Resumen de Modelización del microclima de un invernadero con ventilación natural y cultivo de tomate mediante balance de energía y dinámica de fluidos computacional.Microclimate modeling of a naturally ventilated greenhouse with tomato crop by means of energy balance and computational fluid dynamics
En el presente trabajo de investigación se han desarrollado dos modelos numéricos bajo dos metodologías diferentes para predecir las condiciones microclimáticas en invernadero. El primero es un modelo dinámico semi-empírico basado en el balance de energía elaborado para la predicción de las temperaturas de los principales componentes de un invernadero (aire interior, cubierta del invernadero, acolchado del suelo, suelo y cultivo) con ventilación natural. El invernadero se caracteriza por tener el suelo cubierto con una lámina de polipropileno, y en su interior se desarrolló un cultivo de tomate en sustrato de fibra de coco, funcionando en condiciones de clima Mediterráneo en la provincia de Almería (España). El primer modelo fue validado utilizando datos experimentales de cinco periodos no consecutivos con duración de 5 días cada uno durante dos ciclos de cultivo.
Durante el periodo de evaluación la transmisividad de la cubierta fue variable, manteniéndose en un rango de 0.44 y 0.80 debido al blanqueo. Del mismo modo el índice de área foliar LAI del cultivo de tomate estuvo variando entre 0.74 y 1.30 m2 m-2, como consecuencia del crecimiento de las plantas y las labores de deshojado. El modelo físico desarrollado consistió principalmente en un sistema de seis ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden no lineales de conservación de la energía para el cálculo de las temperaturas del aire interior, de la cubierta plástica del invernadero, del acolchado de polipropileno del suelo y del suelo (dividido en tres capas a diferente profundidad). Se utilizó además una regresión lineal múltiple para estimar de una manera simple la temperatura del cultivo, que permitió una reducción en el número de parámetros de entrada requeridos por el modelo.
Los principales componentes en el balance de energía en condiciones de clima cálido son la radiación solar, el intercambio de calor por efecto de la ventilación y el calor almacenado en el suelo. Con el objetivo de mejorar la estimación del calor intercambiado por ventilación, se utilizaron diferentes coeficientes de descarga para las ventanas cenitales CdVR y laterales CdVS. Además, ambos coeficientes fueron variables a través del tiempo en función de la altura y ángulo de apertura de las ventanas y de la velocidad del aire a través de las mallas anti-insectos que protegían todas las ventanas. El modelo utilizó además diferentes coeficientes de efecto del viento Cw para vientos del Nordeste y Suroeste (0.177 y 0.15 respectivamente) para tener en cuenta los obstáculos circundantes al invernadero experimental. También se utilizó una regresión lineal en base al ángulo de incidencia del viento θw sobre la estructura del invernadero como factor de corrección para el flujo de ventilación volumétrica G que permitiría mejorar la precisión de los valores simulados.
Los resultados para este primer modelo mostraron que su precisión se ve afectada por errores en la transmisividad de la cubierta en días nublados (cuando la radiación difusa prevalece) y errores en la temperatura del aire de salida del invernadero en días con mucho viento (cuando el aire caliente permanece estancado cerca de las ventanas cenitales, ya que fueron cerradas por el controlador de clima del invernadero para evitar daños en la estructura). En general, los resultados de la validación comparando los valores medidos con los simulados durante los cinco periodos de tiempo elegidos (con un coeficiente relativo de la raíz del error cuadrado medio por debajo del 10%) mostraron suficiente precisión del modelo para ser utilizado en la estimación de las temperaturas del invernadero. Además, el modelo desarrollado demostró su potencial para ser considerada una herramienta útil de diseño de los sistemas de ventilación y para la optimización de las consignas de control.
El segundo modelo desarrollado estuvo basado en la técnica de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, Computational Fluids Dynamic) que permite analizar los flujos de aire con transferencias de masa y de energía mediante la resolución de complejos sistemas de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. El modelo de CFD desarrollado fue validado y aplicado en el estudio del comportamiento del microclima en función de la superficie de ventilación con el objetivo de mejorar la eficiencia de la ventilación natural especialmente mediante el incremento del tamaño de las ventanas laterales.
