Il clima dentro una serra: temperatura, umidità, ventilazione e controllo

La serra non produce un clima costante

La serra separa parzialmente la coltura dall’atmosfera esterna, ma non la isola. La radiazione solare attraversa la copertura e viene assorbita da terreno, strutture, contenitori e vegetazione. Queste superfici si scaldano e trasferiscono energia all’aria interna. Nello stesso tempo le piante traspirano, il terreno evapora acqua e l’irrigazione introduce ulteriore umidità.

La copertura riduce il ricambio spontaneo con l’esterno. Se le aperture sono insufficienti, energia e vapore acqueo si accumulano più rapidamente di quanto riescano a disperdersi.

Il clima interno dipende dall’equilibrio tra:

• radiazione entrante;
• calore accumulato nei materiali;
• evaporazione e traspirazione;
• ventilazione;
• dispersione attraverso la copertura;
• riscaldamento e raffreddamento artificiali;
• volume e densità della coltura.

Non esiste quindi una regolazione indipendente dal clima esterno o dalla specie coltivata.

Durante il giorno può surriscaldarsi rapidamente

In una giornata soleggiata la temperatura interna può aumentare anche quando l’aria esterna non è particolarmente calda. La radiazione solare riscalda direttamente foglie, suolo e strutture. Queste superfici trasferiscono poi calore all’aria per convezione e irraggiamento. Se il ricambio è debole, l’energia rimane confinata nel volume interno.

Il fenomeno dipende da:

• orientamento e forma della serra;
• altezza e volume interno;
• rapporto tra superficie delle aperture e superficie coperta;
• presenza di reti antinsetto;
• direzione e velocità del vento;
• densità delle piante;
• ombreggiamento;
• umidità del terreno.

Le reti antinsetto, pur essendo utili alla protezione della coltura, introducono una resistenza al passaggio dell’aria. La ventilazione reale può quindi essere molto inferiore a quella suggerita dalla sola area geometrica delle finestre.

Di notte il problema cambia

Dopo il tramonto diminuisce l’apporto solare, ma la serra non assume immediatamente la temperatura esterna. Terreno, strutture e contenitori restituiscono gradualmente il calore accumulato, mentre copertura e superfici interne perdono energia verso l’esterno e verso il cielo.

Raffreddandosi, l’aria può contenere una quantità minore di vapore prima di raggiungere la saturazione. L’umidità relativa aumenta anche senza una nuova immissione di acqua.

Il controllo notturno riguarda quindi soprattutto:

• umidità elevata;
• condensa;
• uniformità termica;
• rischio di temperature minime;
• consumo energetico per riscaldamento e ricambio d’aria.

Aprire per eliminare umidità può raffreddare eccessivamente la serra. Riscaldare senza ricambio può diminuire temporaneamente l’umidità relativa, ma non rimuove il vapore. Il controllo deve quindi coordinare più azioni.

Non esiste una sola temperatura

Dire che nella serra ci sono 25 °C è incompleto. Possono essere differenti la temperatura dell’aria, delle foglie, del terreno, del substrato, della soluzione nutritiva, della copertura e delle strutture.

Una foglia esposta al Sole può risultare più calda dell’aria. Una foglia che traspira intensamente può invece rimanere più fresca. Durante la notte una foglia rivolta verso una copertura fredda può perdere calore per irraggiamento e scendere sotto la temperatura dell’aria.

Anche il substrato risponde più lentamente rispetto all’aria. Un improvviso aumento della ventilazione può modificare rapidamente la temperatura atmosferica senza produrre la stessa variazione nella zona radicale.

La variabile da utilizzare dipende quindi dal processo che si vuole governare.

L’umidità relativa non indica da sola quanta acqua c’è nell’aria

L’umidità relativa esprime quanto il vapore presente sia vicino alla quantità massima compatibile con quella temperatura. È quindi fortemente dipendente dalla temperatura.

Se l’aria viene riscaldata senza aggiungere o rimuovere acqua, l’umidità relativa diminuisce. Se la stessa aria viene raffreddata, l’umidità relativa aumenta. La quantità effettiva di vapore può essere rimasta quasi invariata.

