ES2298145T3 - Invernadero horticola cerrado. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de climatización de un invernadero hortícola caracterizado porque el invernadero hortícola es un invernadero hortícola cerrado en el que se eliminan el calor y la humedad sin que disminuya la concentración de CO2 aplicando tampones diurnos comunicantes en combinación con intercambiadores de calor con un acuífero o el suelo, en el que un intercambiador de calor proporciona el intercambio de calor entre los intercambiadores de calor con el acuífero o el suelo y los tampones diurnos.
Description
Invernadero hortícola cerrado.
La invención se refiere a un invernadero
hortícola cerrado y a un procedimiento para controlar el clima un
invernadero hortícola cerrado.
La presente invención se refiere especialmente a
un sistema de invernadero hortícola según el preámbulo de la
reivindicación 1.
Este sistema de invernadero hortícola se conoce
a partir de la patente WO 98/38849. Proporciona la posibilidad de
aumentar el nivel de CO_{2} en el invernadero por medio de un
calentador alimentado con gas. Al mismo tiempo, se incrementa la
temperatura interior del invernadero. Especialmente durante el
verano, se produce demasiado calor. Entonces, el exceso de calor se
acumula en la tierra. Se ha demostrado que dicho sistema se puede
mejorar.
El objetivo de la presente invención es
proporcionar un sistema que mejore la eficacia.
Según un aspecto adicional, el objetivo de la
presente invención es proporcionar un sistema con el que se puedan
obtener unas condiciones óptimas de cultivo a lo largo de todo el
año.
En todo el mundo se realizan cultivos bajo
cristal con invernaderos "abiertos". Los invernaderos abiertos
proporcionan la opción de ventilar el invernadero a través de
ventanas de ventilación. Esto tiene la ventaja de que cuando la
insolación es elevada puede eliminarse el calor y/o la humedad en
exceso de forma simple mediante ventilación. En los Países Bajos
muchos días es necesario que los invernaderos se ventilen durante
varias horas.
No obstante, las condiciones óptimas de cultivo
requieren un buen equilibrio entre la insolación, la humedad del
aire, la temperatura del invernadero y el suministro de CO_{2}. Es
evidente que el sistema de invernadero abierto no puede
habitualmente satisfacer las condiciones óptimas de cultivo.
Las condiciones óptimas de cultivo para la mayor
cosecha posible en muchos cultivos son las siguientes:
- Temperatura entre 18 y 24ºC
- Humedad del aire entre 70 y 90%
- Concentración de CO_{2}: 1.000 ppm.
Desde un punto de vista energético, no es
deseable un sistema de invernadero abierto.
En verano, el exceso de calor ante todo se
elimina mediante ventilación, mientras que en invierno existe una
demanda de calor.
Puesto que un invernadero abierto no se enfría
activamente, la temperatura es con frecuencia superior a 24ºC.
Un invernadero abierto se abastece de CO_{2}.
Este CO_{2} es necesario para el crecimiento del cultivo.
Puesto que un invernadero abierto debe
ventilarse con frecuencia para eliminar el calor y la humedad en
exceso, también se pierde el aporte de CO_{2}.
En un invernadero abierto el cultivo podrá
crecer rápidamente, en especial en verano debido a la alta
insolación, incluso aunque las condiciones de cultivo no sean
entonces las óptimas: demasiado caliente y demasiado poco CO_{2}.
La gran cantidad de luz no se emplea de forma óptima, principalmente
porque se produce un déficit en la concentración de CO_{2}.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un invernadero hortícola mejorado.
Según un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona un sistema de invernadero hortícola en el
que se pueden cultivar productos vegetales, estando dicho
invernadero hortícola cerrado y desprovisto, sustancialmente, de
aberturas de ventilación, según las características de las
reivindicaciones 1 y 8.
Un sistema de invernadero cerrado según la
presente invención posibilita, en principio, optimizar el clima del
invernadero. Según la presente invención, se entiende que un sistema
de invernadero cerrado significa un invernadero sin ventanas de
ventilación que se puedan abrir.
En un invernadero cerrado se eliminarán el calor
y la humedad sin disminución de la concentración de CO_{2}.
Con un control climático que responda
rápidamente, debe ser posible un equilibrio óptimo entre la
insolación, la humedad del aire, la temperatura del invernadero y
el suministro de CO_{2} con cualquier fluctuación de la
insolación.
Las ventajas de un invernadero cerrado según la
presente invención son:
- -
- el consumo de energía primaria (el invernadero como colector solar (cerrado) debe utilizar la insolación para un efecto máximo), según los cálculos, será un mínimo del 40% más bajo que en un invernadero "abierto" tradicional moderno.
- -
- rendimiento más alto del cultivo porque las condiciones de cultivo, como temperatura, humedad del aire y concentración de CO_{2}, pueden controlarse y gestionarse mejor. En base a las predicciones del modelo, se espera que el rendimiento del cultivo será un mínimo del 20% más elevado que en un invernadero abierto tradicional moderno.
- -
- el uso de herbicidas o pesticidas puede reducirse sustancialmente por la considerable disminución de posibilidades de enfermedades e infestaciones del cultivo; y
- -
- ahorro del consumo de agua (en un sistema cerrado existe la opción de recoger y recircular toda la evaporación del cultivo; un invernadero normalmente consume 500-600 kg/m^{2} anualmente).
- -
- se espera que pueda controlarse mejor el momento de cosecha. Será posible responder mejor al mercado. Por este medio puede anticiparse un precio más alto por kg de producto. Las posibles consecuencias económicas favorables del momento de la cosecha no se incluyen en este documento.
Una posible opción para proporcionar CO_{2} al
invernadero es la producción de CO_{2} en el propio invernadero
por medio de un suelo "rico en bacterias".
Además, es importante un estudio de las
posibilidades de almacenamiento de CO_{2} para el uso del CO_{2}
generado localmente para la opción de calentamiento y energía
combinados con una bomba de calor eléctrica.
Desde el punto de vista de un suministro
renovable de energía, un invernadero hortícola puede considerarse
como un colector solar.
Para un uso máximo de la insolación anual, se
recogerá la energía solar irradiada en exceso (en forma de calor
sensible y latente) en un día "caluroso" y se almacenará. En un
día "frío" se tendrá que suministrar suficiente calor del
almacenado.
También pueden compensarse las fluctuaciones de
la demanda de energía durante el día (causadas por las fluctuaciones
del tiempo exterior).
Un ambiente interior estable requiere un sistema
de energía que responda rápidamente.
La base del suministro de energía en el sistema
de invernadero según la presente invención consiste en un sistema
que proporciona calor y frío en forma de varios intercambiadores de
calor y unidades de distribución de aire en el invernadero. Los
intercambiadores de calor tienen tanto una función de enfriamiento
como de calentamiento. El aire se introduce en el invernadero a
través de los intercambiadores de calor por medio de ventiladores;
opcionalmente, puede hacerse uso de la convención natural durante el
calentamiento.
En verano, el exceso de calor se lleva
íntegramente a un acuífero. Esto se lleva a cabo mediante convención
activa a través de intercambiadores de calor. Estos
intercambiadores de calor se alimentan con agua fría procedente de
un acuífero, véase la figura 1, en la que de A a H son flujos de
líquido (A y B son flujos de agua subterránea).
Se entiende que un acuífero significa una fuente
natural de agua, a menudo no potable, la cual se almacena en una
capa de arena, se encuentra bajo el suelo y bajo presión a una
profundidad de aproximadamente 80 m.
Por tanto, un acuífero en una especie de lago
"subterráneo" que no puede denominarse "agua subterránea"
puesto que sustancialmente en un acuífero no existe circulación de
agua.
Los acuíferos se encuentran a menudo en regiones
de deltas en el noroeste de Europa.
La presente invención hace uso preferiblemente
de los acuíferos existentes como almacenamiento de energía.
El acuífero puede tener una capacidad de
extracción limitada por el caudal que puede procesarse mediante un
doblete, que consiste en un sondeo para el bombeo ascendente del
agua y un sondeo para el bombeo descendente del agua en circuito
cerrado.
