janampa q kleber

XX Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN TÉRMICA DE UN INVERNADERO FAMILIAR ECOLÓGICO EN AYACUCHO

JANAMPA QUISPE, Kléber - [email protected]

CERÓN BALBOA, Octavio - [email protected] ORÉ GARCÍA, Julio – [email protected]

MORLES MORALES, Oswaldo - [email protected] ResumenResumenResumenResumen. Se ha diseñado un invernadero familiar ecológico para

incentivar la horticultura en las familias ayacuchanas. Caracterizando

los factores ambientales óptimos para el desarrollo de las hortalizas y el

clima local, se ha determinado el tipo de invernadero que garantice el

microclima apropiado para las hortalizas seleccionadas; donde la

temperatura es el parámetro más importante en el manejo del ambiente

dentro de un invernadero. El invernadero diseñado es de tipo templado

y de capilla de área 9m2 y 27m3 de volumen que presenta ventanas

laterales y cenitales. Durante los meses de enero a marzo, la

temperatura en el interior del invernadero alcanzó valores entre 14ºC y

25ºC. El control de la ventilación se realizó a través de las ventanas y

el control lumínico mediante una cubierta adicional que disponía de

superficies reflectantes. La humedad relativa alcanzó valores de 50 a

90%. El invernadero familiar diseñado, es de bajo costo, que permite un

control sencillo de la temperatura y con él el control de la humedad

relativa.

Palabras clavePalabras clavePalabras clavePalabras clave: Invernadero, Invernadero familiar, Hortalizas. 1. INTRODUCCIÓN

Producir en condiciones de invernadero implica una agricultura de precisión (Vitorino, 2010), pues supone un

control micro climático de acuerdo al tipo de planta. Un invernadero acorta los ciclos vegetativos de las plantas, mejora la calidad del cultivo controlando la atmósfera interior; por otro lado, produce una economía en el riego por la menor evapotranspiración, se reduce la pérdida de agua por evaporación del suelo y la transpiración de las plantas, al estar protegidas del viento (Alcazar, 2010).

Se han identificado más de 20 factores importantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas. De estos factores, la temperatura es el parámetro más importante en el manejo de la atmósfera de un invernadero (Caldari, 2007) que conjuntamente con la luz, generan el microclima que debe ser el más próximo a las condiciones biológicas óptimas de la variedad cultivada.

El objetivo del trabajo ha sido diseñar un invernadero familiar para el crecimiento diversificado de hortalizas en la ciudad de Ayacucho, utilizando materiales de la zona y bajo el concepto de tecnología socialmente apropiada simple y de bajo costo. De manera que se genere un microclima apropiado al desarrollo de las hortalizas, controlando los factores ambientales del interior del invernadero.

El diseño del invernadero familiar, se ha realizado tomando en cuenta modelos ya desarrollados para aplicaciones industriales y domésticos tanto en el Perú como internacionalmente. Existe una amplia gama de variedad de invernaderos así como estudios sobre ellos. Nuestra propuesta ha permitido desarrollar un modelo simple de bajo costo, con materiales locales para poder incentivar su uso doméstico en el cultivo de hortalizas. A nivel familiar es factible la producción de hortalizas libres de productos contaminantes, en las pequeñas áreas.

2. MATERIAL Y MÉTODO

Se caracteriza las condiciones climáticas necesarias para optimizar el cultivo de hortalizas a nivel familiar. Teniendo en cuenta parámetros ambientales óptimos y letales comunes a las hortalizas y las condiciones ambientales de


la ciudad de Ayacucho, se determina el tipo de estructura y morfología más conveniente y eficaz del invernadero, que permita controlar la ventilación, riego, humedad y temperatura del interior del invernadero.

La optimización del control de los parámetros ambientales del invernadero, se realiza fundamentalmente mediante el control de la temperatura teniendo en cuenta que el crecimiento vegetal está íntimamente relacionado con la temperatura (Raposo, 2004).