Questo spiega perché una serra possa passare rapidamente dal 70% al 90% di umidità relativa durante il raffreddamento serale e perché il riscaldamento sembri asciugare l’aria prima di avere realmente eliminato il vapore.

Per interpretare correttamente il clima conviene affiancare all’umidità relativa almeno il punto di rugiada o il deficit di pressione di vapore.

Il punto di rugiada indica il rischio di condensa

Il punto di rugiada è la temperatura alla quale l’aria, mantenendo la stessa quantità di vapore, raggiunge la saturazione.

Se una foglia, una parete o la copertura scendono sotto tale temperatura, il vapore può condensare sulla superficie. Non è quindi necessario che tutta l’aria della serra raggiunga il 100% di umidità relativa: è sufficiente che una superficie sia abbastanza fredda.

Il rischio aumenta:

• durante la notte e prima dell’alba;
• vicino alla copertura;
• nelle zone poco ventilate;
• sopra vegetazione fitta;
• dopo irrigazioni abbondanti;
• quando le piante sono più fredde dell’aria.

La bagnatura prolungata delle foglie può creare condizioni favorevoli a diversi patogeni. Per questo il controllo deve distinguere tra umidità dell’aria e presenza effettiva di acqua sulle superfici vegetali.

Il deficit di pressione di vapore descrive la richiesta evaporativa

Il deficit di pressione di vapore, normalmente abbreviato in VPD, rappresenta la differenza tra la quantità di vapore che l’aria potrebbe contenere alla temperatura considerata e quella effettivamente presente.

Un VPD molto basso indica aria prossima alla saturazione. La traspirazione tende a rallentare e aumenta il rischio che superfici più fredde raggiungano il punto di rugiada.

Un VPD elevato indica invece aria molto asciutta rispetto alla propria temperatura. La perdita d’acqua dalle foglie può aumentare e la pianta può limitare la traspirazione chiudendo parzialmente gli stomi.

Non esiste un valore universale adatto a tutte le colture. Specie, fase di sviluppo, radiazione, disponibilità idrica e temperatura modificano l’intervallo desiderabile.

La ventilazione naturale dipende da vento e differenza di temperatura

La ventilazione naturale avviene attraverso aperture laterali e sul tetto. Il movimento dell’aria è prodotto principalmente dalla pressione esercitata dal vento, dalla differenza di densità tra aria interna ed esterna e dalla posizione delle aperture.

L’aria calda e meno densa tende a salire e può uscire dalle aperture superiori, richiamando aria più fresca dalle aperture inferiori. In presenza di vento, il lato esposto e quello sottovento assumono pressioni differenti che possono aumentare il ricambio.

Il risultato non è uniforme. All’interno possono formarsi zone quasi ferme, correnti preferenziali, gradienti tra parte bassa e parte alta e ricircoli dietro ostacoli e filari.

Aprire di più non produce sempre lo stesso effetto

L’efficacia delle aperture dipende dal clima esterno. Se fuori l’aria è più fresca e relativamente asciutta, ventilare può ridurre contemporaneamente temperatura e umidità interna.

Se l’aria esterna è calda quasi quanto quella interna, il ricambio può limitare l’ulteriore surriscaldamento, ma non ottenere un raffreddamento significativo. Se all’esterno l’umidità assoluta è elevata, aprire può non riuscire a deumidificare.

Il comando corretto dovrebbe confrontare almeno temperatura interna ed esterna, umidità interna ed esterna, vento, pioggia e stato delle aperture.

La ventilazione forzata rende il flusso più controllabile

I ventilatori permettono di muovere l’aria quando il vento naturale è insufficiente o quando la distribuzione interna è troppo irregolare.

Occorre distinguere tra ventilatori di estrazione, che sostituiscono aria interna con aria esterna, e ventilatori di circolazione, che mescolano l’aria già presente.

