Estratègies de control de temperatura per a condicions variables del sòl

Controlar la temperatura del sòl és una tasca difícil i única que és molt diferent de l'escalfament de coses a les fàbriques. El sòl és un medi dinàmic, heterogeni, amb qualitats que canvien amb el temps i l'espai. Això és diferent dels entorns industrials regulats, on les condicions tèrmiques s'estandarditzen sovint, l'aïllament es maximitza i els canals de transport de calor són previsibles. Algunes de les principals raons d'aquests problemes són que el sòl té una inèrcia tèrmica natural (la capacitat d'emmagatzemar i alliberar calor al llarg del temps), el seu contingut d'humitat canvia (que afecta directament la conductivitat tèrmica i la capacitat calorífica) i sempre està exposat a condicions ambientals com la temperatura de l'aire, el vent, la radiació solar i la precipitació. Totes aquestes coses funcionen juntes per canviar la manera com un sistema d'escalfador de cartutx respon als senyals de control. Aquests sistemes s'utilitzen sovint per escalfar àrees específiques del sòl en llocs com ara laboratoris d'investigació, hivernacles, sistemes geotèrmics i propagació agrícola. Perquè el sistema de calefacció funcioni bé i de manera fiable, l'estratègia de control s'ha de basar en les condicions específiques de l'entorn del sòl, tenint en compte com canvia i com funciona.

Per a necessitats modestes d'escalfament del sòl, com ara petits jardins domèstics o configuracions agrícoles de baixa{0}}precisió, els termòstats senzills d'encesa-apagats són la millor i més barata opció. El termòstat funciona d'una manera senzilla: un sensor connectat vigila la temperatura del sòl i encén l'escalfador del cartutx a plena potència quan la temperatura cau per sota d'un determinat nivell. Quan la temperatura arriba a aquest nivell, l'escalfador s'apaga completament. Aquest mètode és fàcil d'utilitzar i no requereix molts coneixements tècnics, però té grans problemes que poden perjudicar el rendiment en moltes situacions. Quan l'escalfador està a tota velocitat, sovint fa més calor del que el sòl pot absorbir immediatament. Això fa que la temperatura del sòl superi el punt de consigna especificat, que s'anomena "excés de temperatura". La massa tèrmica del sòl allibera lentament la calor que ha emmagatzemat després que l'escalfador s'apaga. Això fa que la temperatura baixi fins que estigui per sota del punt de consigna, cosa que torna a engegar l'escalfador. Aquest cicle d'activació{10}}fa que la temperatura canviï sovint, cosa que pot ser molt dolenta per a les plantes sensibles, com les plàntules, les espècies tropicals o els exemplars desenvolupats en un laboratori, perquè necessiten temperatures estables de la zona arrel per créixer. L'escalfador del cartutx també experimenta estrès tèrmic a causa dels canvis ràpids entre la potència plena i l'apagada completa. Això vol dir que l'element de calefacció i l'aïllament de l'escalfador es desgastaran més ràpidament amb el temps, cosa que limitarà la seva vida útil. La inèrcia tèrmica del sòl ajuda a suavitzar aquests canvis de temperatura absorbint calor addicional durant el cicle d'encesa i aguantant-hi durant el cicle apagat. No obstant això, el desbordament i la caiguda (la deriva cap avall per sota del punt de consigna) encara es produeixen, cosa que fa que el control d'encesa-apagada no sigui bo per a aplicacions que necessiten precisió.


