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Control Climático: ¿Cuándo?, ¿Por qué?, ¿Cómo? |
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martes, 25 de marzo de 2008 |
Las instalaciones agrícolas del arco Mediterráneo español han sufrido en los últimos tiempos una expansión y modernización considerables. Esta modernización ha venido fundamentalmente de la mano de la automatización agrícola.
¿CUÁNDO?
Durante los últimos 20 años, ha sido patente el grado de implantación de los sistemas para la gestión del riego y la fertirrigación de los cultivos, mediante la instalación de sistemas automáticos que realizan un control exhaustivo de la aportación de nutrientes y corrección de los niveles de CE y pH del agua de riego. El siguiente paso, en lo que a automatización de este tipo de instalaciones se refiere, lo constituye el control climático. Uniendo el control de la fertirrigación y el clima, se obtiene un control integral del cultivo con el cual obtener las condiciones nutricionales y ambientales necesarias para obtener el máximo rendimiento de la instalación.
Sin embargo, aun siendo el control climático un aspecto fundamental para el desarrollo de los cultivos, no ha sido posible su introducción hasta que los invernaderos han sufrido una adecuada evolución hacia estructuras de mayor rendimiento y adaptadas a las nuevas necesidades. Ha sido en los últimos años cuando ha comenzado a tener lugar ésta transformación en los invernaderos, evolucionando hacia estructuras de mayor volumen, calidad y estanqueidad. Disponer de invernaderos adecuados, ha supuesto la puerta de entrada para la introducción de las nuevas técnicas de control climático.
Además, el coste que supone incorporar un sistema de control climático y la bondad característica del clima del sureste español, son razones adicionales que han demorado la introducción de este tipo de sistemas. No obstante, esta tendencia a cambiado sustancialmente en la actualidad, debido fundamentalmente a:
- Mejora de las estructuras del invernadero, como ya se ha comentado.
- La expansión del mercado hacia otras zonas geográficas en las que el clima no es tan suave como en el arco Mediterráneo español.
- El continuo abaratamiento en los costes de instalación que supone la incorporación de nuevas tecnologías.
- Las demostradas ventajas que proporciona al cultivo la adopción de sistemas de control climático, que permiten mejorar aun más las condiciones ambientales del cultivo aunque el clima de la zona no sea, a priori, excesivamente extremo.
- Posibilidad de obtener buenas producciones en las épocas del año en las que las condiciones ambientales son más adversas (invierno), pudiéndose contrarrestar el inconveniente que supone realizar una inversión mayor, con el hecho de que en esta estación los precios de los productos son más elevados.
¿POR QUÉ?
Fisiología de la planta.
Existe una gran variedad de tipos de cultivo bajo invernadero, pero en la mayoría de ellos el objetivo principal es incrementar, en lo posible, su tamaño y peso. Para llegar a este objetivo, cada cultivo presentará unas demandas ambientales particulares, necesarias para que su proceso vital se produzca en las condiciones más favorables. Este proceso vital viene caracterizado por las siguientes funciones: fotosíntesis, respiración, crecimiento y transpiración (absorción de agua y nutrientes).
La fotosíntesis se ve directamente afectada por los niveles de temperatura, CO2 y luz; mientras la absorción de agua y nutrientes están condicionados por la temperatura de la raíz y la humedad del aire. En el gráfico adjunto se detallan estas relaciones:
Para su crecimiento, la planta necesita azúcares que son fabricados por ella misma. En la cara inferior de las hojas se sitúan los estomas, a través de los cuales la planta absorbe CO2 del aire. En el interior de las células de la planta se encuentran los cloroplastos, donde bajo la influencia de la luz, CO2 y agua, se obtiene glucosa (azúcares): fotosíntesis.
La luz proporciona la energía necesaria para transformar el agua y el CO2 en azúcares. Por esta razón la mayor parte de la fotosíntesis sólo tiene lugar durante el día. Un incremento del proceso fotosintético redundará directamente en un mayor crecimiento de la planta. De ahí, la importancia que tienen en todo este proceso la luz, CO2 y temperatura.
Estos azúcares obtenidos durante la fotosíntesis son utilizados en: crecimiento y respiración.
Los azúcares son generados principalmente en las hojas y son transportados a los puntos de crecimiento de la planta.
