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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] Resumen Resumen Resumen Resumen. 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 9m 2 y 27m 3 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 clave Palabras clave Palabras clave Palabras 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

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  • 1. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013DISEO, CONSTRUCCIN Y EVALUACIN TRMICA DE UN INVERNADERO FAMILIAR ECOLGICO EN AYACUCHO JANAMPA QUISPE, Klber - [email protected] CERN BALBOA, Octavio - [email protected] OR GARCA, Julio [email protected] MORLES MORALES, Oswaldo - [email protected] Resumen. un invernadero familiar ecolgico para Resumen Se ha diseado incentivar la horticultura en las familias ayacuchanas. Caracterizando los factores ambientales ptimos 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 parmetro ms importante en el manejo del ambiente dentro de un invernadero. El invernadero diseado es de tipo templado y de capilla de rea 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 alcanz valores entre 14C y 25C. El control de la ventilacin se realiz a travs de las ventanas y el control lumnico mediante una cubierta adicional que dispona de superficies reflectantes. La humedad relativa alcanz valores de 50 a 90%. El invernadero familiar diseado, es de bajo costo, que permite un control sencillo de la temperatura y con l el control de la humedad relativa. clave: Palabras clave Invernadero, Invernadero familiar, Hortalizas.1.INTRODUCCINProducir en condiciones de invernadero implica una agricultura de precisin (Vitorino, 2010), pues supone un control micro climtico de acuerdo al tipo de planta. Un invernadero acorta los ciclos vegetativos de las plantas, mejora la calidad del cultivo controlando la atmsfera interior; por otro lado, produce una economa en el riego por la menor evapotranspiracin, se reduce la prdida de agua por evaporacin del suelo y la transpiracin de las plantas, al estar protegidas del viento (Alcazar, 2010). Se han identificado ms de 20 factores importantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas. De estos factores, la temperatura es el parmetro ms importante en el manejo de la atmsfera de un invernadero (Caldari, 2007) que conjuntamente con la luz, generan el microclima que debe ser el ms prximo a las condiciones biolgicas ptimas de la variedad cultivada. El objetivo del trabajo ha sido disear un invernadero familiar para el crecimiento diversificado de hortalizas en la ciudad de Ayacucho, utilizando materiales de la zona y bajo el concepto de tecnologa 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 diseo del invernadero familiar, se ha realizado tomando en cuenta modelos ya desarrollados para aplicaciones industriales y domsticos tanto en el Per como internacionalmente. Existe una amplia gama de variedad de invernaderos as como estudios sobre ellos. Nuestra propuesta ha permitido desarrollar un modelo simple de bajo costo, con materiales locales para poder incentivar su uso domstico en el cultivo de hortalizas. A nivel familiar es factible la produccin de hortalizas libres de productos contaminantes, en las pequeas reas. 2.MATERIAL Y MTODOSe caracteriza las condiciones climticas necesarias para optimizar el cultivo de hortalizas a nivel familiar. Teniendo en cuenta parmetros ambientales ptimos y letales comunes a las hortalizas y las condiciones ambientales de

2. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013la ciudad de Ayacucho, se determina el tipo de estructura y morfologa ms conveniente y eficaz del invernadero, que permita controlar la ventilacin, riego, humedad y temperatura del interior del invernadero. La optimizacin del control de los parmetros ambientales del invernadero, se realiza fundamentalmente mediante el control de la temperatura teniendo en cuenta que el crecimiento vegetal est ntimamente relacionado con la temperatura (Raposo, 2004). La ubicacin del invernadero familiar est en una vivienda familiar del distrito de Carmen alto y el periodo de evaluacin se tom 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 medicin: Termmetro, Hummetro, Anemmetro, Radimetro 3.RESULTADOS3.1 Diseo del invernadero familiar Nuestra propuesta es desarrollar un modelo simple, con control manual mnimo y de bajo costo, con