Diseño y evaluación climática de un invernadero para condiciones de clima intertropical de montaña

Abstract

En Colombia la optimización del diseño de los invernaderos no ha tenido mayor relevancia, o los trabajos realizados principalmente en el sector floricultor no han tenido trascendencia y en consecuencia un alto porcentaje de las estructuras existentes presentan deficiencias en su ventilación, generando así microclimas inadecuados para los cultivos restringiendo su potencial productivo. El objetivo del trabajo fue el de estudiar la eficiencia de variantes introducidas a la ventilación de un invernadero multi-túnel disponible en el mercado mediante simulaciones numéricas empleando el método de dinámica de fluidos computacional (CFD). A partir de un modelo comercial se diseñaron dos variantes experimentales realizando cambios estructurales y de orientación de las ventanas cenitales fijas. Los tres diseños de invernaderos fueron sometidos a simulaciones CFD-2D por computador con el propósito de maximizar los índices de renovación de aire, mejorar el movimiento del flujo de aire en toda la estructura y buscar una homogeneidad en el microclima. El diseño más adecuado fue aquel que presentó un índice de renovación de aire suficiente para garantizar un adecuado control de los excesos de temperatura y humedad a través de la ventilación natural combinada por efecto eólico y térmico. Este diseño generó además el microclima más homogéneo dentro de la zona de cultivo. Adicionalmente se realizó una evaluación climática del invernadero real mediante el uso modelos de simulación CFD-3D, donde se pudo comprobar que el invernadero construido generaba las condiciones micro climáticas adecuadas para el crecimiento y desarrollo del cultivo de pimentón. Este modelo CFD-3D fue validado posteriormente mediante el análisis de variables climáticas reales mediante técnicas geoestadísticas.

Abstract In Colombia, the optimization of greenhouses design has not had greater relevance, neither the work performed by the flower industry, consequently a high percentage of the existing structures have ventilation deficiencies that generate inadequate microclimates restricting the crop production potential. The objective of this work was to study the efficiency of ventilation variants introduced to a commercial multi-tunnel greenhouse through numerical simulations using the computational fluid dynamics (CFD) method. Starting with the commercial prototype, two greenhouse variants including structural and orientation changes of the fixed ridge ventilation were designed. The three greenhouse designs underwent 2D CFD-simulation in order to maximize air exchange rates, to improve the airflow movement across the structure and to homogeneize the internal microclimate. The most suitable design was the one that presented a renewal rate sufficient to ensure adequate control of overheating and moisture through natural ventilation combined by wind and thermal effect. This design also generated the most homogeneous microclimate within the crop area. Additionally, a climate assessment was performed for the real greenhouse using CFD-3D simulation models, where it was found that the greenhouse generated microclimatic conditions suitable for sweet pepper growth and development. This CFD-3D model was subsequently validated by analyzing the observed climate variables by geostatistical techniques.