Cultivo invernal en túneles altos mediante ventilación con recuperación de calor

Resumen

Controlar la humedad y la temperatura en los túneles altos durante el invierno es un reto para los agricultores. Esta publicación describe una prueba de un sistema de ventilación con recuperación de calor (HRV) como alternativa a la ventilación tradicional al aire libre en la producción de invierno en túneles altos. El proyecto fue financiado por una subvención de la Asociación de Investigación y Educación en Agricultura Sostenible del Noreste (NESARE) otorgada al Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT), en colaboración con New Morning Farm. Esta publicación describe la instalación del equipo de recuperación de calor y presenta un análisis de los datos sobre humedad y temperatura en los túneles de cultivo de invierno utilizados en el proyecto. Se utilizaron los registros de cosecha de la temporada de cultivo de invierno 2015-2016 y los datos de consumo de energía para determinar qué impacto, si es que hubo alguno, tuvo el sistema de ventilación en la rentabilidad de los cultivos de invierno.

El ventilador con recuperación de calor Fantech de 106 CFM instalado en el frontón del túnel alto inferior de New Morning Farm. Foto: Chris Lent, NCAT

Introducción

Los productores del noreste que utilizan túneles altos para cultivar durante todo el invierno se enfrentan a los retos que plantean las bajas temperaturas y las condiciones de alta humedad. La mayoría de los productores invernales más destacados del noreste consideran que el control de la humedad mediante la ventilación es la práctica más importante para controlar las enfermedades foliares en los cultivos de invierno, incluso si eso implica bajar las temperaturas en el invernadero (Hartman, 2014). Al mismo tiempo, se sabe que las temperaturas diarias promedio afectan en gran medida la tasa de crecimiento de los cultivos.

El proyecto piloto que se destaca en esta publicación se propuso evaluar si el uso de un ventilador con recuperación de calor podía aumentar de manera efectiva la temperatura promedio diaria en un túnel alto y, como resultado, incrementar la producción de cultivos y la rentabilidad. El NCAT colaboró con New Morning Farm, una granja orgánica certificada con experiencia en la producción invernal, para probar el uso de este sistema de ventilación no tradicional. En el proyecto se utilizaron dos túneles altos del mismo tamaño. Uno de los túneles se utilizó para evaluar las capacidades del intercambiador de calor, y el otro sirvió como grupo de control. Esta publicación describe el proceso de instalación y los resultados del proyecto, que se llevó a cabo durante todo el invierno.

New Morning Farm, una granja de hortalizas con certificación orgánica de 95 acres ubicada en Hustontown, en el centro-sur de Pensilvania, es propiedad de Jim y Moie Kimball Crawford, quienes también la administran. Los Crawford llevan más de 40 años dedicándose a la agricultura orgánica y, desde el principio, todos sus productos se han comercializado directamente en Washington, D.C. New Morning Farm produce aproximadamente 60 cultivos diferentes, todos con certificación orgánica. Los cultivos incluyen bayas y hierbas, además de la mayoría de las hortalizas comunes. La granja emplea de seis a ocho ayudantes durante todo el año y aproximadamente 25 trabajadores de temporada y aprendices.

¿Qué es un ventilador con recuperación de calor?

Figura 1. Esta imagen muestra el flujo de aire y la transferencia de calor que tienen lugar en una unidad de ventilación con recuperación de calor. Imagen: www.venmar.ca/home.html.

Los ventiladores con recuperación de calor (HRV), también conocidos como intercambiadores de calor aire-aire, son una tecnología probada, relativamente económica y energéticamente eficiente que utiliza ventiladores para intercambiar el aire interior con el aire exterior en climas fríos. El calor se transfiere del aire caliente saliente al aire frío entrante a través de un intercambiador de calor de aluminio, lo que permite ventilar eficazmente un espacio sin reducir significativamente la temperatura y, por lo tanto, sin desperdiciar la energía que se utilizó para calentar ese espacio.

Los sistemas de ventilación como este se han utilizado durante décadas en los hogares para controlar la humedad sin perder el calor de la casa. Se fabrican en diferentes tamaños, que por lo general se miden en pies cúbicos por minuto (CFM), lo que indica el volumen de aire que una unidad puede intercambiar en un tiempo determinado. La unidad HRV elegida para este proyecto fue un modelo 100H de Fantech, con una capacidad nominal de 106 CFM.

