Invernaderos geotérmicos: explorando su potencial

Resumen

Esta publicación ofrece información básica sobre la tecnología de la energía geotérmica y su potencial en los invernaderos. Explica cómo los sistemas de calefacción y enfriamiento geotérmicos pueden ampliar las prestaciones de una estructura de cultivo, al tiempo que mantienen un consumo energético mínimo. En esta publicación se analizan los sistemas de energía geotérmica de origen terrestre, tanto activos como pasivos, y se presentan ejemplos de diseño de sistemas pasivos adecuados para operaciones agrícolas.

Introducción: Energía geotérmica para estructuras de cultivo agrícola

Las estructuras de cultivo agrícola, como los invernaderos y los túneles altos, se utilizan para la propagación de plantas, la extensión de la temporada de cultivo y para mejorar y controlar la producción de cultivos. Los invernaderos y los túneles altos pueden tener la misma estructura básica: marcos metálicos y paredes y techo de plástico de polietileno, policarbonato o vidrio. Ambos ofrecen distintos grados de control de la temperatura y el clima para extender la temporada de cultivo. Los túneles altos, a veces llamados invernaderos de arcos, se diferencian de los invernaderos en que incluyen controles climáticos no automatizados (como ventilaciones o paredes laterales enrollables) y, por lo general, se utilizan para extender la temporada en lugar de para el cultivo durante todo el año. Los invernaderos tradicionales se utilizan principalmente para la propagación de plantas, requieren calor que por lo general se proporciona mediante controles climáticos automatizados y, en general, se construyen con materiales más duraderos. Esto también permite un cultivo más constante durante todo el año. Una tercera variante, los invernaderos solares pasivos, consiste en estructuras que suelen ser más pequeñas que los túneles altos y que no utilizan fuentes de calor generadas por energía eléctrica, como lo hacen los invernaderos.

Los invernaderos tradicionales protegen los cultivos frente a temperaturas extremas mediante controles de temperatura, humedad y ventilación para mantener un clima ideal (Rimol Greenhouse Systems, 2019). Generar ese clima puede generar costos energéticos significativos. La combinación de calefacción y electricidad suele ser el tercer mayor costo en el funcionamiento de un invernadero tradicional (Servicio de Extensión Cooperativa de Penn State, 2020). Por el contrario, los túneles altos y los invernaderos solares tienen un diseño pasivo y no requieren energía adicional para la calefacción ni la refrigeración, lo que los convierte en una opción más rentable para ciertas operaciones. Sin embargo, los productores pueden beneficiarse aún más de estas estructuras cuando se complementan con un sistema de control climático igualmente rentable. Aunque pueda sorprender, una fuente eficiente de energía complementaria se encuentra justo debajo de nuestros pies.

La energía geotérmica renovable es el calor que se obtiene del subsuelo de la Tierra (EPA, 2016). La temperatura subterránea se estabiliza a partir de aproximadamente dos pies por debajo de la superficie terrestre y continúa estabilizándose a mayor profundidad. El suelo subterráneo mantiene una temperatura constante durante todo el año, con un promedio de 55 °F en todo Estados Unidos. Los sistemas geotérmicos nos permiten aprovechar estas temperaturas estables. En general, un sistema se compone de dos elementos principales: tubería subterránea para facilitar el flujo de un fluido (ya sea aire o una solución de glicol) y el mecanismo para impulsar el aire o el fluido hacia adentro y hacia afuera de la tubería. Estos componentes principales funcionan para renovar el aire dentro de la estructura y satisfacer las necesidades de calefacción o enfriamiento. El movimiento del aire o del fluido se logra de diversas maneras, como mediante el uso de una bomba de calor o un simple ventilador en línea.

Esta publicación ofrece información básica sobre la tecnología de la energía geotérmica y su potencial en los invernaderos. Explica cómo los sistemas geotérmicos de calefacción y enfriamiento podrían ampliar las capacidades de una estructura de cultivo al tiempo que mantienen un consumo energético mínimo. Esta publicación se centra en dos tipos de sistemas de energía geotérmica de fuente terrestre, uno de los cuales tiene un diseño más sofisticado y requiere una bomba de calor. El otro es un sistema más «pasivo» que tiene un diseño similar, pero no requiere una bomba de calor. Por último, ofrece ejemplos de diseño para un sistema pasivo de invernadero que se adapta mejor a las operaciones agrícolas.