Por lo que respecta a la respiración, ésta se considera como el proceso inverso a la fotosíntesis, dado que se consume azúcares y se genera CO2 y agua. Un aspecto importante a tener en cuenta sobre la respiración es que ésta tiene lugar por el día y por la noche. Es por ello, que los niveles de CO2 son siempre mayores por la noche.
Influencia del nivel de CO2 en la fotosíntesis.
La concentración de CO2 en condiciones normales (exterior del invernadero) se sitúa entre las 300 y 400 ppm. Si la concentración de CO2 dentro disminuye por debajo de estos niveles, disminuirá el nivel de fotosíntesis. Por tanto, para incrementar la fotosíntesis se deberá hacer lo propio con la concentración de CO2, estableciéndose concentraciones de 700 a 900 ppm como las más adecuadas.
No sólo debe controlarse el defecto de CO2, sino también, el exceso. Esto es debido a que concentraciones superiores a los 10001100 ppm provocarán el cierre de los estomas, reduciéndose considerablemente la transpiración de la planta y provocando en incremento en la temperatura de la misma.
Influencia de la temperatura en la fotosíntesis.
Para temperaturas inferiores a 5 ºC la fotosíntesis se para en la mayoría de las plantas. Por encima de esta temperatura, el nivel de fotosíntesis irá incrementándose hasta alcanzarse un nivel óptimo para temperaturas entre los 20 a 25 ºC. Para temperaturas excesivamente altas, el nivel de fotosíntesis disminuye igualmente.
Influencia de la temperatura en la respiración.
La respiración de la planta está fuertemente influenciada por la temperatura. El proceso de la respiración comienza por encima de los 5 ºC (por debajo de esta temperatura existe una mínima respiración). Entre los 5 y 30/35 ºC la respiración se incrementa rápidamente, para volver a descender de nuevo por encima de los 35 ºC a un punto en el cual la planta no funciona óptimamente. Para temperaturas superiores a los 40/45 ºC la respiración disminuye a unos niveles tales que la planta puede verse seriamente dañada.
Dado que la respiración es un proceso vital que continúa durante la noche, lo que se hace en este período es disminuir la temperatura ambiente, buscando reducir la respiración al mínimo admisible, y reduciendo por tanto el consumo de azúcares al mínimo posible.
Relación: Fotosíntesis – respiración – crecimiento.
En el gráfico adjunto vemos las influencias de la temperatura sobre el proceso vital de la planta. La temperatura afecta fundamentalmente a la fotosíntesis (producción de azúcares), pero como ya hemos visto, también tiene su influencia sobre la respiración y el crecimiento.
Si combinamos los gráficos influencia de la temperatura en la fotosíntesis, e influencia de la temperatura en la respiración, obtenemos el siguiente gráfico:
La cantidad de azúcares utilizados en la respiración, deben ser sustraídos de la cantidad de azúcares producidos durante la fotosíntesis: fotosíntesis neta. La fotosíntesis neta es la medida de cantidad de azúcares disponibles para el crecimiento de la planta, obtenidos de la diferencia entre el azúcar total producido en la fotosíntesis y el azúcar empleado durante la respiración. La región comprendida entre las curvas 1 y 2 se corresponderían con la fotosíntesis neta. Según el valor de temperatura, la superficie de esta región varía, obteniéndose un margen de temperaturas para el cual el valor de la misma es máximo: nivel máximo de fotosíntesis – nivel mínimo de respiración.
Influencia de la temperatura, radiación (luz) y nivel de CO2 sobre la transpiración.
Una planta sana transpira agua a través de los estomas situados en las hojas. La planta puede, dentro de unos límites, cerrar y abrir los estomas dependiendo del nivel de agua existente en la planta, intensidad luminosa y nivel de CO2. Si la planta transpira más agua de la que se absorbe a través de las raíces, ésta se marchitará, y los estomas se cerrarán. Cuanto más abiertos estén los estomas menor será la resistencia a la evaporación del agua desde los estomas al aire del invernadero.
La transpiración está influenciada por:
- La diferencia de presión de vapor entre los estomas y el aire del invernadero.
- La resistencia de los estomas.