Determinación del tamaño del HR

Determinar el tamaño del ventilador para este proyecto fue una cuestión de conjeturas. Para la ventilación de túneles altos en verano, cuando el control de la temperatura es el objetivo principal, se recomienda diseñar un sistema de ventilación capaz de renovar todo el volumen de aire del túnel cada minuto. Esto permite mantener la temperatura interior a solo ocho grados por encima de la temperatura exterior (Extensión Cooperativa, 2014). Por otro lado, para el cultivo en invierno se necesitan menos recambios de aire, ya que el control de la humedad es la principal preocupación. Para este proyecto, un punto de partida adecuado, aunque un poco arbitrario, parecía ser medio recambio de aire por hora. A este ritmo, el volumen total de aire del túnel se intercambiaría con aire exterior 12 veces en el transcurso de un día.

Figura 2

Para elegir el tamaño de un ventilador, es necesario determinar el volumen de aire del túnel alto. Para calcularlo, es más fácil determinar por separado el volumen de la base y el del punto más alto, y luego sumarlos. Los túneles de estilo gótico de este proyecto medían 20 pies de ancho por 96 pies de largo por 12 pies en la parte más alta; por lo tanto, para calcular el volumen de la sección triangular superior, se multiplican 6 pies por 10 pies por 96 pies, lo que da un resultado de 5,760 pies cúbicos. El volumen de la sección inferior es de 6 pies por 20 pies por 96 pies, es decir, 11,520 pies cúbicos. El volumen total de aire del túnel es de 17,280 pies cúbicos. Véase la Figura 2.

Una vez que se conoce el volumen de aire en pies cúbicos del túnel, se utiliza la siguiente fórmula para determinar los pies cúbicos por minuto (CFM) necesarios para renovar todo el volumen de aire cada dos horas, donde V es el volumen total de aire:

Todos los componentes y materiales necesarios para instalar el sistema de recuperación de calor caben fácilmente en la caja de una camioneta pequeña. Foto: Chris Lent, NCAT

CFMuk = (V/2)⁶⁰
CFM = (17 280/2)⁶⁰
CFM = 144

Por lo tanto, necesitaríamos una unidad de ventilación con una capacidad nominal de 144 CFM. Para este proyecto se eligió una unidad de 106 CFM con el fin de ahorrar dinero; sin embargo, esto resultó ser un error. Tras ver los resultados, los participantes concluyeron que hubiera sido mejor elegir una unidad de mayor capacidad, en lugar de una de menor capacidad.

Instalación

La instalación del equipo de ventilación para este proyecto tomó seis horas. Esto incluye el tiempo necesario para configurar el equipo de recolección de datos y monitoreo. Una sola persona puede realizar la mayor parte de la instalación, pero se necesita algo de ayuda para colocar la unidad de ventilación en su lugar de manera segura. A continuación se presentan instrucciones ilustradas sobre cómo se instaló el sistema y las herramientas necesarias para la instalación.

Descripción y análisis del proyecto

El proyecto se propuso responder las siguientes cuatro preguntas:

1. ¿Puede un intercambiador de calor aire-aire mantener la humedad relativa (HR) por debajo del 85 % durante la producción invernal en un túnel alto?
2. ¿Un túnel alto que se ventila con un intercambiador de calor en climas fríos tendrá una temperatura media diaria más alta en comparación con un túnel con ventilación tradicional?
3. Si se eleva la temperatura promedio diaria mediante el uso de un intercambiador de calor, ¿aumenta en consecuencia el crecimiento de los cultivos y en qué medida?
4. Si el crecimiento de los cultivos aumenta significativamente, ¿el incremento en la producción justifica el costo de un ventilador con recuperación de calor?

Easy Log: se colocaron registradores de datos USB tanto en los túneles como en el exterior. Foto: Chris Lent, NCAT

Para este proyecto se seleccionaron dos túneles altos de 20 pies por 96 pies en la granja New Morning Farm. El equipo de ventilación se instaló en el túnel alto inferior (LHT), mientras que el túnel alto superior (UHT) se utilizó como grupo de control. Con el fin de igualar las condiciones del suelo en cada túnel, a principios de septiembre se tomaron muestras de suelo en cada uno de ellos y se enviaron a los Laboratorios Analíticos de Penn State para su análisis. Los suelos se acondicionaron según los resultados de las muestras para preparar el cultivo de invierno, compuesto por la mitad de verduras asiáticas y la otra mitad de espinacas, que se plantaron en cada túnel.