Cómo funcionan los sistemas geotérmicos

El flujo de energía térmica dentro de un sistema geotérmico puede utilizarse para calentar o enfriar un espacio, según las necesidades de cada estación. El aire se extrae del interior de un edificio y se impulsa a través de una red de tuberías subterráneas. La convección a través de estas tuberías calienta o enfría el aire, el cual luego se devuelve a la estructura a una temperatura más adecuada. Cuando la temperatura subterránea es más alta que la temperatura ambiente en la superficie, la bomba de calor o el ventilador impulsa el aire más cálido hacia la estructura de cultivo que necesita ser calentada. Cuando la temperatura en la estructura de cultivo es demasiado alta, la bomba o el ventilador extrae el aire cálido del edificio y lo impulsa hacia la tubería subterránea, devolviendo aire más fresco al edificio (Figura 1).

Figura 1. Flujo de energía térmica en un sistema geotérmico. Gráfico: Marisa Larson, NCAT

Sistemas activos

Un sistema activo utiliza una bomba de calor agua-aire, un líquido (ya sea agua o una solución de glicol) como medio para el intercambio de calor, y serpentines evaporadores y condensadores. Aprovecha el ciclo básico de refrigeración de evaporación, compresión, condensación y expansión para calentar o enfriar el aire antes de distribuirlo al espacio. Las tuberías pueden instalarse en el suelo de manera horizontal (zanjas) o vertical (perforaciones). Las zanjas horizontales son más adecuadas para operaciones a pequeña escala, ya que un sistema vertical requiere perforar varios pozos profundos (de unos 200 a 500 pies) para instalar las tuberías. Esto puede resultar costoso debido a la perforación profunda que se requiere, aunque sí ofrece una mayor capacidad para compensar la energía necesaria para la calefacción o la refrigeración en edificios más sofisticados y operaciones de gran escala (EPA, 2016). En este sistema, el líquido circula por las tuberías enterradas, ya sea absorbiendo o difundiendo calor, dependiendo de las necesidades de temperatura del edificio que se encuentra encima.

Si la propiedad cuenta con una fuente de agua privada, como un estanque, un lago o un pozo, existen otras opciones que no requieren excavación. En estos sistemas, el agua se bombea a las tuberías desde el estanque, por ejemplo, y esta actúa como medio para el intercambio de calor. Se trata de sistemas activos, ya que utilizan una bomba de calor para bombear el agua desde la fuente de agua hacia un intercambiador, el cual calienta o enfría el aire y luego lo envía al interior del edificio.

Los sistemas estándar de calefacción y enfriamiento geotérmicos se clasifican según su coeficiente de rendimiento, que es la relación entre la potencia térmica de salida de un producto y la energía eléctrica de entrada requerida (Kamoshida et al., 1990). Los sistemas estándar tienen eficiencias de entre el 300 y el 600 %. Compárese esto con la eficiencia de una caldera estándar de combustible fósil, que varía entre el 75 % y el 90 % (ASHRAE, 2018). «Los sistemas geotérmicos son [al menos] dos veces más eficientes que los aires acondicionados mejor calificados y casi un 50 % más eficientes que las mejores calderas a gas, durante todo el año» (Alexander, 2018).

Figura 2. Ejemplo de diseño de la infraestructura subterránea en un sistema geotérmico pasivo. Aquí se muestran dos capas de tuberías, que ilustran el flujo de energía térmica. A medida que se aspira aire frío, se expulsa aire caliente. El sistema está diseñado de tal manera que el flujo en una capa se mueve en sentido inverso al de la otra capa. Gráfico: Marisa Larson, NCAT

Sistemas pasivos

Un sistema geotérmico pasivo suele denominarse «batería de tierra», «batería climática» o «sistema geotérmico de baja temperatura». Este sistema está compuesto por tuberías, tubos ascendentes, colectores, ventiladores y la masa de suelo aislada. Utiliza los mismos principios fundamentales de la termodinámica que un sistema geotérmico con bomba de calor, pero su instalación es menos compleja, lo que reduce significativamente el costo y solo requiere la energía necesaria para mantener en funcionamiento uno o dos ventiladores. Los ventiladores impulsan aire caliente desde la estructura de cultivo hacia tuberías perforadas que discurren bajo tierra. Cuando el aire caliente se impulsa hacia las tuberías subterráneas, el calor del aire que circula por ellas se difunde por todo el suelo. Esto «carga» el suelo con aire caliente que posteriormente puede volver a difundirse hacia el sistema (Osentowski y Thompson, 2021).

Estos sistemas pasivos se basan en que los tubos perforados entren en contacto con la mayor cantidad posible de suelo para que se produzca el máximo intercambio de energía. Muchos de estos sistemas son modificados por los cultivadores, quienes colocan las tuberías en capas a dos y cuatro pies, o a cuatro y seis pies, o a seis y ocho pies. Estas tuberías deben disponerse horizontalmente para que el sistema funcione correctamente y para que la estructura de cultivo maximice su eficiencia (Figura 2). Es necesario colocar aislamiento de espuma rígida alrededor del perímetro de la parte subterránea del sistema para maximizar el rendimiento de un sistema pasivo. Este sistema también funciona sin intercambiador de calor, ya que el aire enfriado o calentado simplemente sale por el otro extremo de las tuberías, de regreso a la estructura de cultivo.

