ESTRATEGIAS DE CONTROL DE LA REFRIGERACIÓN EN INVERNADEROS

Antonio Romero LópezIngeniero Agrónomo

INTRODUCCIÓN

Invernadero: “Espacio cerrado con paredes y techo translúcidos, que permite obtener, para la producción de vegetales, unas condiciones ambientales mejores que las naturales”

Época invernal: bajas temperaturas

Debilita la actividad funcional

Desplaza los equilibrios biológicos

Muerte celular

SISTEMAS DECALEFACCIÓN

Marchitez temporal o permanente

Autoenvenenamiento de células

Muerte de la planta por inanición

SISTEMAS DEREFRIGERACIÓN

Época estival: altas temperaturas

Acción de las temperaturas desfavorables

Acción de las altas temperaturas

F Actividad fotosintética

R Respiración

I Iluminación

A,B,C,D Punto de compensación

Sistemas de refrigeración

1)Disminución de la radiación entrante

Métodos externos: cortinas externas extensibles Métodos internos: encalado; mallas de sombreo

2) Ventilación Ventilación natural Ventilación forzada

3) Sistemas evaporativos Pantallas evaporativas (Cooling System) Nebulización (Fog System): alta y baja presión

1) Encalado Dificultad en la aplicación. Poca homogeneidad Pinturas no selectivas son más económicas pero disminuyen la absorción de radiación PAR Presentan buenos resultados respecto a la relación producción/coste2) Mallas de sombreo Permiten una mayor regulación No impiden la entrada de radiación calorífica al interior Son de gran utilidad en épocas invernales

Disminución de la radiación entrante

Ventilación natural

Condicionantes Orientación respecto de los vientos dominantes Superficie mínima de ventilación Número y posición de las ventanas

: 15-25%

: Ventana lateral y cenital

Fundamento: conversión de calor sensible en calor latente

de evaporación del agua, aportada de forma mecánica.

Sistemas de evaporación de agua

Pantallas evaporativas

Más eficientes desde el punto de vista refrigerativo

Poca homogeneidaden la distribución del aire frío

Mayor inversión inicial

Nebulizadores Menor eficiencia,

sobre todo en baja presión

Mayor uniformidad. Nebulizadores por todo el invernadero

Menor inversión inicial

ALTA PRESIÓN BAJA PRESIÓN Presión: 40-60 atmósferas Tamaño de gota: 2-60μm Alta superficie y bajo peso. Prácticamente la totalidad de agua se evapora Sistemas caros

Presión: 40-60 atmósferas Tamaño de gota: 2-60μm

Baja superficie y mayor peso. Puede llegar a mojar a la planta

Sistemas económicos

Nebulización (fog system)

Tiempo

Do

sis

Parámetros de control

1) Hora de inicio

2) Hora de finalización

3) Duración mínima y máxima de humedecimiento

4) Tiempo de nebulización (en sistemas T/N coincide con la duración de humedecimiento)

5) Pausa mínima entre 2 turnos de humedecimiento

1 2

3

5

ESTRATEGIAS DE CONTROL DE LA NEBULIZACIÓN A BAJA PRESIÓN EN INVERNADEROS

OBJETIVOS

Comparar distintos sistemas de refrigeración, en Comparar distintos sistemas de refrigeración, en función del salto térmico obtenido (Tfunción del salto térmico obtenido (Tinterior interior –T–Texteriorexterior), ), prestando especial atención a los sistemas de prestando especial atención a los sistemas de nebulización.nebulización.

Determinar estrategias de control que Determinar estrategias de control que permitan optimizar el consumo de agua permitan optimizar el consumo de agua utilizado en los sistemas de nebulizaciónutilizado en los sistemas de nebulización

Determinar un modelo climático que represente Determinar un modelo climático que represente el comportamiento físico del invernadero.el comportamiento físico del invernadero.

Validar el modelo, realizando simulaciones y Validar el modelo, realizando simulaciones y comparando los resultados con datos climáticos reales.comparando los resultados con datos climáticos reales.

