Centro de Investigación en Materiales Avanzados,...

Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C.

Unidad Durango

V i c t o r i a 1 4 7 N o r t e . C e n t r o H i s t ó r i c o . 3 4 0 0 0 D u r a n g o , D g o . M é x i c o

( 6 1 8 ) 8 1 1 - 7 2 5 9 , 8 1 1 - 0 7 7 4 i g n a c i o . m a r t i n @ c i m a v . e d u . m x

Reporte Técnico del Proyecto:

DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS DE CLIMATIZACIÓN

PARA UN INVERNADERO AGRÍCOLA

REPORTE FINAL

Preparada para:

Hidropónicos LUZA, S.A. de C.V. km 9.5 Carretera Delicias – Naica, Ciudad Delicias, Chih.

Ortíz de Campos 1102, San Felipe, 31203 Chihuahua, Chih

Preparada por:

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez M.C. Jorge A. Escobedo Bretado

M.C. Mario Nájera Trejo Ing. Jorge E. Delgado Rodríguez

Durango, Dgo. Noviembre 24 de 2014

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez ii

CONTENIDO

Resumen .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Antecedentes ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Objetivo ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Características del cultivo del tomate ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

VARIEDAD DE TOMATE CONSIDERADO .......................................................................................................... 2

REQUERIMIENTOS DE TEMPERATURA ........................................................................................................... 3

REQUERIMIENTOS DE HUMEDAD .................................................................................................................. 3

CONCENTRACIÓN DE CO2 ........................................................................................................................... 3

Características del invernadero ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA ....................................................................................................................... 4

TIPO DE TECNOLOGÍA .................................................................................................................................. 4

DISEÑO DEL INVERNADERO .......................................................................................................................... 4

CONTROL CLIMÁTICO ACTUAL ..................................................................................................................... 5

Características climáticas de Ciudad Delicias, Chih. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

DATOS CLIMÁTICOS OBTENIDOS IN SITU ....................................................................................................... 6

DATOS CLIMÁTICOS GENERADOS EN TRNSYS BASADOS EN UN TMY (AÑO TÍPICO METEOROLÓGICO) .......... 7

Alternativas posibles de sistemas de climatización ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO (EE) ............................................................................................................. 9

ENFRIAMIENTO POR COMPRESIÓN DE VAPOR (ECV) ................................................................................... 10

ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓN (EA) ....................................................................................................... 10

CALENTAMIENTO A GAS (CG) .................................................................................................................... 10

CALENTAMIENTO SOLAR FOTOVOLTÁICO (CSFV) ....................................................................................... 11

CALENTAMIENTO SOLAR TÉRMICO (CST) ................................................................................................... 12

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez iii

COMBINACIONES DE ENFRIAMIENTO Y CALEFACCIÓN POSIBLES ................................................................... 12

Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento Evaporativo ............................................................................... 12

Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Compresión de Vapor ......................................................... 12

Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Absorción ............................................................................ 12

Calentamiento Solar Térmico + Calentamiento Solar Fotovoltaico .................................................................. 13

Utilización de sistemas de sombreado ............................................................................................................. 13

SistemaS propuestoS para éste invernadero ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

SISTEMA DE CALENTAMIENTO .......................................................................................................... 14

Esquema del sistema de calefacción propuesto ............................................................................................... 14

Colección y almacenamiento térmico ............................................................................................................... 14

Caldera auxiliar ................................................................................................................................................. 14

Conducción de agua caliente para calentamiento de aire ................................................................................ 14

Retorno de agua ............................................................................................................................................... 15

Calentamiento y distribución de aire ................................................................................................................. 15

COMPONENTES PRINCIPALES .................................................................................................................... 15

Colectores solares ............................................................................................................................................ 15

Almacenamiento térmico .................................................................................................................................. 16

Caldera auxiliar a gas ....................................................................................................................................... 16

Intercambiadores de calor ................................................................................................................................ 17

Sistemas de control .......................................................................................................................................... 17

Plataforma computacional para el modelado y simulación del sistema 19

ENGINEERING EQUATION SOLVER ............................................................................................................. 19

SKETCHUP PRO ....................................................................................................................................... 20

TRNSYS 17 ............................................................................................................................................ 21

SIMULATION STUDIO ................................................................................................................................. 22

TRNBUILD ............................................................................................................................................... 22

TRNEDIT ................................................................................................................................................. 23

METEONORM ............................................................................................................................................ 24

WINDOW .................................................................................................................................................. 25

EXCEL ...................................................................................................................................................... 26

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez iv

Desarrollo del modelo para simulación ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

DIAGRAMA DEL PROCESO ......................................................................................................................... 27

MODELOS MATEMÁTICOS GENÉRICOS UTILIZADOS ...................................................................................... 28

Generador de clima .......................................................................................................................................... 28

Colectores solares ............................................................................................................................................ 29

Termo tanque estratificado ............................................................................................................................... 29

Bombas de velocidad constante ....................................................................................................................... 29

Caldera auxiliar a gas ....................................................................................................................................... 29

Edificio con zonas térmicas .............................................................................................................................. 29

Intercambiadores de calor ................................................................................................................................ 30

Ventiladores...................................................................................................................................................... 30

Diversores y mezcladores de flujos .................................................................................................................. 30

Monitoreo y presentación de resultados en pantalla ........................................................................................ 30

Ejemplos de simulaciones y validación del modelo ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

VARIABLES AMBIENTALES EN CIUDAD DELICIAS ......................................................................................... 30

SISTEMA DE COLECCIÓN Y ALMACENAMIENTO TÉRMICO .............................................................................. 32

CALDERA AUXILIAR ................................................................................................................................... 33

INTERCAMBIADOR DE CALOR ..................................................................................................................... 35

COMPORTAMIENTO TÉRMICO DEL INVERNADERO ........................................................................................ 35

Caso sin equipamiento ..................................................................................................................................... 35

Caso con equipamiento .................................................................................................................................... 37

Resultados obtenidos ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

PARÁMETROS DE DISEÑO CONSIDERADOS.................................................................................................. 40

Tipo de colectores ............................................................................................................................................ 40

Fracción solar ................................................................................................................................................... 41

Número de colectores ...................................................................................................................................... 42

Volumen de almacenamiento térmico .............................................................................................................. 42

DISEÑO RECOMENDADO PARA CALENTAMIENTO ......................................................................................... 42

Proyección financiera para calentamiento ........................................................................................................ 43

DISEÑOS RECOMENDADOS PARA ENFRIAMIENTO ........................................................................................ 44

Enfriamiento por compresión de vapor ............................................................................................................. 44

Enfriamiento por absorción ............................................................................................................................... 45

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez v

COSTOS INICIALES DEL PROYECTO ............................................................................................................ 45

Conclusiones ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Recomendaciones ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Referencias ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Artículos ........................................................................................................................................................... 47

Libros 49

Reportes ........................................................................................................................................................... 49

Sitios Web ........................................................................................................................................................ 49

Grupo de trabajo ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

ANEXos ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez 1

RESUMEN

Se presenta el análisis térmico por simulación de un invernadero agrícola para tomate Saladette, mediante la plataforma computacional TRNSYS, para el dimensionamiento de los sistemas de calefacción y enfriamiento requeridos para su climatización.

Se presentan las características constructivas del invernadero y su situación geográfica así como las características de desarrollo óptimas del cultivo de tomate Saladette para sus diferentes etapas.

Se presentan las diferentes alternativas posibles de climatización tanto para calefacción como para enfriamiento, y el sistema de climatización final propuesto para este caso.

Se presenta el comportamiento térmico estimado del invernadero, para su operación sin climatización y para su operación con tres diferentes niveles de equipamiento, con ello se puede observar el comportamiento del sistema a diferentes niveles de equipamiento para la climatización.

Se hace una propuesta de equipamiento requerido para la climatización del invernadero, considerando sus características físicas actuales y su localización geográfica, y se sugieren alternativas constructivas que de realizarse podrían reducir significativamente los requerimientos de equipamiento y de costos de operación requeridos para la climatización del mismo.

ANTECEDENTES

La industria agrícola puede utilizar energía solar para la climatización de un invernadero incrementando así su producción. Existe actualmente en el mercado una gran variedad de tipo de tecnología para captar, almacenar y poner a disposición energía térmica solar para la climatización de un invernadero.

