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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería en Automatización Facultad de Ingeniería
7-11-2006
Diseño y simulación del control climático para un invernadero y Diseño y simulación del control climático para un invernadero y
base de datos de registro base de datos de registro
Hernán Octavio Díaz Sarmiento Universidad de La Salle, Bogotá
Oscar Fabián Solano Rojas Universidad de La Salle, Bogotá
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Citación recomendada Citación recomendada Díaz Sarmiento, H. O., & Solano Rojas, O. F. (2006). Diseño y simulación del control climático para un invernadero y base de datos de registro. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_automatizacion/80
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1
DISEÑO Y SIMULACION DEL CONTROL CLIMATICO PARA UN
INVERNADERO Y BASE DE DATOS DE REGISTRO.
Hernán Octavio Díaz Sarmiento
Oscar Fabián Solano Rojas
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA DE DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN
ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2006
2
DISEÑO Y SIMULACION DEL CONTROL CLIMATICO PARA UN
INVERNADERO Y BASE DE DATOS DE REGISTRO.
Hernán Octavio Díaz Sarmiento 44011030
Oscar Fabián Solano Rojas 44011122
Trabajo de grado para optar al título de
Ingeniero de Diseño & Automatización Electrónica
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA DE DISEÑO Y AUTOMATIZACIÓN
ELECTRÓNICA
BOGOTA D.C.
2006
3
Nota de Aceptación
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
Firma del Jurado
_______________________________________________
Firma del Jurado
Bogotá D.C., 11 De Julio de 2006
4
DEDICATORIA
A nuestros padres,
que gracias a su completo apoyo y comprensión,
nos han impulsado a cumplir nuestros objetivos.
A nuestros hermanos, novia y amigos,
que por su confianza y apoyo,
puestas en nosotros,
nos motivan a continuar nuestro camino.
A quienes creen en el progreso
Del sector agropecuario en nuestro pais.
5
AGRADECIMIENTOS
• A nuestros padres, por su colaboración en todo lo que nos propusimos, y por
brindarnos una excelente formación y educación.
• AL centro de Investigaciones y Asesorias Agroindustriales, en especial al Ingeniero
Carlos Bojaca. Por su ayuda desinteresada para la elaboración de este proyecto.
• Nuestro compañero Álvaro Santacruz y Juan Carlos Pedreros, por la asesoria
técnica.
• AL ingeniero Pedro William Pérez, por su tiempo y el interés brindado a la
realización del proyecto.
• A la facultad de Ingeniería de Diseño y Automatización Electrónica, por la
educación brindada.
6
CONTENIDO
pág.
RESUMEN……………………………………………………………………………. 1
INTRODUCCION…………………………………………………………………….. 2
1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA..…………………………………….... 3
1.1. Situación inicial…...…….……………………….……………………….... 3
2. JUSTIFICACIÓN ……………………………………………………………....6
3. OBJETIVOS .…………………………………………………………………...8
4. MARCO TEORICO ……………………………………………………………9
4.1. Invernaderos……………………………………………………………..…..9
4.1.1. Primeros invernaderos…………………………………………….…9
4.1.2. Nuevas tecnologías de control…..………………………………….10
4.1.3. Efecto invernadero...………………………………………………..10
4.2. Propiedades del aire…………………………………………………….......11
4.2.1. Enumeración de las propiedades……………………………………11
4.3. Medición de las variables climáticas……………………………………….13
4.3.1. Temperatura………………………………………………………...13
4.3.2. Humedad del aire…………………………………………………...14
4.3.3. Dióxido de carbono…………………………………………………15
4.3.4. Factores externos…………………………………………………...15
4.4. Calefacción para invernaderos……………………………………………...16
4.4.1. Generadores de combustión interna………………………………...17
4.4.2. Calefacción de aire con intercambiador de calor aire – aire………..18
4.4.3. Calefacción de aire con intercambiador de calor
agua – aire / vapor – aire……………………………………………18
4.4.4. Calefacción con red de agua………………………………………..18
4.5. Cubiertas para invernaderos………………………………………………..19
4.5.1. Propiedades intrínsecas al cultivo…..……………………………...19
7
4.5.1.1. Propiedades de la radiación ………………………………...20
4.5.1.2. Propiedades extrínsecas…………………………………….23
4.5.2. Materiales plásticos utilizados en cubiertas agrícolas……………...25
4.5.2.1. Polietileno de baja densidad, LDPE………………….....…..26
4.5.2.2. Polietileno lineal de baja densidad, LLDPE………………..27
4.5.2.3. Copolimeros de EVA……………………………………….27
4.5.2.4. Policloruró de vinilo flexible, PVC…………………………28
4.6. Ventilación en invernaderos….…………………………………………….28
4.6.1. Efectos de la ventilación……………………………………………29
4.6.2. Tipos de ventilación………………………………………………...30
4.6.2.1. La ventilación activa……………………………………..…31
4.6.2.2. La ventilación pasiva……………………………………….32
5. METODOLOGIA………………………………………………..…………….34
5.1. Variación de los factores ambientales en el invernadero…………………..34
5.1.1. Descripción del proceso…………....……………………………….34
5.1.1.1. Ventilación .………………………………………………...36
5.1.1.1.1. Características de flujo de aire en una ventana……..37
5.1.1.1.2. Fuerzas involucradas en la ventilación………….…..39
5.1.1.1.3. Ventilación resultante…………………..……….…..41
5.1.1.2. Radiación…………………………………………………...43
5.1.2. Transferencia de calor por conducción……………………………..47
5.1.3. Transferencia de calor por convección……………………………..53
5.1.4. Perdidas de calor a través de la cubierta……………………………56
5.1.5. Perdidas de calor por infiltración de aire…………………………...57
5.1.6. Humedad relativa…………………………………………………...58
5.2. Selección de sistemas actuadores…...……..……………………………….63
5.2.1. Selección de sistema de calefacción..………………………………63
5.2.2. Selección de sistemas de ventilación…...…………………………..65
5.3. Metodología de Control.……………………………………………………66
8
5.3.1. Control de temperatura con banda proporcional (banda P)…..….…67
5.3.2. Comparación control PI……………………………………....….…82
5.4. Simulación y análisis de Mecanismos para Ventilación Cenital…………...85
5.4.1. Análisis de mecanismos de piñón cremallera para ventilación cenital….87
6. RESULTADOS……………………………………………………………….…92
6.1. Control de la temperatura utilizando ventilación cenital………..………….94
6.2. Control del sistema de conservación del calor……………………………106
6.3. Comunicación MODBUS…………………………………………………108
6.4. Base de Datos…………………………………………………………..…108
7. CONCLUSIONES………………………………………………………………...110
BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………...…112
ANEXOS
9
LISTA DE FIGURAS
pág
Figura 1. Invernadero tipo capilla ubicado en el altiplano Cundí-Boyacense.………..…….4
Figura 2. Invernadero tipo capilla ubicado en el altiplano Cundí-Boyacense………………5
Figura. 3. Sensor de Temperatura……..…………………………………………………...13
Figura. 4. Forma incorrecta y correcta de colocar un sensor de temperatura….………..…14
Figura. 5. Sensor de Humedad ………………………………………………………...…..14
Figura. 6. Equipo para la medición de concentración de CO2………………...…………...15
Figura. 7. Equipo para medición de velocidad, dirección del viento.....………...…………16
Figura. 8. Diagrama de la dependencia ……………….…………………………………...22
Figura. 9 Ejemplo de la dependencia de la fotosíntesis neta……………………………….23
Figura. 10. Ejemplos de ventilación activa ...……………….……………………………..31
Figura. 11. Ventilación Cenital en Invernadero. Ejemplo de ventilación pasiva………….32
Figura. 12. Ventilación Lateral en Invernadero. Ejemplo de ventilación pasiva...………...33
Figura. 13. Cambios energéticos de un invernadero……………………………………….35
Figura. 13. Ventana del invernadero……………………………………………………….37
Figura. 15. Vista frontal del Invernadero………………………………………………..…48
Figura. 16. Representación de los datos de temperatura, primer mes....…………………...49
Figura. 17. Flujo de conducción de calor por conducción…...…………...………………..49
Figura. 18. Representación de los datos de temperatura, segundo mes…………………...50
Figura. 19. Flujo de conducción de calor por conducción…………………………………50
Figura. 20. Vista lateral del Invernadero………………………………………………..….51
Figura. 21. Energía térmica para superficie lateral de invernadero del primer mes……….52
Figura. 22. Energía térmica para superficie lateral de invernadero del segundo mes…......53
Figura. 23. A) Sección transversal de un recinto cerrado ……...…...……………………..54
Figura. 23. B) Sección transversal de un invernadero……………………………………...54
Figura. 24. Intercambios térmicos entre el invernadero y el exterior...…………………...56
Figura. 25. Relación entre temperatura y presión de vapor del aire saturado………...……59
10
Figura. 26. Diagrama de Mollier……………………………...……………………………61
Figura. 27. Curvas de condensacion ………………………………………………….……63
Figura. 28. Regulación de ventanas para control de temperatura..…..….…………………68
Figura 29. Comportamiento de la banda P………………………...…...…………………..69
Figura 30. Control proporcional de un motor…..……………………………...…………..70
Figura 31. Respuesta grafica del potenciómetro..……………………...………………..……..71
Figura 32. Simulación en Matlab, con escalón de 2V...……...…….………………………72
Figura 33. Respuesta de la simulación en Matlab, con escalón de 2V………………….....73
Figura 34. Simulación en Matlab, con escalón de 4V...……...…….………………………73
Figura 35. Respuesta de la simulación en Matlab, con escalón de 4V………………….....73
Figura 36. Simulación en Matlab, con escalón de 6V...……...…….………………………74
Figura 37. Respuesta de la simulación en Matlab, con escalón de 6V………………….....74
Figura. 38. Función de segundo Vs temperatura externa.....……………...……..…………76
Figura. 39. Función de segundo Vs temperatura interna .....……………...……..…………77
Figura. 40. Función de transferencia……………………....……………...……..…………78
Figura. 41. Respuesta de la función de transferencia...…....……………...……..…………78
Figura. 42. Pruebas de estabilidad…………………...…....……………...……..……….…79
Figura. 43. Respuesta de la pruebas de estabilidad…..…....……………...……..…………79
Figura. 44. Respuestas sigmoidal del sistema……………..……………...……..…………80
Figura. 45. Sistema Ajustado……………….……………..……………...……..…………81
Figura. 46. Respuestas del sistema ajustado……..………..……………...……..…………82
Figura. 47. Diagrama en Simulink del control PI..………..……………...……..…………83
Figura. 48. Respuesta control PI………………..………..……………...……..…………..84
Figura. 49. Comparación respuesta control P…..………..……………...……..…………..84
Figura. 50. Mecanismos con tornillo sin fin y moto reductores AC……………………….85
Figura. 51. Mecanismos con tornillo sin fin y moto reductores AC……………………….86
Figura. 52. Mecanismos con piñón - cremallera……………………………….…………..86
Figura. 53. Ventana maqueta invernadero………………………………......…………….87
Figura. 54. Sistema de apertura de ventana Eje- Piñón……………...……………………..89
11
Figura. 55. Modelo de diseño del sistema de control de temperatura……………………...93
Figura. 56. Lazo de control de temperatura del sistema…………...…………………….…94
Figura. 57. Control generan de temperatura………………………………………………..95
Figura. 58. Control de apertura de ventanas………………………………………………..96
Figura. 59. Control de cierre de ventanas…………………………………………………..96
Figura. 60. Interfase con el usuario, Selección de estado planta…………………………..97
Figura. 61. Interfase con el usuario, control de temperatura……….………………………98
Figura. 62. Interfase con el usuario. Grafica interactiva……….…………………………..99
Figura. 63. Interfase con el usuario. Panel base de datos……….…………...……………100
Figura. 64. Panel de reportes………………………….. ……….…………...……………101
Figura. 65. Programación panel frontal..……………………………..……...……………102
Figura 66. Configuración mandos panel frontal………………………………………..…103
Figura 67. Programación mandos panel frontal…………………………………………..103
Figura 68. Rutina de tiempo sin afectar otros procesos…………………………………..104
Figura 69. Rutina de control………………………………………………………………105
Figura 70. Rutina de control………………………………………………………………106
Figura. 71. Cubierta de doble pared de polietileno inflada con aire a baja presión………107
Figura. 72. Software mostrando cubierta de doble pared..………………………………..108
Figura 60. Panel de comunicación de Labview con la base de datos e Access………...….91
12
LISTA DE TABLAS
pág
Tabla 1. Tipos de invernadero……………………………………………………………….9
Tabla 2. Clasificación de la radiación solar y porcentaje correspondiente a un espectro….21
Tabla 3. Valoración de propiedades de las cubiertas plásticas………………………….....26
Tabla 4. Con los valores de de coeficiente térmico…………………………………...……56
Tabla 5. Sistema de calefacción……………………………...…………………………….64
Tabla 6. Sistema de ventilación………………………………...…………………………..65
Tabla 7. Respuesta del potenciómetro lineal…………………………………………….…70
13
LISTA ANEXOS
pág
ANEXO A. Representación de los datos de temperatura y cantidad de calor que
pasa por conducción del primer mes del 2004……………………………...116
ANEXO B. Representación de los datos de temperatura y cantidad de calor que
pasa por conducción del segundo mes del 2004………………………….…117
ANEXO C. Representación de los datos de cantidad constante de energía térmica
para superficie lateral de invernadero del primer mes del año 2004……..…118
ANEXO D. Representación de los datos de cantidad constante de energía térmica
para superficie lateral de invernadero del segundo mes del año 2004………119
ANEXO E. Datos técnicos de moto-reductor…………………………………………….120
ANEXO F. Esquema de conexión del cable MODBUS………………………………….121
ANEXO G. Modelo de entidad relación de la base de datos……………………………..122
ANEXO H. Conjunto prototipo invernadero……………………………………………..123
ANEXO I. Estructura Invernadero………………………………………………………..124
ANEXO J. Ventanas del prototipo………………………………………………………..125
ANEXO K. Eje de las ventanas…………………………………………………………..126
ANEXO L. Eje motores…………………………………………………………………..127
ANEXOS M. Cremalleras………………………………………………………………...128
ANEXO N. Piñones………………………………………………………………………129
ANEXOS O. Eje cremalleras……………………………………………………………..130
ANEXOS P. Rosa de viento....…………………………………………………………..131
14
CONVENCIONES
A = área del cuerpo en mP
2P.
As = área de suelo cubierta (mP
2P)
Cp = Calor específico del aire a presión cte. (J kgP
-1P CP
-1P)
CO2= Dióxido de Carbono.
Cv = Poder calorífico del combustible (KJ lP
-1P).
Ce y Cs = calor total de las masas de aire que penetran y que salen;
d: representa la densidad del vapor de agua (en kg/m3),
e = Rendimiento de la calefacción
es: es el grado de saturación del aire con vapor de agua.
ε = Emisividad, que es la medida de la capacidad del cuerpo para emitir radiación térmica
y varia entre 0 y 1 ( 1 para el cuerpo negro y 0 para un cuerpo que no absorbe ni emite
radiación electromagnética, denominado reflector perfecto).
K = conductividad térmica del material.
=kp Ganancia estática.
L = Espesor de la lamina (mm)
le = energía radiante que penetra en el invernadero;
ls = energía radiante que sale del invernadero;
M: El peso molecular del agua (0,018 kg/mol)
N = Renovaciones horarias de aire (h P
-1P)
P = potencia radiada en W
p = Densidad del aire (kg mP
-3P)
ppm: Partes por millón.
Q = masa de aire seco que se intercambia entre el invernadero y el exterior.
Q’ = flujo de calor del terreno por unidad de superficie.
R la constante universal de los gases (0.0831 mbar m3/mol.kg),
=pτ Constante de tiempo S = superficie cubierta;
15
Si: La pendiente de la tangente a la sigmoide en el punto de inflexión.
Sv = superficie de las paredes del mismo material;
T: la temperatura absoluta (en ºK) del vapor de agua (tomada igual a la temperatura del
aire).
∆T = diferencia de temperatura entre el aire del interior y el del exterior del invernadero;
Td: Es la temperatura en la que la presión de vapor del aire es igual a la de saturación.
UV: Ultravioleta.
V = Volumen del invernadero (mP
3P)
v: Velocidad del viento en m s P
-1
Xva: Humedad absoluta, Dada en kg HO2/kg aire seco, cuantifica el contenido de vapor que
contiene el aire en unidades de peso.
σ = Constante de Stefan – Boltzman 4281067.5
kmWx −=
θe Temperatura en el exterior
θi = Temperatura en el interior.
=pθ Tiempo muerto
16
RESUMEN
La Facultad de Administración de Empresas Agropecuarias de la Universidad de la Salle,
con sede en la Floresta, planteo un proyecto que buscaba automatizar un invernadero con
cultivo de tomates, y de esta forma, mejorar la producción de este. En el proyecto se
planteo, en su primera fase, mejorar el sistema de control de riego y en su segunda fase, un
control climático.
