Ventilación natural de invernaderos multitúnel

Abstract

El conreu sota hivernacle en regions amb clima mediterrani ha experimentat un gran<br/>augment en els darrers anys. La majoria d´aquests hivernacles són estructures de baix<br/>cost amb coberta de plàstic. Malgrat tot, s´observa una clara tendència vers equipaments<br/>i hivernacles amb un nivell tecnològic més gran que possibiliti un millor control de les<br/>condicions de conreu. Es per això, que els hivernacles multitúnel s´estant imposant cada<br/>cop més als països de la mediterrània.<br/>Degut a les característiques climàtiques (valors de radiació i temperatura elevats) el<br/>principal problema d´aquests hivernacles és la elevada temperatura de l´aire interior que<br/>es produeix des de principis de primavera fins a finals de la tardor, fet que origina greus<br/>efectes sobre la qualitat i rendiment dels conreus. La ventilació natural és el procés més<br/>senzill i econòmic per reduir la temperatura de l´interior de l´hivernacle.<br/>Malgrat la seva importància, com a conseqüència de la dificultat del seu estudi, no es<br/>coneix amb precisió la ventilació natural dels hivernacles multitúnel amb coberta de<br/>plàstic.<br/>En aquesta tesi, s´analitza la ventilació natural dels hivernacles multitúnel amb coberta<br/>de plàstic i dos tipus d´obertures de ventilació (rectangular continua i intercanviable). Al<br/>mateix temps, s´avalua l´efecte que provoca la incorporació de xarxes d´ombreig i antiinsectes<br/>a les obertures de ventilació.<br/>Amb aquest objectiu, el capítol 2 presenta la base teòrica dels models més utilitzats per<br/>estudiar i quantificar la ventilació natural dels hivernacles: el model del balanç<br/>d´energia i el del flux d´aire originat per les diferències de pressió.<br/>Al tercer capítol es presenten els resultats obtinguts al determinar en camp mitjançant la<br/>tècnica del gas traçador la taxa de ventilació d´un hivernacle multitúnel de tres naus<br/>amb el dos sistemes de finestres (rectangular continua i intercanviable) amb i sense<br/>xarxes a les obertures de ventilació. Els resultats experimentals han permès determinar<br/>una expressió empírica pel càlcul de la taxa de ventilació en funció de la velocitat del<br/>vent exterior, demostrant-se la nul.la influència de la diferència de temperatura entre<br/>l´aire interior i exterior sobre la taxa de ventilació (per velocitats de vent superiors a 1<br/>ms-1). També s´ha demostrat la clara influència de la direcció del vent sobre la taxa de<br/>ventilació dels hivernacles, fet que ha permès diferenciar la ventilació a sobrevent i<br/>sotavent.<br/>D´altra banda, també s´ha pogut quantificar la reducció del flux d´aire originada quan<br/>s´incorporen xarxes anti-insectes a les obertures de ventilació de forma que en la majoria dels casos no es pot garantir la taxa mínima de ventilació. Per finalitzar destacar<br/>que els resultats mostren que el sistema de sostre intercanviable es superior al de<br/>finestres rectangulars continues.<br/>En el quart capítol es mostren els resultats obtinguts quan es comparen els mètodes del<br/>balanç d´energia i del gas traçador per determinar la taxa de ventilació d´un hivernacle<br/>multitúnel amb obertures laterals i zenitals. D´acord amb els assajos experimentals<br/>s´observa que el mètode del balanç d´energia és útil per hivernacles amb valors baixos<br/>de taxa de ventilació produint-se grans errors quan la taxa de ventilació es superior a 0.2<br/>Renov/h msol<br/>2 . A més a més, s´observa la gran sensibilitat del mètode del balanç<br/>d´energia a petites variacions de la diferència de temperatura entre l´aire interior i<br/>exterior.<br/>El capítol 5 s´ha dedicat a l´estudi de les característiques de flux de les obertures de<br/>ventilació dels sistemes utilitzats en el treballs experimentals. Els assajos amb models a<br/>escala han permès determinar els valors dels coeficients de descàrrega, observant-se<br/>clares diferències entre les finestres localitzades a una nau lateral de l´hivernacle i les<br/>localitzades a una nau interior. També s´ha quantificat el descens del valor del<br/>coeficient de descàrrega quan s´afegeixen xarxes a les finestres i s´han obtingut<br/>expressions que possibiliten el càlcul dels valors del coeficient de descàrrega de les<br/>diferents combinacions finestra i xarxa a partir de la longitud i l´alçada de les finestres.<br/>En el capítol 6, després d´obtenir els valors corresponents del coeficient d´efecte del<br/>vent per cada una de les configuracions avaluades s´han pogut determinar els diferents<br/>models que permeten quantificar la taxa de ventilació de l´hivernacle en funció de la<br/>velocitat i la direcció del vent exterior. La comparació dels resultats experimentals i els<br/>calculats presenta en tots els casos un ajust molt bo, fet que sembla confirmar la utilitat<br/>d´aquests models.<br/>Per finalitzar el capítol 7 recull les conclusions generals i una sèrie de suggeriments vers<br/>futures investigacions.