Determinar el diseño integral del sistema óptimo de ésta tecnología resulta complicado debido a la variación intrínseca de las variables ambientales como temperatura, humedad, radiación solar entre otras, además del perfil de carga en la demanda energética (Souliotis M. et al., 2009). El software TRNSYS puede mostrar diferentes escenarios para poder comparar el comportamiento de las diferentes configuraciones y dimensiones de tecnología para aprovechamiento de energía solar con un error menor del 5% (Almeida P, et al., 2014).

Mashonjowa et al. en 2013 publican un modelo para analizar en TRNSYS la climatización de invernaderos por medios pasivos. El modelo desarrollado para lograrlo es The Gembloux Dynamic Greenhouse Climate Model (GDGCM) y consiste en un sistema de ecuaciones diferenciales en base a balances de calor y masa de las capas del invernadero. Mashonjowa simula un invernadero para cultivo de rosas y compara los resultados obtenidos con mediciones experimentales realizadas. Se compararon las variables de temperatura del aire en el invernadero, humedad relativa, temperatura de la cubierta y transpiración del cultivo obteniendo errores de 1.8°C, 14,8%, 1,9°C y 14.2 W/m2, respectivamente, en invierno y 1.3°C, 8.6%, 1,6°C y 21,8 W/m2, en verano.


Los autores coinciden en la profunda complejidad de las variables que intervienen en un invernadero y su interdependencia, variables como tamaño, diseño y material constructivo del invernadero, variables propias del cultivo como temperatura, humedad relativa, dióxido de carbono, transpiración y variables ambientales como temperatura, humedad relativa, radiación solar entre muchas otras (Attar et al., 2013), (Kolokotsa et al., 2012), (Chargui y Sammouda, 2014), (Amir Vadiee y Viktoria Martin, 2013), (Tsoutsos et al., 2010), (Kamel y Fung, 2014), (Aye et al., 2010), (Candy et al., 2012),

Para enfriamiento, en TRNSYS se han desarrollado algunos modelos como la bomba de calor de Chargui. Este modelo matemático creado en base a balances de materia y energía, muestra el comportamiento del coeficiente de desempeño, consumo de energía y la potencia entregada. La fuente energética principal de este modelo es energía geotérmica y está desarrollado para el sur de Túnez (Chargui).

En la revisión de la literatura no se encontró un modelo genérico en TRNSYS o cualquier otro tipo de software que se alimente de coordenadas geográficas, condiciones ambientales y características constructivas de un invernadero para el análisis energético técnico y económico completo de un invernadero.

OBJETIVO

Diseñar los sistemas óptimos de climatización para un invernadero agrícola para tomate Saladette, mediante la plataforma computacional TRNSYS. Seleccionar el equipamiento que satisfaga técnica y económicamente los requerimientos necesarios para generar un microclima óptimo para el desarrollo del tomate.

CARACTERÍSTICAS DEL CULTIVO DEL TOMATE

VARIEDAD DE TOMATE CONSIDERADO

Hidropónicos Luza produce Tomate Saladette en sus variedades Moctezuma y Cuauhtémoc, cuenta con sus propios germinadores para producir la plántula con semilla orgánica (Figura 1).


Figura 1. Germinador e invernadero de Hidropónicos LUZA

REQUERIMIENTOS DE TEMPERATURA

De acuerdo con la comisión veracruzana de comercialización agropecuaria la temperatura óptima de desarrollo del tomate oscila entre 20°C y 30°C durante el día y entre 1°C y 17°C durante la noche (Comisión Veracruzana de Comercialización Agropecuaria).

La Guía para el cultivo del tomate en invernadero (León Gallegos, 2006) y el Manual de producción hortícola en invernadero (Castellanos, 2004) recomiendan un rango óptimo de temperatura para el desarrollo del tomate durante todas sus etapas productivas, siendo 15°C la temperatura menor y 30°C la temperatura mayor.

REQUERIMIENTOS DE HUMEDAD

La humedad relativa óptima oscila entre un 60% y un 80%. Humedades relativas muy elevadas favorecen el desarrollo de enfermedades aéreas y el agrietamiento del fruto y dificultan la fecundación, debido a que el polen se compacta, abortando parte de las flores. El rajado del fruto igualmente puede tener su origen en un exceso de humedad edáfica o riego abundante tras un período de estrés hídrico. También una humedad relativa baja dificulta la fijación del polen al estigma de la flor (Comisión Veracruzana de Comercialización Agropecuaria).

CONCENTRACIÓN DE CO2

La aportación de CO2 permite compensar el consumo de las plantas y garantiza el mantenimiento de una concentración superior a la media en la atmósfera del invernadero; así la fotosíntesis se estimula y se acelera el crecimiento de las plantas. Del enriquecimiento en CO2 del invernadero depende la calidad, la productividad y la precocidad de los cultivos. Hay que tener presente que un exceso de CO2 produce daños debidos al cierre de los estomas, que cesan la fotosíntesis y pueden originar quemaduras.


En el cultivo del tomate las concentraciones óptimas de CO2 son de 700-800 ppm. Con ello se alcanzan incrementos en los rendimientos netos del 15-25% en función del tipo de invernadero, el sistema de control climático, etc. (Comisión Veracruzana de Comercialización Agropecuaria).

El requerimiento de contar con altas concentraciones de CO2 limita las opciones técnicas accesibles para la climatización del invernadero, pues si se inyecta aire atmosférico exterior se diluye la concentración de CO2 en el interior del invernadero.

CARACTERÍSTICAS DEL INVERNADERO

LOCALIZACIÓN GEOGRÁFICA

El invernadero está ubicado dentro del Parque Agroindustrial Naica, Municipio de Saucillo, Chih. Sus coordenadas geográficas son 28.06 N y -105.53 W.

TIPO DE TECNOLOGÍA

El invernadero en estudio es un invernadero multi-capilla producto de la empresa Harnois. Estos invernaderos son ideales para las operaciones medianamente y fuertemente automatizadas.

Figura 2. Invernadero de Hidropónicos LUZA

DISEÑO DEL INVERNADERO

El invernadero cuenta con 9 capillas distribuidas en un área superficial de 1.6 hectáreas y cuenta con un volumen aproximado de 100,000 m3. La envolvente de doble pared de Polietileno es sostenida por estructuras metálicas representadas por puntos en la siguiente figura.


Figura 3. Detalles de la envolvente del invernadero

CONTROL CLIMÁTICO ACTUAL

Actualmente el invernadero no cuenta con sistemas activos de climatización, únicamente con una

envolvente de plástico de doble pared y ventilación natural que se induce abriendo los sistemas de ventilas

situados en la parte superior de la estructura, mediante la apertura mecanizada.

10

9.4

3 m

140.73 m


Figura 4. Ventilación natural en el invernadero

CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS DE CIUDAD DELICIAS, CHIH.

DATOS CLIMÁTICOS OBTENIDOS IN SITU

Durante la realización de este proyecto se midieron datos climáticos en campo, como temperatura y radiación solar entre otras variables.

Se instaló una estación meteorológica portátil, marca DAVIS, durante un período de dos meses comprendidos entre el 17 de Mayo y el 18 de Julio del 2014.

En la figura 5 se muestran los valores medidos de temperatura, los cuales fueron graficadas diariamente, representando cada día con un conjunto vertical de datos, pudiendo observar los valores máximos y mínimos.

VentilaciónNatural


Figura 5. Temperatura ambiente registrada por la estación meteorológica.

DATOS CLIMÁTICOS GENERADOS EN TRNSYS BASADOS EN UN TMY (AÑO TÍPICO

METEOROLÓGICO)

Un año típico meteorológico es un conjunto de datos meteorológicos, estadísticamente representativos para una ubicación geográfica específica (en este caso Delicias). Para obtener un TMY se toman las mediciones meteorológicas de tantos años como existan en ese lugar, y con ello se obtiene una imagen estadística del clima local. Especialmente se selecciona de modo que presenta la gama de fenómenos meteorológicos para el lugar en cuestión y proporciona promedios anuales por ejemplo de temperatura, humedad relativa, radiación solar, entre otros, que son consistentes con los promedios a largo plazo.