Un ventilatore di circolazione può ridurre differenze locali e limitare zone stagnanti, ma non elimina vapore o calore dalla serra se non esiste ricambio con l’esterno.

Un estrattore aumenta il ricambio, ma il suo effetto dipende dalle aperture d’ingresso. Se queste sono insufficienti o mal distribuite, il flusso può concentrarsi in pochi corridoi e lasciare zone scarsamente ventilate.

Ombreggiare non equivale a ventilare

Una rete o uno schermo ombreggiante riduce la radiazione che raggiunge coltura e superfici interne. L’ombreggiamento agisce quindi sulla causa del riscaldamento solare. La ventilazione rimuove invece parte del calore già presente e modifica gli scambi di vapore e gas.

Le due azioni sono complementari.

Uno schermo interno può però ostacolare il movimento verticale dell’aria, creare due volumi climatici distinti, trattenere umidità sotto di sé e modificare la distribuzione della luce.

Il comando automatico dello schermo dovrebbe considerare radiazione, temperatura e stagione. Chiuderlo soltanto in base alla temperatura interna può essere tardivo, perché struttura e coltura hanno già accumulato energia.

Il raffreddamento evaporativo ha limiti precisi

Nebulizzatori e pannelli evaporativi sfruttano l’evaporazione dell’acqua per sottrarre energia all’aria.

L’effetto è maggiore quando l’aria esterna è calda e secca. In condizioni già umide, la capacità evaporativa diminuisce e il sistema può aumentare ulteriormente l’umidità senza ottenere un raffreddamento sufficiente.

Occorre controllare qualità dell’acqua, dimensione delle gocce, distribuzione, bagnatura delle foglie, drenaggio, manutenzione degli ugelli e coordinamento con la ventilazione.

Il raffreddamento evaporativo non è un semplice interruttore del freddo: modifica contemporaneamente temperatura, VPD e traspirazione.

Il riscaldamento modifica anche l’umidità

Riscaldare aumenta la temperatura dell’aria e abbassa l’umidità relativa, ma non rimuove automaticamente il vapore.

Per deumidificare realmente può essere necessario:

1. riscaldare l’aria;
2. ventilare con aria esterna più povera di vapore;
3. richiudere e ripristinare la temperatura.

La sequenza consuma energia e deve essere utilizzata con criterio. Aprire e riscaldare contemporaneamente senza una strategia può produrre forti sprechi.

La posizione dei sensori determina ciò che viene controllato

Un sensore installato vicino al tetto misura un ambiente differente rispetto a uno posto dentro la coltura.

Non dovrebbe essere collocato contro la copertura, direttamente al Sole, davanti a un ventilatore, vicino a un riscaldatore, sopra terreno nudo molto caldo, accanto a un nebulizzatore, in contatto con foglie o acqua oppure dentro un contenitore chiuso.

Per controllare le condizioni della coltura, temperatura e umidità dell’aria dovrebbero essere misurate in una posizione rappresentativa della chioma, con protezione dalla radiazione e sufficiente ventilazione.

Quando le piante crescono, anche la posizione rappresentativa cambia. Un sensore rimasto alla stessa quota può trovarsi inizialmente sopra la coltura e successivamente dentro una zona molto fitta e poco ventilata.

Una serra piccola può richiedere più punti di misura

La necessità di più sensori non dipende soltanto dalla superficie. Anche una struttura modesta può presentare differenze importanti tra lato esposto al Sole e lato in ombra, ingresso e fondo, parte alta e parte bassa, zona vicina alle aperture e zona centrale.

Una configurazione minima può comprendere:

• un sensore interno nella zona della coltura;
• un secondo sensore interno in una zona critica o distante;
• un sensore esterno schermato;
• un sensore di temperatura nel substrato;
• sensori di pioggia e vento per le aperture automatiche.

La scelta deve essere verificata confrontando temporaneamente più punti. Solo dopo avere osservato la distribuzione reale si può decidere se un numero minore di sensori sia sufficiente.

Il sensore esterno è parte del sistema

Senza una misura esterna il controllo conosce soltanto ciò che accade dentro la serra, ma non sa quale effetto avrà l’apertura.

