Modelado y simulación del microclima en un invernadero para el estudio de métodos de calefacción pasivos adaptables a las zonas climáticas de Colombia (2015)
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.