10 octubre 2014

Calefacción de invernaderos con energía solar (2ª PARTE)



Ver 1ª PARTE

Diseño general

Invernaderos high-tech en Holanda

Varias compañías en diversos lugares del mundo están trabajando en el desarrollo de invernaderos de alta tecnología diseñados para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, mejorando la eficiencia energética e introduciendo prácticas para reutilizar el agua.
Hasta hace poco tiempo no se consideraba viable el uso de energías alternativas para calentar invernaderos pero el incesante incremento del precio de los combustibles sólidos y de la electricidad han propiciado que aparezcan interesantes paybacks.


Themato (Nederhoff 2006) en Holanda es un pionero en el “invernadero cerrado”. Encontró un camino para almacenar la energía térmica recibida en el verano y usarlo para calentar el invernadero en el invierno, reduciendo el consumo energético en un 30 %. Se produce el 40 % de la energía de forma sostenible.

Fiwihex (short for Fine Wire Heat Exchanger) es otro producto innovador que se ha desarrollado para poder transferir calor muy eficientemente.

Gakon (Gakon 2006) es otra compañía holandesa que tiene en sus objetivos invernaderos neutros climáticamente. En sus invernaderos se reducen las emisiones de CO2 en un 48 %.

KUBO Sustainable greenhouse Projects ha desarrollado un invernadero neutro en consumo energético.

Calefacción de invernaderos

Dado que el propósito de un invernadero es proporcionar un ambiente en el que el micro-clima pueda controlarse para optimizar las condiciones de los cultivos, es esencial comprender cómo la estructura y el sistema de calefacción afecta el uso de la energía. Los sistemas de calefacción actuales a base de hidrocarburos suponen unos altos costes operacionales cada vez más difíciles de soportar. Los sistemas más comunes usan calefacción hidrónica que hace circular el agua a través de tubos de acero galvanizado a nivel del suelo. El agua se calienta a temperaturas del orden de 75 ºC antes de repartirse por las tuberías en el área de los cultivos. Cuando la temperatura del invernadero alcanza una temperatura de consigna, parte del agua de retorno pasa a la caldera y es transmitida al invernadero a una temperatura más baja.

Calefacción de invernaderos con paneles solares de polietileno

Otra de las alternativas en la calefacción de alternativas es el uso de captadores solares planos a baja temperatura. Un ejemplo de esta aplicación se ha desarrollado en Maryland recientemente (Developing an Energy Efficient, Solar-Heated Greenhouse in Maryland) como alternativa al propano.

El proyecto se desarrolló en 2009 y si bien es una referencia utiliza tecnologías básicas para lo que actualmente puede conseguirse.

Los organizadores de este proyecto construyeron un invernadero de alta eficiencia energética que requería el calor de 1315 litros de propano para mantener una temperatura de 13ºC. Un invernadero de este tipo consume en promedio un 40 % menos de energía que los invernaderos en polietileno del mismo tamaño.

La porción del suelo del invernadero se hizo con espuma de poliestireno que fue revestida de hormigón y con un espesor de 30 cm y con una resistencia térmica de R-30. La superficie ocupada por el invernadero era de 15 m2 y la altura máxima del invernadero es de 3 metros.

Los paneles usados fueron de plástico de bajo coste, similares a los que se usan para calentar piscinas, y por tanto con un rendimiento mucho menor que los captadores solares planos modernos. Se colocaron cinco paneles con un ángulo de inclinación de 36 º.

La distribución del calor en el invernadero se realizaba usando radiadores que servían como intercambiadores de calor.

Los paneles solares trabajaron muy bien para almacenar agua en el depósito de almacenamiento. En los días soleados, incluso cuando las temperaturas exteriores eran frías (-6ºC – 4ºC), el panel alcanzaba una temperatura de 38ºC. La temperatura del agua en el depósito a menudo se elevaba 12 grados  en un solo día.

Al invernadero se incorporaron 5 captadores que se conectaron a un depósito de 3.000 litros. Los paneles eran capaces de crear alrededor de 44 kWh en muchos días soleados. Esto equivale a unos 8 litros de propano líquido al día. Con tres o cinco días soleados la temperatura del depósito puede a menudo incrementarse a 38ºC. Esta cantidad de calor es almacenado es capaz de calentar el depósito para tres o cuatro días nublosos con máximas diarias de 4,5 ºC y temperaturas nocturnas de -6,6 ºC. El control del sistema se llevó a cabo colocando sensores en la parte superior e inferior del depósito, en la línea de retorno de los captadores, en la superficie de los captadores, en el exterior del invernadero y en el interior del invernadero. Un medidor de caudal se colocó en la línea de retorno de los paneles solares.

