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Microclima artificialmente provisto para proteger al cultivo de factores adversos

por Redacción

Por Andres Salas Castillo

Uno los principales objetivos de la utilización de invernaderos en la agricultura es la de obtener elevados rendimientos bajo una agricultura intensiva en clima controlado. Esto último permite cultivar plantas en lugares y épocas del año donde las condiciones climáticas imposibilitan o limitan su desarrollo, además de obtener producciones de alto valor añadido.

Un invernadero es una edificación arquitectónica cuyo objetivo principal es proteger y prolongar el período de cultivo y cosecha de hortalizas débiles, frutales y plantas ornamentales de condiciones ambientales adversas como fuertes lluvias, vientos, temperaturas extremas, plagas y enfermedades. En otras palabras es un ecurso agrícola destinado al cultivo y a la protección de las plantas explotadas, cuyas dimensiones permiten a un hombre trabajar cómodamente en su interior durante el desarrollo de la planta. La estructura o construcción es cubierta y abrigada artificialmente con plástico u otros materiales, en cuyo interior es posible regular manual o automáticamente las condiciones medio ambientales para garantizar el desarrollo óptimo de una o varias especies cultivadas. Los cultivos bajo invernaderos son considerados un sistema de producción intensiva que requiere en forma permanente de habilidades del productor para controlar y manejar los diferentes ciclos, la cosecha y la manipulación de la planta.

El factor determinante más relevante de la actividad hortícola en invernadero es el clima. Los altos rendimientos que se obtienen bajo estas estructuras se debe en gran parte a que el clima durante el día y la noche se controla bajo umbrales óptimos de temperatura y humedad relativa o umbrales máximos y mínimos que eviten daño a las plantas. El control del clima va más allá del enfoque de ingeniería, de la regulación de la temperatura o de otros parámetros ambientales (luz, humedad, etc.), sino bajo un aspecto mucho más amplio en donde se le da mayor importancia al rendimiento general del sistema agrícola, un uso eficiente de invernaderos es aquel que considera operarlo con un mínimo de energía,  para  ello  se requiere la aplicación de técnicas de control automático, que a su vez requieren el manejar modelos matemáticos capaces de describir las interacciones entre las diferentes variables que determinan su microclima.

Leyes físicas que permiten examinar los procesos responsables de la transferencia de energía y masa

Los intercambios energéticos entre el interior del invernadero y el clima exterior son complejos a causa de los numerosos factores que intervienen, y además a que dichos factores están relacionados entre sí, y a su vez hacen intervenir los diferentes tipos de transferencia de calor: radiación térmica, conducción y convección. La ventilación natural es un proceso fundamental que influye en el clima interior de un invernadero. En el caso de edificaciones, la ventilación contribuye fuertemente en los procesos de intercambio de masa y energía con el ambiente exterior y, en consecuencia, un buen diseño de los sistemas de ventilación puede mejorar tanto el control climático como el uso de la energía. Las principales variables climáticas envueltas en el proceso de producción vegetal son: la temperatura, la humedad relativa, la radiación luminosa y la concentración de CO2. La presencia de esos factores dentro de ciertos límites mínimos y máximos, proporcionan condiciones propicias para el desenvolvimiento de la planta, en cuanto fuera de esos límites, el desenvolvimiento es perjudicial, pudiendo llevar a la misma muerte de la planta.

El metabolismo de las plantas y la tasa de las reacciones metabólicas se ven afectados por la temperatura, llegando a duplicarse la tasa de crecimiento para muchos cultivos al incrementar la temperatura 10°  C.Tanto temperaturas extremas bajas como altas, afectan al buen desarrollo de los cultivos, produciendo la desnaturalización de enzimas y otras proteínas.

Las temperaturas por debajo o por arriba de un determinado umbral no sólo imposibilitan que los cultivos cubran sus objetivos de producción sino que pueden ser letales para los mismos.

  • Temperatura mínima letal. Aquella por debajo de la cual se producen daños en la planta.
  • Temperatura máxima letal. Aquella por arriba de la cual se producen daños en la planta.
  • Temperaturas máximas y mínimas biológicas. Indican valores, por encima o por debajo respectivamente del cual, no es posible que la planta alcance una determinada fase vegetativa, como floración, fructificación, etc.
  • Temperaturas nocturnas y diurnas. Indican los valores aconsejados para un correcto desarrollo de la planta.

La relación entre la humedad del aire o la presión de agua del aire y el crecimiento de los cultivos es muy compleja. Humedades entre 0.2 y 1.0 Kpa de déficit de presión de vapor (DVP), tienen pequeños efectos sobre la fisiología y desarrollo de cultivos agrícolas, y juegan un rol importante en la ocurrencia de enfermedades. Por ejemplo, las esporas de muchos hongos requieren de agua libre para germinar; una alta humedad relativa al interior del invernadero promueve la condensación sobre el cultivo.

