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1.- INTRODUCCIN. 1.1. LA RADIACIN EN EL INVERNADERO.

La radiacin solar es la principal fuente de energa para el crecimiento de las plantas. Se trata del factor ambiental ms importante en invernadero al determinar los principales procesos ecofisiolgicos de los cultivos: balance energtico, fotosntesis, evapotranspiracin, fotoperiodo, cambios morfogenticos, etc. Por tanto, de la radiacin solar global y sus variaciones a lo largo del ao depender en gran medida la productividad del invernadero (Von Elsner y col., 2000).

En localizaciones geogrficas por encima de 30 de latitud, la reduccin natural estacional de la radiacin solar es el factor limitante ms incontrolable en el crecimiento y desarrollo de los cultivos (Giacomelli y Ting, 1999). As, durante los ciclos de cultivo otoo-invierno la radiacin resulta claramente limitante para la produccin en los invernaderos plsticos en la cuenca mediterrnea (Castilla y Col., 1999b; Morales y col., 2000). Para cubiertas vegetales cerradas la fotosntesis no se satura para intensidades de PAR

(Radiacin Fotosintticamente Activa) por encima de 2000 molm-2s-1 (aproximadamente 1000 Wm-2 de radiacin global) (Bakker, 1995). En el exterior de un invernadero en el sur de Espaa (latitud 37N), nicamente se alcanzan estos valores en las horas centrales de das despejados cercanos al solsticio de verano, mientras que en el interior del invernadero rara vez se superan los 800 Wm-2 (Soriano, 2002b). Adems, existen numerosos estudios sobre la intercepcin de la radiacin a nivel del dosel vegetal o comunidad de plantas que demuestran que, an alcanzando el nivel de saturacin de radiacin, ste slo afecta a las hojas superiores del cultivo mientras que las de capas inferiores siguen estando por debajo del mismo (Hirose, 2005).

La intensidad de la radiacin solar que penetra en el invernadero es un importante parmetro que influye en el clima interior tanto como en la actividad fotosinttica de las plantas. La estructura del invernadero as como el material de cubierta utilizado son los responsables de la reduccin de la radiacin. Concretamente, la radiacin solar disminuye a su paso a travs de la cubierta de un invernadero debido a la absorcin y reflexin del material de cerramiento, al sombreo producido por los elementos estructurales del invernadero, a la suciedad depositada sobre ste y a la condensacin de agua sobre la superficie del material de cubierta (Von Elsner y col., 2000).

1.1.1.- Estudios sobre radiacin en invernaderos.

La transmisividad total de un invernadero se define como la fraccin de la

radiacin solar global incidente sobre el invernadero que logra alcanzar el interior del mismo (Zabeltitz, 1998). Numerosos investigadores han medido y

calculado la transmisividad a la radiacin solar en invernadero (Nisen, 1969; Bot, 1983; Critten, 1983, 1987, 1989, 1993; Jaffrin y col., 1990; Kurata y col., 1990, 1991; Bailey y Richardson, 1990; de Zwart, 1993; Miguel y col, 1994, Heuvelink y col., 1995; Stoffers, 1998; Wang y Boulard, 2000; Swinkels 2001; Soriano, 2003, 2004a).

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La mayor parte de los estudios y de los modelos de clculo de la radiacin en invernaderos desarrollados en las ltimas dos dcadas consideran de forma separada los efectos sobre la transmisividad debidos a causas fsicas (tipo y caractersticas del material de cubierta), de los debidos a la geometra de la cubierta, as como de los causados por la presencia de elementos estructurales opacos. Adems, existen numerosos estudios en los ltimos aos sobre el efecto que la condensacin de agua sobre ambas caras de la cubierta ejerce sobre sobre la transmisividad a la radiacin (Pieters y col., 1992, 1995, 1997; Pieters y deltour, 1997; Pollet y col., 2000; Pollet y Pieters, 2003; Gbiorczyk y col., 2004) o los debidos a la acumulacin de polvo y suciedad sobre la misma (Jafrin y Urban, 1990; Geoola y cols, 1994, 2004).

