Diseño de un sistema de calefacción solar para invernaderos sustentables

Abstract

Aun cuando las condiciones climáticas de la región central de México son aparentemente adecuadas para la producción de cultivos en invernaderos pasivos, de acuerdo a los promedios diarios de temperatura del aire (11 a 18 °C) durante todas las estaciones del año; las temperaturas mínimas diarias pueden alcanzar valores inferiores a los 5 °C y 10 °C en invierno y verano, respectivamente. Esto no es adecuado para los cultivos y limita su establecimiento para ciclos de producción durante todo el año. En este sentido, se propone un sistema de calefacción sustentable basado en energía solar, para mejorar las condiciones ambientales durante el periodo nocturno en un invernadero mono-bahía de 300 m2 ubicado en Chapingo, Estado de México. El sistema de calefacción solar incluye: a) módulos de colectores solares con tubos de vacío con tecnología “heat-pipe” para calentar agua durante el día, b) un tanque de almacenamiento de 10 m3 con aislamiento térmico para almacenar la energía, c) bombas de recirculación y distribución de agua caliente, y d) un piso radiante que consta de una red de tuberías, enterrada a 10 cm de profundidad, de polietileno por donde circula el agua caliente. Se realizaron simulaciones numéricas en estado estacionario, mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), para estimar los perfiles verticales de temperatura del aire interior en condiciones de bajas temperaturas, asumiendo el sistema de calefacción en operación. Con este sistema se alcanzaron saltos térmicos de 5 °C, en comparación con la temperatura exterior de 0 °C. Los resultados de las simulaciones se evaluaron con datos experimentales, con los cuales se establecieron condiciones de frontera. La eficiencia del módulo solar resultó de 60 %, cuando se tiene un flujo volumétrico de 2.65 L∙min-1 , un ángulo de 29 grados de inclinación y en condiciones de invierno.