación de acumuladores de calor y pantalla térmica nocturna, mejoró notablemente las temperaturas mínimas registradas durante el periodo frío, evitando la inversión térmica, y mostró un efecto positivo sobre la temperatura del sustrato de cultivo.

Se encontró una estrecha relación lineal entre la integral diaria de radiación incidente y el incremento máximo en la temperatura del agua en los acumuladores de calor. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto el interés del sistema como alternativa sostenible para mejorar el microclima del invernadero durante el periodo frío.

5. Agradecimientos El trabajo ha sido cofinanciado al 80% por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional, dentro del programa Operativo FEDER de Andalucía 2014-2020, en colaboración con IFAPA a través del proyecto AVA201601.7 “Innovación Sostenible en Horticultura Protegida”.

Los autores agradecen la colaboración de SOLPLAST S.A., SVENSSON and Monsanto Agriculture Spain S.L.U.

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6. Referencias ▪ Baeza, E.J., Medrano, E., Sánchez-Guerrero, M.C., Sánchez-González, M.J., Porras, M.E., Giménez, M., Lorenzo, P. (2017). An alternative to conventional fossil fuel heating systems: wáter filled passive NIR absorbing polyethylene sleeves. Acta Horticulturae: 1170 (2), 765772.

▪ Grafiadellis, M. Development of a passive solar system for heating greenhouses. 1986. Acta Horticulturae 191, 245-252.

▪ Kittas, C.; Katsoulas, N.; Bartzanas, T.; Bakker, S. 2013. Greenhouse climate control and energy use. In: Good Agricultural Practices for greenhouse vegeteble crops. Eds.: W. Baudoin; R. Nono-WomdimN. Lutaladio; A. Hodder; N. Castilla; Ch. Leonardi; S. De Pascale; MQaryouti. FAO, 63-95.

▪ Lorenzo, P. 2012. El cultivo en invernadero y su relación con el clima.

En: Innovación en estructuras productivas y manejo de cultivos en agricultura protegida. Cuadernos de Estudios Agroalimentarios. CEA 03. Edita: Fundación Cajamar. ISSN: 2173-7568. Pp: 23-44.

▪ Lorenzo, P.; Sánchez-Guerrero, M.C.; Medrano, E.; Baeza, E.; López, J.C.; Magán, J. J.; Fernández M.D.; Pérez-Parra, J. 2016. Invernaderos.

En: El sistema de producción hortícola protegido de la provincia de Almería. Eds.: M.C. García-García, A.J. Céspedes López, J.J. Pérez Parra y P. Lorenzo Mínguez. IFAPA. 61-109.

▪ Mavrogianopoulos, G.N., Kyritsis, S. 1993. Analysis and performance of a greenhouse with water filled passive solar sleeves. Agricultural and Forest Meteorology (65), 47-61.

▪ Montero, J.I., M. Mafia, T. Serrano, and S. Anton. 1987. Energy conservation and renewable energies for greenhouse heating, C. Von Zabeltitz (ed.), FAO. ▪ Ntinas, G.K.; Fragos, V.P.; Nikita-Martzopoulou, C. 2017. Optimizing the termal energy contribution of a solar energy storage system in a greenhouse. Acta horticulturae 1170 (2), 875-882.

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Octubre 2018

María Cruz SánchezGuerrero Cantó

Evangelina Medrano Cortés

Pablo Fernández del Olmo

Pilar Lorenzo Mínguez

Centro La Mojonera - Almería Biblioteca Horticultura

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Cítanos SÁNCHEZ-GUERRERO CANTÓ, María Cruz; et al. Sistema pasivo de calefacción para mejorar el microclima del invernadero mediterráneo [on-line]. Biblioteca Horticultura. València: Serveis per la producció editorial SPE3. Octubre 2018.

14 pp. Disponible en http://publicaciones.poscosecha.com/es/home/472-sistemapasivo-de-calefaccion-mediante-acumuladores-de-calor-y-pantalla-termica-.html ISBN 978-84-16909-25-4

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