La resistencia de los estomas está influenciada por la relación del agua de la planta y la concentración de CO2 en el aire. Para niveles altos de CO2 los estomas se cierran y la transpiración se ve reducida.
La transpiración también se ve condicionada por la diferencia de presión de vapor existente entre la planta y el aire del invernadero. A su vez, la presión de vapor depende directamente de la diferencia entre la temperatura del aire y la planta. Se pueden dar tres situaciones:
1. La temperatura de la planta y el aire son iguales.
Supongamos una temperatura en la planta de 20 ºC (100% HR en la cavidad del estoma), una temperatura ambiente de 20 ºC y una humedad relativa del 75 %. En estas condiciones, y recurriendo al Diagrama de Mollier, obtendríamos
Presión de vapor en el estoma = 2,4 kPa.
Presión de vapor en el aire = 1,8 kPa.
Con lo cual nos resulta una diferencia en presión de vapor de 0,6 kPa. En esta situación, la planta transpirará si la resistencia del estoma es menor de 0,6 kPa. La planta proporcionará más vapor de agua al aire, el cual deberá ser eliminado por ventilación. El proceso de transpiración continuará mientras exista una mínima diferencia de presión de vapor entre el estoma y el aire.
2. La temperatura de la planta es menor que la temperatura del aire.
El proceso de transpiración requiere calor. Cuando tiene lugar la transpiración, la planta sufre un enfriamiento. Durante los días nublados, la planta recibe una menor cantidad de energía del sol. Cuando el aire del invernadero no está saturado, la planta podrá transpirar mientras exista una diferencia entre la presión de vapor del aire y el estoma. Durante la transpiración, el calor es extraído de la planta hacia el aire, produciéndose un descenso de la temperatura de la planta por debajo de la temperatura del aire.
Consideremos una temperatura de la planta de 18 ºC, temperatura del aire de 20 ºC y HR del 80 %. Con estas condiciones resulta una presión de vapor en el estoma de 2,1 kPa, y 1,9 kPa en el aire. La planta transpirará si la resistencia de los estomas es menor de 0,2 kPa.
Cuando la diferencia en presión de vapor es pequeña, disminuye considerablemente la transpiración.
3. La temperatura de la planta es mayor que la temperatura del aire.
Tomando una temperatura en la planta de 23 ºC y una temperatura ambiente de 20 ºC, la diferencia entre las presiones de vapor aumenta a 2,9 kPa – 1,9 kPa = 1,0 kPa (considerando nuevamente una HR del 80 %, igual que en el caso anterior); luego la planta tendrá una mayor transpiración.
La radiación del sol producirá también un calentamiento de la planta. Este calentamiento se traduce en un aumento de la temperatura de la planta. La mayor parte de este calor es eliminado como calor de evaporación. El calor remanente incrementará la temperatura de la planta por encima de la temperatura ambiente. La planta libera calor directamente al aire del invernadero. Se produce, pues, un balance energético por un lado entre el calor suministrado y la temperatura de la planta, y por otro, entre la transpiración y la temperatura del aire del invernadero.
Según esto, la planta puede transpirar incluso cuando la HR es del 100 %, siempre y cuando la temperatura de la planta sea superior que la temperatura ambiente.
Condiciones ambientales.
Como se ha visto, las actuaciones de este tipo de sistemas debe ir encaminadas al control de tres parámetros ambientales fundamentales: temperatura ambiente, humedad relativa y nivel de CO2.
En el caso que nos ocupa, el clima del sureste español, viene caracterizado por:
Temperatura ambiente.
Pese a la bondad que caracteriza el clima del sureste español, la media de la temperatura mínima en invierno se sitúa en torno a los 7 y 9 ºC, sin descartarse días puntuales en los que es posible alcanzar los 0 ºC. En el extremo opuesto, temperaturas de 38 ºC son habituales en los días más calurosos del año. En las instalaciones carentes de sistemas de control climático la temperatura ambiente del invernadero viene condicionada fundamentalmente por la temperatura exterior existente y el nivel de insolación, alcanzándose con frecuencia valores térmicos poco apropiados para el buen desarrollo del cultivo. La incorporación de sistemas de calefacción permitirán obtener niveles de temperatura durante las épocas más frías del año acordes con las necesidades del cultivo, situándonos por encima del valor de los 12 ºC, considerado por los expertos como el mínimo valor de temperatura ambiente aceptable. Por otro lado, los sistemas de ventilación –forzada o no- ayudarán a controlar los niveles máximos de temperatura ambiente. Una buena opción, siempre y cuando los niveles de humedad relativa nos lo permitan, es recurrir a sistemas de humidificación para disminuir considerablemente la temperatura interior del invernadero.
