Tesis doctoral de Vanesa Valiño Lopez
Introducción la situación medioambiental actual exige una adaptación de los sistemas agrícolas al evidente cambio climático que está sufriendo el planeta. Los invernaderos no son ajenos a este cambio, sobre todo aquellos emplazados en las zonas que se prevén más afectadas por el ascenso de las temperaturas, como es el caso de la cuenca mediterránea (ipcc, 2007). Esta adaptación implica un uso responsable de los recursos energéticos, ya sea disminuyendo su consumo, realizándolo de manera más eficiente, o diversificando las fuentes energéticas (energías alternativas) (valera et al., 2008). los invernaderos del área mediterránea suelen estar desprovistos de sistemas de refrigeración (montero et al., 1994) y es más que probable que tengan que adoptarlos para seguir manteniendo su funcionalidad. Además, en áreas como la nuestra, es necesario que los sistemas de refrigeración no consuman grandes volúmenes de agua (como sucede con algunos sistemas evaporativos) ya que los últimos informes de cambio climático señalan que la escasez de agua será el factor más crítico para la agricultura futura en latitudes medias (ipcc, 2007). Por tanto, parece necesario mejorar los sistemas de refrigeración actuales o introducir alternativas más eficientes desde el punto de vista de consumo energético y de agua. el suelo radiante es un equipamiento presente en invernaderos comerciales y que se utiliza convencionalmente como método de calefacción (garcía, 1998). En este trabajo en cambio, se aborda el reto de su aplicación en refrigeración para invernaderos. Por ello, se realizó una evaluación experimental de la refrigeración de un invernadero situado en Madrid (españa), mediante el uso del suelo radiante acoplado a una bomba de calor aire-agua. Asimismo, se diseñó un modelo del clima interior del invernadero que incluía el efecto refrigerante del suelo; y un modelo de simulación de la demanda de potencia de la bomba en función de parámetros del clima exterior. materiales y métodos para el desarrollo de los ensayos se dispuso de un invernadero experimental en los campos de prácticas de la etsi agrónomos (Madrid). Se trataba de un módulo de un invernadero multicapilla con tejado curvo y paredes rectas. El material de cubierta era plástico rígido (metacrilato) con las siguientes características de transmitancia de radiación: visible del 75 al 85%; y del infrarrojo en torno al 0.5%. La superficie cubierta era de 132 m$^{2}$ y el cultivo que se mantuvo durante los ensayos fue la extit{gerbera jamesonii} h. Bolus ex hook (gerbera), flor ornamental de alto valor económico. Estas plantas se cultivaron en macetas sobre el suelo dispuestas en cuatro filas dobles. El invernadero estaba equipado con ventilación natural a través de ventanas corridas abatibles; con una pantalla de sombreo aluminizada que cubría toda la superficie; y con un suelo radiante instalado en la época de construcción del invernadero. El suelo radiante, de 90 m$^{2}$ de superficie, estaba constituido básicamente por una red de tuberías de polietileno (6 m.L. Por m$^{2}$) cubiertas por un mortero de hormigón de 90 mm de espesor. Para su utilización en refrigeración, se conectó el sistema de tuberías a una bomba de calor de tipo aire-agua (potencia nominal 4.5 kw). se ensayaron dos estrategias de refrigeración: (1) estrategia control consistente en ventilación natural y malla de sombreo (24 h); (2) estrategia suelo radiante que añadía a la estrategia (1) la acción del suelo radiante con control todo-nada con una temperatura de consigna de 12 ºc para el agua del circuito de retorno de la bomba. Los ensayos se realizaron durante los veranos de 2005 y 2006. se registraron dos tipos de datos mediante dos datalogger (datataker dt50, cinco canales). En primer lugar, parámetros de tipo climático (temperaturas, contenido en humedad ambiental y radiación solar incidente), distinguiéndose entre clima interior del invernadero y clima exterior. Se utilizaron sensores de temperatura pt100, sensores capacitivos para medir la humedad relativa; y un piranómetro para la radiación solar exterior. De toda la serie de días registrados se seleccionaron 16 con cada estrategia y sus parámetros fueron promediados para obtener un día característico de cada estrategia. Estos dos días fueron sometidos a un análisis de varianza para valorar diferencias significativas entre sus temperaturas y humedad. Asimismo, se tomaron medidas de temperatura en el entorno de dos plantas, una situada encima del suelo radiante y otra aislada del efecto del mismo. En segundo lugar, se registraron datos del consumo energético de la bomba mediante un analizador de red. a partir de los datos experimentales se diseñaron dos modelos de simulación: un modelo del clima interior y un modelo energético que estimara la demanda de potencia de la bomba. El modelo climático se trataba de un modelo dinámico que incorporaba la variable tiempo y que empleaba un balance energético de los principales flujos que influyen en la variación de la temperatura interior para calcularla: la extracción energética del suelo; la transmisividad de la radiación solar; el efecto refrigerante del cultivo; las pérdidas a través de las ventanas abiertas; las pérdidas a través de la estructura. el modelo energético pretendía calcular la demanda de potencia del sistema bomba de calor-suelo radiante en función de parámetros climáticos (temperatura exterior y temperatura húmeda del invernadero) y la potencia nominal de la bomba. Adaptaba una expresión ya utilizada por otros autores para otro tipo de bombas (willits and gurjer, 2004; eley-associates, 1994) para las condiciones particulares del sistema de ensayo. ambos