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Abstract and Figures

Dado que los invernaderos semejan colectores de energía solar gracias a su estructura transparente, es factible usarlos para el doble propósito de cultivar plantas y obtener energía térmica solar. El proyecto de cooperación ZINEG tiene una estación experimental en Berlín, la cual se dedica a la investigación de un sistema técnico de enfriamiento adaptado para extraer y almacenar energía calorífica de un invernadero cerrado aprovechando así el exceso de energía solar y haciendo uso de una bomba de calor. Tanto el calor sensible proveniente del sol, como el calor latente procedente de los procesos de enfriamiento transpirativo de las plantas, se extraen del invernadero y almacenan en un tanque de agua para su posterior uso en el sistema de calefacción. El sistema técnico enfriador-deshumidificador se apoya en la convección natural del aire. Así cobra importancia la bomba de calor de ciclo reversible, que es operada usando un mínimo de energía primaria y se usa tanto en la calefacción como en la refrigeración. Las investigaciones energéticas del verano 2010 se enfocaron en el sistema enfriador-deshumidificador y el modo de trabajo de la bomba de calor, para responder preguntas sobre el grado de efectividad del colector y los coeficientes de trabajo de la bomba.
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El invernadero solar cerrado - Descripci´on del proyecto y
evaluaci´on de la ganancia de energ´ıa calor´ıfica en el verano de
2010
Hannover, 23 al 26 de febrero 2011
T´ıtulo original: Das geschlossene Solarkollektorgew¨achshaus - Anlagenkonzept und energetische
Untersuchungen zum W¨armeenergiegewinn im Sommer 2010
Traducido en Berl´ın. Marzo de 2011.
1. Introducci´on. Estado del arte. Objetivos.
Dado que los invernaderos semejan colectores de energ´ıa solar gracias a su estructura transparente, es
factible usarlos para el doble prop´osito de cultivar plantas y obtener energ´ıa t´ermica solar. Con esta
finalidad se han dise˜nado, ya desde la d´ecada de los a˜nos 80, sistemas que permita redirigir el exceso de
energia calor´ıfica hacia tanques de almacenamiento sobre la superficie del suelo, ya sea echando mano
de flujos de ventilaci´on forzada e intercambiadores de calor bajo el cultivo (Damrath, 1982) o bien por
medio de convecci´on libre sobre superficies enfriadoras en el ´area del techo. Actualmente existe una
propuesta en los Pa´ıses Bajos que utilizan invernaderos cerrados, usando activamente maquinaria para
sucesivamente enfriar el aire, desecarlo, calentarlo de nuevo y (en caso necesario) a˜nadirle CO2. En este
proyecto se usan acu´ıferos calientes y fr´ıos para almacenar la energ´ıa durante periodos que abarcan varias
estaciones del a˜no (Opdam et al., 2005).
El proyecto de cooperaci´on ZINEG tiene una estaci´on experimental en Berl´ın, la cual se dedica a la
investigaci´on de un sistema t´ecnico de enfriamiento adaptado para extraer y almacenar energ´ıa calor´ıfica
de un invernadero cerrado aprovechando as´ı el exceso de energ´ıa solar y haciendo uso de una bomba
de calor. Tanto el calor sensible proveniente del sol, como el calor latente procedente de los procesos de
enfriamiento transpirativo de las plantas, se extraen del invernadero y almacenan en un tanque de agua
para su posterior uso en el sistema de calefacci´on. El sistema t´ecnico enfriador-deshumidificador se apoya
en la convecci´on natural del aire. As´ı cobra importancia la bomba de calor de ciclo reversible, que es
operada usando un m´ınimo de energ´ıa primaria y se usa tanto en la calefacci´on como en la refrigeraci´on.
Las investigaciones energ´eticas del verano 2010 se enfocaron en el sistema enfriador-deshumidificador y
el modo de trabajo de la bomba de calor, para responder preguntas sobre el grado de efectividad del
colector y los coeficientes de trabajo de la bomba.