Siendo esta la segunda parte del proyecto, se llevo a cabo la medición, de una de las
variables más trascendentales para un cultivo, la temperatura. Esta variable al ser medida
cualitativamente, permite diseñar sistemas que incidan sobre el microclima del cultivo. Por
eso al diseñar e implementar un lazo de control, hay que tener en cuenta la relación
temperatura – cultivo, ya que esta relación es bastante compleja y se requiere bastante
conocimiento experimental. Para mantener la temperatura dentro de un rango, hay que
controlar el aumento y disminución ésta, para tal fin se estableció respectivamente un
sistema de ventilación cenital, a lo largo de la cumbrera y un sistema de inflado de las
paredes, que en conjunto con el “efecto invernadero”, hacen de sistema de calefacción.
Luego de realizar el control se almacenan las variables obtenidas del invernadero
(Temperatura interna, temperatura externa, humedad relativa, entre otras), en una base de
datos, para mantener registro permanente de las mismas hora a hora.
17
INTRODUCCIÓN
Un invernadero es una estructura cerrada, cubierta por materiales transparentes
(principalmente polietilenos), dentro de la cual es posible obtener unas condiciones
artificiales de microclima fuera de estación, y con ello realizar cosechas en condiciones
óptimas. Esto ha permitido obtener producciones de mayor calidad y mejores precios, en
cualquier momento del año. Las ganancias obtenidas por el agricultor, permite que este
pueda optimizar aun más sus productos, mejorando tecnológicamente su invernadero,
implementando sistemas de riego, sistemas de control climático, sistema de radiación, entre
otras.
El desarrollo tecnológico de los cultivos, permite llevar un control en sus diferentes fases
de crecimiento, que está limitado por cuatro factores ambientales: temperatura, humedad
relativa, luz y COB2 B. Para que las plantas puedan realizar sus funciones es necesaria la
conjunción de estos factores dentro de unos límites mínimos y máximos, fuera de los cuales
las plantas cesan su metabolismo, y pueden llegar a la muerte.
La calidad de vida de una cosecha, se logra con un microclima más estable que permita el
correcto desarrollo de la planta, para esto, se deben medir las variables climáticas y la
incidencia que tienen estas, con el interior del invernadero. Al tener este análisis se diseña
un sistema automático, que estabilice el microclima, y permita incorporar otros módulos
para optimizar aún más la producción.
Después de controlar el microclima del invernadero, se almacenan en una base de datos, las
variables y detalles más importantes para un cultivador. Con esta base de datos, se tiene una
herramienta para optimizar las cosechas.
18
1. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA
1.1. Situación Inicial
Actualmente, los consumidores están interesados en el origen de los productos que
compran, de cómo fueron cultivados o si son o no, seguros para su consumo. Enfatizando
este interés en una posible contaminación con agroquímicos. Por lo anterior, buscan
productos que estén apegados a la agricultura orgánica.
Los principales problemas que enfrenta la agricultura, son la inestabilidad del clima, los
altos costos de producción y la deficiente capacitación e investigación, lo cual origina que
los productores recurran a técnicos y/o instituciones extranjeras, cuando desean automatizar
los cultivos.
La tendencia actual de muchos productos, es realizarlos cultivos bajo invernadero, debido a
que dichas HestructurasH pretenden mejorar las condiciones ambientales para incrementar la
bioproductividad, presentándose producciones de tomate de 300 a 500 TON/año, en
HfunciónH del nivel de tecnificación del invernadero, el cual garantiza que el HproductoH cumpla
con los estándares de HcalidadH e inocuidad alimentaría que exigen los Hmercados H
internacionales.
El desarrollar un sistema modular para la automatización de un invernadero, que tenga un
bajo costo, facilita su adquisición por parte de pequeños cultivadores, que no tienen los
recursos económicos para invertir en invernaderos completamente tecnificados.
Los invernaderos Colombianos como el de la Facultad de Administración de Empresas
Agropecuarias de la Universidad de La Salle, sede Floresta (Bogotá D.C.) son tipo capilla,
19
cubierto en su parte superior por Polietileno y con paredes laterales en Polisombra, tal
como se muestra en la Figura 1 y Figura 2. Se construyen sobre una superficie plana y
cuentan con un termómetro de mercurio, ubicado dentro del invernadero; con el cual un
operario, esta pendiente de la lectura de temperatura y basándose en sus conocimientos
sube o baja las ventanas, para permitir la ventilación.
Figura 1. Invernadero tipo capilla ubicado en el altiplano Cundí-Boyacense.
20
Figura 2. Invernadero tipo capilla ubicado altiplano Cundí-Boyacense.
Los controles que se realizan sobre este tipo de invernaderos son muy primarios, debido a
que en su mayoría tienen un agricultor que basado en su experiencia, toma las decisiones
sobre los momentos en que hay que ventilar, regar, hacer control de plagas, cubrir el cultivo
para que no reciba mas radiación y en el caso de CO2 no se realiza ningún control.
21
2. JUSTIFICACION
El cultivo bajo invernadero siempre ha permitido obtener producciones de primera calidad
en cualquier momento del año, de igual forma extender el ciclo del cultivo, logrando
producir en las épocas del año más difíciles y obtener mejores ganancias por la cosecha.
Este incremento en las ganancias del productor, permite que este pueda invertir en la
tecnificación de su invernadero, implementando sistemas de riego localizado, sistemas de
gestión del clima, entre otros.
La horticultura Colombiana bajo invernadero se ha centrado en la producción de flores de
corte para exportación, las cuales se ubican en la zona de la sabana de Bogota y la región de
Rionegro Antioquia. Sin embargo el control del clima se limita básicamente a la protección
de los cultivos a las bajas temperaturas, en épocas de heladas y de lluvias excesivas,
generando altos costos por las continuas aplicaciones de químicos, retraso en la producción,
calidades deficientes para su mercado.
Durante 25 años de desarrollo de esta industria, la infraestructura en invernaderos casi no
ha cambiado desde el punto de vista de la climatización: Los invernaderos Colombianos
son de bajo costo comparados con la infraestructura en otras latitudes, pero no ofrecen un
control climático. Esta situación contrasta con los principios de control de los procesos
biológicos en horticultura, donde se trata de optimizar el micro clima por medio de
invernaderos, equipos y mecanismos de control apropiados.
El manejo del clima en un invernadero es complejo, especialmente cuando no se cuenta con
el conocimiento y la infraestructura adecuada para tal fin. Las variables climáticas tienen
una importancia en el funcionamiento y optimo desarrollo de las plantas. Es por esto que
22
es de gran importancia variar el clima por medio de ventanas, calefacción y otros
accesorios como pantallas y luz.
Es por esta razón, que las universidades del país están construyendo invernaderos
experimentales, para ampliar sus líneas de investigación, enfocándolos en proyectos que
ayuden a los cultivadores a encontrar la mejor opción para el desarrollo de tecnología en el
país, brindando productos de alta calidad y bajo costo de producción.
Cuando se desea realiza un control sobre la temperatura (factor primordial en los
invernaderos), se deben tener en cuenta los cambios climáticos de la región donde se ubica
el invernadero, buscando que estos cambios no afecten el micro-clima dentro del
invernadero.
El mantener un registró de las variables climáticas, permite que se realicen estrategias para
aprovechar energéticamente el invernadero y aumentar la calidad de los productos allí
cosechados, al igual que reducir los costos de la mano de obra requerida para la
administración y conservación de este.
23
3. OBJETIVOS Objetivo general.
• Diseñar y simular un control automático del clima para un invernadero, con registro
de variables en una base de datos.
Objetivos específicos.
• Diseñar un control automático de las variables climáticas de temperatura interna y
humedad relativa en un invernadero
• Diseñar un sistema automático de apertura y cierre de ventanas, teniendo en cuenta
las variables climáticas, para mantener un ambiente óptimo en el invernadero.
• Diseñar una aplicación en LABVIEW que permita la programación y
automatización de las condiciones de cultivo a tratar en el invernadero, permitiendo
al usuario almacenar y verificar los datos de las variables controladas en el
invernadero, con el fin de generar históricos en ACCESS.
• Diseñar un control on-off de un sistema calefacción para un invernadero, para
reducir las perdidas de calor de este con el exterior.
• Realizar una comunicación entre el PLC (Modicon PC-A984-145), y el computador
y su interfase con el usuario.
24
4. MARCO TEORICO
4.1. Invernaderos 4.1.1. Primeros Invernaderos.
Los primeros invernaderos fueron construidos con el fin de hacer posible la producción de
cultivos en épocas del año donde normalmente la producción no es posible. A mediados del
siglo pasado, la estrategia de climatización de los invernaderos consistía básicamente en
evitar excesos de temperatura. En la tabla 1 se muestran los diferentes diseños de
invernaderos que existen.
Tabla 1. Tipos de invernadero.
Tipo Invernadero Ventajas Desventajas Plano Su económica construcción. Mala ventilación.
Mayor resistencia al viento. Instalación de ventanas es difícil. Presenta uniformidad luminosa. Rápido envejecimiento. Adaptabilidad a la geometría. Nada recomendable en lugares lluviosos.
En Raspa Su economía. La luminosa no es uniforme. Gran temperatura nocturna. No se aprovecha las aguas pluviales. Permite ventilación cenital. Difícil cambio de cubiertas. Pierde fácilmente temperatura.
Asimétrico Aprovecha muy bien la luz. No se aprovecha las aguas pluviales. Elevada inercia térmica. Difícil cambio de cubiertas. Buena ventilación. Pierde fácilmente temperatura. Permite ventilación cenital.
Capilla Fácil construcción. Si la inclinación de los planos es menor Fácil montaje de la cubierta. a 25º dificulta la evacuación de agua Permite ventilación vertical. Pluvial. Facilidades de evacuar agua. Permite unir varias naves.
Doble Capilla Buena ventilación. Costoso Permite ventilación mixta. Difícil construcción. Pocos invernaderos de este tipo.
Túnel Buena ventilación. Elevado costo Estanqueidad de lluvia y aire No se aprovecha las aguas pluviales. Permite ventilación cenital.
25
Buena Luminosidad De Cristal Facilita el controlar de clima Su elevado costo.
Naves pequeñas debido a la complejidad. 4.1.2. Nuevas Tecnologías de Control.
La tendencia llevo a de utilizar cada vez más el invernadero como herramienta para crear
condiciones “ideales” para los cultivos. Para lograr esto se considera:
• Búsqueda de niveles óptimos para crecimiento y desarrollo de los cultivos.
• Independencia cada vez mayor del clima exterior.
• Se ha pasado del control manual a análogo y ahora digital.
• Las últimas tendencias incluyen la medición directa de la respuesta de la planta a su
ambiente en combinación con modelos dinámicos de simulación de crecimiento y
desarrollo del cultivo.
• Una de las incógnitas sigue siendo el conocimiento sobre las relaciones dinámicas
entre un invernadero – variación del clima – respuesta planta. Básicamente por la
complejidad del tema.
4.1.3. Efecto Invernadero.
Una parte de la radiación solar, que es de onda corta (radiación visible y infrarrojo
cercano), es reflejada y una parte pequeña es adsorbida por la cubierta. La parte mas
importante entra al invernadero y calienta una buena medida de aire, las plantas y el suelo.
A su vez, las plantas y el suelo están emitiendo radiación de onda larga (infrarrojo lejano),
la cual es mantenida dentro del invernadero en cierta proporción, en función de las
características ópticas de la cubierta. A medida que la energía de radiación entrante es
mayor a la energía de la radiación saliendo, la temperatura dentro del invernadero sube.
El balance de radiación es completado por el balance de intercambio de calor por:
26
• Conducción y Convección: Si el aire del invernadero es mas caliente que el exterior
habrá “perdida” de calor a través del techo y las paredes del invernadero. Además
existe un intercambio de calor por conducción y convección con el suelo del
invernadero. Estos son intercambios de calor sensible.
• Ventilación: Por intercambio de aire con el medio ambiente exterior se puede bajar
la temperatura por diferencia entre temperatura interna y externa (calor sensible). A
la vez puede variar el contenido de humedad del aire ya que generalmente el aire al
interior es más húmedo que el aire externo. Esto baja el contenido energético del
aire y es un intercambio de calor latente.
4.2. Propiedades del aire.
4.2.1. Enumeración de las propiedades.P
1
UPresión Atmosférica:
• Unidad: Pascal (Pa).
• 101,325 Pa a nivel del mar.
• 75,000 Pa a 2,600 metros sobre el nivel del mar.
UTemperatura
• T puede expresarse en grados centígrados (º C) o Kelvin (K).
• 0 º C + 273 = 273 K o 0 K = -273 º C, la mínima absoluta.
27
P
1P Propiedades climáticas. Fuente CIAA
UHumedad
• Humedad absoluta (Xva): Dada en kg HO2/kg aire seco, cuantifica el contenido de
vapor que contiene el aire en unidades de peso.
• Presión parcial de vapor (e): Dada en Pascales cuantifica el contenido de vapor que
contiene el aire en unidades de presión. De los 75,000 Pa de presión atmosférica a
2,600 metros sobre el nivel del mar, una parte proviene del vapor de agua.
• Humedad relativa (HR): es la relación ente la presión parcial de vapor y la presión
parcial de vapor a saturación. HR = e/es.
• La temperatura de bulbo húmedo (Tbh en º C o K) es la temperatura a la cual se
enfría un cuerpo húmedo por la evaporación del agua. En la práctica se compara la
temperatura del aire con la temperatura del bulbo húmedo para calcular la humedad
relativa del aire.
UContenido de CO2
• Se expresa comúnmente en partes por millón (ppm) lo cual equivale a mg/l.
La densidad del aire
• Se expresa en kg/mP
3P.
28
4.3. Medición de las variables climáticas.
Las mediciones de temperatura, humedad del aire, CO2 se deben hacer en un punto
representativo dentro del invernadero (ni el borde, ni el centro), a la altura donde el follaje
sea mas espeso.
4.3.1. Temperatura.
La temperatura se mide tradicionalmente con termómetros de mercurio o alcohol. Hoy en
día se utilizan cada vez más las termocuplas, ver figura 3; quienes generan una señal
eléctrica en función de su temperatura Esto permite automatizar el registro de la
temperatura.
La variable que se quiere medir es la temperatura del aire, por lo cual es sumamente
importante proteger el sensor de la radiación y facilitar un buen intercambio de aire entre el
sensor y el aire circundante, como se muestra en a figura 4.
Figura. 3. Sensor de Temperatura.
29
Fuente: Invernadero Jorge Tadeo Lozano.
Figura. 4. Forma incorrecta y correcta de colocar un sensor de temperatura.
Fuente: Invernadero Jorge Tadeo Lozano.
4.3.2. Humedad del aire.
Para la medición de la HR, existen hoy dos sistemas de medición para uso bajo
invernadero. En uno se utiliza una capacitancía que mide directamente la humedad del aire.
Estos capacitores son delicados y poco confiables en ambientes con contaminación por
polvo. El otro sistema consiste en medir simultáneamente la temperatura de un bulbo seco y
un bulbo húmedo, como se muestra en la figura 5, donde utilizando formulas para calcular
la humedad relativa.
30
Figura. 5. Sensor de Humedad.
Fuente: Invernadero Jorge Tadeo Lozano.
4.3.3. Dióxido de carbono.
La concentración de CO2 en el aire se cuantifica con un equipo que mide la absorción de la
radiación infrarroja en una celda, por donde fluye aire del invernadero. La absorción de la
radiación infrarroja es proporcional con la concentración de CO2. El equipo se puede
calibrar con gases de referencia o con aire del ambiente exterior, suponiendo que este
último contiene 350 ppm de CO2. En la figura 6 se muestra un medidor de CO2 , en la parte
mas espesa del follaje.
Figura. 6. Equipo para la medición de concentración de CO2.
31
Fuente: Invernadero Jorge Tadeo Lozano.
4.3.4. Variables externas.
Existen otras variables que se deben medir fuera del invernadero. Como la intensidad de la
radiación solar, ya que en el interior del invernadero la distribución de la radiación no es
homogénea. Otras variables son la precipitación o la velocidad y dirección del viento, como
se muestra en la figura 7, puesto que la ventilación depende del flujo de aire externo. Figura. 7. Equipo para medición de velocidad, dirección del viento.
32
Fuente: Invernadero Jorge Tadeo Lozano.
Actualmente podemos encontrar diferentes formas de invernaderos, donde podemos
encontrar que algunos prestan muchas ventajas y protección al cultivo, pero que están
directamente relacionadas con el costo.
4.4. Calefacción para invernaderos. P
2
Existen distintos sistemas para mantener y elevar la temperatura en el interior de un
invernadero, como son:
• Empleo adecuado de los materiales de cubierta.
• Sellamiento del invernadero, para evitar pérdidas de calor.
• Empleo de pantallas térmicas.
• Capas dobles de polietileno.
• Sistemas de calefacción por agua caliente.