El control proporcional és un gran pas respecte als termòstats-apagats perquè utilitza una manera més subtil de controlar l'electricitat que soluciona molts dels problemes amb els termòstats-apagats. El control proporcional canvia la potència de sortida de l'escalfador del cartutx en funció de la diferència entre la temperatura del sòl observada i el punt de consigna. Això és diferent de l'opció binària "complet activat" o "complet apagat". Quan la temperatura del sòl és molt inferior al punt de consigna, l'escalfador funciona a gairebé tota la potència per augmentar ràpidament la temperatura. El controlador redueix lentament la potència de sortida a mesura que la temperatura registrada s'acosta al punt de consigna. Això assegura que la calor de l'escalfador coincideixi amb la calor perduda pel sòl. Aquesta combinació exacta evita que la temperatura augmenti massa i redueix el ciclisme, fent que l'ambient tèrmic sigui considerablement més estable per a les arrels de les plantes o els materials d'investigació. El cicle inferior també protegeix l'escalfador del cartutx del xoc tèrmic, cosa que fa que duri més temps i costa menys de mantenir. Per oferir aquest ajust de potència continu i suau, els sistemes de control proporcional utilitzen relés d'estat sòlid (SSR) en lloc de contactors mecànics. Els contactors utilitzen interruptors físics que es desgasten amb el temps i poden provocar arcs elèctrics. Els SSR, en canvi, utilitzen peces de semiconductors per controlar la potència sense peces mòbils. Això no només permet un control precís i silenciós, sinó que també redueix el desgast de la màquina, la fa més fiable i fa que el sistema de calefacció duri més en general. Per a tasques de precisió mitjana-com ara hivernacles comercials o petits projectes d'investigació, on les temperatures estables són crucials però els sistemes de control avançats poden no valer la pena ni el cost, el control proporcional és una bona opció.

Els controladors PID (proporcional-integral-derivat) són més avançats que els proporcionals perquè poden aprendre i adaptar-se. Són ideals per a aplicacions que necessiten molt poc canvi de temperatura. Un controlador PID utilitza tres accions de control diferents per mantenir la temperatura estable: acció proporcional (canvi de potència en funció de l'error de temperatura actual), acció integral (correcció d'errors que s'han acumulat al llarg del temps per assegurar-se que la temperatura mitjana coincideix amb el punt de consigna) i acció derivada (predicció de futurs canvis de temperatura en funció de la velocitat de canvi de temperatura perquè el controlador pugui canviar la potència per endavant per evitar sobrepassos o caigudes). Una de les millors coses del control PID és que pot "aprendre" com reacciona el sòl a la calor al llarg del temps, que s'anomena ajustament. Durant la fase de sintonització, el controlador fa un seguiment de la rapidesa amb la qual la sortida de l'escalfador augmenta la temperatura del sòl, la quantitat d'excés (si n'hi ha) i la rapidesa amb què la calor surt del sòl i entra a l'entorn. El controlador utilitza aquesta informació per canviar la configuració proporcional, integral i derivada de manera que funcioni millor per al tipus de sòl on es troba. El controlador pot augmentar el guany integral en sòl argilós, que té una gran inèrcia tèrmica, per compensar els canvis lents de temperatura. Al sòl sorrenc, que té una baixa inèrcia tèrmica, el controlador podria reduir el guany derivat per compensar els canvis de temperatura més ràpids. El control PID és especialment útil en situacions en què el control precís de la temperatura és important, com els llits de propagació de plàntules fràgils (que necessiten temperatures constants de la zona arrel per garantir una germinació i un creixement uniformes) o la investigació científica en microbiologia del sòl, fisiologia vegetal o ciència ambiental (on els canvis de temperatura poden canviar els resultats dels experiments). Els controladors PID són més difícils de configurar i ajustar que els sistemes proporcionals o{11}}apagats, però en situacions en què la precisió és molt important, la seva capacitat de mantenir les temperatures estables amb pocs canvis fa que valgui la pena el treball i els diners addicionals.

