Analysis of night-time climate in plastic-covered grenhouses

Abstract

Este trabajo analiza el clima nocturno del invernadero. EL objeto del estudio es el invernadero de plástico sin calefacción, cuyo clima se estudia utilizando modelos CFD, modelos basados en los balance de energía (ES) y s datos experimentales. El fin es doble, por un lado se trata de analizar y comprender el clima nocturno del invernadero, y proponer soluciones a los problemas relacionados con las altas tasas de humedad. Por otro lado se investigan nuevos métodos de simulación del clima del invernadero, métodos basados en el uso conjunto o acoplamiento de modelos CFD y ES , y también basados en la técnica de optimización. El Capitulo 1 introduce el contexto general y los objetivos que plantea el trabajo. El Capitulo 2 estudia el clima nocturno en un invernadero de capa sencilla. Para ello desarrolla un modelo CFD que incluye una UDF (User Define Function) para calcular la tasa de condensación. Una vez validado el modelo se analiza el comportamiento del invernadero bajo distintas condiciones de contorno.. El Capitulo 3 analiza una solución para combatir las bajas temperaturas nocturnas, la pantalla térmica. Los efectos de la pantalla se analizan mediante el uso del CFD. Se lleva a cabo una comparación completa entre el invernadero de capa sencilla y el invernadero con pantalla. El capitulo proporciona información detallada sobre el clima del invernadero y presenta un estudio paramétrico del efecto de la temperatura equivalente del cielo y la cesión de calor desde el suelo en el clima del invernadero con pantalla térmica. EL Capitulo 4 presenta un nuevo método para optimizar el diseño del invernadero. El método se basa en el acoplamiento de dos algoritmos de optimización que operan con el modelo ES. A su vez el modelo ES está conectado con el modelo CFD. El objetivo es doble, por un lado introducir una nueva manera de optimizar el diseño del invernadero, y por el otro lado tratar de resolver uno de los problemas evidenciados en el capítulo 2. El resultado muestra que un material de cubierta de alto poder de reflexión del infrarrojo lejano aportaría mejorías relevantes al clima del invernadero. El Capitulo 5 presenta un modelo acoplado para el estudio del clima del invernadero. EL CFD se utiliza para proporcionar las tasas de ventilación y los coeficientes convectivos al modelo ES. Esta técnica se utiliza para estudiar los efectos de diferentes estrategias de ventilación sobre el régimen de humedad con diferentes condiciones externas. Finalmente, el Capitulo 6 resume las conclusiones y propone algunos temas para futuras investigaciones

This work studied night-time greenhouse climate. The focus was on unheated plastic greenhouses and analyses were carried out using CFD models, Energy balance (ES) models and experimental data. The aims were twofold: on the one hand, it was intended to analyse and understand night-time greenhouse climate and propose solutions to the high-humidity issue. On the other hand, the aim was to investigate novel simulation approaches based on the coupling of CFD and ES models as well as the use of optimisation algorithms to study greenhouse climate. Chapter 1 is an introductory chapter which includes the general context and overall research objectives. Chapter 2 studies night-time climate in single-layer greenhouses by means of CFD. The model is validated and condensation User Defined Function (UDF) is introduced which accounted for the condensation rate found on the inner face of the greenhouse cover. Chapter 3 studies a commonly used solution to the issue of low night-time temperature. A thermal screen was analysed by means of CFD simulations. A thorough comparison was made between single-layer and screened greenhouses and detailed information was provided in order to build a framework for taking decisions as to whether to use a screen or not. Chapter 4 introduces a novel approach to optimizing greenhouse design; the approach relies on two optimization algorithms linked to an ES model which was coupled to a CFD model. The aim of the study was twofold: on the one hand to introduce a method offering a general approach for optimizing greenhouse design and on the other, to attempt to solve one of the issues highlighted in Chapter 2. It was shown that using a highly reflective covering material would have a theoretically significant impact on greenhouse performance. Chapter 5 introduces a coupled model for studying greenhouse climate. The CFD was used to provide the ventilation rate and convective coefficients for the ES model. This approach was applied to study the effects of different ventilation strategies on humidity under different outside air conditions. Finally Chapter 6 summarizes the conclusions and proposes themes for future research.