De acuerdo al TMY para Delicias, se obtiene la siguiente gráfica en la que se muestra el comportamiento de la temperatura ambiental durante un año (8,760 horas), siendo de -6°C la mínima y de 40°C la máxima.

0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20

22.5

25

27.5

30

32.5

35

37.5

40

42.5

45

TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

FECHA

TEMPERATURA

Máxima temperatura ambiente23 de Junio

Mínima temperatura ambiente23 de Junio


Figura 6. Temperatura ambiental de acuerdo al TMY para Ciudad Delicias, Chihuahua (°C).

En la figura anterior se observa que las variaciones de la temperatura ambiente en Ciudad Delicias, Chih., prácticamente todo el año se salen fuera del rango requerido por el tomate para su desarrollo apropiado. Al utilizar un invernadero se controla el ambiente que rodea al cultivo, previniendo entre otras cosas el acceso de plagas al mismo. Sin embargo, el principal efecto del invernadero es aumentar la temperatura ambiente en su interior, como resultado de la diferente transmisividad que tiene su envolvente ante radiaciones electromágneticas de diferente longitud de onda. La radiación solar puede penetrar a través de la envolvente con facilidad, pero la radiación infrarroja que emite el suelo y los objetos dentro del invernadero no puede escapar libremente a través de la envolvente (de ahí el término “efecto invernadero”). Con ello se tiene que la temperatura dentro de un invernadero es más alta a la temperatura ambiente, durante al menos los periodos de insolación. Este efecto se muestra en la siguiente gráfica.


Figura 7. Temperatura ambiental de acuerdo al TMY para Ciudad Delicias, Chihuahua (°C).

Como se aprecia en la figura, dadas las características de alta insolación del lugar, el problema principal se prevé que es el relativo al enfriamiento del invernadero en verano.

ALTERNATIVAS POSIBLES DE SISTEMAS DE CLIMATIZACIÓN

Existen varias posibles alternativas tecnológicas para suministrar enfriamiento al invernadero, cada una con diferentes ventajas y desventajas. En los siguientes párrafos se analizan las alternativas que se consideran factibles para éste caso.

ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO (EE)

La utilización de sistemas de enfriamiento basados en enfriamiento evaporativo tienen las siguientes características:

Dilución del CO2 en el interior del invernadero

La temperatura de enfriamiento obtenida depende de clima local

Incrementa la humedad relativa del aire sin control

Utiliza ventiladores para el flujo constante de aire (consumo eléctrico constante e importante)

Costo inicial medio

Alto consumo de agua potable


Mantenimiento ligado al contenido de minerales en el agua

Requiere la instalación de sistemas de distribución de aire dentro del invernadero para evitar gradientes térmicos a lo largo del invernadero, o bien ventiladores de extracción en la pared opuesta a la de inyección (doble ventilador)

ENFRIAMIENTO POR COMPRESIÓN DE VAPOR (ECV)

El enfriamiento basado en sistemas convencionales de enfriamiento, por compresión de vapor, conlleva las siguientes características:

Costo de operación muy alto, por el consumo eléctrico

Puede acoplarse a suministro foto voltaico

Tecnología muy desarrollada y confiable, fácil de controlar

Costo inicial alto

Requiere almacenamiento de agua fría

Requiere intercambiadores de calor agua-aire.

En caso de utilizar sistemas fotovoltaicos, se requiere áreas para instalación de fotoceldas, y conexión de soporte a la red de CFE, para garantizar suministro.

ENFRIAMIENTO POR ABSORCIÓN (EA)

Los sistemas de enfriamiento por absorción tienen la ventaja de requerir muy poco suministro eléctrico, pues no requieren comprimir vapor. Sin embargo requieren suministro de calor, utilizan un segundo fluido de trabajo y varios equipos auxiliares adicionales. Sus principales características son:

Alto costo inicial

Costo de mantenimiento

Requiere equipos auxiliares caros

Requiere alto suministro de calor de mediana temperatura

Requiere almacenamiento de agua fría

Requiere intercambiadores de calor agua-aire

Costo de operación medio

Requiere caldera a gas de respaldo (en el caso de suministro térmico solar)

CALENTAMIENTO A GAS (CG)

Para suministrar el calor necesario para mantener la temperatura interior del invernadero a los niveles requeridos en invierno, se requiere una caldera. Aun utilizando suministro de calor solar se requiere contar con una caldera de soporte, debido a la posibilidad siempre presente de no contar con


suministro solar por periodos de tiempo extendidos. No se puede permitir el riesgo de perder las plantas de tomate por congelamiento.

La instalación de sistemas de suministro térmico solar reduce el consumo de gas que se tiene en la caldera, pero por lo general no lo elimina.

La utilización de calderas tiene las siguientes características y consecuencias:

Alto costo inicial

Alto costo de operación por su consumo de gas

Emisiones de gases de combustión

Posible requerimiento de permisos para su instalación y operación

Operación continua, fácil de controlar

Requiere almacenamiento de agua caliente


CALENTAMIENTO SOLAR FOTOVOLTÁICO (CSFV)

Es posible instalar sistemas fotovoltaicos y utilizarlos para calentamiento directo mediante resistencias térmicas, pero es una práctica no recomendable debido al muy alto costo involucrado.

Alto costo inicial relativo a la potencia instalada

Sin costo de operación

Bajos costos de mantenimiento

Requiere superficie de terreno disponible para su instalación

Disponibilidad de operación nocturna, si está conectado a la red de CFE con medidores bi-direccionales

Requiere calentadores de agua por resistencias eléctricas

Requiere sistema de control y distribución de carga (red-calentadores eléctricos-caldera a gas)

Requiere almacenamiento de agua caliente


Requiere caldera a gas de respaldo.

La utilización de energía eléctrica para producir calor mediante resistencias se considera siempre un desperdicio energético. Resulta más factible el utilizar la electricidad para accionar sistemas de refrigeración por compresión de vapor, o bombas de calor.


CALENTAMIENTO SOLAR TÉRMICO (CST)

La utilización de sistemas de captación solar para proveer calentamiento de agua o aire es una práctica ampliamente utilizada y probada, que resulta económicamente viable en muchas aplicaciones.

Las características principales de los sistemas de calentamiento solar son:

Alto costo inicial

Costo de adquisición ligado a la temperatura obtenida (colectores de baja temperatura más baratos, colectores de mayor temperatura más caros)

Temperatura de colección ligada con el requerimiento del proceso atendido y con el número y tamaño de los sistemas utilizados para la distribución y uso del calor en el proceso

Costo de instalación medio

Requiere almacenamiento térmico

Requiere superficie disponible para su instalación

Costo de operación ligado únicamente a bombeo de fluido de trabajo

Bajo costo de mantenimiento


Requiere caldera a gas de respaldo

COMBINACIONES DE ENFRIAMIENTO Y CALEFACCIÓN POSIBLES

Las opciones tecnológicas de enfriamiento y calefacción antes mencionadas, se pueden combinar de varias formas para atender los requerimientos de un invernadero. Las combinaciones que se consideran como posibles son:

Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento Evaporativo

Sistemas separados e independientes

Requiere la adquisición e instalación de ambos sistemas (ver arriba)

Ventajas y desventajas propias de cada sistema (ver arriba)

Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Compresión de Vapor

Comparten el uso de intercambiadores de calor

Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Absorción

Comparten uso del sistema de colectores solares

Utilización de colectores solares de mayor temperatura recomendado


Requiere mayor número de colectores solares

Permitiría utilización de calor excedente para otros usos industriales

Comparten intercambiadores de calor

Comparten caldera de respaldo

Calentamiento Solar Térmico + Calentamiento Solar Fotovoltaico

Combinación de dos sistemas de calefacción, que se pueden a su vez volver a combinar con los tres sistemas antes mencionados.

Comparten almacenamiento de agua caliente

Comparten intercambiadores de calor

Comparten caldera a gas de respaldo

Ambos sistemas requieren áreas separadas para su instalación

El sistema FV puede usarse para almacenar energía térmica en el mismo termotanque que utiliza el sistema térmico, o bien almacenar energía eléctrica en la red de CFE durante el día y utilizarla durante la noche, pero éste último requiere de un sistema de control y distribución de cargas que representa un costo de adquisición y mantenimiento adicionales.

