Extensión sostenible de la temporada: consideraciones para el diseño

Resumen

El cultivo de alimentos en climas fríos puede resultar difícil, pero el uso de técnicas para prolongar la temporada de cultivo, como los semilleros, los túneles de plástico y los invernaderos, puede ayudar a superar estos retos. Esta publicación evalúa varios elementos de diseño de invernaderos y su eficacia para prolongar la temporada de cultivo en climas fríos.

Estructura de un invernadero tipo «hoop house» en Belgrado, Montana. Foto: Dave Ryan, NCAT

Introducción

Cultivar alimentos en climas fríos puede ser difícil. Las fluctuaciones extremas de temperatura, las temporadas de cultivo cortas y la baja humedad se encuentran entre los retos a los que se enfrentan los productores en estos climas. Sin embargo, el uso de técnicas de extensión de la temporada, como los semilleros, los túneles de plástico y los invernaderos, puede ayudar a superar estos retos. La extensión de la temporada se refiere a las técnicas o estructuras que permiten cultivar los cultivos más allá de su temporada normal de cultivo al aire libre. La extensión de la temporada permite a los agricultores producir cultivos comerciales en climas fríos, mejorando la rentabilidad de las pequeñas explotaciones agrícolas y aumentando el acceso de los consumidores a productos cultivados localmente.

Esta publicación ayuda a los productores a evaluar los elementos de diseño de los invernaderos para climas fríos. Las técnicas que aquí se describen podrían aplicarse a semilleros, invernaderos y estructuras tipo «hoop house» —o a cualquier edificio, en realidad—. Por lo tanto, los términos «invernadero» y «hoop house» se utilizan indistintamente a lo largo de esta publicación.

En la producción agrícola a pequeña escala —al igual que en cualquier otra industria— la economía es lo que manda. En todos los estados se utilizan invernaderos comerciales de alto costo para producir cultivos comerciales. Por lo general, estos invernaderos se calientan y se refrigeran mediante ventiladores eléctricos y enfriadores evaporativos, así como calentadores que funcionan con gas natural o petróleo. El consumo de energía en estas instalaciones puede representar entre el 10 y el 30 % de los costos operativos del invernadero (Wisconsin Focus on Energy, 2008). Los invernaderos tipo arco (también llamados «túneles altos») son invernaderos sencillos que cuentan con pocos o ningún sistema de calefacción o enfriamiento, aparte del calentamiento solar natural y la ventilación natural. Los invernaderos tipo arco ofrecen menos control sobre las condiciones ambientales que los invernaderos completos, pero también son considerablemente más económicos. Se construyen con tubos doblados en forma de arco y, por lo general, no tienen cimientos. Normalmente se cubren con una sola capa de plástico y se ventilan enrollando la cubierta por los lados. Un túnel alto típico es relativamente fácil de desmontar y montar. En la mayoría de las zonas, esto es una ventaja porque no tiene cimientos y se considera una estructura «no sujeta a impuestos».

Esta publicación utiliza un diseño común de invernadero tipo arco como base para las comparaciones de diseño. El objetivo es determinar hasta qué punto ciertas características de diseño pueden prolongar la temporada de cultivo. Como verás, la duración de la temporada de cultivo en un clima frío puede aumentarse significativamente mediante el uso de un invernadero tipo arco y la mejora de los recubrimientos, la reducción de las fugas de aire y el aumento de los niveles de aislamiento.

Invernadero tipo «hoop house». Fuente: NCAT

¿Eres agricultor en una región de clima frío?

El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) ha designado «zonas» específicas en todo el territorio de los Estados Unidos basándose en las fechas promedio de la primera y la última helada, así como en las temperaturas mínimas y máximas. El mapa de zonas de resistencia del USDA divide América del Norte en 11 zonas distintas; cada zona es 10° Fahrenheit más cálida (o más fría) en un invierno promedio que la zona adyacente (Arboreto Nacional de EE. UU., 1990). Si ves una zona de resistencia en un catálogo o en la descripción de una planta, es probable que se refiera al mapa del USDA. Consultar el mapa ayuda a establecer una estimación aproximada de qué tipos de cultivos, árboles y arbustos crecen en tu zona. Para encontrar tu zona, haz clic aquí.

Metodología

Esta publicación se basa en datos del Año Meteorológico Típico (TMY) para ayudar a evaluar el diseño de los invernaderos con el fin de predecir mejor la temporada de cultivo, con el objetivo general de prolongar la temporada hasta más adelante en el otoño y adelantarla en la primavera. Los métodos descritos también podrían utilizarse para evaluar la temporada de cultivo de plantas que necesitan mantenerse a temperaturas más altas, modificando la temperatura interior deseada en los cálculos. Los ejemplos se basan en el punto de congelación (32 °F).

