Embed Size (px)
Citation preview
1
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS
DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
“Diseño y selección de los sistemas de climatización para un invernadero agrícola
utilizando tecnologías solares mediante simulación dinámica en TRNSYS”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA AMBIENTAL
Presenta:
Jorge Emmanuel Delgado Rodríguez
ASESOR:
Dr. Ignacio Ramiro Martín Domínguez
CHIHUAHUA, CHIH. MAYO, 2015
2
AGRADECIMIENTOS
Primeramente agradezco a Dios por bendecirme para llegar hasta donde ahora estoy
y por brindarme la felicidad de hacer realidad este sueño anhelado.
A CONACYT que a través del CIMAV me brindó las herramientas necesarias para
formarme como una persona más profesional y con visión.
A mi director de tesis el Dr. Ignacio Ramiro Martín Domínguez, quien a través de su
sabiduría, esfuerzo y comprensión, ha inculcado en mí un sentido de seriedad,
responsabilidad y amor a mi profesión.
A los técnicos del laboratorio de energías renovables, en especial al M. en C. Jorge
Escobedo Bretado por su tiempo, paciencia y por compartir sus conocimientos para
fomentar mi crecimiento.
A mis maestros formadores ya que todos ellos son una motivación y un ejemplo a
seguir.
Finalmente a mis abuelos, padres y hermanos, por quererme, apoyarme y creer en
mí.
3
ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................ 2
ÍNDICE ..................................................................................................................................... 3
Lista de figuras ........................................................................................................................ 7
Lista de tablas ......................................................................................................................... 8
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 9
Agricultura protegida en México ...................................................................................... 11
Características del cultivo del jitomate ............................................................................ 12
Variedad de jitomate .................................................................................................... 12
Requerimientos de temperatura .................................................................................. 12
Requerimientos de humedad ....................................................................................... 12
Concentración de CO2 .................................................................................................. 13
Características del invernadero ............................................................................................ 13
Localización geográfica ..................................................................................................... 13
Tipo de tecnología ............................................................................................................ 13
Diseño ............................................................................................................................... 14
Control climático actual .................................................................................................... 15
Planteamiento del problema ................................................................................................ 15
Justificación .......................................................................................................................... 18
Hipótesis ............................................................................................................................... 19
Objetivos ............................................................................................................................... 19
General ............................................................................................................................. 19
Específicos ........................................................................................................................ 19
Alternativas posibles de sistemas de climatización ............................................................. 20
Enfriamiento evaporativo (EE) ......................................................................................... 20
Enfriamiento por compresión de vapor (ECV) ................................................................. 22
Enfriamiento por absorción (EA) ...................................................................................... 24
4
Calentamiento a gas (CG) ................................................................................................. 26
Calentamiento solar fotovoltaico (CSFV) ......................................................................... 27
Calentamiento solar térmico (CST) ................................................................................... 27
Combinaciones de enfriamiento y calefacción contempladas ............................................. 29
Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento Evaporativo .............................................. 29
Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Compresión de Vapor ....................... 29
Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Absorción .......................................... 30
Balance energético en un invernadero agrícola ................................................................... 30
Plataforma computacional para el modelado y simulación del sistema ............................. 32
SketchUp Pro .................................................................................................................... 32
TRNSYS 17 ......................................................................................................................... 33
Simulation Studio ............................................................................................................. 34
TRNBuild ........................................................................................................................... 35
Meteonorm....................................................................................................................... 35
Window............................................................................................................................. 36
Excel .................................................................................................................................. 37
Diseño conceptual de los sistemas de climatización propuestos ........................................ 38
Componentes principales del sistema de calefacción ...................................................... 39
Colectores solares ......................................................................................................... 39
Almacenamiento térmico ................................................................................................. 40
Caldera auxiliar a gas ........................................................................................................ 40
Intercambiadores de calor ............................................................................................... 41
Componentes principales del sistema de refrigeración ................................................... 41
Equipo de refrigeración ................................................................................................ 41
Almacenamiento de agua ............................................................................................. 42
Sistema de control ............................................................................................................ 42
Datos técnicos del equipamiento ......................................................................................... 44
Colectores solares ............................................................................................................. 45
Intercambiadores de calor ............................................................................................... 45
Almacenamiento térmico ................................................................................................. 46
Caldera auxiliar ................................................................................................................. 47
5
Desarrollo del modelo para simulación ................................................................................ 47
Diagrama de la simulación en TRNSYS 17 ........................................................................ 48
Modelos matemáticos genéricos utilizados ..................................................................... 48
Generador de clima ...................................................................................................... 48
Colectores solares ......................................................................................................... 49
Termo tanque estratificado .............................................................................................. 49
Bombas de velocidad constante ....................................................................................... 49
Caldera auxiliar a gas ........................................................................................................ 49
Edificio con zonas térmicas .............................................................................................. 50
Intercambiadores de calor ............................................................................................... 50
Ventiladores ...................................................................................................................... 50
Diversores y mezcladores de flujos .................................................................................. 50
Monitoreo y presentación de resultados en pantalla ...................................................... 50
Capacidad térmica en el invernadero .................................................................................. 51
Escenarios analizados ........................................................................................................... 52
Sin climatización ............................................................................................................... 52
Calefacción ........................................................................................................................ 53
Con 200 Colectores ....................................................................................................... 53
Con 300 colectores ....................................................................................................... 53
Enfriamiento ..................................................................................................................... 54
Con 85 intercambiadores de calor ............................................................................... 54
Con 145 intercambiadores de calor ............................................................................. 55
Con 180 intercambiadores de calor ............................................................................. 56
Simulaciones y validación del modelo .................................................................................. 56
Sistema de colección y almacenamiento térmico ............................................................ 56
Caldera auxiliar ................................................................................................................. 58
Intercambiador de calor ................................................................................................... 59
Resultados obtenidos ........................................................................................................... 60
Parámetros de diseño considerados ................................................................................ 60
Tipo de colectores ........................................................................................................ 60
Fracción solar deseada ................................................................................................. 61
6
