Athanasios Sapounas, Nikolaos Katsoulas, Bart Slager, Robert Bezemer, Charlotte Lelieveld
Design, Control, and Performance Aspects of Semi-Closed Greenhouses
Agronomy 2020, 10, 1739; doi:10.3390/agronomy10111739
La riduzione dell’utilizzo di combustibili fossili deve essere tra gli obiettivi primari dell’agricoltura. Per fare questo, diverse nazioni dell’Unione Europea stanno ponendo dei limiti all’immissione di CO2 nell’atmosfera. È risaputo che le coltivazioni in serra sono intensive, perché fanno ampio consumo di combustibili fossili a causa della stretta dipendenza dall’energia elettrica e del riscaldamento per le coltivazioni invernali. Precedenti studi hanno dimostrato come il maggior consumo dell’energia necessaria a gestire una coltivazione in serra sia dovuto alla gestione climatica centralizzata sull’utilizzo delle finestre di colmo. Queste, infatti, sono causa di una continua dispersione dell’energia presente all’interno della serra. Nel corso degli anni, numerose alternative sono state progettate per cercare di ridurre queste dispersioni, una di queste è la serra semi-chiusa. Con la serra semi-chiusa la gestione del clima attraverso le finestre di colmo è parzialmente sostituita da sistemi di trattamento dell’aria e sistemi di distribuzione dell’aria trattata, che permettono di raffrescare/riscaldare e umidificare/deumidificare senza che l’energia presente all’interno della serra venga dispersa. La prima importante differenza tra una serra tradizionale e una serra semi-chiusa è la presenza del corridoio tecnico. Mentre nelle serre tradizionali la gestione di temperatura e umidità è regolata delle finestre di colmo, e quindi è strettamente collegata alle condizioni climatiche esterne, nella serra semichiusa l’aria esterna è richiamata per depressione (tramite ventilatori) nel corridoio tecnico, all’interno del quale viene trattata (riscaldata, raffreddata, umidificata o deumidificata) a seconda delle esigenze della serra. Inoltre, nella serra semi-chiusa la stessa aria presente nella serra viene ricircolata e trattata o mescolata con l’aria richiamata attraverso il corridoio tecnico. Affinché si generi questo richiamo di aria dall’esterno e la ricircolazione dell’aria stessa all’interno della serra, è necessario che nel corridoio tecnico si operi sottopressione rispetto alla pressione esterna e che in serra ci sia una sovrapressione. Inoltre, anche nelle serre semi-chiuse sono previste finestre di colmo e tubi di riscaldamento al suolo, come nelle classiche serre olandesi, ed eventualmente possono essere presenti schermi ombreggianti, schermi salva energia e l’impianto fog.
Quindi, l’elemento chiave per il funzionamento della serra semi-chiusa è il corridoio tecnico. Il condizionamento dell’aria all’interno della serra dipenderà dal coretto funzionamento e dalla corretta progettazione di questo elemento. Generalmente, il corridoio tecnico ha una profondità di 1,5–2,0 m ed è posto in testata della serra, in un ambiente separato. Il movimento di una saracinesca esterna permette o meno l’entrata dell’aria esterna che deve prima attraversare la rete antinsetto e i pannelli del sistema di raffrescamento, mentre una finestra posta sul colmo del corridoio regola il ricircolo dell’aria interna. Dopo essere stata trattata, l’aria viene immessa in serra attraverso delle guaine forate poste generalmente sotto le canaline di coltivazione. La quantità di aria che esce da ogni foro del tubo dipende dal coefficiente di scarico del foro e dalla pressione statica presente alla sua altezza. Più uniformi sono questi valori lungo la guaina, più uniforme è la distribuzione dell’aria. Una volta impostati i set point di temperatura e umidità, la serra ricircola l’aria interna attraverso il corridoio tecnico (nel quale avviene anche l’arricchimento in CO2) e il sistema di riscaldamento presente nello stesso; mentre, qualora attraverso il ricircolo dell’aria interna il sistema non riuscisse a raggiungere i set point impostati, automaticamente verrebbe regolata l’apertura della saracinesca esterna, permettendo l’entrata di “aria nuova”, che aumenta la sovrapressione all’interno della serra che a sua volta viene regolata dal movimento delle finestre di colmo.
Il “corridoio tecnico” o “camera di miscelazione” può essere posizionato anche all’interno della serra nel caso di coltivazioni su bancale; questo influenza la gestione climatica della serra semi-chiusa, che necessita di un maggior numero di sensori rispetto alla serra convenzionale. Relativamente alla gestione del clima, precedenti studi hanno dimostrato che per sfruttare i vantaggi della serra semi-chiusa è necessario ridurre la frequenza di ventilazione, accettando valori di temperatura e umidità relativa medi più alti rispetto al convenzionale nel periodo estivo.
Inoltre, nella serra semi-chiusa è comune avere in serra dei gradienti di temperatura ed umidità sia in orizzontale (lungo la canalina) che in verticale (lungo la canopy). Mentre in modalità riscaldamento è più frequente osservare un gradiente di temperatura orizzontale con temperature più basse ai lati della serra e temperature più alte al centro, in modalità di raffreddamento è possibile osservare un gradiente di temperatura fino a 6 °C, con temperature più elevate nella parte alta della serra. Quindi, la serra semi-chiusa ha una gestione del clima che le permette di essere più indipendente dal clima esterno, rispetto alla serra convenzionale, anche se diversi studi dimostrano che l’umidità relativa media è più alta nella prima. Questo può essere un limite per la coltivazione di specie maggiormente sensibili ad alti valori di umidità relativa. Relativamente alla concimazione carbonica, con la serra semichiusa si hanno meno dispersioni rispetto alla serra convenzionale ed uno studio ha dimostrato che per mantenere valori di CO2 > 1000 ppm ci sono voluti 14 kg m-2 CO2 per la serra semichiusa, mentre nella serra convenzionale ce ne sono voluti 55 kg m-2 CO2 per mantenere un valore costante di 600 ppm per tutto l’anno. La capacità di mantenere elevati valori di CO2 all’interno della serra semi-chiusa permette di incrementare la produzione di pomodoro di circa il 5,5% grazie ad una maggiore attività fotosintetica e produzione di sostanza secca (licopene, β-carotene, composti fenolici, antiossidanti). Più in generale, la serra semi-chiusa permette di ridurre del 10% circa il consumo di gas per il riscaldamento, mentre il consumo di energia elettrica è considerevolmente più alto rispetto alla serra convenzionale. Infine, da uno studio effettuato in Germania è emerso che l’efficienza energetica della serra semi-chiusa e maggiore rispetto alla serra convenzionale e se nella prima per produrre 1 kg di pomodoro sono necessari 34,49 MJ, nella seconda ce ne vogliono 57,27 MJ. Riguardo il consumo di soluzione nutritiva, nella serra semi-chiusa il water use efficiency (WUE) può arrivare ad essere anche del 71% maggiore rispetto alla serra convenzionale, ma questo parametro dipende dalla gestione del clima e della circolazione dell’aria.
In conclusione, la serra semi-chiusa è in commercio da circa una decina di anni e ad oggi ha una tecnologia ben collaudata che permette di coltivare ortaggi anche in condizioni climatiche più estreme, con il limite che i più alti valori di umidità relativa riscontrati nella gestione climatica di questa serra possono essere controproducenti per la coltivazione di specie particolarmente sensibili a questo parametro.