 Panorámica de Mar de Plástico de Almería, Andalucía, España
Humedad relativa.
Otra situación característica del entorno ambiental de un invernadero son las fuertes variaciones de humedad relativa que se producen dentro de un mismo día. Es común obtener mediciones extremas de humedad que pueden variar desde el punto de rocío hasta niveles del 35% (e inferiores). Además, esta discrepancia entre los niveles máximo y mínimo de humedad relativa del invernadero se dan en las campañas de primavera e invierno, cuando debido al grado de crecimiento del cultivo y el pequeño tamaño de las hojas la capacidad de la planta para disipar energía por medio de la transpiración es menor. Para remediar estas situaciones anómalas se recurre, por un lado, a sistemas de humidificación artificial que corrigen el posible déficit de humedad interior, y por otro, a sistemas de ventilación –forzada o no- que disminuyen los excesos de humedad.
Concentración de CO2.
La concentración de CO2 se considera como un factor deficitario en todos los casos, con respecto a los niveles considerados como ideales (entre 800 y 900 ppm) para el buen desarrollo del cultivo, siendo por el contrario uno de los principales factores que nos determinarán nuestra producción. Existen tres vías de acondicionar la concentración de CO2 del invernadero a los niveles considerados como ideales: aireación o ventilación, aportación a través de CO2 líquido y combustión de combustibles fósiles. Habitualmente, el nivel de CO2 del invernadero es inferior al registrado en el exterior, pudiéndose recurrir a una ventilación –forzada o no- para elevar la concentración interior. En los días en los que la velocidad del viento en el exterior del invernadero es, aproximadamente, inferior a los 10 km/h no es suficiente con una ventilación no forzada para alcanzar los niveles de CO2 satisfactorios, siendo necesario recurrir a una ventilación forzada. La segunda vía para mejorar la concentración de CO2 es recurrir directamente a CO2 líquido, siendo esta la mejor elección pues permite tener un control directo a la hora de determinar la aportación exacta deseada; si bien es una opción que debe ser convenientemente evaluada debido a su elevado coste. Por último, el control del nivel de CO2 mediante la combustión de combustibles sólidos/líquidos presenta una gran ventaja económica con respecto al método anterior, si bien no se dispone de un control exacto de la aportación de CO2 que se realiza, al tiempo que se corre el riesgo de aportar otros tipos de gases tóxicos como el monóxido de carbono de no realizarse un control preciso de la combustión.
Otras variables ambientales.
Como se ha visto hasta ahora existen tres variables ambientales fundamentales, temperatura ambiente, humedad relativa y concentración de CO2, que nos determinan el ambiente de nuestro invernadero y sobre las que actuaremos directamente para controlar el mismo. No obstante, existen otras variables que nos ayudarán a realizar el control climático del invernadero y que nos condicionarán nuestro modo de trabajo o actuación, debido a que nos proporcionarán información adicional sobre el estado del clima exterior del invernadero: humedad exterior, temperatura exterior, velocidad y dirección del viento y radiación.
¿CÓMO?
Para el control de la temperatura, humedad y nivel de CO2 debe recurrirse a la instalación de un sistema de control climático. Un sistema de control climático está compuesto fundamentalmente por:
dispositivos de actuación (actuadores),
dispositivos de control (controlador climático)
Dispositivos de actuación: Actuadores.
Los dispositivos de actuación son los que, en definitiva, modifican las condiciones ambientales en el invernadero. Se recurren a distintos sistemas, según la variable climática a modificar: calefacción, humidificación, aportación de CO2 y ventilación. Dentro de cada uno de ellos existe una gran variedad de posibilidades y técnicas, pero nos centraremos únicamente en los más extendidos y significativos.
Calefacción de agua caliente.
