Revisão de Literatura - CARACTERIZAÇÃO E AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE ESTUFAS AGRÍCOLAS (ESALQ/USP)

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”
Departamento de Engenharia de Biossistemas
REVISÃO DE LITERATURA
CARACTERIZAÇÃO E AVALIAÇÃO DO
COMPORTAMENTO TÉRMICO DE ESTUFAS AGRÍCOLAS
Revisão de Literatura apresentada à Disciplina LEB0200
Física do Ambiente Agrícola, como parte das exigências
de avaliação final. Disciplina sob a responsabilidade do
ministrada pelo Prof. Jarbas H. de Miranda,
Departamento de Engenharia de Biossistemas, Escola
Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” ESALQ/USP.
GRUPO 10
Elianara Carvalho Cardoso - 11785487
Ellen Grous - 11784980
Gabriela Lima Alves - 11785316
Isabelle Franciscão Braga - 11385011
Kenderson Gabriel Gonçalves dos Reis - 11785445
Larissa Olaya Belem - 11785125
Mariana Yuki Iuanami - 11910701
Rodrigo Aoki dos Santos - 11785549
Piracicaba - SP
Julho/2021
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Sumário
RESUMO 2
1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA 3
2. SÍNTESE DA BIBLIOGRAFIA FUNDAMENTAL 3
2.1 Caracterização de estufas agrícolas 3
2.2 Radiação térmica e atenuação 7
2.3 Comportamento térmico de estufas 9
2.4 Casos com aplicações de estufas agrícolas 11
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 12
RESUMO
As estufas agrícolas são ambientes artificiais de cultivo protegido, que permitem o
pesquisador ou produtor obter uma produção mais segura e precisa através do controle climático
interno, que influencia diretamente no desenvolvimento fisiológico das plantas. Além disso, a
estrutura da estufa interfere diretamente na qualidade do microclima do interior, uma vez que
superfícies mais lisas e polidas tendem a refletir melhor as ondas de radiação incididas sobre elas. Já
as superfícies áspera e rugosas são inversamente proporcionais e absorvem melhor as ondas de
radiação, dado que uma fração ínfima da radiação emitida pelo sol acha-se no aspecto de raios
infravermelhos e ultravioleta, no entanto, a maioria está no espectro visível de 40 a 700 nm sendo
uma parte absorvida e outra refletida novamente ao espaço. Dessa forma, as propriedades e
modelos atribuídos têm atuações que influenciam o comportamento mecânico das estufas,
interferindo na transmissão da radiação solar, conservação de energia e ventilação, podendo
interferir também diretamente no comportamento do solo.
Palavras-chave: estufas agrícolas; radiação térmica; microclima; comportamento térmico.
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1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA
O estudo do comportamento das estufas agrícolas tem sido foco de inúmeras pesquisas e
investimentos que buscam melhorar índices de produtividade, reduzir perdas, reduzir custos de
produção e diminuir o período entre safras. Em vários estudos, a busca por otimização dos
processos energéticos envolvidos e o controle de condições biológicas e climáticas recebem o
foco das atenções. O aporte de calor no interior da estufa através da energia solar vem a ser uma
solução para a climatização do ambiente cultivado, sem impacto ambiental e dependendo da
sofisticação de baixo custo. Estes sistemas de construções têm a finalidade de melhorar a
qualidade e a previsibilidade das culturas, implicando no controle de fatores tais como, umidade,
temperatura, radiação solar, nível de dióxido de carbono interno, bem como a proteção da cultura
às ações de chuvas, ventos intensos e pragas.
À face do exposto, esta revisão objetiva caracterizar e avaliar o comportamento térmico de
estufas agrícolas, em razão de sua grande importância, de modo a assimilar e contextualizar o
conteúdo de radiação térmica e condução térmica estudado na disciplina de Física do Ambiente
Agrícola.
2. SÍNTESE DA BIBLIOGRAFIA FUNDAMENTAL
2.1 Caracterização de estufas agrícolas
As estufas agrícolas são definidas como um ambiente artificial construído para a proteção
e/ou para o controle climático a propiciar o desenvolvimento de produtos agrícolas, cujas dimensões
possibilitem o trabalho de pessoas em seu interior e que suas características otimizem a transmissão
de radiação solar nas condições ideais (SANTOS, 2017). São exemplos de ambiente para cultivo
protegido dos mais utilizados na agricultura. Elas fornecem as condições climáticas necessárias para
o crescimento saudável das plantas e a sua produção intensiva.
