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Esta presentación trata sobre los sistemas de refrigeración en invernaderos, centrándose fundamentalmente en los sistemas de nebulización.
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ESTRATEGIAS DE CONTROL DE LA REFRIGERACIÓN EN INVERNADEROS
Antonio Romero LópezIngeniero Agrónomo
INTRODUCCIÓN
Invernadero: “Espacio cerrado con paredes y techo translúcidos, que permite obtener, para la producción de vegetales, unas condiciones ambientales mejores que las naturales”
Época invernal: bajas temperaturas
Debilita la actividad funcional
Desplaza los equilibrios biológicos
Muerte celular
SISTEMAS DECALEFACCIÓN
Marchitez temporal o permanente
Autoenvenenamiento de células
Muerte de la planta por inanición
SISTEMAS DEREFRIGERACIÓN
Época estival: altas temperaturas
Acción de las temperaturas desfavorables
Acción de las altas temperaturas
F Actividad fotosintética
R Respiración
I Iluminación
A,B,C,D Punto de compensación
Sistemas de refrigeración
1)Disminución de la radiación entrante
Métodos externos: cortinas externas extensibles Métodos internos: encalado; mallas de sombreo
2) Ventilación Ventilación natural Ventilación forzada
3) Sistemas evaporativos Pantallas evaporativas (Cooling System) Nebulización (Fog System): alta y baja presión
1) Encalado Dificultad en la aplicación. Poca homogeneidad Pinturas no selectivas son más económicas pero disminuyen la absorción de radiación PAR Presentan buenos resultados respecto a la relación producción/coste2) Mallas de sombreo Permiten una mayor regulación No impiden la entrada de radiación calorífica al interior Son de gran utilidad en épocas invernales
Disminución de la radiación entrante
Ventilación natural
Condicionantes Orientación respecto de los vientos dominantes Superficie mínima de ventilación Número y posición de las ventanas
: 15-25%
: Ventana lateral y cenital
Fundamento: conversión de calor sensible en calor latente
de evaporación del agua, aportada de forma mecánica.
Sistemas de evaporación de agua
Pantallas evaporativas
Más eficientes desde el punto de vista refrigerativo
Poca homogeneidaden la distribución del aire frío
Mayor inversión inicial
Nebulizadores Menor eficiencia,
sobre todo en baja presión
Mayor uniformidad. Nebulizadores por todo el invernadero
Menor inversión inicial
ALTA PRESIÓN BAJA PRESIÓN Presión: 40-60 atmósferas Tamaño de gota: 2-60μm Alta superficie y bajo peso. Prácticamente la totalidad de agua se evapora Sistemas caros
Presión: 40-60 atmósferas Tamaño de gota: 2-60μm
Baja superficie y mayor peso. Puede llegar a mojar a la planta
Sistemas económicos
Nebulización (fog system)
Tiempo
Do
sis
Parámetros de control
1) Hora de inicio
2) Hora de finalización
3) Duración mínima y máxima de humedecimiento
4) Tiempo de nebulización (en sistemas T/N coincide con la duración de humedecimiento)
5) Pausa mínima entre 2 turnos de humedecimiento
1 2
3
5
ESTRATEGIAS DE CONTROL DE LA NEBULIZACIÓN A BAJA PRESIÓN EN INVERNADEROS
OBJETIVOS
Comparar distintos sistemas de refrigeración, en Comparar distintos sistemas de refrigeración, en función del salto térmico obtenido (Tfunción del salto térmico obtenido (Tinterior interior –T–Texteriorexterior), ), prestando especial atención a los sistemas de prestando especial atención a los sistemas de nebulización.nebulización.
Determinar estrategias de control que Determinar estrategias de control que permitan optimizar el consumo de agua permitan optimizar el consumo de agua utilizado en los sistemas de nebulizaciónutilizado en los sistemas de nebulización
Determinar un modelo climático que represente Determinar un modelo climático que represente el comportamiento físico del invernadero.el comportamiento físico del invernadero.
Validar el modelo, realizando simulaciones y Validar el modelo, realizando simulaciones y comparando los resultados con datos climáticos reales.comparando los resultados con datos climáticos reales.
