Comparación de Estrategias de Ventilación Natural Inducida por el Viento en Polígonos de Invernaderos R. Suay 1, G. Gomez-Mataix 1, V.Raya 2 y J.I. Montero 3 1 Centro de Agroingenieria, Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias, Apdo. Oficial, 46113 - Moncada, Valencia, Spain. Suay_ric@gva.es 2 Dpt. Ornamentales y Horticultura. ICIA. Gran Canaria, Spain 3 Ingenieria y Agronomia de Biosistemas, IRTA, Cabrils, Spain Resumen La creciente demanda de productos de mayor calidad, en particular respetuosos con el medio ambiente, clama por la reestructuración del sector hortícola en invernadero. En la actualidad, el concepto de "clustering" fomenta los objetivos de sostenibilidad cuando se consideran diferentes industrias en el formato de un polígono agrícolaindustrial, es decir un Agroparque. En este contexto, es de vital importancia la mejora de la ventilación natural del polígono de invernaderos, ya que la ventilación inducida por el viento se ve afectada por invernaderos o edificios cercanos. El objetivo de este trabajo fue comparar estrategias de ventilación inducida por el viento en un polígono de invernaderos. Comparamos la eficacia de ventilación de las configuraciones de ventilación básicas: a barlovento, a sotavento y lateral, tanto individuales como combinadas. La configuración básica del polígono fue de 4 invernaderos consecutivos. El invernadero básico era de 80 m x 6 m (diez naves de 8 m de ancho y 6 m de alto) y la distancia de separación entre invernaderos fue 6 m (equivalente a la altura del invernadero). La ventilación se obtuvo por medio de ventanas cenitales dobles, así como de ventanas laterales. Las ventanas admitían dos posiciones: abierta y cerrada. El estudio comparativo se realizó por medio de simulaciones de dinámica de fluidos computacional que se llevaron a cabo con un código de análisis de uso general (Ansys Fluent). Se hicieron simulaciones RANS puesto que para comparar es suficiente con conocer el flujo promediado. El perfil de viento de entrada fue logarítmico con 6 m/s de velocidad de aire a 2 m de altura, que representa un flujo atmosférico turbulento. La eficacia de la ventilación inducida por el viento se determinó como el promedio de las velocidades de aire en el interior de cada invernadero. Los resultados mostraron que el primer invernadero del lado de barlovento siempre es el mejor ventilado independientemente de la configuración de ventilación. Los resultados también mostraron que la combinación de ventanas laterales y cenitales fue siempre la mejor opción, independientemente de qué ventanas cenitales se abrieran (barlovento o sotavento). La ventilación lateral individual se comportó mejor que las cenitales de barlovento y sotavento consideradas también individualmente. Palabras clave: agroparque, benchmark, dinámica de fluidos computacional (CFD), barlovento, sotavento. Abstract Benchmark on Wind Driven Ventilation Strategies in a Cluster of Greenhouses The increasing demand for higher quality products, in particular of environmentally friendly quality, claims for restructuring the greenhouse horticulture production sector. At present, the concept of clustering fosters sustainability goals when considering different industries in the format of an agricultural-industrial estate: an Agropark. In this context it is of key importance the improvement of overall Agropark greenhouse natural ventilation, but only wind driven ventilation is affected by nearby greenhouses or buildings. The aim of this study was to comparing wind driven ventilation strategies in a cluster of greenhouses. The efficacy of basic ventilation configurations has been compared: windward, leeward, and side ventilations alone as well as their combinations. The basic Agropark configuration was 4 greenhouses in a row. The basic greenhouse was a multispan of 80 m long (ten spans of 8 m) and 6 m high and the separation distance between greenhouses was 6 m (equivalent to the greenhouse height). Wind driven ventilation was operated by means of double ridge and side vents. The vents were full open or closed. The study was done by means of Computational Fluid Dynamics simulations that were carried out with a general purpose analysis code (ANSYS Fluent). For comparison