Los estudios sobre las caractersticas mecnicas y radiativas de los materiales de cubierta, especialmente plsticos, son asimismo muy numerosos. (Pearson y col., 1995; Briassoulis y col., 1997; Kittas y Baille, 1998; Kittas y col, , 1999; Papadakis y col., 2000; Montero y col., 2001; Briassoulis y Schettini, 2003; Briassoulis y col., 2004).

1.1.2.- Estudios sobre geometra de la cubierta y orientacin.

Bot (1983) desarroll un modelo para el clculo de la transmisividad en un

invernadero de n-capillas tipo Venlo, y observ que sta es mayor en invierno con la orientacin este-oeste que con la norte-sur. El modelo incluye un estudio detallado sobre las prdidas de transmisividad causadas por elementos estructurales (barras, canales de desage, etc), teniendo en consideracin la posible superposicin de sombras en su movimiento dentro de la superficie del invernadero.

Critten (1983 y 1985) realiz detallados anlisis fsico-matemticos del comportamiento de la radiacin solar en el invernadero y trat de generalizar un mtodo para el clculo de la transmisividad en invernaderos de vidrio tipo multicapilla del centro y norte de Europa. Las validaciones experimentales se realizaron en muchos de los casos sobre maquetas a escala.

Critten (1987) estudi el efecto de la pared sur y del frontal o hastial sobre la transmisividad global en invernaderos unicapilla. Lleg a la conclusin de que este efecto desaparece a una distancia superior a diez veces la anchura de la capilla en el caso del frontal-hastial, y de ocho veces en el caso de la pared sur.

El primer estudio sobre transmisividad de cubiertas curvas data de este perodo (Critten, 1987b). En l se concluye que una buena aproximacin al estudio de la transmisividad de este tipo de cubiertas se logra suponiendo la cubierta curva formada por secciones rectas de tamao muy pequeo.

Kozai (citado por Kurata, 1990), seal que las pendientes de cubierta elevadas reducan la transmisividad. Critten (1993) indic que el estudio de Kozai no tena en cuenta las reflexiones en la cara interna del material de cubierta. Demostr que incluyendo en el clculo las reflexiones de hasta tercer orden, el incremento en la inclinacin de la cubierta sur produca una mejora de la transmisividad, al menos en el intervalo estudiado (0-50).

Kurata y col. (1991) estudiaron la transmisividad de tneles plsticos unicapilla. Para ello realizaron una simplificacin que consiste en suponer la superficie curva formada por un poliedro de 6 caras.

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Wang y Boulard (2000) tambin estudiaron la transmisividad de tneles plsticos unicapilla. En este caso, validaron un modelo de clculo que tiene en cuenta nicamente las reflexiones de primer orden, y adems supone la superficie curva que define el arco compuesta por secciones rectas de tamao muy pequeo, aunque finitas. El modelo tiene en cuenta la localizacin de las ventanas.

Estos autores sealaron la existencia de zonas de baja radiacin junto a los frontales y de una considerable heterogeneidad de la radiacin a lo largo de la seccin transversal del tnel. El estudio incluy tambin una cuantificacin del efecto de las diferentes orientaciones del tnel sobre la transmisividad.

Lorenzo (1994) realiz un estudio comparativo del comportamiento radiativo de un invernadero tipo parral de techo plano y de otro con cubierta a dos aguas asimtrica (8sur-18norte). Concluy que el modelo asimtrico mejoraba la transmisividad global a la radiacin y reduca la heterogeneidad espacial de la misma.

Papadakis y col. (1998) llevaron a cabo un estudio de la transmisividad de un invernadero unicapilla utilizando modelos a escala. El estudio resalt la influencia de las paredes este y oeste en un invernadero con la misma orientacin. El estudio revel tambin la existencia de zonas de baja radiacin junto a los frontales para ngulos de incidencia elevados. Adems, muestraron como la orientacin este-oeste supona una mejora en el valor global de transmisividad en poca invernal frente a la orientacin norte-sur.