La ubicación del invernadero familiar está en una vivienda familiar del distrito de Carmen alto y el periodo de evaluación se tomó durante los meses de enero a marzo del 2013.

2.1 Materiales e instrumentos

Cubierta: Polietileno de baja densidad Estructura: listones de madera Instrumentos de medición: Termómetro, Humímetro, Anemómetro, Radiómetro 3. RESULTADOS 3.1 Diseño del invernadero familiar

Nuestra propuesta es desarrollar un modelo simple, con control manual mínimo y de bajo costo, con materiales

locales para poder incentivar su uso doméstico.

Factores climáticos óptimos para el cultivo de hortalizas. El desarrollo fisiológico óptimo y equilibrado de las hortalizas depende de los factores climáticos como: luminosidad, temperatura, humedad, concentración de anhídrido carbónico y oxígeno. La Tab. 1 resume el rango de los parámetros ambientales necesarios para el óptimo desarrollo de las hortalizas más comunes del medio (Vitorino, 2010).

Tabla 1. Parámetros ambientales óptimos para el desarrollo de hortalizas

Producto Recomendable

para invernaderos

Duración del día

Temperatura óptima

(oC)

Humedad (%)

PH

Días de maduración

Clima templado

Lechuga

Cebolla

Apio

Espinaca

Tomate

Acelga

Zanahoria

Brócoli

Apropiado

Sin interés

Apropiado

Apropiado

Apropiado

Apropiado

Sin interés

Apropiado

Día largo

Día largo

Día largo

Día largo

Indiferente

Día medio

14 - l8

15,6 - 25ºC

18 - 25

15 - 25

20 - 24

18 - 22

18-25

60 - 80

< 70

65 – 80

50 – 70

50 – 60

60 – 70

(Alta)90

6,3 - 7,6

6 – 7,5

6 - 7,3

6,3 - 7,6

5,4 - 6,6

6 - 7,6

6 – 6,2

70 a 90

135

165 a 185

40 a 70

120

55 a 65

90 a 110

80 a 120

Las hortalizas seleccionadas fueron el apio, lechuga, cebolla y brócoli cuya temperatura óptima está en el orden de 14 a 25º C y la humedad relativa óptima de 50 a 80%.

Características ambientales óptimas del invernadero. En el cultivo del invernadero familiar determinamos

controlar fundamentalmente la intensidad luz y la temperatura, dado que la temperatura es el parámetro más importante en el manejo del ambiente dentro de un invernadero (Caldari, 2007).

La temperatura óptima de crecimiento y desarrollo de las hortalizas seleccionados está en el orden de 15 a 25ºC, siendo la temperatura media de la ciudad de Ayacucho de 16ºC (máxima de 25,7º C- mínima 7ºC). La humedad óptima, de las hortalizas está en el orden de 50 a 95 %, y la humedad media de la ciudad de Ayacucho está en 56% (máxima 87% y mínima 28%).

Caracterización del tipo de invernadero. De acuerdo al nivel de temperatura necesaria, el tipo de invernadero

que se dimensiona y construye es el Invernadero Templado (López, 2008), para mantener una temperatura mínima de entre 10 y 15ºC. Esta es apropiada para el cultivo de hortalizas.


Figura 1. Dimensiones del invernadero doméstico

Según la geometría de su estructura, corresponde a invernaderos de capilla (Gassó y Solomando, 2011). Presenta un techo formando por un plano inclinado. La inclinación del plano del techo es mayor a 20º para facilitar la evacuación del agua de lluvia. El área del invernadero de capilla es de 9m2 y volumen 27m3. La ventilación natural dispone de una ventana de un área lateral del 17% (1,53m2) y cenital del 15% (1,35m2) de la superficie cultivada (López, 2008). 3.2 CONSTRUCCIÓN DEL INVERNADERO FAMILIAR

Ubicación y orientación.