Todo el equipo de ventilación y registro de datos se compró en septiembre. Esto incluyó un ventilador con recuperación de calor Fantech de 106 CFM, una campana de suministro de aire y otra de extracción, conductos flexibles y registradores de datos EL-USB 2 para el registro de temperatura y humedad. La mayor parte del equipo se compró en línea, pero algunos de los materiales para la instalación se adquirieron en tiendas locales de suministros. El desglose de lo que se recibió por envío frente a las compras locales aparece en la sección «Equipo y costos», más arriba.

El 6 de octubre de 2015, se instalaron los equipos de ventilación en LHT y los registradores de datos tanto dentro de los túneles altos como fuera de ellos.

Los túneles se plantaron y se cerraron para el invierno el 29 de octubre, y fue entonces cuando los registradores de datos comenzaron a registrar información. El registro de datos se detuvo el 21 de marzo de 2016, cuando se abrieron los túneles y se prepararon para los cultivos de verano. Un factor que debe tenerse en cuenta y que pudo haber afectado los datos es que el clima durante el otoño y principios del invierno fue relativamente cálido. Esto es importante porque la unidad de ventilación debería ofrecer el mayor beneficio al mantener temperaturas más altas en días fríos y soleados. Es en esos momentos cuando hace calor en el túnel y la ventilación normal reduciría la ganancia de calor en el interior. Por lo tanto, en un año más frío, podríamos haber observado una ventaja de temperatura mayor con el HRV.

A mediados de diciembre, ya se había cosechado la primera cosecha de espinacas en el LHT (foto de arriba) y el UHT estaba listo para la cosecha (foto de abajo). Fotos: Pearl Wetherall, New Morning Farm

Análisis de la humedad

Para responder a la primera pregunta y determinar si el intercambiador de calor controlaba la humedad en el túnel, se compararon los datos de humedad relativa (HR) de los dos túneles (véase el Gráfico 1). La línea rosa continua (en el centro del conjunto superior) del Gráfico 1 muestra que el ventilador de recuperación de calor no pudo mantener la humedad relativa en el LHT por debajo del umbral del 85 %.

De hecho, las lecturas de humedad relativa en ambos túneles fueron más altas de lo previsto. La humedad relativa promedio en el LHT durante el período de la prueba fue de 94.8 %, en comparación con la humedad relativa promedio del túnel alto superior, que fue de 99.5 %. En igualdad de condiciones, esto indica que el ventilador ayudó a reducir la humedad en promedio en casi un 5 % en el LHT. Aunque no mantuvo la humedad relativa por debajo del 85 %, sí redujo la humedad relativa promedio durante el invierno.

También se puede observar en el Gráfico 1 que la humedad relativa (HR) en el LHT se corresponde más estrechamente con las lecturas de humedad relativa del exterior que las lecturas de humedad relativa del UHT. Una explicación posible y probable para esto es que el HRV del LHT estaba introduciendo aire más frío y seco del exterior, lo que reducía la humedad relativa dentro del túnel alto. En lo que respecta a la humedad relativa, estos datos muestran que el HRV funcionaba según lo previsto.

Nota: Algunas lecturas de humedad relativa (HR) en ambos túneles fueron superiores al 100 %, lo que indica problemas de calibración en el equipo de recolección de datos. Sin embargo, las lecturas de las tres fuentes (LHT, UHT y OUT) se correlacionan entre sí, lo que indica que, al menos, los registradores de datos estaban leyendo de manera consistente. Además, los túneles altos se regaron con aspersores aéreos antes de la siembra. Esto saturó el suelo y proporcionó una fuente constante de humedad durante todo el proyecto, lo que contribuyó a las altas lecturas de humedad.

Gráfico 1. Temperatura y humedad en los tres tratamientos (datos suavizados)

Análisis de la temperatura

Para responder a la pregunta de si el ventilador aumenta o no la temperatura promedio diaria, se compararon los datos de ambos túneles. En el Gráfico 1, el conjunto de líneas inferior indica los puntos de datos de temperatura. Las temperaturas del LHT superaron a las del UHT varias veces durante el invierno. Sin embargo, en promedio, la temperatura diaria en el LHT fue de 42.2° F, y la temperatura en el UHT fue ligeramente más alta, de 42.6°. Por lo tanto, la temperatura diaria promedio aumentó ligeramente en el LHT. Una explicación para esto podría ser el funcionamiento del ventilador en el túnel inferior; sin embargo, la diferencia es muy pequeña.