Il sensore esterno dovrebbe misurare almeno temperatura, umidità, vento, pioggia e radiazione solare quando quest’ultima viene utilizzata per il controllo.

Deve essere installato come una piccola stazione meteorologica: schermato dalla radiazione, ventilato e lontano da pareti o coperture riscaldate.

Umidità del terreno e umidità dell’aria non sono intercambiabili

L’umidità dell’aria descrive il vapore presente nell’atmosfera della serra. Un sensore nel terreno o nel substrato misura invece una proprietà collegata all’acqua disponibile nella zona radicale.

Una serra può avere aria molto umida e substrato asciutto. Può verificarsi anche il contrario subito dopo un’irrigazione localizzata, soprattutto con forte ventilazione.

L’irrigazione non dovrebbe quindi essere comandata dall’umidità relativa dell’aria. Servono misure o modelli riferiti al terreno, al substrato, alla massa dei contenitori, al drenaggio o alla richiesta della coltura.

Il valore di un sensore nel substrato dipende da materiale, salinità, temperatura, installazione e volume effettivamente esplorato. Un singolo punto può non rappresentare l’intera zona radicale.

L’irrigazione modifica il microclima

L’acqua fornita alle piante non rimane confinata nel terreno. Una parte viene assorbita dalle radici, traspirata dalle foglie, evaporata dalla superficie, drenata o dispersa durante l’erogazione.

L’irrigazione può quindi aumentare l’umidità interna e ridurre temporaneamente alcune temperature per evaporazione.

Il momento della giornata è importante. Irrigare abbondantemente poco prima della notte può contribuire all’aumento dell’umidità mentre la serra si raffredda.

Ventilazione e irrigazione non dovrebbero essere considerate sistemi indipendenti: entrambe modificano temperatura, umidità e traspirazione.

Un comando a soglia semplice può diventare instabile

Supponiamo di accendere una ventola quando la temperatura supera 30 °C e spegnerla quando scende sotto 30 °C.

Vicino alla soglia il valore può oscillare continuamente, provocando una sequenza rapida di avviamenti e arresti. Il risultato è poco utile per il clima e dannoso per relè, motori e meccanismi.

Serve un’isteresi. Per esempio:

• accensione sopra 30 °C;
• spegnimento sotto 28 °C.

I valori sono soltanto illustrativi: devono essere scelti in funzione della coltura e dell’impianto.

È inoltre opportuno introdurre tempo minimo di accensione, tempo minimo di spegnimento, ritardo dopo ogni comando, durata massima continua e controllo della variazione realmente ottenuta.

Gli attuatori devono avere priorità coerenti

Una serra può disporre contemporaneamente di finestre, ventilatori, riscaldamento, ombreggiamento, nebulizzazione, irrigazione e deumidificazione.

Senza una logica coordinata possono verificarsi comandi contraddittori: riscaldamento acceso con finestre completamente aperte, nebulizzazione attiva con umidità prossima alla saturazione oppure irrigazione avviata durante un allarme di perdita.

La strategia deve definire priorità e interdizioni. Un possibile ordine è:

1. sicurezza per vento e pioggia;
2. protezione da temperature estreme;
3. prevenzione della condensa;
4. regolazione ordinaria della temperatura;
5. controllo dell’umidità;
6. irrigazione;
7. ottimizzazione energetica.

L’ordine dipende dalla struttura, ma deve essere esplicito.

Il comando deve verificare l’effetto prodotto

Un controllore non dovrebbe limitarsi a inviare un ordine.

Dopo avere acceso una ventola o aperto una finestra deve verificare:

• che l’attuatore abbia realmente cambiato stato;
• che temperatura o umidità reagiscano nella direzione prevista;
• che non siano comparsi valori anomali;
• che il comando non rimanga attivo oltre il tempo consentito.

Un finecorsa può confermare l’apertura della finestra. Un sensore di corrente può indicare se il motore sta assorbendo energia. Senza un ritorno di stato, il software può dichiarare “finestra aperta” quando ha soltanto eccitato un relè.