MATERIALES Y METODOS
Invernadero experimental de techo curvo, estructura de acero galvanizado y cubierta de metacrilato
6,6 m
20 m
3 m
Actuadores de los sistemas de refrigeración
Disminución de la energía solar entrante:
mallas de sombreoVentilación natural: ventana cenital y lateral
Sistemas evaporativos: nebulización
Estrategias de refrigeración
1. Ventilación lateral y cenital.
2. Ventilación lateral y cenital + pantalla de sombreo.
3. Ventilación lateral y cenital. Nebulización sin pantalla
4. Ventilación lateral y cenital. Nebulización por debajo de la pantalla5. Ventilación lateral y cenital. Nebulización por encima de la pantalla
Nebulización por encima de la malla de sombreo
Control de la nebulización
1.- Localización de la nebulización
Llave general
Llaves de paso a los conductos principales
Bifurcaciones a los ramales secundarios
2.- Frecuencia de la nebulización
SALIDAS
ENTRADAS
SELECTORES DE PROGRAMACIÓN
MICROCONTROLADOR
“LOGO”
(SIEMENS)
temporización simétrica
temporización a la conexión
30 sg
Ejemplo 8 s cada 1 minuto (1,6 l/m2 h)
8 sg
Colocación de los sensores en el inverandero
Modelo. Balance de energía
τ b S
V (Ti – To)
U (Ti – To)
F
Ti (periodo siguiente) = Ti + [τ b S- U (Ti – To)- V (Ti – To)-F]/C
RESULTADOS
Datos de campo.Análisis de varizanza
ExperimentoVariable medida
Tmed
(ºC)
∆T(ºC)
HR(%)
1) Ventilación cenital y lateral32,3ab
4,4c
28,9a
2) + pantalla de sombreo31,6a
2,9b
32,4ab
3) + nebulización (12 s cad 4 minutos 0,6 l/m2 h)
35,5b
2,6b
36,6ab
4) + pantalla de sombreo + nebulización POR DEBAJO (8 s cada minuto 1,3 l/m2 h)
33,0ab
-0,2a
61,1c
5) + pantalla de sombreo + nebulización POR ENCIMA (8 s cada minuto 1,6 l/m2 h)
32,8ab
0,9a
44,3b
Año 2002
Año 2003
ExperimentoVariable medida
Tmed
(ºC)
∆T(ºC)
HR(%)
1) Ventilación cenital y lateral 38,1B
3,8C
18,6A
2) + pantalla de sombreo 34,9B
2,2B
27,0AB
3) + nebulización (12 s cada 4 minutos 0,6 l/m2 h)
35,3B
1,5B
39,8BC
4) + pantalla de sombreo + nebulización POR DEBAJO (8 s cada minuto 1,3 l/m2 h)
32,6AB
-0,7A
71,8D
5) + pantalla de sombreo + nebulización POR ENCIMA (8 s cada minuto 1,6 l/m2 h)
33,5AB
-0,1A
41,5C
6) + nebulización (8 s cada minuto 1,6 l/m2 h)
31,9A
-0,9A
58,6D
Análisis de varianza para estrategias de nebulización por encima de la pantalla
Año 2002
8s/1min12s/4min
8s/4min12s/8min
0,9 1,61,5 2,70
369
121518212427303336394245
Nebulización por encima de la pantalla
Salto térmico (ºC)
T media (ºC)
Humedad relativa (%)
Ajuste del modeloTi (periodo siguiente) = Ti + [τ b S- U (Ti – To)- V (Ti – To)-
F]/C
Coeficiente 2002/2003
τb (sin pantalla) 0,63 (adimensional)
τb (con pantalla) 0,35 (adimensional)
V (sin pantalla) 86,19 (W/m2 ºC)
V (con pantalla) 70,42 (W/m2 ºC)
C 75,86 (W/m2 ºC)
F (neb. POR DEBAJO;dosis 0,6 l/m2h) 211,31 (W/m2)
F (neb. POR DEBAJO;dosis 1,3 l/m2h) 273,39 (W/m2)
F (neb. POR DEBAJO;dosis 0,325 l/m2h) 80,74 (W/m2)
F (neb. POR ENCIMA;dosis 1,6 l/m2h) 157,39 (W/m2)