MATERIALES Y METODOS

Invernadero experimental de techo curvo, estructura de acero galvanizado y cubierta de metacrilato

6,6 m

20 m

3 m

Actuadores de los sistemas de refrigeración

Disminución de la energía solar entrante:

mallas de sombreoVentilación natural: ventana cenital y lateral

Sistemas evaporativos: nebulización

Estrategias de refrigeración

1. Ventilación lateral y cenital.

2. Ventilación lateral y cenital + pantalla de sombreo.

3. Ventilación lateral y cenital. Nebulización sin pantalla

4. Ventilación lateral y cenital. Nebulización por debajo de la pantalla5. Ventilación lateral y cenital. Nebulización por encima de la pantalla

Nebulización por encima de la malla de sombreo

Control de la nebulización

1.- Localización de la nebulización

Llave general

Llaves de paso a los conductos principales

Bifurcaciones a los ramales secundarios

2.- Frecuencia de la nebulización

SALIDAS

ENTRADAS

SELECTORES DE PROGRAMACIÓN

MICROCONTROLADOR

“LOGO”

(SIEMENS)

temporización simétrica

temporización a la conexión

30 sg

Ejemplo 8 s cada 1 minuto (1,6 l/m2 h)

8 sg

Colocación de los sensores en el inverandero

Modelo. Balance de energía

τ b S

V (Ti – To)

U (Ti – To)

F

Ti (periodo siguiente) = Ti + [τ b S- U (Ti – To)- V (Ti – To)-F]/C

RESULTADOS

Datos de campo.Análisis de varizanza

ExperimentoVariable medida

Tmed

(ºC)

∆T(ºC)

HR(%)

1) Ventilación cenital y lateral32,3ab

4,4c

28,9a

2) + pantalla de sombreo31,6a

2,9b

32,4ab

3) + nebulización (12 s cad 4 minutos 0,6 l/m2 h)

35,5b

2,6b

36,6ab

4) + pantalla de sombreo + nebulización POR DEBAJO (8 s cada minuto 1,3 l/m2 h)

33,0ab

-0,2a

61,1c

5) + pantalla de sombreo + nebulización POR ENCIMA (8 s cada minuto 1,6 l/m2 h)

32,8ab

0,9a

44,3b

Año 2002

Año 2003

ExperimentoVariable medida

Tmed

(ºC)

∆T(ºC)

HR(%)

1) Ventilación cenital y lateral 38,1B

3,8C

18,6A

2) + pantalla de sombreo 34,9B

2,2B

27,0AB

3) + nebulización (12 s cada 4 minutos 0,6 l/m2 h)

35,3B

1,5B

39,8BC

4) + pantalla de sombreo + nebulización POR DEBAJO (8 s cada minuto 1,3 l/m2 h)

32,6AB

-0,7A

71,8D

5) + pantalla de sombreo + nebulización POR ENCIMA (8 s cada minuto 1,6 l/m2 h)

33,5AB

-0,1A

41,5C

6) + nebulización (8 s cada minuto 1,6 l/m2 h)

31,9A

-0,9A

58,6D

Análisis de varianza para estrategias de nebulización por encima de la pantalla

Año 2002

8s/1min12s/4min

8s/4min12s/8min

0,9 1,61,5 2,70

369

121518212427303336394245

Nebulización por encima de la pantalla

Salto térmico (ºC)

T media (ºC)

Humedad relativa (%)

Ajuste del modeloTi (periodo siguiente) = Ti + [τ b S- U (Ti – To)- V (Ti – To)-

F]/C

Coeficiente 2002/2003

τb (sin pantalla) 0,63 (adimensional)

τb (con pantalla) 0,35 (adimensional)

V (sin pantalla) 86,19 (W/m2 ºC)

V (con pantalla) 70,42 (W/m2 ºC)

C 75,86 (W/m2 ºC)

F (neb. POR DEBAJO;dosis 0,6 l/m2h) 211,31 (W/m2)

F (neb. POR DEBAJO;dosis 1,3 l/m2h) 273,39 (W/m2)