P
2P Calefacción para invernaderos. Fuente: CIAA
33
Las unidades en las cuales se evalúa la transferencia de energía son:
• 1 Joule = 0.239 cal = 0.00095 BTU.
• 1 Watt = 1 Joule por segundo
• 1 W = 3.24 BTU hora
Algunas de las fuentes suministran calor en sistemas de calefacción son:
• Carbón.
• Crudo de castilla.
• ACPM.
• Gas Natural.
El calor cedido por la calefacción puede ser aportado al invernadero básicamente por
convección o por conducción.
4.4.1. Generadores de combustión interna.
Este sistema consiste en un ventilador que genera una corriente de aire al interior de una
cámara de combustión, con lo que en su salida el aire ya caliente arrastra consigo gases de
la combustión, que pueden crear problemas de fototoxicidad debido a sus componentes
(CO2, H2O y otros gases). La eficiencia de este sistema, depende de su localización en el
invernadero y la distribución que se haga del calor. Este sistema presenta una alta eficiencia
por ser combustión directa.
4.4.2. Calefacción de aire con intercambiador de calor aire – aire.
34
Este sistema funciona mediante generadores de combustión interna con intercambiador de
calor. En este caso la corriente de aire no pasa directamente a través de la cámara de
combustión, sino que se calienta atravesando una cámara de intercambio. En esta parte la
cámara de combustión elimina los gases que se producen en ella a través de una chimenea.
Al igual que el sistema anterior es un método localizado y su eficiencia depende del
intercambiador de calor (radiador) que puede estar entre un 80% a 90%.
4.4.3. Calefacción de aire con intercambiador de calor agua – aire / vapor – aire.
Este sistema funciona mediante generadores con intercambiadores de calor. En este caso
los generadores de calor calientan agua hasta vapor el cual pasa por el intercambiador,
donde se condensa y libera calor que es impulsado por un ventilador. Al igual que el
sistema anterior. En la cámara de combustión se eliminan los gases generados por la
caldera y su eficiencia depende del sistema central (caldera y radiador).
4.4.4. Calefacción con red de agua.
El sistema de recirculación de agua, emplea una central térmica, constituida por ejemplo
por una caldera, que emplea algún combustible (gas propano, gas butano, natural,
electricidad). De la misma forma emplea una red de tubería de red que permite circular el
agua en diferentes partes del invernadero. Para su funcionamiento estos sistemas disponen
de: caldera, depósito de combustible, tuberías, bombas y accesorios de automatización.
La distribución de la tubería es diversa, en diferentes zonas del invernadero y a diferentes
alturas, teniendo en cuenta la zona de cultivo que se quiera calentar. La eficiencia de este
sistema depende de muchos factores entre los cuales se encuentran, la posibilidad de
35
mezclar agua de retorno con agua del calentador, sistematización del sistema de
recuperación de gases eliminados (CO2).
4.5. Cubiertas para invernaderos.
Una cubierta plástica en un invernadero, al ser proveniente de un proceso industrial,
permite trabajar con distintos materiales sintéticos para su elaboración, logrando cubiertas
con distintas propiedades.
La cubierta al ser instaladas, proporcionan al invernadero nuevas, propiedades las cuales en
este trabajo son llamadas propiedades intrínsecas al cultivo: Filtro luz UV, almacenar
energía calorífica, trasmitir el máximo de luz fotosintéticamente activa, evitar el goteo,
evitar el sobrecalentamiento y en general proteger el cultivo, mientras las propiedades
extrínsecas son todos los aspectos complementarios relacionados con las características del
producto para garantizar una vida útil, fácil instalación, manipulación, comercialización y
la disposición final de los desechos generados por la cubierta.
Estos grupos de funciones y requerimientos se obtendrán mediante una correcta selección
de materiales, el empleo de aditivos y la correspondiente forma de proceso. Para un
usuario, el conjunto de funciones y requerimientos deberá obtenerse a través del productor
de película mediante las especificaciones técnicas que este presente.
4.5.1. Propiedades intrínsecas al cultivo.
Las funciones de protección y barrera que los materiales de cerramiento ofrecen son muy
diversas y deben corresponder a las necesidades particulares de los cultivos:
• Maximizar la transmisión de luz fotosintética activa, benéfica para el metabolismo
de las plantas.
36
• Protección a diferentes fenómenos: vientos, precipitaciones, heladas,
sobrecalentamientos, cambios indeseables de temperatura, radiaciones de alta
energía, plagas.
• La función de barrera deseada corresponde a la de la radiación infrarroja terrestre
para conservar la energía calorífica producido en el interior del invernadero, la de
prevenir el ingreso de radiación de alta energía (UV) y a las de significar un medio
físico de protección a los fenómenos climáticos externos al recinto.
• Estas funciones se deben desarrollar sin generar un nuevo fenómeno que contribuya
adversamente con el cultivo. El más conocido de ellos es el goteo al interior del
invernadero, fenómenos relacionados con la condensación, compatibilidad de
superficies y con la alteración de los espectros de luz que inciden en el cultivo.
4.5.1.1. Propiedades de la radiación.
La mayor recepción de energía lumínica aumenta considerablemente la producción de
fotosíntesis neta. La radiación solar actúa sobre el crecimiento y el desarrollo de las plantas
como fuente energética para la asimilación fotosintética del CO2, como fuente primaria de
calor y como estimulo para la regulación del desarrollo de la planta (Alpi, 1991). Un
detalle de estos efectos a través del espectro electromagnético de la radiación solar sobre
los cultivos es fundamental para el establecimiento de las funciones de las películas.
En la tabla 2 presenta un resumen de la clasificación más relevante para la radiación solar
en el espectro de interés y porcentajes de radiación típicos cuando se alcanza la tierra.
37
Tabla 2. Clasificación de la radiación solar y porcentaje correspondiente a un espectro.
Radiación Longitud de onda
(nm) % Radiación
Solar Radiación Longitud de onda
(nm) UV - C <280
UV - B 280 - 315 Ultravioleta (UV) 295 - 400 6,8 UV - A 315 - 400 Visible 400 - 800 55,4 PAR 400 - 700
37,8 NIR 800 - 2450 MIR 2450 - 24000
Infrarrojo (IR) 800 - 1000000 FIR >24000 Fuente: CIAA.
La luz UV (longitudes de onda inferiores a 400nm) por ser la de mayor intensidad
energética no es en general favorable para los procesos de crecimiento y desarrollo de las
plantas. En pequeñas cantidades estimulan la germinación de diversas semillas y sirven
para el control de plagas. En dosis elevadas producen quemaduras y necrosis en los tejidos
vegetales. Las películas plásticas de cubrimiento deben proteger las plantas de este tipo de
radiación, además de resistir a los procesos degradativos que esta parte del espectro
propicia en los polímetros.
El crecimiento de una planta esta relacionado directamente con la fotosíntesis. El correcto
balance entre la intensidad de luz visible PAR (radiación fotosintéticamente activa, 400 –
700 nm), la temperatura y la cantidad de CO2 presente en la atmósfera son las variables
mas influyentes en la activación y desarrollo de la fotosíntesis. En la figura 8 se observa
como existe una zona de activación fotosintética y una zona de inhibición relacionadas con
la temperatura y el nivel de CO2 contenido en la atmósfera. Este caso particular de un
cultivo de tomate permite observar una zona de temperatura que va desde 25 a 35 grados
centígrados en la cual la fotosíntesis es máxima con niveles de concentración de CO2
atmosféricos.
La fotosíntesis neta de este caso aumenta al doble cuando no se limita la concentración de
CO2. La intensidad de la luz, es otro de los factores que influye en la fotosíntesis neta como
se muestra en la figura 9. En este caso se muestran tres curvas con diferente intensidad
38
radiativa 20, 50 y 80 W/mP
2P y se ve claramente que la curva mayor activación fotosintética
ocurre a 80 W/mP
2P ya que es la curva con mayor cantidad de luz que recibe el cultivo. Si la
intensidad lumínica disminuye también disminuye la fotosíntesis neta. Una buena
condición para una película de invernadero esta en maximizar el paso a través de esta
energía por unidad de área originada por la luz PAR disponible. La naturaleza de este tipo
de luz es directa y difusa. La suma de estas dos fuentes es la que aportara la irradiancia total
al cultivo.
Figura 8. Diagrama de la dependencia térmica.
Fuente: Alpi, 1991.
39
Figura 9. Ejemplo de la dependencia de la fotosíntesis neta.
Fuente: Alpi, 1991.
4.5.1.2. Propiedades extrínsecas al cultivo.
Dentro de los requerimientos se cuentan las propiedades que debe tener el material para
resistir a los procesos de envejecimiento y degradación, la garantía de propiedades
mecánicas que aseguren la resistencia ante las cargas impuestas durante la instalación o la
utilización, la ligereza para la fácil manipulación, la baja carga para las estructuras del
invernadero, los ahorros en transporte que puedan ofrecerse en las líneas de
comercialización y las consideraciones que faciliten la disposición final de los desechos con
posterioridad a su aplicación.
40
• Densidad: La densidad de una película plástica esta ligada en primer termino con la
naturaleza química de la estructura macromolecular del material base y en segundo
lugar con el grado de cristalinidad u ordenamiento de las macromoléculas.
• Flexibilidad: Se refiere a la capacidad del material de ser deflectado sin deformarse
permanentemente. Normalmente se cuantifica por el modulo elástico.
• Resistencia: La resistencia mecánica para la aplicación requerida se entiende como
el nivel de esfuerzos máximos al que pueda someterse el material sin generar
deformaciones indeseables o la rotura.
• Ductilidad: Esta propiedad se refiere a la máxima deformación permanente que
puede soportar la película antes de alcanzar la rotura.
• Envejecimiento: Para una película de invernadero este parámetro esta relacionado
con la degradación del material polímetro por efecto de los agentes externos,
especialmente la luz UV, el cubrimiento de materiales o agentes externos que
obstaculicen la transmisión de luz PAR y la consecuente perdida de propiedades
mecánicas y ópticas.
• Resistencia a la termofluencia o Creep: Los polímeros son muy sensibles a la
temperatura. Algunos pueden presentar deformaciones permanentes con el tiempo
aún sin alcanzar la resistencia a la fluencia del material.
• Impacto ambiental: La legislación ambiental en países como el nuestro obligara a la
consideración acerca del direccionamiento de los residuos plásticos generados
después de su utilización. Se tendrá que resolver entre el reciclaje y la recuperación
energética como alternativas. Su elección dependerá de los análisis de ciclo de vida
y la medición de impactos generados por cada una de las alternativas.
41
4.5.2. Materiales plásticos utilizados en películas agrícolas.
Existe una variedad nominalmente limitada, de materiales plásticos utilizados en la
elaboración de películas agrícolas. Las estructuras posibles van desde extrusiones
monocapa hasta coextrusiones multicapa. Adicionalmente, la compatibilidad entre algunas
de las principales resinas facilita la formulación de mezclas poliméricas en vez de resinas
puras. Por lo tanto, es amplio el espectro de posibilidades acorde con las materias primas y
sus propiedades intrínsecas.
Las principales materias poliméricas del mercado para este tipo de aplicaciones esta
segmentada fundamentalmente en:
• Polietileno de baja densidad (LDPE).
• Polietileno lineal de baja densidad (LLDPE).
• Copolimeros de etileno-acetato de vinilo (EVA).
• Policloruro de vinilo (PVC).
Las mezclas mas frecuentes:
• LDPE y LLDPE.
• LDEP y EVA.
La variedad de alternativas no solo se limita por la estructura de la películas (capas y
espesores) sino por la incorporación de aditivos que faciliten su procesabilidad o que
mejoren su desempeño: plastificantes, estabilizadores térmicos, antioxidantes, disipadores
de radiación UV, colorantes y cargas, entre otros. La composición de varios materiales
plásticos pertenecientes a una misma familia puede llegar a ser muy variada y, por lo tanto,
también lo serán sus propiedades y comportamientos, como se observa en la tabla
42
Tabla 3. Valoración de las propiedades de las cubiertas plásticas.
Propiedad LDEP LLDEP PVC EVA Resistencia UV +/- - /+ - /+ + Transparencia - - + +
Termicidad - - + + Propiedades mecánicas +/- +/- - /+ + Resistencia al rasgado + +/- + -
Resistencia a bajas temperaturas - - /+ - +
Resistencia a altas temperaturas - - /+ - /+ +
Películas anchas + - - + Termofluencia (Creep) + +/- - -
Antigoteo - - - - (+) óptimo; (+/-) bueno; (-/+) mediano; (-) insuficiente.
Fuente: CIAA.
4.5.2.1. Polietileno de Baja Densidad, LDPE.
Polímero de uso común caracterizado por la baja densidad, flexibilidad y ductilidad. El PE
se degrada por la radiación UV y el oxigeno, por lo que la exposición permanente a la
intemperie provoca su rotura al perder las propiedades mecánicas (ductilidad).
El PE transparente tiene un poder absorbente de 5% al 30% en los espesores utilizados en
agricultura; el poder de reflexión es de 10 al 14% el poder de difusión es bajo. Según esto,
la transparencia del PE está comprendida entre el 70-85%, es decir, dentro del recinto
cubierto por el material plástico se percibe un 15-30% menos de luz aproximadamente que
en el exterior.
En el mercado existen diversos grados de LDPE:
• Polietileno Normal.
• Polietileno Normal de Larga Duración.
• Polietileno Térmico de Larga Duración:
43
4.5.2.2. Polietileno Lineal de Baja Densidad, LLDPE.
Se trata de moléculas de mayor numero de ramificaciones que el LDPE pero muy cortas.
Este tipo de estructuras le confiere al material mayores propiedades mecánicas (resistencia
y tenacidad) y mayor resistencia a la UV. En relación con las aplicaciones agrícolas del
LLDPE, este material presenta buena resistencia a la degradación por exposición a la
intemperie y a la radiación UV del sol, debido fundamentalmente a su menor permeabilidad
al oxigeno, el menor numero de instauraciones en la molécula y a una mayor orientación
molecular. La procesabilidad de este material es más exigente. Se encuentra frecuentemente
mezclado con LDPE para mejorar las propiedades de trasmisión de luz.
4.5.2.3. Copolimeros de EVA.
En películas agrícolas, el EVA es empleado en aquellas aplicaciones que requieren
flexibilidad, resistencia al desgarro, alta transmisión de luz, baja turbidez y efecto
termoaislante. Como sus propiedades mecánicas disminuyen con la temperatura, su uso es
apreciado en climas fríos y con poca insolación.
Las películas de EVA poseen entre otras propiedades: efectos termoaislantes en espesores
finos, reducción de las inversiones térmicas en invernaderos, gran transparencia a la
radiación solar, buena difusión de la luz y excelentes resistencia a la tracción y
alargamiento en la rotura. Sus aplicaciones son en cubiertas simples y dobles. Su
transparencia a la luz visible cuando el material es nuevo es mas alta que la del polietileno
térmico, la opacidad a las radiaciones térmicas depende del contenido de acetato de vinilo,
siendo necesario del 15 al 18 % de VA para conseguir un buen nivel térmico para un
espesor de 0.15 a 0.20 mm.
44
4.5.2.3. Policloruro de Vinilo Flexible, PVC.
El PVC es la resina que cuenta con una muy buena relación entre versatilidad y costos. Sus
presentaciones pueden ir desde materias muy rígidos hasta estructuras flexibles como en las
aplicaciones de películas. Su aplicación como película de invernadero es mas frecuente en
oriente (Japón).
Aunque presenta mayor resistencia a la UV que los pares poliolefinicos, también requiere
de inhibidores para su desempeño competitivo. Sus propiedades ópticas son superiores.
Cuenta con limitaciones para la atracción de partículas de polvo y su procesamiento no
permite la producción de películas para grandes coberturas.
4.6. Ventilación en invernaderos.
De todos los factores que se deben controlar en un cultivo, el más importante sin lugar a
dudas es el aire que rodea a las plantas, ya que no se puede olvidar que al igual que
cualquier ser vivo estas respiran, y realizan todas sus funciones fisiológicas en función de
esta actividad.
Está claro que un correcto movimiento de aire, influye positivamente en el buen
funcionamiento de la planta intrínsecamente, pero también se puede añadir que si no
existiese una correcta ventilación en un cultivo, habría zonas con diferencia de temperatura
y humedad, y esto se notaría lógicamente en un descenso de la producción de la
explotación.
Lo ideal es que se renovara todo el aire, que rodea a un cultivo intensivo bajo abrigo, unas
45 veces en una hora, pero este óptimo es bastante difícil de conseguir, pues se debería
tener una gran superficie de ventanas y unas circunstancias climáticas exteriores óptimas.