As propriedades físicas do material de revestimento também influenciam a qualidade
do microclima interior, ao passo que as propriedades mecânicas influenciam o projeto
estrutural e o comportamento mecânico da estufa. Por exemplo, estufas revestidas com vidro
normalmente têm telhados inclinados, enquanto estufas revestidas com filme plástico podem
ter telhados inclinados, “shed roof”, ou telhados arqueados. Por esta razão, os aspetos funcionais da
estrutura das estufas influenciam não só a transmissão da radiação solar, conservação de
energia e ventilação, mas também a forma como se realiza a condensação, ou o próprio
comportamento do solo, o que irá impor requisitos de projeto nas estruturas de estufas. As estufas
de vidro são as estruturas mais usadas em regiões frias e em regiões quentes, o plástico (ELSNER et
al., 2000).
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Nos últimos anos, as folhas e filmes sintéticos têm substituído o vidro como revestimento da
maioria das estufas. Em muitos países, especialmente, naqueles que possuem climas quentes, os
revestimentos com plásticos são muito utilizados. Este material é de baixo custo, leve e de
fácil aplicação, porque pode ser ajustado facilmente em qualquer estrutura de estufa e pode
oferecer boas propriedades funcionais tais como alta transmitância de radiação solar e bom
isolamento. Por outro lado, estão associados a uma curta longevidade do material obrigando a
substituições frequentes e uma manutenção trabalhosa. A utilização de plástico pode ser feita
através de placas rígidas ou rolos de plástico com espessuras muito finas, sendo as primeiras
uma boa alternativa ao vidro, sempre que possível. Pode ser utilizado ainda com folha simples ou
folha dupla, tendo esta última a vantagem da economia de energia, comparativamente com os
materiais usados isoladamente (ELSNER et al., 2000).
Além disso, uma desvantagem da utilização dos plásticos no revestimento das estufas é a
sua substituição com frequência, como já falado anteriormente, o que causa um acúmulo desse
plástico, e como sabemos, o plástico é um material que demora quase 500 anos para se decompor.
Além disso, as estufas agrícolas podem ser construídas por diversos materiais, bambu, madeira e aço,
que são materiais adequados para construção de estufas de plástico. As estruturas para estufas de
vidro ou plástico rígido são normalmente de alumínio ou aço.
Figura 1. Ilustração de estufa de vidro.
Fonte: <br.freepik.com>
O material de revestimento e as propriedades de isolamento do sistema de
aquecimento devem ser escolhidos para se ajustarem às necessidades de aquecimento durante
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os períodos frios de inverno. Já nas condições quentes de verão, as estufas requerem sistemas
de arrefecimento e grandes aberturas para ventilação (ELSNER et al., 2000).
As estufas em aço oferecem alta resistência e longevidade com baixos custos iniciais, embora
os custos de manutenção da estrutura em aço possam ser caros. Outra vantagem é a alta resistência
do aço, que torna possível a utilização de elementos estruturais com secções mais pequenas,
minimizando o sombreamento provocado pela estrutura. Contudo, este material necessita de
ser protegido contra a corrosão. Uma desvantagem, tanto no aço quanto no alumínio que também
pode ser utilizado na construção das estufas, é que como o aço é mais resistente ao calor, esse fator
pode proporcionar a perda ou ganho de calor por meio da estrutura, podendo ser significativa.
Como citado, as estufas também podem ser construídas com madeira ou bambu, além de ser
uma matéria prima bem mais barata os custos iniciais permitem suplantar os custos elevados ao
nível da manutenção. Porém necessitam de muitos tratamentos para resistir à deterioração, assim
como o risco de incêndio a madeira pode inchar ou encolher devido à humidade, o que pode
interferircom a qualidade estrutural.
Figura 2. Estufa de plástico feita com aço.
Fonte: Pinterest
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Figura 3. Estufa feita com bambu.
Fonte: Carlos Henrique Boscardin Nauiack
As estufas agrícolas têm formas para serem montadas, elas podem ter como estruturas
principais em arco, de duas águas, também a estrutura de teto convectivo retilíneo e com teto
retrátil.
Figura 4. Estufa de túnel baixo com formato de arco.
Fonte: Embrapa
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Figura 5. Estufa de teto convectivo retilíneo.
Fonte: Casa do Produtor Rural
2.2 Radiação térmica e atenuação
A radiação térmica é a transferência de calor de um determinado corpo para outro na forma
de ondas eletromagnéticas, fenômeno o qual pode ser apresentado em materiais sólidos ou líquidos,
cuja ocorrência depende apenas de suas temperaturas. Quando dois corpos são posicionados
próximos um ao outro, sem o contato direto entre eles, o corpo com a maior temperatura (T1) realiza
um troca de energia com o corpo de menor temperatura (T2) através da radiação térmica. No
processo citado a troca será sempre de T1 para T2, sendo T1 o emissor e T2 o receptor que absorve
as ondas emitidas pelo corpo de maior energia, até que os dois atinjam um equilíbrio térmico
(OKUNO et al., 1982).