El acuífero puede dimensionarse de tal modo que
la producción máxima de calor pueda eliminarse inmediatamente.
\newpage
Aplicando un almacenamiento diario para agua
tanto fría como caliente, la capacidad máxima de enfriamiento no
tiene que extraerse directamente del acuífero. La noche anterior a
un día caluroso, se almacena un suministro de agua fría
suficientemente grande, junto con el enfriamiento procedente del
acuífero, para eliminar el exceso de calor en un momento de
producción alta durante el día. El agua fría extrae el calor del
invernadero y, a continuación, se almacena en un depósito tampón
diurno caliente, llevándose la noche siguiente al acuífero. De esta
manera, el pico de suministro de calor se elimina lo suficientemente
rápido y se lleva de manera uniforme al acuífero por medio de
tamponamiento.
Los tampones diurnos pueden ponerse en práctica
como dos depósitos de agua cubiertos sin aislamiento, como los que
se utilizan actualmente como depósito de agua para el riego. Si es
necesario, estos tampones diurnos se pueden colocar también bajo
tierra. También es posible optar por un almacenamiento en capas en
un tampón.
El exceso de calor momentáneo en el invernadero
puede eliminarse de dos formas:
- -
- directamente al acuífero
- -
- indirectamente a través del tampón diurno al acuífero.
Un exceso de calor estructural en el acuífero
puede eliminarse de dos formas:
- -
- enfriando con una torre de enfriamiento
- -
- suministrando calor a terceras partes en el exterior del invernadero.
Si se produce un exceso de calor en el
invernadero, se tendrá que almacenar este calor en el acuífero. La
cantidad de calor que se tiene que almacenar determina la capacidad
de almacenamiento necesaria del acuífero. Este calor se utiliza
para calentamiento en el invierno.
Respecto al caudal, el acuífero tiene las
dimensiones más pequeñas posibles con el fin de mantener los costes
de inversión lo más bajos posibles. Esto limita la capacidad de
almacenamiento del acuífero.
La carga máxima de calor puede suponer en verano
un bajo número de horas a aproximadamente 700 W/m^{2} ó 7 MW/ha.
Esta cantidad de calor se extrae del invernadero por medio de
intercambiadores de calor.
La curva de duración de carga muestra que el
mayor exceso de calor se produce durante sólo unas pocas horas. En
la práctica, el pico de insolación normalmente se excluye de por sí
cerrando una pantalla del invernadero cuando la insolación es alta.
Sin embargo, en consecuencia la incidencia de la luz también se
reduce y, con ello, la producción. La reducción de la insolación y,
con ello, del máximo de demanda de enfriamiento, da como resultado
una disminución del consumo de energía.
Las posibilidades de eliminación del calor del
invernadero son:
Almacenamiento directo en el acuífero. El caudal
es de un máximo de aproximadamente 150 m^{3}/hora por par de
sondeos. A una diferencia de temperatura de 12ºC, esto produce un
rendimiento energético de aproximadamente 2,1 MW. El acuífero
consistirá preferiblemente en un par de sondeos y, por consiguiente,
tendrá un rendimiento energético de aproximadamente 2,1 MW. Por
tanto, se recomienda el uso de dos tampones diurnos.
A través del tampón diurno al acuífero.
En un momento de insolación mayor a la
establecida anteriormente de 2,1 MW, el exceso de calor puede
almacenarse temporalmente en un tampón de calor.
Este tampón de calor se coloca con un tampón de
frío en un circuito cerrado. Pueden colocarse tanto por encima como
por debajo del suelo en forma de depósitos de agua o tanques de
almacenamiento. Existe un tampón con agua fría que se enfría con
agua del acuífero. El caudal procedente del tampón de frío es
suficientemente grande para generar un rendimiento energético de
enfriamiento de 7 MW con una diferencia de temperatura de, por
ejemplo, 12ºC. La cantidad pretamponada de agua fría en este tampón
y el suministro continuo procedente del intercambiador de calor
entre el acuífero y los tampones es suficiente para eliminar todo el
exceso de calor por enfriamiento durante un día con insolación
máxima. El agua calentada se almacena, a continuación, en el tampón
diurno caliente. El agua procedente de este tampón se conduce por un
circuito cerrado a través de un intercambiador de calor, donde cede
su calor al agua fría del acuífero. El agua enfriada se almacena en
el tampón de frío, el agua calentada se almacena en el pozo caliente
del acuífero. El tamaño de los tampones de agua se determina según
el exceso de calor diario. A partir de los cálculos basados en
valores por horas de insolación real, se encuentra que el exceso de
calor equivaldrá a un máximo de aproximadamente 200 GJ por día. De
los cálculos se deduce que aproximadamente la mitad de éste debe
tamponarse, siendo la otra mitad llevada de por sí al acuífero
durante el día a través del intercambiador de calor. Con una
diferencia de temperatura de 12ºC, el volumen de los tampones
equivaldrá cada uno a aproximadamente 2.000 m^{3} (para un
invernadero de 1 ha). El agua caliente se bombea continuamente a
través del intercambiador de calor 8 (figura 1) para ceder el calor
al acuífero. El tampón diurno frío se rellena con el agua enfriada.
Esta agua está disponible al día siguiente para el enfriamiento.
Durante este día, el tampón caliente vacío se rellena entonces con
el agua que ha extraído el calor procedente del invernadero. De la
curva de duración de carga puede deducirse que, de las 2.645 horas
con exceso de calor, el enfriamiento debe realizarse con capacidad
mayor que la del acuífero durante aproximadamente el 35% de este
número de horas (985 horas). Los tampones diurnos se usan al menos
durante estas horas.
El exceso de calor puede extraerse del acuífero
con una torre de enfriamiento. El agua caliente del acuífero cede
calor a través del intercambiador de calor al agua que se enfría en
la torre de enfriamiento. El agua de enfriamiento se pone en
contacto con el aire ambiente mediante un sistema de pulverización.
El aire ambiente tiene una temperatura más baja que la del agua de
enfriamiento y absorbe calor sensible y latente. En consecuencia,
el agua de enfriamiento se enfría por debajo de la temperatura
ambiente y se devuelve al invernadero, donde de nuevo absorbe
calor. Físicamente no es posible enfriar por debajo de la
temperatura de termómetro húmedo del ambiente. No merece la pena
enfriar de esta manera en verano. En invierno, sin embargo, este
procedimiento de enfriamiento es válido para enfriar el acuífero y
evitar que se produzca un calentamiento permanente del agua
subterránea. El exceso de calor almacenado en el acuífero también se
puede eliminar suministrándolo a otros usuarios externos del
invernadero.
Los intercambiadores de calor del invernadero
pueden eliminar el exceso de calor por enfriamiento y
simultáneamente regular la humedad del aire. La temperatura del
agua fría suministrada se fija a aproximadamente 6ºC. Regulando el
caudal del agua y del aire del invernadero a través del
intercambiador de calor, se puede controlar la cantidad de calor y
humedad eliminados (calor sensible y latente).
Durante el verano, el agua caliente presente en
el tampón diurno y en el acuífero proporciona el calentamiento.
Usando una bomba de calor, la temperatura del agua procedente del
tampón diurno y del acuífero aumenta a aproximadamente 40ºC. El
calor necesario para este propósito se extrae del agua caliente. El
agua enfriada se bombea al interior del tampón diurno frío o en el
acuífero.
El rendimiento energético necesario para el
calentamiento puede ser suministrado completamente por el acuífero
con un doblete. Aplicando los tampones diurnos como vasos
comunicantes para enfriar y calentar, incluso aunque el exceso de
calor sea pequeño, puede esperarse un ahorro de energía en la
energía auxiliar.
Los mismos intercambiadores de calor que se
utilizan para el enfriamiento facilitan el calentamiento del
invernadero. El rendimiento máximo necesario para el calentamiento
es menor que el rendimiento máximo para el enfriamiento y
constituye aproximadamente el 30% del rendimiento energético de
enfriamiento. Aproximadamente la mitad de este rendimiento puede
ser suministrado por la bomba de calor (carga básica) y la otra
mitad por la caldera de gas (carga máxima). También es posible otra
división entre la carga básica y la carga máxima de la demanda de
calor.
