Mapeamento meteorológico de diferentes graus tecnológicos em casas de vegetação

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Agrícola

THAIS QUEIROZ ZORZETO

MAPEAMENTO METEOROLÓGICO DE DIFERENTES GRAUS TECNOLÓGICOS EM CASAS DE VEGETAÇÃO

CAMPINAS 2015

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THAIS QUEIROZ ZORZETO

MAPEAMENTO METEOROLÓGICO DE DIFERENTES GRAUS TECNOLÓGICOS EM CASAS DE VEGETAÇÃO

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Agrícola, da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Doutora em Engenharia Agrícola, na área de Construções Rurais e Ambiência.

Orientador: Prof. Dr. PAULO ADEMAR MARTINS LEAL

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA THAIS QUEIROZ ZORZETO E ORIENTADA PELO PROF. DR. PAULO ADEMAR MARTINS LEAL.

CAMPINAS 2015

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DEDICATÓRIA

Ao meu marido, Michel Henrique de Oliveira Cesar, e à minha família, pelo apoio e pela confiança incondicionais.

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AGRADECIMENTOS

A Deus, pela vida.

Ao Prof. Dr. Paulo Ademar Martins Leal, pelo pronto aceite, a sutil compreensão, a sempre atenciosa orientação e todo o auxílio durante os quatro anos de Pós-Graduação.

À FEAGRI/UNICAMP, pela oportunidade de participar do Programa de Pós-Graduação.

À FAPESP, pela concessão do auxílio financeiro ao projeto (Processo nº 2013/11953-9).

À CAPES, pela concessão de bolsa de estudos na Pós-Graduação.

À Secretaria de Pós-Graduação, Ritinha e Cláudio, Marta e Sydney, pela atenção e a dedicação.

Ao Dr. Luis Felipe Villani Purquerio, pela atenção e o brainstorming para definição do projeto.

Aos membros da banca, Prof. Dr. Marcos Vinícius Folegatti (ESALQ/USP), Prof. Dr. Omar Carvalho Branquinho (PUC/Campinas), Profa. Dra. Maria Angela Fagnani (FEAGRI/UNICAMP) e Prof. Dr. Angel Pontin Garcia (FEAGRI/UNICAMP), pela leitura do trabalho, a participação e as valiosas sugestões de melhoria.

Aos colegas de trabalho Omar C. Branquinho, André Peternela, Alberto Imamura, Oldeny C. Santos, Victor S. Coutinho, Eduardo F. Nunes e Haroldo F. Araújo, pelo auxílio durante o experimento.

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EPÍGRAFE

"O que eu ainda não sei revigora as possibilidades dos degraus futuros de conhecimento, à medida que alarga as minhas fronteiras de saber e indica um horizonte que pode ser vislumbrado e desejado. Saber que não sabe muita coisa, saber que desconhece muita

coisa ajuda a querer buscar esse conhecimento. E esse é um caminho que não termina, segue adiante na sua história, na sua formação, na sua educação permanente." (Mario Sergio Cortella, do livro Pensar bem nos faz bem!)

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RESUMO

Conhecer o comportamento da temperatura e da umidade relativa do ar, em uma casa de vegetação, é essencial para extrair os benefícios do cultivo protegido. Apesar do potencial da distribuição heterogênea desses elementos no ambiente, a prática comum é a de instalar apenas um sensor em um ponto fixo, representativo do todo, independente do sistema de atuação utilizado na casa de vegetação. Focar em quantidade e qualidade dos dados coletados no campo, explorando variações espaciais, é necessário para monitorar e controlar adequadamente os sistemas de atuação, e desenvolver e validar modelos em casas de vegetação, baseados em condições reais. Objetivou-se caracterizar e mapear as distribuições horizontais e verticais de temperatura e umidade relativa do ar em 16 configurações de casa de vegetação, com ventilação natural e mecânica, sombreamento e resfriamento evaporativo. Na Faculdade de Engenharia Agrícola (FEAGRI), da UNICAMP, no período de junho de 2014 a fevereiro de 2015, instalaram-se em uma casa de vegetação (117 m²) uma rede de sensores sem fio com transdutores SHT75, distribuídos em 45 pontos de medição internos, e uma estação meteorológica externamente à estrutura. Os dados foram coletados a cada 30 segundos, durante 10 dias, para cada configuração. Para os mapas meteorológicos, utilizou-se o software Surfer®. O resfriamento evaporativo, associado ao sombreamento fixo, é o mais efetivo para reduzir a temperatura e elevar a umidade relativa do ar interno (-7,55°C e 47%), e também apresenta o maior gradiente vertical (14,31°C e -58%) e variabilidade horizontal (0,84°C, próximo ao exaustor, e -1,23°C e 5%, próximo ao meio poroso). A associação da janela zenital ao resfriamento evaporativo e à ventilação mecânica prejudica a eficiência dos sistemas e, apesar de reduzir, com isso, os gradientes verticais (2,86°C e -15%), mantém a heterogeneidade horizontal (1,17°C e -7% perto do exaustor). Na ventilação natural com tela antiafídeo, permitir a saída do ar quente, com janela zenital ou exaustor superior, diminui a temperatura e aumenta a umidade relativa do ar em comparação com o ambiente externo, reduz as suas diferenças verticais e homogeneíza suas distribuições horizontais. O sombreamento fixo aumenta as diferenças entre os ambientes interno e externo e os gradientes verticais, em relação aos ambientes sem tela, mas as distribuições horizontais não são influenciadas pelo seu uso.

Palavras-chave: resfriamento evaporativo, sombreamento, temperatura, umidade relativa, ventilação.

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ABSTRACT

Knowing the behavior of temperature and relative humidity of air, in a greenhouse, is essential to extract the benefits of protected cultivation. Despite the potential of a heterogeneous distribution of these elements in the environment, the common practice is to install only one sensor at a fixed point, assumed to be representative, independent of the actuation system applied to the greenhouse. To focus on quantity and quality of data collected on the field, exploring spatial variations, is necessary to rightly monitor and control the actuation systems, and to develop and validate models in protected environments, based on real conditions. The objective was to characterize and map the horizontal and vertical distributions of temperature and relative humidity of air, in 16 configurations of a greenhouse, with natural and mechanical ventilation, shading and evaporative cooling. At College of Agricultural Engineering (FEAGRI), at UNICAMP, from June 2014 to February 2015, were installed in a greenhouse (117 m²) a wireless sensor network with SHT75 transducers, distributed at 45 measuring internal points, and a weather station outside of the structure. The datas were collected every 30 seconds, during 10 days for each configuration. For the meteorological maps, the software Surfer® was used. Evaporative cooling associated with fixed shading is more effective to reduce the temperature and increase the relative humidity of indoor air (-7.55°C and 47%), and also features the most vertical gradient (14.31°C and -58%) and horizontal variability (0.84°C near the exhauster and -1.23°C and 5% close to the porous medium). The association of zenithal window with evaporative cooling and mechanical ventilation affects the efficiency of the systems and, despite reducing thereby the vertical gradients (2.86°C and -15%), maintains the horizontal heterogeneity (1,17°C and -7% near the exhauster). In natural ventilation with antiinsect screen, to allow the exit of hot air with zenith window or superior exhauster, decreases the temperature and increases the relative humidity of air in comparison with the external environment, reduces vertical differences and homogenizes its horizontal distributions. The fixed shading increases the differences between the internal and external environments and the vertical gradients, in relation to the environments without screens, but the horizontal distributions are not influenced by its use.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 Casa de vegetação com detalhe para a estrutura das janelas zenitais e para exaustores na face norte (a), para a tela termorrefletora interna (b) e para o meio poroso na face sul (c).