Utilización de sistemas de sombreado

Una alternativa adicional, para reducir los requerimientos de enfriamiento, es la utilización de sistemas de sombreado durante el verano.

Todos los sistemas de enfriamiento mencionados arriba se dimensionan para que sean capaces de remover las cargas térmicas que ingresan al invernadero, y durante el verano dichas cargas son debidas predominantemente a la radiación solar incidente en techos y paredes. Por lo mismo, si se reduce la insolación sobre techos y paredes, se reduce la carga térmica, y se reduce el tamaño de los sistemas requeridos para extraer el calor del invernadero.

Una posibilidad, no explorada en éste estudio, es la de costear la instalación de sistemas de sombreado que puedan ser desplegados y controlados para reducir la carga solar. Malla-sombra de colores muy claros es una opción que puede resultar factible. Se prevé que dotar al invernadero de un sistema mecanizado, en los techos, que permita desplegar la malla-sombra, utilizando sistemas de enrollamiento de la misma, permitiría reducir fuertemente la carga térmica y con ello requerir de sistemas de enfriamiento más pequeños y económicos.

SISTEMAS PROPUESTOS PARA ÉSTE INVERNADERO

Para climatizar el invernadero durante todo el año, se proponen dos sistemas, uno para suministrar calor y otro para removerlo, en función de la temperatura de confort del cultivo.


SISTEMA DE CALENTAMIENTO

Esquema del sistema de calefacción propuesto

El sistema propuesto de calefacción utilizado en este análisis se muestra en la figura X.

Figura 8. Esquema del sistema de calefacción

Colección y almacenamiento térmico

La colección de la energía solar se hace mediante colectores solares térmicos. Una vez que la energía solar es captada y transferida al agua en el sistema de colectores, pasa a un termo tanque estratificado para su almacenamiento y posterior uso en el momento deseado. Principalmente cuando es necesario el suministro energético y no hay recurso solar disponible o para dar cobertura energética cuando existe un desfase entre la disponibilidad del recurso solar y la demanda.

Caldera auxiliar

Debido a la intermitencia del recurso solar (días nublados o noches) o a la posible insuficiencia de la energía solar disponible en un momento dado, es necesario contar con un calentamiento auxiliar. En este caso se utiliza una caldera a gas, para garantizar el confort térmico para las plantas dentro del invernadero, es decir, por encima del límite inferior del rango de confort del cultivo.

Conducción de agua caliente para calentamiento de aire

La energía térmica almacenada en el agua del termotanque se transporta a través de un cabezal que suministra de manera individual el agua a cada intercambiador de calor, donde pasa a través de un serpentín cediendo la energía térmica al aire que circula a contraflujo.


Retorno de agua

Una vez que el agua entrega la energía térmica al aire en el serpentín del intercambiador de calor, regresa a una temperatura más baja y se dirige hacia la parte inferior del termo tanque estratificado, para posteriormente pasar de nuevo por el campo de colectores.

Calentamiento y distribución de aire

El calentamiento del aire dentro del invernadero se lleva a cabo por medio de intercambiadores de calor, los cuales están distribuidos a lo largo de toda su área superficial, de manera que se pueda distribuir el calor uniformemente y así evitar gradientes térmicos.

COMPONENTES PRINCIPALES

Colectores solares

Para la captación de la energía solar se contemplan dos opciones, usar colectores solares de placa plana o colectores solares de tubos evacuados con tubo de calor.

El colector que se contempla para la opción de placa plana es el ofrecido por la empresa Módulo Solar. El absorbedor del colector es 100% cobre con superficie selectiva BLUE Alemana, cuenta con aislamiento de poliuretano inyectado, su caja exterior es galvanizada, su pintura es anticorrosiva y su cubierta es de vidrio templado con bajo contenido de hierro. El colector está certificado por la Solar Rating & Certification Corporation (SRCC), los colectores solares planos tienen un precio más accesible pero se puede obtener una temperatura menor a la que se obtiene con colectores de tubos evacuados. La información técnica detallada se puede ver en el anexo A.

Figura 9. Esquema del sistema de calefacción

Por otro lado el colector seleccionado de tubos evacuados es de la marca Apricus modelo AP-30. Este colector capta la energía solar por medio de tubos concéntricos entre los cuales se crea un vacío que funciona como aislamiento contra las pérdidas convectivas de energía, el tubo de calor es un par de tubos de cobre contorneados con tomas de conexión en seco que se conectan a un cabezal entregando la energía captada al agua en el cabezal (ver Figura 10).


Figura 10. Apricus AP-30 y vista interna de un tubo evacuado (Apricus, 2014).

Almacenamiento térmico

Para determinar el dimensionamiento del almacenamiento térmico, se analizan tres relaciones de volumen de almacenamiento por área de captación:

1. 40 L / m2 de captación.



De acuerdo a la relación que arroje los mejores resultados, se definirá el volumen de almacenamiento adecuado.

Con respecto al tipo de almacenamiento térmico, las opciones son las siguientes:

Termotanque comercial aislado de acero.

Tanques Rotoplas.

Pileta a nivel de suelo aislada (tipo cisterna), construida por medio de obra civil.

Caldera auxiliar a gas

La capacidad de la caldera se puede elegir de diferentes maneras, una de ellas es conociendo el mayor pico de potencia necesario y de acuerdo a dicho valor elegir una caldera de manera que pueda cubrir instantáneamente esa cantidad de energía.

Por otro lado se puede elegir una caldera más pequeña que la de la opción anterior, esto se puede conseguir distribuyendo parte de la energía que conforma el pico mencionado a lo largo de un día (24


horas) de manera que la energía necesaria para cubrir la demanda se pueda generar y acumular en un tanque de almacenamiento durante todo el día y no tener la necesidad de generar toda la energía en un instante.

Intercambiadores de calor

Hay dos configuraciones contempladas para la operación de los intercambiadores de calor, la primera de ellas es contar con sólo un intercambiador de calor agua-aire de tamaño grande, y posteriormente distribuir el aire a través de ductos dentro del invernadero.

La segunda opción es utilizar numerosos intercambiadores de calor de tamaño reducido, distribuidos en el interior del invernadero, y llevar el agua de enfriamiento/calentamiento hasta cada uno de ellos.

La configuración que se estima como más adecuada es la segunda mencionada, por las siguientes razones:

El agua es mucho más densa y tiene una capacidad calorífica muy superior al aire, por ello se puede transportar y distribuir más fácil y económicamente la energía térmica dentro del invernadero

Tener numerosos intercambiadores de calor pequeños facilita su mantenimiento, y no se requiere para todo el sistema en caso de falla. Basta aislar al intercambiador afectado y el resto siguen funcionando, mientras que una falla en un único intercambiador grande, requiere detener todo el sistema y una operación de mantenimiento mayor.

Sistemas de control

El control que se usa es el control de temperatura tipo 108 en TRNSYS. Dentro del mismo existen dos tipos de controles que se pueden usar: el control continuo (proporcional) y el control discreto (apagado/encendido), siendo este último el elegido para la simulación. Las señales pueden ser ϒ = 0 o ϒ = 1 para apagado y encendido respectivamente.

El modo común de operar este tipo de controles consiste en observar la diferencia entre la temperatura de la zona que se desea climatizar y la temperatura de control asignada en el termostato. Si la temperatura de la zona, en este caso el invernadero, se encuentra por debajo de la temperatura de control, el sistema de calentamiento se enciende y la energía es añadida al espacio, posteriormente el modelo del invernadero vuelve a calcular la temperatura del aire en base a la nueva información acerca de la adición de energía al espacio.

Una vez que analiza la nueva información, el termostato detecta que la temperatura del aire es más alta y vuelve a calcular su decisión de mantener encendido o apagar el sistema.

En el control se definió una temperatura de referencia de 15°C para el encendido del sistema de calentamiento y de 30°C para el encendido del sistema de enfriamiento, las cuales se eligieron de acuerdo al rango de confort para el cultivo de tomate.