45
4.6.1. Efectos de la Ventilación.
Los principales efectos sobre los factores climáticos, que provoca el uso de la ventilación
son los siguientes:
• Efectos sobre la temperatura: La temperatura en el interior de un invernadero suele
ser más elevada que la temperatura que hay en el exterior, por lo que al cambiar aire
a baja temperatura por aire más caliente, se consigue bajar la temperatura del
invernadero. En caso de que se produzca "inversión térmica", es decir, que el aire
del interior del invernadero esté más frío que el aire exterior, se produciría una
subida de temperatura provocada por la ventilación. Este fenómeno último puede
ocurrir en invierno, por lo que el uso de la ventilación será positivo, o en verano
cuando se tiene vientos muy cálidos que traen aire muy caliente, que se va
acumulando en el interior del invernadero.
También se disminuye la temperatura del invernadero en ausencia de viento, es
decir, sin renovar el aire de éste. El aire caliente al pesar menos que el aire frío, se
concentra en la parte alta del invernadero, y sale por las ventilaciones cenitales,
debido al "efecto chimenea". Este efecto lo tenían muy en cuenta los diseñadores de
barcos, ya que con estas chimeneas conseguían renovar el aire de todas las partes
internas del barco. De todas formas con este último efecto, provoca menor descenso
de temperatura, que con el de renovación del aire.
• Efectos sobre la humedad: En el interior del invernadero, la humedad absoluta es
siempre superior a la de la exterior. Ello es debido a que en el interior del
invernadero existe una gran densidad de plantas, que debido a la transpiración,
elevan la humedad absoluta del interior. Es por ello, que al ventilar, cambiamos aire
con más vapor de agua por aire con menos vapor de agua. Es decir, con la
46
ventilación se provoca una disminución de la humedad dentro de un invernadero,
con el menor riesgo de enfermedades para el cultivo.
• Efectos sobre la concentración de COB2 B: La concentración de COB2 B en el exterior se
mantiene más o menos constante alrededor de 300-350 ppm. En el interior del
invernadero la concentración de COB2 B va variando a lo largo del día. Durante el día la
planta realiza los procesos de fotosíntesis (en la que consume COB2 B) y respiración (en
la que produce COB2 B). Pero el proceso de fotosíntesis es más importante que el de
respiración, por lo que la planta durante el día es consumidora neta de COB2 B. Durante
la noche la planta sólo respira, es por ello que la planta es una generadora de COB2 B.
Desde que anochece empieza a aumentar la concentración de COB2 B en el interior del
invernadero. Si en el invernadero se mantienen las ventanas cerradas, la máxima
concentración de COB2 B se suele dar justo antes de que amanezca. La concentración
de COB2 B va bajando cuando la planta realiza la fotosíntesis; cuanto mejores sean las
condiciones climáticas, mayor será la tasa de fotosíntesis y por ello mayor será el
consumo de COB2 B. Llega un momento en que la concentración de COB2 B es inferior en
el interior, que en el exterior del invernadero. A partir de este momento es cuando
sería conveniente ventilar, ya que cambiaríamos aire con menos COB2 B, por aire con
más COB2 B. Es por ello que mantener las ventanas cerradas de noche nos permite
acumular COB2 B, que será usado el resto del día.
4.6.2. Tipos de Ventilación
La ventilación de los invernaderos se suele realizar mediante el uso de unas aperturas en el
invernadero, llamadas ventanas, situadas en los techos o en los laterales de éste, que
permiten la renovación del aire, o bien mediante el uso de ventiladores de diferentes
caudales.
47
La mejor forma de clasificar las ventilaciones es basándonos en la forma en que se realiza
la renovación del aire.
4.6.2.1. La ventilación activa.
Es aquella en la cual actuamos activamente en el movimiento del aire del invernadero,
utilizando una serie de ventiladores, como se observa en la figura 10.
Figura 10. Ejemplos de ventilación activa.
Fuente: www.agroinfo.com
El objetivo de la ventilación forzada es sacar al exterior el exceso de aire caliente y
humedad. La velocidad y cantidad de calor que debemos sacar, dependen principalmente de
la temperatura exterior y de la velocidad del aire. Es importante que la dimensión,
localización y control de la ventilación, sean correctas.
Los ventiladores de gran caudal tienen una serie de hélices de acero inoxidable. Lo normal
es que sean extractores de aire. Manejan grandes caudales de aire a bajas velocidades, por
lo que las plantas no se deshidratan. Son capaces de renovar, hasta cuarenta y cinco mil
metros cúbicos de aire por hora.
48
Todo el chasis del ventilador es de acero galvanizado para estar protegido de la corrosión.
Existen modelos incluso, que poseen aquellas partes más delicadas, cubiertas de plástico
para evitar que se oxiden prematuramente. La hélice es también de acero inoxidable ya que
a través de ella pasa todo el aire húmedo, productos químicos o cualquier otro agente.
4.6.2.2. La ventilación Pasiva.
La ventilación pasiva en cambio, es aquella donde se realiza una serie de aperturas o
ventanas en el invernadero, y el viento natural que se produce en la zona, va renovando el
aire del invernadero. Esta a su vez se divide en dos tipos, dependiendo del lugar de
colocación de las ventanas:
Ventilación cenital: Las ventanas se sitúan en el techo del invernadero, aprovechando el
efecto chimenea, como se muestra en la figura 11.
Figura. 11. Ventilación Cenital en Invernadero. Ejemplo de ventilación pasiva.
Fuente CIIA.
49
Ventilación lateral: Las ventanas se sitúan en los laterales o paredes del invernadero, como
se muestra en la figura 12, donde las paredes se recogen, permitiendo la ventilación..
Figura. 12. Ventilación Lateral en Invernadero. Ejemplo de ventilación pasiva.
Fuente: www.agroinfo.com.
Tradicionalmente en los invernaderos se ha venido utilizando la ventilación pasiva o
natural, debido a su costo más bajo que la ventilación activa o forzada. Últimamente esto
está cambiando principalmente por dos razones.
• La corriente de aire que se genera en el invernadero, procedente de las ventanas
laterales o cenitales a través del cultivo, puede ser muy perjudicial, ya que lo pueden
deshidratar en determinados momentos del año.
• Las ventanas laterales son una importante entrada de patógenos. Es por esto, que
cada vez más se ponen mallas en los invernaderos muy tupidas para evitar la entrada
de plagas, pero que hacen descender la ventilación que necesita el cultivo
50
5. METODOLOGIA
5.1. Variaciones de los factores ambientales en el invernadero.
Las consideraciones inherentes a la climatología y a la ecología definen la importancia de
las características ambientales de una cierta zona y establecen su aptitud para cultivos en
invernaderos desde un punto de vista económico.
Este ambiente que se puede llamar exterior, es el que determina si es posible o no instalar
un determinado tipo de invernadero, su orientación, entre otras. Pero el ambiente que
realmente interesa para los fines de los cultivos es el interior, el cual deriva del exterior,
pero puede adquirir unas características peculiares que son las que definen cada ambiente
particular del invernadero. Se refiere, naturalmente, al ambiente que se forma en un
invernadero en el cual no ha habido operaciones de climatización, pero que ha sufrido
modificaciones sustanciales con respecto del exterior y de los parámetros determinantes:
temperatura, luz, grado higrométrico y concentración atmosférica en anhídrido carbónico, y
esto por el mero hecho de ser un ambiente que se desarrolla en área cubierta. Es necesario
tener en cuenta que el balance térmico, junto con la cantidad total de energía luminosa,
constituye el elemento principal para determinar la eficacia de un invernadero y un
argumento de estudio para investigadores y técnicos.
Se debe obtener un modelo para el estudio y la simulación del clima interior, y del
comportamiento de las plantas. Este modelo tiene la característica de ser lo suficientemente
general para representar los sistemas industriales de producción en invernaderos, que al
mismo tiempo sirve como planta piloto de los experimentos presentados en esta tesis.
Se deben describir los fenómenos que influyen sobre el clima del invernadero.
Principalmente la ventilación, radiación y los procesos de intercambio por convección,
conducción y radiación térmica, luego se desarrolla un modelo del clima que describe la
51
evolución de la temperatura interna, y por ultimo el desarrollo de un modelo de crecimiento
de la planta.
5.1.1. Descripción del proceso.
El invernadero es un recinto cerrado donde la diferencia entre el clima interior y exterior se
crea principalmente por la cubierta, medidamente la radiación solar y los mecanismos del
estancamiento de aire. La radiación se constituye de dos componentes, la onda corta que
proviene directamente del sol, y la onda larga que proviene por emisión del suelo, el
sistema de calefacción, las plantas y la transmisión por la cubierta, como se observa en la
figura 13.
Figura. 13. Cambios energéticos de un invernadero.
Fuente CIIAA
• La ventilación: Es un factor determinante en la totalidad del clima interno. Su
influencia se extiende sobre la temperatura, la humedad y sobre la concentración de
CO2.
52
• La radiación Solar: La radiación solar influye mucho sobre la temperatura interior
por medio de la cantidad de energía que proporciona. Es una radiación de onda
corta, con la longitud de onda de entre 0.2 y 5 µm.
• Los procesos de intercambio por convección: Los intercambio por convección se
manifiestan con todas las estructuras existentes dentro del invernadero. Su
influencia es principalmente sobre la temperatura interna. En la mayoría de los
invernaderos estos procesos se pueden resumir en:
o Intercambios del aire interior a la cara interna del material de la cubierta.
o Intercambios de la cara exterior de la cubierta al aire exterior.
o Intercambios a nivel de la cubierta.
A continuación se describe con más detalle cada uno de los fenómenos que influyen sobre
el ambiente dentro del invernadero.
5.1.1.1. Ventilación.
La ventilación es un fenómeno que tiene un papel muy importante de la determinación del
clima del invernadero. Su influencia es determinante sobre la temperatura, la humedad, y el
nivel de CO2 dentro del invernadero. Muchos estudios se han hecho para determinar la
influencia de la ventilación sobre la temperatura, y su relación con la velocidad del viento y
el grado de apertura de las ventanas. Brown y Solvanson en 1962 realizaron el primer
estudio teórico sobre la ventilación y su relación con la diferencia de temperatura dentro y
fuera del invernadero. Kozai y Sase en 1978 fueron los primeros en presentar un modelo de
ventilación de un invernadero. Este modelo relaciona la ventilación, la apertura de las
ventanas y la velocidad del viento en un invernadero de apertura simple (una sola ventana)
en el techo. Es un modelo cuantitativo de la ventilación en un invernadero.
53
5.1.1.1.1. Características de flujo de aire en una ventana.
La apertura de una ventana causa una diferencia de presión ∆p entre el interior y el exterior
del invernadero, un flujo de aire vφ se puede modelar como el producto de la velocidad del
aire v y la superficie de la apertura 0A .
0Avv =φ Ecuación 1.
Para efecto de la simulación se realiza los cálculos en base a los datos meteorológicos
dados por la rosa de vientos, adquirida en el IDEAM, que en este documento se muestra en
el Anexo P. Los datos proporcionados por el centro de investigación y accesoria
agroindustriales, se encuentra ubicado de occidente a oriente, lo cual es un factor
determinante para determinar la velocidad con que el viento entre al invernadero. Mirando
la posición del invernadero y la rosa de vientos observamos que los vientos que nos afectan
en el invernadero, son los que van hacia el norte y nororiente a una velocidad promedio
13.7m/s.
El otro punto a consideración es el del área de la ventana cuyo resultado es la ecuación 2, y
se muestra en la figura 14, cuyas medidas se dan en los planos Anexos de este documento.
Figura. 14. Ventana del invernadero.
AnchooLA aven *argtan = Ecuación 2.
mmA aven 8.0*11.0tan =
54
2tan 088.0 mA aven =
La diferencia de presión se puede deducir del número de Euler, definido como la división
de la diferencia de presión p∆ por donde la energía cinética por unidad de volumen, como
se muestra en la ecuación 3.
2
21 vp
pEu∆
= Ecuación 3.
De la ecuación 1 y las ecuación 3 se puede calcular la diferencia de presión, mostrado en la
ecuación 4.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=∆
02 AEP vu φρ Ecuación 4.
La apertura real wA que se puede expresar en función de la apertura básica 0A y el ángulo
de apertura, teniendo una constante inherente al sistema de la ventana. Como se muestra en
la ecuación 5.
α*º60
1*0AAw = Ecuación 5.
Se determino la apertura real en las 3 posiciones establecidas en el proyecto de 10º, 20º y
30º. Donde arroga como resultado:
• 10º: º10*º60
1*088.0 210 mA = 2
10 0146.0 mA =
• 20º: º20*º60
1*088.0 220 mA = 2
20 0293.0 mA =
55
• 10º: º30*º60
1*088.0 230 mA = 2
130 044.0 mA =
Estos resultados entregan que el sistema tiene una apertura máxima total de 2044.0 m
5.1.1.1.2. Fuerzas involucradas en la ventilación.
La ventilación natural se debe a dos factores, el efecto del viento y el efecto de la diferencia
de temperatura entre el interior y el exterior del invernadero.
El flujo de aire debido al efecto de viento es el producto de la velocidad del aire por toda la
superficie de la apertura de la ventana. Se calcula mediante la ecuación 6, dando como
resultado la ecuación 1.
∫= 0.dAvvφ Ecuación 6.
Como se desea saber cual es el flujo estimado de aire que se entra en el invernadero en las 3
posiciones de la ventana. Se calcula este flujo con la ecuación 1. Con las áreas halladas
anteriormente y una velocidad del aire con un valor de 13.7m/s de promedio de la velocidad
de este en sentido sur – norte, obtenidos en la rosa de viento mostrada en los Anexos.
smmsm /2.00146.0*/7.13 3210 ==φ
smmsm /4.00293.0*/7.13 3220 ==φ
smmsm /6.0044.0*/7.13 3230 ==φ
56
Con estos datos, se puede concluir que cada ventana del invernadero permite un flujo de
aire estimado de 0.6 mP
3P/s máximo. Aunque este valor depende directamente de la velocidad
del viento que como se sabe, no es constante. Pero se puede regular variando la apertura de
la ventana.
Bajo la suposición de que la temperatura es uniforme dentro del invernadero. La diferencia
de presión vertical se puede expresar en función de temperatura dentro y fuera del
invernadero, como se expresa en la ecuación 7
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆
−∆=∆TTpgPyP 0)( Ecuación 7.
A partir de la ecuación 4, se sustituye P∆ en la ecuación 7, entonces la velocidad del aire
en la apertura se puede deducir con la ecuación 8.
21
0
21
2⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆
−∆⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
TTgP
Ev
u
ρρ
Ecuación 8.
El flujo de aire debido a la temperatura tφ se define como la integral de la velocidad a lo
largo de la altura H de la ventana en función de y, como se indica en la ecuación 9.
∫=H
t dyyvL0
).(φ Ecuación 9.
Debido a que la resolución de esta integral es bastante compleja para calcular, se hace una
aproximación de segundo orden. Finalmente se obtienen el flujo de aire térmico por la
ecuación 10.
57
23
22
3⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆
=H
TTg
TT
LCdtφ Ecuación 10.
5.1.1.1.3. Ventilación resultante.
Aplicando el principio de conservación de la masa del aire del invernadero, la cantidad de
aire entrante es igual a la cantidad saliente del invernadero por lo tanto la ecuación 11 nos
muestra.
0≈+ tv φφ Ecuación 11.
A partir de la ecuación 11, se puede deducir si la ventilación de debe al efecto de viento o al
efecto de temperatura, en un invernadero de tipo capilla (invernadero estudiado en este
trabajo), aunque los efectos eólicos dominan sobre los efectos térmicos en relación
mostrada en la ecuación 12.
( )21
3 TV ∆> Ecuación 12.
Las consecuencias de la ventilación es la reducción de la temperatura del invernadero. Esta
consecuencia depende de la diferencia de temperatura que hay dentro y fuera del
invernadero. Es la suma de dos factores, el primero factor es por ventilación y el segundo
por transmisión a través de la cubierta. Su acción se puede calcular por la ecuación 13.
( ) TKKvQ rvvent ∆+= φ Ecuación 13.
En los Anexos A. Se calculo para el primer mes el flujo de calor de la ventilación para los
datos suministrados por el CIAA. Con la ecuación 1 y el flujo de calor de la ventilación, se
obtuvo diferentes valores para de flujo de aire, que se presenta en las ventanas del prototipo
de invernadero. Obteniendo un valor máximo de flujo de 0,07972 mP
3P/s en las horas
58
meridianas y un valor mínimo de 0,0668162 mP
3P/s a las 3 de la mañana, observando un valor
casi promedio de 0,0718011 mP
3P/s. Y observando la ecuación 1, implica que para lograr este
flujo casi constante, hay que variar el ángulo de la ventana en función a la velocidad del
viento.
Para calcular un estimado de estos factores. Se toma el valor promedio de flujo de aire en
las ventanas del invernadero de 0,0718011 mP
3P/s y la velocidad del viento 13.7m/s y
obtenemos el ángulo de apertura de la ventana por medio de la ecuación 1 y la ecuación 5,
relación que entrega la ecuación 14.
º601*p
P
A
vφ
α = Ecuación 14.
º573.3
º601*088.0
0052095.02
2
==m
mα
Donde el resultado es el ángulo de apertura de la ventana, manteniendo una velocidad del
viento constante.
