Cálculo de las pérdidas de calor en un invernadero

El equilibrio energético completo incluirá solar, intercambio de transmisión, pérdidas de ventilación, pérdidas por infiltración, intercambio con el suelo, intercambio generado por trabajadores y equipos, y calor proporcionado por el sistema de calefacción. Sin embargo, debido al tiempo en el que las cargas de diseño son más exigentes, por la noche y al comienzo de la mañana, muchos de estos factores no son considerados. Así, los requerimientos de calefacción están condicionados predominantemente por la temperatura ambiente cayendo por debajo de la temperatura umbral, y velocidad del viento, que influye en el coeficiente de transferencia de calor U. Para unas condiciones de crecimiento óptimas la temperatura en el invernadero no caerá por debajo de 19 ºC. Si ocurre esto debe entrar en funcionamiento la caldera. Para determinadas técnicas de cultivo se permite que esta temperatura caiga en ciertas horas del día hasta 12 ºC.

Las paredes y el techo de un invernadero pueden estar construidos de forma diferente de forma que los valores para U del coeficiente de transferencia de calor difieren entre sí. De aquí la pérdida de calor a través de paredes y techo son calculadas de forma separada.

Las siguientes ecuaciones fueron utilizadas por Reiner Wolterbeek del SDF.

U = 5,8 + 4,1 v para velocidades < 5 m/s.

U = 7,12 v^0,78 para v>5 m/s

La pérdida de calor Q puede calcularse usando la siguiente ecuación:

Donde A es el área del techo, T_i es la temperatura en el interior del invernadero y T_o es la temperatura ambiente exterior.

Las paredes pueden estar formadas por varias capas, tales como 2 láminas de polietileno y una lámina de aire. Internamente y entre las capas de polietileno el aire apenas se mueve. Externamente, es dependiente de la velocidad del viento en ese momento. La ecuación:

Se usa para calcular el coeficiente de transferencia de calor total de las paredes. Donde α_a es el coeficiente de transferencia de calor del aire interior, α_b es el coeficiente de transferencia de calor del aire exterior, y R_c es la resistencia térmica de cada una de las paredes que conforman las paredes.

Donde d_i es el espesor del material, i, λ_i es la conductividad térmica en W/mK.

Para calcular la energía total usada para calentar el invernadero calculamos los kWh que se necesitan aportar basándonos en el número de horas al día que el cultivador espera usar el sistema de calefacción para mantener la temperatura óptima de cultivo de 18 ºC. La temperatura exterior usada en los cálculos es la media mínima para el mes. Como referencia podemos estimar 12 horas los tres meses más fríos y dos meses 6 horas.

Cálculos realizados por SDF mostraron que la pérdida de calor a través del techo del invernadero supusieron el 80 % de las pérdidas de calor total. Para paliar el problema pueden instalarse pantallas térmicas, de forma que las pantallas se cierran durante la noche cuando la temperatura ambiente cae, una capa de aire inmóvil queda atrapada entre las pantallas y el techo del invernadero. Adicionalmente a la reducción de pérdidas de calor durante la noche, las pantallas también asisten en la reducción de calor durante el día y pueden usarse para propósitos de sombreado.

Invernadero sostenible

Antes de iniciar el diseño de un invernadero calentado con energías renovables debemos responder a una serie de preguntas:

• ¿Cuánta energía térmica se requiere en los diferentes meses de la estación de crecimiento?
• ¿Cuánta energía está disponible de fuentes renovables en las diferentes estaciones?
• ¿Puede la energía obtenerse solamente en ciertos días, en ciertas estaciones o  a lo largo de todo el año?
• ¿Cuál es el nivel de temperatura de la energía?
• ¿Cuál es el gasto esperado para el uso de energías renovables?
• ¿Cuánta energía no puede ser cubierta por energías renovables?
• ¿Cuáles son las consecuencias para los cultivos?

Dado que el invernadero se calentará en la noche y durante los meses de inviernos, cuando las temperaturas ambientales son más bajas y los niveles de radiación solar son bajos o inexistentes, lo siguiente son los requerimientos de almacenamiento de la energía térmica.

Almacenamiento de energía térmica

Debido a que los requerimientos de energía térmica del invernadero son más altos cuando no hay radiación solar en absoluto, se requieren técnicas de almacenamiento de energía térmica. A pesar de ser un concepto relativamente simple, la optimización del sistema de almacenamiento de energía térmica es fundamental para suministrar al invernadero calor de una fuente sostenible cuando más se necesita.

Bibliografía

• Jeremy Rudston. Techno-Economic Analysis of Sustainable Energy Systems for Meeting the Energy Demand of a Greenhouse in South Australia. UCL School of Energy and Resources, Australia