F (neb. POR DEBAJO;dosis 0,325 l/m2h) 80,74 (W/m2)

F (neb. POR ENCIMA;dosis 1,6 l/m2h) 157,39 (W/m2)

F (neb. POR ENCIMA;dosis 0,6 l/m2h) 118,91 (W/m2)

F (neb. POR ENCIMA;dosis 0,4 l/m2h) 73,17 (W/m2)

F (neb. POR ENCIMA;dosis 0,3 l/m2h) 56,66 (W/m2)

F (neb. sin pantalla;dosis 1,6 l/m2h) 601,98 (W/m2)

Validación del modelo

15,00

17,00

19,00

21,00

23,00

25,00

27,00

29,00

31,00

33,00

35,00

Tiempo, h

Tem

pera

tura

, ºC

Ventilación cenital y lateral + pantalla de sombreo+ nebulización por debajo con ciclos de 8 s cada minuto

Nebulización

Temp. int. medida

Temp. int. simulada

Error:

1,05 ºC

Simulación de los flujos energéticos

Ventilación cenital y lateral + pantalla de sombreo+ nebulización por debajo con ciclos de 8 s cada minuto

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0:00:00 0:00:00

Tiempo, h

Flujo

energ

éti

co W

/m2

Radiación solarPérdidas en cubiertaVentilaciónNebulización

Simulación (estrategias de nebulización)

y = 60,739Ln(x) + 134,35

y = 197,59x + 16,523

y = 390,67x - 23,092

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0,5 1 1,5 2

Caudal, l/m2 h

Ene

rgía

de

nebu

lizac

ión,

W /

m2 Sin pantalla

Nebulización por encima de la pantalla

Nebulización por debajo de la pantalla

F = F F = F (Q)(Q)

Estrategias de control

Apagado

Encendido24ºC 26ºC 28ºC

Ventanas

Pantalla

Nebulizadores

1. Definimos los puntos de consigna

1. CONTROL T/N2. CONTROL PWM

Alimentación de energía

Control

Todo-Nada

Etapa de potencia

Entrada Carga

2. Escogemos el tipo de control

1. CONTROL T/N

Generador de señal moduladora

Entrada (señal a modular)

Salida de la señal modulada

2. CONTROL PWM

20

22

24

26

28

30

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Tiempo, hT

emp

erat

ura

, ºC

0

0,5

1

1,5

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Tiempo, h

Cau

dal,

l/m2h

PWM

TODO/NADALa temperatura media es similar, siendo más gradual con control PWM.

El consumo de agua es mucho menor mediante el control por sistema de PWM, del orden del 8% al 15%.

Nebulización sin pantalla

Combinación de sistemas de nebulización con control PWM

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Tiempo, h

Cau

dal,

l/m2 h

Sin pantallaPor debajo de la pantallaPor encima de la pantalla

17,00

20,00

23,00

26,00

29,00

32,00

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Tiempo, h

Tem

pera

tura

, ºC

Sin pantallaPor debajo de la pantallaPor encima de la pantalla

CONCLUSIONES

LA COMBINACIÓN DE VENTILACIÓN +PANTALLA DE SOMBREO +NEBULIZACIÓN A BAJA PRESIÓN POR ENCIMA DE LA PANTALLA CONSIGUE REDUCIR LA TEMPERATURA INTERIOR Y NO SATURA LA HUMEDAD EN EL ENTORNO DE LA PLANTA.

EL MODELO CALCULADO ESTIMA LA TEMPERATURA INTERIOR CON UN ERROR ABSOLUTO MEDIO, RESPECTO DEL VALOR REAL, INFERIOR A 1,5ºC. POR ELLO, PERMITE SU EMPLEO EN SIMULACIONES DE CONTROL.

EL SISTEMA DE CONTROL MÁS EFICIENTE ES LA TÉCNICA DE MODULACIÓN POR EL ANCHO DE IMPULSO (PWM), CONSIGUIENDO UN AHORRO DE AGUA RESPECTO A UN CONTROL CONVENCIONAL TODO/NADA DEL ORDEN DEL 8 % AL 15%.