En función de la demanda de calor del
invernadero y de la insolación, anualmente se produce un exceso de
calor. En verano, este calor se almacena en el acuífero. En
invierno la demanda de calor no es lo suficientemente grande para
enfriar todo el acuífero a la temperatura original. Para evitar que
se produzca un calentamiento estructural del acuífero, el exceso de
calor anual se enfría preferiblemente con una torre de enfriamiento
o se suministra a terceros. Preferiblemente, el rendimiento de esta
torre de enfriamiento no es mayor que el rendimiento que puede
suministrar el acuífero.
El agua enfriada procedente del acuífero se
bombea al pozo frío del acuífero.
En invierno no hay sustancialmente necesidad de
tamponamiento.
Cuando se usa la red eléctrica, se puede hacer
uso de la electricidad todo lo que sea posible durante la noche
para mantener los costes de energía tan bajos como se pueda.
El ambiente en un invernadero se determina
mediante la insolación, la temperatura, la humedad relativa del
aire y la concentración de CO_{2}.
No se puede influir sobre la insolación que el
invernadero recibe. La insolación neta (la insolación recibida
menos la sombra de la construcción del invernadero) debe ser tan
alta como sea posible, ya que el crecimiento de muchos tipos de
cultivo es proporcional a la incidencia de la luz.
En las condiciones de Holanda normalmente en el
invernadero hace demasiado calor y hay demasiada poca luz. En un
invernadero cerrado no existen ventanas de ventilación, de modo que
hay menos obstrucciones para la radiación incidente. La cantidad de
luz disponible para el crecimiento es, por tanto, ligeramente mayor
que en el invernadero tradicional.
La temperatura del invernadero cerrado estará de
preferencia entre 20ºC y 24ºC.
En los días con exceso de calor se elegirá la
temperatura más alta posible. Esto puede ser favorable para el
crecimiento del cultivo y aumenta las pérdidas por transmisión al
ambiente, por lo que tiene que eliminarse menos calor a través de
los intercambiadores de calor. La capacidad de los intercambiadores
de calor aumenta, además, con una diferencia de temperatura
creciente entre el agua fría del acuífero y el aire del
invernadero.
La humedad del aire puede encontrarse entre
aproximadamente el 70 y el 90%. Esto se regula por enfriamiento del
aire en un intercambiador de calor por debajo del punto de rocío. Si
además de la deshumidificación también hay demanda de calor, el
intercambiador de calor puede suministrar directamente este calor.
En este punto el calor latente se convierte, así, en calor sensible
sin que se almacene calor en el acuífero ni en el tampón
diurno.
Preferiblemente se evita bombear en sentido
descendente el agua caliente al acuífero, y luego bombearla de
nuevo hacia arriba para el calentamiento.
El cultivo consume cantidades considerables de
CO_{2}. A diferencia del invernadero "abierto" tradicional,
en un invernadero cerrado es posible establecer siempre un CO_{2}
óptimo de aproximadamente 1.000 ppm.
El ambiente en un invernadero cerrado se puede
gestionar mucho mejor que en un invernadero abierto tradicional. La
calidad del cultivo y la producción pueden, por ello, potenciarse.
Una ventaja adicional es que se puede influir sobre el momento de
la cosecha, de modo que se elija un momento favorable para su salida
al mercado.
Para permitir la climatización del invernadero
es necesaria una regulación eficaz del enfriamiento, calentamiento,
deshumidificación y suministro de CO_{2}.
Cuando hay demanda de calor en el invernadero,
el aire del mismo se calienta a través de los intercambiadores de
calor y de un sistema de tuberías con agua caliente. El
intercambiador de calor se abastece del calor procedente del tampón
diurno caliente o del acuífero. Este calor tiene una temperatura
demasiado baja para su uso directo y la temperatura se aumenta
mediante una bomba de calor a un máximo de aproximadamente 40ºC.
Cuanto más baja es esta temperatura, mayor será la eficacia de la
bomba de calor.
El calor se puede generar tanto mediante
convención activa como pasiva. En la convención pasiva, por tanto
sin ventilación forzada, no se necesita energía auxiliar para el
flujo de aire a través del intercambiador de calor. La generación
específica de calor por m o m^{2} del intercambiador de calor es,
no obstante, menor que en la convención activa. La convención
activa durante el calentamiento se asume en los cálculos del consumo
de energía total. La energía auxiliar eléctrica equivale al 3% de
la cantidad de calor intercambiado.
El rendimiento energético que produce el
acuífero es de aproximadamente 2,1 MW, añadiendo la bomba de calor
a esto aproximadamente 500 kW, de modo que se dispone de
aproximadamente 2,6 MW. Este rendimiento es suficiente para la
demanda máxima de calor en el invernadero. Si es necesario, el
tampón diurno caliente se puede usar como fuente de calor. Esto
tiene la ventaja de que la cantidad de energía necesaria para
bombear el agua es menor cuando se usa un acuífero. Si la bomba de
calor se acciona con un motor de gas, también se dispone de agua
para enfriamiento procedente del motor de gas para calentar el
invernadero. La temperatura de esta agua para enfriamiento es de
aproximadamente 80ºC y, por tanto, es adecuada para el calentamiento
a través de una red de tuberías del invernadero. Ésta puede
consistir en una red en el suelo que también tenga la función de
raíles para las carretillas utilizadas en la cosecha.
La deshumidificación es necesaria para eliminar
la humedad producida por el cultivo.
En la presente invención se recomiendan dos
métodos para eliminar la humedad:
a través de la condensación sobre la cubierta
del invernadero (deshumidificación pasiva)
a través de la condensación sobre una superficie
fría (deshumidificación activa).
La deshumidificación a través de la cubierta del
invernadero no consume energía y apenas se puede influir sobre
ella.
Es necesaria una forma de deshumidificación
activa para permitir el control de la humedad del aire. Los
intercambiadores de calor son capaces de eliminar suficiente
humedad.
Si se produce simultáneamente un exceso de
humedad y una demanda de calor, debería ser posible convertir el
calor latente en calor sensible. Este proceso puede llevarse a cabo
con la bomba de calor. Una parte de los intercambiadores de calor
enfriarán y deshumidificarán el aire mientras que otra parte de los
intercambiadores de calor devuelven el calor extraído al
invernadero. Dependiendo de las condiciones en las que tiene lugar
esta deshumidificación, se consume aproximadamente 0,7 MJ/kg de
agua.
Un cultivo de invernadero consume grandes
cantidades de CO_{2}. La concentración ideal para el crecimiento
del cultivo es de aproximadamente 1.000 ppm, siendo necesaria esta
concentración especialmente en los momentos de alta insolación. La
concentración natural en el aire exterior es de aproximadamente 350
ppm. En un invernadero abierto tradicional se suministra CO_{2},
pero la concentración sólo aumenta en el periodo de crecimiento más
importante, el verano, a aproximadamente 500 ppm. La adición de más
CO_{2} no tiene sentido porque la ventilación se realiza durante
los momentos de alta insolación para eliminar el exceso de calor y
humedad y, por tanto, también desaparece el CO_{2}
suministrado.
Sin embargo, en un invernadero cerrado según la
presente invención la concentración de CO_{2} puede llevarse al
nivel deseado.
Para el cultivo del tomate, por ejemplo, el
valor normal de consumo de CO_{2} es de 2 kg de CO_{2} por kg
de producto seco. El rendimiento equivale a aproximadamente
3-6 kg m^{2}/año de materia seca o un consumo de
CO_{2} de 6 a 12 kg m^{2}/año. Asumiendo una pérdida del 50%
(estimación de primer orden), se tienen que suministrar
aproximadamente de 12-24 kg
CO_{2}/m^{2}/año.
Otra posibilidad para el suministro de CO_{2}
es la producción local de CO_{2} por bacterias, por ejemplo, en
la tierra del invernadero.
El invernadero cerrado no se ventila con aire
exterior. Puede ser necesaria alguna ventilación adicional para
refrescar el aire "contaminado" del invernadero con aire
exterior "limpio". En esta ventilación controlada, el aire
exterior debe suministrarse a través de filtros. La posibilidad de
enfermedades producidas por hongos y polen se reduce, de este modo,
en gran medida.