2. Materiales y m´etodos
El sitio de trabajo abarca dos invernaderos tipo venlo (invernadero solar y de referencia), orientados
de norte a sur y con una altura m´axima de 6,7m. Ambos tienen un ´area de planta de 307m2, de los
cuales 200m2representan la superficie neta de cultivo, con tomate cv. Pannovy en hidroponia en camas
elevadas de lana de roca. Ambos invernaderos est´an equipados con 3 sistemas de calefacci´on, incluyendo
el sistema convencional de tuber´ıas sobre el suelo, usado para asegurar la producci´on en caso de no
contar con energ´ıa en el tanque de almacenamiento. El segundo sistema de calefacci´on se coloc´o bajo las
camas de plantas en forma de manguera perforada de pl´astico (temperatura de hasta 50C), mientras
1
que el tercero tiene la forma de radiadores de aluminio colocados dentro del dosel (temperatura de
hasta 40C). Asimismo, los invernaderos cuentan con un sistema autom´atico de irrigaci´on con soluci´on
nutritiva, sistema de inyecci´on de C O2, nebulizadores para enfriamiento y una pantalla t´ermica (de uso
generalizado en el ramo).
En contraposici´on con la instalaci´on est´andar en el invernadero de referencia, en el invernadero colector
se colocaron bajo el techo 16 tubos de enfriamiento y deshumidificaci´on, cada uno con una charola
para colectar el agua que se condensa en sus estr´ıas. El invernadero colector cuenta tambi´en con una
pantalla t´ermica de alto grado de aluminio, horizontal al nivel de los canales y vertical en las cuatro
paredes. Adem´as el invernadero colector puede usar los sistemas de calefacci´on de manguera pl´astica y
de radiador de aluminio para efectos de enfriamiento y deshumidificaci´on. En este contexto es de especial
importancia la integraci´on de la bomba de calor en el sistema del colector, dado que esta permite
flexibilizar los modos de operaci´on de calefacci´on, refrigeraci´on y deshumidificaci´on. La bomba de calor
utilizada es de ciclo doble de agua/agua marca Climaveneta y tiene una potencia el´ectrica de 40kW
(80kW para enfriamiento y 110kW para calefacci´on). La tuber´ıa de enfriamiento en el ´area del techo usa
una mezcla de glicol y agua para pervenir congelamiento dentro de las mismas. Fuera del invernadero
se construy´o un tanque de agua con capacidad de 290m3, el cual se encuentra sobre la superficie y sirve
para almacenar la energ´ıa proveniente del invernadero. La temperatura en este tanque se encuentra en
el rango entre 7Cy 42C. Se trata de un tanque convencional para agua, con un aislamiento adicional
(30cm) y una pel´ıcula pl´astica interior. Para la evaluaci´on de flujos de energ´ıa, se instalaron 9 medidores
de energ´ıa calor´ıfica en tuber´ıas y 2 medidores de energ´ıa el´ectrica en los circuitos hidr´aulicos y el´ectricos
de los invernadero. Los flujos de masa de agua se calculan con base en el condensado proveniente del
sistema de enfriamiento y del retorno de soluci´on nutritiva de las camas. Los datos clim´aticos se toman
en 6 puntos en cada invernadero, adem´as de la estaci´on meteorol´ogica ubicada en el exterior. Durante
el verano 2010 se hizo ´enfasis en caracterizar el comportamiento energ´etico, para lo cual se calcularon el
coeficiente de efectividad del colector (ec. 1), el coeficiente de rendimiento de la bomba de calor tanto
para calentar como para enfriar (ec. 2) y el mismo coeficiente incluyendo los ciclos hidr´aulicos (ec. 3).
ηcoll =Qstor
Qr,e
(1)
βhp =Qhp
Whp
(2)
βhp+=Qhp
Whp+
(3)
ηcoll Coeficiente de efectividad del colector -
Qstor Calor enviado al tanque por d´ıa [kW h]
Qr,e Calor recibido de la radiaci´on solar por d´ıa [kW h]
βhp Rendimiento de la bomba de calor -
βhp+Rendimiento del sistema completo -
Qhp Trabajo de la bomba de calor por d´ıa [kW h]
Whp+Energ´ıa el´ectrica de la bomba de calor por d´ıa [kW h]
Whp Energ´ıa el´ectrica total por d´ıa [kW h]
3. Resultados
La figura 1(A) muestra las fracciones porcentuales conque los tres sistemas intercambiadores de calor (tu-
bos estriados, manguera pl´astica y radiador de aluminio) son capaces de extraer energ´ıa del invernadero
colector solar. Antes de inciar el cultivo de tomate, se ten´ıan valores medios de aproximadamente 55 %
para los tubos enfriadores estriados, 30 % para la manguera pl´astica usada como enfriador y 15 % para los
radiadores de aluminio en la misma modalidad. Conforme el cultivo crec´ıa y las tasas de transpiraci´on se
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incrementaban, estos porcentajes se modificaron. Por esta raz´on se obtuvieron eficiencias de enfriamiento
de hasta 886kW por d´ıa usando los tubos estriados, cuya superficie de disipaci´on asciende a los 684m2.