Figura 11. Rango de temperaturas de control

El control cuenta con histéresis y un ∆T para la banda muerta de 2°C (Temperaturas de control +/- 2°C), lo cual previene que los sistemas se enciendan y apaguen constantemente cuando la temperatura de control y la temperatura del invernadero estén cerca, es decir, de alguna manera la banda muerta reemplaza las temperaturas de control por un rango de temperaturas de activación.

Por ejemplo, en el caso del calentamiento el sistema permanecerá apagado hasta que la temperatura del invernadero haya descendido de la temperatura de control menos el ∆T de la banda muerta, es decir, hasta que la temperatura del invernadero esté por debajo de 13°C y una vez encendido, el equipo permanecerá así hasta que la temperatura del invernadero exceda la temperatura de control más el ∆T de la banda muerta, es decir, 17°C


Figura 12. Histéresis en el control

PLATAFORMA COMPUTACIONAL PARA EL MODELADO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA

Existen diversas herramientas computacionales que permiten plasmar los diseños constructivos de sistemas propuestos relacionados con sistemas térmicos para su posterior procesamiento y análisis, ya sea en estado estable o transición.

Para llevar a cabo el análisis de climatización del invernadero, es necesario contar con el conocimiento conceptual relacionado a energía solar y sistemas térmicos, para así poder representar dichos conceptos mediante software especializado para un análisis detallado y la obtención de resultados confiables.

ENGINEERING EQUATION SOLVER

EES es un programa general de solución de ecuaciones que puede resolver numéricamente miles de ecuaciones algebraicas y diferenciales no lineales acopladas. El programa también puede ser usado para resolver ecuaciones diferenciales e integrales, hacer la optimización, proporcionar análisis de incertidumbre, realizar regresión lineal y no lineal, convertir unidades y generar gráficos con calidad de


publicación. Una característica importante de EES es la base de datos de propiedades termodinámicas y de transporte de alta precisión que se proporciona para cientos de sustancias de una manera que le permite utilizar dicha información en la solución de ecuaciones.

Figura 13. Software EES

SKETCHUP PRO

SketchUp es un programa de diseño gráfico y modelado en tres dimensiones, basado en superficies, es utilizado para entornos de arquitectura, ingeniería civil, diseño industrial, bioclimática, entre otros. Su principal característica es la de poder realizar diseños complejos en tres dimensiones de forma extremadamente sencilla, este software fue utilizado para realizar el modelo físico del invernadero con las dimensiones reales.


Figura 14. Software SketchUp Pro

TRNSYS 17

TRNSYS es un software comercial desarrollado en la Universidad de Wisconsin, es un programa de simulación de sistemas transitorios con una estructura modular. Reconoce un lenguaje de descripción de sistema en el que el usuario especifica los componentes que constituyen el sistema y la manera en que están conectados. La biblioteca TRNSYS incluye muchos de los componentes que se encuentran comúnmente en los sistemas de energía térmica y eléctrica, así como rutinas de componentes para manejar la entrada de datos meteorológicos u otras funciones de forzamiento dependientes del tiempo y la salida de los resultados de simulación. La naturaleza modular de TRNSYS confiere al programa una gran flexibilidad y facilita la incorporación al programa de los modelos matemáticos no incluidos en la librería estándar de TRNSYS. TRNSYS es muy adecuado para análisis detallados de cualquier sistema cuyo comportamiento es dependiente sobre el paso del tiempo. Las principales aplicaciones incluyen: sistemas solares (sistemas solares térmicos y fotovoltaicos), edificios de baja energía, sistemas HVAC, sistemas de energía renovable, cogeneración, entre otras.

Por medio de este software se seleccionan los dispositivos y/o manejadores de datos, también llamados “types”, necesarios para configurar el sistema, por ejemplo colectores solares, calderas, generación de datos climáticos necesarios para una localización deseada (este caso Delicias, Chihuahua), entre otros.


Figura 15. Software TRNSYS 17

SIMULATION STUDIO

Es la interfaz que permite la interacción de TRNSYS con otros programas, nos brinda información del sistema en estudio y nos permite visualizarlo.

Figura 16. Simulation Studio

TRNBUILD

TRNBuild es una interfaz para crear y editar toda la información no geométrica requerida por el modelo de TRNSYS Building (Type 56). TRNBuild permite al usuario una amplia flexibilidad en la edición de propiedades de paredes y materiales de capas, la creación de perfiles de ventilación e infiltración, la adición de ganancias, la definición de techos y suelos radiantes, además de ocupantes de posicionamiento para los cálculos de confort.


Mediante esta plataforma se puede climatizar la edificación (en este caso el invernadero) y así obtener la carga energética necesaria para mantener la temperatura dentro del invernadero de acuerdo al control de climatización establecido.

Figura 17. TRNBuild

TRNEDIT

Es un editor de texto que permite definir y visualizar archivos de entrada y salida para simulaciones paramétricas en TRNSYS. Con ello es posible automatizar la ejecución de multiples corridas de simulación en las cuales se están variando secuencialmente parámetros de diseño del sistema analizado. El análisis paramétrico del comportamiento de cualquier sistema es una operación necesaria para visualizar la respuesta del sistema al cambio de las variables de diseño relevantes, y optimizar con ello su diseño.


Figura 18. Logotipo del paquete de software TRNEdit

METEONORM

Meteonorm es una referencia meteorológica completa. Brinda acceso a un catálogo de datos meteorológicos para aplicaciones solares y diseño de sistemas en cualquier ubicación deseada en el mundo. Se basa en más de 25 años de experiencia en el desarrollo de bases de datos meteorológicos para aplicaciones energéticas. Los modelos sofisticados de interpolación dentro de Meteonorm permiten un cálculo fiable de la radiación solar, temperatura y parámetros adicionales en cualquier sitio en el mundo.

A través de este software se generó el año típico meteorológico para la ciudad de Delicias, Chihuahua. Este archivo generado se utiliza a través de TRNSYS para contar con los datos climáticos como radiación solar (en plano horizontal, inclinado, directa o difusa).

Figura 19. Logotipo del paquete de Software Meteonorm


Figura 20. Interfaz software Meteonorm

WINDOW

Window es un software desarrollado por el Lawrence Berkeley Laboratory, que permite diseñar ventanas de cualquier tipo, tamaño y materiales, y obtiene las propiedades térmicas y ópticas del sistema resultante. Con dicha información TRNSYS puede entonces calcular con mucha precisión los flujos de calor que se obtienen a través de ella, en ambas direcciones y para cualquier Angulo de incidencia solar. Window cuenta con una biblioteca con diferentes tipos de cristales para ventanas y con sistemas de ventanas comerciales disponibles en los USA. Utilizando esta plataforma es posible crear cualquier sistema de ventanería necesario para una aplicación particular. Para el caso del invernadero, utilizando Window se obtuvieron las características térmicas y ópticas de la envolvente, que posteriormente se pasaron a TRNSYS para la simulación.

Figura 21. Logotipo del paquete de Software Window


Figura 22. Interfaz del paquete de software Window

EXCEL

Microsoft Excel es una aplicación distribuida por Microsoft Office que permite crear tablas, calcular y analizar datos, este tipo de software se denomina software de hoja de cálculo. Excel permite crear tablas dinámicas que calculan automáticamente los totales de los valores numéricos que se ingresan, teniendo la opción de imprimir tablas en diseños limpios y crear gráficos simples.


Figura 23. Cálculo de la capacitancia térmica del invernadero

DESARROLLO DEL MODELO PARA SIMULACIÓN

La implementación en el software TRNSYS del sistema de climatización propuesto para el invernadero, se describe a continuación

DIAGRAMA DEL PROCESO

El sistema termosolar propuesto para la climatización del invernadero se muestra esquemáticamente en la siguiente figura.


Figura 24. Esquema del sistema de climatización del invernadero en TRNSYS

MODELOS MATEMÁTICOS GENÉRICOS UTILIZADOS

Para la simulación del sistema del Invernadero se seleccionaron modelos matemáticos genéricos, disponibles en la librería de TRNSYS, adecuándolos a las características exactas de los equipos utilizados mediante la asignación de valores a los parámetros de diseño.

Para describir los equipos, los componentes son provistos de información a través de los parámetros, variables de entrada, variables derivadas, cartas especiales y archivos externos.