El cultivo bajo invernadero en regiones de clima mediterráneo ha experimentado un<br/>gran aumento en los últimos años. La mayor parte de estos invernaderos son estructuras<br/>de bajo coste con cubierta de plástico. No obstante, se observa una clara tendencia hacia<br/>equipamientos e invernaderos con un mayor nivel tecnológico que permitan un mejor<br/>control de las condiciones de cultivo. En este sentido, los invernaderos multitúnel se<br/>están imponiendo cada vez más en los países de la zona mediterránea.<br/>Debido a las características climáticas (altos valores de radiación y elevadas<br/>temperaturas) el principal problemas de estos invernaderos es la elevada temperatura del<br/>aire interior que se produce desde principios de primavera hasta finales de otoño, hecho<br/>que provoca graves efectos sobre la calidad y el rendimiento de los cultivos. La<br/>ventilación natural es el procedimiento más sencillo y económico para reducir la<br/>temperatura del interior del invernadero.<br/>A pesar de su gran importancia y, debido a la dificultad de su estudio, no se conoce con<br/>suficiente precisión la ventilación natural de los invernaderos multitúnel con cubierta de<br/>plástico.<br/>En esta tesis, se analiza la ventilación natural de los invernaderos multitúnel con<br/>cubierta de plástico y dos tipos de aperturas de ventilación (rectangular continua e<br/>intercambiable). Al mismo tiempo, se evalúa el efecto que supone la incorporación de<br/>mallas de sombreo y anti-insectos en las aperturas de ventilación.<br/>Con este fin, en el capítulo 2 se presenta la base teórica de los modelos más utilizados al<br/>estudiar y cuantificar la ventilación natural de invernaderos: el modelo del balance de<br/>energía y el del flujo de aire originado por las diferencias de presión.<br/>En el tercer capítulo, se presentan los resultados obtenidos al determinar en campo<br/>mediante la técnica del gas trazador la tasa de ventilación de un invernadero multitúnel<br/>de tres naves con los dos sistemas de ventanas (rectangular continua e intercambiable)<br/>con y sin mallas en las aperturas de ventilación. A partir de los resultados<br/>experimentales se ha podido determinar una expresión empírica para el cálculo de la<br/>tasa de ventilación en función de la velocidad del viento exterior, demostrándo la nula<br/>influencia de la diferencia de temperatura entre el aire interior y exterior sobre la tasa de<br/>ventilación (para velocidades de viento superiores a 1 ms-1). También se ha demostrado<br/>la clara influencia de la dirección del viento sobre la tasa de ventilación del invernadero<br/>distinguiéndose claramente entre la ventilación a barlovento y la ventilación a<br/>sotavento. <br/><br/>Por otro lado, también se ha cuantificado la reducción del flujo de aire al incorporar<br/>mallas anti-insectos en las aperturas de ventilación de forma que en la mayoría de los<br/>casos no puede garantizarse la tasa mínima de ventilación. Finalmente y a partir de los<br/>datos experimentales se deduce que el sistema de techo intercambiable es claramente<br/>superior al de ventanas rectangulares continuas.<br/>En el capítulo cuarto se presentan los resultados obtenidos al comparar los métodos del<br/>balance de energía y del gas trazador para determinar la tasa de ventilación de un<br/>invernadero multitúnel con aperturas laterales y cenitales. De acuerdo con los ensayos<br/>experimentales, se observa que el método del balance de energía es útil para<br/>invernaderos con valores bajos de tasa de ventilación produciéndose grandes errores<br/>cuando la tasa de ventilación supera el valor de 0.2 Renov/h msuelo<br/>2 . Además, se observa<br/>la gran sensibilidad del método del balance de energía a pequeñas variaciones en la<br/>diferencia de temperatura existente entre el aire interior y exterior.<br/>El capítulo 5 se dedica al estudio de las características de flujo de las aperturas de<br/>ventilación de los sistemas utilizados en el trabajo experimental. A partir de los ensayos<br/>con modelos a escala se han podido establecer los valores de los coeficientes de<br/>descarga, observándose claras diferencias entre las ventanas situadas en una nave lateral<br/>del invernadero y las localizadas en una nave interior. También se ha cuantificado el<br/>importante descenso del valor del coeficiente de descarga al incorporar mallas en las<br/>ventanas y se han obtenido expresiones que permiten calcular los valores del coeficiente<br/>de descarga de las diferentes combinaciones ventana y malla conociendo únicamente la<br/>longitud y altura de la ventana.<br/>En el capítulo 6, después de obtener los valores correspondientes del coeficiente de<br/>efecto de viento para cada una de las configuraciones evaluadas, se han podido<br/>establecer los diferentes modelos que permiten cuantificar la tasa de ventilación del<br/>invernadero en función de la velocidad y la dirección del viento exterior. La<br/>comparación de los resultados obtenidos experimentalmente con los calculados con los<br/>modelos presenta un ajuste muy bueno en todos los casos estudiados, hecho que parece<br/>confirmar la utilidad de estos modelos.<br/>Finalmente en el capítulo 7 se presentan las conclusiones generales y se indican algunas<br/>sugerencias de cara a futuras investigaciones sobre el tema.