La col·locació dels sensors és un tema molt important però sovint ignorat que té un efecte directe sobre el bon funcionament de la gestió de la temperatura del sòl. Si el sensor de temperatura no es col·loca correctament, fins i tot el controlador més avançat no podrà donar resultats fiables, ja que no mostrarà amb precisió la zona tèrmica objectiu (normalment la zona de l'arrel de la planta o l'àrea que es controla per a la investigació). Si un sensor està massa a prop de l'escalfador del cartutx, respondrà ràpidament als canvis en la configuració d'encesa-o d'alimentació de l'escalfador. Tanmateix, només mesurarà la temperatura del sòl al voltant de l'escalfador, no la temperatura mitjana de la zona de l'arrel. Això pot proporcionar lectures falses. Per exemple, el sensor pot dir que s'ha assolit el punt de consigna quan gran part de la zona arrel encara està massa freda, o pot provocar talls d'energia que no són necessaris si la regió al voltant de l'escalfador s'escalfa massa. D'altra banda, un sensor que està massa allunyat de l'escalfador trigarà més a respondre als canvis de temperatura, ja que la calor triga temps a moure's a través del sòl fins a la ubicació del sensor. Aquest retard pot fer que la temperatura desviï molt, el que significa que la temperatura a la zona arrel pot romandre per sota del punt de consigna durant molt de temps abans que el controlador noti el problema i canviï la sortida de l'escalfador. El millor lloc per a un sensor és al mig de dos escalfadors de cartutxos i a la profunditat del sistema radicular de la planta, que sol ser de 5 a 15 centímetres per a les plàntules i de 15 a 30 centímetres per a les plantes madures. Aquest posicionament assegura que el sensor mesura la temperatura mitjana de la zona arrel, no només les regions calentes o fredes properes a l'escalfador o lluny d'aquest. En algunes circumstàncies, és possible que s'hagi de canviar la profunditat del sensor amb les estacions. Per exemple, a l'hivern, quan el sòl és fred, és possible que el sensor hagi d'estar més profund al sòl per evitar els canvis causats per les gelades superficials. A l'estiu, quan el sòl és càlid, és possible que el sensor hagi de ser menys profund per controlar la zona de l'arrel superior on es produeix la major absorció de nutrients.

En llocs grans com hivernacles comercials, camps agrícoles o sistemes geotèrmics industrials, el control d'un sol-sensor sovint no és suficient per mantenir la temperatura fins i tot a tota la zona. Això es deu al fet que el tipus de sòl, el contingut d'humitat i l'exposició al clima poden canviar. Per solucionar-ho, el sistema de control pot utilitzar dos mètodes principals per combinar diversos sentits: sensors de mitjana i control diferencial. Els sensors de mitjana prenen mesures de temperatura des de diversos llocs de la zona escalfada i proporcionen al controlador una xifra que mostra la temperatura total del sòl. Això ajuda a compensar les diferències de temperatura en diferents parts del mateix hivernacle, com ara el sòl sorrenc (que s'escalfa i es refreda ràpidament) i el sòl argilós (que manté la calor més temps). El controlador pot canviar la sortida de l'escalfador per mantenir la temperatura mitjana al nivell adequat fent la mitjana d'aquests valors. D'aquesta manera, s'assegura que cap lloc és excessivament calent o massa fred. El control diferencial, d'altra banda, permet al controlador canviar els circuits de cada escalfador de cartutx per separat comparant les mesures de temperatura de diferents àrees dins de l'àrea d'escalfament. El controlador pot reduir la potència dels escalfadors de la zona assolellada i augmentar la potència dels escalfadors de la zona ombrejada, per exemple, si una zona de l'hivernacle rep el sol directe i és més càlida que l'altra. Aquest canvi específic garanteix que les temperatures siguin les mateixes a tota la zona, fins i tot quan les condicions del sòl o la quantitat de llum solar canvien molt. També podeu combinar diversos-sistemes de sensors amb la zonificació, que divideix la zona d'escalfament en zones de control independents, cadascuna amb el seu propi escalfador de cartutx i sensor. Això fa que el control sigui encara més precís. Això és especialment útil en edificis grans quan el sòl, les plantes o les necessitats d'investigació varien en diferents seccions.