materiales locales para poder incentivar su uso domstico. Factores climticos ptimos para el cultivo de hortalizas. El desarrollo fisiolgico ptimo y equilibrado de las hortalizas depende de los factores climticos como: luminosidad, temperatura, humedad, concentracin de anhdrido carbnico y oxgeno. La Tab. 1 resume el rango de los parmetros ambientales necesarios para el ptimo desarrollo de las hortalizas ms comunes del medio (Vitorino, 2010). Tabla 1. Parmetros ambientales ptimos para el desarrollo de hortalizasProductoRecomendable para invernaderosDuracin del daTemperatura ptima (oC)Humedad (%)PHDas de maduracin Clima templadoLechugaApropiadoDa largo14 - l860 - 806,3 - 7,670 a 90CebollaSin intersDa largo15,6 - 25C< 706 7,5135ApioApropiadoDa largo18 - 2565 806 - 7,3165 a 185EspinacaApropiadoDa largo15 - 2550 706,3 - 7,640 a 70TomateApropiadoIndiferente20 - 2450 605,4 - 6,6120AcelgaApropiado18 - 2260 706 - 7,655 a 65ZanahoriaSin intersBrcoliApropiado90 a 110 Da medio18-25(Alta)906 6,280 a 120Las hortalizas seleccionadas fueron el apio, lechuga, cebolla y brcoli cuya temperatura ptima est en el orden de 14 a 25 C y la humedad relativa ptima de 50 a 80%. Caractersticas ambientales ptimas del invernadero. En el cultivo del invernadero familiar determinamos controlar fundamentalmente la intensidad luz y la temperatura, dado que la temperatura es el parmetro ms importante en el manejo del ambiente dentro de un invernadero (Caldari, 2007). La temperatura ptima de crecimiento y desarrollo de las hortalizas seleccionados est en el orden de 15 a 25C, siendo la temperatura media de la ciudad de Ayacucho de 16C (mxima de 25,7 C- mnima 7C). La humedad ptima, de las hortalizas est en el orden de 50 a 95 %, y la humedad media de la ciudad de Ayacucho est en 56% (mxima 87% y mnima 28%). Caracterizacin del tipo de invernadero. De acuerdo al nivel de temperatura necesaria, el tipo de invernadero que se dimensiona y construye es el Invernadero Templado (Lpez, 2008), para mantener una temperatura mnima de entre 10 y 15C. Esta es apropiada para el cultivo de hortalizas. 3. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.20130,48m3,19m 2,8m20 0,55m2,8m3,29m2,2m3,0m3,0m Figura 1. Dimensiones del invernadero domstico Segn la geometra de su estructura, corresponde a invernaderos de capilla (Gass y Solomando, 2011). Presenta un techo formando por un plano inclinado. La inclinacin del plano del techo es mayor a 20 para facilitar la evacuacin del agua de lluvia. El rea del invernadero de capilla es de 9m2 y volumen 27m3. La ventilacin natural dispone de una ventana de un rea lateral del 17% (1,53m2) y cenital del 15% (1,35m2) de la superficie cultivada (Lpez, 2008). 3.2 CONSTRUCCIN DEL INVERNADERO FAMILIAR Ubicacin y orientacin. Localizacin: Jardn 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 domstico de hortalizas. (Ministerio de Vivienda y Construccin-Ayacucho). Vientos. Dada la presencia de viviendas aledaas, se encuentra vientos dominantes en la direccin oeste este con rapidez medio de 1 a 2m/s. Exigencia bioclimtica de las hortalizas domsticas. Temperatura ptima para el crecimiento vegetativo de las hortalizas: 14 a 25 C. Los niveles de temperatura que maximizan la produccin se sitan entre 16C y 20C para el perodo nocturno y entre 22C y 30C para el diurno para cualquier tipo de cultivo en general5. La humedad de las hortalizas est en el orden de 50 a 80%. Materiales. Estructura: Listones de madera de eucalipto. Cubierta: Plstico o polietileno de baja densidad, dado que es apropiado para nuestras condiciones climticas, y es de bajo costo (Alas, 2003).Figura 2. Vista frontal y lateral del invernadero familiar 4. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013Figura 3. Vista de la ventana cenital y lateral del invernadero familiarFigura 4. Vista del interior del invernadero familiar 3.3 CONTROL CLIMATICO EN EL INVERNADERO Temperatura. Para disminuir la temperatura diurna: - La ventilacin, para remover el aire caliente del interior. - Disminucin de la luminosidad en la cubierta, se logr colocando una cubierta adicional de plstico que dispona en su superficie franjas de material reflector. - Para aumentar la temperatura nocturna - Empleo de calefaccin a travs de una estufa domstica de carbn, lo que permita disminuir adems la humedad y aumentar la cantidad de CO2 en el invernaderoFigura 5. Cubierta reflectores para sombrear el interior del invernadero familiar 5. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013Humedad relativa del aire. Para lograr la humedad ptima (50 a 80%) en el invernadero familiar, fundamentalmente para controlar el exceso de humedad, se realiz: - Control de la humedad del suelo, mediante riegos por inundacin de surcos y riego por goteo. El riego por goteo se realiz a travs de botellas de plstico 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 ventilacin, abriendo la ventana cenital y lateral. - Aumento de temperatura, sobre todo en horas de la noche, a travs de la estufa de carbn y botellas o bolsas de agua que funcionan como acumulador de calor. Radiacin. 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 plstico blanco o negro. Para reducir la intensidad de la luminosidad natural - Cubierta de plstico con reflectores. Ventilacin. El control de la ventilacin pasiva en el interior del invernadero se ha realizado a travs del control manual de las ventanas lateral y cenital. 3.4 Comportamiento trmico del invernadero familiar Se evala 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 ventilacin slo a travs de las ventanas lateral y cenital que se abren a partir de las 9 am.Temperatura y humedad en el invernadero(16 de febrero) 120100Temeperatuta del invernadero Temperatura ambiente60Humedad invernaderooT ( C)-HR(%)80Humedad ambiente40200 04:4807:1209:3612:0014:2416:4819:1221:3600:00HoraFigura 6. Variacin de la Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar (16/02/2013) Luego, se registra la variacin de la temperatura y humedad del interior del invernadero, haciendo un control de la radiacin durante el da mediante el plstico reflector y durante la noche utilizando la estufa de carbn. 6. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013Temperatura y Humedad del invernadero familiar (01 de marzo) 120100T(oC)- HR(%)80 Temperatura Invernadero Temperatura Ambiente60Humedad Invernadero Humedad Ambiente40200 00:0002:2404:4807:1209:3612:0014:2416:4819:1221:3600:00HoraFigura 7. Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar con la intervencin de la cubierta de plstico con reflectores (01/03/2013)Invernadero 6a.m. 120100T(oC) - H(%)80Temperatura invernadero60Temperatura Ambiente Humedad Invernadero40Humedad Ambiente 2003/03/1301/03/1327/02/1325/02/1323/02/1321/02/1319/02/1317/02/1315/02/1313/02/1311/02/1309/02/130FechaFigura 8. Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar para las 6 am.Invernadero 12m 7060T(oC)-H(%)50Temperatura invernadero40Temperatura Ambiente Humedad Invernadero Humedad Ambiente30201003/03/1301/03/1327/02/1325/02/1323/02/1321/02/1319/02/1317/02/1315/02/1313/02/1311/02/1309/02/130FechaFigura 9. Temperatura y Humedad Relativa del aire en el interior del invernadero familiar para las 12m. 7. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013La evolucin de la temperatura y humedad del interior del invernadero en horas crticas como las 6am, 12m, 6 pm y 12 pm, nos ha permitido establecer la necesidad de control climtico, sobre todo de la temperatura. En lo referente a la humedad, esta alcanza valores ptimos debido a las permanentes lluvias, en algunos casos toma valores del orden de los 95%, lo que hace que disminuya la capacidad de transpiracin de la planta. 4.DISCUSIONTomando en cuenta que la temperatura es el parmetro ms importante en el manejo de la atmsfera de un invernadero (Caldari, 2007) y relacionando a la temperatura ptima de crecimiento y desarrollo de las hortalizas seleccionadas son de 14 a 25C (Lpez, 2008) se ha dimensionado un invernadero familiar templado y de capilla (Gass y Solomando) de volumen y rea en la relacin 3 a 1 (Alas, 2003) para facilitar la ventilacin del invernadero. De acuerdo al clima de la ciudad de Ayacucho y las condiciones atmosfricas ptimas de las hortalizas, se encuentra que no hay necesidad de acondicionar trmicamente el interior del invernadero mediante sistemas automatizados de calefaccin o ventilacin. La iluminacin del invernadero est dentro de los valores requeridos por las hortalizas (Vitorino, 2010), para das de mayor intensidad de radiacin, fue necesario utilizar sombreados en un 30 a 40% sin que la fotosntesis se vea afectada durante los das de sol pleno en verano (Martnez, 2011). La evaluacin trmica del invernadero familiar nos establece un alto valor del coeficiente global de prdidas 18W/m2oK, en referencia a