Modelado y simulación del microclima en un invernadero para el estudio de métodos de calefacción pasivos adaptables a las zonas climáticas de Colombia

Abstract

El aumento de eventos climáticos adversos a la agricultura y la incertidumbre en los pronósticos de su ocurrencia son situaciones que afectan la planeación y manejo de los proyectos agrícolas. El uso de invernaderos surge como una alternativa para afrontar las condiciones climáticas desfavorables y tener mayor control del medio que rodea el cultivo. Sin embargo, las estructuras más utilizadas en Colombia no cumplen a cabalidad con su objetivo debido a que son aún vulnerables a la alta variabilidad del clima dada por la altitud y procesos estacionales e intraestacionales. El presente trabajo abarca cuatro aspectos que ayudan a mejorar el funcionamiento de un invernadero tradicional colombiano. El primero es el conocimiento de las características del clima exterior: Se analizaron los factores que inciden en el clima del país con el fin de conocer los procesos predominantes en las diferentes escalas espacio-temporales de variabilidad. Seguidamente, se describió la climatología para las zonas con mayor producción agrícola bajo cubierta teniendo en cuenta la regionalización obtenida del análisis de cluster. El segundo es el modelado de la dinámica del microclima: Se implementó un modelo matemático del microclima interior en función del clima exterior. El Modelo consistió en un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales planteadas para la temperatura del aire, suelo, cubierta y cultivo en términos de la radiación de energía y los flujos de calor sensible y latente. La presión de vapor y la concentración de CO2 también fueron considerados. El modelo, programado en lenguaje R y solucionado con la librería deSolve, fue calibrado y validado en tres casos, un invernadero a escala completamente cerrado, uno tipo Richel con ventilación cenital y uno tradicional con ventilación lateral y cenital. Se consideraron como condiciones de entrada al índice de área foliar, radiación global externa, velocidad del viento, humedad relativa, temperatura del aire y temperatura de las capas del suelo. El tercer aspecto es la simulación y predicción del desempeño climático del invernadero bajo diferentes condiciones del clima: Se utilizó datos horarios de once estaciones automáticas durante las temporadas húmeda y seca ubicadas entre los 311 y 2610 msnm, con temperaturas medias entre 15 y 26ºC y régimen de precipitación bimodal y monomodal. Se simuló el microclima bajo ambiente frío, templado y cálido considerando un invernadero de 5670 m2 con ventilación natural lateral, cenital y presencia de cultivo. Se obtuvo mediante la simulación que, en zonas de clima frío las épocas más críticas para los agricultores son aquellas de temperaturas muy bajas durante la noche y la madrugada. Se evidenció también que durante el día pueden verse expuestos a temperaturas fuera de los rangos óptimos para las especies como hortalizas y ores. Se concluye que en estos lugares el invernadero tradicional es insuficiente para mantener el cultivo protegido debido a que las temperaturas dentro y fuera llegan a ser iguales o en el peor de los casos hay inversión térmica. Se encontró que en zonas de clima templado aunque el invernadero tradicional logra mantener las temperaturas en valores ideales durante el día, en la noche la temperatura puede continuar siendo baja. Finalmente el cuarto aspecto es la proyección de estrategias pasivas: Se simularon métodos pasivos en escenarios fríos que consistieron en la disminución del área de ventilación lateral, cambio de las propiedades del material de cubierta, inclusión de pantallas térmicas y también el efecto de un sistema de almacenamiento de energía mediante mangas de agua. Se obtuvo que la mejor estrategia para los casos en clima frio es el cambio en las propiedades de la cubierta, garantizando una ganancia térmica tanto en el día como en la noche. Se encontró que la inclusión de la pantalla térmica también ofrece buenos resultados para mejorar la temperatura nocturna siendo la recomendada para las zonas de clima templado. Se evidenció que la disminución de las áreas laterales y el aumento de la altura del invernadero no ofrecen un cambio significativo en la temperatura. Se evaluaron múltiples opciones mediante el modelo de microclima, resaltando la posibilidad de estudiar estrategias como base para la elección del prototipo de invernadero más adecuado según la posición geográfica. Se aportó conocimiento relacionado con el modelado del microclima al implementar por primera vez en Colombia el sistema de ecuaciones en un lenguaje de código abierto integrando los resultados de índice de área foliar y temperatura de las capas del suelo como El primero es el conocimiento de las características del clima exterior: Se analizaron los factores que inciden en el clima del país con el fin de conocer los procesos predominantes en las diferentes escalas espacio-temporales de variabilidad. Seguidamente, se describió la climatología para las zonas con mayor producción agrícola bajo cubierta teniendo en cuenta la regionalización obtenida del análisis de cluster. El segundo es el modelado de la dinámica del microclima: Se implementó un modelo matemático del microclima interior en función del clima exterior. El Modelo consistió en un conjunto de ecuaciones diferenciales no lineales planteadas para la temperatura del aire, suelo, cubierta y cultivo en términos de la radiación de energía y los flujos de calor sensible y latente. La presión de vapor y la concentración de CO2 también fueron considerados. El modelo, programado en lenguaje R y solucionado con la librería deSolve, fue calibrado y validado en tres casos, un invernadero a escala completamente cerrado, uno tipo Richel con ventilación cenital y uno tradicional con ventilación lateral y cenital. Se consideraron como condiciones de entrada al índice de área foliar, radiación global externa, velocidad del viento, humedad relativa, temperatura del aire y temperatura de las capas del suelo. El tercer aspecto es la simulación y predicción del desempeño climático del invernadero bajo diferentes condiciones del clima: Se utilizó datos horarios de once estaciones automáticas durante las temporadas húmeda y seca ubicadas entre los 311 y 2610 msnm, con temperaturas medias entre 15 y 26ºC y régimen de precipitación bimodal x y monomodal. Se simuló el microclima bajo ambiente frío, templado y cálido considerando un invernadero de 5670 m2 con ventilación natural lateral, cenital y presencia de cultivo. Se obtuvo mediante la simulación que, en zonas de clima frío las épocas más críticas para los agricultores son aquellas de temperaturas muy bajas durante la noche y la madrugada. Se evidenció también que durante el día pueden verse expuestos a temperaturas fuera de los rangos óptimos para las especies como hortalizas y ores. Se concluye que en estos lugares el invernadero tradicional es insuficiente para mantener el cultivo protegido debido a que las temperaturas dentro y fuera llegan a ser iguales o en el peor de los casos hay inversión térmica. Se encontró que en zonas de clima templado aunque el invernadero tradicional logra mantener las temperaturas en valores ideales durante el día, en la noche la temperatura puede continuar siendo baja. Finalmente el cuarto aspecto es la proyección de estrategias pasivas: Se simularon métodos pasivos en escenarios fríos que consistieron en la disminución del área de ventilación lateral, cambio de las propiedades del material de cubierta, inclusión de pantallas térmicas y también el efecto de un sistema de almacenamiento de energía mediante mangas de agua. Se obtuvo que la mejor estrategia para los casos en clima frio es el cambio en las propiedades de la cubierta, garantizando una ganancia térmica tanto en el día como en la noche. Se encontró que la inclusión de la pantalla térmica también ofrece buenos resultados para mejorar la temperatura nocturna siendo la recomendada para las zonas de clima templado. Se evidenció que la disminución de las áreas laterales y el aumento de la altura del invernadero no ofrecen un cambio significativo en la temperatura. Se evaluaron múltiples opciones mediante el modelo de microclima, resaltando la posibilidad de estudiar estrategias como base para la elección del prototipo de invernadero más adecuado según la posición geográfica. Se aportó conocimiento relacionado con el modelado del microclima al implementar por primera vez en Colombia el sistema de ecuaciones en un lenguaje de código abierto integrando los resultados de índice de área foliar y temperatura de las capas del suelo como condiciones de entrada para simular todo el ciclo de producción.

