Ambiência Vegetal em Cultivo Protegido

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AMBIÊNCIA VEGETAL:
estudando o ambiente interno para o conforto das plantas
11 de agosto de 2016
Thais Queiroz Zorzeto Cesar
Pesquisadora Colaboradora
FEAGRI/UNICAMP
ROTEIRO
2
Histórico do cultivo protegido
Importância frente aos desafios atuais
Classificação dos ambientes
Estruturas mais comercializadas no Brasil
Qual a melhor estrutura?
Ambiência vegetal
Elementos meteorológicos
Sistemas de atuação
Balanço de energia e massa 
Documentário BBC: Almería
BBC. Documental de la BBC: Almería. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=8SqdSHSdBUw
Wittwer e Castilla (1995)
Império Romano, para imperador Tiberius Caesar.
Sacolas de pepino, e talvez outras culturas, eram expostas em dias favoráveis e protegidas em tempos severos sob placas transparentes ou folhas de mica.
14 a 37 d.C.
Precursores do cultivo protegido apareceram na Inglaterra, Holanda, França, no Japão e na China, com estruturas quadradas ou retangulares de madeira ou bambu cobertas com placas e cúpulas de vidro, para cobrir sacolas aquecidas e produzir uma variedade de hortaliças e pequenas frutas fora de época. 
Séc. 15 a 18
Casas de vegetação de vidro tornaram-se moda entre a realeza.
Uva, melão, pêssego, morango e tomate, produzidos em casas de vegetação, começaram a aparecer nos mercados ingleses. 
No final do século 19, produção em ambiente protegido estava bem estabelecida.
Séc. 19
Histórico do cultivo protegido no mundo
http://www.europeanbestdestinations.com/top/best-greenhouses-in-europe/#content
Palm House at Kew Gardens - London -England 
É considerada a mais importante estrutura de ferro e vidro da era Vitoriana do mundo. Era utilizada para abrigar palmeiras exóticas introduzidas na Europa.
The Royal Greenhouses - Laeken - Belgium 
In 1873, o arquiteto Alphonse Balat, escolhido pelo Rei Leopold II, projetou um complexo de casas de vegetação junto ao Castelo de Laeken, usando metal e vidro, em pavilhões monumentais, cúpulas de vidro, arcadas amplas, preenchidas com plantas exóticas.
http://www.europeanbestdestinations.com/top/best-greenhouses-in-europe/#content
Palace of Cristal - El Retiro - Madrid - Spain 
O Palácio de Cristal era uma área de lazer para a família real, parte da área do Monasterio de los Jerónimos.
http://www.europeanbestdestinations.com/top/best-greenhouses-in-europe/#content
The Royal Botanic Garden - Edinburgh - Escócia
O Royal Botanic Garden Edinburgh (RBGE) foi fundado no século 17. Hoje, é um Centro para Ciência e Educação em Botânica.
http://www.europeanbestdestinations.com/top/best-greenhouses-in-europe/#content
The Palm House - Belfast - Northern Ireland 
O Palm House contém uma variedade de plantas tropicais e é um dos primeiros exemplos de casa de vegetação feita de ferro curvo e vidro. A estrutura foi terminada por Sir Charles Lanyon em 1852. 
http://www.europeanbestdestinations.com/top/best-greenhouses-in-europe/#content
The Jardin Botanique - Lyon - France 
O Jardin botanique de Lyon foi criado em 1857 e contém cerca de 15.000 plantas.
http://www.europeanbestdestinations.com/top/best-greenhouses-in-europe/#content
http://www.jbrj.gov.br/jardim/historia
Jardim Botânico do Rio de Janeiro - Brasil
O Jardim Botânico do Rio de Janeiro foi fundado em 13 de junho de 1808, o príncipe regente português D. João decidiu instalar no local uma fábrica de pólvora e um jardim para aclimatação de espécies vegetais originárias de outras partes do mundo. 
Jardim Botânico de São Paulo - Brasil
O Jardim Botânico de São Paulo foi criado com a vinda do naturalista Frederico Carlos Hoehne, em 1917, para desenvolver um horto botânico, para o estudo de plantas medicinais.
http://www.jbrj.gov.br/jardim/historia
Wittwer e Castilla (1995).
± 550 ha de estufas de vidro nos EUA, com hortaliças, principalmente tomate (43%), pepino (33%) e alface (18%).
1929
Auge das construções de estufas de vidro nos EUA, Canadá, Inglaterra, Alemanha, Holanda, para vegetais (tomate), e iniciando para flores de corte e plantas ornamentais.
França (1958): experiências para construção de abrigos
simples para plantas,
com filmes de PVC de baixa densidade
(Japão, 1951), no formato de pequenos túneis sobre a cultura. Assim, surgiram as estufas de cultivo
com material plástico.
1950 - 1960
Holanda: maior área de estufas de vidro (5-6.000 ha, 75% tomate). 
Cultivo de flores começou a assumir maior importância.
EUA: cultivo hidropônico (tomate) era atraente, apesar de caro (400 ha, tomate, pepino e alface).
Israel: desenvolveu irrigação por gotejamento.
Expansão da plasticultura, China, Espanha e Itália lideraram o crescimento do cultivo protegido.
1960
150.000 ha de estufas (vidro, plástico e fibra de vidro), sendo 50.000 ha para flores e plantas ornamentais.