Número de colectores .................................................................................................. 62
Limitaciones del estudio ....................................................................................................... 62
Aspectos económicos ........................................................................................................... 62
Análisis de costos de adquisición ..................................................................................... 62
Análisis de ingresos por aumento en la producción ........................................................ 64
Conclusiones ......................................................................................................................... 67
Recomendaciones................................................................................................................. 68
Referencias ........................................................................................................................... 69
Anexos .................................................................................................................................. 71
7
Lista de figuras Figura 1. Participación en la generación bruta de energía por fuentes, Secretaría de
Energía (2012). ........................................................................................................................ 9
Figura 2. Producción de hortalizas bajo esquemas de protección. ...................................... 10
Figura 3. Distribución porcentual de área superficial de invernaderos en México. (Huerta,
2013). .................................................................................................................................... 12
Figura 4. Invernadero Multi-capilla. ..................................................................................... 14
Figura 5. Diseño del invernadero. ........................................................................................ 14
Figura 6. Ventilación natural en el invernadero. .................................................................. 15
Figura 7. . Temperatura en el interior del invernadero y temperatura ambiente para
Ciudad Delicias, Chihuahua de acuerdo al TMY. ................................................................. 16
Figura 8. Esquema del funcionamiento de un equipo basado en enfriamiento evaporativo
marca Symphony. ................................................................................................................. 20
Figura 9. Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de
vapor. .................................................................................................................................... 23
Figura 10. Funcionamiento de una unidad de absorción de simple efecto (CENGEL,
Termodinámica).................................................................................................................... 25
Figura 11. Esquema del funcionamiento de un colector solar térmico (Guía didáctica de
energía solar 2007). .............................................................................................................. 28
Figura 12. Flujo de energía a través de un invernadero cerrado. ........................................ 32
Figura 13. Interfaz software SketchUp Pro. .......................................................................... 33
Figura 14. Logotipo TRNSYS 17. ............................................................................................ 34
Figura 15. Simulation Studio. ................................................................................................ 34
Figura 16. Interfaz TRNBuild ................................................................................................. 35
Figura 17. Interfaz software Meteonorm. ............................................................................ 36
Figura 18. Logotipo e interfaz del Software Window. .......................................................... 37
Figura 19. Cálculo de la capacidad térmica dentro del invernadero mediante Excel. ........ 38
Figura 20. Diagrama general de los sistemas de climatización. ........................................... 38
Figura 21. Colector solar térmico de placa plana Maxol MS 2.5 .......................................... 39
Figura 22. Apricus AP-30 y vista interna de uno de sus tubos evacuados (Apricus, 2014). . 40
Figura 23. Rango de temperaturas de control. .................................................................... 43
Figura 24. Histéresis en el control. ....................................................................................... 44
Figura 25. Curvas de operación Lytron 6340 ........................................................................ 45
Figura 26. Diseño del intercambiador de calor Lytron 6340. ............................................... 46
Figura 27. Diagrama general de los sistemas de climatización y el invernadero en TRNSYS
17. ......................................................................................................................................... 48
Figura 28. Comportamiento térmico actual del invernadero bajo el concepto de
invernadero cerrado. ............................................................................................................ 52
Figura 29. Comportamiento térmico del invernadero con 200 colectores solares. ............ 53
Figura 30. Comportamiento térmico del invernadero con 300 colectores solares. ............ 53
8
Figura 31. Comportamiento térmico anual en el invernadero climatizado con 85
intercambiadores de calor. ................................................................................................... 55
Figura 32. Comportamiento térmico anual en el invernadero climatizado con 145
intercambiadores de calor. ................................................................................................... 55
Figura 33. Comportamiento térmico anual invernadero climatizado con 180
intercambiadores de calor. ................................................................................................... 56
Figura 34. Potencia útil generada en el campo de colectores en 3 días. ............................. 57
Figura 35. Temperatura del agua dentro del termotanque. ................................................ 57
Figura 36. Ejemplo del comportamiento de la caldera. ....................................................... 58
Figura 37. Temperaturas del agua y del aire durante su interacción dentro del
intercambiador de calor. ...................................................................................................... 59
Figura 38. Temperaturas alcanzadas en los días 19, 20 y 21 de junio. ................................ 60
Figura 39. Estimación del precio por tonelada (Gobierno del estado de Chihuahua,
SAGARPA 2010). ................................................................................................................... 64
Figura 40. Rendimiento de la producción de acuerdo al tipo de tecnología (Ordoñez,
TECNOAGRO 2010). .............................................................................................................. 65
Lista de tablas
Tabla 1. Datos técnicos del colector solar APRICUS AP-30……………………………………………….37
Tabla 2. Datos técnicos del termotanque………………………………………………………………………..38
Tabla 3. Datos técnicos de la caldera auxiliar Quikwater 3500………………………………………..39
Tabla 4. Valores de la capacidad térmica………………………………………………………………………..43
Tabla 5. Costos generados de acuerdo a la fracción solar……………………………………………….56
Tabla 6. Costos debido al incremento del rendimiento en la producción………………………..58
9
INTRODUCCIÓN
Actualmente se vive en una época preocupada por el cambio climático, para lo cual se
pretende tomar acciones que minimicen los efectos que produce. En consecuencia se ha
buscado la manera de introducir medidas que reduzcan los efectos negativos, los cuales
son resultado del uso de combustibles fósiles como petróleo, gas y carbón principalmente,
para generar energía.
De acuerdo al informe de la participación de las energías renovables en la generación
de electricidad en México de la secretaría de energía cerca del 15% de la energía proviene
de fuentes de energía renovable, sim embargo menos del 1% pertenece a la energía solar.
Es por ello que se debe hacer un hincapié en el necesario aumento de la
preocupación por estudiar las posibles inclusiones de energías renovables a los sistemas
actuales, ya que son recursos limpios e inagotables que implican un menor impacto
ambiental.
Figura 1. Participación en la generación bruta de energía por fuentes, Secretaría de Energía (2012).
10
En México el uso de las energías renovables en los sectores industrial y agropecuario
es incipiente en comparación con otros países, tomando en cuenta que la energía es un
indicador del nivel de desarrollo de un país y de acuerdo al informe de energías
renovables para el desarrollo sustentable de México de la Secretaría de Energía (2013) el
potencial solar promedio en México es aproximadamente de 5 kWh/m2 por día, por lo que
se sabe que existe un gran potencial en la integración de sistemas solares, sobre todo en
estados del norte como Chihuahua.
La agricultura protegida es aquella que se realiza bajo estructuras con la finalidad de
evitar las restricciones que el medio impone al desarrollo de las plantas cultivadas. En la
agricultura protegida se utilizan diversos elementos, herramientas, materiales y
estructuras con el fin de obtener mayor y mejor rendimiento (Juárez et al., 2011), como es
el caso de la producción en malla sombra o invernaderos.
Por otro lado, los principales cultivos que se producen bajo esquemas de protección
son: jitomate, pimiento y pepino (SAGARPA, 2012).
Figura 2. Producción de hortalizas bajo esquemas de protección (Huerta, 2012).
11
Con la producción bajo el esquema de malla sombra se logra aumentar 400% la
producción en comparación con la producción en campo abierto, sin embargo con el
cultivo en invernadero se aumenta 900% (Velazco et al., 2011) haciendo atractivo el
rendimiento y las posibilidades de lograr la cantidad y calidad necesarias para exportación,
sin embargo la alta inversión que implican los invernaderos de media y alta tecnología,
dejan a los productores de escasos recursos fuera del mercado de EUA y Canadá (Moreno
et al., 2011).
Los invernaderos son usados para incrementar el rendimiento y controlar el
crecimiento en todos los climas, sin embargo es uno de los sectores más demandantes
desde el punto de vista energético en la agricultura (Vadiee et al., 2013). Dicha demanda
depende de la relación entre las condiciones climáticas exteriores y las necesidades
ambientales de los cultivos dentro del mismo (Valera et al., 2008); es por ello que es
necesario analizar cada invernadero tomando en cuenta el diseño y las condiciones del
lugar donde se instalará.
Tomando en cuenta diferentes factores como temperatura ambiente a lo largo del
año, temperatura óptima durante cada etapa productiva del jitomate, condiciones físicas
del invernadero (materiales y diseño), radiación solar, humedad relativa y velocidad del
viento entre otros, mediante un software de simulación dinámica (TRNSYS) se
dimensionaron los sistemas de climatización, incluyendo tecnologías solares (energía solar
térmica).
Agricultura protegida en México
México ocupa el séptimo lugar a nivel mundial en cuestión de superficie de
agricultura protegida con aproximadamente 20,000 hectáreas (Ordoñez, 2010); siendo los
estados de Sinaloa, Baja California, Baja California Sur, Sonora y Jalisco los estados de la
República donde se concentra la mayor cantidad de área superficial de invernaderos
(Figura 1; Huerta, 2012).
12
Figura 3. Distribución porcentual de área superficial de invernaderos en México. (Huerta, 2013).
Características del cultivo del jitomate
Variedad de jitomate
Hidropónicos Luza produce Jitomate Saladette en sus variedades Moctezuma y
Cuauhtémoc.
Requerimientos de temperatura
La Guía para el cultivo del jitomate 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 jitomate 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
13
relativa baja dificulta la fijación del polen al estigma de la flor (Comisión Veracruzana de
Comercialización Agropecuaria, 2010).