Al probar el caso contrario donde se mantiene la apertura de la ventana constante de 10º, y
con un flujo de aire en las ventanas del invernadero de 0,0718011 mP
3P/s. Se calcula la
velocidad del viento con la ecuación 1.
smm
smv /19.40146.0
/0718011.02
3
==
En este caso se mantuvo una apertura de 10º y con un flujo de aire constante, lo cual arroja
como resultado la velocidad del aire de 4.19m/s. Los casos planteados anteriormente es
cuando se desea mantener un flujo de aire constante. Pero estos datos deben comparase con
la relación que existe entre el análisis eólico y el análisis térmico, que se lleva a cabo por
59
medio de la presión, por medio de la ecuación 10. En el Anexo A se muestra los datos
obtenidos de Фvent y el Фt. Del sistema de ventilación analizado en este proyecto.
5.1.1.2. Radiación.
Primero que todo es importante considerar que la fracción invisible de la radiación solar
comprende, entre otras, las radiaciones infrarrojas con una longitud superior a las 760µm.
Antes de entrar en el tema que corresponde “temperatura”, es importante analizar las causas
fundamentales que determinan el efecto invernadero, para llegar a adquirir algunas
definiciones muy importantes.
El sol, cuya temperatura esta calculada aproximadamente en 6000 ºC, emite una energía de
7 – 9 Kwh./mP
2P en las regiones ecuatoriales, mientras que en las regiones templadas tiene
esta misma intensidad solamente en los meses de verano, bajando a un tercio en los meses
de invierno. Las radiaciones emitidas por un cuerpo cualquiera están caracterizadas por la
capacidad de emisión, que es una característica física determinada por la naturaleza, por el
estado superficial de los cuerpos sólidos, y por la composición de la mezcla gaseosa en que
se encuentran sumergidos. La capacidad máxima de emisión es la del cuerpo negro. Un
punto de origen emite energía en un determinado campo de longitudes de onda, pero existe
siempre una longitud de onda característica en la cual se emite la mayor parte de la energía
y que se llama “longitud de onda del máximo”.
La “longitud de onda del máximo” es tanto mas corta cuanto mas elevada es la temperatura.
Efectivamente, la radiación del sol tiene lugar en una banda contenida entre 200 y 3000 mµ,
comprendiendo la luz visible y el infrarrojo corto. La longitud de onda del máximo es de
500 mµ y esta comprendida en la banda del color amarillo.
Para los objetos a temperatura normal, la emisión tiene lugar en la banda comprendida
entre las 200 – 300 mµ y 25000 – 30000 mµ.
60
La “longitud de onda del máximo” esta situada hacia las 9000 – 10000 mµ; a esta emisión
se le llama radiación terrestre y esta formada por infrarrojos largos. La calidad de la
radiación solar, por lo tanto, no es igual a la de la radiación terrestre. Todas las radiaciones
incidentes son en parte reflejadas y en parte absorbidas y transformadas en calor. Una
sustancia que absorbe energía radiante aumenta su temperatura y emite a su vez energía
bajo forma de radiación.
El cuerpo negro perfecto absorbe toda la luz incidente y emite la mayor cantidad de
energía, mientras que otros materiales pueden reflejar todo el flujo incidente sin emitir
energía.
La absorción por parte de una sustancia depende de la longitud de onda del flujo incidente.
Generalmente los cuerpos, con respecto de las longitudes de onda, se comportan de manera
intermedia entre los cuerpos negros y los cuerpos reflejantes. En cambio, los cuerpos
reflejantes, en relación con el infrarrojo largo, se comportan como los cuerpos negros.
También la transmisión depende de la longitud de onda del flujo incidente. Todos los
materiales usados en los invernaderos son transparentes para la luz invisible y el infrarrojo
corto. La parte reflejada y absorbida representan tan solo el 10 – 20% del total.
Este valor varia, naturalmente, según la inclinación y la orientación de las paredes.
En cambio, los materiales de recubrimiento son más o menos opacos al infrarrojo largo. El
infrarrojo largo, por lo tanto, será tan solo reflejado, absorbido o transformado en calor por
las paredes del invernadero. En general, la absorción alcanza el 95% y, por lo tanto, la
pared de un invernadero se comporta como un cuerpo negro; la energía de la atmósfera es
transformada en calor por absorción por parte del recubrimiento y es emitida a su vez por
irradiación; esta energía ira, la mitad hacia el exterior y la otra mitad hacia el interior.
61
Después de estos fenómenos, se puede decir que en el interior del invernadero ha pasado
una cantidad muy próxima al 50% de la energía que viene de la atmósfera.
Del mismo modo casi toda la irradiación del terreno y de la vegetación es absorbida por
parte de las paredes que vuelven a emitir las radiaciones, mitad hacia el exterior y mitad
hacia el interior.
Los revestimientos plásticos, al igual que el cristal, dejan pasar los rayos visibles, pero su
transparencia es alta también en lo que se refiere al infrarrojo de una gran longitud de onda:
esta característica es mas acentuada en el polietileno que en el PVC, de todos modos, la
cosas cambian cuando hay una cutícula de agua de condensación sobre la superficie interior
de la lamina de plástico.
Hasta el momento se han identificado tres tipos de radiaciones infrarrojas: las de corta
longitud de onda, que van desde 760 hasta 1000mµ; las de mediana longitud de onda, entre
1000 y 2500 mµ y las largas, que pasan de 25000mµ.
Todas ellas actúan sobre las plantas en sentido morfogenetico y fisiológico, pero lo mas
importante de su acción es el efecto térmico, puesto que en cuanto un cuerpo las absorbe,
este se calienta.
En relación con la temperatura de la atmósfera de un invernadero, las radiaciones mas
importantes son las infrarrojas cortas, que pasan a través de los materiales de recubrimiento
(por cierto, que los materiales usados deben de tener una elevada capacidad de transmitir el
infrarrojo corto), y son absorbidas por las plantas, por el terreno y por los otros materiales
que se encuentran en el invernadero.
Si se toma en consideración el cristal, que es un material muy usado para el recubrimiento
de los invernaderos y, como flujo incidente, se toma la parte visible y el infrarrojo corto
62
del espectro solar, se observa que el cristal es muy transparente, es decir, transmite una
buena parte de las radiaciones. Así es como se calientan los objetos presentes en el
invernadero, los cuales, a su vez, emitirán otras radiaciones infrarrojas con una longitud de
onda mas elevada.
Efectivamente, se conoce el comportamiento de las radiaciones debidas a la excitación
térmica. Todos los cuerpos cuya temperatura es superior al 0 absoluto emiten radiaciones
cuya intensidad aumenta con la cuarta potencia de la temperatura absoluta (TP
4P) y cuya
longitud de onda es inversamente proporcional a la temperatura absoluta.
Las variaciones caloríficas infrarrojas, como consecuencia de su longitud de onda, pueden
encontrar un obstáculo al pasar a través del material de recubrimiento, puesto que este, en
relación con sus características, contribuye a aumentar la temperatura de atmósfera de
invernadero, tanto mas en cuanto es mas impermeable a estas variaciones. Mas
precisamente, este flujo de radiaciones de una longitud de onda superior a las 5000 mµ no
es transmitido, si no que es absorbido casi todo por el material de recubrimiento, el cual,, a
su vez, emite radiaciones caloríficas tanto hacia el exterior como hacia el interior del
invernadero. Las radiaciones que van hacia el interior son las que calientan la atmósfera del
invernadero.
Este fenómeno es lo que suele llamar “efecto invernadero”, este fenómeno permite cultivar
plantas en invernaderos desprovistos de calefacción en zonas cuyas bajas temperaturas no
les permitiría desarrollarse o que, por lo menos, les haría tener un ciclo vegetativo mas
largo.
Dada la importancia de este fenómeno, se han hecho unas investigaciones para averiguar la
impermeabilidad que muchos materiales de recubrimiento tienen con respecto al infrarrojo
largo y, por lo tanto, definir su rendimiento térmico.
63
El ritmo al cual un cuerpo emite energía térmica es proporcional a su área superficial y a la
cuarta potencia de su temperatura absoluta. Este resultado obtenido empíricamente en la
ecuación 15. por Josef Stefan –Boltzmann 1879.
= 4AT* P εσ Ecuación 15.
5.1.2 Transferencia de calor por Conducción.
El calor de un cuerpo pasa a otro por conducción solo por efecto de la temperatura, sin que
haya desplazamiento de materia.
Durante el marco teórico de este documento se menciono que los invernaderos pueden ser
de cubierta sencilla o doble, siendo la doble una opción que presta más beneficios al
cultivo, por eso se busca el caso en particular de transferencia de calor para invernaderos de
pared de polietileno doble.
Donde el aire que circula por en medio de estos paredes actúa como aislante cuando existe
una temperatura muy baja en el exterior del invernadero, y por el contrario, cuando la
temperatura exterior se encuentra por encima de un limite permitido la ausencia de aire
entre las paredes permite un flujo térmico mayor representado por la ecuación de cantidad
constante de energía térmica por unidad de tiempo Q:
tSKQ ∆= ** Ecuación 16.
O bien, se podría escribir la ecuación anterior como sigue, en la ecuación 17:
LtKAQ ∆
= Ecuación 17.
64
Para cada día del primer, segundo y tercer mes del año 2004 se tienen los datos de las
temperaturas externas e internas del invernadero en la Sabana de Bogotá, mas exactamente
en la población de Cota Cundinamarca, donde se encuentran los invernaderos
experimentales del CIAA. En los Anexos A se muestran los Q calculados en la superficie
frontal del invernadero cuya área total de 23.8 mP
2P y se observa claramente en la figura 15,
dada por la vista frontal del Anexo H, teniendo en cuenta el estado de las paredes de
polietileno, es decir, cuando existe presión máxima para aislar la temperatura exterior de la
del interior o cuando existe presión mínima de aire. Se considera la cubierta de polietileno
con un espesor de cada pared de 1mm y un coeficiente de conductividad térmica de 0,0007
cal/ (seg.) (cmP
2P), dato proporcionado por la tabla 4.
Figura. 15. Vista frontal del Invernadero. En el Anexo H de este documento se encuentran los planos de un
invernadero a escala.
65
Para los dos primeros meses del 2004, se saco el promedio aritmético para cada una de las
horas del día de las temperaturas (interna y externa), como se muestra en la figura 16. En la
figura 17 se muestra el flujo constante de calor del invernadero propuesto como prototipo,
para un periodo de tres meses en el año 2004 (datos proporcionado por el CIAA “Centro de
Investigaciones y Asesorias Agroindustriales”).
Figura 16. Representación de los datos de temperatura Primer mes del 2004. Tabla Anexo A.
Figura 17. Flujo de conducción de calor por conducción a través de una cubierta doble de polietileno. Tabla
Anexo A.
66
Figura 18. Representación de los datos de temperatura Segundo mes del 2004. Tabla Anexo B.
Figura. 19. Flujo de conducción de calor por conducción. Tabla Anexo B.
Para los datos de temperatura visto en las figuras 16 y 18 anteriores, se observa un flujo
constante de calor, mayor en las horas del mediodía, lo que supone condiciones de
temperatura favorables en el exterior para estas horas y en las figuras 17 y 19 se muestra el
flujo de calor por las paredes del invernadero, con estos datos se busca aprovechar de la
mejor manera las altas temperaturas exteriores, para ganar temperatura interna y en las
67
bajas temperaturas dadas principalmente en las noches, cambiar la tasa de transferencia de
calor inflando las paredes y mantener la temperatura ganada durante el día, mejorando las
condiciones internas del invernadero, frente a las bajas temperaturas de la noche,
principalmente.
Ahora se analizan las cantidades de flujo de calor para la sección lateral del invernadero,
que posee una área total de 227.5 m2 y que también tiene el mismo material de cubierta de
las secciones frontal y posterior así como las dimensiones para un invernadero real
mostradas en la figura 20.
Figura 20. Vista lateral del Invernadero. Planos Anexos.
68
En las figuras 21 y 22 se indica los resultados de los cálculos realizados en los Anexos C,
donde se evalúa la tasa de transferencia de las paredes laterales del invernadero, con lo cual
confirma la tesis planteada en páginas anteriores donde en el día se tienen altas
temperaturas y en la noche bajas temperaturas. Lo cual lleva a decidir cambiar la tasa de
transferencia de calor del las paredes del invernadero, inflando las paredes del invernadero
con aire. Cambiando la tasa de transferencia una tasa de transferencia alta cuando la
temperatura externa sea baja y una tasa de transferencia alta cuando la temperatura externa
sea alta.
Figura 21. Energía térmica para superficie lateral de invernadero del primer mes del año 2004. Tabla Anexo C
69
Figura. 22. Energía térmica para superficie lateral de invernadero del segundo mes del año 2004.
Tabla Anexo D.
5.1.3 Transferencia de calor por Convención. P
3
En la convección el calor se transporta por el movimiento de masas de fluidos (gases o
líquidos) de diferentes densidades, que se originan por diferencia de temperatura entre
zonas del fluido. Generalmente, la masa más fría es la más densa y tiende a ocupar la parte
más baja mientras que la masa del fluido. Efectivamente, en el invernadero existe un
gradiente de temperatura que varia desde un mínimo en las proximidades del terreno, hasta
un máximo cerca del techo. Los valores de este sector de variabilidad están en relación
directa con la altura del invernadero. Hay que hacer notar que el conjunto de los fenómenos
de conducción y radiación, crea cierto dinamismo en el volumen de atmósfera que contiene
el invernadero, puesto que al aumentar la temperatura el aire disminuye de peso y tiende a
subir.
P
3 PFormulas planteadas Fuente: Libro Fundamentos de física para las ciencias agrícolas, Julio Cesar Gonzáles.
70
Este desplazamiento provoca en la parte más alta del invernadero una presión superior a la
del exterior y una depresión igual y contraria en la parte mas baja, como se muestra en la
figura 23. B. En un invernadero ideal, que fuera perfectamente hermético, habría justo en la
mitad, entre techo y terreno, una presión igual a la del exterior que determinaría la
formación de una “zona neutra”. En la parte superior del invernadero, el aire tiende a salir
por efecto de la presión que es mayor, mientras que en la parte baja el aire frió tiene
tendencia a entrar como consecuencia de la depresión.
Figura 23. A) Sección transversal de un recinto cerrado en el que la zona media se establece una presión igual
al exterior. B) Sección transversal de un invernadero. Las flechas indican el flujo de aire descendente.
Fuente: Libro Fundamentos de física para las ciencias agrícola
Este fenómeno de convección provoca un desequilibrio en las condiciones de temperatura
en el interior del invernadero, produciéndose mínimas térmicas a nivel del terreno, las
cuales tienden a disminuir porque el aire del interior se enfría entrando en contacto con las
paredes, aumenta su densidad y provoca una corriente de aire descendiente, que también
arrastra hacia abajo al aire frió que entra por las ranuras. Por todo esto, las bajas
temperaturas se forman en contacto con el terreno que es precisamente donde mas falta
hacen las temperaturas mas elevadas. Se producen, por lo tanto, unas dispersiones
caloríficas notables en el interior del invernadero por el efecto de simples fenómenos
físicos, y es conveniente hablar de estas dispersiones por conducción, convección,
71
renovación de aire y por irradiación a través del terreno, con vistas a calcular el llamado
balance térmico.
El calor de la atmósfera en el interior aumenta en relación con el aumento de la temperatura
en el exterior. Pero, puesto que el invernadero nuca esta completamente presurizado, habrá
un intercambio de aire en una cantidad que varia en relación con numerosos factores (tipo y
características constructivas del invernadero, velocidad del viento, etc.). Se calcula que con
unas condiciones atmosféricas de ausencia de viento, la cantidad de veces que en una hora
un volumen de aire igual al del invernadero pasa, desde el interior hacia el exterior, es del
orden de un 0.3% hasta 3%, según la calidad de la construcción. Puede haber, pues, un
intercambio que puede tener mucha importancia si el aire que penetra es frió y
relativamente seco y el que sale es calido y húmedo. El aumento de la temperatura en un
invernadero será mayor en tanto mayor sea la hermeticidad del invernadero.
Una parte del calor que se produce por absorción de las radiaciones pasa por conducción al
terreno que, de este modo, llega a ser un almacén de calor; efectivamente, una parte de esta
energía se libera en el transcurso de la noche.
Se pueden pues resumir los intercambios térmicos en régimen permanente con la siguiente
ecuación 18, y la figura 24, muestra en donde se ven representadas cada una de las
variables de la ecuación.
;0')()()( =+−+−+− SQCdCeQieKSvSlsle θθ Ecuación18.
72
Figura 24. Intercambios térmicos entre el invernadero y el exterior
Fuente: Libro Fundamentos de física para las ciencias agrícola
5.1.4 Pérdidas de calor a través de la cubierta. P
4
Agrupa las pérdidas de calor por conducción-convección y la pérdida de energía por
radiación infrarroja. El coeficiente que engloba estas pérdidas de calor se denomina
coeficiente general de pérdida de calor por superficie, "U". El valor del mismo para varios
materiales es el siguiente:
Tabla 4. Con los valores de de coeficiente térmico.