Greenhouse cultivation in Mediterranean countries has experienced a considerable<br/>growth during the past years. Most of the greenhouses are low cost structures covered<br/>with plastic films, but a clear trend towards the construction of better equipped and<br/>more technologically advanced greenhouse to allow for a better control of the growing<br/>conditions can be observed. In this ground, the importance of the so called multitunnel<br/>type structure is increasing in the Mediterranean area.<br/>Due to prevailing environmental conditions (high solar radiation levels and high<br/>temperatures), the main problem facting cultivation in this area is the high temperature<br/>that develops inside of the greenhouses and its negative influence on yield and quality<br/>of the production. Natural ventilation is the easiest and cheapest way to reduce the<br/>excessive internal temperature. But, in spite of the importance of the subject, and<br/>perhaps due to the difficulty of approaching the problem, little is known over ventilation<br/>of multitunnel greenhouses with plastic cladding.<br/>In this dissertation, the natural ventilation of this type of structure is analyzed. Two<br/>types of window ( a continuous rectangular roof vents, and roll up roof vents) are<br/>considered. Also, the effect of the incorporation of screens on the openings is evaluated.<br/>With this goal in mind, the theory of the two most well known methods for estimating<br/>ventilation rates, namely the wind pressure driven and the energy balance methods, is<br/>presented in chapter two.<br/>Chapter three includes the results obtained from direct measurements of the ventilation<br/>rate on the three-span greenhouse with continuous roof and roll up roof vents.<br/>Measurements were taken for both types of opening with and without screening. The<br/>decay rate tracer gas method was used to determine the ventilation rate. Later, empirical<br/>regressions between ventilation rate, wind speed and internal-open air temperature<br/>difference were established for each type of opening. Results indicate the minor<br/>importance of the thermal difference on the ventilation rate in comparison with the<br/>eolian effect. It is also shown the clear effect of wind direction on the air exchange<br/>process: when the wind faces the opening (windward sides) the ventilation rate is<br/>clearly higher than when the wind blows for the opposite direction (leeward sides).<br/>The screening has a negative effect on the ventilation rate. In most cases, the air<br/>exchange rate of screened greenhouses with continuous rectangular roof vents is not<br/>adequate to guarantee acceptable environmental conditions. The roll up roof ventilation<br/>system proved to be more efficient. The experimental results prove that adequate<br/>ventilation is achieved by kind of opening with most types of screens on the windows.<br/>Chapter four presents the comparison of ventilation rates values calculated by the<br/>energy balance method and measures by the tracer gas technique. Results seems to<br/>agree when the ventilation rate is less than 0.2 Renov/h msoil<br/>2 , but strong discrepancies<br/>appear when this values is surmounted. It is also shown the very high sensitivity of the<br/>energy balance method to small differences on the internal-external temperatures<br/>difference.<br/>Chapter five is devoted to the study of the flow characteristics on the kind of openings<br/>previously pointed out. Test were conducted on small scale greenhouses to determine<br/>the discharge coefficients of openings as a function of their aspect ratios. Significative<br/>differences where found between openings located in the roof of central and lateral<br/>spans. Discharge coefficients of screened windows were always lower than those<br/>obtained for unscreened openings. Expressions to calculate the discharge coefficient as<br/>a function of the length and width of the opening were derived.<br/>Different models to calculate the ventilation rate for each type of openings as a function<br/>of wind speed and direction are presented in chapter six. As a previous step, the global<br/>wind coefficients for each case study were determined. The agreement between results<br/>provided by the simplified models and the measured ventilation rate values was very<br/>high. From this fact can be concluded that the models presented in this chapter are<br/>useful tools to quantify ventilation of multispan tunnel type greenhouses.<br/>Finally, general conclusions and suggestions to carry future research are presented in<br/>chapter seven.