Aplicaciones geotérmicas

Invernadero solar pasivo

Aunque un invernadero solar pasivo suele requerir poco o ningún aporte de energía para el control climático, el uso de un sistema geotérmico pasivo puede mejorar aún más la utilidad del invernadero para extender la temporada y permitir una mayor diversidad en la producción de cultivos. Un sistema activo proporcionaría los mismos beneficios, pero reduciría la eficiencia energética del invernadero solar pasivo. Los invernaderos solares pasivos suelen ser pequeños y, por lo tanto, contienen un volumen reducido de aire. El sistema pasivo funciona de manera más eficiente con volúmenes de aire más pequeños y, por lo tanto, no necesitaría la cantidad de energía que produce un sistema activo. Una relación longitud-ancho de 2:1 para cualquier estructura es ideal para la eficiencia energética (Bradford Research Center, sin fecha).

Invernadero tradicional

Los invernaderos tradicionales suelen ser más grandes que los invernaderos solares pasivos y es muy probable que un sistema pasivo no logre calentarlos o enfriarlos adecuadamente. Un sistema activo sería capaz de proporcionar calefacción y enfriamiento adecuados para invernaderos de diversos tamaños con una bomba de calor del tamaño adecuado y suficientes pies lineales de tubería subterránea. Además, un invernadero de tamaño considerable puede generar los ingresos necesarios a partir de los cultivos para que la costosa instalación de un sistema activo sea viable. Algunos productores comerciales a gran escala cuentan con muchas acres de invernaderos. Estos entornos serían los más adecuados para instalar sistemas activos, ya que dichos productores probablemente obtendrían una recuperación más rápida de la inversión.

Túnel alto

Calentar o enfriar una estructura de bajo costo, como un túnel alto, con un sistema activo no sería rentable debido al diseño menos resistente del túnel, cuyo uso previsto es únicamente la extensión de la temporada. Tanto la estructura del túnel alto como el sistema pasivo son opciones de bajo costo; sin embargo, un túnel alto suele construirse con un aislamiento mínimo. Debido a que el diseño es minimalista, con una sola capa de recubrimiento de plástico, el control climático con un sistema geotérmico pasivo no se mantendría por mucho tiempo. En condiciones climáticas extremas de temporada, la «batería» —que es el sistema geotérmico pasivo— eventualmente alcanzará su capacidad máxima y ya no calentará ni enfriará el espacio. Por lo tanto, el sistema pasivo de «batería climática» es el sistema geotérmico de fuente terrestre más viable para un productor a pequeña escala, pero es adecuado principalmente para un invernadero solar pasivo o un túnel alto con doble pared y aislamiento.

Antes de empezar a construir

Al diseñar un sistema geotérmico, primero toma en cuenta tu zona de rusticidad (USDA, 2012), la variación de temperatura que experimenta tu zona a lo largo del año y cuáles son las necesidades de temperatura de tus cultivos. También debe evaluar el valor de la producción adicional que le permitiría la extensión de la temporada. Considere la comercialización a lo largo de toda la temporada de cultivo y si vale la pena la inversión financiera y de mano de obra para calentar y enfriar una estructura, especialmente una de bajo costo, como un túnel alto. Otras preguntas que debe hacerse incluyen las siguientes:

• ¿Cuáles son mis necesidades de calefacción y refrigeración?
• ¿Qué tecnologías pueden proporcionar la energía necesaria para la calefacción y la refrigeración?
• ¿Cómo se comparan las opciones renovables de calefacción y refrigeración con las tecnologías convencionales?
• ¿Qué recursos renovables son rentables en esta región del país?
• ¿Qué productos renovables de calefacción y refrigeración debo elegir?
• ¿Quién instalará y mantendrá mi sistema?
• ¿Cómo financiaré el sistema?
• ¿El valor de la producción adicional compensa este costo?
• ¿Qué valor tiene reducir el riesgo de congelación o sobrecalentamiento?
• ¿Y si los combustibles fósiles son más baratos?

