Sistemas solares pasivos aplicados a espacios agroproductivos

A pesar de que los sistemas convencionales son los más difundidos en nuestra región para climatizar los espacios agro-productivos, también se han desarrollado tecnologías “híbridas”, que combinan el aprovechamiento del recurso solar con sistemas activos de bombeo o ventiladores abastecidos por energías convencionales para la circulación de un caudal de agua (^{Suárez, 2012}), o aire como fluidos de intercambio (^{Juanicó et al., 2011}; ^{Condorí et al., 2009}). En su mayoría utilizan reservorios térmicos auxiliares para la captación y acumulación de energía térmica por ganancia solar directa o colectores externos al espacio de producción.

Por otra parte, existen antecedentes tecnológicos que utilizan elementos de acumulación térmica con elevada capacidad calorífica, la cual se distribuye en el interior del espacio de producción. La masa de acumulación absorbe la energía, con lo cual reduce la temperatura del espacio durante el período diurno, y además la conserva para luego entregarla durante la noche. Resulta una tecnología efectiva para estabilizar ambientes y minimizar costos de la energía demandada para tal fin. El origen de estas tecnologías se remonta a la climatización de viviendas en el año 1881 (^{Morse, 1881}), y posteriormente en la década de 1960 se difundieron bajo el nombre de “muros Trombe-Michel” (^{Trombe & Michel, 1971}). En la década de 1980 se establecieron criterios básicos para su implementación sistemática en edificios (^{Balcomb & Hedstrom, 1980}), y se avanzó en estudios tecnológicos que relacionaron la masa de acumulación con el clima, la demanda, los materiales y sus capacidades de carga de energía (^{Divecchia & Ruggi, 1979}; ^{Zalewski et al., 2012}; ^{Bourdeau et al., 1980}; ^{Lesino et al., 1978}; ^{Guerrero et al., 1984}; ^{Alanis et al., 1978}; ^{Urriol, 1980}).

Si nos enfocamos en los antecedentes sobre tecnologías solares pasivas en espacios agroproductivos, se observan variados antecedentes. En China se utiliza una pared lateral másica aislada como borde de un invernadero solar pasivo, el cual tiene aislamiento nocturno orientado hacia el ecuador (^{Li et al., 2010}). En Argentina, se utilizan materiales de descarte para conformar muros inerciadores térmicos utilizando agua como masa de acumulación térmica (^{Esteves & Gelardi, 1999}). En Tunez, ^{Bouadila et al. (2014a)} evaluaron el clima interior de un invernadero de vidrio (clima mediterráneo), incorporando un calentador solar de aire, observándose que en invierno la temperatura base se elevaba en 5 ºC y se reducía la humedad relativa de un 10 a 20 % durante la noche. En otra investigación los autores ^{Bouadila et al. (2014b)} observaron que el calor recuperado durante la noche en un invernadero provisto de un sistema solar pasivo con un sistema acumulador de calor latente era 30 % del total necesario. Por otro lado, en ^{Lazaar et al. (2015)} se comparó el uso de calentadores convencionales versus calentadores solares pasivos incorporados en invernaderos y se concluyó que los sistemas solares aseguraron temperaturas nocturnas de aire de 12 ºC y de suelo de 16 ºC, deseables para el cultivo. En ^{Kooli et al. (2015)} se analizaron los beneficios de incorporar obturadores solares en un invernadero agrícola aislado y equipado con un calentador solar de aire con energía de almacenamiento latente, observando que la temperatura nocturna se mantuvo en 15 ºC mientras que en el exterior era de 8 ºC y que se elevó 2 ºC, respecto del invernadero sin equipo solar ni obturador. En sus investigaciones ^{Attar et al. (2013)} concluyeron que un colector solar plano para calefaccionar invernaderos, es un sistema rentable, no contaminante, que reduce el consumo de energía, pero no logra por sí solo cumplir los requisitos totales de calefacción debiendo utilizar un sistema convencional. Sin embargo, más adelante ^{Attar & Farhat (2015)} evaluaron la eficiencia de un calentador solar de agua para mejorar el clima interior de un invernadero en Túnez, utilizando el suelo como acumulador de calor, observando que para invernaderos pequeños de 10 m³ el sistema pudo abastecer las necesidades térmicas. En ^{Bellos et al. (2016)} se realizó una comparación entre un muro trombe tradicional, uno innovador que incorporó una ventana interior y una pared aislada, para la localidad de Atenas, Grecia. Los resultados demostraron que el sistema tradicional alcanza 18 ºC en el aire interior, el trombe innovador lo eleva 0.5 ºC durante todo el año, mientras que sin los sistemas y aislando la pared llega solo a 14 ºC en el interior. En ^{Jovanovic et al. (2017)} se analizan las potencialidades de integrar energías renovables en edificios de baja energía, y específicamente analizan la combinación de muros trombe con sistemas fotovoltaicos. En ^{Baïri et al. (2020)} se analizan mejoras en los muros trombe a partir de incorporar particiones verticales trasparentes para generar compartimientos y mejorar la ventilación natural, obteniéndose aumentos en la transferencia de calor por convección natural entre 10.0 % y 14.4 %.