El sistema de calefacción está compuesto por:
- caldera + quemador,
- anillo principal + válvula de mezcla + bomba, y
- anillos secundarios (invernadero) + válvula de mezcla + bomba.
En la caldera se procede al calentamiento del agua de calefacción, la cual es impulsada hacia los anillos secundarios (a través del anillo principal) para elevar la temperatura del invernadero. Con ayuda de las válvulas de mezcla se consigue mantener el agua de calefacción a la temperatura adecuada, de forma que el agua fría es devuelta de nuevo a la caldera cerrándose el ciclo.
Son dos, por tanto, los puntos a controlar: la puesta en marcha de la caldera, según las necesidades de la instalación, y la posición de las válvulas de mezcla de los diferentes anillos para mantener la temperatura del agua de calefacción deseada,
Ventilación.
En los invernaderos es habitual disponer de dos tipos de ventanas: cenitales y laterales; dependiendo su número y disposición de la naturaleza de la instalación.
Con ayuda de la ventilación se procede al control de la temperatura ambiente y la humedad relativa del invernadero. La posición de las ventanas vendrá condicionada, fundamentalmente, por los valores de temperatura y humedad registrados en cada momento. No obstante, no debe obviarse el efecto que puede tener sobre las ventanas un agente externo como es el viento. Si bien, no es el viento una variable a controlar, si nos va a condicionar la posición de las ventanas, desde dos puntos de vista: por la influencia directa que puede tener sobre los valores internos de humedad y temperatura; como desde el punto de vista de la seguridad de la instalación ante vientos moderados a fuertes.
Aportación de CO2:
El CO2 de los gases generados en la combustión de la caldera de calefacción pueden ser utilizados para elevar el nivel de CO2 del invernadero. Los gases de la combustión son extraídos mediante un ventilador y mezclados con aire fresco (debido a su elevada temperatura) antes de su distribución hacia el invernadero.
En los momentos en los que la temperatura del invernadero no requiere la puesta en marcha de la calefacción no se utiliza ésta para proporcionar calor, pero si para la generación de CO2. En estos casos es necesario utilizar depósitos de acumulación de agua caliente en los que guardar el agua calentada, para su posterior utilización cuando la temperatura del invernadero así lo requiera.
Humidificación.
La función principal de los sistemas de humidificación consiste en elevar el nivel de humedad relativa cuando éste sea deficitario, si bien también es extensivo su uso para disminuir el valor de temperatura ambiente.
Dispositivos de control.
El sistema de control será el encargado de gestionar cada uno de los actuadores según la situación actual y deseada de las condiciones climáticas del invernadero. Para tal fin, se dispone de equipos automáticos o controladores basados en tecnología microprocesador. Cada uno de estos equipos realizan el control de un número limitado de zonas de cultivo.
Una característica fundamental del sistema de control debe ser su capacidad de adaptarse a las necesidades de cada instalación. Ello implica que el sistema debe ser flexible y modular, por lo que se estructura en distintas unidades de control (controladores) a las que se les asigna la gestión de zonas independientes. Estas unidades de control deben además tener la facultad de comunicarse entre sí y con un ordenador central desde el que poder teleoperar y telegestionar el sistema en su conjunto, para lo cual debe establecerse la correspondiente red de comunicación entre los equipos.
Por tanto, el sistema de control se estructura en:
- Subsistema de inspección y monitorización.
- Subsistema de control distribuido (controladores: control climático).
- Subsistema de comunicaciones.
Subsistema de inspección y monitorización.
El subsistema de inspección y monitorización está formado por un ordenador central sobre el que se realiza una gestión y supervisión remota del sistema. Entre sus funciones, podemos mencionar:
- Acceso a cada uno de los dispositivos del sistema (equipos de control climático), con la posibilidad de modificar en cualquier instante los parámetros de configuración de los mismos.
- Seguimiento de la evolución de las variables más importantes que caracterizan el estado del clima del invernadero, así como el registro de todas y cada una de las acciones de control realizadas sobre el sistema.
- Generación de históricos.
- Generación de históricos de alarmas
- Configuración del subsistema de comunicaciones.