• Localización: Jardín de una vivienda familiar en el distrito de Carmen Alto, de la provincia de Huamanga. • Tipo de suelo. Textura media con afloramiento rocoso. Es apto para cultivo doméstico de hortalizas. (Ministerio de

Vivienda y Construcción-Ayacucho). • Vientos. Dada la presencia de viviendas aledañas, se encuentra vientos dominantes en la dirección oeste este con

rapidez medio de 1 a 2m/s. • Exigencia bioclimática de las hortalizas domésticas. Temperatura óptima para el crecimiento vegetativo de las

hortalizas: 14 a 25º C. Los niveles de temperatura que maximizan la producción se sitúan entre 16ºC y 20ºC para el período nocturno y entre 22ºC y 30ºC para el diurno para cualquier tipo de cultivo en general5. La humedad de las hortalizas está en el orden de 50 a 80%. Materiales. Estructura: Listones de madera de eucalipto. Cubierta: Plástico o polietileno de baja densidad, dado que es apropiado para nuestras condiciones climáticas, y es de bajo costo (Alas, 2003).

Figura 2. Vista frontal y lateral del invernadero familiar

2,2m

3,0m

3,29m

3,0m

3,19m 2,8m

0,48m

2,8m 0,55m

20º


Figura 3. Vista de la ventana cenital y lateral del invernadero familiar

Figura 4. Vista del interior del invernadero familiar

3.3 CONTROL CLIMATICO EN EL INVERNADERO

Temperatura. Para disminuir la temperatura diurna: - La ventilación, para remover el aire caliente del interior. - Disminución de la luminosidad en la cubierta, se logró colocando una cubierta adicional de plástico que

disponía en su superficie franjas de material reflector. - Para aumentar la temperatura nocturna - Empleo de calefacción a través de una estufa doméstica de carbón, lo que permitía disminuir además la

humedad y aumentar la cantidad de CO2 en el invernadero

Figura 5. Cubierta reflectores para sombrear el interior del invernadero familiar


Temperatura y humedad en el invernadero(16 de febrero)

0

20

40

60

80

100

120

04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 00:00

Hora

T (o

C)-

HR

(%)

Temeperatuta delinvernadero

Temperaturaambiente

Humedadinvernadero

Humedad ambiente

Humedad relativa del aire. Para lograr la humedad óptima (50 a 80%) en el invernadero familiar, fundamentalmente para controlar el exceso de humedad, se realizó:

- Control de la humedad del suelo, mediante riegos por inundación de surcos y riego por goteo. El riego por goteo se realizó a través de botellas de plástico reciclado que conectados a tubos de PVC con orificios colectaban el agua de las lluvias.

- Mediante coberturas sobre el suelo de cultivo de los invernaderos con polietileno, para aumentar la temperatura y conservar la humedad del suelo.

- Aumento de la ventilación, abriendo la ventana cenital y lateral. - Aumento de temperatura, sobre todo en horas de la noche, a través de la estufa de carbón y botellas o bolsas de

agua que funcionan como acumulador de calor.

Radiación. Para aumentar la intensidad de la luminosidad natural - Cubierta de polietileno de baja densidad, presenta una buena transparencia considerando su bajo costo y

accesibilidad. - Acolchados del suelo con plástico blanco o negro.

Para reducir la intensidad de la luminosidad natural - Cubierta de plástico con reflectores.

Ventilación. El control de la ventilación pasiva en el interior del invernadero se ha realizado a través del control

manual de las ventanas lateral y cenital.

3.4 Comportamiento térmico del invernadero familiar

Se evalúa el comportamiento de la temperatura y la humedad del aire en el interior del invernadero. En el primer caso, cuando se hace el control de la ventilación sólo a través de las ventanas lateral y cenital que se abren a partir de las 9 am.

Figura 6. Variación de la Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar (16/02/2013)

Luego, se registra la variación de la temperatura y humedad del interior del invernadero, haciendo un control de la radiación durante el día mediante el plástico reflector y durante la noche utilizando la estufa de carbón.