MATERIAL DE COBERTURA Coeficiente U (W/m2 C)
Vidrio, cubierta simple 6,2
Vidrio, cubierta doble 4
Vidrio, cubierta triple 2,8
Polietileno simple 6,2
Polietileno doble 4
Polietileno térmico, doble capa 3,4
Fuentes: www.agroinfo.com
P
4 PFormulas planteadas Fuente: Libro Fundamentos de física para las ciencias agrícolas, Julio Cesar Gonzáles.
73
Estos coeficientes son modificados por factores ambientales, fundamentalmente la
velocidad del viento. Algunos autores calculan el coeficiente U, de acuerdo a las siguientes
relaciones.
Vidrio simple: U = 4,04 + 0,65 v W mP
-2P CP
-1P
Plástico simple: U = 4,76 + 0,52 v "
Plástico doble: U = 4,06 + 0,25 v "
Si bien en la tabla anterior no se tiene en cuenta, es de destacar, que los materiales de
cobertura ondulados (blancas rígidas), al poseer una superficie de contacto superior, tienen
una mayor pérdida por cobertura. El uso de pantallas térmicas reduce significativamente la
incidencia del viento sobre el coeficiente U.
5.1.5. Pérdida de calor por infiltración de aire.P
5
Estas pérdidas se deben a la falta de hermeticidad del invernadero. Se calcula de acuerdo a
la ecuación 19.
Qr = NV / As p Cp (∆T) (W mP
-2P) P
P Ecuación 19.
Las renovaciones horarias dependen del material de cobertura y el grado de conservación
del mismo.
P
5 PFormulas planteadas Fuente: Libro Fundamentos de física para las ciencias agrícolas, Julio Cesar Gonzáles.
74
Simplificadamente, N se puede calcular usando la ecuación 20 de la siguiente manera:
Invernaderos de vidrio:N = 0,4 + 0,433 v
Invern. plástico 1er añoN = 0,4 + 0,058 v
Invern. plástico 2do añoN = 0,4 + 0,1 v
2−+= qrWmqcq Ecuación 20.P
5.1.6. Humedad relativaP
6
Es importante examinar las variaciones de humedad de la atmósfera confinada en el interior
del invernadero, conviene hacer una breve alusión a la terminología utilizada para
expresar el grado higrométrico del aire y a la relación entre este parámetro ambiental y a la
temperatura.
La cantidad de vapor de agua contenido en el aire se puede expresar como masa por unidad
de volumen (humedad absoluta en kg/mP
3P) o por unidad de masa de aire seco (humedad
especifica en kg/kg), o como presión de vapor (en mbar). Estas presiones (e, en mbar) se
puede calcular con la ecuación 21.
MTRde **
= Ecuación 21.
P
6 PFormulas planteadas Fuente: Libro Fundamentos de física para las ciencias agrícolas, Julio Cesar Gonzáles.
75
La presión de vapor del aire saturado (es, en mbar) depende de la temperatura ( T, en, ºC),
según la ecuación 22.
82488.0)*026404.0()( += TesLog Ecuación 22.
El valor de “es” se duplica prácticamente al aumentar 10ºC la temperatura del aire. La
diferencia entre es y e representa el déficit de saturación del aire a 18ºC y 10 mbar de
presión de vapor, como se muestra en la figura 25. Tu es la temperatura de bulbo húmedo
del psicometro, cuya constante instrumental esta representada por la inclinación (cambiada
de signo) de la recta U – Z Td es la temperatura del punto de roció.
Figura 25. Relación entre temperatura y presión de vapor del aire saturado (es).
Fuente: Cultivo en Invernadero. C. I. Cerisola.
La humedad relativa (H.R) expresa la radiaron porcentual entre presión de vapor del aire a
una determinada temperatura e y la presión de vapor del aire saturado es a esa temperatura.
76
El valor D.S. se puede calcular de acuerdo con el de H.R. y la temperatura mediante las
ecuaciones 23 y 24. Por ejemplo, el valor de e es de unos 22.5 mbar a 20ºC y de unos 41.4
mbar a 30 ºC: a esas temperaturas una H.R. de 60% corresponde a valores de e y D.S. de
13.5 y 9 mbar a 20 ºC y 24.8 y 16.6 a 30 ºC respectivamente.
eseRH *100.. = Ecuación 23.
El déficit de saturación (D. S).
eesSD −=.. Ecuación 24.
El diagrama de Mollier (Figura 26) representa esquemáticamente las transformaciones que
sufre el aire húmedo al variar la temperatura del aire (T), de la entalpia (J) y de la humedad
específica (X). En un sistema en el que no se verifican variaciones del contenido de vapor
de agua y de la presión atmosférica, al aumentar la temperatura se tiene una disminución de
H.R. y un aumento de D.S. (sucede al contrario en casi de que disminuya la temperatura);
si, por el contrario, mantenemos la temperatura constante, al aumentar la humedad
especifica se tiene un aumento de H.R. y una disminución de D.S. (sucede lo contrario en
caso de que la humedad especifica disminuya).
El D.S. tiene una importancia enorme desde el punto de vista ecofisiologico ya que, junto a
la temperatura de las hojas, determina el gradiente de presión de vapor que regula el
proceso transpira torio. El D.S. en el invernadero varia de 0 – 30 – 55 mbar, mientras los
valores óptimos se encuentran entre 2 – 10 mbar (correspondientes a H.R. de 55 – 90 % a
20 ºC).
77
Figura 26. Diagrama de Mollier
Fuente: Cultivo en Invernadero. C. I. Cerisola.
Como ya se ha dicho, la H.R. y el D.S. dependen estrechamente de la temperatura del aire y
de la cantidad de vapor de agua que este contiene y, por lo tanto, del balance hídrico del
invernadero. El problema del balance hídrico se acomete generalmente al considerar por un
lado las fuentes de aprovisionamiento de vapor de agua (evapotranspiración, irrigación,
intervenciones climatizantes especificas, como la nebulización y la sustitución del aire
interior con el exterior mas húmedo), y por el otro los procesos que tienden a disminuir la
cantidad de vapor de agua contenida en la atmósfera del invernadero (condensación,
ventilación y deshumidificacion). Unas condiciones con una elevada evapotranspiración
(plantas con un elevado índice foliar, buena disposición de riego, terreno sin broza y
valores elevados de energía radiante) tiende a aumentar el contenido en vapor de agua, y
consecuentemente, la humedad relativa. Por otro lado, si la temperatura del aire es
demasiado alta, y sobre todo su aumento es muy brusco, la evapotranspiracion puede que
no llegue a mantener un abastecimiento adecuado de vapor a la atmósfera, con la
consiguiente disminución de H.R. En general, durante el invierno la H.R. en los
78
invernaderos calentados es menor por la noche en el exterior, sobre todo en el caso de los
sistemas de calefacción termodinámicos, mientras de día se tienen valores mas elevados, si
bien con fluctuaciones mas marcadas respecto a la noche, dependiendo de la necesidad de
calefacción o ventilación. Durante la primavera y el otoño la H.R. es mayor por l anoche y
menor por el día; estas fluctuaciones todavía son mas marcadas en los meses de verano,
cuando el periodo nocturno se pueden alcanzar valores del 100% para descender a valores
muy bajos (20 – 40 %) en el periodo diurno, y que pueden determinar, en condiciones de un
abastecimiento hídrico inadecuado, estrés hídricos en las plantas.
Un fenómeno unido a la humedad del aire, al que ya hemos hecho alusión y que presenta
importantes repercusiones aplicativas, es el de la “condensación” , es decir, la condensación
del vapor de agua presente en el aire del invernadero, bajo forma de gotas diminutas, sobre
la superficie de todo cuerpo (paredes, plantas, etc) que se encuentre a una temperatura
inferior a la de la escarcha (Td en la Figura 26); Td es la temperatura en la que la presión de
vapor del aire es igual a la de saturación.
En el caso de las paredes interiores del invernadero, este fenómeno adquiere un aspecto
negativo al provocar un goteo continuo sobre las plantas que, de esta manera, llegan a
estropearse debido al exceso de humedad, favorable al desarrollo de organismos patógenos,
o al enfriamiento señalado (el agua condensada esta claramente a una temperatura mas baja
que el ambiente interior del invernadero). Los diagramas de la Figura 27, permiten
determinar las condiciones de condensación en las paredes del invernadero en función de
la humedad relativa y la temperatura interna y externa. En este caso se puede ver que,
cuando la temperatura interior es de 20ºC, y la humedad relativa es del 90 % habrá
condensación si la temperatura exterior es de 18 ºC; con la misma interior y con una
humedad relativa del 50 %, la condensación se producirá si la temperatura baja hasta 5ºC.
79
Figura 27. Curvas de condensacion. A) Según Gray, B) Según Nisen (Valette, R,. 1966).
Fuente: Cultivo en Invernadero. C. I. Cerisola
5.2. Selección de sistema actuadores.
Uno de los factores que mas influyo en los criterios de selección, es el de realizar un
sistema de bajo costo. Los métodos seleccionados deben cumplir con las condiciones para
optimizar la producción del cultivo a bajo costo, tanto de implementación, como de
mantenimiento.
5.2.1. Selección de sistema de calefacción.
Los diferentes sistemas de calefacción son mostrados en la Tabla 5., la cual tiene como
objetivo mostrar las ventajas y desventajas de estos métodos. Esta tabla ayuda a enfocar los
criterios de selección del método a usar en este proyecto.
80
Tabla 5. Sistema de calefacción.
Sistema de Calefacción o manutención de Calor Método Ventajas Desventajas Selección
Calefacción Antiheladas No son tan costosos.
La temperatura no uniforme en el invernadero.
Utilizan diferentes combustibles. Pueden dañar los cultivos si no hay buena ventilación.
Protege efectivamente de las heladas. Calefacción por Agua Es bastante uniforme. El sistema es bastante costoso.
Permite un buen lazo de control. Aumenta en exceso la humedad relativa.
Bastante efectivo. Causa perdidas de de calor radiante.
Calefacción por Aire. Sistema relativamente económico Instalación complicada.
Se adapta bien a cualquier invernadero La temperatura no uniforme en el invernadero.
Utilizan diferentes combustibles. Calefacción con Luz La energía es renovable. La implementación es costosa.
solar La energía es económica. Difícil integración con el invernadero.
Fuente de energía muy prometedora. Calefacción con
energía geotérmica Es la más prometedora. Poco difundida.
Implementado su funcionamiento es bastante económico.
Se genera obturación es en las tuberías.
Donde hay concentración de agua caliente no es propicio para la agricultura.
Costo de los estudios hidrogeológicos.
Paredes doble de platico. Bastante Económico.
Cuando no esta inflado, no permite la buena recepción de luz. X
Fácil Instalación.
Ahorro energético hasta de un 40%. En épocas muy frías puede no ser eficiente.
Lazo de control sencillo de implementar.
Se selecciono el método de pared doble de plástico, ya que de las opciones mostradas, es el
de más fácil implementación, además de ahorro energético. Este sistema permite
aprovechar la temperatura ganada por el invernadero durante el día.
81
5.2.2. Selección de sistema de ventilación.
Los sistemas de ventilación mostrados en la Tabla 6, no están muy difundidos en su gran
mayoría, principalmente por sus altos costos. El método más usado a nivel mundial es de
ventilación natural, que por sus ventajas y su bajo costo es el de más fácil instalación.
En este proyecto se selecciono la ventilación natural y sobre este se va a realizar un lazo de
control proporcional para mantener un intervalo de temperatura óptimo para el cultivo.
Tabla 6. Sistema de ventilación.
Sistema de Ventilación. Método Ventajas Desventajas Selección
Ventilación natural. Bastante económico. Deficiente en invernaderos grandes. X
(Ventilación Pasiva) Método bastante utilizado.
En zonas de mucho viento, se convierte en un control eólico en lugar de un control climático.
Permite implementar diferentes métodos.
Bastantes estudios sobre este método.
Ventilación Forzada.
Control más preciso de temperatura. Costosa implementación.
(Ventilación Activa) Costoso funcionamiento.
Refrigeración por
evaporación. Ahorra costo en el gasto de agua. Consume mucha electricidad y agua.
El costo depende de los ventiladores.
Depende de la humedad del aire exterior.
82
5.3. Metodología de control.
La primera acción que se toma para mejorar el clima de un invernadero consiste en instalar
ductos, ventanas móviles y/o mejorar el manejo de las cortinas laterales. Estos sistema se
implementan con moto-reductores, utilizando tubos de tracción, guayas y poleas para
cortinas laterales.
El segundo paso es de invertir en un sistema de calefacción. Esto puede ser un sistema con
combustión directa, un sistema con intercambiador de calor aire-aire o un sistema con
caldera y red de agua caliente.
Cuando se evalúan estas inversiones para mejorar el clima bajo un invernadero la gran
pregunta es de cómo manejar estas herramientas. Por un lado se requiere determinar cuales
serán los parámetros para el manejo. Aquí se juegan tres variables:
• Los conocimientos sobre el comportamiento de las plantas y su interacción con el
clima.
• La interacción entre el clima y el desarrollo de las plagas y enfermedades, donde se
trata de prevenir condiciones que favorecen el desarrollo de esto.
• Los costos energéticos y ambientales relacionados con la generación del nuevo
clima bajo invernadero.
Por el otro lado se requieren de una tecnología para el manejo de la infraestructura con el
fin de lograr realmente los óptimos preestablecidos. El control más sencillo es donde una
persona toma una decisión de modificar la posición de ventanas u otros accesorios, basado
en mediciones de las condiciones del clima, en la hora del día o en otro factor. El otro
extremo son los computadores que por medio de un sistema de control controlan el clima y
demás accesorios del invernadero.
83
Los distintos tipos de control son:
• Control On-Off. (Encendido – apagado.)
• Control Flotante.
• Control con banda proporcional (Banda P).
• Control proporcional – integral (PI).
• Control proporcional integral derivativo (PID).
Para los diferentes elementos, comúnmente utilizados para el manejo del clima bajo
invernadero, los siguientes son los tipos de control mas comunes son:
• Ventilación por ventanas o cortinas: P, PI.
• Ventiladores: on-off, P.
• Calefacción por aire: on-off, P.
• Inyección de CO2: on-off.
• Calefacción con caldera donde se regula la temperatura del agua: PID.
5.3.1. Control de temperatura con banda proporcional (banda P)
El control con banda proporcional consiste en permitir que el factor a controlar oscile en un
rango, llamado la banda proporcional o banda – P. Dentro de este rango, el elemento de
control es ajustado de forma proporcional con la desviación entre el punto de inicio y el
valor medido.
En la siguiente figura 28 se ilustra para el caso de la regulación de ventanas para control de
temperatura con diferentes valores para la banda proporcional P:
84
Figura 28. Regulación de ventanas para control de temperatura
Para el caso en particular se realizo la selección de una banda P igual a 15, de tal manera
que la posición de la ventana alcance el 100% cuando este por encima de este valor, y para
cualquier posición intermedia, las ventanas estarán en una posición proporcional con la
diferencia entre temperatura medida y la temperatura donde inicia el trayecto de la
ventilación, hasta alcanzar el rango de temperatura optima.
El control con temperatura de ventilación (punto de incio del trayecto de ventilación “valor
de referencia”) con banda P es muy común para regular posición de ventanas y cortinas.
Este tipo de control es bastante estable si se maneja con unos pasos mínimos o una zona
muerta. Se puede programar de tal forma que las ventanas solamente se mueven si el
cambio de temperatura es el necesario para que se ajuste en un 20% de su recorrido total.
Una de las propiedades del control con banda P es que nunca se llega a una temperatura
exacta, si no que se mantiene en un rango, a cambio de una buena estabilidad.
85
En la figura 29 se muestra el comportamiento de la temperatura con el control de banda
proporcional P para el posicionamiento de ventanas.
Figura 29. Comportamiento de la banda P
Pare el control de posición de ventanas es indispensable conocer la señales de entrada y
salida del sistema que corresponde a un motor DC, en este caso, la señal en escalón
unitario de entrada V(t), la cual representa una señal especifica de voltaje entre 0 y 8V, y la
señal de salida, representada por un potenciómetro lineal, el cual entrega una señal de la
forma.
y = mx +b. Ecuación 25.
La señal de salida y, corresponde a la salida del Terminal móvil del potenciómetro lineal. Si
este se alimenta con 8V en sus terminales fijos, se genera un voltaje en su terminal
intermedio equivalente a su posición. Es posible decir entonces, que cuando produce 0V
esta en la posición equivalente a 0 grados, 2V corresponderá a 90 grados y 4V
corresponderá a 180 grados, estableciendo una relación lineal.
La señal de referencia, r, corresponde a la posición deseada. Es decir, para que el motor
alcance los 180 grados es necesario colocar una referencia de 4 V, para 270 grados el valor
de referencia se ubica en 6 V, así sucesivamente.