La invención se describirá ahora con más detalle
en función de la siguiente descripción específica con referencia a
las tablas y figuras adjuntas.
las fig. 1 a 4 muestran el principio del
abastecimiento de energía a un sistema de invernadero hortícola.
la fig. 1 muestra un diagrama de flujo
esquemático de un sistema de invernadero hortícola según la presente
invención durante la operación de enfriamiento.
la fig. 2 muestra un diagrama de flujo
esquemático de un sistema de invernadero hortícola según la presente
invención durante la operación de calentamiento.
la fig. 3 muestra una sección transversal de la
instalación para la distribución de frío y calor en el invernadero
cerrado según la presente invención.
la fig. 4 muestra un diagrama de flujo
esquemático de las instalaciones en el invernadero según la presente
invención.
El abastecimiento de energía se puede subdividir
en suministro de frío y suministro de calor.
El sistema 1 según la presente invención
comprende un acuífero 2. Un componente del abastecimiento de energía
es el almacenamiento de frío y calor en un acuífero.
A una diferencia de temperatura de 12ºC (fuente
de frío, 6ºC; fuente de calor, 18ºC) y un caudal de 150
m^{3}/hora, el rendimiento energético equivale a 2,1 MW. Esta es
la capacidad de enfriamiento nominal del acuífero. Desde la fuente
de frío 4 el flujo de agua fría A pasa, a través del intercambiador
de calor separador 8, a un flujo de agua caliente B, y esta agua
calentada se almacena en la fuente de calor 6. El intercambiador de
calor 8 realiza el intercambio de calor entre el flujo AB bajo él y
el flujo líquido CF sobre él.
El circuito CDEF está formado por un tampón 12
con líquido frío, por ejemplo, agua a aproximadamente 6ºC, un flujo
líquido D entre el tampón diurno frío y un intercambiador de calor
14 en el invernadero 10, el flujo de líquido E desde el
intercambiador de calor 14 al tampón diurno caliente 16 y el flujo F
entre el tampón diurno 16 y el intercambiador de calor 8.
El acuífero 2 está compuesto por una fuente de
frío 4 y una fuente de calor 6 de agua.
La temperatura de la fuente de frío 4 está entre
2 y 10ºC y la de la fuente de calor 6 es de entre 14 y 22ºC.
\newpage
Para mantener los costes lo más bajos posible,
se efectúa una perforación por fuente. La profundidad de las
perforaciones depende de la localización, encontrándose entre 10 y
300 metros. El agua procedente de las fuentes de frío y calor se
conectan mutuamente a través de un intercambiador de calor 8.
Existe un circuito cerrado (A, B) entre las dos
fuentes 4, 6 de modo que el agua subterránea no entra en contacto
con el aire exterior.
El calor generado en el invernadero 10 por la
insolación G debe eliminarse en este momento.
La operación es como sigue. Se llena un tampón
diurno 12 con líquido frío. Este líquido se bombea a través de D al
intercambiador de calor 14.
La temperatura del aire en el invernadero 10 es
de 20ºC o superior debido a la insolación G del sol. El aire
calentado H se lleva a través del intercambiador de calor 14 y deja
el calor en el líquido frío D.
El líquido D se calienta hasta aproximadamente
18ºC y pasa a través de E al tampón diurno caliente 16.
Los tampones diurnos 12, 16 pueden colocarse
también, si se desea, en el circuito cerrado (A, B).
Después del intercambiador de calor 14 el aire
frío se lleva al interior del invernadero en forma de flujo de aire
I mediante mangueras de distribución de aire 18.
La cantidad de líquido en el tampón diurno 12 es
suficiente, junto con el flujo C, para absorber completamente el
suministro de calor al invernadero 10 y eliminarlo por el tampón
diurno caliente 16. Después de un día caluroso el tampón diurno
caliente 16 está completamente lleno de agua caliente y el tampón
diurno frío 12 está vacío.
Para tener suficiente líquido frío en el tampón
diurno frío 12 para el siguiente día caluroso, el líquido del
tampón diurno caliente 16 se conduce a través de F hasta el
intercambiador de calor 8. Aquí el líquido caliente F cede el calor
al agua fría que viene a través de A desde la fuente de frío 4. El
flujo A se calienta en el intercambiador de calor 8 de
aproximadamente 6ºC a 18ºC y se almacena a través de B en la fuente
de calor 6.
El calor del flujo líquido F se transfiere
mediante el intercambiador de calor 8 a AB y el flujo enfriado C se
almacena en el tampón diurno 12. Cuando comienza la insolación, el
tampón diurno frío 12 está completamente lleno de líquido frío.
En un periodo de veinticuatro horas se tiene que
eliminar una cantidad de calor del invernadero 10. El tampón diurno
frío 12 tiene preferiblemente un volumen que se corresponde con una
parte del calor que se tiene que eliminar (aproximadamente la
mitad). La parte restante del calor se elimina mediante el bombeo
extra de frío desde la fuente de frío 4 a través de A, el
intercambiador de calor 8 y C hasta el tampón de frío 12. Esta agua
fría está disponible inmediatamente y no se tampona en el tampón
diurno 12.
De este modo, la capacidad de enfriamiento total
está formada por el frío disponible en el tampón diurno 12 y el
frío suministrado continuamente desde la fuente 4 a través de A, el
intercambiador de calor 8 y C. El flujo frío D está formado por el
flujo continuo C a través del tampón diurno 12 y el vaciado del
tampón diurno 12.
Lo mismo se aplica al flujo E, que se divide en
un flujo continuo F (el mismo caudal que C) y el llenado del tampón
16 a través de E.
Cuando comienza la demanda de enfriamiento por
la mañana, se usa primero el tampón diurno frío 12. El tampón
diurno 16 se rellena a través de D, el intercambiador de calor 14 y
E.
Una parte del flujo se enfría a través de F en
el intercambiador de calor 8 y vuelve a estar disponible en el
invernadero 10 a través de C, el tampón diurno 12 y D en el
intercambiador de calor 14.
Durante el calentamiento del invernadero 10, una
gran parte de los flujos de líquido fluyen en sentidos opuestos a
los de enfriamiento.
Los tampones 12 y 16 no son necesarios para el
calentamiento.
Hay tres flujos de calor al invernadero 10.
Estos son:
Desde una bomba de calor 20 a través de K.
Desde un motor de gas 22 a través de R.
Desde una caldera de gas 24 a través de O.
La fuente de calor 6 del acuífero 2 proporciona
agua caliente a través de H al intercambiador de calor 8. El calor
de H se transfiere al flujo J. El agua enfriada del intercambiador
de calor 8 pasa a través de G a la fuente de frío 4. El líquido
caliente, el flujo J, es la fuente de calor para la bomba de calor
20. Esta bomba de calor 20 eleva la temperatura de cerca de 18ºC a
aproximadamente 40ºC.
Este calor se cede a través del flujo K a un
intercambiador de calor 14. El líquido enfriado procedente del
intercambiador de calor 14 vuelve a través del flujo L a la bomba de
calor 20. La puesta en marcha de la bomba de calor no está
relacionada con el tipo de motor o el tipo de energía.
La bomba de calor 20 se pone en marcha mediante
un motor de gas 20 a través de una conexión mecánica o eléctrica S.
Este motor de gas 22 proporciona potencia mecánica a través de S a
la bomba de calor 20 y agua de enfriamiento caliente (50 a 90ºC) a
través de R al invernadero 10. Una pequeña parte del calor se pierde
a través de T.
El motor de gas 22 se alimenta mediante un flujo
de gas U.
La caldera de gas 24 proporciona calor a través
de O si la demanda de calor (W) es superior al rendimiento
energético en K y R de, respectivamente, la bomba de calor 20 y el
motor de gas 22. La caldera de gas 24 proporciona agua caliente con
una temperatura de aproximadamente 50 a 90ºC al invernadero 10. En
caso necesario, el calor de la caldera de gas 24 puede tamponarse a
través del flujo M en el tampón de calor 26. Este calor se genera
en el invernadero 10 a través de N.