Figura 6. Emissão de ondas eletromagnéticas através da radiação térmica.
Fonte: próprios autores (2021)
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Salvo o corpo negro, que apresenta a capacidade de absorver toda a radiação incidida sobre
ele, de forma geral os corpos com alta absortância térmica também tem boa emitância, porém são
péssimos refletores, pois um corpo que naturalmente absorve mais sempre refletirá menos. De tal
forma, um material com superfícies mais lisas e polidas tendem a refletir melhor as ondas de
radiação incididas sobre ela, ao contrário das superfícies mais ásperas ou rugosas, que apresentam
alto grau de absorção da radiação (LAGE, 2020).
A radiação solar, por sua vez, trata-se de ondas eletromagnéticas emitidas pelo sol e que
geram grande quantidade de energia irradiada para todo o espaço. Uma pequena parte da radiação
emitida pelo sol encontra-se na forma de raios infravermelhos e ultravioletas, porém grande parte
está no espectro visível de 40 a 700 nm onde uma parte dela é absorvida por objetos terrestres e a
outra é refletida de volta ao espaço (RAMOS; VIANNA; MARIN, 2018).
De tal forma, a importância da radiação solar sobre o ambiente terrestre vem se tornando
cada vez mais relevante, atuando na organização climática tanto de ambientes urbanos quanto
agrícolas. Nas áreas urbanizadas a radiação solar interfere em diversos aspectos como formato, cor e
material de edifícios e espaços urbanos, já em áreas agrícolas ela auxilia no estudo de fenômenos
como a evapotranspiração, estudo de elementos climáticos, efeitos em estufas entre outros diversos
aspectos (FUNARI; TARIFA, 2017).
Como já descrito, um corpo pode absorver, refletir ou transmitir a radiação. A absortividade
determina a fração de radiação a ser absorvida pela superfície do material. A refletividade, por sua
vez, determina a fração da radiação a ser refletida pela superfície. Por fim, a transmissividade está
relacionada à fração da radiação a ser transmitida pelo material e, portanto, é dependente da
espessura do material.
Figura 7. Esquema da interação entre a radiação incidente e o material alvo.
Fonte: <https://www.scielo.br/j/ce/a/3cx4pRmLNKNTs7VGFzFKqML/?lang=pt&format=pdf>
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Dessa forma, pode-se dizer que a radiação é atenuada nesse processo em que apenas uma
fração da radiação incidente é absorvida, enquanto outra fração é transmitida. Isso ocorre porque,
embora a absorção extinga os fótons incidentes que provêm da radiação, a radiação pode também
voltar ao meio através da emissão espontânea, mas com direção de propagação alterada (WEBER;
HEIDEMANN; VEIT, 2020). A Lei de Beer expressa a atenuação da radiação através da seguinte
equação (XINGCAI; KUN, 2018):
Em que I é a intensidade de radiação transmitida (W m-2), I0 é a intensidade de radiação
incidente (W m-2), é o coeficiente de atenuação (m-1) e L é a espessura do material (m).α
O coeficiente de atenuação pode ser obtido através da equação acima, quando se isola o :α
Os conceitos de radiação térmica e de atenuação da radiação explicados ao longo deste
tópico ajudam a compreender e caracterizar o comportamento térmico e funcionamento de estufas
agrícolas, os quais serão abordados no próximo tópico.
2.3 Comportamento térmico de estufas
As estufas possuem comportamentos estruturais que visam favorecer o crescimento e cultivo
de plantas, de modo que as condições climáticas locais sejam satisfatórias para as culturas
produzidas e não comprometam sua produção. Desta forma, o projeto de uma determinada estufa
deve buscar manter em níveis ótimos os fatores de crescimentos: temperatura, umidade do ar e
transmitância de luz (MARTINS, 2016). As casas-de-vegetação possuem estruturas altamente
sofisticadas, de modo que, os projetos elaborados indiquem os materiais de revestimentos e
equipamentos corretos para satisfazer cada tipo de situação requerida (ELSNER et al., 2000).
Deste modo, o funcionamento das estufas se dá essencialmente a partir do aquecimento da
sua parte interna, onde o calor é reprimido e não há troca de ar entre o meio externo e o meio
interno, evitando assim que a radiação solar interna seja perdida por meio de correntes ascendentes.
Para isso, têm-se a transmissividade da radiação solar através dos materiais de revestimento
– normalmente constituídas por materiais transparentes ou semitransparentes, tais como: vidros,
plásticos ou coletores solares – que aquecem o solo da estufa com ondas curtas e emite radiação
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infravermelha. O ar das camadas inferiores de dentro da estufa é aquecido pela radiação presente
formando correntes de convecção (massas de ar quente que sobem a estrutura e massas de ar frios
que descem), onde o ar é impedido de se propagar para o ambiente externo também por conta de
seus materiais de revestimento (ELSNER et al., 2000).