Eficiencia energética

El cultivador debe asegurarse primero de que el edificio, que debe ser estructuralmente sólido y estar bien aislado, sea capaz de retener el aire en su interior, antes de instalar un sistema geotérmico de calefacción y refrigeración. De lo contrario, el esfuerzo y el gasto serán en vano. En general, las estructuras de cultivo son más eficaces cuando se construyen en terrenos nivelados y con buen drenaje. No construyas en lugares donde se sepa que el nivel freático es alto o donde haya una capa de suelo impermeable. Las estructuras de cultivo deben orientarse para aprovechar al máximo la luz solar y con las paredes de los extremos orientadas hacia los vientos de invierno. Si estos dos requisitos entran en conflicto, los expertos aconsejan que la estructura capte la mayor cantidad posible de luz solar invernal. También es importante construir las estructuras a una distancia de cualquier obstáculo que pueda generar sombra que sea el doble de la altura de dicho obstáculo (USDA, 2014).

Es necesario sellar el túnel alto para aislarlo del aire ambiente, de modo que el sistema geotérmico pueda calentarlo adecuadamente. Construye tu túnel alto con una pared de doble capa de plástico para invernadero e infla el espacio entre ambas capas con un ventilador para mejorar el aislamiento. Además, utiliza un recubrimiento rígido de doble pared para las paredes de los extremos. Este tipo de recubrimiento rígido ofrece un mejor rendimiento que el plástico simple para invernadero ante vientos fuertes y requiere menos mantenimiento a largo plazo. Sella o aísla las puertas, las rejillas de ventilación o las persianas cuando el túnel alto no esté en uso. Estas aberturas pueden parecer bien selladas cuando están cerradas, pero suelen ser el punto donde estas estructuras sufren una gran pérdida de energía. Una forma de solucionar esto es sellar estas aberturas con retazos de plástico de invernadero. Sella el perímetro de la base del túnel alto y usa mantas antiescarcha para cubrir los cultivos dentro del túnel. También es importante instalar sistemas de ventilación en estas estructuras, para permitir la entrada de aire más fresco durante los meses cálidos. Muchos túneles altos utilizan laterales enrollables para la ventilación durante los meses más cálidos, por lo que cualquier tipo de sellado que se realice durante los meses fríos debe ser temporal. Maximizar la eficiencia de la estructura de cultivo antes de la instalación geotérmica solo servirá para maximizar las ganancias (Alexander, 2019).

Sigue reglas similares a las de la construcción de un invernadero. No lo construyas en lugares donde sepas que el nivel freático es alto o donde el terreno sufra encharcamientos. Constrúyelo de manera que aproveche al máximo la luz solar y que las paredes de los extremos estén orientadas hacia los vientos de invierno. Elige el estilo, las puertas y los herrajes, el material de recubrimiento y el sistema de ventilación adecuados para satisfacer tus necesidades de cultivo (Rimol Greenhouse Systems, 2020). Los expertos en diseño recomiendan instalar controles ambientales junto con el sistema de calefacción y enfriamiento geotérmico para maximizar la eficiencia energética de la estructura.

Una variante del invernadero tradicional es el invernadero solar pasivo. Este tipo de invernadero no utiliza una fuente de calor artificial, sino que almacena el calor solar en un medio para liberarlo en los períodos más fríos, como por la noche o durante los meses fríos. Los medios de almacenamiento suelen ser barriles negros llenos de agua, situados a lo largo de la pared norte. Como alternativa, toda la pared norte puede construirse de concreto para crear una masa térmica excepcional. En este diseño, la pared norte es mucho más alta que la pared sur, para maximizar la exposición al sol del sur y así cargar los medios de almacenamiento. Aunque el uso de barriles es común, vale la pena analizarlo para tu operación, ya que su capacidad de almacenamiento de calor es cuestionable y ocupan mucho espacio que, de otra manera, podría utilizarse para la producción de cultivos. Este tipo de invernadero cuenta con una pared grande, inclinada y orientada hacia el sur, cubierta por completo con plástico para invernadero, vidrio u otro material transparente. Además, las paredes internas orientadas al este y al oeste pueden revestirse con un material reflectante. La inclinación del techo y la orientación general de un invernadero solar pasivo son componentes fundamentales de un diseño eficaz y deben tenerse en cuenta, así como calcularse cuidadosamente, para maximizar la eficiencia según la latitud del agricultor. Todas las consideraciones para los invernaderos tradicionales, desde la ubicación hasta los herrajes y los sistemas adicionales, también son necesarias para este tipo de invernadero.

A menos que el invernadero o el túnel alto estén excepcionalmente bien aislados, inevitablemente se producirá una pérdida significativa de calor, especialmente en climas más fríos. Esta pérdida puede superar la capacidad del propio sistema pasivo. Para evitar que el suelo subterráneo pierda la energía térmica almacenada y que la temperatura promedio estable baje por debajo de los 55ºF, los expertos recomiendan apagar la «batería climática» y utilizar un método de calefacción alternativo durante períodos prolongados de frío extremo (Osentowski y Thompson, 2021).