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Figura 2 Rede de sensores sem fio (a), com detalhe para sensores (b) e transdutores SHT75 instalados dentro de tubos de PVC (c), posicionados internamente à casa de vegetação, e estação meteorológica externa (d).

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Figura 3 Posições horizontais e verticais dos sensores. 36

Figura 4 Diferenças de temperatura do ar entre cada um dos pontos de medição (Ti) e o ponto central (Tc), para o período diurno (7 h às 18 h), nas configurações 6 e 7.

42

Figura 5 Diferenças de umidade relativa do ar entre cada um dos pontos de medição (URi) e o ponto central (URc), para o período diurno (7 h às 18 h), nas configurações 6 e 7.

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Figura 6 Mapas de temperatura (T) e de umidade relativa (UR) do ar para planos horizontais a 1,2 m e 2,4 m de altura, no período diurno, para as configurações 6 e 7.

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Figura 7 Mapas de temperatura (T) e de umidade relativa (UR) do ar para plano vertical central (1,2 m a 4,5 m de altura), no período diurno, para as configurações 6 e 7.

46

Figura 8 Diferenças de temperatura do ar entre cada um dos pontos de medição (Ti) e o ponto central (Tc), para o período diurno (7 h às 18 h), nas configurações 2, 4 e 5.

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Figura 9 Diferenças de umidade relativa do ar entre cada um dos pontos de medição (URi) e o ponto central (URc), para o período diurno (7 h às 18 h), nas configurações 2, 4 e 5.

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Figura 10 Mapas de temperatura do ar (T) para planos horizontais a 1,2 m e 2,4 m de altura, no período diurno, para as configurações 2, 4 e 5.

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Figura 11 Mapas de umidade relativa do ar (UR) para planos horizontais a 1,2 m e 2,4 m de altura, no período diurno, para as configurações 2, 4 e 5.

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Figura 12 Mapas de temperatura (T) do ar para plano vertical central (1,2 m a 4,5 m de altura), no período diurno, para as configurações 2, 4 e 5.

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Figura 13 Mapas de umidade relativa (UR) do ar para plano vertical central (1,2 m a 4,5 m de altura), no período diurno, para as configurações 2, 4 e 5.

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o ponto central (Tc), para o período diurno (7 h às 18 h), nas configurações 9, 10, 12 e 13.

Figura 15 Diferenças de umidade relativa do ar entre cada um dos pontos de medição (URi) e o ponto central (URc), para o período diurno (7 h às 18 h), nas configurações 9, 10, 12 e 13.

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Figura 16 Mapas de temperatura do ar (T) para planos horizontais a 1,2 m e 2,4 m de altura, no período diurno, para as configurações 9, 10, 12 e 13.

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Figura 17 Mapas de umidade relativa do ar (UR) para planos horizontais a 1,2 m e 2,4 m de altura, no período diurno, para as configurações 9, 10, 12 e 13.

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Figura 18 Mapas de temperatura (T) do ar para plano vertical central (1,2 m a 4,5 m de altura), no período diurno, para as configurações 9, 10, 12 e 13.

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Figura 19 Mapas de umidade relativa (UR) do ar para plano vertical central (1,2 m a 4,5 m de altura), no período diurno, para as configurações 9, 10, 12 e 13.

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Descrição das configurações. 37

Tabela 2 Comparação entre os ambientes interno (i) e externo (e) para as configurações 6 e 7, com relação a temperatura (T), umidade relativa (UR), suas respectivas diferenças (∆) e eficiência do resfriamento evaporativo (ƞ), medida próximo ao meio poroso a 1,2 m e 2,4 m de altura do piso.

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Tabela 3 Desvio padrão da temperatura (dpT) e da umidade relativa (dpUR) do ar, calculado para períodos diurno (7 h - 18 h) e noturno (19 h - 6 h), para alturas de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), nas configurações 6 e 7.

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Tabela 4 Gradientes de temperatura e umidade relativa do ar para períodos diurno (7 h-18 h) e noturno (19 h-6 h), e respectivos valores médios para cada altura de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), para as configurações 6 e 7.

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Tabela 5 Comparação entre os ambientes interno (i) e externo (e) para as configurações 2, 4 e 5, com relação a temperatura (T), umidade relativa (UR) e suas respectivas diferenças (∆).

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Tabela 6 Desvio padrão da temperatura (dpT) e da umidade relativa (dpUR) do ar, calculado para períodos diurno (7 h - 18 h) e noturno (19 h - 6 h), para alturas de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), nas configurações 2, 4 e 5.

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Tabela 7 Gradientes de temperatura e umidade relativa do ar para períodos diurno (7 h-18 h) e noturno (19 h-6 h), e respectivos valores médios para cada altura de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), para as configurações 2, 4 e 5.

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Tabela 8 Comparação entre os ambientes interno (i) e externo (e) para as configurações 9, 10, 12 e 13, com relação a temperatura (T), umidade relativa (UR) e suas respectivas diferenças (∆), e velocidade do vento (Vv) e sua respectiva porcentagem de redução dentro da casa de vegetação com revestimento por tela antiafídeo.

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Tabela 9 Desvio padrão da temperatura (dpT) e da umidade relativa (dpUR) do ar, calculado para períodos diurno (7 h - 18 h) e noturno (19 h - 6 h), para alturas de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), nas configurações 9, 10, 12 e 13.

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Tabela 10 Gradientes de temperatura e umidade relativa do ar para períodos diurno (7 h-18 h) e noturno (19 h-6 h), e respectivos valores médios para cada altura de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), para as configurações 9, 10, 12 e 13.

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Tabela 11 Comparação entre os ambientes interno (i) e externo (e) para as configurações 14 e 16, com relação a temperatura (T), umidade relativa (UR) e suas respectivas diferenças (∆),e velocidade do vento (Vv).

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calculado para períodos diurno (7 h - 18 h) e noturno (19 h - 6 h), para alturas de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), nas configurações 14 e 16.

Tabela 13 Gradientes de temperatura e umidade relativa do ar para períodos diurno (7 h-18 h) e noturno (19 h-6 h), e respectivos valores médios para cada altura de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), para as configurações 14 e 16.

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Tabela 14 Comparação entre os ambientes interno (i) e externo (e) para as configurações 2 e 3, 7 e 8, 10 e 11, 14 e 15, com relação a temperatura (T), umidade relativa (UR) e suas respectivas diferenças (∆), velocidade do vento (Vv) e eficiência do resfriamento evaporativo (ƞ), medida próximo ao meio poroso a 1,2 m de altura do piso.

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Tabela 15 Desvio padrão da temperatura (dpT) e da umidade relativa (dpUR) do ar, calculado para períodos diurno (7 h - 18 h) e noturno (19 h - 6 h), para alturas de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), nas configurações 2 e 3, 7 e 8, 10 e 11, 14 e 15.

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Tabela 16 Gradientes de temperatura e umidade relativa do ar para períodos diurno (7 h-18 h) e noturno (19 h-6 h), e respectivos valores médios para cada altura de medição (1,2 m, 2,4 m e 4,5 m), para as configurações 2 e 3, 7 e 8, 10 e 11, 14 e 15.