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 jitomate 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).
Características del invernadero
Localización geográfica
El invernadero está ubicado dentro del Parque Agroindustrial Naica, Municipio de
Saucillo, Chihuahua. 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
fabricante Canadiense Harnois. Estos invernaderos son ideales para las operaciones
medianamente y fuertemente automatizadas.
14
Figura 4. Invernadero Multi-capilla.
Diseño
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 5. Diseño del invernadero.
15
Control climático actual
Actualmente el invernadero no cuenta con sistemas activos de climatización,
únicamente con una envolvente de doble pared de polietileno y ventilación natural que se
induce abriendo los sistemas de ventilas situados en la parte superior de la estructura,
mediante la apertura mecanizada.
Figura 6. Ventilación natural en el invernadero.
Planteamiento del problema
El estado de Chihuahua es uno de los Estados con mayor presencia de fenómenos
climáticos como sequía, granizadas y heladas (Moreno et al., 2011), es por ello que el
desarrollo de la agricultura protegida, en este caso la producción en invernadero es
necesaria para producir una cantidad y diversidad suficiente de alimentos durante todo el
año (Candy et al., 2012).
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 en su interior, como resultado de la
transferencia y acumulación de energía proveniente principalmente del sol a través de su
envolvente.
16
La radiación solar puede penetrar a través de la envolvente con facilidad, sin embargo
la radiación infrarroja que emite el suelo y los objetos dentro del invernadero debido al
aumento de temperatura debido a la radiación solar 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 siempre será igual o más alta a la temperatura
ambiente, lo cual se confirma en la siguiente gráfica donde se muestra el comportamiento
de la temperatura dentro del invernadero durante un año.
Figura 7. . Temperatura en el interior del invernadero y temperatura ambiente para Ciudad Delicias, Chihuahua de acuerdo al TMY.
También se observa que la gran mayoría del tiempo la temperatura dentro del
invernadero se encuentra por encima del rango óptimo de temperatura para el desarrollo
del jitomate y de antemano se puede anticipar que es necesario poner atención al
equipamiento y a la energía que será requerida por el sistema de enfriamiento.
Antes de tomar la decisión de instalar un invernadero es necesario tomar en cuenta
características climáticas del lugar como temperatura ambiente, radiación solar y
humedad relativa, entre otras; ya que se debe buscar que el clima local sea favorable para
el diseño del invernadero y el tipo de cultivo que se desea producir, ya que de lo contrario
es necesario modificar el clima interno del invernadero lo cual repercute en los costos de
inversión y operación. En este caso el invernadero se encuentra en una zona árida o semi-
17
árida, lo que desde el inicio brinda una idea de que la climatización muy probablemente
será necesaria.
Algunas personas se interesan en el tema de los invernaderos agrícolas, incluso
personas ajenas a actividades agropecuarias, independientemente de que cuenten con los
conocimientos necesarios o no, hay quien decide invertir en invernaderos esperando altas
ganancias, sin embargo debido a la gran desinformación, en ocasiones no se toman las
decisiones adecuadas que ocasionan pérdidas económicas y desembocan en su abandono
debido a la incosteabilidad (FIRA, 2011), lo cual es una realidad que se vive en el estado de
Chihuahua donde es común observar el abandono de invernaderos.
Para lograr hacer rentable la producción de jitomate en invernadero de alta
tecnología es necesario lograr ser eficientes en cuanto al uso energía, para que los costos
de la misma se reduzcan y tengan un impacto positivo en los gastos de operación. Para
lograr esto, incluir fuentes de energías renovables es una solución y para decidir qué tipo
de energía alterna es adecuado usar se deben analizar las características atmosféricas que
se presenten en cada lugar, ya que eso condiciona qué tipo de fuente de energía
renovable se puede utilizar y de ello dependerá el sistema a instalar (Sánchez, 2003); de
acuerdo a mapas de irradiación global solar en la República Mexicana, en el estado de
Chihuahua se cuenta con uno de los más altos niveles de radiación solar, es por ello que se
contempla la inclusión de tecnologías solares térmicas como un apoyo en la reducción de
los costos de energía.
También es importante mencionar que la integración de tecnologías solares en la
industria nacional propiciaría mejores condiciones socio-económicas al país, además que
se favorece el desarrollo tecnológico regional, por la creación de empresas y empleos
relacionados con la venta, instalación y mantenimiento de dispositivos y sistemas
energéticos.
Como se menciona en el reporte del clima de CONAGUA, en Junio del 2014 se
vivieron anormalidades climáticas, ocasionando un incremento superior al común, esto se
18
confirma con el hecho de que en dicho año donde la temperatura ambiente en Delicias
alcanzó los 40°C y dentro del invernadero que se analizó se generaron temperaturas
cercanas a los 50°C lo cual fue letal para el cultivo y fue necesario deshacerse de la
producción, ocasionando pérdidas económicas y la necesidad de la climatización para
prevención en el futuro.
Justificación El comercio mundial del jitomate fresco está expandiéndose, principalmente, entre
países vecinos, gracias a la reducción de aranceles a través de tratados comerciales y a
menos costos de transporte derivados de la cercanía geográfica, como es el caso de
Estados Unidos, Canadá y México.
El ritmo de las importaciones mundiales de jitomate crece 9% anual con un monto
promedio de $4,800 millones de USD en periodo 2000-2009, siendo Estados Unidos,
Alemania y Reino Unido los principales importadores de jitomate en el mundo, el registro
de mayor consumo de jitomate en los Estados Unidos es en los meses de Noviembre a
Mayo con volúmenes promedio de 100 mil toneladas a precio promedio de $1.10 USD por
Kilogramo (SAGARPA 2011).
México es el principal abastecedor externo del mercado estadounidense. Durante el
2009 Estados Unidos adquirió 1.19 millones de toneladas de jitomate del exterior. México
destacó como el principal proveedor de jitomate fresco a este país con una participación
del 88%, de esta forma se ha consolidado como el principal proveedor de jitomate fresco
hacia el mercado estadounidense (SAGARPA 2010).
Pocas son las hortalizas que a nivel mundial presentan una demanda tan alta como el
jitomate, su importancia radica en que posee cualidades para integrarse en la preparación
de alimentos, ya sea cocinado o crudo en la elaboración de ensaladas (Centro de
exportación e inversión de la República Dominicana, 2012), además es uno de los
productos que destaca más en la producción bajo el esquema de invernaderos y sistemas
hidropónicos por su alta cotización en los mercados internacionales.
19
El mercado de Japón representa una excelente opción para el jitomate fresco
mexicano, ya que las importaciones de este producto en el país asiático tienden a
incrementarse en un futuro no muy lejano, debido a que los consumidores japoneses han
manifestado una mayor demanda del jitomate saladette, los cuales no son ofertados por
los productores nacionales (Lucero et al., 2012).
Hipótesis
Modelar matemáticamente el comportamiento térmico de un invernadero agrícola es
posible mediante simulación dinámica dimensionando el equipamiento necesario para
controlar adecuadamente el clima interior del mismo.
Objetivos
General
Diseñar los sistemas óptimos de climatización para un invernadero agrícola que
produce jitomate Saladette, mediante la plataforma computacional TRNSYS,
seleccionando el equipamiento que satisfaga técnica y económicamente los
requerimientos necesarios para generar un microclima óptimo para el desarrollo del
cultivo, incluyendo el uso de tecnologías solares.
Específicos
Diseño conceptual de los sistemas de climatización.
Dimensionamiento de los sistemas energéticos.
Diseño del sistema de calentamiento.