Necesidades energéticas

Realizar una evaluación energética de una estructura de cultivo existente puede brindarte una mejor comprensión del consumo actual de energía y revelar ineficiencias que tal vez hayan pasado desapercibidas (Servicio de Extensión Cooperativa de Penn State, 2020). La mejora de la eficiencia energética en la granja solo puede lograrse a partir de una comprensión fundamental del funcionamiento actual. Puedes contratar a un auditor energético profesional o utilizar una calculadora de energía como alternativa para hacerlo tú mismo. En una evaluación, toma en cuenta la estructura de tu edificio, su solidez estructural y cualquier medida de conservación de energía (ECM) que ya tengas implementada. La forma del armazón, la longitud de la estructura, la altura de las paredes laterales, las capas de recubrimiento de plástico polietileno, las cámaras de aire entre una pared de doble capa, las paredes enrollables de ventilación, las cortinas energéticas (dentro de la estructura), las cortinas de sombra (en la parte superior de la estructura) y los recubrimientos de hileras son todas MCE que pueden contribuir a alcanzar la temperatura deseada para el crecimiento. Si utilizas algunas o muchas de estas medidas, considera un sistema geotérmico más pequeño para complementarlas. Si estas medidas aún no se han implementado en la operación, considera cómo pueden combinarse con este tipo de sistema de calefacción y enfriamiento para aumentar la eficiencia y extender aún más la temporada de cultivo.

Como parte de una presentación en una conferencia, Milton Geiger, de la Universidad de Wyoming, proporcionó este cálculo sobre las necesidades de calefacción de un edificio:

Pies cuadrados de superficie de la estructura × diferencia de temperatura (temperatura interior menos temperatura exterior) × 1,2 = Calor necesario en BTU/hora

Diseño e instalación

A pesar del diseño relativamente sencillo de los sistemas geotérmicos, es esencial contar con un plan adecuado antes de la instalación, ya que pequeños errores podrían comprometer la eficacia del sistema. Algunos pasos preliminares importantes consisten en asegurarse de que el tamaño de los tubos o conductos sea adecuado para la estructura y de que su disposición sea segura antes de que comience la etapa de relleno. Contratar un servicio de excavación es costoso y excavar el foso por cuenta propia lleva mucho tiempo, por lo que se debe evitar tener que volver a excavar para modificar el sistema subterráneo. Según Ceres Greenhouse Solutions, el tamaño del ventilador, el diámetro de las tuberías, la longitud de las tuberías, el sellado adecuado de la infraestructura, el drenaje, la obstrucción de las tuberías, el funcionamiento del ventilador en ambientes húmedos y el tiempo de funcionamiento del sistema son aspectos que se deben considerar y adaptar a las operaciones del productor (2015). El diámetro de las tuberías, su longitud y el flujo de aire interactúan entre sí y deben equilibrarse para determinar cuánta energía se transferirá entre el aire y el suelo, qué flujo de aire obtendrá el productor y, en última instancia, la capacidad total de calefacción/enfriamiento del sistema (Ceres Greenhouse Solutions, 2015). Además, las tuberías utilizadas para el sistema pasivo deben ser perforadas. El proceso de enfriamiento por evaporación genera condensado de forma natural, por lo que es importante que las tuberías estén perforadas para evitar que el agua se acumule y obstruya la tubería.

El dimensionamiento adecuado de los componentes y el equipo es fundamental para obtener una eficiencia óptima de un sistema geotérmico. Especialmente en un diseño de baja temperatura o de «batería de tierra», el tamaño de las tuberías y la potencia de los ventiladores deben ajustarse al volumen de la estructura de cultivo y, por lo tanto, producir un cierto número de recambios de aire por hora. Cinco recambios de aire por hora es la tasa ideal para alcanzar una eficiencia óptima en cualquier invernadero o túnel alto (Osentowski y Thompson, 2021). Los ventiladores utilizados en este sistema deben generar suficientes pies cúbicos por minuto (CFM) para alcanzar cinco recirculaciones. Para determinar esto, es necesario realizar algunos cálculos:

Volumen (pies cúbicos) = CFM necesarios para el sistema
Tasa de intercambio (minutos)

Ten en cuenta que un ventilador con un mayor caudal tendrá un costo significativamente más alto. Considera opciones de ventiladores diseñados para uso al aire libre, ya que son más propensos a soportar el entorno operativo de una estructura agrícola.
Para obtener el máximo beneficio de un sistema de «batería climática», este debe funcionar principalmente solo cuando haya exceso de calor en la estructura o cada vez que la temperatura de la estructura sea inferior a la temperatura del subsuelo. Utilice un termostato de dos etapas, o un sistema de control integrado si se están controlando otros sistemas automatizados, para evitar que la batería climática agote el calor almacenado. Cuando la temperatura de la estructura se iguala a la temperatura de la «batería» del subsuelo, ya no se produce transferencia de calor; por lo tanto, no es necesario que los ventiladores estén en funcionamiento.