F (neb. POR ENCIMA;dosis 0,6 l/m2h) 118,91 (W/m2)
F (neb. POR ENCIMA;dosis 0,4 l/m2h) 73,17 (W/m2)
F (neb. POR ENCIMA;dosis 0,3 l/m2h) 56,66 (W/m2)
F (neb. sin pantalla;dosis 1,6 l/m2h) 601,98 (W/m2)
Validación del modelo
15,00
17,00
19,00
21,00
23,00
25,00
27,00
29,00
31,00
33,00
35,00
Tiempo, h
Tem
pera
tura
, ºC
Ventilación cenital y lateral + pantalla de sombreo+ nebulización por debajo con ciclos de 8 s cada minuto
Nebulización
Temp. int. medida
Temp. int. simulada
Error:
1,05 ºC
Simulación de los flujos energéticos
Ventilación cenital y lateral + pantalla de sombreo+ nebulización por debajo con ciclos de 8 s cada minuto
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
0:00:00 0:00:00
Tiempo, h
Flujo
energ
éti
co W
/m2
Radiación solarPérdidas en cubiertaVentilaciónNebulización
Simulación (estrategias de nebulización)
y = 60,739Ln(x) + 134,35
y = 197,59x + 16,523
y = 390,67x - 23,092
0
100
200
300
400
500
600
700
0 0,5 1 1,5 2
Caudal, l/m2 h
Ene
rgía
de
nebu
lizac
ión,
W /
m2 Sin pantalla
Nebulización por encima de la pantalla
Nebulización por debajo de la pantalla
F = F F = F (Q)(Q)
Estrategias de control
Apagado
Encendido24ºC 26ºC 28ºC
Ventanas
Pantalla
Nebulizadores
1. Definimos los puntos de consigna
1. CONTROL T/N2. CONTROL PWM
Alimentación de energía
Control
Todo-Nada
Etapa de potencia
Entrada Carga
2. Escogemos el tipo de control
1. CONTROL T/N
Generador de señal moduladora
Entrada (señal a modular)
Salida de la señal modulada
2. CONTROL PWM
20
22
24
26
28
30
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Tiempo, hT
emp
erat
ura
, ºC
0
0,5
1
1,5
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tiempo, h
Cau
dal,
l/m2h
PWM
TODO/NADALa temperatura media es similar, siendo más gradual con control PWM.
El consumo de agua es mucho menor mediante el control por sistema de PWM, del orden del 8% al 15%.
Nebulización sin pantalla
Combinación de sistemas de nebulización con control PWM
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tiempo, h
Cau
dal,
l/m2 h
Sin pantallaPor debajo de la pantallaPor encima de la pantalla
17,00
20,00
23,00
26,00
29,00
32,00
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tiempo, h
Tem
pera
tura
, ºC
Sin pantallaPor debajo de la pantallaPor encima de la pantalla
CONCLUSIONES
LA COMBINACIÓN DE VENTILACIÓN +PANTALLA DE SOMBREO +NEBULIZACIÓN A BAJA PRESIÓN POR ENCIMA DE LA PANTALLA CONSIGUE REDUCIR LA TEMPERATURA INTERIOR Y NO SATURA LA HUMEDAD EN EL ENTORNO DE LA PLANTA.
EL MODELO CALCULADO ESTIMA LA TEMPERATURA INTERIOR CON UN ERROR ABSOLUTO MEDIO, RESPECTO DEL VALOR REAL, INFERIOR A 1,5ºC. POR ELLO, PERMITE SU EMPLEO EN SIMULACIONES DE CONTROL.
EL SISTEMA DE CONTROL MÁS EFICIENTE ES LA TÉCNICA DE MODULACIÓN POR EL ANCHO DE IMPULSO (PWM), CONSIGUIENDO UN AHORRO DE AGUA RESPECTO A UN CONTROL CONVENCIONAL TODO/NADA DEL ORDEN DEL 8 % AL 15%.
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