El exceso de calor procedente del invernadero 10
se almacena en la fuente 6 en el acuífero 2.
Durante el calentamiento del invernadero 10,
este calor se cede al intercambiador de calor 8. Si la demanda
anual de calor del invernadero 10 es inferior a la cantidad de calor
almacenada en la fuente 6, será necesario el enfriamiento extra de
la fuente 6 y el almacenamiento de frío en la fuente 4. De esta
manera se dispone una vez más de suficiente frío para enfriar el
invernadero 10 en la siguiente estación cálida procedente de la
fuente de frío 4. El enfriamiento adicional se realiza con una torre
de enfriamiento 28. El agua caliente H procedente de la fuente 6
cede el calor al flujo Q a través del intercambiador de calor 8. La
temperatura del agua Q se hace descender por la torre de
enfriamiento 28 y el frío se cede a G a través del flujo P y a I a
través del intercambiador de calor 8. El frío se almacena en la
fuente 4.
La torre de enfriamiento 28 es opcional y no
tiene influencia directa sobre la climatización del invernadero 10.
El exceso de calor procedente de la fuente 6 se puede usar también,
por ejemplo, para calentar otro invernadero o para otros
usuarios.
La figura 3 muestra un esquema de la sección
transversal del invernadero.
La figura 4 muestra los detalles de las
instalaciones en el invernadero en una sección longitudinal.
Las figuras 3 y 4 muestran partes de la
instalación para la distribución del aire en el invernadero. El
cultivo 40 cuelga de cables 44 en un canal de cultivo 42 del tejado
46 del invernadero 10. Las mangueras de distribución de aire 48 se
disponen por debajo de los canales de cultivo 42.
La manguera de distribución de aire 48 es de un
material permeable al aire (poroso o con agujeros), en el que la
abertura está cerrada por un lado y se conecta por otro lado a una
máquina de suministro de aire como, por ejemplo, un ventilador 50
(véase la figura 4). Debido a la sobrepresión proporcionada por el
ventilador 50, el material permeable al aire se hinchará
adquiriendo forma cilíndrica. El aire suministrado sale de la
manguera de distribución de aire a través de los agujeros o del
material poroso.
Durante la situación de enfriamiento, el aire se
calienta en el invernadero. El ventilador 50 succiona este aire a
través de V y X atravesando un filtro 52 y a través de un
intercambiador de calor 54. En el intercambiador de calor 54, el
flujo de aire X se enfría y deshumidifica para pasar al flujo de
aire Y. El agua de condensación se recoge en un recipiente 56 y se
drena.
El aire frío deshumidificado se insufla mediante
el ventilador 50 a través de un intercambiador de calor 58 dentro
de la manguera de distribución de aire 48.
El intercambiador de calor 58 sólo funciona si
el calentamiento es necesario. En caso sólo de deshumidificación,
el intercambiador de calor 58 puede devolver la temperatura al aire
enfriado.
El intercambiador de calor 54 se alimenta con
agua fría a través de P desde el tampón frío 12 (figura 1). Un
flujo líquido Q procedente del intercambiador de calor 54 fluye
hasta el tampón diurno caliente 16.
Durante la operación de enfriamiento, cuando hay
un gran aporte de calor debido a la insolación, será necesario un
caudal elevado de circulación de aire en el invernadero 10 para
enfriar el aire. El aire se calienta y asciende. De los cálculos se
deduce que se produce un flujo de aire horizontal entre el cultivo
40 a una altura de 1-2 metros de aire
comparativamente más frío en la dirección de la unidad de
tratamiento del aire.
Esta no es la intención, puesto que entonces el
aire se elimina con una temperatura demasiado baja. Para bloquear
esta "falsa corriente de aire" se colocan divisiones
transparentes flexibles 60 perpendicularmente a las mangueras de
distribución de aire a distancias por determinar (véanse las figuras
3 y 4), las cuales forman una barrera para los flujos de aire
horizontales. Entre el cultivo, estas separaciones 60 pueden tener
forma rígida, mientras que las partes por encima de los pasillos
pueden tener formas flexibles, de modo que el personal y los vagones
puedan pasar a su través.
Durante la situación de calentamiento, el calor
se suministra a través de la bomba de calor 20, del motor de gas 22
y, en el caso de una demanda alta de calor, también mediante la
caldera de gas 24.
El calor procedente de la bomba de calor 20 se
libera a una temperatura de aproximadamente 40ºC o menos. Este
calor se puede suministrar al invernadero de dos formas:
- 1)
- El calor se suministra en el flujo líquido P al intercambiador de calor 54 y a través de R al intercambiador de calor 58 (figura 4). El aire X se succiona a través de un filtro 52 y toma el calor en el intercambiador de calor 54. El aire calentado Y se insufla mediante el ventilador 50 a través del intercambiador de calor 58 como flujo de aire Z dentro de la manguera de distribución de aire 48.
- Los flujos líquidos enfriados Q y S vuelven a la bomba de calor 20.
- 2)
- El calor se transporta por las tuberías de calentamiento 64.
El calor procedente del motor de gas 22 y de la
caldera de gas 24 está a una temperatura alta. Este calor puede
suministrarse al invernadero 10 de estas dos mismas formas.
Un procedimiento preferido es proporcionar el
calor a las tuberías de calentamiento 11 (figura 2). También es
posible suministrar este calor a los intercambiadores de calor 54 y
58 (figura 4).
Se puede elegir entre diferentes tipos de bombas
de calor. Se puede utilizar una bomba de calor por compresión con
un motor eléctrico o de gas. También se puede aplicar una bomba de
calor por absorción a gas. En la siguiente tabla se muestran las
posibilidades y propiedades de estos sistemas.
Si se usa una bomba de calor por compresión, el
SPF (coeficiente de prestación estacional) será aproximadamente de
5. En función de la futura eficacia de generación de electricidad
central del 50%, la eficacia en el índice de consumo de energía
primaria (PER) de una bomba de calor por compresión será
aproximadamente de del 250%. La bomba de calor por compresión
también puede ponerse en marcha mediante un motor de gas (WKK). A la
actual eficacia de generación de electricidad y calor, el PER será
también del 250%. Con el uso de una bomba de calor por absorción a
gas el PER equivaldrá a aproximadamente el 150%.
Las diferentes bombas de calor tienen varias
ventajas y desventajas específicas. Estas se resumen en la siguiente
tabla.
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El COP (coeficiente de prestación) de la bomba
de calor se calcula en función del 50% del valor teórico (la
eficacia de Carnot).
Ç_{carnot} =
T_{baja}/(T_{alta} -
T_{baja})
El COP de la bomba de calor depende, por tanto,
en gran medida de la temperatura del evaporador y del condensador.
Las condiciones del diseño de estas temperaturas son respectivamente
6ºC y 40ºC, La eficacia de Carnot es, entonces, de 9,6 y los
cálculos se hacen con el 50% de este valor. El rendimiento de
calentamiento y la temperatura de alimentación y COP asociados
pueden calcularse por hora. Entonces se ponderan todos los COP y se
añaden a la demanda de calor. El SPF se deduce a partir de aquí.
Puesto que la demanda de calor a menudo es menor que el rendimiento
del diseño, el SPF es más alto que el COP con las condiciones de
diseño. En aquellos casos en los que la demanda de calor sea
superior al rendimiento del diseño, la temperatura de alimentación
será superior y el COP inferior. La intención es que cuando haya
una demanda elevada de calor se emplee una caldera de gas para
proporcionar calor extra.
El calentamiento también puede realizarse
mediante convención libre a lo largo de un convector caliente. El
uso de ventilación forzada durante el calentamiento aumenta la
eficacia del intercambio de calor. En el caso de generación igual
de calor se puede aplicar un intercambiador de calor más pequeño o
se puede intercambiar el calor a una temperatura más baja.
Cuanto menor sea la temperatura de alimentación
del convector, mayor puede ser el COP de la bomba de calor. El
dimensionado y la realización exactos se tendrán que desarrollar en
una etapa posterior. Por el momento se ha elegido la ventilación
forzada durante el enfriamiento y el calentamiento.