purposes just the mean physics involved in the ventilation process are needed, so that a RANS approach was considered. The inlet wind profile was logarithmic with 6 m/s air velocity at 2 m height which represented an atmospheric turbulent flow. The efficacy of wind driven ventilation was determined by the mean air velocities inside each greenhouse. Results showed that first or wind side greenhouse was always the best ventilated one. The results also showed that the combination of ridge vents with side vents gave better results regardless windward or leeward ridge vents were opened. Side ventilation alone performed better than windward and leeward ridge ventilation alone as well. Keywords: agropark, Computational fluid dynamics (CFD), leeward ventilation, windward ventilation. Introducción La creciente demanda de productos de mayor calidad, en particular respetuosos con el medio ambiente, y las diversas normas y estándares actuales (de ámbito europeo hasta local) que definen el sector agrícola requieren de una reestructuración del sector de la horticultura de invernadero. En los últimos años se han llevado a cabo numerosos proyectos para tratar de identificar y resolver los problemas medioambientales. El Análisis del Ciclo de Vida (ACV) ha sido la herramienta básica para identificar los puntos críticos de la cadena de producción, ayudando así a implementar políticas sostenibles. Hoy en día, importado de la ecología industrial, el concepto de "clustering" (Ayres, 2002) ha comenzado a ser considerado en la agricultura. Se puede definir como la concentración geográfica de empresas y organizaciones que se interrelacionan y tienen objetivos comunes. En agricultura, este tipo de sitios se conoce como agroparques y, en este caso, polígonos de invernaderos (Montero et al., 2012). Este enfoque es ciertamente aplicable y de gran interés para España. De hecho, debido al aumento de la competencia, las infraestructuras para el cultivo protegido, es decir los invernaderos, se encuentran en proceso de renovación y transformación. En este contexto, es de suma importancia la mejora de la ventilación natural de los invernaderos en el agroparque. En particular, en este estudio nos fijamos en la ventilación inducida por el viento, ya que es el tipo de ventilación esencialmente afectado por los edificios y los invernaderos vecinos en un polígono de invernaderos. La imposibilidad actual de llevar a cabo ensayos experimentales reales debido a la inexistencia de agroparques, en el sentido de parques diseñados y planificados, y no meras concentraciones de invernaderos adaptados a la forma de las antiguas parcelas y lindes, nos llevó a considerar un enfoque basado en el modelado y simulación de ventilación mediante dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés). En este estudio, que es exploratorio y comparativo, la CFD se revela como una herramienta muy adecuada, ya que nos ha permitido cubrir un caso teórico que no existe en la realidad. El principal problema de este enfoque es la validación. Este problema se ha superado en parte con el uso de la misma modelización, condiciones de contorno y ajustes del simulador para todos los casos simulados. Sólo cambió la configuración de ventanas para la ventilación. Hasta ahora, la modelización y la simulación de la ventilación inducida por el viento se ha centrado en invernaderos individuales: todo tipo de invernadero (túnel, monocapilla, multicapilla), todo tipo de configuración de la ventilación (lateral, barlovento, sotavento, doble cenital), y sus combinaciones; y ya sea aislado o rodeado de otros edificios, cortavientos, etc. Por lo general, la dirección del viento ha sido considerada perpendicular a las ventanas, lo que ha permitido simulaciones 2D. Más recientemente, se han considerado simulaciones 3D con diferentes direcciones del viento. A veces, se han considerado otros parámetros como la presencia del cultivo o las mallas anti-insectos que han sido modelizados como un medio y un salto porosos, respectivamente. Se han publicado muchos trabajos en este tema. Como es imposible citarlos a todos, para tener una idea general de todo lo que se ha hecho hasta ahora, el lector puede referirse a los trabajos de revisión de Reichrath y Davies (2002), y Bournet y Boulard (2010). En cuanto a la configuración del modelo CFD, se han realizado algunos estudios comparativos relativos a los modelos de turbulencia. No hay acuerdo ni compromiso en cuanto al modelo de turbulencia más adecuado para simular la ventilación impulsada por el viento de los invernaderos,
pero al final se ha generalizado el uso del modelo k-épsilon (o sus variantes). Esto se ha debido probablemente a la estabilidad del cálculo y la convergencia (Suay et al., 2011). El objetivo de este estudio fue comparar estrategias de ventilación inducida por el viento en un polígono de invernaderos teórico. Las estrategias de ventilación estudiadas fueron la ventilación cenital a barlovento y a sotavento, y la ventilación lateral individualmente, así como sus combinaciones. Material y Métodos El Agroparque teórico considerado se compone de 4 invernaderos similares en línea. La variable de configuración del Agroparque fue la configuración de las ventanas, que daba lugar a las distintas estrategias de ventilación comparadas. Los cuatro invernaderos del polígono tenían la misma configuración de ventilación y estaban separados