FIGURA 8. Funcionamento das estufas.
Fonte: <http://www.isolan.com.br/irradiacao1.jpg>
Assim, tanto a temperatura do ar quanto a radiação solar presentes nas estufas, exercem
uma grande influência sobre o crescimento das plantas. A produção de fitomassa (massa dos seres
vegetais) de uma planta depende da quantidade de radiação fotossinteticamente ativa
(comprimentos de onda entre 400 e 700nm) absorvida pelas folhas e a eficiência na qual pode
converter a energia radiante em assimilados, por meio do processo de fotossíntese (SCHWERZ et al.,
2019).
Também, segundo Sampaio & Motoyama (2016), os principais fatores que influenciam
diretamente o nível de luminosidade e de radiação nas estufas são a orientação das inclinações do
telhado, ângulo de inclinação dos raios solares em relação a casa-de-vegetação, estação do ano,
horário do dia e a distribuição das estruturas opacas projetadas (tipo de material utilizado, deposição
de poeira e de folhas, sombreamento da estrutura).
As estufas devem ser projetadas com estruturas leves, de modo que devem ter alta
transmissividade da radiação solar a fim de obter um maior crescimento das culturas, porém devem
ser capazes de suportar carregamentos devido às variações climáticas, tais como chuva, granizo,
neve, entre outras (GODINHO, 2019).
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Podem ser classificadas de acordo com as características de construção e estruturas
(GODINHO, 2019). De acordo com as características de construção, podem ser classificadas como
climatizadas, semiclimatizadas e não climatizadas (EMBRAPA, 2005).
As estufas climatizadas possuem em sua estrutura mecanismos eletroeletrônicos e
mecânicos automatizados para controle de sua temperatura, umidade relativa do ar e
transmissividade luminosa, e fazem uso de energia transformada para suas atividades. Estas
casa-de-vegetação, normalmente, também utilizam em sua estrutura sensores de medição, tais
como: piranômetro para a medição de radiação ultravioleta e medição da radiaçãosolar global (Qg –
que representa o espectro solar que alcança a superfície terrestre após os processos de interação
com a atmosfera), e sensores quânticos para a medição da radiação fotossinteticamente ativa (RFA -
que representa a fração da radiação solar global compreendida entre os comprimentos de onda de
400 a 700nm) (COSTA, 2001).
As estufas semiclimatizadas são dotadas de determinado grau de automação no controle de
temperatura, umidade e luz. Já as estufas não-climatizadas, não possuem nenhum tipo de
equipamento que utilize energia transformada e sua utilização é condicionada a aplicação de
transformação de fatores físicos da própria natureza do ambiente (EMBRAPA, 2005).
2.4 Casos com aplicações de estufas agrícolas
Considerando a necessidade da utilização de estufas agrícolas, é possível notar alguns casos
de implementação dessas estufas que obtiveram resultados positivos.
Para o mercado de flores, em Holambra, estufas agrícolas são utilizadas para intensificar a
produção de forma qualificada. Pelo fato de as flores serem produtos altamente perecíveis, é
necessário que haja uma preparação maior para a suas produções em larga escala, a fim de diminuir
as perdas e elevar o lucro.
Na Holanda, atualmente é possível a produção de tomates mesmo com um clima adverso a
essa cultura. Para a produção de tomate, a temperatura ideal para a germinação é entre 15 - 25ºC, e
para o desenvolvimento e produção, 10 - 34ºC (FIGUEIREDO et al., 2019). Na Holanda, a temperatura
pode variar de 1 a 22ºC (LAURENSON, 2019), dessa forma, o país não possui um clima adequado para
a produção de tomate.
Para que essa produção aconteça de forma viável e lucrativa, é feita a utilização de estufas
agrícolas adaptadas ao clima da produção de tomate, permitindo assim a comercialização de grande
escala. Além de tomates, também é feito o cultivo de outras hortaliças em estufas agrícolas, tais
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como cebolas com temperatura ideal de 20 a 25ºC (ALMEIDA et al., 2021) e batatas com temperatura
ideal de 15 a 25ºC (CRUZ et al., 2021).
CONCLUSÃO
Estufas agrícolas têm se mostrado uma opção viável para produção vegetal, a qual o homem
pode controlar e decidir vários fatores incisivos para uma colheita produtiva. Países com clima
desafiador para um sistema de produção agrícola, como a Holanda, conseguem uma parte
significativa dos seus alimentos cultivados em estufas agrícolas. Dessa forma, a importância de
avançar os estudos a fim de agregar maior controle dos desafios existentes nos dias atuais fica
evidente através dessa tecnologia, que integra recursos naturais e contribui para a segurança
alimentar da população mundial.
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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