Analizar posibles alternativas de enfriamiento.
Selección del sistema de enfriamiento.
20
Recopilación de datos técnicos precisos del equipamiento para proceder al
análisis de los mismos en el software.
Análisis de costos
Proponer sistemas
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)
El principio del enfriamiento evaporativo consiste en cruzar un flujo de aire con otro
de agua que fluye principalmente por materiales tipo Celdek o paja, de esta manera el
calor latente de vaporización se absorbe del agua y del aire, así la temperatura del aire y
del agua disminuyen su temperatura, lo cual se ejemplifica en la siguiente figura (CENGEL,
Termodinámica).
Figura 8. Esquema del funcionamiento de un equipo basado en enfriamiento evaporativo marca Symphony.
21
Por ser un sistema simple este tipo de enfriamiento representa un menor costo tanto
de adquisición como de mantenimiento en comparación con otros sistemas como
enfriamiento por compresión, sin embargo el enfriamiento evaporativo tiene sus
limitantes, ya que no es posible tener un control preciso en la temperatura de salida del
aire debido a que depende de las condiciones climáticas del lugar donde está instalado; El
clima recomendable para este sistema de enfriamiento son los climas desérticos donde
hay altas temperaturas con baja humedad, lo cual se explica con el siguiente ejemplo:
Supongamos que un día de verano en la ciudad de Delicias a las 14:00 horas se tiene
una temperatura de 38°C y una humedad relativa del 50%, de acuerdo a la carta
psicométrica (ANEXO E) la temperatura de salida del aire en ese momento será de
aproximadamente 29°C. Por otro lado, en un día de verano en el que llovió, hay una
temperatura de 35°C y una humedad relativa del 85%, en la carta psicométrica
mencionada anteriormente se observa que solamente se podría disminuir la temperatura
aproximadamente a 31°C, este ejemplo nos muestra que bajo ciertas condiciones
climáticas el enfriamiento evaporativo no es el adecuado para el sistema de control de
temperatura deseado en el invernadero.
La utilización de sistemas de enfriamiento basados en enfriamiento evaporativo para
el enfriamiento del invernadero tiene 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).
Menor costo inicial y de operación en comparación con un sistema de
enfriamiento por compresión.
Alto consumo de agua, la cual deberá ser potable para evitar la entrada de
organismos no deseados al invernadero.
22
Requiere la instalación de sistemas de distribución de aire dentro del
invernadero para evitar gradientes térmicos en diferentes zonas.
Enfriamiento por compresión de vapor (ECV)
En refrigeradores, sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor, el ciclo
de refrigeración más utilizado es el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor, el
cual se describen a continuación:
Inicialmente el refrigerante entra al compresor como vapor saturado y se comprime
isentrópicamente hasta la presión del condensador, posteriormente la temperatura del
fluido de trabajo (refrigerante) aumenta durante la compresión hasta un valor por mucho
mayor al del ambiente circundante. Después el refrigerante entra al condensador como
vapor sobrecalentado y sale como líquido saturado debido al rechazo de calor hacia los
alrededores para ser estrangulado hasta la presión del evaporador al pasar por la válvula
estranguladora (o tubo capilar), como consecuencia la temperatura del refrigerante
desciende hasta un valor menor que el de la temperatura ambiente, luego el fluido entra
al evaporador como vapor húmedo y se evapora por completo absorbiendo el calor del
espacio refrigerado para salir como vapor saturado para de nuevo entrar al compresor, de
esta manera se lleva a cabo un ciclo completo de refrigeración por compresión de vapor
(CENGEL, Termodinámica).
1-2 Compresión isentrópica en un compresor.
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.
3-4 Estrangulamiento en un dispositivo de expansión.
4-1 Absorción de calor a presión constante en un evaporador.
23
Figura 9. Esquema y diagrama T-s para el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor.
El uso del enfriamiento por compresión de vapor para la refrigeración del
invernadero, implica lo siguiente:
Alto consumo de energía eléctrica.
Posible acoplamiento a suministro fotovoltaico para lo cual se requiere un
área destinada para instalación de celdas solares fotovoltaicas y conexión de
soporte a la red de CFE, para garantizar suministro.
Tecnología muy desarrollada y confiable, fácil de controlar (la temperatura
que se puede obtener es independiente de las condiciones climáticas).
Mayor costo inicial en comparación con el enfriamiento evaporativo.
Requiere almacenamiento de agua fría.
Requiere intercambiadores de calor agua-aire.
24
Enfriamiento por absorción (EA)
El sistema de refrigeración por absorción de simple efecto implica la absorción de un
refrigerante por un medio de transporte, existen diferentes sustancias que se pueden
utilizar como agua y cloruro de litio, agua y bromuro de litio, sin embargo la combinación
más utilizada es amoniaco como refrigerante y agua como medio de transporte.
Para llevar a cabo la refrigeración por absorción de simple efecto el par refrigerante
se encuentra dentro de un depósito llamado generador, al cual se le aplica una fuente de
calor externa (en este punto entra el uso de la energía solar, ya que de la misma se puede
obtener el calor necesario) ocasionando un aumento en la temperatura y presión de la
mezcla, de esa manera se separan las sustancias convirtiendo el refrigerante en vapor, el
cual viaja hacia el rectificador donde se separan las partículas de agua que pudiera
contener aún. Antes de llegar al condensador, el refrigerante pasa por una válvula
reduciendo su presión y temperatura para posteriormente condensar al ceder calor hacia
un medio externo en el condensador.
Posteriormente el refrigerante se conduce hacia el evaporador donde se lleva a cabo
la transferencia de calor entre el refrigerante y la sustancia u objeto a enfriar (por lo
general es agua), conforme sucede la transferencia de calor el refrigerante alcanza una
temperatura tal que comienza a evaporarse y en ese estado viaja hacia el absorbedor
donde se mezcla con el agua de la que inicialmente fue separado, formando de nuevo el
par refrigerante y así inicia de nuevo el ciclo.
El enfriamiento por absorción y el enfriamiento por compresión de vapor coinciden
en que los dos aprovechan ciertas sustancias que absorben calor al cambiar de estado
líquido a gaseoso, sin embargo difieren en el tipo de sustancias que se utilizan.
Un sistema de refrigeración por absorción de simple efecto implica un mayor costo de
adquisición y mantenimientos específicos que pueden resultar difíciles debido a que es un
equipo no común, sin embargo cuando se cuenta con alguna energía auxiliar (en este caso
energía solar térmica), resulta conveniente debido a que el costo unitario de generación
25
de energía es por mucho menor en comparación con la refrigeración por compresión de
vapor (Mireles, et al., 2010).
Figura 10. Funcionamiento de una unidad de absorción de simple efecto (CENGEL, Termodinámica).
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 como torres de enfriamiento. Sus principales características son:
Alto costo inicial.
Si el calor que el sistema de absorción requiere proviene de una fuente no
convencional de energía como lo es la solar térmica, el ciclo de refrigeración
por absorción es económicamente atractivo en su operación.
Mantenimiento específico para el cual es necesario personal calificado en
sistemas de refrigeración por absorción, que en la actualidad no es común.
Requiere equipos auxiliares para la dispersión de calor (generalmente torres
de enfriamiento).
Requiere alto suministro de calor de mediana temperatura.
26
Requiere almacenamiento de agua fría.
Requiere intercambiadores de calor agua-aire.
Costo de operación bajo en comparación con el enfriamiento por compresión
de vapor.
Si se decide utilizar energía solar térmica para el suministro de calor, se
requiere caldera a gas de respaldo.