1980
Histórico do cultivo protegido no mundo
Rumy Goto (2004). 
Projeto São Tomé, no RS, dentre os usos dos plásticos, filmes para coberturas com finalidade de abrigo para plantas. Sem profissionais preparados tecnicamente para tecnologia, projeto enfraqueceu.
1980 
Cooperativa Agrícola de Cotia (CAC), em SP, utilização dos filmes plásticos para cobertura de estruturas.
Boa repercussão, ampliação imediata da área de produção em SP e PR.
PR pioneiro na utilização do filme de polietileno. Produtores de viticultura começaram a cobrir os parreirais com telas para contornar os problemas com chuvas de granizo. Tecnologia ampliada para produção de pepino, melão, pimentão e tomate cereja.
Estruturas tipo “Londrina”, semelhantes às de Almería, na Espanha, (mourões de eucalipto, telhado em uma água), ou túneis com pé direito baixo (1,5 m), semelhantes aos do Japão.
Histórico do cultivo protegido no Brasil
No Brasil, estima-se que haja 22 mil hectares de cultivo protegido (túneis e estufas), nos quais são produzidas hortaliças e flores. 
Metade dessa área, cerca de 11 mil hectares, no estado de São Paulo. 
Espera-se aumento de 8,8% até 2020 (Hortidaily, 2016). 
Hortidaily (2016) e Silva et al. (2014).
8.515.767
km²
220
km²
http://www.hortidaily.com/print.asp?id=14712
Almería – Espanha – 43.000 ha de estufas em 2015
Produção de tomate, pimentão, pepino, beringela, feijão verde, melão e melancia.
Desafios atuais: Global climate change
NASA. Global Climate Change: Vital signs of the planet. Disponível em: http://climate.nasa.gov/climate_resource_center/earthminute
Brown et al. (2016)
A temperatura média da superfície do planeta subiu cerca de 1,0°C desde o final do século 19, uma mudança em grande parte impulsionada pelo aumento do dióxido de carbono e outras emissões de origem humana na atmosfera (Brown et al., 2016).
Desafios atuais
NSAC ( 2016)
A produção agrícola é responsável por cerca de 10% de todas as emissões de gases de efeito estufa e, também, está entre os principais que sofrerão imediatamente as consequências das mudanças climáticas (NSAC, 2016).
Em 2050 (John Antle, 2015):
Produtividades agrícolas
Preços dos alimentos
15%
30%
Desafios atuais
20
Não obstante a isso, a água necessária para a produção de alimentos e o consumo humano está se tornando escassa em muitas regiões do mundo (OECD, 1998). 
Dessa forma, sob condições de restrições de recursos, a perda de água deve ser minimizada e a percolação de nutrientes deve ser abolida (Van Kooten et al., 2008).
Desafios atuais
21
A nossa capacidade de alimentar 9,5 bilhões de pessoas em 2050, em um contexto de mudanças climáticas, dependerá da nossa capacidade de desenvolver sistemas sustentáveis de produção.
Desafios atuais
22
A produção em casa de vegetação de produtos hortícolas é a mais eficiente em uso de água para sistema de produção de alimentos (Stanghellini, 2014).
Assim, pode contribuir para o desafio de alimentar com uma dieta melhor a crescente população, sem aumentar por conseguinte a necessidade de água para irrigação (Stanghellini, 2014).
Desafios atuais
Classificação dos ambientes protegidos
24
Phytotron:Estruturas transparentes e salas com ambientes controlados, de uso exclusivo para estudos com seres vivos vegetais.
Biotron: 
câmaras de teste, controladas, para pesquisas biológicas, em animais ou vegetais.
Classificação dos ambientes protegidos
25
Câmara de crescimento vegetal (“Growth chambers”):
estruturas com controle ambiental sofisticado, com a finalidade específica de crescimento de plantas.
Gabinete de crescimento
Growth rooms (Wageningen UR)
Germinadores
Classificação dos ambientes protegidos
26
Estufa: 
pouco ou quase nenhum controle sobre os parâmetros climáticos.
Casa de vegetação: 
ambientes controlados, totalmente fechados, com dispositivos termo-mecânicos.
Túnel
Classificação dos ambientes protegidos
Principais estruturas comercializadas no Brasil
28
Principais estruturas comercializadas no Brasil
Duas águas – Capela		 Arco com tirantes de aço	 Arco com treliças
29
 Capela Dente-de-Serra		Arco Dente-de-Serra			Janelas zenitais
Principais estruturas comercializadas no Brasil
Flórida Estufas – www.floridaestufas.com.br
 	Lanternim em arco		Lanternim em duas-águas		Janelas frontais
Principais estruturas comercializadas no Brasil
31
	Essa é uma questão mais fácil de ser perguntada do que respondida.
QUAL ESTRUTURA É A MELHOR?
	A resposta é tão mais complexa quanto mais preciso for o resultado desejado.
32
	É o estudo do ambiente interno de uma casa de vegetação (ou de um ambiente protegido) com a finalidade de atingir as condições de conforto das plantas.
AMBIÊNCIA VEGETAL
33
15 a 25°C e 50 a 70%
(Alvarenga, 2013)
plantas
	Manter condições adequadas dentro do ambiente para promover e otimizar a produção vegetal. 