entre sí por la misma distancia. La Figura 1 muestra la forma básica del invernadero y sus dimensiones. Cada invernadero estaba compuesto por 10 vanos (naves) de 8 m, es decir tenía una longitud de 80 m, y 6 m de altura. Se realizaron simulaciones 2D porque se pudo ignorar los efectos 3D del flujo, ya que los invernaderos eran lo suficientemente anchos y el perfil de viento incidente era perpendicular a las ventanas. La ventilación se realizó por medio de ventanas cenitales dobles (o de mariposa) y ventanas laterales, por tanto se consideraron las configuraciones de ventilación: cenital a barlovento y a sotavento, y lateral de forma individual; y las combinaciones de lateral con barlovento y con sotavento. Las ventanas admitían dos posiciones: cerradas o abiertas 100%. La distancia de separación entre invernaderos estaba referenciada a la altura del invernadero (H = 6 m). Figura 1. Dimensiones básicas del invernadero (distancias en m). Las simulaciones se realizaron con un software de simulación de dinámica de fluidos de propósito general, ANSYS Fluent (ANSYS Inc., Canonsburg, PA, EE.UU.). La malla realizada era no estructurada y estaba compuesta de triángulos (2D). El dominio de simulación (Figura 2) era lo suficientemente grande como para que los límites no afectaran los resultados. Así, siguiendo las directrices de Franke et al. (2007) la extensión del dominio en el eje longitudinal fue de 5H delante del primer invernadero (flujo de aproximación), y de más de 15H detrás del último invernadero; la altura de dominio fue de 6H (la altura del invernadero más 5H). Se consideró un enfoque RANS porque, con fines de diseño y comparación, solo se necesita el efecto promedio del flujo, y no su dinámica. Se empleó el modelo de turbulencia k-épsilon estándar. Se utilizó también un perfil de viento logarítmico (6 m/s a 2 m de altura) como condición de velocidad de entrada al dominio, así como una condición de flujo de salida (outflow) para el extremo de sotavento, y finalmente una condición de simetría en la parte superior del dominio. La velocidad del viento considerada aseguraba que los efectos de flotabilidad eran mínimos y por lo tanto la ecuación de la energía no se activó, se simularon así condiciones isotérmicas. Todas las partes sólidas del modelo (suelo y paredes del invernaderos) se consideraron paredes con la condición de no deslizamiento y con la longitud de rugosidad predeterminada. La estabilidad del cálculo y el proceso de convergencia se controlaron a través de los residuales y, también, de la evolución de la velocidad en algunos puntos críticos del dominio. Las diferentes simulaciones se consideraron convergidas cuando los residuales y las velocidades en puntos críticos permanecieron bajos y constantes.
Figura 2. Dimensiones básicas del dominio de computación (distancias en m). La eficacia de la ventilación se evaluó en términos de la velocidad media del aire dentro de cada invernadero. Consideramos otros parámetros para evaluar la eficacia de la ventilación, pero una veces por no ser posible la comparación entre casos (por ejemplo, el flujo de masa en el caso de ventilación doble cenital presentaba líneas de flujo cortocircuitadas que en realidad no ventilaban), y otras veces porque daban los mismos resultados relativos, se eligió la velocidad media del aire en el interior del invernadero por ser el parámetro más fácil de calcular y de entender. Por lo tanto, se simuló un caso para cada estrategia o configuración de ventilación (5 casos), calculamos la velocidad media del aire en el interior de cada uno de los invernaderos (1 al 4) de cada caso, y representamos estos valores en la Figura 3. Resultados y Discusión Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 3. Puesto que se trata de un estudio comparativo, y además con simulaciones de un caso teórico del que no hay datos para validar, el primer paso fue comprobar su validez, en este caso consistencia, de los resultados. En este sentido, se puede señalar que el primer invernadero, el que se enfrenta al flujo de aproximación a barlovento, fue siempre el mejor ventilado como cabía esperar. Es decir, presentó el mayor valor de velocidad media del aire en su interior, independientemente de la configuración de ventilación utilizada. Igualmente para el primer invernadero, la ventilación a barlovento da mejores resultados. También, como cabía esperar, la eficacia de ventilación descendió hacia sotavento, eso sí tendiendo a un valor asintótico a partir del cual ya no importa cuántos invernaderos en fila existan. Figura 3. Velocidad media del aire (m/s) en cada invernadero consecutivo (Inv 1, Inv 2, Inv 3 e Inv 4) del agroparque, y para cada estrategia de ventilación estudiada: Barlovento, Sotavento y Lateral individualmente; y las combinaciones de Barlovento y Sotavento con Lateral.