Hacia el final del verano, al alcanzar las plantas la mayor superficie foliar, se elev´o la proporci´on de
energ´ıa extra´ıda por medio de los tubos estriados hasta alcanzar un 90 %. Simult´aneamente un 10% del
enfriamiento total se logr´o usando el sistema de manguera pl´astica. En el caso del radiador de aluminio
se implement´o un control por punto de roc´ıo a fin de evitar condensaci´on dentro del dosel, raz´on por la
cual el enfriamiento por este medio represent´o niveles despreciables.
La figura 1(B) muestra la creciente fracci´on de calor latente, generado principalmente por la transpiraci´on
del cultivo, y que se convirti´o en calor sensible gracias a la condensaci´on provocada por los sistemas de
enfriamiento. Este calor sensible fue entonces enviado al tanque de almacenamiento. En este contexto se
obtuvieron cantidades hasta 445lpor d´ıa de agua condensada (1,45lpor metro cuadrado de superficie)
en el invernadero cerrado con m´aximo desarrollo del cultivo. Esto corresponde a una fraccion de 36 % de
enfriamiento latente respecto al enfriamiento diario, suponiendo una entalp´ıa de vaporizaci´on del agua
de 2,44MJ /k g .
La figura 1(C) muestra el coeficiente de efectividad del colector con y sin plantas en el invernadero. En el
invernadero sin plantas se obtuvieron coeficientes entre 0,4y0,5, mientras que con plantas se obtuvieron
valores medios entre 0,5y0,8. Los valores mayores a 1 ocurrieron en d´ıas con baja radiaci´on solar pero
altas temperaturas, las cuales provocaron altas tasas de transpiraci´on y, por lo tanto, de condensaci´on
en los tubos de enfriamiento.
La figura 1(D) muestra las sumas mensuales de radiaci´on solar y de energ´ıa enviada al tanque de alma-
cenamiento, desde la puesta en marcha del sistema. Desde mayo hasta diciembre de 2010 se obtuvieron
alrededor de 125M W h, que representan 407KW h por metro cuadrado de superficie.
La figura 1(E) muestra el coeficiente de rendimiento βhp de los procesos de calefacci´on y refrigeraci´on.
La figura 1(F) muestra el coeficiente de rendimiento corregido βhp, el cual incluye la energ´ıa el´ectrica
usada en las bombas para transportar el agua, adem´as de la bomba de calor propiamente dicha. Para el
periodo de mayo a octubre de 2010 el coeficiente medio de rendimiento (SEES: seasonal energy efficiency
ratio), en modalidad de enfriamiento, tuvo un valor de 5,19, mientras que el coeficiente corregido medio
(SEES+) lo tuvo de 3,67. En el caso de la calefacci´on (HSPF: heating seasonal performance factor), los
valores fueron de 4,67 y 3,28.
4. Discusi´on
La eficiencia del sistema de enfriamiento basado en convecci´on natural se increment´o con las tasas de
transpiraci´on del dosel y el consecuente incremento en la condensaci´on de vapor de agua rico en energ´ıa.
Las cantidades de vapor condensado indican una alta fracci´on de enfriamiento latente por parte de las
plantas, de acuerdo con lo cual se presenta la oportunidad de utilizar el agua condensada para fines de
irrigaci´on.
En colectores superficiales sencillos, la efectividad del colector alcanza alrededor de 0,5, mientras que en
los modernos colectores al vac´ıo se puede alcanzar hasta 0,8 (Kaltschmitt y Streicher, 2009). Estas altas
efectividades tambi´en se pudieron alcanzar con el invernadero colector provisto de plantas. En este caso
es decisiva la baja temperatura del colector (<30C) debida al enfriamiento por parte de las plantas,
ya que se minimiza la p´erdida de energ´ıa por convecci´on y radiaci´on, en comparaci´on con los colectores
solares t´ecnicos. Sin embargo, durante la operaci´on regular del invernadero estos valores variaban debido
a las estrategias de control clim´atico: cuando la temperatura llegaba a superar los 30Cse abr´ıan la
ventilaci´on cenital, provocando p´erdida de vapor de agua y subsecuente descenso en la efectividad del
colector.