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SUMÁRIO RESUMO _________________________________________________________________ 8 ABSTRACT _______________________________________________________________ 9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES _________________________________________________ 10 LISTA DE TABELAS ______________________________________________________ 13 1 INTRODUÇÃO __________________________________________________________ 17 1.1 HIPÓTESES _______________________________________________________________ 18 1.2 OBJETIVOS _______________________________________________________________ 19 2 REVISÃO DA LITERATURA ______________________________________________ 20

2.1 SISTEMAS PARA MANEJO DO AMBIENTE PROTEGIDO _____________________ 20 2.1.1 Resfriamento evaporativo _________________________________________________________ 21 2.1.2 Ventilação _____________________________________________________________________ 22

2.1.2.1 Ventilação natural ___________________________________________________________ 22 2.1.2.2 Ventilação mecânica _________________________________________________________ 25

2.1.3 Sombreamento _________________________________________________________________ 25 2.1.4 Comparação entre sistemas ________________________________________________________ 26 2.2 DISTRIBUIÇÃO DOS ELEMENTOS METEOROLÓGICOS _____________________ 27

2.2.1 Distribuição horizontal ___________________________________________________________ 27

2.2.1.1 Resfriamento evaporativo _____________________________________________________ 27 2.2.1.2 Ventilação mecânica _________________________________________________________ 29 2.2.1.3 Ventilação natural ___________________________________________________________ 29 2.2.1.4 Ventilação natural associada à ventilação mecânica ________________________________ 30

2.2.2 Distribuição vertical _____________________________________________________________ 31 2.3 REDE DE SENSORES SEM FIO _____________________________________________ 32 3 MATERIAL E MÉTODOS ________________________________________________ 34

3.1 CASA DE VEGETAÇÃO ____________________________________________________ 34 3.2 REDE DE SENSORES SEM FIO E COLETA DE DADOS ________________________ 35 3.3 ANÁLISE DOS DADOS _____________________________________________________ 38 3.3.1 Comparação entre ambientes interno e externo ________________________________________ 38 3.3.2 Distribuição horizontal ___________________________________________________________ 38 3.3.3 Distribuição vertical _____________________________________________________________ 39 3.3.4 Eficiência do sistema de resfriamento evaporativo ______________________________________ 39

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4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ____________________________________________ 40 4.1 RESFRIAMENTO EVAPORATIVO __________________________________________ 40

4.1.1 Comparação entre ambientes interno e externo ________________________________________ 40 4.1.2 Distribuição horizontal ___________________________________________________________ 41 4.1.3 Distribuição vertical _____________________________________________________________ 45 4.2 VENTILAÇÃO MECÂNICA _________________________________________________ 47

4.2.1 Comparação entre ambientes interno e externo ________________________________________ 47 4.2.2 Distribuição horizontal ___________________________________________________________ 48 4.2.3 Distribuição vertical _____________________________________________________________ 53 4.3 VENTILAÇÃO NATURAL COM TELA ANTIAFÍDEO __________________________ 56

4.3.1 Comparação entre ambientes interno e externo ________________________________________ 56 4.3.2 Distribuição horizontal ___________________________________________________________ 58 4.3.3 Distribuição vertical _____________________________________________________________ 64 4.4 VENTILAÇÃO NATURAL SEM TELA ANTIAFÍDEO __________________________ 68

4.4.1 Comparação entre ambientes interno e externo ________________________________________ 68 4.4.2 Distribuição horizontal ___________________________________________________________ 69 4.4.3 Distribuição vertical _____________________________________________________________ 72 4.5 SOMBREAMENTO ________________________________________________________ 74

4.5.1 Comparação entre ambientes interno e externo ________________________________________ 74 4.5.2 Distribuição horizontal ___________________________________________________________ 75 4.5.3 Distribuição vertical _____________________________________________________________ 85 5 CONCLUSÕES __________________________________________________________ 90 CONSIDERAÇÕES FINAIS ________________________________________________ 90 REFERÊNCIAS __________________________________________________________ 91

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1 INTRODUÇÃO

Conhecer o comportamento dos elementos meteorológicos, como temperatura e umidade relativa do ar, em uma casa de vegetação, é essencial para extrair os benefícios do cultivo protegido.

Esses elementos afetam as taxas de muitos processos biológicos (Trudgill et al., 2005) e a sua distribuição na casa de vegetação é um dos fatores que influencia a uniformidade do crescimento das plantas (Zhao et al., 2001; Teitel et al., 2010). Temperatura e umidade relativa do ar devem ser mantidos dentro de faixas consideradas ótimas, valores mínimos e máximos, respectivamente, aquém e além dos quais as plantas não se desenvolvem adequadamente.

Para atingir essas condições de conforto das plantas, sistemas de atuação podem ser utilizados em casas de vegetação. Em condições tropicais, principalmente, há três formas de lidar com o problema de acúmulo de calor: reduzindo a radiação solar incidente, por sombreamento; removendo o calor extra por meio da troca de ar, pela ventilação; aumentando a fração de energia convertida em calor latente, pelo resfriamento evaporativo (Chen, 2003; Kittas et al., 2012a). Ao contrário do sistema de aquecimento, tecnologia já relativamente bem estabelecida, o sistema de resfriamento da casa de vegetação, frequentemente, apresenta desafios tecnológicos consideráveis (Sethi e Sharma, 2007).

Conforme o ar se move na casa de vegetação, gradientes de temperatura e de umidade relativa são formados ao longo da estrutura (Chen, 2003). A variação está relacionada com diversos fatores como radiação solar, transferência de massas por convecção e dinâmica de movimentação de ar, devido às diferenças de temperatura interna e externa (Zhang et al., 2010). Esses gradientes resultam em um ambiente heterogêneo para as culturas e indesejáveis pelos produtores, provocando o crescimento desuniforme das plantas (Teitel et al., 2010).

No entanto, a comparação de diversos trabalhos indicou diferenças nos seus resultados, com relação à distribuição da temperatura e da umidade relativa do ar. A maioria das razões para essas diferenças incluem, mas não se limitam a diferenças entre os cultivos e configurações das casas de vegetação, com diferentes condições ambientais. Diversos trabalhos avaliaram a distribuição horizontal em ambientes com sistemas de resfriamento evaporativo (Oz et al., 2009; López et al., 2012a), resfriamento associado ao sombreamento (López et al., 2012a; Kutta e Hubbart, 2014), ventilação mecânica (Balendonck et al., 2014), ventilação natural (Morille et al., 2012; Voltan et al., 2013) e ventilação natural associada à

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ventilação mecânica (Kittas et al., 2012b; López et al., 2013). Na distribuição vertical, outros trabalhos também avaliaram ambientes com diferentes sistemas, como com ventilação natural (Shilo et al., 2004; Soni et al., 2005; Suay et al., 2008b; Teitel et al., 2008b), ou ventilação mecânica e resfriamento evaporativo (Li e Willits, 2008; Kutta e Hubbart, 2014).

Apesar do potencial de distribuição desigual da temperatura e da umidade relativa ao longo de uma casa de vegetação, a prática comum é a de instalar apenas um sensor, para medição de ambos os elementos, num ponto fixo assumido como representativo de todo o ambiente (Pawlowski et al., 2009), independente do sistema de atuação utilizado. Essa abordagem considera que sensores adicionais requerem infraestruturas adicionais, aumentando a complexidade e os custos associados ao controle do ambiente, como equipamentos e manutenção (Pawlowski et al., 2009).

No entanto, a localização dos sensores na casa de vegetação é importante, pois as suas medidas podem ser utilizadas para todo o controle e é possível obter diferentes valores em distintos pontos do ambiente interno, ao longo do tempo (Gonda e Cugnasca, 2006; Narasimhan et al., 2007). O controle adequado do ambiente, principalmente com relação à temperatura e à umidade relativa do ar, é uma das principais ferramentas de gestão das operações em uma casa de vegetação (Bojacá et al., 2009).

Busca-se uma homogeneidade espacial desses elementos, com o fim de alcançar um dos principais objetivos do cultivo em ambiente protegido: o desenvolvimento das plantas de maneira uniforme e com boa qualidade produtiva (Boulard et al., 2002; Balendonck et al., 2010). Para tanto, é necessário conhecer o ambiente e entender esse sistema complexo, e medições em campo são essenciais para qualquer melhoria nesse sentido. Focar em quantidade e qualidade de dados coletados em campo, explorando especialmente variações espaciais, é necessário para monitorar e controlar adequadamente os sistemas de atuação, e desenvolver e validar modelos em ambientes protegidos, baseados em condições reais (Tanny, 2013).