Alvarenga (2013).
34
monitoramento das variáveis que interferem no ambiente protegido e nas fases de desenvolvimento das plantas.
Ambiente
Radiação solar
Pereira et al. (2002)
É a maior fonte de energia para a Terra, sendo também o principal elemento meteorológico, pois desencadeia todo o processo meteorológico, afetando todos os outros elementos (temperatura, vento, umidade etc).
Radiação solar
Varejão-Silva (2006). 
É a energia que se propaga sem necessidade da presença de um meio material. 
O termo radiação é igualmente aplicado para designar o próprio processo de transferência desse tipo de energia.
Leis da Radiação
Para se entender o regime radiativo de uma superfície, é necessário conhecer algumas leis fundamentais da radiação, principalmente as leis de Wien e de Stefan-Boltzmann. 
Pereira et al. (2002)
Lei de Wien
Essa lei estabelece que o produto entre a temperatura absoluta de um corpo e o comprimento de onda de máxima emissão energética é uma constante.
Pereira et al. (2002)
Quanto menor a temperatura, maior o comprimento de onda de máxima emissão.
Os comprimentos de onda emitidos pela Terra (T = 300K) são considerados “ondas longas”, enquanto que os comprimentos de onda emitidos pelo Sol (T = 6000K) sejam
considerados “ondas curtas”
Lei de Stefan-Boltzman
Essa lei estabelece que todo corpo acima de 0K emite energia radiativa e que a densidade de fluxo dessa energia emitida é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta desse corpo.
Pereira et al. (2002)
Leis da Radiação
Ilustração gráfica das leis de Stefan-Boltzman e Wien. 
Quatro corpos com temperaturas crescentes apresentam potência emitida crescente e comprimento de onda de máxima emissão decrescente.
T1 < T2 < T3 < T4
Q1 < Q2 < Q3 < Q4
λ1 > λ 2 > λ 3 > λ 4
Pereira et al. (2002)
Leis da Radiação
Associando-se as Leis de Wien e de Stefan-Boltzman, entende-se as diferenças entre as radiações emitidas pelo Sol e pela superfície terrestre.
Pereira et al. (2002)
O Sol emite OC com maior emissão em torno de 500nm.
Terra emite OL com maior emissão em torno de 10000nm.
Irradiância solar na superfície da Terra
Os processos de absorção e difusão da radiação solar pela atmosfera promovem atenuação da irradiância solar que atinge a superfície terrestre (global) em relação aos valores observados no topo da atmosfera.
Pereira et al. (2002)
Espectro de Radiação
Pereira et al. (2002)
43% do total irradiado
49% estão no infravermelho próximo
7% no ultravioleta
Stanghellini.
PAR
43% do total irradiado
NIR 
49% do total irradiado
UV
7% 
TEMPERATURA DO AR
Gabriel C. Blain
 É um dos efeitos mais importantes da radiação solar.
 O aquecimento do ar próximo a superfície terrestre ocorre por transporte de calor, por dois processos:
 Condução molecular: Processo lento de troca de calor sensível, através do contato direto entre moléculas, restrito à camada limite superficial
 Difusão Turbulenta(Convecção): parcelas de ar aquecidas pela superfície entram em convecção, transportando calor, vapor d´água, partículas de poeira, etc. para as superfícies superiores
UMIDADE RELATIVA DO AR
O ar atmosférico é composto de uma mistura de gases e vapores. 
De acordo com a Lei de Dalton das pressões parciais, cada constituinte atmosférico exerce pressão sobre a superfície independente da presença dos outros, de tal modo que a pressão total (atmosférica) é igual à soma das pressões de cada gás ou vapor.
Pereira et al. (2002)
UMIDADE RELATIVA DO AR
Pereira et al. (2002)
Lei de Dalton das pressões parciais
“Em uma mistura gasosa, como por exemplo a atmosfera, cada gás exerce uma pressão parcial independente da presença do outro” 
Física
Fotos
Matemática
Ptot = Pfis+ Pmat + Pfotos +Pchoc 
Ptot = Pnão_choc + Pchoc 
Chocolate
UMIDADE RELATIVA DO AR
Pereira et al. (2002)
Lei de Dalton das pressões parciais
“Em uma mistura gasosa, como por exemplo a atmosfera, cada gás exerce uma pressão parcial independente da presença do outro” 
Ar seco
Ar seco
Ar seco
Água
Patm = Par seco + ea 
ea  Pressão atual ou parcial de vapor d’ água
UMIDADE RELATIVA DO AR
Pereira et al. (2002)
ea
ea min =?
ea max = ?
Patm = Par seco + ea 
ea  Pressão atual ou parcial de vapor d’ água
UMIDADE RELATIVA DO AR
Pereira et al. (2002)
ea
ea min = 0
ea max = ?
Patm = Par seco + ea 
ea  Pressão atual ou parcial de vapor d’ água
Ar seco
Ar seco
Ar seco
UMIDADE RELATIVA DO AR
Pereira et al. (2002)
ea
ea min = 0
ea max = es
Patm = Par seco + ea 
ea  Pressão atual ou parcial de vapor d’ água
Ar seco
Ar seco
Ar seco
Água
Água
Água
Água
es  Pressão de saturação de vapor d’ água
UMIDADE RELATIVA DO AR
Pereira et al. (2002)
es_inicial
Patm
Ti
(Tetens) es=0,6108*10[7,5*T/(237,3+T)]
es = f(T)
UR= (ea /es)*100
UR(%) inicial > UR(%) final
Aquecimento
es_final
Patm
Tf
VENTO
Transporte horizontal de energia de uma área seca para outra mais úmida; sendo que essa energia adicional torna-se disponível (nessa área úmida) para o processo da evapotranspiração. 