El sistema de control enciende la bomba cuando la temperatura de los paneles es superior a la temperatura del depósito en dos grados, y la apaga cuando la temperatura cae por debajo de la temperatura del depósito.

En el curso de un año, el invernadero eficiente y el sistema de calentamiento solar tiene capacidad para reducir la cantidad de propano utilizado en aproximadamente 760 litros.

Otro ejemplo similar podemos mencionar en Melbourne utilizando el mismo tipo de captadores a bajo costes. En un día de otoño o primavera, puede esperarse una contribución solar del 50 % con 12,4 m2 de colectores solares para un pequeño invernadero de 32 m2 calentado a 12 ºC.

Calefacción con captadores solares planos y suelo radiante

En Minnesota se llevó a cabo en 2009 otro proyecto de uso de captadores solares en invernaderos (Using Solar Energy to Heat the Soil and Extend the Growing Season in High Tunnel Vegetable Production. La zona donde se ejecutó el proyecto está a 120 millas de la frontera canadiense. Las temperaturas invernales alcanzan los – 45 ºC, aunque son más comunes temperaturas de – 40 ºC

Aire caliente se bombeaba desde tres paneles solares a través de una serie de tubos enterrados bajo el suelo en un túnel de 9 x 15 m. El suelo fue excavado y revestido con 5 cm de aislamiento de poliestireno extruido.
En este proyecto se consiguieron cosechar tomates seis semanas antes que en los invernaderos de túnel convencionales. La temperatura del suelo se calentaba por encima de los 10 ºC desde el 6 de marzo y a partir del 15 de marzo permaneció por encima de esa temperatura cada noche, mientras que en los túneles tradicionales no se alcanza esa temperatura hasta mediados o finales de abril.

En 2003 se publicó otro estudio (Heating Greenhouses with Flat Plate Solar Water Heaters) en el que se estudiaba el uso de captadores solares planos en invernaderos comerciales. El objetivo era analizar la implantación de estos sistemas en invernaderos en Victoria (Australia). El invernadero comercial usado para este estudio se localizaba a unos 120 km de Melbourne y suplía sus necesidades de calefacción con una caldera de GLP, bombeando agua a través de una red de tuberías en el suelo del invernadero. El invernadero tiene una superficie de 4.000 m2 y se utilizaron 1.000 m2 de captadores solares.

El sistema instalado incluye un tanque de hormigón con capacidad para almacenar 80.000 litros. El sistema se diseñó para proporcionar calor al invernadero durante el día o la noche si la temperatura del aire caída por debajo de 20 y 15 ºC respectivamente. Para reducir el uso de energía el invernadero se cubrió con dos capas de film de polietileno, inflado para proporcionar un hueco de aire aislante, y se usó pantalla térmica durante la noche.

Algunas asunciones de este proyecto son las siguientes:  

  • El coeficiente de pérdidas para el invernadero de polietileno de doble capa durante el día es 5,3 W/m2 ºC y 3,8 W/m2 ºC por la noche debido a la pantalla térmica.
  • El ratio de superficie a volumen del invernadero se asumió era de 1,2.
  • El caudal de agua en el circuito fue de 35.640 kg/h.
  • La temperatura de suministro fue de 55 º C, y el caudal mínimo era de 0,045 litros por segundo por kWh de calefacción. La capacidad de calentamiento calculada fue de 220 kW.
  • La temperatura del agua retornando al tanque fue de 10 ºC por debajo de la temperatura de suministro. Con una temperatura de suministro de 55 ºC esta caída de temperatura es superior a la que fuese deseable en el invernadero.
  • El caudal a través de los colectores era de 0,015 litros por segundo por m2.
  • El depósito de almacenamiento se asumía tenía 4 capas que pueden estar a diferentes temperaturas y tienen que estar aislados.
Los resultados mostraron que el ahorro energético en el invernadero fue de un 51 % en el ciclo anual. El ahorro fue el 28 % en invierno, el 66 % en primavera, el 85 % en otoño y del 100 % en verano.

Un estudio llevado a cabo en Marruecos (A heating systems using flat plate collectors to improve the inside greenhouse microclimate in Morocco) se centró en el uso de captadores solares planos para estudiar el efecto en la temporada de recolección. Los resultados son muy interesantes pues lo que se consiguió fue un adelanto de 14 días en la recolección del producto, afectando los resultados al precio que se consigue por el producto al adelantarse a los competidores.

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