Calentamiento a gas (CG)
Una caldera es un equipo en el cual la energía de un combustible, en este caso se
consideró gas, se transforma en calor para el calentamiento de un fluido que por lo
general es agua (Renedo, 2002).
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. Con esto se pretende evitar el riesgo de perder las plantas de jitomate por
congelamiento.
La instalación de sistemas de suministro térmico solar reduce el consumo de gas que
se tiene en la caldera, pero no lo elimina. La utilización de calderas tiene las siguientes
características y consecuencias:
Alto costo de operación por su consumo de gas.
Emisiones de gases de combustión.
Requerimiento de permisos ante la STPS (Secretaría del trabajo y Previsión
social) para su instalación y operación.
Operación continua, fácil de controlar.
Requiere almacenamiento de agua caliente.
27
Requiere intercambiadores de calor agua-aire.
Calentamiento solar fotovoltaico (CSFV)
Es posible instalar sistemas fotovoltaicos y utilizarlos para calentamiento directo
mediante resistencias térmicas, pero es una práctica no recomendable debido al 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 bidireccionales.
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 intercambiadores de calor agua-aire.
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)
Para captar la energía solar se utiliza un colector solar térmico, el cual cuenta con una
superficie que actúa como absorbedor de la radiación solar, convirtiéndola en calor para
después transferir la energía captada a algún fluido de trabajo, una vez que se logra la
temperatura deseada en el fluido, se tiene la opción de utilizar el calor generado en el
28
momento o almacenar el líquido en un tanque de almacenamiento térmico para su
posterior uso, por ejemplo en días nublados o por las noches. Existen diferentes tipos de
colectores solares térmicos, los cuales varían de acuerdo a la temperatura que se requiere
para cierto proceso (DGS, 2010)
Figura 11. Esquema del funcionamiento de un colector solar térmico (Guía didáctica de energía solar 2007).
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.
29
Requiere almacenamiento térmico.
Requiere superficie disponible para su instalación.
Costo de operación ligado a bombeo de fluido de trabajo.
Bajo costo de mantenimiento.
Requiere intercambiadores de calor agua-aire.
Requiere caldera a gas de respaldo.
Combinaciones de enfriamiento y calefacción
contempladas Las opciones tecnológicas de enfriamiento y calefacción antes mencionadas, se
pueden combinar de varias formas para atender los requerimientos del invernadero. Las
combinaciones que se consideran como posibles son:
Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento Evaporativo
El utilizar calentamiento solar térmico (CST) y enfriamiento evaporativo no resulta del
todo conveniente debido a que en los periodos en los cuales es necesario enfriar el
invernadero, el campo de colectores solares no se utilizaría, por otro lado los
intercambiadores de calor y la caldera de respaldo que también son necesarios para el CST
también estarían sin uso cuando el enfriamiento sea necesario. Lo ideal es que los
sistemas que se instalen puedan contribuir en lo mayor posible a la climatización del
invernadero durante todo el año y en este caso son sistemas separados e independientes.
Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Compresión de Vapor
Al hacer esta combinación al igual que en la anterior, el campo de colectores solares y
la caldera de respaldo estarían sin uso una gran parte del año, el beneficio es que son
30
sistemas que garantizan el control de temperatura y comparten los intercambiadores de
calor.
Calentamiento Solar Térmico + Enfriamiento por Absorción
Esta combinación es la que más se recomienda ya que son sistemas que garantizan el
control de la temperatura, comparten el uso del campo de colectores, los
intercambiadores de calor y la caldera de respaldo. Además disminuye el consumo de
energía proveniente de combustibles fósiles en la producción frigorífica con eso se logra
un menor impacto ambiental.
Balance energético en un invernadero agrícola
Tal como su nombre lo indica el funcionamiento de un invernadero agrícola se basa
en el llamado efecto invernadero, este es ocasionado debido a que la longitud de onda
corta proveniente de la radiación solar atraviesa la cubierta del invernadero y es
absorbida por los objetos dentro del mismo, los cuales comienzan a irradiar longitudes de
onda mayores (infrarrojo), para las cuales ya no es posible atravesar la cubierta y en
consecuencia la temperatura en el interior del invernadero aumenta.
Existen en la literatura ecuaciones que describen los flujos de energía que intervienen
en un invernadero agrícola, en las cuales principalmente se dividen en tres categorías:
Las ecuaciones relacionadas con las plantas que conducen a la estimación del
calor latente y sensible que las plantas absorbieron.
Las ecuaciones relacionadas con el diseño del invernadero calculan la tasa de
energía térmica recibida y perdida a través de la estructura.
Finalmente las ecuaciones que describen el clima interior del invernadero, en
las cuales se analiza cómo la energía es transferida por las plantas y la
envolvente del invernadero hacia el aire dentro del invernadero, así como las
pérdidas o ganancias de energía debido a infiltraciones o ventilación.
31
Generalmente se concluye que las ecuaciones interactúan de la siguiente manera:
Cambio en la energía almacenada dentro del invernadero = Calor ganado por la radiación
de onda corta + calor ganado por fuentes internas – pérdidas de calor por radiación de
onda larga – pérdida conductiva de calor a través de la envoltura del invernadero – la
demanda interna de calor debido a la evaporación en términos de calor latente – pérdidas
de calor debido a infiltraciones y ventilación (Vadiee, 2012).
Con lo anteriormente mencionado nos damos cuenta que el balance energético para
un invernadero, es complejo por la gran cantidad de variables que intervienen en él, es
por ello que es necesario una plataforma computacional en la que se pueda simular en su
totalidad las condiciones en las que opera el invernadero, desde las características ópticas
y térmicas del invernadero hasta las condiciones climáticas de la localidad y con ello
estimar las cargas energéticas y el equipamiento adecuado para cada caso de
climatización (calentamiento y enfriamiento), logrando obtener resultados apegados a la
realidad por medio de la interacción de varios programas como se muestra a
continuación.
32
Figura 12. Flujo de energía a través de un invernadero cerrado.
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.
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
33
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 13. Interfaz 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
34
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 14. Logotipo 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 15. Simulation Studio.
35
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 16. Interfaz TRNBuild
Meteonorm
Meteonorm es una referencia meteorológica completa. Brinda acceso a un catálogo
de datos meteorológicos para aplicaciones solares y diseño de sistemas en cualquier
36
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 17. 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.
37
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 18. Logotipo e interfaz del 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.
38
Figura 19. Cálculo de la capacidad térmica dentro del invernadero mediante Excel.
Diseño conceptual de los sistemas de climatización
propuestos 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, lo cual se ejemplifica en el siguiente diagrama.
Figura 20. Diagrama general de los sistemas de climatización.
39
Componentes principales del sistema de calefacción
Colectores solares
Para la captación de la energía solar se contemplaron 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 sin
embargo se puede obtener una temperatura menor a la que se obtiene con colectores de
tubos evacuados. La información técnica detallada de este colector se puede ver en el
anexo A.
Figura 21. Colector solar térmico de placa plana Maxol MS 2.5
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 de energía
debido a la convección, el tubo de calor es un par de tubos de cobre que se conectan a un
cabezal entregando la energía captada al agua que pasa por él, lo cual se muestra a
continuación.
40
Figura 22. Apricus AP-30 y vista interna de uno de sus tubos evacuados (Apricus, 2014).
Almacenamiento térmico
Se estableció una relación que de acuerdo a tesis anteriores (Nájera, 2013) es a ideal
para el colector solar Apricus AP-30, la cual es de 40 litros por cada metro cuadrado de
área de captación.
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
41
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
(Cpagua = 4.1 kJ/kg°C, Cpaire = 1.05 kJ/kg°C), 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 parar 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
de calor grande, requiere detener todo el sistema y una operación de mantenimiento
mayor.