Los equipos reciben información, la procesan y producen una función de respuesta de salida. Los dispositivos simulados fueron los siguientes:

Generador de clima

Los datos climáticos correspondientes a la ciudad de Delicias, Chihuahua son generados por el procesador de datos climáticos, modelo type 15-2 de TRNSYS.

Para procesar los datos, el modelo utiliza la base de datos climáticos de un año típico meteorológico (TMY por sus siglas en ingles).


El modelo es capaz de proporcionar las variables ambientales de radiación solar directa y difusa, temperatura ambiente, humedad relativa, humedad absoluta, temperatura de punto de rocío, presión barométrica. También es capaz de proporcionar los datos geográficos de latitud, longitud y altitud.

Colectores solares

Para modelar el colector solar de tubos evacuados se utilizó el modelo con curva de eficiencia cuadrática de TRNSYS (type 71). Los colectores solares de tubos evacuados que se utilizaron corresponden al modelo AP-30 marca Apricus con número de certificación 2007033A por la Solar Rating and Certification Corporation (SRCC) y disponibles comercialmente en Estados Unidos. El área total del colector es de 4.4 m2. La ecuación que describe la curva de eficiencia del colector es la siguiente.

η = 0.442 − 0.968 (Ti − Ta

I) − 0.0071 (

(Ti − Ta)2

I)

El flujo al que fue probado es de 0.02 kg / s ∙ m2.

Termo tanque estratificado

El termo tanque se simula utilizando el modelo de tanque estratificado de TRNSYS (type 4a). Cuenta con dos entradas y dos salidas de agua. El agua sale del tanque estratificado hacia los colectores por la parte inferior y regresa hacia la parte superior, aprovechando así la temperatura más baja del tanque para una mayor eficiencia de los colectores solares.

El agua sale del tanque hacia los intercambiadores de calor por la parte superior y regresa por la parte inferior, aprovechando así la temperatura más elevada del agua del tanque.

Bombas de velocidad constante

Para la simulación de las bombas se utilizó el type 110, la bomba que hace circular el agua por el campo de colectores arranca cuando la diferencia de temperaturas entre el agua de la parte inferior y superior del tanque alcanza una diferencia de 10°C. El encendido de la bomba se controla con un controlador basado en histéresis.

Caldera auxiliar a gas

El calentador auxiliar considerado en la simulación (type 6) tiene una capacidad de 1,000 kW. El calentador mantiene la temperatura del agua del tanque a 60°C en caso de que la energía captada por los colectores no alcance esa temperatura.

Edificio con zonas térmicas

Para modelar el invernadero se utilizó el Type 56 de TRNSYS. Este componente modela el comportamiento térmico de un edificio así como la energía necesaria para su climatización. El modelo del invernadero se desarrolla en el paquete SketchUp creando una zona térmica con la figura constructiva del invernadero real. El Type 56 de TRNSYS es capaz de leer los datos del invernadero desarrollado en SketchUp y permite analizar los balances de energía en cada superficie de la construcción.



El intercambiador de calor se modeló con el componente de intercambiador de calor a contra corriente (type 5b). Se basa en la aproximación de efectividad de capacitancia mínima de un intercambiador de calor. En este modelo, el usuario proporciona un coeficiente global de transferencia de calor (UA), así como los flujos propuestos de ambos fluidos. Los fluidos son agua-aire.

Ventiladores

Este modelo permite mantener una corriente de flujo constante de aire hacia el intercambiador de calor agua-aire. Las propiedades del aire se toman del aire dentro del invernadero. La corriente de flujo de aire es introducida en kg/h. En TRNSYS, el ventilador es el Type 3.

El ventilador es capaz de entregar características del aire como temperatura y flujo, además de características del ventilador como la energía eléctrica consumida.

Diversores y mezcladores de flujos

Este modelo permite dividir o mezclar flujos de agua ya sea en proporciones determinadas o ajustables. En TRNSYS este dispositivo lo representa el Type 11.

Monitoreo y presentación de resultados en pantalla

Para observar el comportamiento del sistema simulado se utiliza el Type 65 de TRNSYS. Este modelo muestra gráficamente en pantalla valores constantes, propiedades, variables y características calculadas de fluidos, materiales y componentes del sistema de simulación en el tiempo.

EJEMPLOS DE SIMULACIONES Y VALIDACIÓN DEL MODELO

VARIABLES AMBIENTALES EN CIUDAD DELICIAS

A continuación se muestran algunos resultados de variables climáticas como temperatura ambiente y radiación solar obtenidas en la simulación para la ciudad de Delicias, Chihuahua.


Figura 25. Radiación solar en Delicias, Chihuahua, datos TMY.

De acuerdo con los resultados obtenidos en la simulación de la radiación solar en Delicias, los mayores niveles de radiación solar se presentan en los meses de mayo, junio y Julio, presentándose el máximo valor a finales del mes de mayo. Lo cual se refleja en la siguiente figura, donde los meses con las mayores temperaturas coinciden con los meses de mayor radiación solar.


Figura 26. Temperatura ambiente en Delicias, Chihuahua, datos TMY.

SISTEMA DE COLECCIÓN Y ALMACENAMIENTO TÉRMICO

La energía que es captada en el campo de colectores solares, genera una potencia útil, la cual se utiliza ya sea para el calentamiento del invernadero o como parte de la potencia térmica que requiere una máquina de refrigeración por absorción, dicha energía es ejemplificada en la figura 27, donde se muestran la potencia y la energía disponible.


Figura 27. Potencia de colección de energía solar térmica en los días 19, 20 y 21 de Junio.

CALDERA AUXILIAR

La caldera auxiliar tiene la función de proveer al sistema la energía faltante si en los colectores solares no se logra captar el total necesario, para que el sistema cumpla con el objetivo. En este caso, la caldera se activa para obtener una cierta temperatura en el agua contenida en el termotanque en caso de que el agua proveniente de los colectores solares no sea la adecuada.

En la figura 28 se observa el comportamiento del nivel de temperatura en el agua del termotanque, cuando la línea roja asciende, significa que la caldera está en funcionamiento y el agua se calienta. Las líneas rectas horizontales indican que la temperatura se conserva, ya que en ese momento no es necesario el uso de agua caliente.

Por otro lado las líneas que descienden indican que en ese momento es necesario el uso de la energía en el termotanque, ya que la temperatura del invernadero se encuentra por debajo de la óptima inferior.


Figura 28. Temperatura del agua en el termotanque los días 9, 10 y 11 de Enero.

Figura 29. Temperatura del agua en la salida de la caldera los días 9, 10 y 11 de Enero.

Tiempo (h)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Temperatura en elTermotanque

Tiempo (h)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Temperatura de aguaen la Salida de la Caldera


INTERCAMBIADOR DE CALOR

El intercambio de energía entre los dos fluidos que se manejan en el intercambiador de calor (agua y aire) se puede observar en la siguiente gráfica. Por ejemplo en el caso señalizado la temperatura en el agua al salir del intercambiador de calor es menor que al entrar debido a la energía que cedió al aire por medio del serpentín.

Para el aire sucede lo contrario, la temperatura es menor al entrar y mayor al salir debido a la ganancia de energía térmica.

Figura 30. Comportamiento de temperaturas de los fluidos en el intercambiador de calor los días 9, 10 y 11 de Enero.

COMPORTAMIENTO TÉRMICO DEL INVERNADERO

Caso sin equipamiento

La climatización del invernadero es necesaria debido a que su comportamiento térmico la mayoría del año se encuentra fuera del rango de confort de temperaturas que es necesario para producir tomate en condiciones óptimas.

Tiempo (h)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Temperaturadel agua de entrada

Temperaturadel agua de salida

Temperaturadel aire de entrada

Temperaturadel aire de salida

Temperaturaambiente


Figura 31. Comportamiento térmico anual en el invernadero sin climatizar.

El día más crítico para el caso de enfriamiento sucedió el 20 de Junio, donde se muestra que no sólo la temperatura dentro del invernadero está por encima de la requerida por el cultivo, incluso la temperatura ambiente la mayoría del tiempo tampoco es la óptima, por lo tanto ese día será el de mayor demanda energética.

TemperaturaAmbiente

Temperatura enInvernadero

Máxima Temperatura Requeridaen el Invernadero

Mínima Temperatura Requeridaen el Invernadero


Figura 32. Temperaturas alcanzadas en los días 19, 20 y 21 de junio.