Respecto a las masas de acumulación mixtas se han observado escasos estudios, los cuales se orientan al uso residencial. En uno de ellos se destaca un ahorro de energía anual del 8.6 % y una mejora del índice de evaluación del confort térmico interior de un 12.9 %. Además, se observó que el agua responde correctamente a los climas intermedios (^{Wang et al., 2013}). Asimismo, en ^{Kaushik & Kaul (1989)}, se utilizó el agua encapsulada en el hormigón para aprovechar su bajo costo y su gran capacidad calorífica. En ^{Viegas et al. (2018)}, se desarrolló un sistema de calefacción en viviendas utilizando hormigón y agua encapsulada, a partir de piezas modulares de elevado peso, que presentó un mejor desempeño que los muros másicos sólidos. En ^{Zhou et al. (2020)} se muestran los beneficios de incorporar un muro de agua (a baja temperatura) por delante de un muro másico para mejorar la climatización. Se destaca que tiene mejor rendimiento diurno y reduce la pérdida de calor durante la noche. En conclusión, la eficiencia del muro de agua es superior a la del muro másico. Si bien todos los sistemas relevados han demostrado eficacia, presentan falencias en cuanto a ciertos requerimientos de los espacios agro-productivos. Finalmente en ^{Jodra et al. (2017} y ²⁰¹⁸⁾ se presentó un sistema modular amortiguador, acumulador térmico que permitió mejorar las condiciones interiores tanto de espacios residenciales como agro-productivos. Los primeros ensayos muestran la factibilidad de este sistema.

La revisión bibliográfica demostró la gran variedad de soluciones y los beneficios del uso de la masa térmica en invernaderos livianos, a partir de masas de acumulación sólidas o de agua. Sin embargo, son escasos los antecedentes que combinen y comparen ambos materiales aplicados al ámbito de la agro-producción y que respondan a las necesidades locales mencionadas, respecto a la versatilidad y la facilidad de traslado, presentándose como un área de interés para avanzar en el conocimiento.Desarrollos previos permitieron evaluar la factibilidad constructiva del agua encapsulada como material para estabilizar ambientes agroproductivos. En este contexto, el presente trabajo tiene por objetivo avanzar en la evaluación de una solución tecnológica solar pasiva para climatización de espacios agro-productivos, a partir de comparar el comportamiento térmico, la carga, el aporte térmico residual y los costos de diferentes configuraciones de la masa de acumulación sólida y mixta (hormigón y agua).

Región climática de implantación

La localización geográfica del trabajo corresponde al cordón agro-productivo del Gran La Plata (23 msnm, lat 35 ºS, long. 57,9 ºO), provincia de Buenos Aires, Argentina. Su clima se define como templado cálido húmedo (^{IRAM, 1996}) y las características promedio se presentan en Tabla 1.

Definición tecnológica de los sistemas

Se trata de un sistema modular basado en bloques pre-moldeados manipulables de hormigón y vainas de agua estancas. Es un sistema armable in situ y adaptable a diferentes demandas térmicas y espaciales (ámbitos de uso humano o productivos). Para ello se presentan en la Figura 1, dos posibles configuraciones del sistema con tubos escondidos o con tubos expuestos y dos variantes para su aplicación en un espacio productivo, muros laterales o mesadas de trabajo internas.