O vento também contribui com a remoção das camadas de ar próximas à vegetação que atingiram o ponto de saturação (ea =es).
Pereira et al. (2002)
GASES
Boodley e Newman (2009)
Oxigênio:
Humanos, animais e plantas, todos precisam de oxigênio para manutenção da vida.
A atmosfera normal consiste em muitos gases: 
O2 – 20,9%
N – 78%
CO2 – 0,033%
H e outros gases – restante da 1,067%
Os principais tecidos das plantas são formados por carboidratos (C6H12O6), produzidos pelas plantas a partir do carbono e do oxigênio do ar. O hidrogênio provém da água absorvida pelas raízes.
56
 As respostas das plantas são influenciadas:
Fotossíntese: radiação, temperatura, CO2;
Respiração: temperatura;
Transpiração: déficit de pressão de vapor do ar;
56
(BECKMANN et al., 2006; CHAVARRIA et al. 2009; EMBRAPA) 
Distúrbio fisiológico no tomateiro – altas T
Podridão apical – Ca e UR em excesso ou deficiente
57
Desbalanço hídrico e bruscas variações de temperatura
57
(BECKMANN et al., 2006; CHAVARRIA et al. 2009; EMBRAPA) 
Mofo cinzento – alta UR
Deficiência Ca e UR em excesso ou deficiente
58
Fruto albino, baixa
translocaçãodo açúcar para o fruto - alta T seguida de dias nublados.
58
monitoramento das variáveis que interferem no ambiente protegido e nas fases de desenvolvimento das plantas e controle dos sistemas para alcançar as condições de conforto.
Ambiente
Stanghellini (2014)
Em condições tropicais, há 3 formas de lidar com o problema de acúmulo de calor: 
removendo o calor extra por meio da troca de ar, por ventilação; 
reduzindo a radiação incidente, por sombreamento; 
aumentando a fração de energia convertida em calor latente, por resfriamento evaporativo 
Sistemas de atuação
Chen (2003).
Sombreamento
62
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 e auxiliam na redução da perda de calor à noite (Both, 2008). 
Sombreamento
63
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).
Sombreamento
% de sombreamento: 50-55
% de sombreamento: 80-85
% de sombreamento: 30-35
Sombreamento – telas termorrefletoras
% sombreamento: 40-43
% reflexão: 40
% luz difusa: 72
% conservação energia: 15
% sombreamento: 60-64
% reflexão: 60
% luz difusa: 55
% conservação energia: 36
% sombreamento: 70-74
% reflexão: 70
% luz difusa: 45
% conservação energia: 45
Sombreamento – telas de escurecimento
% sombreamento: 100
% reflexão: 100
% conservação energia: 75
% sombreamento: 100
% reflexão: 100
% conservação energia: 75
Ventilação
Boodley e Newman (2009).
Há três razões para se ventilar uma casa de vegetação: 
(1) reduzir a Tar quando ela se torna muito alta; 
(2) permitir a troca do ar e renovar o suprimento de CO2 para fotossíntese; 
(3) reduzir a UR como forma de controle de doenças.
Ventilação natural
68
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). 
A ventilação natural pode ser efetivamente usada para manter o ambiente da casa de vegetação propício para o crescimento das plantas, quando as condições ambientais não forem extremas (Ganguly e Ghosh, 2009).
Ventilação natural
(Both, 2008; López et al., 2012a). 
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) 
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).
Ventilação natural
70
As características importantes desse sistema são a área total das aberturas, suas posições na casa de vegetação (apenas no teto ou no teto e nas paredes laterais) e suas posições relativas à direção do vento.
Zorzeto (2015)
Zorzeto (2015)
Zorzeto (2015)
Ventilação mecânica
73
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).
Zorzeto (2015)
Zorzeto (2015)
Resfriamento evaporativo
76
Nas regiões onde o verão não é muito severo e a T máx 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 T do ambiente geralmente ultrapassa 40°C, o RE é o sistema mais efetivo para reduzir a T da casa de vegetação abaixo da T do ambiente externo.
(Sethi e Sharma, 2007). 
O exaustor ligado forçará a passagem do ar externo para o ambiente interno, pelo meio poroso umidificado. A evaporação de água, para ocorrer, precisa de energia, que é retirada do meio, do calor sensível do ambiente (540 cal/g), reduzindo sua T, e pela transformação da água líquida em vapor, aumentando sua UR.
O máx resfriamento depende da UR e da T inicial do ar:
 
quanto mais seco o ar, maior a quantidade de vapor de água que pode ser absorvida e menor a T alcançada;
 
quanto mais quente o ar, mais vapor de água ele poderá conter, comparado com o ar frio, e maior será o resfriamento.
T UR η
Resfriamento evaporativo
Resfriamento evaporativo
79
Por nebulização: água forçada através de nebulizadores (500 a 600 psi), instalados a 3 m acima das culturas, umidificam o ar e mantêm as folhas secas.