Hubo muchas variables que pudieron haber influido en este resultado de temperatura, y estas se analizan en la sección «Observaciones» de esta publicación.

Gráficos 2, 3 y 4.

El Gráfico 2 muestra comparaciones directas entre los dos túneles altos: el UHT, que es el de control, y el LHT con el HRV instalado. La línea de relación 1:1 en los gráficos sirve como referencia: si los puntos de datos se encuentran en la línea, significa que los túneles altos están funcionando exactamente igual. Al comparar la humedad relativa (Gráfico 2), el LHT presentó una humedad reducida, como lo demuestran los numerosos puntos de datos que se encuentran por encima de la línea de relación 1:1. Esta tendencia es consistente con el uso del HRV.

La comparación de temperaturas (Gráfico 3) revela una tendencia en la que el sistema UHT se mantuvo más frío que el LHT, con numerosos puntos por debajo de la línea de relación 1:1, salvo en las temperaturas más bajas, donde el UHT se mantuvo más caliente que el LHT. Este resultado fue inesperado, pero considerando que el sistema HRV estaba controlado por un termostato externo que se apagaba si las temperaturas bajaban de los 35° F, con el fin de evitar que se congelara la línea de condensación, no es sorprendente que el HRV no funcionara a temperaturas más bajas.

El punto de rocío (Gráfico 4) siguió una tendencia similar a la de la temperatura, en la que el UHT presentó un punto de rocío más alto a temperaturas más bajas y un punto de rocío ligeramente más bajo a temperaturas más altas.

Punto de rocío

Los datos del punto de rocío no eran algo que se nos hubiera ocurrido analizar al iniciar el proyecto; sin embargo, los registradores de datos utilizados en el proyecto calculan automáticamente el punto de rocío. Podría ser importante tomar en cuenta el punto de rocío, ya que es la temperatura a la que se forma la condensación en las hojas, lo que crea condiciones más propicias para las enfermedades foliares. En un sistema de cultivo de túnel alto durante el invierno, cuanto más bajo es el punto de rocío, menos tiempo hay para que se forme la condensación, ya que la temperatura debe bajar lo suficiente como para enfriar las plantas hasta el punto de rocío.

Gráfico 5. Punto de rocío y humedad en los tres tratamientos (datos suavizados)

El punto de rocío promedio en el LHT fue de 40,3°, en comparación con los 42,2° del UHT. Esta diferencia de 2° no es muy grande, pero refleja la menor humedad relativa en el LHT y el efecto que esto tuvo sobre el punto de rocío. Esto significa que, en promedio, los cultivos del túnel alto más bajo tendrían que estar 2° más fríos que los del UHT para que se formara condensación en sus hojas. Basándonos en la pequeña diferencia de temperatura promedio observada en los dos túneles y en estos datos del punto de rocío, habría habido menos oportunidades para que se formara condensación en los cultivos del LHT. Es cierto que esta diferencia pudo haber sido demasiado pequeña como para tener un impacto significativo en el control de enfermedades.

Cultivos

Gráfico 6. Comparación de la producción agrícola entre UHT y LHT

Dado que las temperaturas promedio fueron casi iguales en ambos túneles, no cabría esperar un aumento de la producción en el LHT. Sin embargo, los datos de la cosecha muestran que el LHT produjo 211.6 libras más de espinacas y 167.3 libras más de verduras de hoja verde en la misma superficie de cultivo. (Véase el Gráfico 6.)

Las espinacas y las verduras se vendieron a un precio mínimo de 12 dólares la libra, por lo que, en términos económicos, el LHT generó 4,548 dólares más que el UHT. Si el aumento en la producción del LHT pudiera atribuirse al nuevo equipo de ventilación, la instalación del HRV se amortizaría más de cuatro veces durante el primer año.