1.1 HIPÓTESES

Dessa forma, foram avaliadas as seguintes hipóteses:

1. A homogeneidade da temperatura e da umidade relativa do ar depende do sistema de atuação utilizado na casa de vegetação.

2. A redução da temperatura dentro da casa de vegetação é maior com a utilização conjunta dos sistemas de resfriamento evaporativo, ventilação mecânica e sombreamento.

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1.2 OBJETIVOS

O objetivo do trabalho foi caracterizar distintas configurações de casas de vegetação, desde a mais simples apenas com ventilação natural à mais sofisticada com sombreamento, ventilação mecânica e resfriamento evaporativo, com uma malha de sensores instalados em diferentes pontos do ambiente interno, para identificar o mapeamento meteorológico para cada configuração e a redução de temperatura que cada nível tecnológico propicia.

Os objetivos específicos do projeto foram:

1. Verificar a uniformidade das variáveis temperatura e umidade relativa do ar em diferentes pontos (horizontais e verticais) para cada configuração da casa de vegetação.

2. Comparar as configurações entre si pelo mapeamento meteorológico das distribuições horizontais e verticais de temperatura e umidade relativa do ar de cada configuração.

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2 REVISÃO DA LITERATURA

Pesquisas sobre distribuição dos elementos meteorológicos, como temperatura e umidade relativa do ar, em casas de vegetação, têm recebido atenção durante os últimos anos. A principal razão para isso está relacionada com o manejo do ambiente, com a finalidade de obter melhores padrões de qualidade dos produtos agrícolas e estender o período de produção e o potencial produtivo das plantas (Baille, 1999).

2.1 SISTEMAS PARA MANEJO DO AMBIENTE PROTEGIDO

As vantagens que os ambientes protegidos podem proporcionar às plantas são inúmeras, desde que se faça uso correto das instalações e dos sistemas de atuação utilizados. O desconhecimento de como os elementos meteorológicos comportam-se limita a capacidade de manutenção das condições ótimas às plantas, torna os sistemas ineficientes para promover a produção vegetal e extrair toda a produtividade e a qualidade oferecida em função do seu potencial genético.

Principalmente durante condições de verão em países tropicais, muita radiação solar incidente pode resultar em excesso de calor, afetando a produção ótima das plantas (Kittas et al., 2012a). Para atingir essas condições de conforto, sistemas podem ser utilizados. Em condições tropicais, em geral, há três formas de lidar com o problema de acúmulo de calor: reduzindo a radiação incidente, por sombreamento; removendo o calor extra por meio da troca de ar, por ventilação; e aumentando a fração de energia convertida em calor latente, por resfriamento evaporativo (Chen, 2003; Luo et al., 2005; Kittas et al., 2012a).

Nas regiões onde o verão não é muito severo e a temperatura máxima do ambiente permanece abaixo de 33°C, as técnicas de ventilação e sombreamento podem trabalhar adequadamente. No entanto, em regiões com condições extremas, onde a temperatura do ambiente geralmente ultrapassa 40°C, o resfriamento evaporativo é o sistema mais efetivo para reduzir a temperatura da casa de vegetação abaixo da temperatura do ambiente externo (Sethi e Sharma, 2007). Ao contrário do sistema de aquecimento, tecnologia já relativamente bem estabelecida, o sistema de resfriamento da casa de vegetação, frequentemente, apresenta desafios tecnológicos consideráveis(Sethi e Sharma, 2007).

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2.1.1 Resfriamento evaporativo

O sistema de resfriamento evaporativo é baseado na conversão do calor sensível em calor latente da água evaporada, sendo que, durante o processo, o calor total (ou entalpia) permanece o mesmo (Sethi e Sharma, 2007). O processo de evaporação requer calor para ocorrer e a energia envolvida nessa mudança de fase da água corresponde a uma grande variação de temperatura (Both, 2008). Sabe-se que 1 g de água evaporada em 1 m³ de espaço de ar reduz a temperatura em cerca de 2,5°C (Sethi e Sharma, 2007).

Esse calor é fornecido pelo ar circundante, causando a redução da temperatura do ambiente (Sethi e Sharma, 2007). Ao mesmo tempo, a umidade relativa do ar aumenta devido ao processo de evaporação da água - transformada em vapor de água, torna-se parte da massa de ar circundante. Portanto, a máxima quantidade de resfriamento possível depende da umidade e da temperatura inicial do ar. Quanto mais seco o ar, maior a quantidade de vapor de água que pode ser absorvida e menor a temperatura alcançada; quanto mais quente o ar, mais vapor de água ele poderá conter, comparado com o ar frio; portanto, maior será o resfriamento.

O sistema de resfriamento evaporativo pode ocorrer por nebulização ou por meio poroso. Por nebulização a água é forçada através de nebulizadores com pressões de 500 a 600 psi. Os nebulizadores devem estar instalados na casa de vegetação a 3 m acima das culturas e emitir uma névoa fina de água que evapora, umidifica o ar da casa de vegetação (Boodley e Newman, 2009) e mantém as folhas secas. Sistemas de ventilação podem ser associados à nebulização. A movimentação do ar ocasionada pelos ventiladores acelera a evaporação, evita que a pulverização ocorra em um só local e renova o ar interno (Both, 2008).

O sistema por meio poroso faz parte do sistema de ventilação da casa de vegetação (Both, 2008). O princípio consiste em passar uma lâmina de água pelo meio poroso, instalado no lado a barlavento da casa de vegetação, e o ar deve fluir do meio poroso ao exaustor ao longo do seu comprimento, se possível, em uma distância menor do que 77 m, sendo mais eficiente a distâncias mais curtas (51 m) (Boodley e Newman, 2009). Duas mudanças são produzidas na condição do ar após sair do meio poroso: torna-se mais frio e mais úmido (Sethi e Sharma, 2007). Esse sistema melhora a qualidade do ar, por operar com 100% de ar externo; não ultrapassa o ponto de saturação, pois o ar só absorve a umidade que pode comportar, deixando no equipamento a água excedente; realiza uma lavagem do ar, retendo poeira e sujeiras no meio poroso, continuamente lavado pela água excedente (Both, 2008).

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2.1.2 Ventilação

Há três razões para se ventilar uma casa de vegetação: (1) para reduzir a temperatura do ar quando ela se torna muito alta; (2) para permitir a troca do ar e renovar o suprimento de dióxido de carbono (CO2) para fotossíntese; e (3) para reduzir a umidade

relativa como forma de controle de doenças (Boodley e Newman, 2009).

Qualquer que seja o sistema de ventilação usado, a uniformidade do ar no interior da casa de vegetação é importante, porque a produção homogênea das culturas só é possível quando cada planta experimenta as mesmas condições ambientais (Both, 2008).

2.1.2.1 Ventilação natural

A ventilação natural é uma das formas mais simples e eficientes para reduzir a diferença entre as temperaturas interna e externa (Sethi e Sharma, 2007), renovar o ar, prover CO2 e homogeneizar o ambiente. O fluxo de ar não segue um padrão claro e uniforme, como

na ventilação mecânica, e esse sistema trabalha baseado em dois fenômenos físicos: pelo diferencial de temperatura (o ar quente é menos denso do que o ar frio e se eleva) e pelo efeito de vento (pequenas diferenças de pressão do lado de fora da casa de vegetação, entre os lados de barlavento e sotavento, causam a movimentação do ar para o lado de sotavento) (Both, 2008; López et al., 2012a).