Por meio poroso: faz parte do sistema de ventilação da casa de vegetação (Both, 2008)
Zorzeto (2015)
Zorzeto (2015)
82
	Essa é uma questão mais fácil de ser perguntada do que respondida.
QUAL ESTRUTURA É A MELHOR?
	A resposta é tão mais complexa quanto mais preciso for o resultado desejado.
Qual estrutura é a melhor?
https://www.wageningenur.nl/en/newsarticle/Finding-the-most-economical-greenhouse-design-for-a-specific-location-in-the-world.htm
Qual estrutura é a melhor?
Vanthoor et al. (2011)
Vanthoor et al. (2011).
BALANÇO DE ENERGIA E MASSA
86
A partir do balanço de energia e do balanço de massa
Determinar condições ambientais internas
Comparar com exigências das plantas
Ambiente interno = Ambiente de conforto para planta?
OK!
Aplicação de tecnologias para adequação do ambiente.
86
Ambientes protegidos
87
Em projetos de ambientes protegidos, principais objetivos:
 estimativa das condições climáticas internas;
em função das condições ambientais externas;
para estabelecer a viabilidade adequada de produção.
87
88
Processos de trocas de energia que envolvem o ambiente de uma casa de vegetação.
Calefação
Umidificação
Condensação
Ventilação
Condução
Radiação solar
direta
Condução
Radiação
Evapotranspiração
Radiação solar
difusa
Balanço de energia e massa
89
 Permite a simulação da:
 Temperatura interna do ar
 Umidade Relativa do ar
 Uma ferramenta de auxílio que possibilita:
 Avaliar as condições do ambiente
 Escolher o sistema mais adequado
 Optar por graus tecnológicos mais avançados
Simulação
90
 Evitar custos com energia, mão de obra e material
 Proporcionar ao agricultor melhora de renda
Modelos de simulação
91
Hellickson e Walker
Albright
ASABE e ASHRAE
Conceitos
92
 Importantes conceitos que formam a base da análise de conforto ambiental:
 volume de controle, 
 balanço de energia,
 balanço de massa. 
92
Balanço de energia
93
Determina as condições internas da casa de vegetação para a produção, para qualquer período do ano;
Equaciona o ganho e a perda de calor para a estrutura;
 Fornece valores estimados da Ti.
Balanço de energia
94
Este cálculo pode ser:
Instantaneamente
Verão – entre 12:00 e 15:00
Inverno – entre 4:30 e 6:30
Balanço de energia
95
O método assume:
Condições de estado constante.
O balanço de energia envolve:
Influência do aquecimento por radiação solar
Perdas por condução
Transpiração das plantas
Dissipação de calor pelo piso.
(HELLICKSON & WALKER, 1983) 
= ganho de calor solar 
= ganho por equipamentos 
= ganho por aquecimento 
ganho por respiração = 
ganho ou perda por condução = 
ganho ou perda pelo piso = 
= ganho ou perda por ventilação 
= ganho ou perda por infiltração 
= perda por radiação térmica para céu
= perda para fotossíntese 
Balanço de energia
96
96
qrad + qequ + qaqu + qresp= ± (qcnd + qpis) + qven + qinf + qrtc + qfot
(HELLICKSON & WALKER, 1983) 
Balanço de energia
97
97
98
98
qrad + qequ + qaqu + qresp = ± (qcnd + qpis) + qven + qinf + qsl + qrtc + qfot
qrad = calor sensível proveniente do sol, [W]
qequ = calor de fontes da energia térmica proveniente de motores, equipamentos, iluminarias, pessoas etc., [W]
qaqu = calor sensível do sistema de aquecimento, [W]
qresp = calor sensível de respiração do produto, [W]
qcnd = calor sensível de condução da estrutura, [ W ]
qpis = calor sensível transferido do (ao) solo ou do (ao) piso pelo perímetro, [ W ]
qven = calor sensível do ar de ventilação (natural ou mecânica), [W]
qinf = calor sensível de infiltração involuntária pelas frestas, [W]
qsl = calor sensível usado na conversão em latente, [W]
qrtc= calor de reirradiação térmica para o céu, [ W ]
qfot = calor sensível usado para a fotossíntese, [ W ]
Balanço de energia
99
 qrad: ganho líquido de calor solar (W)
= transmitância da superfície de cobertura para a radiação solar;
= intensidade solar numa superfície horizontal (W m-2);
Ap = área do piso da casa de vegetação ou estufa (m2).
99
É contínuo sempre que em operação ou presente.
Balanço de energia
100
 qequ: ganho de calor solar por equipamentos, iluminação (W)
100
Balanço de energia
101
 qaqu: ganho de calor por fontes de aquecimento
Apenas é considerado quando há a necessidade de aquecimento da casa de vegetação para determinada cultura.
101
Balanço de energia
102
 qresp: ganho de calor por respiração das plantas.
Os autores exemplificam com o ganho de calor por respiração das plantas (qresp), que varia conforme as condições vegetais, de iluminação e de temperatura, mas é desprezível em relação à perda de calor do ambiente para a realização da fotossíntese (qfot), representando de 10 a 12,5% de qfot.