Consumo de energía

El HRV que se instaló para este proyecto consume un máximo de 1,4 amperios a 120 voltios. Por lo tanto, como máximo, consume 168 vatios de energía cuando está en funcionamiento. La unidad no estuvo funcionando todo el tiempo durante el proyecto. Se apagaba cada vez que la temperatura bajaba por debajo de los 35 °F. Si calculáramos el consumo de energía en el peor de los casos, suponiendo que funcionara la mitad del tiempo, el consumo de energía en kilovatios para el período de prueba de cinco meses sería de 282 kW. A 0,12 dólares por kW, el costo de funcionamiento de la unidad sería de 33,84 dólares.

Conclusiones, observaciones y recomendaciones

El sistema HRV fue bastante sencillo de comprar e instalar; se trata de sistemas sencillos que utilizan materiales comunes. El costo total de todos los materiales y el equipo fue de aproximadamente 1,000 dólares.

Al analizar los datos, se observó que el HRV sí redujo la humedad relativa y, por lo tanto, el punto de rocío en el LHT. Sin embargo, la temperatura promedio diaria no aumentó de manera efectiva. La producción fue mayor en la parte inferior del túnel, pero no se puede concluir con certeza si esto se puede atribuir por completo al equipo de ventilación. Se necesitan más pruebas de este sistema para determinar su efectividad. No obstante, a través de este proyecto se han aprendido lecciones sobre lo que se podría haber hecho de manera diferente para aumentar la efectividad del HRV.

Originalmente, el objetivo del proyecto era medir el impacto de la ventilación de un túnel alto de producción invernal con un sistema de ventilación con recuperación de calor (HRV), en comparación con un túnel ventilado de manera tradicional. La ventilación tradicional implicaría abrir puertas y persianas para controlar la humedad en el túnel. Sin embargo, la práctica de gestión de New Morning Farm consiste en cerrar los túneles en otoño, cuando se siembran los cultivos de invierno, y luego dejar que un ventilador controlado por termostato ventile los túneles si la temperatura supera los 75° F. (Así es como se gestionaron los dos túneles utilizados en el proyecto durante la temporada de invierno siguiente, 2015-2016). Esto significa que, durante el invierno inusualmente cálido de este proyecto, los sistemas de ventilación tradicionales en ambos túneles se activaron con más frecuencia de lo habitual, lo que mitigó cualquier efecto que el sistema HRV pudiera haber tenido durante esos períodos. Por esta razón, el invierno templado podría haber influido en los datos, y los resultados podrían haber sido muy diferentes en un año más frío, o si el proyecto se hubiera trasladado más al norte.

En la misma línea, el sistema HRV se controlaba mediante un termostato externo que lo apagaba si la temperatura bajaba de los 35° F. Esto se hacía para evitar que se congelara la línea de condensación. Podría decirse que el HRV sería más beneficioso en condiciones en las que las temperaturas son más bajas que 35°, pero el sol está brillando y calienta el túnel. En estas condiciones, el HRV podría ventilar la humedad sin perder el calor obtenido del sol. El hecho de que la unidad se apagara a 35° F pudo haber reducido su efectividad en este proyecto. Existen unidades HRV con sistemas de descongelación que resolverían este problema, pero consumen más energía al funcionar, lo cual fue un factor a considerar en este proyecto.

Otro factor que pudo haber influido en los resultados de este proyecto es que la unidad de 106 CFM elegida para este proyecto era, casi con toda seguridad, de un tamaño insuficiente para la tarea. Al considerar el tamaño del túnel y con el objetivo de lograr un par de recambios de aire por hora, una unidad de 200 CFM o más habría realizado un mejor trabajo en el recambio de aire del túnel y, por esta razón, habría sido una mejor opción.

Referencias

Hartman, Ben. 2014. Ocho consejos para tener éxito en invierno. Growing for Market. Octubre.

Worley, John. 2014. Invernaderos: calefacción, refrigeración y ventilación. Boletín 792. Extensión Cooperativa, Universidad de Georgia, Atenas, GA.

Cultivo invernal en túneles altos con ventilación de recuperación de calor
Por Chris Lent, especialista agrícola del NCAT
Publicado en septiembre de 2016
Actualizado en agosto de 2016
©NCAT
IP523
Slot 549
Versión 092116

Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT) a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Esta publicación también ha sido posible, en parte, gracias al financiamiento de Northeast Sustainable Agriculture and Education. ATTRA.NCAT.ORG.