Soriano y col. (2004) estudiaron para una latitud de 37N varias combinaciones de pendiente de cubierta, usando para ello modelos a escala y de simulacin numrica. El estudio concluy que el incremento en la inclinacin de la cubierta mejora la transmisividad del invernadero. Adems, indicaron que los modelos asimtricos no mejoran sustancialmente la transmisividad con respecto a los simtricos de alta pendiente. 1.1.3.- Heterogeneidad espacial y temporal de la radiacin.

Altas pendientes en la cubierta junto con orientaciones este-oeste del invernadero reducen la uniformidad espacial de la radiacin. La reduccin de la uniformidad de la radiacin dentro del invernadero, que se traduce en diferencias radiativas a lo largo de la seccin transversal de cada capilla mdulo, y entre mdulos, ha sido descrita por varios autores (Li y col., 1998; Papadakis y col., 1998; Wang y Boulard, 2000).

Dentro de los invernaderos, debido a la presencia de elementos estructurales que generan sombras (canal de recogida de agua, cumbrera, etc.) y a los distintos ngulos de incidencia de los rayos solares en los distintos planos o puntos de la cubierta, se produce una gran variabilidad espacial en la distribucin de la radiacin (Kittas y col., 1999).

Jaffrin y Urban (1990), observaron que el movimiento de las sombras producidas por los elementos estructurales sobre la superficie del dosel vegetal tiende a afectar a un rea restringida del mismo, produciendo gran variabilidad en las medidas de radiacin realizadas en distintas zonas del invernadero cuando stas se realizan sobre una base diaria, incluso sobre una base semanal, tendiendo a uniformizarse nicamente cuando se promedian perodos de medida superiores a un mes.

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Graham y col. (1995) realizaron un estudio sobre la variabilidad espacial y temporal de la radiacin dentro de un invernadero. Llegaron a la conclusin de que la variabilidad obtenida en las medidas realizadas mediante una red de sensores disminua al promediar perodos temporales superiores a 10 horas, y tambin lo haca al modificar la ubicacin de los sensores de forma ritmica durante el perodo diurno.

Guertal y Elkins (1996) estudian la variacin espacial de la radiacin PAR dentro de un invernadero de investigacin y describen gradientes y variaciones importantes en cualquier direccin del espacio.

Esta heterogeneidad de la radiacin a lo largo de la seccin transversal de un invernadero de cubierta curva de tipo multitnel orientado este-oeste tambin han sido demostrada por Soriano y col. (2004b).

Tambin ha sido descrito que la transmisividad es mayor en invernaderos unicapilla que en los multicapilla de idntica geometra de cubierta, fundamentalmente cuando la elevacin solar es baja (Giacomelli y Ting, 1999; Soriano y col., 2002). Las causas de este diferente comportamiento y falta de uniformidad se deben principalmente al sombreo producido por los mdulos adyacentes y situados ms al sur en el caso de invernaderos multicaplla orientados este-oeste. En un invernadero unicapilla una parte de las sombras generadas son lanzadas fuera del mismo, como es el caso de las ventanas cenitales. 1.2.- OPTIMIZACIN DE LA RADIACIN EN INVERNADERO.

1.2.1.- Mejora a travs de la geometra de la cubierta y la orientacin del invernadero.

Los estudios sobre orientacin ptima de los invernaderos datan de fechas

bastantes tempranas. As, Nisen (1969) citado por Von Elsner y col. (2000), al analizar la transmisividad de varios tipos de invernaderos bajo diferentes orientaciones (N-S y E-O) en Diciembre y Junio, concluy que la transmisividad aumenta al incrementar la inclinacin de la cubierta en construcciones a dos aguas, y que la transmisividad es mayor para la orientacin este-oeste en el invierno y menor en el verano que la norte-sur.

Edwards (1963) citado por Critten (1993), midi mayores transmisividades en invernaderos unicapilla orientados este-oeste (55-68%) frente a orientaciones norte-sur en la etapa invernal (48%) en el sur de Inglaterra. Estos resultados son confirmados por otras investigaciones posteriores, y ms recientes, llevadas a cabo en otras localizaciones geogrficas (Jaffrin y Urban, 1990; Kurata, 1990; Papadakis y col., 1998; Giacomelli y Ting, 1999; Soriano, 2002b).