Figura 1: Configuraciones del sistema: a) con tubos expuestos, b) con tubos escondidos, c) desarrollado como muro lateral o d) como mesada de trabajo 

El agua está contenida dentro vainas estancas de diferentes tamaños conformadas por tubos y tapas plásticas comerciales de 160 mm de diámetro (policloruro de vinilo o similar). Los tubos se llenan dejando 2 % del volumen de aire para absorber los cambios por dilatación térmica y se incorpora una dosificación preventiva de alguicida (2 ml cada 100 l de agua).

En la Figura 2 se observa el diseño geométrico de las piezas sólidas del prototipo ensayado. La masa de hormigón H30 (hormigón con resistencia característica a los 28 días de 300 Kg/ cm²) fue pigmentada integralmente con negro de humo, debido a que mejora sus capacidades termo físicas.

Figura 2: Geometría de las piezas de hormigón: a) vista, b) perspectiva, c) bloque construido 

Análisis térmico comparado entre la situación base, el sistema sólido y mixto a igualdad de masa térmica

En la Figura 4 se muestra el análisis comparado entre la situación base y los sistemas sólido de 864 kg y mixto de 864 kg, implementando la variable indirecta de temperatura relativa (Tr).

Figura 4: Amortiguamiento de la situación base, con el sistema de materialidad sólida y de materialidad mixta a igualdad de masa (864 kg) 

Para la situación base, el aire interior del invernadero manifiesta una gran amplitud térmica. Con la incorporación del sistema sólido de 864 kg se minimiza la situación de “pico” (fase de carga) en 40 %, evitando el sobrecalentamiento del invernáculo y estabilizando en situación de “valle” (fase de descarga) la temperatura final entre un 10 y un 20 % por encima de la registrada para la situación base, evitando el sub enfriamiento en el período nocturno. Con la incorporación del sistema mixto se observa que la situación de “pico” se minimiza entre un 70 % y un 90 % respecto a la situación base, mientras que en la situación de “valle” las temperaturas se estabilizan, manteniendo el nivel térmico interior en el espacio hasta un 35 % más que la situación base y evitando el enfriamiento nocturno. En síntesis, ambos sistemas a igual masa total presentan beneficios sustanciales en el mantenimiento térmico interior, amortiguando las temperaturas del aire, reduciendo las diferencias entre las máximas y las mínimas temperaturas. Sin embargo, las mejoras en la materialidad mixta son de entre 30 y 50 % mayores en la reducción de los picos que en el sistema sólido, y 20 % más en la reducción de los valles.

En cuanto a la dinámica de carga y descarga del sistema sólido, se puede observar que los bloques registran un estado térmico de entre 33 ºC y 34 ºC mientras que al finalizar la descarga se encuentran en ambos ciclos en 14 ºC, una vez atemperando el ambiente. En el sistema mixto, se observa que las pendientes de las curvas de temperatura de ambos materiales (bloques de hormigón y vainas con agua), son similares. Durante la fase de carga, si bien las curvas están prácticamente superpuestas, la masa líquida alcanza una mayor temperatura final (entre 1 ºC y 2 °C). En la descarga, si bien las diferencias son mayores, los bloques de hormigón y las vainas de agua intercambian calor al ambiente de igual forma.

Cálculo de aporte y carga térmica residual de los sistemas

En la Tabla 3 se observan las temperaturas mínimas y máximas de la situación base, mientras que en las Tablas 4, 5 y 6 se muestran las temperaturas de los sistemas, el cálculo del aporte térmico hacia el ambiente y la carga térmica residual del mismo en función de la temperatura del aire interior del invernadero antes del amanecer.

Se puede observar que a igual masa de acumulación el aporte neto del sistema mixto es mayor (Tabla 6), alcanzando 210 % más respecto al sistema sólido de 864 kg (Tabla 4) (36.1 MJ contra 17 MJ en el sistema sólido) y 112 % más respecto al sistema sólido de 1968 kg (31.9 MJ). Dicha diferencia se manifiesta en el sostenimiento de una mayor temperatura relativa interior/exterior (T_r) durante la fase nocturna, con diferencias de entre 10 y 40 % en los días comparados. Si bien se trata de la misma masa total, la mayor capacidad calorífica del agua respecto al hormigón, permite una acumulación térmica mayor. Comparativamente, la capacidad calorífica promedio del sistema mixto alcanza un valor global de 200 % respecto al sólido de igual masa.