I guasti dei sensori devono essere riconosciuti

Un sensore può scollegarsi, bloccarsi su un valore, produrre dati impossibili, derivare lentamente, bagnarsi o perdere la comunicazione.

Il sistema dovrebbe controllare almeno:

• intervallo plausibile;
• velocità massima di variazione;
• tempo trascorso dall’ultimo dato;
• confronto con sensori vicini;
• coerenza tra temperatura, umidità e punto di rugiada.

Un valore costante non è necessariamente un dato stabile: potrebbe indicare che il sensore non si aggiorna.

In caso di guasto, il sistema deve assumere uno stato prudente e segnalare chiaramente che il controllo sta funzionando con informazioni incomplete.

Registrare i dati è parte del controllo

Senza uno storico non è possibile sapere se un comando abbia funzionato.

Dovrebbero essere salvati almeno:

data_ora
temperatura_interna
umidita_interna
punto_rugiada
temperatura_esterna
umidita_esterna
radiazione
vento
temperatura_substrato
umidita_substrato
stato_finestre
stato_ventole
stato_riscaldamento
stato_irrigazione
allarmi

La frequenza deve essere compatibile con la velocità dei fenomeni. Salvare un dato al giorno non permette di studiare surriscaldamenti di pochi minuti. Salvare centinaia di campioni al secondo non aggiunge informazione utile a sensori che rispondono lentamente.

Occorre inoltre distinguere dato misurato, valore filtrato, soglia, comando richiesto e stato reale dell’attuatore.

Gli allarmi non devono coincidere con il normale controllo

Una soglia di regolazione non è necessariamente una soglia di pericolo.

Per esempio, a una prima temperatura può iniziare l’apertura; a un valore superiore possono avviarsi i ventilatori; oltre una terza soglia può essere inviato un allarme; a un limite estremo può essere attivata una procedura di emergenza.

Gli allarmi dovrebbero essere classificati come informazione, attenzione, guasto o emergenza. È utile evitare notifiche continue per la stessa condizione e indicare almeno variabile, valore, durata, dispositivi attivi e risposta osservata.

Alimentazione e comunicazione non possono essere ignorate

Un sistema di controllo dipende anche da alimentatore, batteria, rete dati, memoria, orologio, relè, protezioni elettriche, contenitori e cablaggi.

La perdita della connessione Internet non dovrebbe impedire il controllo locale fondamentale. Il sistema deve continuare a proteggere la serra anche quando il server remoto non è raggiungibile.

È opportuno separare controllo locale, registrazione, visualizzazione remota e notifiche. Il comando essenziale di ventole, finestre e riscaldamento deve dipendere il meno possibile da servizi esterni.

Che cosa può fare un sistema semplice

Un sistema basato su microcontrollore può:

• leggere temperatura e umidità;
• calcolare punto di rugiada e VPD;
• registrare i dati;
• comandare relè o attuatori;
• applicare isteresi e temporizzazioni;
• controllare finestre e ventilatori;
• gestire irrigazione;
• rilevare alcuni guasti;
• inviare allarmi;
• trasmettere dati a un server.

La difficoltà non consiste principalmente nel leggere il sensore o attivare un’uscita. La parte critica è stabilire dove misurare, quale dato considerare valido, quale azione eseguire, in quale ordine, per quanto tempo e come verificare il risultato.

Che cosa non può garantire da solo

Un sistema automatico non può compensare completamente aperture troppo piccole, ventilatori sottodimensionati, distribuzione irregolare dell’aria, perdite d’acqua, coperture degradate, sensori installati male, colture troppo dense, drenaggio insufficiente e mancanza di manutenzione.

L’automazione utilizza gli impianti disponibili. Non può creare una capacità di raffreddamento o ventilazione che la struttura non possiede.

Un controllo accurato può anche mostrare che l’attuatore funziona correttamente ma non produce un effetto sufficiente. Questa informazione distingue un problema di programmazione da un limite fisico dell’impianto.