Invernadero 12m

0

10

20

30

40

50

60

70

09/0

2/13

11/0

2/13

13/0

2/13

15/0

2/13

17/0

2/13

19/0

2/13

21/0

2/13

23/0

2/13

25/0

2/13

27/0

2/13

01/0

3/13

03/0

3/13

Fecha

T(o

C)-

H(%

)

Temperatura invernadero

Temperatura Ambiente

Humedad Invernadero

Humedad Ambiente

Invernadero 6a.m.

0

20

40

60

80

100

120

09/0

2/13

11/0

2/13

13/0

2/13

15/0

2/13

17/0

2/13

19/0

2/13

21/0

2/13

23/0

2/13

25/0

2/13

27/0

2/13

01/0

3/13

03/0

3/13

Fecha

T(o C

) -

H(%

)

Temperatura invernadero


Humedad Invernadero

Humedad Ambiente

Temperatura y Humedad del invernadero familiar (01 de marzo)

0

20

40

60

80

100

120

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 00:00

Hora

T(o

C)-

HR

(%)

Temperatura Invernadero


Humedad Invernadero

Humedad Ambiente

Figura 7. Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar con la intervención de la cubierta de plástico con reflectores (01/03/2013)

Figura 8. Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar para las 6 am.

Figura 9. Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar para las 12m.


La evolución de la temperatura y humedad del interior del invernadero en horas críticas como las 6am, 12m, 6 pm y 12 pm, nos ha permitido establecer la necesidad de control climático, sobre todo de la temperatura.

En lo referente a la humedad, esta alcanza valores óptimos debido a las permanentes lluvias, en algunos casos toma valores del orden de los 95%, lo que hace que disminuya la capacidad de transpiración de la planta. 4. DISCUSION

Tomando en cuenta que la temperatura es el parámetro más importante en el manejo de la atmósfera de un

invernadero (Caldari, 2007) y relacionando a la temperatura óptima de crecimiento y desarrollo de las hortalizas seleccionadas son de 14 a 25ºC (López, 2008) se ha dimensionado un invernadero familiar templado y de capilla (Gassó y Solomando) de volumen y área en la relación 3 a 1 (Alas, 2003) para facilitar la ventilación del invernadero.

De acuerdo al clima de la ciudad de Ayacucho y las condiciones atmosféricas óptimas de las hortalizas, se encuentra que no hay necesidad de acondicionar térmicamente el interior del invernadero mediante sistemas automatizados de calefacción o ventilación.

La iluminación del invernadero está dentro de los valores requeridos por las hortalizas (Vitorino, 2010), para días de mayor intensidad de radiación, fue necesario utilizar sombreados en un 30 a 40% sin que la fotosíntesis se vea afectada durante los días de sol pleno en verano (Martínez, 2011).

La evaluación térmica del invernadero familiar nos establece un alto valor del coeficiente global de pérdidas 18W/m2oK, en referencia a valores de invernaderos industriales con una lámina de polietileno, que presenta un coeficiente global de pérdidas 9,6 W/m2K (Raposo, 2004).

El comportamiento de la temperatura y la humedad del aire en el interior del invernadero, tomando en cuenta el control manual de la ventilación a través de las ventanas lateral y cenital, nos muestran que entre la 11am a 01pm la temperatura en el interior del invernadero alcanza hasta un valor máximo de 29ºC, 3 a 4 grados mayor que temperatura del medio ambiente, valor que supera en 4 grados a la temperatura óptima de crecimiento de las hortalizas.

El control de la temperatura durante las horas del día, fundamentalmente entre las 11am a 01pm se ha logrado mediante el sombreado con una cubierta de plástico con cintas reflectoras de papel aluminio; resultado que ha permitido controlar la temperatura interna al medio día disminuyendo en un orden de 3 a 4ºC, alcanzándose temperaturas de 23 a 25ºC, superior en 1 a 2ºC a la del medio ambiente y próximo a las temperaturas óptimas de las hortalizas.