Los rendimientos estacionales calculados hasta ahora coinciden con los valores proporcionados por el
fabricante de la bomba de calor, as´ı como con los de estudios similares (Opdam et al., 2005). Los valores
diarios presentan grandes oscilaciones, especialmente en el caso de la calefacci´on, debido a la frecuencia
de encendido y el tiempo de trabajo de la bomba de calor. En el caso de la refrigeraci´on se tienen menores
oscilaciones debido a que es mayor la frecuencia con que es necesario enfriar el invernadero. El uso de la
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bomba de calor en el invernadero sirve a dos fines: por un lado previene el estr´es por altas temperaturas
y por otro permite mantener las ventanas cerradas y con ello la fertilizaci´on con CO2que de otra manera
escapar´ıa al exterior. Por otro lado es posible elevar las temperaturas del aire y las plantas en los casos
que as´ı lo requieren. Sin embargo, los periodos en que se necesita enfriar y calentar se encuentran muy
alejados en el tiempo, lo que se hubo de calcular por separado la eficiencia de ambos procesos.
5. Conclusiones
Los sistemas de enfriamiento y calefacci´on revisados son apropiados para el operar el invernadero colector
solar, para lo cual el sistema de tubos estriados bajo el techo es especialmente eficiente. La transpiraci´on
del dosel contribuye a elevar la efectividad del colector. En el a˜no 2011 ser´an repetidas las evaluaciones,
adem´as de extenderse a un ciclo de cultivo completo. Se buscar´a optimizar el balance entre una m´axima
extracci´on de energ´ıa calor´ıfica (usando un m´ınimo de energia el´ectrica) y la producci´on de tomates
apoyada en la fertilizaci´on con CO2. Adem´as se evaluar´a el efecto del enfriamiento latente por parte de
las plantas sobre las necesidades energ´eticas del invernadero.
6. Literatura
Damrath, J. (1982): Solarenergienutzung im Gew¨achshaus: Eine energetische Darstellung des dop-
pelbedachten Gew¨achshauses mit solarunterst¨utzter Heizung. Heft 14, Gartenbautechnische Infor-
mationen, Universit¨at Hannover.
Kurt´an, S. (1988): Der W¨armegewinn aus geschlossenen Gew¨achsh¨ausern unter Ber¨ucksichtigung
der Wasserdampfkondensation und der W¨armespeicherung. Dissertation, Ingenieurhochschule Berlin-
Wartenberg.
Opdam, J. J. G., Schoonderbeek, G. G., Heller, E. M. B. (2005): Closed Greenhouse: a Starting
Point for Sustainable Entrepreneurship in Horticulture. Acta Hort. 691: 517-524.
Kaltschmitt, M., Streicher, W. (2009): Regenerative Energien in ¨
Osterreich: Grundlagen, System-
technik, Umweltaspekte, Kostenanalysen, Potenziale, Nutzung. Vieweg + Teubner.
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Figura 1: Parte proporcional de los sistemas de enfriamiento respecto al enfriamiento total (A). Fraccion
del enfriamiento latente (B). Coeficiente de efectividad del colector (C). Energ´ıa cosechada y enviada
al tanque de almacenamiento (D). Coeficiente de rendimiento de la bomba de calor para calefacci´on y
enfriamiento (E). Coeficiente de rendimiento total de los sistemas de calefacci´on y enfriamiento (F).
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Article
Between 1998 and 2003, the company Ecofys from Utrecht developed and tested a new concept of an integrated climate and energy system that permits permanently closing the ventilation windows of a greenhouse. The technical concept consists of a combined heat and power unit, heat pump, underground (aquifer) seasonal energy storage as well as daytime storage, air treatment units, and air distribution ducts. Active air circulation is one of the key elements for controlling the climate (T, RH, CO2) at crop level. This paper discusses the technical aspects and the results of a trial using a fully closed 1400 m2 demonstration greenhouse for tomato production. Results showed: 1) reduction in primary energy (fossil fuel) use of 20 and 35% respectively for an "island" closed greenhouse and a closed-conventional combination greenhouse, 2) increase in tomato yield of 20%, 3) an 80% reduction in chemical crop protection, and 4) a 50% reduction in use of irrigation water. The energy efficiency was improved by 50%. Finally, some preliminary environmental data will be shown for the first 14,000 m2 of closed greenhouse installed at a commercial greenhouse operation. The concept of a fully closed greenhouse will be discussed in relation to sustainable greenhouse production.
Solarenergienutzung im Gewächshaus: Eine energetische Darstellung des doppelbedachten Gewächshauses mit solarunterstützter Heizung. Heft 14, Gartenbautechnische Informationen
  • J Damrath
Damrath, J. (1982): Solarenergienutzung im Gewächshaus: Eine energetische Darstellung des doppelbedachten Gewächshauses mit solarunterstützter Heizung. Heft 14, Gartenbautechnische Informationen, Universität Hannover.