Abstract. The planning and handle of agricultural activities have been affected by an increasing number of adverse climate event and the inaccuracy on the forecast of such events. The use of greenhouses arise as an alternative to face the unfavorable climate conditions and also to get a better control in the surrounding environment of the crop. However, most of the greenhouses structures used in Colombia have not the optimal performance because they are still vulnerable to the altitude, the high seasonal and intra-seasonal climate variability of the country. This thesis covers four topics which will help to improve the traditional Colombian greenhouse working. The first one is to study the main outdoor climate characteristic: it was studied the incising factors in the climate of the country in order to know the overriding processes on the different space-time scale of variability. It also was described the climate on the leading locations with higher production crop using the greenhouses and using the zonal cluster analysis. The second one is the model of the micro-climate dynamics: it was used a mathematical model of the indoor climate with respect to the outdoor climate. The model consists of a set of non-lineal differential equations formulated for air, soil, canopy and cover temperatures in terms of radiation, sensible and latent heat flux densities. Also the vapor pressure and CO2 concentration are considered. The model was chosen because it predicts the greenhouse air temperature with sufficient accuracy for different greenhouse designs and external climates and it was translated into the R programming language and equations were solved with the deSolve library. The model was calibrated and validated in three different settings, a fully closed scale greenhouse, a Richel type greenhouse with zenith ventilation and a traditional one with zenith and lateral ventilation. The third topic is the simulation and forecasting of the climate performance in a greenhouse for different climate conditions: it was used hourly data from eleven automatic weather stations recording information during both tropical wet and dry seasons. The stations are situated between 311 and 2610 masl with mean temperatures between 10ºC and 26ºC, and bimodal and unimodal rainfall regimes. The thermal behaviour was studied under cold, warm and temperate climate conditions. The structure used had roof and sidewall ventilation ventilation and presence of a tomato crop. The simulations showed that in cold climate locations the more critical periods for the agricultural activity are those characterized by very low temperature in the night and dawn. It is also possible to note that, in those places and for specific type of crops, there are not optimal temperature ranges during the day. For those locations, the traditional greenhouses are not enough to protect the crop from adverse climate conditions as consequence of equal indoor-outdoor low temperature or thermal inversion process in the worst of the cases. For temperate climate locations, the traditional greenhouses yield optimal temperature ranges in the day, but in the night it is possible to get low temperature. Finally, the fourth topic is the projection of passive strategies: it was simulated some passive methods in cold locations, such methods consisted by decreasing the area of sidewall ventilation, changing the properties of the cover material, the inclusion of thermal screen, and also the effect of an energy storage system by water tubes inside the structure. The best strategy obtained for the cold climate cases is given by the change of the properties of the cover material which yield a thermal profit in the day and in the night. For the temperate climate locations, the best strategy to improve night temperature is the use of thermal screen. On the other hand, the increasing height of the greenhouses structure and the decreasing area of sidewall ventilation are not enough to get a meaningful temperature changes. Several options were evaluated by the micro-climate model standing out the suitable greenhouse structure according to the geographic location. The use for the first time of such mathematical model produced new knowledge in the branch of greenhouse micro-climate modelling in Colombia.