valores de invernaderos industriales con una lmina de polietileno, que presenta un coeficiente global de prdidas 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 ventilacin a travs 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 mximo de 29C, 3 a 4 grados mayor que temperatura del medio ambiente, valor que supera en 4 grados a la temperatura ptima de crecimiento de las hortalizas. El control de la temperatura durante las horas del da, fundamentalmente entre las 11am a 01pm se ha logrado mediante el sombreado con una cubierta de plstico con cintas reflectoras de papel aluminio; resultado que ha permitido controlar la temperatura interna al medio da disminuyendo en un orden de 3 a 4C, alcanzndose temperaturas de 23 a 25C, superior en 1 a 2C a la del medio ambiente y prximo a las temperaturas ptimas 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 plante la necesidad de controlar el exceso de humedad sobre todo cuando llova, pues el exceso de humedad afecta la transpiracin de la hortaliza5. El aumento de la humedad est en relacin inversa a la temperatura por lo que, para controlar el exceso de humedad durante las horas de la noche (1415C) se ha dispuesto de una estufa de carbn domstico que ha permitido aumentar la temperatura en 2 a 3C en referencia al medio ambiente y ha mantenido la humedad en el orden de 80% prximo a la del medio ambiente. El control del dficit de humedad, en nuestro caso, no ha sido necesario pues la humedad mnima registrada estuvo en el orden de 50%. 5.CONCLUSIONESSe ha diseado un invernadero familiar para hortalizas, segn la temperatura mnima (13C) que se alcanza corresponde a un invernadero templado y de acuerdo a su geometra es un invernadero de capilla con estructura base de madera y cubierta polietileno de baja densidad no atemperado. El rea del invernadero es de 9m2, y tiene una relacin rea volumen de 1 a 3, dispone de dos ventanas una cenital y otra lateral correspondiendo al 32% del rea del invernadero. El invernadero incentiva la horticultura familiar y optimiza el uso del agua y las energas 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 ptima de desarrollo entre 14 y 25 C y humedad relativa de 50 a 80%, el invernadero familiar diseado ha logrado alcanzar temperaturas diurnas hasta 25C mediante el control de las cubierta con superficies reflectantes y la ventilacin a travs de las ventanas lateral y cenital. Durante las horas de la noche la temperatura mnima en estos meses de verano alcanz 14 a 15 C, valor superior a la temperatura letal de las hortalizas. El periodo de evaluacin del invernadero familiar fue los meses de febrero y marzo, quedando por evaluar durante los meses de invierno en donde la temperatura mnima local corresponde a 7, lo que obligara a usar sistemas bsicos de calefaccin y las estufas de carbn podra controlar la temperatura interior. El invernadero familiar ha sido diseado sobre el concepto de tecnologa socialmente apropiada, de bajo costo y sencillo de manejar y controlar, pero que sin embargo su eficiencia trmica es muy baja lo que permitira utilizar como cubierta el polietileno atemperado de alta densidad, lo que evidentemente aumentaran los costos. 6.REFERENCIAS BIBLIOGRFICASALAS, M. Estructura de costos, para la produccin de hortalizas en invernaderos de la cuenca del Ro Reventazn, Turrialba, Costa Rica. Tesis Magster Scientiae. Costa Rica. 2003 8. XX Simposio Peruano de Energa Solar y del Ambiente (XX- SPES), Tacna, 11 -15.11.2013ALCAZAR, J. Manual bsico Produccin de hortalizas. Universidad de la Repblica Facultad de Agronoma Departamento de Produccin 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 Qumicas Ltda. Brasil. 2007 GASS, F y SOLOMANDO, S., Estructura e instalaciones de un invernadero. Universidad Tcnica de Catalua. Tesis. Barcelona. 2011 LPEZ, A. Diseo de un sistema de control de temperatura on/off para aplicaciones en invernadero utilizando energa solar y gas natural. Tesis. PUCP. 2008 MARTINEZ, A. Medida y evaluacin de la actividad fotosinttica en un cultivo de calabacn (curcubita pepo. l. c.v canella) derivada del empleo de nuevas mallas de proteccin. Espaa Almera. 2011 RAPOSO, C. Evaluacin experimental y modelizacin del control de la pantalla trmica en invernaderos. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Agrnomos Madrid. 2004 VITORINO F., B. Cultivo de hortalizas ecolgicas en cajas organopnicas. Cusco Per. 2010