\newpage
Los intercambiadores de calor están diseñados
para la máxima demanda de enfriamiento la cual sólo se producirá
unas pocas horas al año. Cuando los intercambiadores de calor se
usan para calentar, preferiblemente sólo se cubrirá de la demanda
de calor base. Ante una mayor demanda de calor se emplea, por
ejemplo, un calentador de gas. El sistema se usa, entonces, a un
rendimiento menor. Se puede conseguir la variación del rendimiento
energético durante el enfriamiento y el calentamiento cambiando el
flujo de agua y/o el flujo de aire a través de los intercambiadores
de calor. Para este propósito, preferiblemente se aplican
ventiladores de frecuencia controlada, de modo que la eficacia se
mantiene alta a una carga parcial. Durante el calentamiento usando
una bomba de calor también es posible disminuir el rendimiento
disminuyendo la temperatura de alimentación, de modo que aumente la
eficacia de la bomba de
calor.
calor.
La deshumidificación activa a través de una
superficie fría consume energía ya que debe eliminarse el calor de
condensación junto con el calor sensible. Este calor se puede
eliminar mediante:
- -
- la bomba de calor 20 (figura 2)
- -
- enfriamiento por medio del acuífero 2 (figura 2)
En ambos casos, es esencial que se elimina el
aire húmedo del invernadero por medio de la convención activa a
través de un intercambiador calor/frío. Los cálculos muestran que
esta energía auxiliar es aproximadamente la misma para ambos
procedimiento de deshumidificación y equivale a aproximadamente 0,8
MJ/kg de agua.
Cuando existe un exceso de calor en el
invernadero, no tiene sentido devolver el calor latente al
invernadero en forma de calor sensible. La deshumidificación con
agua fría procedente de un acuífero solo demandará la energía
auxiliar necesaria para bombear el agua. Un valor promedio de la
energía auxiliar necesaria es el 4% de la cantidad de calor
bombeada. La condensación de 1 kg de agua produce 2,3 MJ de calor.
Si la energía auxiliar equivale al 4%, esto corresponde a 0,1 MJ/kg
de agua.
Los inventores han hecho los cálculos en función
de un invernadero cerrado del cual no se elimina la humedad por
ventilación. El supuesto básico es el consumo de agua del cultivo de
tomate, que es de 640 kg/m^{2}/año. Una parte de ésta se
condensará en la cubierta del invernadero.
En un invernadero tradicional en el que se
cultivan tomates, la eliminación a través de la condensación en la
cubierta del invernadero equivale en promedio a aproximadamente 20
g/m^{2}/hora o 175 kg/m^{2}/año. En un invernadero cerrado
según la presente invención se asume la misma cantidad de
eliminación por condensación en la cubierta del invernadero. Por
tanto, deben eliminarse adicionalmente 465 kg/m^{2}/año (=
640-175). Una gran parte de ésta se elimina cuando
no hay demanda de calor. En una estimación aproximada esto es
prácticamente el 75% o 350 kg. Esto requiere 0,1 MJ/kg de H_{2}O
de energía auxiliar. Los 115 kg restantes se eliminan mientras siga
habiendo una demanda de calor. La energía auxiliar necesaria para
este propósito equivale a 115 kg/m^{2}/año x 0,8 MJ = 92
MJ/m^{2}/año o 920 GJ/ha/año. Una ventaja del invernadero cerrado
sobre el invernadero abierto es que no se pierde agua mediante
evaporación. El agua que absorbe el cultivo y que se evapora de
nuevo se recuperará mediante la condensación en la cubierta del
invernadero y en los intercambiadores de calor. Sólo el agua
almacenada en el cultivo tiene que suministrarse externamente. Esto
es especialmente interesante en regiones con precipitaciones
insuficientes y uso de agua subterránea
fósil.
fósil.
Existe un exceso de calor anual. No se pretende
que el suelo esté permanentemente caliente. Por tanto, es necesario
que tenga lugar un enfriamiento adicional.
Una solución para esto es enfriar con una torre
de enfriamiento de evaporación. El agua para el enfriamiento se
enfría ligeramente por encima de la temperatura de termómetro húmedo
del ambiente. El rendimiento energético de enfriamiento de la torre
de enfriamiento 28 (figura 2) no es superior al rendimiento
energético que el acuífero puede procesar. De esta manera el
acuífero puede enfriarse en un circuito cerrado y no es necesario
el tamponamiento fuera del acuífero.
Los tampones diurnos (frío y caliente) se pueden
tomar de forma tanto subterránea como superficial. La solución más
barata es aplicar dos depósitos de agua (uno frío y otro caliente),
cada uno con un volumen de aproximadamente 2.000 m^{3}. Estos
depósitos pueden cubrirse para evitar la contaminación y la
evaporación. Dicho depósito estará aislado. También es posible
aplicar almacenamiento subterráneo o almacenar el calor y el frío en
un depósito en
capas.
capas.
La pérdida de calor en el depósito caliente
mediante convención, evaporación, transmisión y radiación es de un
promedio de aproximadamente 16 GJ/m^{2}/día. La temperatura del
agua puede disminuir, por esto, un máximo de 2ºC durante un periodo
de veinticuatro horas.
Mediante la insolación aproximadamente entran 18
MJ/m^{2}/día en el depósito de frío. A una profundidad de 2
metros esto supone 2.000 litros de agua por m^{2}. La temperatura
del agua puede, por esto, elevarse un máximo de 2ºC durante un
periodo de veinticuatro horas.
\newpage
Los cambios estimados de temperatura durante un
periodo de veinticuatro horas son lo suficientemente grandes para
justificar una cobertura. En el caso del tampón diurno
"caliente" se reduce especialmente por esto la pérdida por
evaporación. La pérdida total de calor se reduce aproximadamente a
la mitad. En el caso del tampón diurno "frío" se espera que se
evite una parte mayor de calentamiento.
Con la cubierta del invernadero como se usará en
este caso, la demanda máxima de calor es de 220 W/m^{2} o 2,2
MW/ha. Aproximadamente la mitad de este rendimiento, la demanda
básica de calor, será suministrada por una bomba de calor. No se ha
fijado la división del suministro de calor por la bomba de calor y
la caldera de gas.
La demanda máxima de calor de, por ejemplo,
1.100 kW se suministra a una temperatura de alimentación de
aproximadamente 40ºC. El COP es entonces de 4, el rendimiento
energético proporcionado de la bomba de calor es de 275
kW_{eléctricos}.
A una eficacia eléctrica del 40%, una eficacia
térmica del 50% y un COP de 4,0, el rendimiento energético
proporcionado del motor de gas será aproximadamente de 225
kW_{eléctricos} (la bomba de calor suministra 225 x 4 = 900 kW de
calor. A 225 kW_{e} el contenido energético del gas es de 225/0,4
= 563 kW, a una eficacia térmica del 50% el calor procedente del
agua de enfriamiento equivale a 280 kW_{térmicos}. El suministro
total de calor es, por tanto, 900 + 280 = 1.180 kW_{t}).
A un rendimiento térmico de 2.200 kW y un PER de
150%, la bomba de calor demanda 1.470 kW de calor que suministra el
gas natural.
La caldera de gas proporciona el calor si la
demanda de calor es más alta de aproximadamente el 50% de la
demanda máxima. El rendimiento energético de la caldera de gas está
por esto a aproximadamente 1.100 kW.
La demanda máxima de enfriamiento equivale a 700
W/m^{2} ó 7 MW/ha. Se eliminan 18.200 JG/ha de calor.
El rendimiento de deshumidificación de los
intercambiadores de calor es de aproximadamente 6.000 kg/ha/hora
con las condiciones de diseño. La capacidad de deshumidificación es
de 600 g/m^{2}/hora. Esto es más o menos lo mismo que la
evaporación máxima que puede producirse en un invernadero con un
cultivo de tomate.
Realizado en forma de doblete (dos
perforaciones). El caudal del diseño es de 150 m^{3}/hora. A una
diferencia de temperatura de 12ºC el rendimiento energético es de
2,1 MW. El acuífero suministra aproximadamente 18.200 GJ de
enfriamiento en verano y, a una eficacia de almacenamiento del 90%,
aproximadamente 16.400 GJ de calor en invierno. Una parte del calor
se usa para calentar el invernadero, el resto se elimina por
enfriamiento con una torre de enfriamiento, o se suministra a una
parte que demande calor en las proximidades. Después de la
extracción de calor, se bombea como agua fría dentro del acuífero.