Radiación, temperatura y composición de la atmósfera

La importancia del papel que juega la luz en la producción hortícola está fuera de duda. Los invernaderos deben conectar el máximo de radiación solar durante todo el día en invierno y durante el resto del año deben aprovechar la radiación de la mañana y de la tarde, para lograr un balance térmico favorable y activar la fotosíntesis al transmitir parte del espectro visible.

El carbono es un nutriente esencial de los vegetales. Existen estudios que demuestran que alrededor del 40 % de la planta seca se compone de carbono. La planta obtiene el carbono presente en el CO2 atmosférico a través de la fotosíntesis. La concentración ideal del CO2 depende de los requerimientos, pero para todos existe un punto óptimo. La mayoría de cultivos requieren de concentraciones de CO2 entre 1000-1500 ppm (partes por millón). Existiendo algunas especies que responden de manera positiva a concentraciones de hasta 1800 ppm.

En el interior del invernadero, la radiación, temperatura y composición de la atmósfera son modificadas generando un microclima distinto al local. Las modificaciones dependen esencialmente de la naturaleza y propiedades del material de cerramiento, de las condiciones de renovación de aire, de la forma, dimensiones y orientación del invernadero, de la cubierta vegetal presente y de las posibilidades de evaporación del suelo y de la cubierta. La calefacción del invernadero se puede efectuar por dos medios:  a través de la atmósfera o a través del suelo, o bien a través de ambos elementos. El aire tiene inercia térmica débil y, por lo tanto, el calor se difunde en su masa casi exclusivamente por convección, la cual puede ser activada artificialmente; por el contrario, el suelo tiene una gran inercia y el calor se transmite por conducción.

Sistemas de calefacción por convección

Son sistemas  en los que el elemento conductor del calor  es el aire. Debido a su poca inercia, proporcionan un aumento rápido de la temperatura del aire, enfriándose de igual forma al dejar de actuar. Generan importantes gradientes térmicos y pérdidas de calor al ir localizados, normalmente, sobre el cultivo.

  • Generadores de aire caliente de combustión indirecta

Mediante un cambiador de calor, se separan los gases de combustión expulsándolos al exterior, introduciendo únicamente aire caliente al invernadero. Dado que parte del calor es expulsado con los gases de combustión, el rendimiento de estas máquinas suele estar entre el 80% – 90%.

  • b)        Generadores de aire caliente de combustión directa

Tanto el aire caliente como los gases de combustión son incorporados al invernadero. El combustible a utilizar debe de contener el menor número de elementos tóxicos, siendo el propano y el gas natural los más recomendados.

Es importante controlar los niveles de los gases de combustión para evitar problemas a personas y plantas. El rendimiento de la máquina se considera del 100 % al introducir también el calor que acompaña a los gases de combustión.

Sistemas de calefacción por conducción

Son sistemas que están diseñados para proporcionar una temperatura adecuada en la zona radicular. Desde un punto de vista físico, uno de los objetivos de la calefacción del suelo es utilizar, indirectamente, la superficie de intercambio con el aire que ofrece el suelo del invernadero, siendo ésta superior a la de los sistemas de calefacción aéreos.

Desde una caldera central se aporta calor al suelo a través de tuberías enterradas, circulando el agua a temperatura inferior a 40° C, siendo la distribución del calor uniforme. El elevado costo inicial y la  dificultad  para realizar labores en el suelo (al ir enterradas las tuberías a menos de 50 cm) han limitado el desarrollo de estos sistemas. Los sistemas de calefacción por convección y radiación es la transferencia de calor se realiza a través de tuberías, aéreas o dispuestas sobre el medio de cultivo, por donde circula agua caliente, pudiendo trabajar a alta (hasta 90° C) o baja temperatura (entre 30° C – 50° C) en función del material utilizado (metal o plástico). Estos sistemas modifican la temperatura del aire, al calentarse por convección al contacto con los tubos, y la de los objetos (suelo, planta, cubierta del invernadero, etc.) que se encuentran a su alrededor por intercambio radiactivo. La distribución del calor es más uniforme que en los sistemas por aire, al situar las tuberías cerca del cultivo y mantener unos gradientes térmicos bajos.

Los sistemas de calefacción por agua caliente permiten distribuir el calor de forma  uniforme,  siendo  más  eficientes  que  los  sistemas  por  aire.  No obstante, mediante tuberías perforadas, que aproximan el calor a la planta, los sistemas de calefacción por aire de combustión indirecta han mostrado una eficiencia similar a los sistemas por agua caliente a baja temperatura.

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