Critten (1985) desarroll un modelo de clculo de transmisividad para invernaderos de vidrio multicapilla que le permiti optimizar la inclinacin de la cubierta, y propuso, una estructura de invernadero orientado este-oeste para latitudes altas - 50N o ms - con una geometra de cubierta de tipo diente de sierra: La cara vertical se orientaba al sur y mejoraba el ngulo de incidencia de la radiacin solar entorno al solsticio invernal, y la cara norte tena una

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inclinacin de 20 y las reflexiones eran aprovechadas ya que se dirigan hacia el suelo del invernadero.

Critten (1987a), propuso tambin un diseo alternativo a los invernaderos unicapilla de vidrio construidos en Inglaterra. En este caso la cubierta estaba dividida en 4 tramos con diferente inclinacin, a modo de triforio (2 tramos al sur, 2 tramos al norte). Mediante el uso de modelos de simulacin numrica optimiz la dimensin y la inclinacin de estos tramos, y calcul que esta geometra de cubierta produca una mejora en la transmisividad total a la radiacin del invernadero de un 4% frente al techo simtrico de 26 tradicional. Esto es debido fundamentalmente al mejor ngulo de incidencia de la radiacin en los meses invernales, y a un mejor aprovechamiento de las reflexiones internas de primer orden.

Kurata (1991), desarroll un modelo de clculo para optimizar la pendiente media de tneles plsticos. Consider la superficie curva como una secuencia de 6 a 8 tramos rectos ms cortos. La validacin experimental nicamente inclua medidas de temperatura ya que los sensores de radiacin quedaron inutilizados por la condensacin generada en estos tneles.

En invernaderos plsticos Bailey y Richardson (1990) mostraron que la transmisin del material de cubierta aumenta con el ngulo de inclinacin de la misma, pero para inclinaciones mayores de 30 los beneficios se contrarrestan con las prdidas debido a que el espaciado entre cerchas se reduce y aumenta la carga estructural.

Castilla y Lpez-Glvez (1994) propusieron un diseo asimtrico alternativo, donde el tramo ms largo de la cubierta se orientaba al sur y el eje del invernadero en direccin este-oeste. La validacin experimental a escala real muestr un incremento entre el 4-8% en la transmisividad durante los meses invernales al comparar un prototipo de con 18 al Sur y 8 al Norte de inclinacin de cubierta frente a uno plano convencional.

Quesada y col.(1998) y Castilla y col.(2001) mostraron el inters de aumentar considerablemente la inclinacin de la cubierta al cuantificar incrementos de produccin superiores al 20% empleando un invernadero con un ngulo de 45 al sur y 27 al norte (asimtrico), frente a uno de 11 al sur y 24 al norte (Orientacin este-oeste, latitud 37N).

Otros diseos han intentado reducir la heterogeneidad espacial de la radiacin a los largo de la seccin tranversal de la capilla con la incorporacin de reflectores en la cara norte de la cubiertas (Bellamy y Ward, 1985), o bien, modificando la pendiente de parte de la cubierta sur de los mdulos o capillas (Li y col., 1998). La reflexiones as producidas son recapturadas mejorando la eficiencia del invernadero como colector solar.

Swinkels y col. (2001) propusieron un modelo de invernadero tipo Venlo, con 26 de pendiente y orientado este-oeste, donde se sustituyen los paneles de vidrio tradicionales por una doble cubierta con una geometra en zig-zag. Mediante un modelo de clculo predijeron ganancias en transmisividad a la radiacin solar directa. La validacin experimental muestr una mejora de un 5% en este parmetro para una orientacin Norte-Sur.

Dado lo limitante de la radiacin, una lnea de trabajo tambin ha sido la utilizacin de invernaderos con techos retrctiles que permitan la entrada de toda la radiacin en periodos climticos favorables (Roberts y col., 2001).

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Evaluaciones recientes del efecto difusor de la luz en los filmes plsticos utilizados como cubierta en invernaderos muestran aumentos considerables del cociente radiacin difusa/radiacin directa al atravesar la luz este tipo de materiales (Baille y col., 2001). Este efecto contribuira a reducir la heterogeneidad espacial de la radiacin dentro del inverndero.