El número de horas de carga completa equivale, tanto para el
enfriamiento como para el calentamiento, a aproximadamente 2.500
horas por año, un total, por tanto, de 5.000
horas.
horas.
\vskip1.000000\baselineskip
La tabla 5 muestra que la bomba de calor
eléctrica extrae la mayor parte del calor del acuífero. El
enfriamiento adicional mediante la torre de enfriamiento es
relativamente pequeño. Con una bomba de calor por absorción a gas
esto es precisamente a la inversa, siendo la contribución del
acuífero relativamente pequeña, mientras que se debe eliminar mucho
calor a través de la torre de enfriamiento.
En el caso de que se use un motor de gas con
bomba de calor eléctrica, los flujos de calor se encuentran entre
estos dos extremos.
Los dos tampones diurnos tienen cada uno un
volumen de aproximadamente 2.000 m^{3} (para un invernadero de 1
ha). La demanda de enfriamiento del invernadero equivale a un máximo
de 7 MW. Para una diferencia de temperatura de 12ºC, esto requiere
un caudal de 500 m^{3}.
El acuífero almacena el exceso de calor en
verano. Si es posible, se elimina de por sí tanto calor como sea
posible por enfriamiento durante las noches frías del periodo de
verano. El exceso de calor en el acuífero después del verano se
eliminará por enfriamiento durante el invierno. El exceso de calor
depende del tipo de bomba de calor usada y equivale a
aproximadamente 4.000 a 11.000 GJ/ha (véase la tabla 5).
El enfriamiento se realiza con una torre de
enfriamiento con las siguientes condiciones:
- T suministro: 18ºC
- T_{drenaje}: 6ºC
El enfriamiento se produce cuando la temperatura
de termómetro húmedo (T_{nb}) es de 3ºC o menos. Esto ocurre
aproximadamente el 18% de las veces o 1.613 horas al año. El
rendimiento energético máximo de enfriamiento no puede ser superior
al rendimiento energético del acuífero (2,1 MW). De este modo se
pueden eliminar por enfriamiento aproximadamente 12.000 GJ. Esto es
suficiente para permitir la eliminación por enfriamiento del exceso
de calor del acuífero cuando se utiliza cualquier tipo de bomba de
calor.
El coste de dicha torre de enfriamiento equivale
a aproximadamente f50.000 -/MW. El consumo de energía es el
1% del rendimiento energético de enfriamiento.
A continuación se muestra una comparación entre
el consumo de energía en un invernadero de referencia y un
invernadero cerrado con climatización como el que se propone en este
documento.
El consumo de energía se calcula en función de
un año climático promedio (TRY De Bilt). La demanda anual de calor
y de enfriamiento se calculan en función de varias especificaciones
(véase la tabla 5). Estas demandas de calor y de enfriamiento se
usan como premisas básicas en el cálculo de los flujos de energía
para todos los conceptos, con excepción de la situación de
referencia.
El enfriamiento se proporciona mediante
ventilación a través de ventanas. Esto no requiere ningún coste de
energía auxiliar.
El calentamiento se proporciona mediante una red
de calor con un rendimiento energético de 2.200 kW.
La ventilación proporciona el enfriamiento del
invernadero.
La deshumidificación se realiza mediante
ventilación y condensación en la cubierta del invernadero.
El CO_{2} se suministra mediante la combustión
de gas natural. Fuera de la estación de calor, la combustión del
gas natural tiene este propósito y el calor liberado se almacena en
un tampón diurno o nocturno con aislamiento. El consumo extra de
gas para el suministro de CO_{2} se establece en 10
m^{3}/m^{2}/año. No se aplica iluminación de
asimilación.
asimilación.
El punto de partida en el invernadero cerrado es
el mismo tipo de cubierta y pantalla del invernadero que en el
invernadero de referencia. Puesto que no hay ventanas de aireación
ni las varillas de funcionamiento asociadas, el acceso de la luz es
ligeramente superior que en el invernadero de referencia. Las
unidades de distribución de aire (especialmente las mangueras de
distribución del aire) se colocan en el suelo del invernadero o
sobre el mismo, de modo que no influyan en la incidencia de la
luz.
En el cálculo del consumo de energía se asume un
tejado de cristal sencillo y aún no se han previsto las futuras
cubiertas de invernadero.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
Para el invernadero cerrado se formulan los
siguientes supuestos adicionales:
- -
- Bomba de calor por compresión eléctrica: SPF = 5
- -
- Eficacia de generación de electricidad central: 40%
- -
- Eficacia de la generación de electricidad WKK: 40%
- -
- Bomba de calor por absorción a gas: PER = 150%
- -
- Volumen del tampón diurno: 2 x 2.000 m^{3}
La tabla 7 muestra el consumo de energía en el
invernadero cerrado en comparación con el invernadero
tradicional.
Los cálculos se han hecho para tres
abastecimientos diferentes de energía para el suministro de calor al
invernadero cerrado. Estas son:
- -
- Bomba de calor por compresión con red eléctrica;
- -
- Bomba de calor por compresión con motor de gas y generador;
- -
- Bomba de calor por absorción con gas natural como fuente de calor.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
Con el uso de una bomba de calor eléctrica la
reducción en el consumo de energía primaria es de aproximadamente
del 42%. El procedimiento de suministro de la electricidad desde la
red eléctrica o desde un motor de gas en este punto apenas tiene
influencia sobre el consumo de energía primaria, asumiendo los
principios básicos dados.
Cuando se usa una bomba de calor por absorción a
gas, la reducción en el consumo de energía primaria es
aproximadamente del 22%. El ahorro de energía es mucho menor que
con el uso de una bomba de calor por compresión porque la eficacia
(PER) de una bomba de calor por absorción es menor que la de una
bomba de calor por compresión (asumiendo los principios básicos
dados).
No se determinó el coste extra de inversión para
una planta climatizada de un invernadero cerrado con una bomba de
calor por absorción a gas.
Las posibles alternativas al concepto básico
son:
El exceso de calor en verano puede limitarse
aplicando cristal con un bajo ZTA y un alto LTA. El espectro de
transmisión del cristal debe corresponderse, sin embargo, con el
espectro del crecimiento del cultivo. La posible reducción en la
incidencia de la luz tendrá que compensarse con mejores condiciones
de cultivo respecto a la gestión del CO_{2} y de la humedad
(%HR).
Durante un periodo en el cual se necesita el
enfriamiento y calentamiento en un espacio de 24 horas, se puede
hacer uso de los tampones diurnos. La demanda de calor por la mañana
se suministra a partir del tampón diurno caliente, después el agua
enfriada se almacena en el tampón diurno frío. Esta agua fría se
puede usar durante el día para enfriar el invernadero. El agua
calentada de este modo se almacena de nuevo en el tampón diurno
caliente.
Este procedimiento de calentamiento y
enfriamiento disminuye el consumo de energía necesario para el
bombeo desde y hacia el acuífero. Aún no se ha calculado el posible
ahorro de energía. Tampoco se ha investigado aún la interacción con
el acuífero.
Para limitar el caudal y el volumen de
almacenamiento en el lado caliente del almacenamiento diurno y en el
acuífero, el calor se puede almacenar también a una temperatura
superior a 18ºC. En ese caso, el enfriamiento del invernadero se
realiza mediante una bomba de calor por absorción a gas o una bomba
de calor por compresión con motor de gas. El calor se almacenará a
una determinada temperatura el cual, a continuación, es
inmediatamente adecuado para el calentamiento (40 a 50ºC).
Una ventaja del enfriamiento con una bomba de
calor a gas es que se observa una producción de CO_{2} en el
momento en que hay una gran demanda de CO_{2}. El calor generado
se puede almacenar en el tampón diurno caliente o en el acuífero.
Un inconveniente es que el exceso de calor aumenta en verano y este
exceso debe eliminarse de nuevo mediante enfriamiento en invierno.