Caso con equipamiento

Posterior al dimensionamiento y aplicación de los equipos necesarios para la climatización del invernadero, se observa que los niveles de temperatura se mantienen en su gran mayoría dentro del rango óptimo, siendo 15°C la mínima y 30°C la máxima temperatura deseable para el desarrollo y producción de tomate durante todo el año.

En la Figura 33 se muestra el comportamiento térmico del invernadero cuando se utilizan 85 intercambiadores de calor. Se observa que para el periodo de calefacción tal número de intercambiadores es suficiente para mantener la temperatura mínima permitida en el invernadero. Sin embargo durante el periodo de enfriamiento resultan insuficientes para suministrar el enfriamiento requerido, y la temperatura del invernadero supera fácilmente el valor máximo permitido de 30°C.


Figura 33. Comportamiento térmico anual en el invernadero climatizado con 85 Hx.

En la Figura 34 se muestra el comportamiento térmico del invernadero cuando se utilizan 145 intercambiadores de calor. En este caso se observa un mejor control de temperatura durante el verano, pero aún es insuficiente.

Figura 34. Comportamiento térmico anual en el invernadero climatizado con 145 Hx.


En la Figura 35 se muestra el resultado de utilizar 180 intercambiadores de calor, y se observa que con ello se obtiene ya un control de temperatura casi perfecto durante el verano.

Figura 35. Comportamiento térmico anual invernadero climatizado con 180 Hx.

En la Figura 36 se muestra el detalle de control térmico durante el día que se observó como el más crítico de la temporada de verano. Se observa que la temperatura en el interior del invernadero se mantiene casi constante a 30°C durante los tres días mostrados.


Figura 36. Temperatura invernadero día crítico de verano, con climatización.

Como se observa de las figuras anteriores, la carga térmica más importante resulta ser la correspondiente al periodo de verano, y para este invernadero se obtiene que es necesario contar con un sistema de enfriamiento con una capacidad de 325 toneladas de refrigeración, para asegurar que aún en el día más crítico del año la temperatura del interior no sobrepase apreciablemente la máxima temperatura permitida, dañando las plantas de tomate.

RESULTADOS OBTENIDOS

Los resultados del análisis de las diferentes configuraciones

PARÁMETROS DE DISEÑO CONSIDERADOS

Tipo de colectores

El tipo de colectores solares que se recomienda para esta aplicación es del tipo:

Tubos evacuados con heat pipe y cabezal.

Existen en el mercado varias marcas y modelos que cumplen con éstas características. El modelo que se tomó como base para este dimensionamiento es el:

APRICUS AP-30


Sin embargo, esta marca es de origen en los EEUU, y se cuenta con una cotización en dólares americanos L.A.B. en la frontera. Se requiere agregar los derechos de importación y traslado hasta el sitio.

Las razones para utilizar éste tipo de colectores son:

Tienen una eficiencia térmica superior a los de placa plana, por lo que se requieren menos unidades para suministrar la misma potencia

Permiten alcanzar temperaturas más altas en el fluido de trabajo, con ello se logra reducir el volumen de almacenamiento, reducir el número de intercambiadores de calor requeridos, reducir los diámetros y longitudes de tuberías en el sistema hidráulico, y por lo tanto el impacto de lo anterior sobre costos de adquisición e instalación. Así mismo, el contar con agua a mayor temperatura durante el verano permite su utilización en algún proceso industrial adicional que se puede implementar para darle mayor valor agregado al tomate. Si también se toma la decisión de utilizar enfriamiento por absorción, el contar con agua a mayor temperatura es un requisito para su funcionamiento.

No requieren protección contra congelamiento, que en una instalación de este tipo es un sistema hidráulico de dren y recuperación de agua, para el caso de utilizarse colectores solares de placa plana.

Requieren menos mantenimiento y limpieza

Requieren menos área para su instalación

En caso de daño de un tubo, este se puede reemplazar individualmente, que resulta más barato que tener que reemplazar la cubierta de un colector de placa plana.

Fracción solar

La fracción solar ya sea mensual o anual, es la fracción del total de energía que es abastecida por el sistema solar y se puede calcular por medio de la ecuación de Buckles y Klein (Hobbi, 2009) la cual se muestra a continuación:

𝐹𝑆 =(𝑄𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝑄𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟)

𝑄𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

Donde 𝑄𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 es el total de energía requerida y 𝑄𝑎𝑢𝑥𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟 es la energía aportada por el sistema auxiliar (en este caso la caldera).

La importancia de conocer la fracción solar radica en que es un indicador que nos orienta acerca del desempeño global del sistema y no sólo de algún componente.

El código español energético para edificios recomienda una fracción solar mínima del 60%.


Número de colectores

Frecuentemente los sistemas solares son diseñados para obtener una fracción solar en particular, es decir, para obtener un cierto nivel deseado en la sustitución de energía convencional (Domínguez et al., 2012).

La simulación se configuró manera que se obtuviera un valor alrededor del recomendado, obteniendo con ello que 200 colectores solares (Apricus AP-30) son necesarios para obtener el casi 60%. Si se desea que el valor de fracción solar aumente a 70%, el número de colectores solares debe aumentar a 300.

Volumen de almacenamiento térmico

De acuerdo a los resultados obtenidos en la simulación para las diferentes relaciones volumen de almacenamiento / área de captación, se observó que el comportamiento térmico más favorable, se tiene cuando la relación se fija en 50 litros por cada metro cuadrado de área de colección.

DISEÑO RECOMENDADO PARA CALENTAMIENTO

De los resultados de las simulaciones llevadas a cabo se recomienda lo siguiente para su adquisición, para atender los requerimientos de calefacción:

Equipo Mínimo

F.S. = 57%

Recomendado

F.S. = 72%

Precio Unitario

Colectores solares de tubos evacuados, heat pipe con cabezal

Apricus AP-30

200 300 $10,000

Almacenamiento térmico @ 60 L/m2

50 m3 75 m3 $80,000 / 25 m3


Lytron 6340

85 140 $9,000

Caldera Auxiliar

Quick Water 3500, de 1000 kW

1 1 $750,000

En los casos de colectores, intercambiadores y caldera, los modelos y cantidades recomendadas están basados en la disponibilidad actual de información técnica y precios. El servicio que prestan es posible obtenerlo con otras marcas y modelos, pero no se dispone hasta ahora de suficiente información sobre la disponibilidad y costos de otras marcas.

Para el caso del almacenamiento térmico, se pueden considerar dos opciones:


Construcción de una o varias cisternas de concreto, de al menos 4 m de profundidad, dotadas de tapa

Adquisición de tanques de plástico tipo industrial reforzado (Rotoplas por ejemplo), que se suministran en tamaños de hasta 25 m3, para sus instalaciones enterradas en el suelo.

En ambos casos se requiere que se proporcione aislamiento térmico adecuado, utilizando al menos 1 m de espesor de pumicita u otro material de relleno con baja conductividad térmica.

Proyección financiera para calentamiento

Se realizó la proyección financiera de los costos de operación del invernadero, para comparar el costo de calentamiento, climatizándolo con gas, contra el costo que resulta al incluir equipamiento solar.

Los costos que se consideran para el análisis preliminar son:

Consumo de gas sin apoyo solar

Consumo de gas cuando se tiene apoyo solar, con las dos diferentes fracciones solares reportadas

Costo de adquisición estimado de colectores solares

Los costos que no se toman en cuenta en este análisis son:

Adquisición de la caldera

Almacenamiento térmico


Debido a que dichos equipos se requieren en ambas opciones.

Para este análisis se obtienen los consumos de gas incurridos por calefacción durante un año completo de operación, para tres configuraciones analizadas:

Sistema basado solo en gas L.P. (Fracción Solar = 0) (F.S. =0)

Sistema con 200 colectores solares (F.S. = 57%)

Sistema con 300 colectores solares (F.S. = 72%)

Dado que la vida útil de los equipos se estima en 25 años, se estima que el consumo energético de cada configuración se mantendrá igual durante toda la vida útil, pero el costo del gas sufre un aumento de precio anual conocido del 9%, y la inflación en México es del 4%.