Componentes principales del sistema de refrigeración
Equipo de refrigeración
En el caso del equipo para refrigeración no se indica alguno en específico, en su lugar,
se proponen las cargas de refrigeración que son necesarias para mantener el confort
térmico dentro del invernadero. Al contar con los datos de la refrigeración, el propietario
del invernadero tiene la opción de elegir el tipo de equipo que desee utilizar, se
42
recomiendan dos tipos: equipo de refrigeración por absorción de simple efecto o
refrigeración por compresión de vapor.
Almacenamiento de agua
El equipo de refrigeración está interconectado con un tanque de almacenamiento de
forma que en la temporada que sea necesario, esté suministrando agua a una
temperatura aproximada de 2°C, esto con la finalidad de contar con un respaldo y tener la
seguridad de mantener la temperatura dentro del rango de confort del cultivo, aún en los
días con las temperaturas más altas.
Sistema 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.
43
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 jitomate, como se
muestra en la siguiente figura.
Figura 23. 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.
44
Figura 24. Histéresis en el control.
Datos técnicos del equipamiento Para tener la certeza de que el dimensionamiento de los sistemas de climatización es
correcto, además de los datos climáticos y de la envolvente del invernadero, es necesario
que los balances energéticos realizados por TRNSYS se lleven a cabo con los datos técnicos
de cada equipo en base a las especificaciones técnicas del fabricante, con el fin de que los
resultados obtenidos en la simulación sean apegados a la realidad.
TRNSYS solicita para cada equipo ciertos datos para simular su funcionamiento tal
como sucede en la realidad, algunos de ellos se muestran en las siguientes tablas.
45
Colectores solares
El colector solar de la marca APRICUS y modelo AP-30 fue el seleccionado en la
simulación y algunos de los datos proporcionados al software para simular su
funcionamiento fueron los siguientes:
Tipo Tubos evacuados con tubo de calor
Ángulo de inclinación (°) 30
Pico de potencia de salida (kW) 1.944
Área del absorbedor (m2) 2.4
Área de apertura (m2) 2.8
Área total (m2) 4.4
Ecuación de eficiencia ɲ = 0.456 − 1.3509 (P/G)–0.0038 (P2/G)
Fluido de prueba Agua
Flujo másico de prueba (kg/s m2) 0.02
Tabla 1. Datos técnicos del colector solar APRICUS AP-30.
La ficha técnica completa se puede visualizar en el anexo B el cual es una certificación
con la que cuenta el colector otorgada por la Solar Rating and Certification Corporation.
Intercambiadores de calor
Para el caso de los intercambiadores de calor se eligió el de la marca Lytron modelo
6340, donde se solicitaron datos como el coeficiente global de transferencia de calor (UA)
y flujo, entre otros, los cuales fueron obtenidos de las siguientes curvas de operación.
Figura 25. Curvas de operación Lytron 6340
46
Figura 26. Diseño del intercambiador de calor Lytron 6340.
Conocer las medidas del intercambiador de calor es necesario debido a que se
contempló la instalación de los mismos dentro del invernadero, con lo cual se pudo
confirmar que en el espacio disponible si es posible la instalación de los mismos como se
plantea.
Almacenamiento térmico
Para la simulación del almacenamiento térmico se tomaron en cuenta algunos datos
como los siguientes (la ficha técnica completa se puede ver en el anexo C):
Material Acero
Volumen (L) 20,000
Temperatura máxima (°C) 105
Espesor del aislante (m) 0.019
Conductividad térmica del aislante (W/m K) 0.27
Tabla 2. Datos técnicos del termotanque.
47
Caldera auxiliar
Conocer los datos técnicos de la caldera auxiliar es vital para el estudio, debido a que
con ello obtenemos los valores del consumo de combustible (gas) y su disminución. Para
conocer su ficha técnica ver anexo D.
Flujo (L/h) 20,440
Temperatura de entrada (°C) 17.2
Temperatura de salida (°C) 60
Tipo de combustible Gas natural
Flujo de gas necesario (m3/h) 99.1
Potencia de calentamiento (kW)
1,025
Tabla 3. Datos técnicos de la caldera auxiliar Quikwater 3500
Desarrollo del modelo para simulación 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.
48
Diagrama de la simulación en TRNSYS 17
Figura 27. Diagrama general de los sistemas de climatización y el invernadero en TRNSYS 17.
Modelos matemáticos genéricos utilizados
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,
49
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).
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
1,025 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.
50
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.
Intercambiadores de calor
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,
51
variables y características calculadas de fluidos, materiales y componentes del sistema de
simulación en el tiempo.
Capacidad térmica en el invernadero Para representar la masa térmica de los objetos dentro del invernadero TRNBuild
brinda una opción llamada capacidad térmica (kJ/K), la cual es una propiedad extensiva
que se define como la cantidad de energía calorífica que es necesaria suministrar a un
sistema para aumentar su temperatura en un grado (Hewitt, 2004) y se calcula mediante
la siguiente ecuación.
𝐶𝑡 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝
Dónde: Ct = Capacidad térmica (kJ/K), m = masa (kg) y Cp = capacidad calorífica (kJ/kg K)
Para realizar el cálculo de la capacitancia térmica se contemplaron: la estructura
metálica, el jitomate, el área foliar y el aire dentro del invernadero obteniendo los
siguientes resultados.
Objeto Capacitancia térmica (kJ/K)
Estructura metálica 30,923
Jitomate 3,072,036
Área foliar 768,010
Aire 93,880
Tabla 4. Valores de la capacidad térmica.
Los cálculos se hicieron de acuerdo a una producción de 40 kilogramos por metro
cuadrado (kg/m2) la que es aproximadamente el rendimiento que logra obtener un
52
invernadero de mediana a alta tecnología, dando un valor total de 3,963,849 kJ/K, siendo
éste el valor introducido en TRNBuild.
Escenarios analizados
Para llegar al dimensionamiento que cumpliera con el objetivo planteado (mantener
dentro del invernadero un microclima óptimo para el desarrollo del jitomate), se
analizaron varios escenarios, los cuales se muestran a continuación con los resultados
obtenidos en cada caso.
Sin climatización
Esta gráfica muestra el comportamiento térmico del invernadero a lo largo de un año,
se observa que aproximadamente el 70% del año la temperatura se encuentra fuera del
rango de temperatura requerido por el cultivo.
Figura 28. Comportamiento térmico actual del invernadero bajo el concepto de invernadero cerrado.
53
Calefacción
A continuación se muestra el comportamiento del sistema de calefacción aplicado al
invernadero y de acuerdo a las siguientes imágenes se confirma que los 200 colectores
solares que se incluyeron en la simulación son suficientes para mantener la temperatura
del invernadero por encima del límite inferior establecido (15°C).
Con 200 Colectores
Figura 29. Comportamiento térmico del invernadero con 200 colectores solares.
Con 300 colectores
Figura 30. Comportamiento térmico del invernadero con 300 colectores solares.
54
A simple vista los dos sistemas cumplen con el objetivo de mantener la temperatura
igual o mayor a 15°C sin embargo lo que no se observa es el consumo energético que
hubo por parte de la caldera auxiliar, lo cual se discute más adelante.
Enfriamiento
Posterior al dimensionamiento y aplicación de los equipos necesarios para la
climatización del invernadero, se logró que los niveles de temperatura se mantuvieran 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 jitomate durante todo el año, sin
embargo los 85 intercambiadores de calor que habían sido suficientes en el caso de
calefacción, no lo fueron para el sistema de refrigeración, se aumentaron la cantidad de
intercambiadores de calor para hacer frente a la demanda energética y su distribución, a
continuación se muestran los resultados.