Com o aquecimento do ar, ele se torna menos denso e sobe. Esse "efeito chaminé" é utilizado para retirar o calor de dentro da casa de vegetação (Boodley e Newman, 2009). Se a estrutura tiver aberturas perto do solo ou perto da cobertura, esse tipo de ventilação pode substituir o ar quente interno pelo ar frio externo, durante dias quentes, com ventos fracos (Sethi e Sharma, 2007). Quando as janelas zenitais estão abertas, o ar quente ascendente sai por essas janelas. Se aberturas laterais também são utilizadas, o fluxo de ar aumenta pelas janelas zenitais (Boodley e Newman, 2009). O ar externo mais frio entra na casa de vegetação pelas aberturas laterais, enquanto o ar quente interno sai pelas aberturas zenitais, devido à diferença de densidade entre as massas de ar com diferentes temperaturas, causando a redução da temperatura dentro da casa de vegetação (Sethi e Sharma, 2007).

Sempre que houver vento, a abertura zenital deve ser aberta em sua direção oposta, pois o fluxo de ar acima dessa abertura cria uma sucção parcial que auxilia na retirada do ar da casa de vegetação (Boodley e Newman, 2009). Por ser dependente de forças naturais, esse sistema pode apresentar limitações, como em regiões em que a temperatura do ar externo se mantém quase sempre acima da requerida pelo conforto térmico (Hellickson e Walker, 1983). Dessa forma, a ventilação natural pode ser efetivamente usada para manter o ambiente

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da casa de vegetação propício para o crescimento das plantas, quando as condições ambientais não forem extremas (Ganguly e Ghosh, 2009).

Altas temperaturas no verão resultam em necessidade de constante remoção do calor da casa de vegetação. Isso pode ser conseguido pela substituição do ar interno pelo ar mais frio do ambiente externo. Se a temperatura externa está baixa o suficiente, e se a temperatura interna não está tão elevada, o ar quente pode passivamente ser succionado pelas aberturas zenitais. O movimento para cima e para fora do ar quente puxa o ar frio das aberturas laterais ou frontais da casa de vegetação. Esse sistema é mais efetivo durante o inverno, outono ou primavera. Sua eficiência é limitada para o resfriamento durante o verão, devido à carga de energia de radiação solar e à temperatura externa serem muito altas para as capacidades do sistema (Sethi e Sharma, 2007).

Muitos pesquisadores têm estudado o fenômeno da ventilação natural em casas de vegetação durante as últimas três décadas, com trabalhos com aberturas laterais e zenitais, de forma associada ou individualmente, com revestimento de telas porosas nas aberturas, com diferentes técnicas de avaliação, e importantes conclusões têm sido obtidas (Sethi e Sharma, 2007).

O comportamento da ventilação natural foi estudado em seis casas de vegetação equipadas com diferentes aberturas zenitais e laterais, totalizando 16 diferentes configurações (Boulard et al., 1997). Os efeitos das aberturas de vento, suas posições e tipos e a influência sobre a cultura foram considerados no estudo e analisados utilizando redes neurais e modelos físicos. O efeito devido ao vento é a principal causa pela troca de ar entre os ambientes interno e externo das casas de vegetação avaliadas. O efeito devido ao diferencial de temperatura interno e externo é importante quando as taxas de ventilação são baixas e, especialmente, quando as janelas zenitais e laterais estiverem abertas juntas. A presença da cultura (tomate, em fase madura, com 1,8 m de altura) reduziu a eficiência da ventilação em 28%.

Em outro trabalho, os padrões de fluxo de ar e de temperatura, induzidos pelas aberturas zenitais, foram estudados combinando análises experimentais e de simulação em dinâmica de fluidos computacionais (CFD, computational fluid dynamics) (Boulard et al., 1999). O caminho do ar incidente foi observado: entrando pelas aberturas inferiores, alcançando as paredes antes de escapar pelas aberturas superiores da casa de vegetação. Esse experimento, confirmado por simulações numéricas realistas, salienta a origem do movimento de convecção e de renovação do ar devido ao gradiente de temperatura ao longo de toda a altura da casa de vegetação.

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Além das aberturas, muitos pesquisadores conduziram seus trabalhos com trocas de ar por telas porosas. A análise do processo de ventilação, em casa de vegetação, equipada com tela antiafídeo nas aberturas laterais, permitiu a conclusão de que as telas reduziram significativamente os gradientes térmicos dentro da casa de vegetação (Bartzanas et al., 2002). Por outro lado, as telas antiafídeo também reduziram significativamente o fluxo de ar e aumentaram os gradientes térmicos dentro da casa de vegetação (Sethi e Sharma, 2007). Sistemas de ventilação natural são geralmente menos eficientes e não satisfatórios em dias com alta radiação solar e sem vento, quando as temperaturas do ambiente superam 35°C e as da casa de vegetação excedem 42°C (Sethi e Sharma, 2007).

Em uma revisão de literatura, as conclusões indicaram diferenças quantitativas significativas, com relação aos efeitos da porosidade das telas nas taxas de ventilação e na temperatura e na umidade relativa do ar, em casa de vegetação (Teitel, 2007). A maioria das razões para essas diferenças incluiu, mas não se limitou a diferentes culturas e configurações das casas de vegetação, diferindo as condições dos ambientes. Apesar disso, todos os estudos indicaram que a instalação de telas nas aberturas das casas de vegetação resulta em menores taxas de ventilação, elevação da temperatura e da umidade relativa e maiores gradientes nas direções horizontais e verticais.

Quando telas antiafídeo são instaladas em aberturas de ventilação, a resistência adicional ao fluxo de ar, criada pelo material da tela, deve ser considerada para garantir taxas de ventilação adequadas (Both, 2008). A ventilação pode reduzir a temperatura interna até próximo da temperatura externa e, utilizando aberturas zenitais e laterais, pode ser satisfatória para muitos casos. Diferentes configurações de aberturas zenitais, laterais ou ambas foram testadas e, com isso, observou-se que o aumento na temperatura e na umidade relativa do ar, causado pelo uso da tela antiafídeo, pode ser balanceado por melhores orientações do ângulo da abertura zenital, relativo à direção do vento preferencial, e pelo uso adicional de aberturas (Fatnassi et al., 2006).

O fator crítico para o resfriamento das casas de vegetação com essas aberturas é a taxa de troca de ar por convecção livre. Essa troca é influenciada pela área de abertura total, pela velocidade do vento e pela diferença de temperaturas interna e externa (Sethi e Sharma, 2007). Quando essas taxas estão inadequadas, pode-se resolver o problema com o aumento da área de abertura ou utilizando ventilação forçada (Teitel, 2007). Uma área total equivalente a 15–30% da área de piso é recomendada para um efeito adequado; áreas superiores a 30% resultam em um aumento não significativo do resfriamento (Sethi e Sharma, 2007).

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2.1.2.2 Ventilação mecânica

A ventilação mecânica deve ser utilizada quando os meios naturais não proporcionam o índice de renovação de ar ou o abaixamento necessário da temperatura. Por princípio, a ventilação mecânica trata da movimentação do ar, utilizando um sistema mecânico de deslocamento do fluido, capaz de vencer a perda de carga necessária para atingir uma vazão previamente determinada (NGMA, 2010).

Devido ao formato longo e estreito da maioria das casas de vegetação, os sistemas de ventilação mecânicos, geralmente, movem o ar ao longo do seu comprimento (os exaustores e as aberturas de entrada estão instalados em faces longitudinais opostas), enquanto que os sistemas de ventilação natural utilizam as faces laterais e as aberturas zenitais (Both, 2008).