102
Balanço de energia
103
 qfot: perda de calor do ambiente para fotossíntese 
Apesar de a energia associada com a fotossíntese (qfot) ser superior àquela da respiração das plantas (qresp), 
ainda assim, é insignificante quando comparada com outros ganhos ou perdas de calor, 
cerca de 3% da radiação solar incidente sobre as folhas das plantas e apenas ocorre quando há radiação solar (HELLICKSON & WALKER, 1983).
103
Balanço de energia
104
 qcnd: ganho ou perda de calor por condução 
Uma vez que o material de cobertura e de fechamento lateral da casa de vegetação possui uma espessura muito fina e transparente, a perda ou o ganho de calor por condução pode ou não ser significante no balanço de energia durante o inverno e o verão, respectivamente 
(LEAL & COSTA, 2010).
U = coeficiente global de transferência de calor, W m-2 K-1;
A = área de cobertura por material transparente (frente + lateral + telhado), m2;
Ti, Te = temperaturas absolutas internas e externas, respectivamente, em K.
104
105
Tipo de material
Valor do coeficiente (W/m2C)
Vidro simples selado
6,3
Plástico único de polietileno
6,8 a 7,14
Fibra de vidro simples
6,8
Duplo plástico de polietileno
4,0
Parede dupla rígida de acrílico
3,0
Vidro duplo selado
3,0
Duplo plástico sobre vidro
3,0
Plástico simples + cobertor térmico
3,0
Duplo plástico + cobertor térmico
2,5
Coeficientes globais de transferência de calor aproximados de alguns materiais
Balanço de energia
106
 qpis: perda ou ganho de calor pelo piso da casa
Em geral, em casas de vegetação, os pisos não são isolados e o calor transferido é geralmente muito pequeno em comparação com aquele transferido pelos outros limites do volume de controle, como as paredes e as coberturas 
(HELLICKSON & WALKER, 1983).
F = fator perimetral (W m-1 K-1).
106
Balanço de energia
107
 qven: perda ou ganho de calor por ventilação 
Calor removido pela ventilação natural ou mecânica do ar, possui dois componentes: o calor sensível e o calor latente.
O calor sensível é a porção da energia total removida da casa de vegetação pelo ar de ventilação referente ao acréscimo de temperatura no ar.
O calor latente é aquele removido como vapor e que provém principalmente da transpiração das plantas e da evaporação de água do solo.
qsv = calor sensível de ventilação (W)
qsl = calor latente de ventilação (W)
107
108
em que:
 = fluxo de massa do ar de ventilação (kg/s)
cp = calor específico do ar (J / kg K)
 qsv: calor sensível por ventilação 
Balanço de energia
109
E =0.35 (para estruturas agrícolas)
Vv = velocidade do vento, (m/s)
Aa = área de abertura, (m2)
Para estufas abertas, com ventilação natural:
A relação entre o fluxo volumétrico ( ) e o fluxo mássico ( ):
 = fluxo mássico, [ kg/s ]
 = fluxo volumétrico, [ m3/s ]
 = densidade do ar, [kg/m3 ]
110
E = razão da evapotranspiração e radiação solar (entre 1,0 e 0,5) 
Fc = fator de cultivo (razão entre área cultivada e área do piso)
 qsl: calor latente por ventilação 
Balanço de energia
Balanço de energia
111
 qinf: perda ou ganho de calor por infiltração 
A infiltração corresponde ao movimento natural do ar devido ao vazamento através de fissuras ou pequenas aberturas na estrutura das casas de vegetação.
A energia é idêntica à perdida por ventilação. Só é usada quando a estrutura está totalmente fechada e não tem sistema de ventilação em operação.
111
Balanço de energia
112
 qrtc: perda de calor por radiação térmica para o céu 
sup = emissividade da superfície interna (piso ou vegetação)
t = transmitância térmica do plástico
Ap = área do piso
 = constante de Stephan Boltzmann = 5.678 * 10-8 W/m2*K4
Ti = temperatura interna, [ K ]
Te = temperatura externa, [ K ]
ar = emissividade do ar (depende da Tpo do céu)
112
113
Tipo de filme
Média diária de
transmitância solar
Transmitância térmica (t)
Superfície simples
Superfície
dupla
Superfície
simples
Polietileno (0,10mm)
89
79
80
Fibra de vidro plana (0,64mm)
83
70
12
Fibra de vidro especial plana (1,02mm)
73
50
6
Poliéster climatizáveis (0,13mm)
87
78
32
Fibra de vidro corrugada (1,02mm)
79
62
8
Vidro simples (3,18mm)
88
78
3
Policarbonato (1,59mm)
84
73
6
Polivinilfluoreto (0,08mm)
91
84
43
114
Temperatura de ponto de orvalho (oC)
Emissividade aparente
(a)
-17,8
0,730
-6,7
0,775
4,4
0,818
15,6
0,858
26,7
0,883
Emissividade aparente da atmosfera
115
Cada caso deve ser analisado com cuidado. 
Os balanços de energia e de massa são facilmente calculados usando equações simples de serem implementadas.
Mas os projetos devem ser cuidadosamente analisados para que apresentem valores estimados próximos do real.