Cuando los sistemas se encuentran en régimen, la descarga transcurre durante el periodo nocturno quedando una cantidad de energía remanente. Para el caso del sistema sólido de 864 kg es entre 2.7 MJ y 3.4 MJ. Para el caso del sistema mixto es alrededor de 7 MJ. Para el caso del sistema sólido de 1968 kg es entre 5.6 MJ y 13 MJ, superando al sistema mixto. Esta energía estaría disponible para ser utilizada durante las primeras horas de un día nublado con predominancia de radiación difusa.

Finalmente, podemos analizar la situación térmica interior comparándola con la requerida para la producción de hortalizas, que se encuentra entre 10 a 15 ºC de mínima y 30 ºC de máxima. Respecto a las mínimas interiores alcanzadas podemos observar que frente a temperaturas exteriores similares en las cuatro mediciones (7.1 ºC; 9.1 ºC; 7.8 ºC; 8.7 ºC para la situación base, el sistema sólido de 864 kg, el sistema sólido de 1968 kg y el sistema mixto de 864 kg, respectivamente), solo el sistema mixto supera el mínimo necesario con 11 ºC. Desestimamos el análisis de las máximas porque el invernadero no fue ventilado. En relación con la bibliografía relevada, se observa que con sistema mixto se logran resultados similares a los obtenidos en Túnez en invernáculos con calentadores solares de agua (12 ºC en el interior), y de esta manera se reafirma que el agua tiene buen comportamiento en climas templados o intermedios.

Evaluación térmica-económica de diferentes capacidades de carga del sistema

En principio se analiza el comportamiento térmico de los cuatro sistemas ensayados (Figura 5).

Figura 5: a) Amortiguamiento térmico (Tr) y b) temperaturas registradas para diferentes configuraciones del sistema 

En cuanto al amortiguamiento térmico se puede apreciar que el sistema sólido de 1968 kg y el mixto de 864 kg presentan similares comportamientos térmicos, diferenciándose del sistema sólido de 864 kg, que presenta mayor Tr en el pico diurno. Los tres sistemas mejoran el amortiguamiento térmico del invernadero. Sin embargo, el sistema mixto mejora sustancialmente en la fase nocturna o de descarga, superando al sistema sólido de 1968 kg, evitando el fenómeno conocido como inversión térmica. Este fenómeno, presente tanto en la situación base como en el sistema sólido de 864 kg, se encuentra asociado a las características del polietileno utilizado (tipo LD sin filtro para la radiación infrarroja) y a la consiguiente emisión radiativa hacia la atmosfera durante el periodo nocturno.

Para complementar este análisis en la Tabla 7 se observa el cálculo de costos de cada sistema y su relación con el aporte térmico diario máximo que pueden entregar. En los tres casos, la radiación solar tuvo un orden similar (entre 590 y 620 W/ m²).

El costo del sistema sólido de 864 kg es de 17.1 USD/MJ y el del sólido de 1968 kg se amplía a 20.7 USD/MJ. Sin embargo, el sistema mixto que presenta mayor aporte térmico, demuestra tener un costo significativamente menor que los sólidos, de 9 USD/MJ. Esto le otorga un valor adicional a su evidente mejora térmica. Asimismo este sistema reduce la mano de obra de montaje de los acumuladores, ya que los bloques se reducen a los mínimos necesarios para sostener los tubos de agua.

En síntesis, este desarrollo permite variar su masa total y configuración para conseguir mejoras tanto térmicas como económicas y así resolver el problema de inversión respecto a las condiciones de tenencia de las tierras.

A los efectos de generalizar los resultados de este estudio, es necesario destacar que los valores térmicos obtenidos resultan de utilidad para caracterizar el sistema de forma cuali-cuantitativa y comparar las prestaciones de las diferentes configuraciones propuestas. Sin embargo, se deberían considerar como limitaciones los aspectos referidos a las características del suelo del invernadero utilizado en este ensayo (baldosas de concreto), la ausencia de cultivos en el interior del invernadero, y el tipo de edificación en los alrededores de su localización (construcciones alrededor a una distancia de 20 m), las cuales generan condiciones diferentes a las de un invernadero real.