86
La señal de error, e, corresponde a la diferencia entre la señal de referencia y la señal de
salida. Por ejemplo. Si se quiere que el motor alcance la posición de 90 grados, se coloca la
señal de referencia de 2V y se espera la ubicación exacta del motor. Si se posiciona en 67.5
grados el potenciómetro entregara una señal de 1.5V y la señal de error, e, será de 0.5V
que corresponde a 22.5 grados. En la figura 30, se muestra el sistema de posicionamiento
para un motor.
Figura 30. Control proporcional de un motor.
Partiendo del hecho de que la respuesta del motor es proporcional al voltaje aplicado asi
como la respuesta del potenciómetro lineal, es posible establecer una relación lineal como
se indica la tabla 7.
Tabla 7. Respuesta del potenciómetro lineal.
V Posición º
0 01 3,752 7,53 11,254 155 18,756 22,57 26,258 30
87
La cual describe una recta de la forma y = m(x) + b, como se muestra en la figura 31.
Figura 31. Respuesta grafica del potenciómetro.
POSICION
0
5
10
15
20
25
30
35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Volts
posi
ción
Serie1
Representada matemáticamente por la ecuación 26:
y = 3.75x Ecuación 26.
Cuya transformada de Laplace es la ecuación 27
2
75.3)(
ssY = Ecuación 27
88
La señal de entrada corresponde a una señal escalón de amplitud igual a la del voltaje de
DC aplicado, como se muestra en la ecuación 28:
U(t) = V Ecuación 28. Cuya transformada de Laplace es la ecuación 29:
sVsU =)( Ecuación 29.
El modelo matemático será la función de transferencia del sistema, entrega como resultado
la ecuación 31.
sV
sUsYsG
75.3
)()()( == Ecuación 31.
Para el análisis de estabilidad se realizan pruebas en Matlab con diferentes valores de V y
se evalúa la respuesta ante un paso unitario de 2 V, en las figura 32 y 33 se muestra su
configuración y su respuesta.
Figura 32. Simulación en Matlab, con escalón de 2V.
89
Figura 33. Respuesta de la simulación en Matlab, con escalón de 2V.
Se evalúa la respuesta ante un paso unitario de 4 V, en las figura 34 y 35 se muestra su
configuración y su respuesta.
Figura 34. Simulación en Matlab, con escalón de 4V.
Figura 35. Respuesta de la simulación en Matlab, con escalón de 4V.
90
Se evalúa la respuesta ante un paso unitario de 6 V, en las figura 36 y 37 se muestra su
configuración y su respuesta.
Figura 36. Simulación en Matlab, con escalón de 6V.
Figura 37. Simulación en Matlab, con escalón de 6V.
En las graficas anteriores es posible observar que el comportamiento es el mismo para los
tres casos, ya que tienen en común el tiempo de estabilización aproximado de 9s.
La ecuación de error para el sistema se representa en la ecuación 32.
[ ] )()()(1
1)( sRsHsG
sE+
= Ecuación 32.
91
Donde
sVsG
75.3)( =
1)( =sH Realimentación unitaria
Por lo tanto, se tiene como resultado la ecuación 34.
)(
1
1)( sR
sV
msE
+
= Ecuación 34.
Aplicando el teorema del valor final, es posible hallar que el error en estado estacionario,
como se muestra en la ecuación 35.
)()( lim0
ssEses→
= Ecuación 35.
Es decir, si la entrada es un escalón unitario de amplitud V (la transformada de Laplace de
la función escalón es V/s), el error en estado estacionario, se muestra en la ecuación 36.
sV
sV
se sss 75.31
1lim 0
+
=→
Ecuación 36.
Es decir:
0≈sse
92
Con lo anterior, es posible deducir que el sistema en lazo cerrado responde ante una orden
de ubicación en cualquier posición angular, con gran exactitud. En la práctica no seria así,
ya que al cambiar la posición del potenciómetro, que esta en 0º, a la posición
correspondiente a 180º se aplica un voltaje de 4V. El sumador resta 5 voltios, de la señal
de referencia de la señal de voltaje de salida, proveniente del potenciómetro, produciendo la
señal de error que se aplicara al motor.
Ahora, es necesario considerar el efecto del posicionamiento de las ventanas sobre la
temperatura del invernadero. Para tal efecto, se parte de los datos estadísticos suministrados
por el CIAA de la temperatura externa y temperatura interna. Una vez tabulados los datos
se aproxima con un polinomio de segundo orden, como se muestra en la figura 38.
Figura 38. Función de segundo Vs temperatura externa.
TEMPERATURA EXTERNA
y = -0,0756x2 + 2,0228x + 3,6131
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0 5 10 15 20 25
HORA
T ºC temp_externa
Polinómica (temp_externa)
93
La temperatura externa, actúa como la entrada del sistema. La transforma de Laplace de la
aproximación polinomial se muestra en la ecuación 37.
3
26131.300228.21512.0)(s
sssU ++−= Ecuación 37.
De igual manera, se realiza una aproximación polinomial para los datos de temperatura
interna, como se muestra en la figura 39.
Figura 39. Función de segundo Vs temperatura interna.
TEMPERATURA INTERNA
y = -0,0895x2 + 2,5122x + 2,13
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0 5 10 15 20 25 30
HORA
T ºC temp_intena
Polinómica (temp_intena)
Para este caso, la temperatura interna actúa como la respuesta del sistema. La transformada
de Laplace para la aproximación polinomial de la temperatura interna del invernadero, se
muestra en la ecuación 38.
3
213.25122.2178.0)(s
sssY ++−= Ecuación 38
94
La función de transferencia para relacionar las aproximaciones polinomiales y que
representa el modelo matemático del sistema, se muestra en la ecuación 39.
2
2
6131.30228.21512.013.25122.2178.0)(
sssssG
++−++−
= Ecuación 39.
Para evaluar la estabilidad del sistema, se altera la función de transferencia con un paso
unitario al igual que en los casos anteriores, obteniendo el resultado, mostrado en la figura
40.
Figura 40. Función de transferencia
Figura 41. Respuesta de la función de transferencia
95
Es posible observar la estabilidad del sistema de temperatura. Ahora es necesario
reemplazar el paso unitario para alterar el sistema, por la respuesta que se obtiene al
realizar el control de posición del motor para la apertura de ventanas y de esta manera
evaluar la estabilidad del sistema. En la figura 42, se realizan pruebas de estabilidad del
sistema y su respuesta en la figura 43.
Figura 42. Pruebas de estabilidad.
Figura 43. Respuestas de las pruebas de estabilidad.
El sistema en lazo cerrado demuestra estabilidad, lo cual indica la incidencia del
posicionamiento de ventanas sobre la temperatura interna del invernadero obteniendo una
respuesta aproximada de 7s.
96
Para establecer un control P, es necesario realizar un ajuste. Para este caso en particular se
utiliza el método de Cohen y Con, el cual indica que la respuesta del sistema tiene una
forma sigmoidal, tal como se muestra en la figura 44.
Figura 44. Respuestas sigmoidal del sistema.
La representación matemática para esta curva se aproxima por una respuesta de primer
orden con tiempo muerto tal como se muestra en la ecuación 40.
1)(
+=
−
sKesG
sp
τ
θ
Ecuación 40.
Para calcular Kp se procede como, se muestra en la ecuación 41.
entradasalidaK = Ecuación 41.
97
La salida del sistema se asume como el valor de estabilización con un paso unitario,
obteniendo un valor:
Kp=0.55
La constante de tiempo τ esta representada por la ecuación 42:
sB
=τ Ecuación 42
Para este caso S = 1.2; Finalmente el valor pθ representa el tiempo transcurrido hasta que
responde el sistema, que en este caso es de 1s.
De esta forma el ajuste quedaría, como se muestra en la ecuación 43.
14583.055.0
+=
−
seG
s
p Ecuación 43
Con el Kp es posible evaluar la estabilidad del sistema, de esta forma la respuesta mejora
en cuanto a tiempo de estabilización se refiere:
Figura 45. Sistema ajustado.
98
Figura 46. Respuesta del sistema ajustado.
5.3.2. Comparación control PI.
Con el fin de establecer una comparación entre control P y PI, los cuales son los mas
usados en el control de ventilación para invernaderos, se desarrollan los respectivos
cálculos para el control PI por medio del método Cohen y Coon.
El control PI indica una función de transferencia de la forma, ecuación 44.
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +=
TiskpsG 11)( Ecuación 44.
En donde Ti, corresponde a la constante de integración, la cual es posible calcular por
medio de la ecuación 45.
sksTi 1)( = Ecuación 45.
K1 se ajusta por medio del método Cohen y Coon para control PI, el cual indica:
99
pppp
pK
τθτθ
θ209
3301
+
+=
Conservando los valores de pθ y pτ para el ajuste del control P, ya que se obtiene la
misma respuesta en la entrada y salida del sistema se obtiene un valor.
694.0)( =sTi De esta manera es posible deducir la función de transferencia PI, mostrada en le ecuación
46.
sssG
694.055.03817.0)( +
= Ecuación 46.
La estabilidad del sistema, al igual que en los anteriores procedimientos, se comprueba por
medio de la excitación del mismo con una función paso unitario, arrojando los siguientes
resultados, mostrados en la figura 47 y su respuesta en la figura 48.
Figura 47. Diagrama en simulink del control PI.
100
Figura. 48. Respuesta control PI.
Figura. 49. Comparación respuesta control P.
Es posible observar que en el control P, la respuesta del sistema se estabiliza en menor
tiempo que en el control PI, esto hace una diferencia importante ya que las necesidades del
invernadero requieren respuesta rápida, con el fin de establecer las condiciones optimas del
cultivo.
Otro aspecto importante para tener en cuenta, es la exactitud de cada uno de los controles,
ya que el control PI tiene una respuesta mas exacta pero con un tiempo de respuesta
mucho mayor, mientras que el control P tiene respuesta rápida con diferencias entre el
valor ideal.
101
5.4. Simulación y análisis de Mecanismos para Ventilación Cenital.
La ventilación del invernadero se realiza con la apertura automática de ventanas, teniendo
en cuenta controles de banda-P para la correcta ubicación de la ventana, dependiendo de la
temperatura deseada.
El invernadero que se seleccionó, es un invernadero tipo capilla, con un sistema de
ventilación cenital automatizado; que llevará a cabo la apertura y cierre de las ventanas.
Hay varios mecanismos con los cuales se realiza la apertura o cierre de las ventanas, a los
cuales se les realizó un análisis para observar cual era el que mejor se ajustaba a los
objetivos del proyecto.
A continuación se mencionan los mecanismos más comunes que se analizaron:
• Mecanismos con tornillo sin fin y moto reductores AC: Este sistema muestra un
sistema efectivo, con gran variedad de posiciones de las ventanas aunque dificulta el
control de esta posición. Los costos son elevados requiere varios tornillos por
ventana, lo cual implica tener un mayor control para que estén sincronizados los
motores que mueven el tornillo sin fin, como se observa en la figura 50.
Figura 50. Mecanismos con tornillo sin fin y moto reductores AC.
102
• Mecanismo con apertura y cierre por medio de cremallera en forma de media luna y
piñón, como se muestra en la figura 51. Este sistema es bastante eficiente, pero la
media luna dentada es bastante costosa, no solo su construcción lo cual, descarta
esta opción. Figura 51. Mecanismos con media luna y piñón.
• Mecanismo piñón – cremallera, el cual se implemento en el proyecto, se muestra en
la figura 52 y en el Anexo H. Se selecciono este sistema por ser el mas usado, y los
beneficios económicos, ya sea por su costo de implementación y costo de
funcionamiento, Además que es de fácil diseño, frente a los mostrados en las figuras
50 y 51. Figura 52. Sistema apertura ventana. Mecanismos con piñón - cremallera.
103
5.4.1. Análisis de mecanismos de piñón cremallera para ventilación cenital.P
7
Para mejorar la simulación del proyecto, se realizó el diseño de un invernadero a escala en
Acero 4140. Y cuyos planos se pueden ver en los Anexos. Para el análisis de la estructura,
se tomo en cuenta las ventanas diseñadas y se analizo el esfuerzo que realiza el eje para la
apertura y sostenimiento de estas.
Para determinar cual es la fuerza que se utiliza en el sistema se debe calcular el peso de la
ventana, mostrada en la figura 53, cuyas especificaciones se encuentran en los anexos, y los
demás componentes que interactúan en el sistema de apertura de esta.
Figura 53. Ventana maqueta invernadero.
Ancho de la ventana: 0. 2m.
Largo de la ventana: 0.8m.
Profundidad de la ventana: 0.01m.
ofundidadoLAnchoVolumen Pr*arg*= Ecuación 47
30016.0
01.0*8.0*2.0
mVolumen
mmmVolumen
parcial
parcial
=
=
P
7 PFormulas utilizadas. Fuente: Mecánica de Materiales de Beer.
104
Pero como la ventana es no es una figura sólida a esta volumen se le restara los volumen
sobrantes de los agujeros de la ventana.
Ancho de los Agujeros 1y 3: 0. 17m.
Largo de los Agujeros 1y 3: 0.2m.
Profundidad de los Agujeros 1y 3: 0.01m.
ofundidadoLAnchoVolumen Pr*arg*= Ecuación 48
331
31
00068.0
)01.0*2.0*17.0(*2
mVolumen
mmmVolumen
y
y
=
=
Ancho del Agujero 2: 0. 17m.
Largo del Agujero 2: 0.33m.
Profundidad del Agujero 2: 0.01m.
ofundidadoLAnchoVolumen Pr*arg*= Ecuación 49
32
2
000561.001.0*33.0*17.0
mVolumenmmmVolumen
=
=
3
231
00359.0 mVolumen
VolumenVolumenVolumenVolumen
Total
yPaicialTotal
=
−−= Ecuación 50.
Peso especifico del Acero 4140: 37.850Kg/m
105
NFuerzasmKgFuerza
nAceleracioMasaFuerzaKgMasa
mKgmMasa
PesoVolumenMasa
aven
aven
aven
especificoTotal
2761787.0/8.9*028182.0
*028182.0
/850.7*00359.0
*
tan
2tan
tan
33
==
===
=
Ecuación 51.
El torque del motor es la otra fuerza que entra en el sistema, estos datos los proporciono el
catálogo del motor. Que se puede ver en el Anexo E. El torque de este motor que es de
mN *25.0 se entrega al eje mostrado en la figura 54, en un extremo de este, para ser
entregado a los piñones, que transformaran el torque en una fuerza para desplazar la
cremallera hacia arriba o hacia abajo.
Figura 54. Sistema de apertura de ventana Eje- Piñón.
Modulo elástico del Acero es: Pa910*80G =
Para el esfuerzo cortante admisible por el eje, se postula las formulas 52 y 53.
JrT *
=τ Ecuación 52.
4)(21 rJ π= Ecuación 53.
Al remplazar ecuación 52 y 52, se obtienen la formula 54
106
4)(21
eje
ejeo
r
rT
πτ = Ecuación 54
4)078.0(21
078.0*25.0m
mNmπ
τ =
238.335 mN=τ
Esto da como resultado que el eje tiene un esfuerzo cortante admisible de Pa38.335=τ .
Debido a las fuerzas y torques que se ingresan en el sistema se analiza la deformación que
puede sufrir el eje. Para esto se utiliza la formula 55 donde se convierte el peso de la
ventana que ejerce un torque sobre el eje.
dFT *= Ecuación 55.
mNT 014.0*276.0=
mNT *003864.0=
Al sumar los troqué a los cuales son soportados el eje se tiene como resultado 56
vot TTT += Ecuación 56.
NmNmTt 250.0003864.0 +=
NmTt 253964.0=
Se calcula el ángulo de rotación que sufre el eje. Esto se realiza con la formula 57.
JGTL
=φ Ecuación 57.
Paxm
mNm94 1080*)078.0(2
1150.0*253964.0
πφ =
107
radx 7103.5 −=φ
Estos cálculos realizados muestran el esfuerzo que debe soportar el eje en el sistema piñón-
cremallera seleccionado. Con esto comprobamos que el motor seleccionado es adecuado
para el sistema.
Los datos utilizados en estos cálculos se obtuvieron de los planos del prototipo diseñado,
que se muestra en los Anexos. Se considero que estos cálculos eran suficientes para el
diseño, ya que se basaba en un sistema de apertura de las ventanas, más no en la estructura
del invernadero. Lo cual simplifica los cálculos a realizar de manera considerable. Esta
decisión se baso en el hecho que el proyecto es un sistema, que busca optimizar
invernadero, y mejorar su producción.
108
6. RESULTADOS
El problema de control de la temperatura diurna radica en evitar que la temperatura sea
superior a ese óptimo, ya que su efecto es perjudicial para el cultivo. Para esto se utiliza la
ventilación natural que es el sistema de mayor aceptación y de menor costo para
invernaderos.