modelos fueron ajustados con un conjunto de datos experimentales y validados con otro distinto. resultados y discusión los resultados experimentales indicaron que el efecto del suelo radiante en refrigeración era limitado: redujo la temperatura del aire aproximadamente 1 ºc a 0.5 m (respecto a la situación control) y su efecto disminuía por encima de esa altura. El análisis de varianza únicamente encontró diferencias significativas para las temperaturas por debajo de 0.5 m entre los dos escenarios de refrigeración, y para el salto térmico (calculado como temperatura interior a 0.5 m menos temperatura exterior) de una de las campañas de ensayo. en un comparación con otras tecnologías más habituales en la refrigeración de invernaderos (perdigones et al., 2008), los sistemas de nebulización obtuvieron mejores resultados que el sistema suelo radiante-bomba de calor: el salto térmico en la mayoría del volumen de aire interior fue menor en cualquiera de los casos de nebulización considerados. Sin embargo, a nivel de cultivo, el salto térmico obtenido con el suelo radiante fue menor que en nebulización. Además el suelo radiante no creó condensación como es habitual en los sistemas de climatización evaporativos (nebulización, paneles evaporativos). el suelo radiante permitió mantener el sustrato del cultivo a temperaturas hasta 4ºc inferiores que en el caso control. Esto hace que las condiciones sean más favorables para el desarrollo del cultivo, ya que los valores térmicos óptimos suelen estar por debajo de los 20 ºc (serrano, 2005). el modelo climático diseñado para la simulación de la temperatura interior resultó válido. Tanto para el caso de la estrategia control (ventilación natural + sombreo) como de la estrategia de refrigeración con suelo radiante, la correlación lineal entre los datos simulados y los datos reales obtuvo un coeficiente de determinación muy elevado y un error absoluto medio diario en torno a los 0.38 ºc. Teniendo en cuenta los coeficientes de transferencia de calor del suelo determinados en ajustes de modelización, el comportamiento del suelo radiante en refrigeración resultó ser menos eficiente que en calefacción (perdigones et al., 2006). También a partir del modelo, se pudo cuantificar la extracción energética máxima del suelo radiante en las horas centrales del día: 95 w m-2. Este valor se corresponde con los obtenidos para suelos radiantes instalados en viviendas que poseen espacios con gran superficie de paramentos acristalados (olesen, 1997). el modelo de simulación de la demanda de potencia de la bomba en refrigeración resultó adecuado para calcular la potencia como w m-2. Una expresión más simplificada que la tomada del trabajo de willits y gurjer (2004) resultó también válida para los rangos de temperatura húmeda 23.48 a 6.23 ºc, y de temperatura exterior 40.3 a 15.5 ºc. Esta última expresión puede ser una buena opción para productores que deseen determinar el consumo energético del sistema para el caso particular de su instalación ya que los datos de temperatura se pueden obtener fácilmente de una estación meteorológica. el coeficiente de operación (cop) medio obtenido a partir de las modelizaciones fue 7.9, valor elevado para un sistema de estas características. El coste de instalación del sistema supondría una inversión inicial de 38 â,¬ m-2. El consumo eléctrico se valoró en 104.8 wh m-2 d-1 de funcionamiento. conclusiones el efecto del suelo radiante en refrigeración sólo fue significativo por debajo de los 0.5 m de altura. Respecto a otras tecnologías de refrigeración, los sistemas de nebulización obtuvieron un salto térmico más favorable en la mayoría del volumen de aire interior, aunque a nivel de cultivo, la refrigeración con suelo radiante alcanzó el menor salto térmico. Otro aspecto positivo del suelo radiante es que no creó condensación como es habitual en los sistemas de climatización evaporativos. el modelo climático diseñado para la simulación de la temperatura interior resultó válido. Teniendo en cuenta los coeficiente de transferencia del suelo determinados en el ajuste, el comportamiento de éste en refrigeración resultó ser menos eficiente que en calefacción. el modelo de simulación de la demanda de potencia de la bomba resultó adecuado para calcular la potencia a partir de parámetros climáticos (temperatura del bulbo húmedo en el interior del invernadero, temperatura exterior) y potencia nominal de la bomba. Una expresión más simplificada resultó también válida para los rangos de temperatura de bulbo húmedo 23.48 a 6.23 ºc, y de temperatura exterior 40.3 a 15.5 ºc. El coeficiente de operación (cop) medio obtenido a partir de la modelización y de datos experimentales fue 7.9, valor elevado para un sistema de estas características. el sistema suelo radiante-bomba de calor parece ser apropiado sólo para refrigerar invernaderos bajo ciertas condiciones, para cultivos de alto valor añadido, cultivos de bajo porte, o cuando el coste de inversión no es un factor limitante ya que éste es aproximadamente 38 â,¬/m2.
Datos académicos de la tesis doctoral «Utilizacion del suelo radiante acoplado a una bomba de calor aire-agua para la refrigeración de invernaderos«
- Título de la tesis: Utilizacion del suelo radiante acoplado a una bomba de calor aire-agua para la refrigeración de invernaderos
- Autor: Vanesa Valiño Lopez
- Universidad: Politécnica de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 18/02/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Saturnino De La Plaza Pérez
- Tribunal
- Presidente del tribunal: eduardo Hernández fernández
- fatima de Jesús Folgoa baptista (vocal)
- María dolores Fernández rodríguez (vocal)
- diego Luis Valera martínez (vocal)