El instalador debe tener en cuenta que, debido al diseño del sistema pasivo de batería geotérmica y su interacción con el suelo circundante, es fundamental que el área en la que se colocan los tubos subterráneos esté aislada en todo su perímetro. Un aislamiento de espuma rígida de dos pulgadas de espesor sirve para retener el calor almacenado bajo tierra y evita que la energía térmica se filtre hacia el suelo circundante, que es más frío. Además, el tipo de suelo influye en la instalación y el mantenimiento de este sistema. El suelo arenoso y franco es ideal para esto, sin mencionar su eficacia para el crecimiento de las plantas. Un exceso de arcilla en el suelo puede endurecerse alrededor de la tubería debido a los ciclos de humectación y secado, lo que eventualmente obstruirá el sistema. Si su suelo tiene un alto contenido de arcilla, considere reemplazar el suelo durante la excavación o enmendarlo para reducir el contenido de arcilla (Osentowski y Thompson, 2021).

El aire caliente que fluye por las tuberías en un sistema pasivo calentará el suelo en un radio de aproximadamente un pie alrededor de las tuberías por todos los lados. Por lo tanto, deja dos pies de espacio entre cada hilera y cada nivel de tuberías para asegurar que el suelo se «cargue» a su máxima capacidad. Si puedes instalar un sistema geotérmico y realizar los trabajos de cimentación antes de instalar el túnel alto o el invernadero propiamente dicho, el sistema de tuberías quedaría directamente debajo de la estructura. Si la estructura ya está instalada, las tuberías subterráneas para un sistema geotérmico adaptado deben enterrarse junto a la pared orientada al norte o al sur. Este sistema seguiría requiriendo la misma cantidad de pies lineales de tubería para ser efectivo, y estas tuberías también deben estar separadas dos pies de la tubería contigua por todos los lados. A continuación, explicaremos con más detalle cómo calcular las necesidades energéticas y el costo de instalar una versión de bajo costo de un sistema geotérmico.

Costos y recuperación de la inversión

Recuerda incluir los costos de operación en los cálculos de costos del proyecto. En un sistema activo, la bomba de calor requiere una pequeña cantidad de energía para impulsar los procesos de calefacción y enfriamiento; sin embargo, se extrae del suelo hasta cinco veces esa cantidad de energía, lo que se traduce en una ganancia neta de energía para el sistema. Los ventiladores de un sistema pasivo necesitan aún menos energía para funcionar.

El costo puede variar considerablemente, dependiendo de la mecánica y el diseño del sistema. El costo de las piezas y la instalación puede oscilar entre $1,200 y $25,000, dependiendo del sistema. Puede haber una variación significativa en los costos iniciales porque, a medida que esta tecnología se va entendiendo y utilizando más en la agricultura, los productores están desarrollando e implementando sistemas pasivos que requieren equipos menos sofisticados y menos componentes. Además, es posible que los productores ya tengan acceso a equipos, como una excavadora o un tractor, cuyo alquiler o contratación suele representar la mayor parte del costo de instalación del sistema. En el primer estudio de caso, que se presenta a continuación, se describe un ejemplo de cálculo de costos de un sistema geotérmico pasivo.

Por otro lado, en un sistema activo, la bomba de calor en sí misma puede representar hasta el 60 % del costo del sistema (Stimson, 2016). El tamaño de la bomba de calor, así como el diseño de las tuberías subterráneas, variarán de una aplicación a otra. Debido a la complejidad del sistema y a los exigentes requisitos de diseño, un sistema activo debe ser diseñado por un ingeniero e instalado por un profesional. Una bomba de calor puede adaptarse aún más a sus necesidades estacionales y operativas al brindarle un medio más directo de control climático, siempre que sea financieramente viable. Comuníquese con su proveedor local de equipos de climatización o con un proveedor de sistemas geotérmicos para obtener información sobre el tamaño y los precios.