Avaliação
116
Cálculo de BE, 
em estruturas totalmente fechadas, 
para situação de verão 
Neste caso, desconsidera-se: 
Qequ = Qaqu = Qsve=Qsvs = 0
117
Cálculo de BE, 
em estruturas totalmente abertas ou semiabertas, 
para situação de verão 
Neste caso, desconsidera-se: 
Qequ = Qaqu = 0
118
Cálculo de BE, 
em estruturas totalmente fechadas, 
para situação de inverno 
Neste caso, desconsidera-se: 
Qrad = Qfot =Qsv=(Qsve-Qsvs) =Qsl= 0
 
119
Cálculo de BE, 
em estruturas totalmente abertas ou semiabertas, 
para situação de inverno 
Neste caso desconsidera-se: 
Qaqu = Qrad = Qfot = Qper =Qsl = 0
120
As instalações para produção vegetal geralmente são ventiladas visando ao controle de temperatura, somente. 
Altas UR não são toleráveis, embora seja possível atingir valores entre 70 e 90%. 
A produção de UR é função da densidade das plantas, intensidade de luz e práticas de manejo de água e não tem sido quantificado de maneira útil para projetos. Por isso, embora as relações de balanço de massa aplicam-se às casas de vegetação, elas são pouco usadas em projetos de sistemas de controle ambiental.
Balanço de massa
Balanço de massa
121
O balanço de massa fornece, implicitamente, valores estimados da URi, para condições de verão e de inverno.
taxa do material 
produzido dentro do 
volume de controle 
taxa material transportado para espaço internotaxa material transportado para espaço externo
 ALBRIGHT (1990) 
121
122
	= 	umidade adicionada ao ambiente da casa de vegetação 	 		por evapotranspiração, em kg/s;
	=	umidade trocada pelo ar de ventilação natural ou 				mecânica, em kg/s.
 Níveis de umidade no verão:
Balanço de massa
Balanço de massa
123
A umidade removida pelo ar de ventilação:
= umidade trocada pelo ar de ventilação natural ou mecânica (kg s-1); 
= fluxo de massa do ar seco de ventilação (kgar seco s-1); 
Wi e We = umidades absolutas do ar interno e externo (kgvapor kgar seco-1).
123
124
Balanço de massa
	= fluxo mássico de ar (kga/s)
wi	= umidade absoluta do ar interno (kgv/kga)
we	= umidade absoluta do ar externo (kgv/kga)
	= fluxo mássico de vapor de água produzida pelas plantas (kgv/s)
125
URi = umidade relativa interna (%)
Ac = área de contorno da casa de vegetação (m2)
Apm = área do piso molhado (m2)
psc = pressão de saturação do vapor associado com a Ti de contorno (kPa)
psi = pressão de saturação do vapor associado com a Ti (kPa)
Balanço de massa
 Níveis de umidade no inverno:
Com circulação de ar positiva, 
Assume-se que Tsup da planta = Tpo de condensação, 
Considera-se a re-evaporação das superfícies do solo e da planta.
126
Atp= área total do piso da estufa ou casa de vegetação (m2)
Cd= coeficiente de difusão
pvi= pressão de vapor do ar interno (kPa)
Balanço de massa
 Níveis de umidade no inverno:
Se UR durante o inverno > do que as aceitas pela produção, pode ser reduzida por circulação do ar, ventilação negativa (exaustão) ou ventilação positiva.
A equação de evapotranspiração, para determinação da UR noturna em casas de vegetação ventilada, pode ser descrita por:
127
CASO Ti  TCONFORTO  ok! Verificar mín / máx para planta
CASO Ti  TCONFORTO  Promover alterações
CASO URi  URCONFORTO  ok! Verificar mín / máx para planta
CASO URi  URCONFORTO  Promover alterações
Avaliação - Verão
128
CASO Ti  TCONFORTO  ok! Verificar mín / máx para planta
CASO Ti  TCONFORTO  Promover alterações
CASO URi  URCONFORTO  ok! Verificar mín / máx para planta
CASO URi  URCONFORTO  Promover alterações
Avaliação - Inverno
129
CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA NA PRODUÇÃO DE MORANGO (Fragaria x ananassa Duch) EM CASA DE VEGETAÇÃO UTILIZANDO CULTIVO HIDROPÔNICO
EXEMPLO
 O morangueiro
 clima temperado
 temperatura 18 -25 °C
 umidade relativa 60-75%
 intensidade de radiação solar 60 W/m2
 VERÃO e INVERNO (Tbs)
130
 VERÃO E INVERNO (UR)
131
 VERÃO E INVERNO (Vv)
132
 Dados Construtivos da casa-de-vegetação
 Comprimento = 11,5 m 
 Largura = 6,5 m 
 Altura do pé-direito = 3,0 m 
 Altura = 2,0 m 
 Perímetro = 36,0 m
 Área de piso = 74,75 m2 
 Volume da estrutura = 299 m3 