Em uma casa de vegetação de 3.000 m2 na Grécia, com ventilação mecânica de pressão positiva, controle de umidade e cultivo de rosas, diferenças entre as temperaturas do ar interno e externo foram descritas como fortemente relacionadas com a taxa de ventilação e a radiação solar incidente (Kittas et al., 2005). Redução significativa da umidade relativa do ar e do aparecimento do mofo cinzento também foi observada com a ventilação noturna, em casa de vegetação, em Portugal (Baptista et al., 2012).

2.1.3 Sombreamento

Do ponto de vista da ambiência, altos valores de radiação solar implicam elevada carga térmica no interior da instalação. Telas de sombreamento transmitem apenas parte da radiação solar incidente e, com isso, permitem a redução da temperatura no verão; convertem parte da radiação direta em difusa, fator significativo para o aumento da eficiência da fotossíntese (Healey et al., 1998; Aguiar, 2004); e auxiliam na redução da perda de calor por radiação à noite (Both, 2008). Entretanto, o efeito do uso intensivo das telas é ambíguo: não apenas reduz a demanda energética e a temperatura a níveis confortáveis para trabalhadores, como também aumenta a umidade relativa no interior da casa de vegetação (Coomans et al., 2013) e pode reduzir a intensidade de luz de tal forma que afete a qualidade das culturas (Boodley e Newman, 2009).

Coberturas em ambientes protegidos (tela termorrefletora, difusora e de sombreamento nas cores branca e preta) foram avaliadas na produtividade do tomateiro tipo cereja, em Botucatu (Rocha, 2007; Holcman, 2009). A tela difusora e a de sombreamento preta mostraram os melhores resultados (20,18 kg m-2 e 15,24 kg m-2, respectivamente), em comparação com campo aberto (7,10 kg m-2) (Rocha, 2007). A utilização da tela

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termorrefletora 50% também reduziu as temperaturas máxima e média do ar em 2,2 e 0,5°C, respectivamente (Santana, 2009). Em um pomar de macieira, dividido em parcelas cobertas com telas de diferentes níveis de sombreamento (16%, 30% e 60%) e outras expostas ao tempo (sem telas), durante o dia, as temperaturas do ar sob as parcelas cobertas e em pontos próximos às folhas mostraram valores menores em 1,4°C do que as parcelas expostas (Tanny et al., 2009).

Apesar de as telas reduzirem a transmissão da energia radiante total, o efeito da temperatura do ar é complexo e depende de fatores adicionais: representa um resultado de diversos processos simultâneos de transferência de energia, que incluem radiação, ventilação e evapotranspiração (Tanny, 2013).

2.1.4 Comparação entre sistemas

Esses sistemas foram bastante estudados, descritos (Chen, 2003) e comparados entre si (Teitel et al., 2007; Flores-Velazquez et al., 2014; Max et al., 2009).

Chen (2003) descreveu esses sistemas. O sombreamento pode reduzir a energia solar incidente, mas o requerimento mínimo de intensidade de luz pelas plantas limita o seu uso intensivo. A troca de ar entre os ambientes interno e externo da casa de vegetação, pela ventilação natural, depende da diferença de temperatura entre a casa de vegetação e o ambiente e da disponibilidade de vento e, geralmente, a temperatura interna apresenta-se de 5 a 15°C maior do que a externa, devido a taxas insuficientes de troca de ar. A ventilação mecânica pode ser controlada pela potência e pelo número de ventiladores, mas a temperatura mais baixa dentro da casa de vegetação pode chegar até a temperatura do ar externo. Muitas culturas podem ainda não sobreviver em casas de vegetação apenas mecanicamente ventiladas, principalmente no verão. Portanto, o resfriamento evaporativo é uma opção para reduzir a temperatura da casa de vegetação abaixo da temperatura do ar externo. Com o ar passando pelo meio poroso umedecido devido à sucção do exaustor, instalado na sua face oposta, a evaporação da água reduz a temperatura do ar e aumenta sua umidade relativa.

Os efeitos dos sistemas de resfriamento evaporativo e ventilação natural foram avaliados no ambiente de casas de vegetação, de 69 m², em Israel (Teitel et al., 2007). Dentre a ventilação natural, estudaram-se três formas de aberturas: zenital, laterais e a combinação de ambas; dentre o resfriamento evaporativo, dois exaustores. No verão, a média da temperatura do ar, durante horas mais quentes do dia (10 h às 14 h), foi maior na casa de vegetação com ventilação natural (31,8°C) do que na com resfriamento evaporativo (26,8°C), como esperado.

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janelas zenitais, mostrou um incremento na troca de ar e na uniformidade do ambiente interno, devido à melhor mistura do ar do que se fosse considerado apenas a ventilação mecânica (Flores-Velazquez et al., 2014).

A comparação dos sistemas de ventilação natural, ventilação mecânica e resfriamento evaporativo mostrou que o resfriamento evaporativo possibilitou a redução da temperatura (em média 4ºC inferior), o aumento da umidade relativa (cerca de 20% superior), a redução do déficit de pressão de vapor (de 1,03 kPa com a ventilação para 0,25 kPa, comparados com 1,48 kPa no campo aberto) e, com isso, a redução do consumo de água na irrigação (de 1,8 para 1,2 L planta-1 dia-1) (Max et al., 2009).

2.2 DISTRIBUIÇÃO DOS ELEMENTOS METEOROLÓGICOS

A comparação de diversos trabalhos indicou diferenças nos seus resultados encontrados, com relação à distribuição da temperatura e da umidade relativa do ar em casa de vegetação. A maioria das razões para essas diferenças inclui - mas não se limita a diferenças entre os cultivos e configurações, com diferentes condições ambientais.

2.2.1 Distribuição horizontal

Trabalhos têm apontado para a heterogeneidade horizontal da temperatura do ar no interior dos ambientes protegidos (Furlan, 2001). Devido à baixa ventilação, há formação de zonas de calor no centro do ambiente, problema este que nem sempre é solucionado, mesmo com a abertura de cortinas laterais e de janelas zenitais. No entanto, quando os sistemas como resfriamento evaporativo, ventilação mecânica, ventilação natural, sombreamento, são alterados, a distribuição dos elementos meteorológicos também pode ser alterada. A maioria dos trabalhos utiliza apenas um sistema de atuação para avaliar a distribuição dos elementos meteorológicos. Trabalhos com foco no estudo do ambiente com avaliação de diferentes sistemas são necessários.

2.2.1.1 Resfriamento evaporativo

O sistema de resfriamento evaporativo é o mais efetivo para reduzir a temperatura em casas de vegetação, em regiões com temperaturas médias anuais de 40°C (Sethi e Sharma, 2007). No entanto, estudos têm mostrado que esse sistema pode proporcionar uma distribuição heterogênea da temperatura (Oz et al., 2009; López et al., 2012a, 2012b).

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A distribuição horizontal de temperatura e umidade relativa do ar foi avaliada em uma casa de vegetação, na Turquia, coberta por uma camada de vidro (Oz et al., 2009). Observaram-se diferenças entre as temperaturas medidas próximo ao meio poroso (13°C), no centro do ambiente (8°C) e próximo ao exaustor (7°C). Em outra casa de vegetação com meio poroso, sem telas de sombreamento, encontraram-se resultados semelhantes de diferenças de temperatura de 8,5°C a 11,4°C entre os pontos mais quentes e mais frios (López et al., 2012a). Em Almería (Espanha), em uma casa de vegetação de 1.080 m², com resfriamento evaporativo por meio-poroso e exaustor, tela de sombreamento e ventiladores internos, diferenças de temperatura acima de 5,8°C foram obtidas horizontalmente do ponto mais frio, próximo ao meio poroso, ao ponto mais quente, próximo ao exaustor (López et al., 2012b).