El subsistema de inspección y monitorización es el punto de entrada que el usuario tiene para acceder al sistema. A través del software apropiado podremos disponer en todo momento, de forma clara y fácilmente interpretable, información sobre el estado del sistema y de la explotación, al tiempo que se ofrece la posibilidad de cambiar la configuración de los dispositivos de control que forman parte del subsistema de control distribuido. Este software deberá ofrecer un entorno de trabajo “amigable” y de fácil acceso e interpretación a cualquiera de las posibilidades y opciones que el mismo ofrezca.
Subsistema de control distruibuido
Por su parte, el subsistema de control distruibuido es el responsable directo de realizar las actuaciones necesarias para modificar las condiciones climáticas del cultivo. El proceso de control se caracteriza por tres fases:
- Lectura e interpretación de cada una de las variables climáticas (Sensores).
- Proceso de decisión de las actuaciones a realizar: proceso de control (Controlador).
- Modificación de las condiciones climáticas para acondicionarlas a las necesidades del cultivo (actuador).
Subsistema de comunicaciones.
El subsistema de comunicaciones es el nexo de unión entre el subsistema de inspección y monitorización y el subsistema de control distribuido, permitiendo el flujo de información y órdenes entre ambos. No debe pensarse en un sistema de comunicaciones único que satisfaga todas las situaciones. En realidad no existe una vía de comunicación ideal para el conjunto de todas las instalaciones agrícolas, sino más bien, soluciones particulares adaptadas a las necesidades propias de cada instalación y usuario. Por ello, deben ofrecerse diferentes posibilidades de comunicación:
- Comunicación alámbrica: RS232 y RS485.
- Comunicación inalámbrica: Telefonía móvil y fija.
La comunicación alámbrica será aplicable en aquellas explotaciones en las que la distancia entre terminales no sea en cualquier caso superior a los 1200 m, además de no existir ningún accidente geográfico o de cualquier otro tipo (vías públicas, canales, … ) que impida la instalación del conductor. El coste de esta instalación es bajo.
Entre los estándares y vías de comunicación serie por cable disponibles en el mercado, destacaremos RS-232 y RS-485.
La interface serie RS-232 no soporta una comunicación multipunto (únicamente puede establecerse una comunicación entre el ordenador central y un controlador) y la distancia máxima entre dispositivos está limitada a 15 m. Es una opción de muy bajo coste dado que únicamente es necesario el correspondiente cable para establecer la comunicación (todos los ordenadores y equipos de control disponen de al menos un puerto RS232).
La interface RS-485 ofrece interesantes posibilidades de aplicación en la creación de sistemas mutipunto industriales (es posible conectar en red a distintos controladores con el ordenador central), en los que la moderada necesidad de prestaciones en cuanto a la velocidad de transmisión se ve recompensada con la posibilidad de conseguir relaciones coste/prestaciones muy favorables, frente a otras posibles alternativas que, por otra parte, son inexistentes para sistemas pequeños o medianos. Las distancias de comunicación que permite el estándar RS-485 pueden llegar a 1200 metros y las velocidades de transmisión a 10 Mbaud por segundo. Ambas están ligadas en el estándar y, por encima de los 90 kbaud, la distancia máxima se reduce progresivamente.
Por su parte, la comunicación inalámbrica (telefonía móvil o fija) ofrece interesantes posibilidades, tales como:
- Posibilidad de comunicación desde un ordenador central con cualquier otro terminal o equipo, sin importar la ubicación del mismo, siempre y cuando se disponga de una conexión telefónica en ambos extremos.
- Posibilidad de teleoperar a distancia tantas explotaciones agrícolas como se deseen.
Sin embargo, presenta los siguientes inconvenientes:
- Comunicación serie punto a punto.
- Necesidad de disponer de un canal de comunicación telefónico, y lo que ello implica:
- Velocidad de transmisión dependiente del estado de la línea telefónica (normalmente bajo).
- No es recomendable establecer una comunicación entre el ordenador central y un terminal concreto permanente, dado que ello supondría disponer de la línea telefónica en exclusiva para tal fin.
- Imposibilidad en determinadas circunstancias de establecer una conexión, o interrupción de una existente, como consecuencia de un mal funcionamiento de la línea telefónica.
Fuente:
Autor: Francisco Jesús García García.
Ingeniero Industrial.
Director Técnico de NUTRICONTROL, S.L.
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