 Área de contorno = 208,77 m2 
Estrutura fechada verão
134
 Neste caso : Qequ = Qaqu = Qven = 0 
qrad + qequ + qaqu + qresp = ± (qcnd + qpis) + qven + qinf + qrtc + qfot
Estrutura fechada verão
135
 Qfot = 1667,23 W 
 Qresp = 166,723 W
 I = 808,12 W/m2 
 Ap = área do piso = 74,75m2
  = 0,92
 Qrad = 55574,4 W 
Estrutura fechada verão
136
 U = 7,14 W/m2 oC
 Qce = 1490,62 * (-302,52 + Ti) W
 Ac = 208,77 m2
 T = Ti - Te 
 Te = 29,37oC = 302,52 K
 F = 1,15 W/m*K 
 Qsp = 41,4 * (-302,52 + Ti) W
 Per = perímetro = 36 m 
Estrutura fechada verão 
137
 sup = 0,92
 Qtt = 3,12*10-6 * (-7,102*109 + Ti4 ) W
 t = 0,80 
  = 5,678 * 10-8 W/m2 K
 ar = 0,848 (Tcéu =17,3oC, UR=76,7%, Tpo=13oC)
 Tcéu = 0,0552*Te1.5
Estrutura fechada verão
138
 Assim, obtém-se 
 Ti = 328,55 K = 55,4 oC
Estrutura aberta verão
139
 Neste caso: Qequ = Qaqu = 0
 Ac = 139,77 m2
qrad + qequ + qaqu + qresp = ± (qcnd + qpis) + qven + qinf + qrtc + qfot
Estrutura aberta verão
140
 Cp = 1006 J/Kg*K
 E = 0,5 ( Varia de 0 a 1,0)
 Fc = 56,4/74,75 = 0,75
Estrutura aberta verão 
141
  = 1.06 kg/m3 
 E =0,35 (para estruturas agrícolas )
 Vv = velocidade do vento = 1,67 m/s 
 Aa = área de abertura = 34,5 m2
 Qsl = 13208.3 W 
 Qv = 21503.4 (-302.52 + Ti) W
Estrutura aberta verão 
142
 Assim, obtém-se:
 Ti = 303,798 K = 30,65 oC
Estrutura fechada inverno
143
 Qrad = Qequ = Qaqu = Qfot = Qven = 0 
qrad + qequ + qaqu + qresp = ± (qcnd + qpis) + qven + qinf + qrtc + qfot
Estrutura fechada inverno
144
 mp = massa do produto no interior da CV = 109,824 kg 
 R = calor de respiração do produto = 2.25 kJ/kg*h
 Qr = 68,64 W 
Estrutura fechada inverno
145
 Fazendo o balanço de energia, tem-se: 
 Ti = 283,033 K = 9,88 oC
Estrutura aberta inverno
146
 Neste caso: 
Qaqu = Qequ = Qrad = Qfot = Qper = 0
 Ti = 285,62 K = 12,3 0C
qrad + qequ + qaqu + qresp = ± (qcnd + qpis) + qven + qinf + qrtc + qfot
Balanço de Massa – Aberta Verão
147
 Wi = 0,0218076 kgv/kga
 URi = 70,3%
Balanço de Massa – Aberta Inverno
148
 Wi = 0,0066683 kgv/kga
 URi =69,2% 
AVALIAÇÃO
149
Fechada no verão: Ti = 55,4°C >> Tconforto
Aberta no verão: Ti = 30,65°C > Tconforto 
Fechada no inverno: Ti = 9,88°C < Tconforto
Aberta no inverno: Ti = 12,3°C < Tconforto
RE diminui a Ti e propicia um ambiente adequado
Verão: desaconselhável fechada. 
UR (verão e inverno) não será problema para a produção do morango
150
Aberta no verão: URi = 70,3 %. – OK. 
Aberta no inverno: URi = 69,2 %
AVALIAÇÃO
Concluindo...
151
Quando começou?
Império Romano
Sacolas de pepino
14 a 37 d.C.
Séc. 19
Expansão da plasticultura
1960
150.000 ha de estufas
1980
Almería – Espanha – 43.000 ha de estufas em 2015
Espera-se aumento de 8,8% até 2020 (Hortidaily, 2016). 
Concluindo...
152
Desafios...
Em 2050:
Produtividades agrícolas
Preços dos alimentos
15%
30%
Concluindo...
153
A produção em casa de vegetação pode contribuir para o desafio de alimentar com uma dieta melhor a crescente população, 
sem aumentar por conseguinte a necessidade 
de água para irrigação 
(Stanghellini, 2014).
Solução!
Concluindo...
154
QUAL ESTRUTURA É A MELHOR?
Como escolher?
Concluindo...
155
	É o estudo do ambiente interno de uma casa de vegetação (ou de um ambiente protegido) com a finalidade de atingir as condições de conforto das plantas.
Ambiência vegetal!
Concluindo...
156
Estudando os elementos...
Concluindo...
157
Ambiência vegetal!
Concluindo...
158
Calefação
Umidificação
Condensação
Ventilação
Condução
Radiação solar
direta
Condução
Radiação
Evapotranspiração
Radiação solar
difusa
Concluindo...
159
Ambiente interno = Ambiente de conforto para planta?
OK!
Aplicação de tecnologias para adequação do ambiente.
Concluindo...
Ambiência vegetal!
Stanghellini (2014)
Concluindo...
Zorzeto (2015)
Controle é necessário!
Referências
162
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163
tqzorzeto@gmail.com
	MOTORES ELÉTRICOS
	Potência
(na placa)
	Eficiência
Aproximada
	Carga Térmica
	CV
	(%)
	kcal/h
	kJ/h
	Até ¼
	60
	1050
	4396
	½ a 1
	70
	900
	3768
	1½ a 5
	80
	800
	3349
	71/2 a 20
	85
	750
	3140
	Acima de 20
	88
	725
	3035