Casos prácticos

Dave McCarson, Alpine Organic Farms, Montana

La capa de dos pies de tubería perforada y aislamiento en un sistema pasivo. Foto: Dave McCarson

Dave McCarson se especializa en el diseño y la construcción de invernaderos solares pasivos y cuenta con experiencia en sistemas geotérmicos horizontales de circuito abierto, de suelo-aire. Explica que este tipo de sistema de bajo costo, similar a una «batería climática», es particularmente eficaz en la agricultura y la ganadería. Los sistemas que ha diseñado e instalado suelen ser pequeños, de 10 pies por 20 pies, y consisten en tuberías colocadas en capas a dos pies y a cuatro pies de profundidad en el suelo. En el caso del sistema de McCarson, la instalación fue económica porque contaba con equipo de excavación y tiene conocimientos generales sobre el uso de la maquinaria. Ha obtenido buenos resultados con las instalaciones y ha comprobado la eficacia general de este tipo de sistema en las zonas de rusticidad 3 y 4.

McCarson sugiere que, a menos que un túnel alto cuente con paredes aisladas de doble capa, cualquier sistema geotérmico resultaría poco rentable para esta aplicación. Esto se debe a que un túnel alto típico sin aislamiento liberará rápidamente la energía térmica. Por el contrario, los sistemas geotérmicos pueden generar una cantidad significativa de energía, y un sistema activo producirá demasiada energía para un túnel alto de una sola capa y sus cultivos. McCarson señala que la naturaleza de un túnel alto es calentarse demasiado en verano, pero no mantenerse lo suficientemente cálido para el invierno. Sin paredes aisladas de doble capa, el mismo problema persistiría, incluso con un sistema geotérmico.

Las dimensiones de la estructura de McCarson y los materiales utilizados pueden servir para hacer una estimación de costos. Diez pies por 20 pies por 8 pies (altura típica en la línea de la cumbrera para un túnel alto de este tamaño) equivalen a 200 pies cuadrados de superficie y 1,600 pies cúbicos de volumen. Según el cálculo anterior, se necesitan 133 CFM de ventiladores en línea para que una estructura de este tamaño logre cinco recambios de aire por hora. Para obtener los pies cúbicos por minuto, se divide el volumen de la estructura en pies cúbicos entre 12 minutos, ya que queremos cinco recambios por hora (12 x 5 = 60).

(1 600 pies cúbicos) = 133 CFM necesarios para el sistema
(12 minutos)

La infraestructura consta de dos capas de tubería, una a cuatro pies de profundidad y la otra a dos pies de profundidad, que se extienden a lo largo de toda la estructura. Para crear un flujo de aire bidireccional entre las dos capas, se colocan dos tubos de entrada (uno para cada capa) en los extremos opuestos de la estructura, los cuales extraen aire de cerca de la línea de la cumbrera. Para la tubería longitudinal se utiliza un tubo perforado de cuatro pulgadas. Se utiliza tubería perforada de seis pulgadas para los colectores ubicados en los extremos opuestos del sistema para cada capa.

Construcción del invernadero solar pasivo de Finch. Foto: Russ Finch

Russ Finch, «Un invernadero en la nieve», Nebraska

Russ Finch se especializa en el diseño de invernaderos solares pasivos complementados con sistemas geotérmicos pasivos de circuito abierto que aprovechan la energía del suelo. La unidad original adjunta a la casa de Finch mide 78 pies de largo por 17 pies de ancho. Sin embargo, esta es más pequeña que el tamaño típico de las unidades que Finch produce comercialmente, las cuales alcanzan hasta 138 pies de largo, aunque la eficiencia se maximiza a los 102 pies. En su invernadero particular, ubicado en el este de Nebraska, Finch cultiva grandes cosechas de cítricos, higos, feijoas, uvas y docenas de variedades de flores. Un limonero típico produce 125 libras al año, a un precio de 4,30 dólares la libra según los precios del mercado de agricultores. Es digno de mención que Finch pueda cultivar estos productos en esta parte de Nebraska, una zona clasificada en la zona de rusticidad 4 o 5. En invierno, la temperatura puede bajar hasta los -27 °F, y en verano, puede subir hasta los 105 °F.

Cítricos cultivados en la finca de Russ Finch. Foto: Russ Finch

El sistema de Finch aprovecha la estabilidad de la temperatura del suelo a ocho pies de profundidad. Además de este sistema, Finch también utiliza un diseño único de invernadero solar pasivo que minimiza el volumen de aire que hay que calentar o enfriar. Finch señala que estos sistemas no son viables para los invernaderos tipo arco (túneles altos) ni siquiera para los invernaderos de tamaño tradicional. Ambos contienen un gran volumen de aire y acondicionar tal cantidad de aire podría elevar los costos hasta el punto de que superaran los beneficios del sistema.