La metodología de desarrollo del modelo de CFD tuvo dos fases: validación y aplicación. En la validación del modelo fueron comparados los valores medidos con los valores simulados. El registro de dichos valores medidos se realizó mediante una serie de sensores de temperatura y humedad relativa distribuidos en un plano vertical en la parte central del invernadero. Además, fueron registradas las velocidades del aire cercanas a las ventanas y entre el cultivo con cuatro anemómetros sónicos bidireccionales, colocados a una altura de 2 m.
La segunda parte de la metodología consistió en la aplicación del modelo, para lo cual se establecieron dos casos teóricos en los cuales se aumentó la superficie de ventilación lateral hasta alcanzar casi la totalidad de la pared del invernadero. Una vez seleccionada la configuración que mostró mejores efectos sobre la ventilación (menor temperatura y mayor uniformidad de la distribución de las variables climáticas) se establecieron dos casos más, en base a la combinación de cierre y apertura de las ventanas cenitales a barlovento con viento proveniente del Sur. Con esta dirección del viento se detectaron los mayores problemas de ventilación debido a la presencia de un invernadero cercano ubicado a solo 3 m de distancia. Los ensayos fueron validados utilizando datos de dos días de verano: 28 de junio y 1 de julio de 2015, con condiciones de cielo despejado, alto nivel de radiación solar global y baja velocidad de viento, condiciones en las cuales la temperatura al interior de los invernaderos de la región es más alta.
El resultado de este modelo de CFD fue el estudio de las variables climáticas del invernadero en un plano vertical, es decir, una simulación en 2-D de tipo estacionario. Se analizó el efecto sobre el microclima del invernadero en función del área de ventilación lateral incrementada en un 220 y 400% con respecto a la superficie real del invernadero experimental. En el modelo se incluyó el efecto de la transpiración del cultivo sobre la humedad relativa, analizando la distribución de esta última en el interior del invernadero. El mayor efecto sobre el microclima se observó cuando se aumentaba 4 veces el área de ventilación lateral, ya que se logró disminuir la temperatura media interior en 0.8 ºC para viento de baja velocidad a barlovento proveniente del Nordeste sin obstáculos y 0.9 ºC, para viento proveniente del Suroeste con obstáculos.
Los datos teóricos de CFD mostraron una disminución de la temperatura interior a la altura del cultivo de hasta 1.5 ºC cuando el área de las ventanas laterales fue incrementada 4 veces con respecto al área de ventanas real. En el caso en el que la ventilación lateral abarcaba casi la totalidad de la pared del invernadero, el microclima del invernadero mostró muy baja respuesta al efecto de las diferentes combinaciones de apertura y cierre de las ventanas cenitales (en presencia de construcciones cercanas al invernadero a barlovento), cuando se combinaban una baja velocidad de viento y con una elevada temperatura exterior.
Mediante el acoplamiento de ambos métodos (modelo dinámico y modelo por CFD) se pueden predecir valores de temperatura en el interior del invernadero en el tiempo y en el espacio. La simulación de la variación espacial se realizó mediante la técnica de CFD y la evolución a través del tiempo se predijo mediante el método del balance de energía (modelo dinámico). El efecto que producen los invernaderos cercanos sobre el viento incidente en el invernadero experimental se incluyó en el modelo dinámico mediante la corrección del coeficiente Cw, a partir de los resultados del flujo de aire hacia el interior del invernadero obtenidos con CFD. La utilización de un coeficiente Cw con valor de 0.03 en la dirección del viento en la que hay un invernadero muy cercano a la venta sur, redujo en 1.2 ºC el error de Ti calculada con el modelo dinámico, demostrando la utilidad de la metodología de combinación de simulaciones de CFD y el modelo de balance de energía.