A combinação da tela de sombreamento com o sistema de resfriamento evaporativo pode reduzir gradientes horizontais de temperatura em 18% (Willits e Peet, 2000). Essa combinação permitiu a redução das diferenças de temperatura de 8,5°C a 11,4°C para 7,3°C a 8,0°C (López et al., 2012a). Alguns autores, no entanto, obtiveram valores inferiores (Chen, 2003; Kutta e Hubbart, 2014) ou superiores (Kittas et al., 2003) a esse gradiente.

A avaliação de um modelo matemático para descrever o gradiente de temperatura e umidade relativa do ar, como uma função da distância ao longo de uma casa de vegetação, foi realizada em uma casa de vegetação de 1.433,60 m², em Taiwan, com sistemas de sombreamento e resfriamento evaporativo e cultivo de tomate. Os valores preditivos de 2,5°C e 8%, para temperatura e umidade relativa do ar, respectivamente, validaram positivamente o modelo (Chen, 2003). Em outra casa de vegetação, de 132 m², com sistemas de ventilação, sombreamento, aquecimento, resfriamento e iluminação artificial, mostrou que as plantas estão sujeitas a condições mais quentes e secas com o aumento da distância do meio poroso ao exaustor: variações de 3,7°C de temperatura e 4,6% de umidade relativa do ar foram obtidas entre os pontos e o centro do ambiente (Kutta e Hubbart, 2014).

Ambos os fatores taxa de ventilação e sombreamento contribuem para uma uniformização da temperatura do ar na casa de vegetação. Um aumento de temperatura de 9°C a 10°C foi obtido entre os pontos de entrada e saída do ambiente de uma casa de vegetação, de 3.000 m², para uma taxa de ventilação de 83 m³ s-1. Essa temperatura reduziu 2°C quando a casa de vegetação recebeu o sombreamento, e 3°C quando a taxa de ventilação foi elevada (Kittas et al., 2003).

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2.2.1.2 Ventilação mecânica

No caso de ambientes com sistema de ventilação mecânica automatizado, diferenças notáveis entre as medidas diurnas e noturnas, devido principalmente à incidência de radiação solar, com variações horizontais de 1,0°C a 3,4°C para temperatura e de 9% a 40% para umidade relativa do ar, foram observadas em casas de vegetação comerciais na Holanda, com cultivos de gérbera, matricaria, tomate e pepino, e 100 sensores wireless espacialmente distribuídos (Balendonck et al., 2014).

2.2.1.3 Ventilação natural

Sob condições de ventilação natural, o fluxo de ar não segue um padrão claro, como na ventilação mecânica, e depende da interação entre os efeitos de diferencial de temperatura (proporcionais às diferenças de temperatura interna e externa) e dos efeitos de vento (dependem da velocidade do vento) (López et al., 2012a). Pelo efeito da diferença de temperatura e das forças devido ao vento, o ar quente se eleva e é succionado para fora do ambiente pela janela zenital, favorecendo a entrada de ar pelas aberturas laterais. Entretanto, se a abertura zenital estiver a barlavento, ocorre uma combinação contrária de forças e o ar entra pela janela zenital e circula para baixo, contrário à convecção natural (López et al., 2011).

Estudos em casas de vegetação, com telas antiafídeo e aberturas frontais, laterais e zenitais, analisaram as distribuições dos elementos meteorológicos.

Em quatro casas de vegetação (18 m²), na Tailândia, naturalmente ventiladas, com laterais revestidas com tela antiafídeo de diferentes malhas, a distribuição espacial da temperatura do ar mostrou que a redução da porosidade da tela antiafídeo aumenta os gradientes de temperatura (de 8 a 10°C) (Salokhe et al., 2005), conforme é reduzida a circulação de ar no ambiente interno.

A dependência espacial da temperatura do ar foi classificada como moderada a alta, para os horários (9 h, 12 h e 16 h) e para as alturas (0,3 m, 1,2 m e 2,0 m) avaliados, com variações de 1,3°C, às 16 h, a 3,6°C, às 12 h, em estudo da variabilidade espacial realizado em uma casa de vegetação, de 144 m², em Botucatu (SP), com tela antiafídeo nas laterais e duas janelas frontais (Voltan et al., 2013).

Em diferentes casas de vegetação, foram obtidos diversos gradientes. Entre as faces norte e sul do ambiente, obtiveram-se diferenças de temperatura superiores a 10°C, em dias ensolarados, e de cerca de 2°C, em dias nublados, em casa de vegetação, de 600 m², com cultivo de rosas, em Nice (França), com aberturas laterais e zenitais, revestidas por tela

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antiafídeo (Suay et al., 2008b). Em outra casa de vegetação, de 148 m², naturalmente ventilada, com janelas laterais contínuas revestidas com tela antiafídeo e cultivo de rosas, variação de 1,5°C foi encontrada (Teitel et al., 2008b). Na Colômbia, em casas de vegetação de 5.100 m², com aberturas zenital e lateral, e de 9.792 m², com abertura zenital automatizada, diferença média de 2,3°C de temperatura foi encontrada, com valor máximo de 3,2°C para a primeira casa e de 1,5°C para a segunda casa (Bojacá et al., 2009). Os autores observaram, ainda, que apenas um sensor no centro da casa superestimaria a média de temperatura do ar de toda a área.

Na literatura, autores utilizaram os valores de desvio padrão como critério para avaliação da heterogeneidade do ambiente (Kittas et al., 2008; Morille et al., 2012). Em casa de vegetação na Grécia, com 160 m² e com diferentes tipos de abertura (lateral, zenital ou ambas) e tela antiafídeo, consideraram-se as distribuições da temperatura e da velocidade do ar como homogênea na casa de vegetação com apenas aberturas zenitais (dp=0,22°C), e heterogênea na casa de vegetação sem telas (dp=1,40°C); dentre os ambientes telados, os piores resultados para a homogeneidade (dp=0,70°C) foram encontrados naquele com aberturas zenitais e laterais (Kittas et al., 2008). Em outra casa de vegetação, de 100 m², na França, com janelas zenitais abertas, a diferença da temperatura do ar nos pontos permaneceu baixa e o desvio padrão não excedeu 0,5°C (Morille et al., 2012).

2.2.1.4 Ventilação natural associada à ventilação mecânica

Em condições de ventilação natural, o uso associado da ventilação mecânica pode favorecer a homogeneidade dos elementos meteorológicos (Kittas et al., 2012b), mas isso nem sempre implicará menor gradiente térmico entre os ambientes interno e externo (López et al., 2013). Kittas et al. (2008) observaram que a combinação que mostrou as menores diferenças entre os ambientes interno e externo foi aquela que mostrou também a maior heterogeneidade da temperatura.

Em uma casa de vegetação, de 160 m², na Grécia, com aberturas laterais móveis, observou-se que o uso do ventilador permite um aumento da homogeneidade do ambiente: sem o ventilador, obteve-se uma variação de 1°C e de 4%, em relação ao centro da casa de vegetação; com o ventilador, essa diferença reduziu para 0,4°C e 1% (Kittas et al., 2012b).

López et al. (2013) estudaram o ambiente e o fluxo de ar em uma casa de vegetação de 480 m², em Almería (Espanha), equipada com aberturas laterais e zenitais e ventiladores internamente posicionados. Quando nenhum ventilador foi utilizado, observaram que o ar entrou pela janela zenital e saiu pelas janelas laterais, seguindo o fluxo contrário ao

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do efeito térmico e prejudicando a ventilação natural da casa de vegetação. Em condições de vento moderado e sem ventiladores em operação, o calor acumulou-se no centro da casa de vegetação e esse ar quente ascendeu, mas não conseguiu deixá-la, pois encontrou uma barreira formada pela entrada do ar externo pela janela zenital. O ponto mais quente dentro da casa de vegetação registrou 4,1°C acima da temperatura externa. Ventiladores utilizados internamente ajudaram a circular o ar, permitindo uma homogeneização da temperatura interna. Mas, quando afastados 4 m das janelas laterais, os efeitos do uso dos ventiladores na entrada do ar externo foram insuficientes e eles não auxiliaram na redução da temperatura em dias mais quentes. Posicioná-los a uma distância menor das janelas pode favorecer a entrada do ar externo na casa de vegetação (López et al., 2013).