Les variables ambientals ambientals influeixen significativament en les solucions de control de la temperatura del sòl, especialment per a aplicacions a l'aire lliure o semi{0}exterior on el sòl està subjecte a l'exposició ambiental. Els sistemes de calefacció del sòl a l'aire lliure han de fer front als canvis de temperatura de l'aire, velocitat del vent, radiació solar i precipitació tot el temps. Tots aquests canvis afecten la rapidesa amb què la calor surt del sòl. Les situacions interiors, com els hivernacles-climàtics controlats, no han de fer front a aquests canvis. Per exemple, en un dia de primavera tranquil amb temperatures de l'aire suaus i un guany solar modest, el sòl pot retenir bé la calor, de manera que l'escalfador no necessita treballar molt per mantenir el punt de consigna. Però a les nits fredes d'hivern amb ràfegues fortes, el sòl perd molta calor, de manera que l'escalfador ha de treballar més i més per compensar-ho. De la mateixa manera, un temps molt calorós a l'estiu pot elevar la temperatura del sòl per sobre del punt de consigna. Per evitar que el sòl estigui massa calent, és possible que el controlador hagi d'apagar l'escalfador o fins i tot prendre mesures per refredar-lo, com ara l'ombra o la ventilació. Per fer front a aquests problemes, el sistema inclou, en general, un control-de feed-forward. D'altra banda, el control-feed-forward mesura les condicions actuals (com ara la temperatura de l'aire, la velocitat del vent i la radiació solar) i canvia la sortida de l'escalfador amb antelació per compensar els seus impactes. Això és diferent del control de retroalimentació estàndard, que canvia la potència en funció de les imprecisions de temperatura anteriors o actuals. Per exemple, si el sensor d'alimentació-avançada veu que la temperatura de l'aire està a punt de disminuir o que la velocitat del vent està a punt d'augmentar, el controlador augmentarà la potència de sortida de l'escalfador abans que la temperatura del sòl comenci a baixar. Això atura la deriva de la temperatura. Aquesta tècnica proactiva fa que la temperatura sigui molt més estable, redueix la possibilitat de sobrepassar o baixar i fa que l'escalfador utilitzi només la potència que necessita per contrarestar les influències externes, la qual cosa estalvia energia. En determinats sistemes moderns, el control del feed-avanç també pot utilitzar les previsions meteorològiques per predir canvis a-a llarg termini en l'entorn, cosa que fa que el sistema sigui encara més adaptable.

El control centralitzat és millor que els controladors descentralitzats-específics de zona per a sistemes de calefacció amb més d'una zona d'escalfador de cartutx, com ara grans hivernacles, fàbriques o granges que es divideixen en diverses zones de control. Un sistema de control centralitzat utilitza un controlador primari per regular totes les zones de calefacció. Això garanteix que tot funcioni conjuntament i funcioni de la millor manera possible. Un gran benefici és l'equilibri de càrrega. El controlador centralitzat pot repartir l'energia per les zones perquè el sistema elèctric no s'escalfi massa, assegurant-se que tots els calefactors funcionin bé sense crear caigudes de tensió ni problemes elèctrics. Per exemple, el controlador pot donar més electricitat a zones amb plantes més sensibles o mostres d'investigació importants durant èpoques d'alta demanda de calefacció i menys potència a zones que són menys importants. El control centralitzat també ajuda a estalviar energia mirant les dades de temperatura de totes les zones i canviant la potència de sortida en funció de la demanda total, en lloc de gestionar cada zona per separat. Això pot estalviar molta energia, especialment en sistemes grans on controlar cada zona per separat fa malgastar energia. Un altre gran avantatge del control centralitzat és que podeu veure i canviar les coses des de lluny. Els operadors poden comprovar la temperatura de cada zona en temps real, canviar els punts de consigna i solucionar problemes sense haver d'anar a la instal·lació de cada escalfador mitjançant un dispositiu connectat com un ordinador, una tauleta o un telèfon intel·ligent. Això és especialment útil per a edificis grans o llocs llunyans, on es necessitaria molt de temps i diners per controlar les coses en persona. A més, els sistemes de control centralitzat sovint inclouen capacitats de registre de dades, que registren lectures de temperatura, temps de funcionament de l'escalfador i consum d'energia al llarg del temps. Aquestes dades es poden analitzar per identificar tendències, com ara l'augment de l'ús d'energia (que pot indicar una fallada en l'escalfador o el deteriorament de l'aïllament del sòl) o les fluctuacions de temperatura (que poden indicar problemes del sensor o canvis en les condicions del sòl). Els operadors poden fer el manteniment o fer canvis abans que aquests problemes empitjorin i provoquin fallades del sistema, danys als cultius o errors en els experiments. En sistemes avançats, el registre de dades també es pot integrar amb algorismes d'intel·ligència artificial (IA) per optimitzar encara més les estratègies de control, aprenent de dades històriques per predir futurs canvis de temperatura i ajustar la configuració automàticament.