En el caso de las estrategias de ventilación consideradas individualmente, se observó que la ventilación lateral es la mejor o más eficaz, seguido por la ventilación a barlovento (en particular para el primer invernadero) y finalmente la ventilación a sotavento. Si bien, las diferencias entre estrategias se van haciendo más pequeñas a medida que avanzamos hacia los invernaderos de sotavento. También es interesante señalar que la estrategia de ventilación a barlovento es la que más penaliza al segundo invernadero. Cuando actúan en combinación (lateral-barlovento y lateral-sotavento) la diferencia entre ambas estrategias de ventilación es mínima y siguen el mismo patrón, es decir el primer invernadero de barlovento es el que mejor ventila (alrededor de el doble mejor en términos de velocidad media del aire en el interior del invernadero). La diferencia de eficacia de ventilación entre estrategias individuales y combinadas es de algo más del doble a favor de las combinadas. Y hasta los invernaderos más a sotavento gozan de una mayor eficacia de ventilación combinada que la mejor ventilación individual. Por ello, será conveniente utilizar ventanas laterales en combinación con las cenitales. En definitiva, excepto para el primer invernadero de barlovento, la estrategia de ventilación a sotavento resulta en una eficacia de ventilación similar a la de barlovento, tanto individualmente como en combinación con ventanas laterales. Es importante señalar que estos resultados son válidos para el caso del polígono de invernaderos teórico estudiado, es decir que el viento incidente es perpendicular a las ventanas y la distancia de separación entre invernaderos es equivalente a la altura H de los mismos. Así, por ejemplo, Gómez- Mataix et al. (2013) mostraron que la eficacia de la ventilación en polígonos de invernaderos depende en gran medida de la separación entre invernaderos. Conclusiones Este trabajo muestra un estudio comparativo de las posibles estrategias de ventilación inducida por el viento en un polígono de invernaderos teórico o agroparque, que se define como la concentración geográfica, organizada y planificada, de invernaderos y los servicios relacionados (proveedores, logística, eliminación de residuos, etc.). Las estrategias de ventilación estudiadas fueron la ventilación lateral, la cenital a barlovento y la cenital a sotavento, así como sus posibles combinaciones, es decir lateral con barlovento y lateral con sotavento. El estudio comparativo se realizó por modelización y simulación con la herramienta de dinámica de fluidos computacional ANSYS Fluent, y sólo se consideró el caso general de cuatro invernaderos (80 x 6 m 2 ) en fila separados la distancia equivalente a su altura (H = 6 m). Los ajustes y configuración del programa de simulación fueron siempre los mismos a efectos de comparación. A falta de datos reales con los que validar los resultados del estudio, se atendió a la consistencia de los resultados. La estrategia de ventilación individual más eficaz para el polígono de invernaderos estudiado fue la ventilación lateral. Las otras dos estrategias de ventilación (barlovento y sotavento) ofrecieron resultados similares a partir del segundo invernadero. La ventilación a barlovento sólo benefició notablemente al primer invernadero (el de barlovento), a cambio de perjudicar un poco más al segundo que es el que tuvo el peor resultado de eficacia de la ventilación. Las estrategias de ventilación combinadas (lateral con barlovento y lateral con sotavento) dieron como resultado una mayor eficacia de ventilación que las estrategias individuales en todos los casos. La diferencia entre ambas estrategias fue mínima, incluso para el primer invernadero, que también sale notablemente beneficiado en ambos casos, con eficacias de ventilación que doblan las del segundo invernadero. Por último, es importante hacer hincapié en que este fue un estudio comparativo donde sólo se ha considerado una configuración de polígono de invernaderos. Además, no se ha tenido en cuenta la
presencia de cultivos (aunque podría considerarse que están alineados con el flujo) ni la presencia de mallas anti-insectos en las ventanas. Agradecimientos Los autores agradecen al Instituto Nacional de Investiación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA) la financiación de este trabajo (Contrato de Investigación RTA2008-0109-C03). Bibliografía Ayres, R.U. (2002). On industrial ecosystems. 44-59. In: R.U. Ayres and L.W. Ayres (eds.) A Handbook of Industrial Ecology, edited by Cheltenham: Edward Elgar Publishing Limited. Bournet, P.E. and Boulard, T. (2010). Effect of ventilator configuration on the distributed climate of greenhouses: A review of experimental and CFD studies. Computers and Electronics in Agriculture 74, 195-217. Franke, J., Hellsten, A., Schlünzen, H. and Carissimo, B., eds., 2007. Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment, Brussels: COST office. http://www.mi.unihamburg.de/officialdocuments.5849.0.html Gomez-Mataix, G., Montero, J.I., Raya, V. and Suay, R. (2013) Benchmark study of the distance between greenhouses and its effect on wind driven ventilation. Acta Hort (ISHS) In press. Montero, J.I., Claret, A., Antón, A. and Torrellas, M. (2012). Advantages of Clustering. European Comission. FP7-KBBE-2007-1 Project EUPHOROS (Reducing the need for external inputs in high value protected horicultural and ornamental crops). http://www.euphoros.wur.nl/uk Reichrath, S. and Davies, T.W. (2002). Using CFD to model the internal climate of greenhouses: past, present and future. Agronomie 22, 3-19. Suay, R., Granell, R., Marulanda, A. and Molto, E. (2011). CFD modelling and validation of the air temperature in empty greenhouses. Acta Hort. (ISHS) 893, 555-562.