2.2.2 Distribuição vertical

A variação da temperatura está relacionada com fenômenos de transmissão de calor por condução, convecção e irradiação (Tavares, 2005). Assim, ocorre um gradiente de temperatura no perfil vertical da casa de vegetação, que alcança seu mínimo nas proximidades do solo e seu máximo abaixo da cobertura. Na literatura, trabalhos têm mostrado esses gradientes avaliados isoladamente em diferentes sistemas, como na ventilação natural (Shilo et al., 2004; Soni et al., 2005; Teitel et al., 2008b), ou na ventilação mecânica e no resfriamento evaporativo (Li e Willits, 2008; Kutta e Hubbart, 2014).

Em uma casa de vegetação, de 960 m², em Israel, a abertura das janelas zenitais permitiu a redução da temperatura próxima a elas, com valores de 5,5°C e 9°C próximos às faces leste e oeste, respectivamente (Shilo et al., 2004).

O efeito da abertura da malha da tela (porosidades de 53%, 34%, 33% e 19%) também foi estudado no gradiente vertical da temperatura do ar, em casa de vegetação naturalmente ventilada, com cultivo de tomate (com plantas jovens e maduras, em dois níveis de densidade das plantas - simples e duplo). A maior temperatura foi obtida nos pontos próximos à cobertura, cerca de 5°C superior ao ponto mais frio na direção vertical, sendo que o decréscimo na porosidade aumentou os gradientes verticais de 5% a 10% (Soni et al., 2005). O sistema de resfriamento evaporativo aumentou a variação da temperatura no perfil vertical, e o aumento da taxa de ventilação resultou na redução dessa variação. Trabalhos foram desenvolvidos em diferentes casas de vegetação: de 81 m², na Carolina do Norte, com cultivo de pimentão (Li e Willits, 2008), e de 132 m², com sistemas de ventilação, sombreamento, aquecimento, resfriamento e iluminação artificial e gradientes de 2,9°C m-1 a 11,65°C m-1 (Kutta e Hubbart, 2014).

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A presença de vegetação também modifica o gradiente vertical da temperatura, permitindo tanto a redução (Li e Willits, 2008), quanto a elevação (Soni et al., 2005) das variações entre as medidas. Li e Willits (2008) encontraram variações verticais da temperatura e da umidade relativa do ar de 1,8°C e 10%, com culturas, e 11,5°C e 12%, sem culturas, em casa de vegetação com resfriamento evaporativo e cultivo de pimentão. Já Soni et al. (2005), em casa de vegetação naturalmente ventilada, com cultivo de tomate, observaram que os gradientes foram 14% maiores com vegetação do que sem a vegetação.

2.3 REDE DE SENSORES SEM FIO

Para o campo agrícola, as pesquisas sobre a introdução de tecnologias de redes de sensores sem fio ainda são recentes, porém promissoras (Fontes et al., 2004; Kang et al., 2008a; Kang et al., 2008b; Park e Park, 2011).

O sistema de supervisão e controle, por uma rede de sensores sem fio, representa uma solução economicamente viável na automação de casas de vegetação (Fontes et al., 2004). Os autores desenvolveram o sistema Elipse PRO, em três fases: primeiro, preparados os módulos de hardware; em seguida, configurado um programa de supervisão e controle do tipo SCADA; e, finalmente, coletados os dados para o treinamento da rede em uma casa de vegetação, de 65,6 m², com sistemas automáticos de resfriamento evaporativo, ventilação mecânica, nebulização e sombreamento.

Outro trabalho, que também desenvolveu um sistema de monitoramento e controle automático para casas de vegetação, descreve as suas funções: o sistema coleta as informações do ambiente interno, armazena-as em uma base de dados, checa e pode controlar automática e remotamente as informações (Kang et al., 2008b).

No entanto, a boa comunicação entre os sensores pode ser prejudicada, quando existem obstáculos na comunicação entre nós (Kang et al., 2008a). Em casa de vegetação, onde um vasto número de diferentes culturas pode ser cultivado, quando as plantas ainda estão em fase inicial, seu tamanho é reduzido e há diversos locais apropriados para a instalação dos sensores. Mas, com o crescimento da cultura, os sensores instalados na parte inferior e mais próxima das plantas mostram perdas graduais na comunicação.

São diversas as opções de trabalhos com rede de sensores sem fio. Park e Park (2011), na Índia, propuseram um sistema automático para monitoramento e prevenção do ponto de condensação em casa de vegetação. Para isso, eles construíram um modelo físico que se assemelha a uma estufa, para verificar o desempenho do sistema. Mas, segundo os

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autores, são necessárias pesquisas com desenvolvimento de sistemas em casas de vegetação reais para controle automático das variáveis meteorológicas em cultivo protegido.

Trabalhos vislumbraram a possibilidade de utilizar essa tecnologia também para estudar a distribuição dos elementos meteorológicos no ambiente. Na Finlândia, o monitoramento do ambiente interno de uma casa de vegetação, de 1.440 m², utilizando quatro nós de sensores sem fio, com distância máxima de 15 m entre sensores, detectou diferenças locais entre as medidas de temperatura, umidade relativa, luminosidade e conteúdo de CO2,

acima e abaixo da cultura de tomate (Ahonen et al., 2008). Na Colômbia, apenas um sensor no centro da casa de vegetação superestimaria a média de temperatura do ar de toda a área. O trabalho foi realizado em dois ambientes: um de 5.100 m², com aberturas zenital e lateral, e outro de 9.792 m², com abertura zenital automatizada (Bojacá et al., 2009). Na Holanda, também foram obtidas variações horizontais de 1,0°C a 3,4°C para temperatura, com 100 sensores wireless distribuídos no ambiente de casas de vegetação comerciais, com cultivos de gérbera, matricaria, tomate e pepino (Balendonck et al., 2014).

A utilização de uma rede de sensores sem fio permite a caracterização da distribuição dos elementos meteorológicos, no ambiente interno de uma casa de vegetação. No entanto, a quantidade de sensores necessária ainda é uma informação que precisa ser estudada, em diferentes configurações dos sistemas disponíveis.

Kutta e Hubbart (2014) indicaram que, se o objetivo for alcançar um equilíbrio entre o monitoramento, a eficiência do controle e o investimento na infraestrutura, quatro sensores, espacialmente distribuídos, são recomendados. Por exemplo, no trabalho em casa de vegetação (132 m²), com sistemas de ventilação, sombreamento, aquecimento, resfriamento e iluminação artificial, um sensor em cada lado do sensor central, aproximada e igualmente distantes entre si e próximos às paredes, promoveria o monitoramento horizontal; ainda, dois sensores também seriam adicionados de forma igualmente espaçada acima do sensor central, para detectar variações verticais. Dessa forma, foram recomendados ao menos cinco sensores de temperatura e umidade relativa do ar, para detectar heterogeneidades horizontais e verticais, em uma casa de vegetação.

No entanto, a posição dos sensores deve ser testada e otimizada de forma a alcançar as necessidades de aquisição de dados e a programação do controle, em qualquer casa de vegetação, sendo que mudanças podem ser necessárias com a presença (ou ausência) de vegetação, ou de outras estruturas no ambiente, ou ao longo do tempo (Kutta e Hubbart, 2014).