El mayor logro de los sistemas que diseña Finch es su simplicidad. Cualquiera que tenga acceso a una retroexcavadora y sea capaz de realizar el trabajo puede instalar estos sistemas fácilmente. En una zanja de 8 pies de profundidad, que se extiende de un extremo al otro del invernadero, se colocan una serie de tubos perforados. Finch afirma que por cada seis pies de longitud del invernadero se requiere un tubo adicional. Por ejemplo, un invernadero de 96 pies requeriría 16 tubos. Finch llegó a estas cifras únicamente a través de prueba y error, y señala que es difícil establecer cálculos precisos para esto. Este sistema genera regularmente una diferencia de temperatura de 35 a 40 °F entre el aire que se introduce en el suelo y el aire que sale. Para obtener estimaciones para tu invernadero y tu sistema geotérmico, puedes usar una calculadora en línea de «batería climática», como la que ofrece Eco Systems Design.

Conclusión

El uso de estructuras de cultivo para prolongar la temporada y la aplicación de tecnología de calor geotérmico influyen en la sustentabilidad de una operación de cultivo. Los túneles altos sin calefacción pueden prolongar la temporada de cultivo a un costo mínimo para el agricultor. Con la ayuda de estructuras que prolongan la temporada de cultivo, el agricultor tiene mayor capacidad de producción y puede ampliar su mercado y promover la seguridad alimentaria local. La incorporación de un sistema geotérmico puede brindar una mayor protección a los cultivos y prolongar aún más la temporada de cultivo. Los sistemas geotérmicos de calefacción y enfriamiento dependen muy poco de las fuentes de energía convencionales, como el petróleo y el gas, lo que se traduce en una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y de los contaminantes del aire.

La energía geotérmica es una fuente de energía renovable y, gracias a un diseño sencillo pero duradero, un sistema puede tener una vida útil prolongada. Un sistema geotérmico es fácil de mantener y, si se construye correctamente, requiere poco mantenimiento continuo. Hay muchos aspectos que considerar en cuanto a la rentabilidad de un sistema geotérmico, pero en algunos casos la inversión puede valer la pena. Una variante de diseño pasivo, como una «batería climática» u otro tipo de sistema geotérmico de baja temperatura, resulta más viable en la agricultura cuando se combina con un túnel alto aislado o un invernadero solar pasivo. Aprovechar esta herramienta de energía renovable, que es rentable y duradera, puede ser invaluable para extender la temporada de cultivo, aumentar la capacidad de suministro de productos frescos y contribuir a la sostenibilidad de los sistemas alimentarios y energéticos.

Referencias

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Alexander, T. 2019. 5 maneras de aislar tu invernadero o túnel alto y proteger los cultivos. Tunnel Vision Hoops.

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Centro de Investigación de Bradford. Sin fecha. Invernadero solar pasivo. Facultad de Agricultura, Alimentación y Recursos Naturales. Universidad de Missouri.

Ceres Greenhouse Solutions. 2015. 10 cosas que se deben y no se deben hacer al diseñar un sistema de transferencia de calor del suelo al aire.

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Kamoshida, J., Y. Hirata, N. Isshiki, K. Katayama y K. Sato. 1990. Análisis termodinámico del ciclo de bomba de calor por reabsorción utilizando una mezcla de agua y sales multicomponentes. Solving Energy and Environmental Challenges, págs. 545-554.

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Servicio de Extensión Cooperativa de Penn State. 2020. Eficiencia energética en la granja. Penn State Extension, Universidad Estatal de Pensilvania, State College, PA.

Rimol Greenhouse Systems. 2019. Túnel alto, invernadero o invernadero de arcos: ¿cuál es el más adecuado para mí? 

Rimol Greenhouse Systems. 2020. Cómo construir un invernadero en 10 sencillos pasos.

Stimson, Mark. 2016. El auge de los sistemas geotérmicos rentables. Revista Plumbing and Mechanical. 23 de agosto.

USDA. 2012. Mapa de zonas de resistencia de las plantas del USDA. Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

USDA. 2014. Control del ambiente en los túneles altos. Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.

Recursos adicionales

10 mitos sobre la calefacción y la refrigeración geotérmicas. 2013. Por J. Egg. National Geographic.

Energy Star: Los más eficientes de 2020 – Bombas de calor geotérmicas. 2020. ENERGY STAR.

Sistemas GAHT®: una opción geotérmica. Ceres Greenhouse Solutions.

Bombas de calor geotérmicas: beneficios ambientales y eficiencia. 2020. Energy Environmental.

Criterios clave para las bombas de calor geotérmicas. 2012. ENERGY STAR.

Invernaderos geotérmicos: explorando el potencial
Por Victorian Tilley, asistente del Programa de Energía del NCAT; Danielle Miska, ingeniera de energía del NCAT; y Katie Simpson-Johnson, Energy Corps
Publicado en noviembre de 2021
©NCAT
IP617

Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del USDA.