Este inconveniente se obvia parcialmente si el exceso de calor
puede suministrarse a un tercero.
\vskip1.000000\baselineskip
El principio de aplicar tampones diurnos
comunicantes en combinación con el almacenamiento estacional se
puede aplicar también en condiciones diferentes a la de los Países
Bajos.
\vskip1.000000\baselineskip
En este clima, la eliminación del exceso diario
de calor mediante enfriamiento en verano se puede realizar,
posiblemente, por medio de tampones diurnos más grandes en
combinación con un almacenamiento estacional relativamente más
pequeño. Si hay una humedad en el aire relativamente baja durante la
noche de los meses en los que hay un gran aporte de calor durante
el día, el exceso puede eliminarse mediante enfriamiento por la
noche. Mediante esto se evita el almacenamiento y enfriamiento
innecesarios en los meses fríos.
\vskip1.000000\baselineskip
Si hay un déficit de calor anual, es más
atractivo la aplicación de una bomba de calor por absorción a gas.
No habrá, entonces, enfriamiento adicional en invierno, o
prácticamente no habrá, de modo que el invernadero utilizará todo
el calor, el exceso estacional y el calor procedente del gas
natural.
\vskip1.000000\baselineskip
En regiones en las que no se dispone de
acuífero, será posible aplicar un almacenamiento estacional en forma
de intercambiadores de calor con el suelo. Puesto que el
rendimiento de almacenamiento y la capacidad de almacenamiento es
menor que con el uso de un acuífero, el campo de aplicación es
limitado. En situaciones en las que la insolación está limitada por
las condiciones climatológicas o por la exclusión de la mayor
insolación, aumentan las posibilidades si se aplican
intercambiadores de calor con el suelo.
\vskip1.000000\baselineskip
Un sistema de invernadero cerrado puede
intercambiar energía con las proximidades inmediatas. Esta
proximidad inmediata puede estar formada por invernaderos
hortícolas, casas y polígonos industriales circundantes. El
intercambio puede estar relacionado, por ejemplo, con el exceso
anual de calor o con el suministro de electricidad en exceso si se
hace uso de un motor de gas con generador.
Con respecto a la gestión del agua en el
invernadero, especialmente en países en los que se usa agua fósil,
se puede utilizar un invernadero hortícola cerrado para evitar el
agotamiento de las fuentes de agua. En otras condiciones
climatológicas se tendrá que realizar un estudio adicional para
llegar a un correcto dimensionado de los diferentes componentes
dentro del concepto de climatización descrito.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
El modelo de cálculo se basa en la prueba anual
de referencia (TRY, TestReferenceYear) de De Bilt.
Los cálculos se hicieron con los valores por
hora de la temperatura exterior, insolación (directa e indirecta) y
la humedad relativa del aire.
Los supuestos en el modelo de cálculo son:
| Déficit de calor | 15.824 GJ/ha/año | |
| Eficacia de la caldera HE | 100% | |
| Bombas de agua de energía auxiliar | 1,5% | |
| Demanda máxima | 220 W/m^{2} | |
| Consumo de energía primaria | 16.299 GJ/ha/año | |
| 51,5 m^{3}/ha/año |
\vskip1.000000\baselineskip
| Eficacia de la generación de electricidad central | 50% | |
| Temperatura del invernadero | 20ºC | |
| Contenido energético del gas natural (ow) | 31,65 MJ/m^{3} |
\vskip1.000000\baselineskip
| Bomba de calor por compresión eléctrica COP | 50% de la eficacia de Carnot | |
| Bomba de calor por absorción a gas PER | 150% del valor fijado |
\vskip1.000000\baselineskip
| Eficacia del calor | 50% | |
| Eficacia de la electricidad | 40% | |
| Pérdidas de calor | 10% | |
| SPF | 495% |
\vskip1.000000\baselineskip
| Eficacia de generación | 90% |
\vskip1.000000\baselineskip
| Convención activa | ||
| Energía auxiliar | 2% de Q térmica |
\vskip1.000000\baselineskip
| Convención activa | ||
| Energía auxiliar | 3% de Q térmica |
\vskip1.000000\baselineskip
| Eliminación al acuífero | 0,3 MJ/kg de H_{2}O | |
| Deshumidificación y calentamiento | 0,8 MJ/kg de H_{2}O | |
| Cantidad a eliminar | 640 kg/m^{2}/año | |
| Condensación en la cubierta del invernadero | 175 kg/m^{2}/año | |
| Como parte del calor latente | 465 kg/m^{2}/año | |
| Eliminación adicional | 116,25 kg/m^{2}/año |
\vskip1.000000\baselineskip
| Alimentación adicional | 10 m^{3}/m^{2}/año | |
| Consumo de energía | 3.165 GJ/ha/año |
\vskip1.000000\baselineskip
| Suministro de temperatura | 16ºC | |
| Caída de presión sobre la entrada del filtro | 100 Pa | |
| Caída de presión sobre la vía de salida | 100 Pa | |
| Eficacia de la bomba de aire | 50% |
\vskip1.000000\baselineskip
| Acuífero | ||
| Eficacia de la bomba subterránea | 80% | |
| Eficacia de almacenamiento | 90% |
\vskip1.000000\baselineskip
| Eficacia de almacenamiento | 90% |
\vskip1.000000\baselineskip
| T-entrada | 20ºC | |
| T-salida | 8ºC | |
| Energía auxiliar | 1% del rendimiento | |
| de enfriamiento |
\vskip1.000000\baselineskip
| Diferencia de temperatura | ||
| Agua/aire | 5ºC | |
| Agua/agua | 2ºC |
\vskip1.000000\baselineskip
La invención no se limita a la descripción
anterior; los derechos que se persiguen se definen por las
siguientes reivindicaciones.
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet WO 9838849 A [0003]
Claims (10)
1. Un procedimiento de climatización de un
invernadero hortícola caracterizado porque el invernadero
hortícola es un invernadero hortícola cerrado en el que se eliminan
el calor y la humedad sin que disminuya la concentración de
CO_{2} aplicando tampones diurnos comunicantes en combinación con
intercambiadores de calor con un acuífero o el suelo, en el que un
intercambiador de calor proporciona el intercambio de calor entre
los intercambiadores de calor con el acuífero o el suelo y los
tampones diurnos.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1 en
el que los tampones diurnos comunicantes comprenden al menos un
tampón diurno frío y un tampón diurno caliente.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 ó
2 que comprende el uso de al menos un acuífero.
4. Un procedimiento según las reivindicaciones 1
a 3 en el que los tampones diurnos comunicantes se colocan bajo
tierra.
5. Un procedimiento según las reivindicaciones 1
a 4 en el que los tampones diurnos comunicantes están en forma de
un almacenamiento en capas en un tampón.
6. Un procedimiento según las reivindicaciones 1
a 5 en el que la concentración de CO_{2} se mantiene a
aproximadamente 1.000 ppm.
7. Un procedimiento según las reivindicaciones 2
a 6 en el que dicha eliminación de calor se consigue a través de un
intercambiador de calor en el invernadero, en parte por un flujo
continuo a través del tampón diurno frío y en parte por el vaciado
del tampón diurno frío dentro del tampón diurno caliente.
8. Un sistema de invernadero hortícola cerrado
que comprende los medios para eliminar el calor y la humedad de un
invernadero hortícola (10) sin que disminuya la concentración de
CO_{2}, comprendiendo dichos medios tampones diurnos comunicantes
(12 y 16) y un acuífero (2), en el que el acuífero comprende una
fuente de frío (4) y una fuente de calor (6) comunicadas entre sí
(A y B) y medios para el intercambio de calor de los tampones
diurnos comunicantes con el acuífero (circuito CDEF).
9. Medios según la reivindicación 8 en los que
el invernadero hortícola (10) es un invernadero hortícola
cerrado.
10. Medios según la reivindicación 8 ó 9 en los
que los medios para el intercambio de calor entre los tampones
diurnos comunicantes y el acuífero consiste en un intercambiador de
calor (8).
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| NL1012291 | 1999-06-10 | ||
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|---|---|---|---|
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