Con lo anterior se tienen flujos de efectivo al inicio del periodo de tiempo analizado, originados por la inversión requerida para la adquisición de los colectores solares. Los costos de operación resultantes del consumo de gas en cada opción, se considera que ocurren al final de cada año, y van en aumento debido al aumento constante del precio del gas. Se tienen 25 años de operación, y para poder analizar


el valor financiero de las diferentes opciones se trasladan los costos anuales a valor presente, sumándose con los costos de adquisición de los colectores solares. Con ello se obtiene el monto total, el valor financiero de cada opción de diseño analizada, que ya pueden compararse entre sí para evaluar las opciones de diseño.

F.S. = 0 F.S. = 57% F.S = 72%

Consumo de gas ($) 11,870,054 5,285,327 3,561,304

Colectores solares ($) 0 2,000,000 3,000,000

Valor financiero @ 25 años ($) 11,870,054 7,285,327 6,561,304

DISEÑOS RECOMENDADOS PARA ENFRIAMIENTO

La potencia requerida en el sistema de enfriamiento para suministrar agua fría a 2°C es de 325 toneladas de refrigeración, equivalente a 1.14 MW.

Se contemplaron dos opciones para el enfriamiento del invernadero, por medio de un sistema de compresión de vapor o usando una máquina de absorción de simple efecto. A continuación se muestra el análisis realizado para ambos casos.

Enfriamiento por compresión de vapor

De acuerdo a la literatura el coeficiente de desempeño (COP, por sus siglas en inglés), de un sistema de enfriamiento está dado por la siguiente relación:

COP = QB / We

Donde QB es el calor removido por el sistema y We es la potencia eléctrica consumida por el compresor. En la siguiente tabla se muestra el consumo eléctrico que se requiere de acuerdo al COP del equipo.

COP Consumo

eléctrico [kW] No. De paneles FV

(240W)

1 1,140 4,750

2 570 2,375

3 380 1,583

4 285 1,188

5 228 950


Tomando el caso del sistema de compresión de vapor con el mayor COP se tiene que la potencia eléctrica requerida es de 228 kW los cuales se pueden obtener directamente de la red eléctrica o se traduce a 950 paneles fotovoltaicos de 240 W.

Enfriamiento por absorción

Para el caso de la refrigeración por absorción de simple efecto se tienen COP’s entre 0.6 y 0.7, considerando un COP de 0.65 se tiene un consumo de calor de:

Pterm = 1.14 MW / 0.65 = 1.75 MWterm

Donde Pterm es la potencia térmica requerida a los colectores.

El costo por tonelada de refrigeración para un enfriador por absorción es aproximadamente de US 1,000.00, por lo tanto para un enfriador por absorción de 325 toneladas de refrigeración y tomando en cuenta una tasa de cambio para el dólar americano de $14 se obtienen los siguientes resultados:

Costo enfriador por absorción = $4,550,000.00

Considerando un costo de instalación aproximado del 30 % se obtiene que el costo total estimado es para la refrigeración del invernadero por medio de un sistema de absorción de simple efecto es de $5,915,000.00

Es importante mencionar que si se decidiera suministrar toda la potencia térmica que requiere el sistema de enfriamiento por absorción, sería necesario instalar un total de 973 colectores solares térmicos (Apricus AP-30), ya que los 200 colectores con que se cuenta para calentamiento solo representan el 20% del suministro de energía térmica que la máquina de absorción requiere.

COSTOS INICIALES DEL PROYECTO

A continuación se muestra la tabla con el dimensionamiento total de equipo para lograr una fracción solar del 72% para el calentamiento y de 30% para el sistema de enfriamiento por absorción (con ese número de colectores solares). No se mencionan equipos de refrigeración por compresión de vapor, por carecer de cotizaciones para ese tipo de equipos.

Equipo Cantidad Precio Unitario Precio Total

Colectores solares de tubos evacuados, heat

pipe con cabezal

Apricus AP-30

300 $10,000 $3,000,000


Almacenamiento térmico @ 60 L/m2

75 m3 $80,000 / 25 m3 $240,000


Lytron 6340

180 $9,000 $1,620,000

Caldera Auxiliar

Quick Water 3500, de 1000 kW

1 $750,000 $750,000

Equipo de refrigeración por absorción

1140 kW

1 $4,550,000 $4,550,000

Equipo de refrigeración por compresión de

vapor

325 toneladas de refrigeración

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CONCLUSIONES

Se analizó un sistema de climatización de un invernadero agrícola para tomate Saladette, con diferentes tipos, dimensiones y configuraciones de tecnología de aprovechamiento de energía solar mediante la plataforma computacional TRNSYS.

Del análisis realizado, para calefacción, se observa que el valor financiero del proyecto resulta favorable para la utilización de energía solar, aun y cuando solo se está considerando el uso del sistema de colección solar para calefacción del invernadero. Debe observarse que durante todo el verano el sistema es capaz de seguir colectando energía que tiene un valor superior al utilizado durante el periodo invernal. Esto es fácilmente apreciable del hecho que el periodo sin requerimiento de calefacción es más largo, y la disponibilidad de energía solar durante ese periodo también es superior al invernal.

Dicha energía requiere ser utilizada para aprovechar su valor, posiblemente para producir agua fría y usarla en la refrigeración del invernadero, o bien usarla en algún proceso adicional que pueda agregar valor a los excedentes de tomate o a los desperdicios generados durante el proceso.

La evaluación económica de lo anterior requiere analizar las implicaciones económicas de las opciones de enfriamiento arriba mencionadas, así como su viabilidad técnica para el caso analizado.


Para enfriamiento se analizaron dos posibilidades, enfriamiento por compresión de vapor y refrigeración por absorción.

Si se decidiera suministrar toda la potencia térmica que requiere el sistema de enfriamiento por absorción, sería necesario instalar un total de 973 colectores solares térmicos (Apricus AP-30), ya que los 300 colectores con que se cuenta para calentamiento solo representan el 30% del suministro de energía térmica que la máquina de absorción requiere.

Los precios mostrados en tablas no incluyen costos de instalación.

RECOMENDACIONES

Como se mencionó en párrafos anteriores, la carga térmica de enfriamiento resulta en un valor muy alto. Si se dimensionan los sistemas en base a los requerimientos térmicos arriba calculados, los costos asociados resultan muy altos. Existen, sin embargo, opciones de diseño que deberían de contemplarse, encaminadas a reducir las cargas térmicas:

Aumentar la resistencia térmica de la envolvente

Introducir sistemas de sombreado para el periodo de verano

Lo anterior se entiende fácilmente del hecho que si se reducen las cargas térmicas, se requiere extraer o suministrar menos energía al invernadero, y consecuentemente se requiere menos equipo y menos consumo energético para lograrlo.

Para aumentar la resistencia térmica de la envolvente se pueden contemplar dos opciones:

Utilizar materiales con menos conductividad térmica

Utilizar capas adicionales en las paredes y techos

La introducción de sistemas de sombreado requiere adicionarle al invernadero de los sistemas mecánicos necesarios para desplegar superficies semi-reflejantes (malla-sombra por ejemplo) que eviten que la irradiación solar llegue hasta la envolvente. Esto tendría que estar analizado para no afectar con el requerimiento de luz para fotosíntesis de los cultivos, y seguramente requiere de sistemas de control para su operación.

Dependiendo de la atenuación de la irradiación solar que sea técnicamente recomendada, el tamaño requerido de los sistemas de enfriamiento deberá de ser calculado nuevamente.

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GRUPO DE TRABAJO

Los integrantes del grupo de trabajo, por parte del CIMAV, son:

Dr. Ignacio R. Martín Domínguez Investigador

M.C. Mario Nájera Trejo Técnico Académico

M.C. Jorge A. Escobedo Bretado Técnico Académico

M.C. Jorge Lucero Álvarez Estudiante doctoral

Ing. Jorge E. Delgado Rodríguez Estudiante de Maestría

Dra. María Teresa Alarcón Herrera Investigadora

Ing. Iván L. Templeton Olivares Técnico en Sistemas Computacionales



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ANEXOS

Cotización Apricus AP-30


Características y curvas de operación del intercambiador de calor LYTRON modelo 6340.

Centro de Investigación en Materiales Avanzados,...

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