Con 85 intercambiadores de calor
En la Figura 31 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.
55
Figura 31. Comportamiento térmico anual en el invernadero climatizado con 85 intercambiadores de calor.
Con 145 intercambiadores de calor
En este caso se observa un mejor control de temperatura durante el periodo que es
necesario el enfriamiento, sin embargo aún es insuficiente durante los meses en los que
se registran las mayores temperaturas (mayo, junio y julio).
Figura 32. Comportamiento térmico anual en el invernadero climatizado con 145 intercambiadores de calor.
56
Con 180 intercambiadores de calor
En la Figura 33 se muestra el resultado de utilizar 180 intercambiadores de calor, y se
observa que con ello se obtiene un control de temperatura casi perfecto y la temperatura
se mantiene igual o menor al límite superior (30°C).
Figura 33. Comportamiento térmico anual invernadero climatizado con 180 intercambiadores de calor.
Simulaciones y validación del modelo
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 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 34, donde se muestran la potencia (línea azul) y la energía
disponible (área bajo la línea).
57
Figura 34. Potencia útil generada en el campo de colectores en 3 días.
A continuación se observa el comportamiento de la temperatura dentro del
termotanque, donde se concluye que donde la línea es horizontal, el calor almacenado no
fue necesario. Sin embargo cuando la línea disminuye significa que se está haciendo uno
del calor del agua almacenada.
Figura 35. Temperatura del agua dentro del termotanque.
58
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 36 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 36. Ejemplo del comportamiento de la caldera.
59
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 37. Temperaturas del agua y del aire durante su interacción dentro del intercambiador de calor.
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.
60
Figura 38. Temperaturas alcanzadas en los días 19, 20 y 21 de junio.
Resultados obtenidos
Parámetros de diseño considerados
Tipo de colectores
El tipo de colectores solares que se recomienda para esta aplicación es de tubos
evacuados con tubo de calor 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.
61
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
jitomate. 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 deseada
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%.
62
Equipo Precio Unitario (pesos) Cantidad Total (pesos)
Colectores $10,200.00 200 $2,040,000.00
Accesorios colectores $1,425.00 200 $285,000.00
Almacenamiento térmico sistema de calefacción (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Almacenamiento térmico sistema de refrigeración (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Intercambiadores de calor $8,700.00 180 $1,566,000.00
Caldera Auxiliar $803,280.00 1 $803,280.00
Equipo de Refrigeración por compresión de vapor (12.5 ton) $161,310.00 26 $4,194,060.00
$9,368,340.00
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 casi el 60%.
Si se desea que el valor de fracción solar para el sistema de calentamiento aumente a
70%, el número de colectores solares debe aumentar a 300.
Limitaciones del estudio El análisis financiero de este estudio no toma en cuenta depreciaciones, valores de
recuperación, costos de mantenimiento, costos de instalación.
Aspectos económicos Para analizar los costos de adquisición se tomó en cuenta una inflación del 8% anual
para el gas, se contempló la suma de dicho valor durante 25 años, que es la vida útil del
equipamiento solar y se muestran cuatro distintos escenarios.
Análisis de costos de adquisición
a) 200 colectores y refrigeración por compresión de vapor.
b) 200 colectores y refrigeración por absorción de simple efecto.
63
Equipo Precio Unitario (pesos) Cantidad Total (pesos)
Colectores $10,200.00 300 $3,060,000.00
Accesorios colectores $1,425.00 300 $427,500.00
Almacenamiento térmico sistema de calefacción (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Almacenamiento térmico sistema de refrigeración (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Intercambiadores de calor $8,700.00 180 $1,566,000.00
Caldera Auxiliar $803,280.00 1 $803,280.00
Equipo de Refrigeración por absorción (1140 kW) $4,550,000.00 1 $4,550,000.00
$10,886,780.00
c) 300 colectores y refrigeración por compresión de vapor.
d) 300 colectores y refrigeración por absorción simple efecto.
Después de observar los resultados de los costos de adquisición, se concluye que son
costos similares, sin embargo hay detalles que es importante mencionar, ya que a pesar
de que se pudiera pensar que no hay diferencia significativa, la diferencia radica en que a
Equipo Precio Unitario (pesos) Cantidad Total (pesos)
Colectores $10,200.00 200 $2,040,000.00
Accesorios colectores $1,425.00 200 $285,000.00
Almacenamiento térmico sistema de calefacción (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Almacenamiento térmico sistema de refrigeración (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Intercambiadores de calor $8,700.00 180 $1,566,000.00
Caldera Auxiliar $803,280.00 1 $803,280.00
Equipo de Refrigeración por absorción (1140 kW) $4,550,000.00 1 $4,550,000.00
$9,724,280.00
Equipo Precio Unitario (pesos) Cantidad Total (pesos)
Colectores $10,200.00 300 $3,060,000.00
Accesorios colectores $1,425.00 300 $427,500.00
Almacenamiento térmico sistema de calefacción (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Almacenamiento térmico sistema de refrigeración (75m2) $80,000.00 3 $240,000.00
Intercambiadores de calor $8,700.00 180 $1,566,000.00
Caldera Auxiliar $803,280.00 1 $803,280.00
Equipo de Refrigeración por compresión de vapor (12.5 ton) $161,310.00 26 $4,194,060.00
$10,530,840.00
64
pesar de que el costo cuando se contemplan 200 colectores es un poco menor, los costos
generados por la caldera en cuanto a consumo de gas no son similares, al contrario
pueden marcar una notable diferencia como se muestra a continuación.
F. S. = 0 F. S. = 57% F. S. = 72%
Consumo de gas ($) 11,870,054 5,285,327 3,561,304
Colectores solares ($) 0 2,000,000 3,000,000
Total ($) 11,870,054 7,285,327 6,561,304
Tabla 5. Costos generados de acuerdo a la fracción solar.
Análisis de ingresos por aumento en la producción
El Gobierno de Chihuahua indica que el precio medio rural estimado para el cultivo de
jitomate a nivel Nacional en el periodo 2010 a 2015 se presenta a la alza se espera que a
finales de 2015 su precio alcance los $ 7,802 por tonelada de producción (Figura 6.
Gobierno de Chihuahua, 2010).
Figura 39. Estimación del precio por tonelada (Gobierno del estado de Chihuahua, SAGARPA 2010).
65
Actualmente el invernadero es considerado de tecnología media el cual corresponde
a estructuras semi-climatizadas con riegos programados (Juárez et. Al; 2011), con lo cual
se pueden obtener hasta 350 toneladas por hectárea, sin embargo con el equipamiento
dimensionado en la simulación se puede aumentar el rendimiento hasta 500 toneladas
por hectárea.
Figura 40. Rendimiento de la producción de acuerdo al tipo de tecnología (Ordoñez, TECNOAGRO 2010).
Es vital es considerar el incremento que se reflejaría en los ingresos debido al
incremento en el rendimiento de la producción, lo cual se discute a continuación.
Tomando en cuenta el área de 1,6 hectáreas disponibles en el invernadero, el
incremento en el rendimiento de la producción antes mencionado, el precio estimado de
$7,800.00 por cada tonelada y el crecimiento anual de 4.5% que SAGARPA estima en el
precio medio rural del jitomate, se proyectan los siguientes resultados.
66
Rendimiento (ton/ha)
Rendimiento (ton / 1.6ha)
Total 25 años Promedio anual
Tecnología
media
350 560 $131,505,859.76 $5,260,234.39
Tecnología
alta
500 800 $187,865,513.95 $7,514,620.56
Tabla 6. Costos debido al incremento del rendimiento en la producción.