Es necesario determinar un valor de referencia ideal para el cultivo, para este caso en
particular el valor de referencia para plantas viejas es de 20ºC - 25º C, y en el caso de
plantas jóvenes de 23ºC – 24ºC, de tal manera que la temperatura oscile dentro de ese valor
para obtener condiciones climáticas óptimas. Si la temperatura es menor que el valor de
referencia, se cierra la ventilación y se debe utilizar la calefacción para alcanzar el valor
deseado de referencia, pero se desestima esta opción ya que económicamente implementar
un sistema de calefacción es muy costoso y el beneficio que se produce no compensa este
gasto.
Durante la noche el cultivo no se encuentra activo (no existe crecimiento), por lo que no es
necesario mantenerlo a una temperatura elevada. Por tanto, es conveniente una temperatura
más alta durante el día que durante la noche. Durante los periodos nocturnos, como no es
necesario mantener una temperatura elevada para el cultivo, se determina un valor de
referencia menor pero apropiada para las plantas y así se evita consumir energía,
reduciendo el costo económico de la producción.
No importa que la temperatura se encuentre por encima del valor de referencia. La
producción de materia seca del cultivo no se ve afectada ya que no se produce la
fotosíntesis por la ausencia de radiación. Por tanto, el problema de control de la temperatura
nocturna consiste en evitar que sea inferior al valor de referencia, sin importar que tome un
valor superior.
109
Teniendo en cuenta los objetivos y metodología, se plantea el resultado del proyecto. EL
cual nos entrega el diseño de un sistema de control climático para un invernadero tipo
capilla, con una sola nave en forma de bóveda. El cual posee un sistema de ventanas dobles
a todo lo largo de la cumbrera en sentido norte y sur, las cuales abren en forma de alas de
mariposa. Este invernadero posee una superficie de ventilación del 50 % con respecto a la
superficie del suelo. Posee además un sistema de cobertura de “Doble Pared Inflable” que
por medio de un compresor de baja presión, genera aire para su llenado. El manejo del
control climático es realizado por un PLC Modicom PC-A984-145, el cual se comunica por
protocolo MODBUS con la aplicación en LBVIEW, la cual cumple la función como
controlador e interfase con el usuario diseñada en LABVIEW y los registros de control
almacenados en ACCESS.
Esta configuración permite que el controlador PLC, este en el invernadero y se comunique
con el PC que posiblemente estará en una oficina, donde se podrán controlar distintos
invernaderos, como se muestra en la figura 55.
Figura 55. Modelo de diseño del sistema de control de temperatura.
110
Otra de las características del sistema es que permite la incorporación de nuevos módulos
(ejemplo una cortina térmica), cuyo lazo de control funcionaria de manera independiente a
los otros módulos, afectando la temperatura (principalmente la nocturna), mas no el lazo de
control de ésta.
En el proyecto se realizó, la recepción de valores análogos en la entrada del PLC. Objetivo
planteado en la primera fase, que no fue alcanzado, por lo cual los datos se simularon, con
un generador de números aleatorios. En esta segunda etapa se utilizo a cabalidad, los
módulos análogos del PLC.
Figura 56. Lazo de control de temperatura del sistema
6.1. Control de la temperatura utilizando ventilación cenital. Dependiendo de la longitud de las ventanas y del número de estas se necesitarán más o
menos motores que las abran o cierren. En función de las condiciones que se den en el
interior y exterior del invernadero, el controlador determinará cuanto se deben abrir.
En la figura 57, se muestra el diagrama de flujo donde se observa el funcionamiento básico
del sistema de apertura y cierre de ventanas dependiendo de las condiciones climáticas del
ambiente, así como el porcentaje de apertura o cierre de cada ventana dependiendo del
rango en el que se encuentre la temperatura.
111
Figura 57. Control generan de temperatura.
Para la apertura proporcional de ventanas, se parte del valor de referencia anteriormente
mencionado para determinar el porcentaje de apertura de ventana, de tal manera que la
ventilación del aire caliente ubicado el parte mas alta del invernadero se enfrie y permita
estabilizar la temperatura optima para el cultivo, esto se muestra en la figura 58, de igual
manera cuando la temperatura se encuentra por debajo de los limites permitidos las
ventanas se ubiquen en la posición adecuada para el calentamiento del ambiente, como se
muestra en la figura. 59.
112
Figura 58. Control de apertura de ventanas.
Figura 59. Control de cierre de ventanas.
113
Al entrar en el sistema se debe seleccionar el estado actual del cultivo, en la figura 60, se
muestra el inicio del programa donde hay un menú desplegable donde el usuario
seleccionara el estado, en el cual se encuentra la planta. Esto se hace con el fin de
establecer diferentes rangos para un mejor desarrollo del cultivo dependiendo de las
condiciones actuales del cultivo.
Figura 60. Interfase con el usuario, Selección de estado planta.
Generalmente, la apertura y cierre se realiza activando durante un tiempo el motor. Esto
tiene el problema, ya que las ventanas se cierran más rápidamente, de lo que se abren. Esto
conlleva a calcular diferentes tiempos manteniendo la señal. El control que se realizo en
este proyecto permite ubicar en una posición específica la ventana, la cual depende del flujo
de calor del invernadero demostrado anteriormente. Por medio de un sensor de posición
114
(Potenciómetro Lineal), se logra un mejor control y disminuye los posibles daños que
puedan sufrir las ventanas de la ventilación cenital.
Figura 61. Interfase con el usuario, control de temperatura.
La interfase con el usuario muestra los datos recogidos por los sensores y los visualiza
mediante indicadores tanto gráficos, como numéricos. La interfase es bastante agradable
con el usuario, cumpliendo uno de los objetivos del proyecto. Como se puede ver en la
figura 56. El software por medio de una grafica interactiva, visualiza el control sobre las
ventanas del invernadero, ya que al ser una figura interactiva aumentan la apertura de las
ventanas, como se muestra en la Figura 62.
115
Figura 62. Interfase con el usuario. Grafica interactiva.
Para almacenar los datos mostrados en los indicadores es necesario utilizar los ODBC de
Lab View, de esta manera es posible establecer una comunicación entre el programa
principal y la base de datos en ACCES.
La figura 63 muestra el panel de la base de datos, en donde es posible programar el tiempo
deseado para almacenar los datos, en este caso en particular se tiene un tiempo promedio de
30 min para enviar los datos a ACCES, así como comentarios del cultivo, producto
cultivado y numero de invernadero, datos esenciales para completar los datos registrados en
la base de datos.
116
Figura 63. Interfase con el usuario. Panel base de datos.
Con el fin de establecer reportes e indicadores del comportamiento del sistema hasta el
momento, se realiza la comunicación con la base de datos para recopilar los registros de las
tablas más importantes y de esta manera indicarlos cada vez que el usuario lo desee. En la
figura 64 se muestra el panel de los reportes de las variables más relevantes.
117
Figura 64. Panel de reportes.
El desarrollo de la aplicación en labview consiste en una programación estructura, ya que
se emplean diferentes sub vi’s con el fin de establecer diferentes controles sobre el mismo
sistema.
El primer control y el mas importante es el climático el cual l establece las condiciones del
sistema, dependiendo de la entrada de los sensores a través del PLC. En la figura 65 se
muestra el panel del control climático.
118
Figura 65. Programación panel frontal.
Una vez obtenida la respuesta del control climático, se accionan los actuadores, que para
este caso están simulados en un esquema grafico que representa la estructura del
invernadero así como la simulación de la respuesta del sistema con todos los controles
establecidos.
En la figura 66 se muestra el panel frontal del sub vi que simula el comportamiento del
invernadero.
119
Figura 66. Configuración mandos panel frontal.
A continuación en la figura 67 se muestra la programación del panel frontal, en donde se
encuentran todos los sub vi’s así como las configuraciones de la comunicación establecida
entre el PC y el PLC.
Figura 67. Programación mandos panel frontal.
120
La rutina que permite asignar tiempo a cada proceso para comunicarse con la base de datos
sin afectar el normal funcionamiento de los otros procesos, mostrada en la figura 68.
Figura 68. Rutina de tiempo sin afectar otros procesos.
121
Para optimizar el control se estableció un tiempo de espera para cada posición de la
ventana, de tal manera que si la temperatura permanece constante por un espacio de tiempo,
se acciona apertura o cierre de ventanas, como se muestra en la figura 69.
Figura 69. Rutina de control.
122
Variables adquiridas por el PLC, se muestran en la figura 70.
Figura 70. Variables adquiridas por el PLC.
123
6.2. Control del sistema de conservación del calor.
Debido a los altos costos que implican los sistemas de calefacción. Se busca un sistema de
menor costo, es decir no generar calor, sino mantener el calor que el invernadero capta de
una manera natural.
Si el invernadero no tiene calefacción artificial, la única manera de evitar las caídas bruscas
de temperaturas nocturnas es el conservar el máximo del calor solar recibido durante el día.
Para ello se instala paredes dobles, como se muestra en la figura 71.
124
Figura 71. Cubierta de doble pared de polietileno inflada con aire a baja presión.
En el altiplano Cundi-Boyasense, es común que la temperatura mínima nocturna puede caer
por debajo del punto de desarrollo de los cultivos, a pesar de utilizar la técnica de la pared
doble que reduce las pérdidas de calor en un 30 o 40%. Además el rendimiento puede
descender, ya que la segunda lámina de plástico reduce la luz disponible.
La manera más eficaz de instalar una pared doble, consiste en inflar con aire la cámara
formada por las dos películas. La cámara de aire es una barrera efectiva al flujo de calor,
siendo la distancia óptima de separación entre las dos láminas de 2 a 10 cm. En este caso se
puede alcanzar un ahorro energético del 45% cuando el invernadero tiene calefacción y si
no tiene calefacción la temperatura mínima nocturna es de 2 a 3° C. más alta que en el
invernadero cubierto con una sola lámina de polietileno. En el software por medio de la
grafico interactivo, como se muestra en la figura 72, muestra cuando las paredes están en
su máxima o en su mínima presión.
Figura 72. Software mostrando cubierta de doble pared de polietileno inflada con aire a baja presión.
125
6.3. Comunicación MODBUS.
La comunicación entre LABVIEW y el PLC MODICON, se realiza por intermedio de la
aplicación LOOKOUT PROTOCOL DRIVES OPC Server 4.5. Dicha aplicación e contiene
drivers para una configuración de la comunicación es por medio del protocolo MODBUS,
soportado por el cable cuyo plano se puede ver en los Anexos F.
Teniendo lista la interfaz se puede utilizar en un programa de LABVIEW las marcas de
memoria del PLC, con los controles tradicionales.
6.4. Base de Datos
Los datos suministrados por el invernadero, como lo son la temperatura interna,
temperatura externa, humedad relativa; después de ser enviados por el PLC a la interfase
con el usuario, realizada en LABVIEW, se almacenar en una base de datos de control. La
base de datos se realizo en ACCESS debido a su gran versatilidad y facilidad de
comunicación con otros programas, además de la capacidad de convertir y almacenar los
datos en otro software’s como MY SQL o SQL Server.
La recolección de datos se realiza con el fin de que el usuario hora a hora, pueda obtener
reportes de las variables más representativas del cultivo; estas variables son:
126
• Temperatura Al Interior del Invernadero.
• Temperatura En el exterior del Invernadero.
• Humedad Relativa (HR).
• Etapa en la cual esta el cultivo.
La aplicación diseñada, cumple con las características de las bases de datos relacionales, es
decir que la relación entre tablas permite que algunos registros de una tabla tengan datos en
común con registros de otras tablas, permitiendo un manejo más eficiente y sin
redundancia. Las claves principales de las tablas, fueron identificadas dando la formación
de una concatenación de uno o varios de sus atributos, estas claves principales son:
• Id Datos Cultivo.
• Id Cultivo.
• Id Hora.
• Id Sensores.
• Id Datos.
La relación ente las tablas se puede observar en el Anexo F. Estos datos se almacena cada
hora, eso quiere decir que se almacenaran 24 registros por día. Al igual que la información
más pertinente sobre el invernadero como lo son el producto cultivado, fecha de inicio del
cultivo, etc.
En la figura 63 se muestra el panel que ve el usuario, cuando desea registrar los datos de
las variables en la base de datos. En este panel hay información que requiere que el usuario
ingrese, para darle una mayor precisión al registro realizado. Entre los campos encontrados
en el panel, se observa el de comentario, donde se ingresa, un hecho peculiar que se haya
presentado a una hora determinada.
8. CONCLUSIONES.
127
• Esta aplicación permite controlar la temperatura interna de un invernadero, para el
correcto desarrollo de las plantas, en cada una de las etapas del cultivo; el usuario
seleccionara la etapa del cultivo y el sistema cambia el rango de temperatura optimo
para las plantas; consiguiendo principalmente, una cosecha de mayor calidad y mas
competitiva en el mercado.
• La simulación de las variables de temperatura interna y temperatura externa
necesarias para el control, también son utilizadas para modificar otras variables
como el CO y la humedad relativa, ya que el cambio de una de estas variables
influye en forma directa en las otras. Esto permite crear estrategias para controlar y
manipular a gusto estas variables, sin trabajar con estas directamente.
• En Colombia no se hace diseño de invernaderos, lo cual dificulta de sobremanera la
automatización e implementación de nuevas tecnologías. En el caso del invernadero
de la Facultad de Administración Agropecuarias de la Universidad de la Salle,
existen muchos problemas, como su estructura poco robusta, lo cual no permite una
ventilación cenital, pero si permite ventilación lateral. Lo cual nos muestra que se
deben tener diferentes soluciones en cada uno de los invernaderos que se deseen
automatizar.
• La simulación logra entregar datos necesarios para la investigación de cultivos bajo
invernaderos, generando ayudas para los usuarios de cómo se pueden comportar
estas variables dentro de un invernadero y planear estrategias de producción
dependiendo de las temperaturas de la región y el cambio de estas durante el año.
• El dividir el proyecto en dos etapas, permitió que las investigaciones tomaran
metodologías diferentes, pero concordantes con los objetivos planteados en la
128
propuesta inicial, donde se planteo el control general de un invernadero. Con lo cual
se entrega en este documento los objetivos no concretados en la primera fase. Como
la adquisición de datos análogos en el PLC..
BIBLIOGRAFIA
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• OGATA, Katsuiko. Ingeniería de Control Moderna. 4ª edición. Madrid,
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132
ANEXO A
ANEXO A: Representación de los datos de temperatura y cantidad de calor que pasa por conducción del primer mes del 2004.
133
ANEXO B
Segundo mes: año 2004
HORA temp_externa temp_interna Q (Kw)
0 8,89 10,16 105,513333
1 8,41 9,70 107,483871
2 7,95 9,28 110,977097
3 7,48 8,90 118,321828
4 7,34 8,61 105,692473
5 7,09 8,42 110,932312
6 6,99 8,32 110,708387
7 9,02 10,67 137,08672
8 12,76 15,21 203,90586
9 15,89 18,74 237,86095
10 18,42 21,82 282,559422
11 20,19 23,97 314,345538
12 20,95 24,88 327,825806
13 21,24 24,87 302,298387
14 20,95 23,91 246,451559
15 20,34 22,88 211,631263
16 18,80 21,04 187,021935
17 17,10 18,73 135,564032
18 14,90 16,03 94,0036022
19 13,41 14,40 82,7177957
20 12,42 13,35 77,0301075
21 11,33 12,34 83,5239247
22 10,27 11,41 95,5710753
23 9,37 10,66 107,439086
ANEXO B. Representación de los
datos de temperatura y cantidad de
calor que pasa por conducción del
segundo mes del 2004
134
ANEXO C
Primer mes: año 2004 HORA Q (kW)
0 1172,54234
1 1212,35484
2 1179,3918
3 1143,00403
4 1155,84677
5 1178,53562
6 1294,54839
7 1635,30914
8 2038,99933
9 2227,87325
10 2567,60659
11 2968,38575
12 2922,15188
13 2439,69288
14 2144,7379
15 1901,58199
16 1618,18548
17 1309,53159
18 970,483199
19 964,918011
20 980,757392
21 1020,99798
22 1038,97782
23 1091,20497
ANEXO C. Representación de los datos de
cantidad constante de energía térmica para
superficie lateral de invernadero del primer
mes del año 2004.
135
ANEXO D
Segundo mes: Año 2004
HORA Q (Kw)
0 1008,58333
1 1027,41935
2 1060,81048
3 1131,01747
4 1010,2957
5 1060,38239
6 1058,24194
7 1310,38777
8 1949,10013
9 2273,67085
10 2700,93565
11 3004,77352
12 3133,62903
13 2889,61694
14 2355,78696
15 2022,9459
16 1787,70968
17 1295,83266
18 898,563844
19 790,684812
20 736,317204
21 798,390457
22 913,547043
23 1026,99126
ANEXO D Representación de los datos de
cantidad constante de energía térmica para
superficie lateral de invernadero del
segundo mes del año 2004.
136
ANEXO E
137
ANEXO F
138
ANEXO G
139
ANEXO P
140
141
142
143
144
145
146
147
