Dr. Ignacio R. Martín Domínguez, Dra. María Teresa Alarcón Herrera Plinio E. Castro-López, José A. Burciaga-Santos

Centro de Investigación en Materiales Avanzados S. C. Energía Renovable y Protección del Medio Ambiente.

Chihuahua, Chih. México. ignacio.martin@cimav.edu.mx

DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA

EL DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN TERMO ECONÓMICA DE

INVERNADEROS AGRÍCOLAS, INCORPORANDO EL USO DE

ENERGÍA SOLAR COMO FUENTE DE ENERGÍA

4º Foro Estatal de Resultados FOMIX 2012 Marzo 30 de 2012

Introducción

Objetivo

Metodología

Resultados

Conclusiones

Alimentación Mundial

• Crecimiento de la población

• Deterioro Ambiental

• Aumento en la demanda

• Agotamiento de suelos

Población Mundial

Crecimiento de la población

0

100

200

300

400

500

600

600

250

200

120

40

ton

/ha

Producción por sistema productivo

Invernadero de alta tecnologia

Invernadero de tecnologia media + mejora de sustrato

Invernadero de tecnologia media + fertirrigación

cielo abierto + fertirrigación

cielo abierto

1x

3x 5x

6x

15x

(Sagarpa, 2009)

Uso Eficiente del Suelo

¿Qué prové un invernadero?

Microclima artificial

Mayor calidad Condiciones óptimas

Te= 38 ºC

Ti= optima de

cultivo

Radiación Solar

(alta frecuencia)

Calor convectivo

Calefacción

Ventilación

Radiación infrarroja

(baja frecuencia)

Convección

Ambiente exterior

Flujo neto

de calor

Cubierta del

invernadero

τ= transmitancia α=absortancia

ξ= emisividad

δ=reflectividad

Funcionamiento de un invernadero

• Clima artificial

• Cultivo fuera de temporada

• Condiciones Optimas

Temperatura Ambiente

Enfriamiento

Rango de confort

Te

mp

era

tura

Am

bie

nte

(°C

)

Calefacción

Necesidades de Climatización

Tiempo (horas)

Posibilidad para el uso de energía SOLAR

Energía e invernaderos

Climatización Riego Iluminación

70 - 85%

Requerimiento de energía

Introducción

Objetivo

Metodología

Resultados

Conclusiones

Es posible diseñar y optimizar invernaderos agrícolas, que utilicen energía solar para su calefacción y que funcionen en cualquier condición climática del país en forma rentable.

Mediante la utilización de simulación computacional es posible predecir el comportamiento físico del invernadero y el costo energético de su operación para periodos de tiempo extendidos.

Hipótesis

Objetivo del Proyecto

Crear un simulador computacional que permita diseñar invernaderos agrícolas funcionales.

Determinar la rentabilidad de cada diseño, evaluado durante 10 años de operación.

Optimizar el diseño mediante un análisis paramétrico que muestre la rentabilidad económica de cada diseño funcional considerado.

Introducción

Objetivo

Metodología

Resultados

Conclusiones

C10 m

4m

Invernadero

control

VentiladorVentilador

Base

VentiladorCaldera

Mezclador 1

Enfriamiento evaporativo

Mez

clad

or

2

Plataforma de Simulación

Generador de Clima Procesador de Radiación

Componentes

Área de trabajo

Mañana

Medio día

Tarde

invernadero

Modelo Calefacción Solar en TRNSYS

Modelo Enfriamiento Evaporativo en TRNSYS

Variables Valores Unidades

Colectores Solares 10 @ 100

Vol. Tanque 1 3, 6, 12, 18,24 m3

Temp. Tanque 2 30 @ 90 ºC

Estrategia de Control Estricto Flexible

Propiedades Cubierta

Absortividad α

Transmisividad τ

Reflectividad δ

Solar 300-2500 nm

0.08 0.78 0.14

Visible 380 -760 nm

0.08 0.77 0.14

Infrarojo 2500-40000 nm

0.93 0.02 0.5

Combustible Poder

Calorifico (MJ/kg)

Costo (MX $/kg)

Gas LP 43.25 9.90

Análisis Paramétrico

Análisis paramétrico

Parámetro Valores Combinaciones

Localidad Chihuahua, Cd. Juárez, Nvo. Casas Grandes,

Temósachic

4

Cultivo Tomate, Pepino, Pimiento 3

Material Policarbonato, Polipropileno, Vidrio

Hortícola

3

Tipo de pared Simple y doble 2

Control Justo y Flojo 2

Presión 1 y 2 pulgadas columna de agua 2

Orientación N, S, E, O, NO, NE, SE, SO 8

Total 2304

Análisis Financiero

Caldera Auxiliar 51,086 MX $

Colectores Solares 4,146 MX $/unidad

Tanque Almacenamiento 5,360 MX $/m3

Incrementos Anuales

Costo Gas 9%

Costo Electricidad 5%

Inflación 5%

Análisis Financiero

Introducción

Objetivo

Metodología

Resultados

Conclusiones

-

500

1,000

1,500

2,000

2,500

Chihuahua Cd. Juárez Nvo. Casas Grandes Temósachic

Co

nsu

mo

to

tal

de

en

erg

ía (

MJ/

m2

)

NE

E

N

SE

S

NO

SO

O

Efecto de la Orientación del Invernadero

Orientación Incremento

NE Referencia

E 0.49 %

N 0.87%

SE 1.94%

S 3.09%

NO 3.48%

SO 4.75%

O 4.86%

-

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

Chihuahua Cd. Juárez Nvo. Casas Grandes Temósachic

En

erg

ía d

e c

ald

era

(M

J / m

2)

Narrow band control

Pepino

Pimiento

Tomate

-

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

Chihuahua Cd. Juárez Nvo. Casas Grandes Temósachic

En

erg

ía d

e c

ald

era

(MJ

/ m

2)

Broad band control

Pepino

Pimiento

Tomate

Estricto Flojo

Ciudad Ahorro %

Chihuahua 27

Cd. Juárez 20

Nvo. Casas Grandes 16

Temósachic 12

Efecto del Tipo de Control sobre la Calefacción

Polipropileno y tomate

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Cons

umo

eléc

tric

o to

tal (

MJ/

m2)

Pepino

Pimiento

Tomate

Polipropileno Vidrio Hortícola Policarbonato

Material Incremento %

Policarbonato Referencia

Polipropileno 7

Vidrio hortícola 9

Pepino y Ciudad Juárez

Efecto del Material (pared sencilla) sobre el Consumo Eléctrico

Energía

Material96%

4%

Pepino y Polipropileno en Pared Doble

Costo energético vs. Costo Material de la Envolvente

Consumo de Energía

Sin Colectores Solares

Consumo de Energía

10 Colectores Solares

Consumo de Energía

30 Colectores Solares

Ahorro de Combustible

Costo Total

Ahorros Económicos Totales

Introducción

Objetivo

Metodología

Resultados

Conclusiones

Conclusiones

• La simulación numérica permite el correcto

dimensionamiento de sistemas térmicos complejos

• El uso de energia solar reduce efectivamente el costo de

operación de un invernadero, si se dimensiona

adecuadamente

• La rentabilidad económica de un invernadero agrícola

depende fuertemente de la eficiencia energética del diseño

• El costo energético supera enormemente al costo de los

materiales de construcción del invernadero, en las

condiciones climáticas de Chihuahua

ignacio.martin@cimav.edu.mx

Muchas Gracias!!

Por su atención…