De acuerdo a los datos mostrados al convertir el invernadero de tecnología media en
uno alta tecnología en 25 años se aumentarían los ingresos por $56,359,654 dando
un aumento promedio anual de $2,254,386.
67
Conclusiones
Es de vital importancia analizar las características ambientales del lugar donde se
encuentra el invernadero, de ser posible antes de su instalación, para estar seguros que el
diseño es el adecuado para el óptimo desarrollo del cultivo en el lugar donde se desea
instalar, en este caso la tecnología del invernadero no es la adecuada para mantener un
clima óptimo para el desarrollo del jitomate, ya que la climatización pasiva con la que
cuenta el diseño no fue suficiente para mantener la temperatura dentro del rango de
confort.
La inclusión de tecnologías solares en la climatización del invernadero agrícola mostró
un comportamiento favorable, ya que a pesar de ser una alta inversión, el aumento en los
ingresos también es considerable.
El análisis económico se muestra a favor de utilizar 300 colectores solares, además
con ello se disminuye el uso de gas y aumenta la participación de la energía solar en la
potencia térmica requerida por la máquina de refrigeración por absorción. Los 180
intercambiadores de calor son necesarios debido a que a partir de ese número de
intercambiadores fue posible disipar la energía y mantener la temperatura dentro del
rango deseado. Finalmente se recomienda la opción de refrigeración por absorción, ya
que de esa manera la energía captada por el campo de colectores sería utilizada durante
todo el año además de que los meses con mayor carga de enfriamiento coinciden con los
meses de mayor radiación solar, lo cual brinda un buen panorama.
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.
68
En caso de optar por la refrigeración por compresión de vapor, la energía captada en
el campo de colectores podría ser utilizada para agregar valor a los excedentes de
jitomate, a los desperdicios generados durante el proceso o algún otro proceso industrial.
A pesar de que la climatización del invernadero proyecta un notable aumento en los
ingresos, la climatización del invernadero resultó incosteable de acuerdo al presupuesto
que se tenía contemplado.
Recomendaciones
Antes de dimensionar el equipamiento, sería mejor buscar opciones de diseño que,
encaminadas a reducir las cargas térmicas, como aumentar la resistencia térmica de la
envolvente del invernadero, ya sea utilizando algún material con una conductividad
térmica menor o aumentar una tercera capa en techos y paredes. Por otro lado introducir
sistemas de sombreado para el periodo de verano.
Crear una base de datos técnicos de distintos equipos utilizados en sistemas térmicos,
ya que si no se cuenta con ellos no es posible tener resultados confiables en la simulación.
Realizar proyección financiera tomando en cuenta: amortizaciones, periodo de
recuperación, punto de equilibrio, costos de instalación, costos de mantenimiento y valor
de deshecho de acuerdo a la vida útil de cada equipo.
Analizar comportamiento térmico en otro clima (otra localidad del país) para analizar
la posible desaparición o reducción del equipamiento necesario para mantener la
temperatura de confort para el cultivo, comparando dichos ahorros con los costos de
logística para su comercialización que se pudieran añadir debido a la nueva ubicación.
69
Referencias
Attar, I.; Naili, N.; Khalifa, N.; Hazami, M.; Farhat, A. (2013). Parametric and numerical study of a solar system for heating a greenhouse equipped with a buried exchanger. v.70, pp.163-173.
Bastida, A. (2008). Los Invernaderos en México. Chapingo, México. Universidad Autónoma Chapingo.
Cengel Y.; Boles, M. Termodinámica, Séptima edición. ISBN 978-0-07-352932-5
Centro de exportación e inversión de la República Dominicana. (2012) Perfil
Económico del Tomate. http://www.cei-
rd.gov.do/ceird/estudios_economicos/estudios_productos/perfiles/tomate.pdf
DGS. (2010). Planning and installing solar thermal systems. Segunda edición. ISBN:
978-1-84407-760-1
Hewitt, Paul G. (2004). Física conceptual. Novena edición. Pearson
Huerta, A. (2012). Agricultura protegida. Revista Agro Entorno. Fundación Produce
Veracruz.
Juárez, P.; Bugarín, R.; Castro, R.; Sánchez-Monteón, A.; Cruz-Crespo, E.; Juárez, C.;
Alejo, G.; Balois, R. (2011). Estructuras utilizadas en la agricultura protegida.
Universidad Autónoma de Nayarit, Universidad Autónoma Chapingo.
Kolokotsa, D.; Saridakis, G.; Dalamagkidis, K.; Dolianitis, S.; Kaliakatsos, I. (2009).
Development of an intelligent indoor environment and energy management
system for greenhouses. Energy Conversion and Management, v.51, pp.155-168
70
Lucero, J.; Sánchez, C.; Almendarez, M. (2012). Inteligencia de mercado de tomate
saladette. Proyecto SAGARPA-CONACYT 126183.
http://intranet.cibnor.mx/personal/bmurillo/docs/inteligencia-mercado-
tomate.pdf
Mireles, J.; Herrera, S.; Murillo, V.; León, V.; Oroz, G. (2010). Simulación y
Comparación Energética de un Sistema de Enfriamiento por Ciclo de Absorción.
Revista de ingeniería eléctrica, electrónica y computación. Vol. 8. Número 1.
Moreno, R.; Aguilar, J.; Luévano, A. (2011) Características de la agricultura protegida y su entorno en México. Revista Mexicana de Agro negocios, vol. XV, núm. 29.
Ordoñez Norma (2010). Agricultura protegida en México. Revista Mexicana de
avances tecnológicos y agrícolas. Num. 54
Ramos, J. (2011). Consejos prácticos para invertir en invernaderos. Fideicomisos
Instituidos en Relación con la Agricultura (FIRA). Num. 14
Renedo, C. (2002) Introducción al Aire Acondicionado.; ISBN 84-8102-327-2
SAGARPA. (2010). Monografía de cultivos, jitomate
http://www.chihuahua.gob.mx/atach2/sdr/uploads/File/tomate.pdf
SAGARPA. (2011). Estudio de Oportunidades de Mercado e Inteligencia Comercial y
Estudio de Logística Internacional de TOMATE.
http://www.sagarpa.gob.mx/agronegocios/documents/estudios_promercado/tom
ate.pdf
Sánchez I. (2003) La energía solar y su aplicación a los invernaderos en Navarra.
Secretaría de Energía (2006). Energías renovables para el desarrollo sustentable en
México.
Secretaría de Energía. (2013) Informe sobre la participación de las energías
renovables en la generación de electricidad en México al 31 de diciembre de 2012.
71
Vadiee, A.; Martin, V. (2012). Energy analysis and thermoeconomic assessment of
the closed greenhouse – The largest commercial solar building. 102 (2013) 1256 –
1266.
Vadiee, A.; Martin, V. (2013). Energy management strategies for commercial
greenhouses. 114 (2014) 880 – 888.
Valera, D.; Molina, F.; Álvarez, A. (2008) Ahorro y Eficiencia Energética en
Invernaderos. Ahorro y eficiencia energética en la agricultura. Universidad de
Almería.
Velasco, E.; Nieto, R.; Navarro, E. (2011). Cultivo del tomate en hidroponía e
invernadero. Biblioteca básica de agricultura 9 p.
Anexos A. Datos técnicos del colector solar Maxsol MS 2.5 (certificación SRCC).
72
73
74
75
B. Datos técnicos del colector solar Apricus AP-30 (certificación SRCC).
76
77
78
C. Datos técnicos del tanque de almacenamiento Armaflex
79
D. Ficha técnica de la caldera auxiliar Quikwater 3500
80
E. Carta psicométrica ASHRAE (Presión barométrica 101.325 kPa).