La humedad relativa del aire del interior del invernadero, oscilan entre 50 y 100% superior en 10% a la del medio ambiente en horas de la noche, por lo que se nos planteó la necesidad de controlar el exceso de humedad sobre todo cuando llovía, pues el exceso de humedad afecta la transpiración de la hortaliza5. El aumento de la humedad está en relación inversa a la temperatura por lo que, para controlar el exceso de humedad durante las horas de la noche (14-15ºC) se ha dispuesto de una estufa de carbón doméstico que ha permitido aumentar la temperatura en 2 a 3ºC en referencia al medio ambiente y ha mantenido la humedad en el orden de 80% próximo a la del medio ambiente. El control del déficit de humedad, en nuestro caso, no ha sido necesario pues la humedad mínima registrada estuvo en el orden de 50%. 5. CONCLUSIONES

Se ha diseñado un invernadero familiar para hortalizas, según la temperatura mínima (13ºC) que se alcanza

corresponde a un invernadero templado y de acuerdo a su geometría es un invernadero de capilla con estructura base de madera y cubierta polietileno de baja densidad no atemperado. El área del invernadero es de 9m2, y tiene una relación área volumen de 1 a 3, dispone de dos ventanas una cenital y otra lateral correspondiendo al 32% del área del invernadero. El invernadero incentiva la horticultura familiar y optimiza el uso del agua y las energías renovables.

El control de los factores ambientales del invernadero familiar, para las condiciones ambientales locales, nos permite plantear un control manual; lo que permite hacer del invernadero uno de bajo costo y manejo sencillo. En este sentido dado que la temperatura de las hortalizas seleccionadas presentan una temperatura óptima de desarrollo entre 14 y 25º C y humedad relativa de 50 a 80%, el invernadero familiar diseñado ha logrado alcanzar temperaturas diurnas hasta 25ºC mediante el control de las cubierta con superficies reflectantes y la ventilación a través de las ventanas lateral y cenital. Durante las horas de la noche la temperatura mínima en estos meses de verano alcanzó 14 a 15º C, valor superior a la temperatura letal de las hortalizas.

El periodo de evaluación del invernadero familiar fue los meses de febrero y marzo, quedando por evaluar durante los meses de invierno en donde la temperatura mínima local corresponde a 7º, lo que obligaría a usar sistemas básicos de calefacción y las estufas de carbón podría controlar la temperatura interior.

El invernadero familiar ha sido diseñado sobre el concepto de tecnología socialmente apropiada, de bajo costo y sencillo de manejar y controlar, pero que sin embargo su eficiencia térmica es muy baja lo que permitiría utilizar como cubierta el polietileno atemperado de alta densidad, lo que evidentemente aumentarían los costos. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALAS, M. Estructura de costos, para la producción de hortalizas en invernaderos de la cuenca del Río Reventazón, Turrialba, Costa Rica. Tesis Magíster Scientiae. Costa Rica. 2003


ALCAZAR, J. Manual básico “Producción de hortalizas”. Universidad de la República Facultad de Agronomía Departamento de Producción Vegetal Centro Regional Sur. 2010

CALDARI, P. Revista Manejo de la luz en Invernaderos. Los beneficios de Luz de Calidad en el cultivo de Hortalizas. Ciba Especialidades Químicas Ltda. Brasil. 2007

GASSÓ, F y SOLOMANDO, S., Estructura e instalaciones de un invernadero. Universidad Técnica de Cataluña. Tesis. Barcelona. 2011

LÓPEZ, A. Diseño de un sistema de control de temperatura on/off para aplicaciones en invernadero utilizando energía solar y gas natural. Tesis. PUCP. 2008

MARTINEZ, A. Medida y evaluación de la actividad fotosintética en un cultivo de calabacín (curcubita pepo. l. c.v canella) derivada del empleo de nuevas mallas de protección. España Almería. 2011

RAPOSO, C. Evaluación experimental y modelización del control de la pantalla térmica en invernaderos. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos Madrid. 2004

VITORINO F., B. Cultivo de hortalizas ecológicas en cajas organopónicas. Cusco Perú. 2010

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