En concreto, las evaluaciones de esta publicación se basan en datos del TMY correspondientes a Butte, Montana (Zona 3 del USDA). Esta evaluación analizará las implicaciones del clima extremo de Butte en tres casos:

• Un jardín al aire libre sin ningún tipo de invernadero
• Un invernadero tipo «arco» de «caso base» que mide 4 metros por 8 metros (aproximadamente 12 pies por 24 pies). Este modelo de invernadero tipo «arco» está construido con tubos de PVC y cubierto con una sola capa de polietileno de 6 mil. Este modelo presenta una alta tasa de infiltración de aire (a menudo se le denomina «con fugas»).
• Un invernadero tipo arco con dos capas de polietileno y construido de manera mucho más hermética (con menos fugas), que incluye aislamiento de espuma rígida alrededor del perímetro. Este invernadero tipo arco de «alto rendimiento» demostrará que el costo y el esfuerzo adicionales que implica hacer que el invernadero sea más eficiente energéticamente se traducirán en una temporada de cultivo más prolongada en climas fríos.

Principios básicos de diseño

Los dos objetivos principales al diseñar un invernadero tipo arco para climas fríos son la captación eficiente de energía solar y la prevención de la pérdida de calor. (El almacenamiento de calor también es importante, pero dado que depende en gran medida de cada invernadero en particular, solo se aborda en términos generales.) Estos objetivos pueden lograrse con los siguientes principios básicos de diseño:

• Orientación solar: El invernadero tipo «hoop house» está orientado para recibir el máximo calor solar durante el invierno.
• Acristalamiento: El material de acristalamiento se selecciona e instala de manera que se minimice la pérdida de calor.
• Pérdida de calor: Se instalan grandes cantidades de aislamiento en lugares donde hay poca o ninguna luz solar directa.

Figura 1. Trayectoria del sol a 40 grados de latitud norte. Fuente: Barbara Bellows, NCAT

Orientación solar

Dado que la energía solar es más intensa en el lado sur de un edificio, lo ideal es que los acristalamientos de los invernaderos solares estén orientados hacia el sur verdadero. Sin embargo, si hay árboles, montañas o edificios que bloquean la trayectoria del sol cuando el invernadero está orientado hacia el sur verdadero, una orientación con una desviación de entre 15° y 20° respecto al sur verdadero proporcionará aproximadamente el 90 % de la captación solar que se obtendría con una orientación hacia el sur verdadero. La latitud de tu ubicación y la presencia de posibles obstáculos también pueden requerir que ajustes ligeramente la orientación de tu invernadero respecto al sur verdadero para obtener un aprovechamiento óptimo de la energía solar (Mother Earth News, 1978). Algunos cultivadores recomiendan orientar el invernadero ligeramente hacia el sureste para obtener la mejor captación solar en la primavera, especialmente si el invernadero se utiliza principalmente para cultivar plántulas (Wang, 2006). Para determinar la orientación solar adecuada en tu zona, visita el programa de mapas solares en la página web del Laboratorio de Monitoreo de Radiación Solar de la Universidad de Oregón. Necesitas conocer tu latitud, longitud y zona horaria para utilizar este programa.

Inclinación del material de acristalamiento

Además de la orientación norte-sur, los paneles de vidrio del invernadero deben tener la inclinación adecuada para absorber la mayor cantidad posible de calor solar. Una buena regla general es sumar 10° o 15° a la latitud del lugar para obtener el ángulo adecuado. Por ejemplo, si te encuentras en el norte de California o en el centro de Illinois, a una latitud de 40° norte, entonces el acristalamiento debe tener una inclinación de entre 50° y 55° (40° + 10° o 15°) (Bellows, 2008).
Los invernaderos de arcos están compuestos básicamente por acristalamiento; la cubierta se coloca sobre los arcos y se tensa hasta el suelo o cerca de él. Existen referencias contradictorias sobre cuál es la mejor orientación para los invernaderos de arcos; algunas indican que la orientación norte-sur es la mejor en verano, mientras que la orientación este-oeste es la mejor en invierno. Esta publicación asume una orientación norte-sur.

Sombreado

El invernadero debe ubicarse de manera que reciba la mayor exposición solar posible. Los árboles y otros edificios que den sombra al invernadero tendrán un efecto negativo muy marcado en las plantas que crecen en la zona sombreada del invernadero. En climas fríos, el objetivo es aprovechar al máximo la energía solar mediante una orientación adecuada. Las temperaturas más bajas del aire pueden ayudar a refrescar el invernadero.

Acristalamiento

La resistencia a la entrada de energía solar en el invernadero se denomina coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC). El SHGC varía según el material y viene determinado por la transmisión de luz a través del acristalamiento y por el calor que este absorbe y vuelve a irradiar al interior del invernadero. Cuanto más pesados sean los materiales y la estructura del acristalamiento, mayor será la diferencia entre el SHGC y la transmisión de luz; sin embargo, el SHGC suele ser mayor que la transmisión, aproximadamente un 2 %. La Tabla 1 muestra la transmisión de luz de los productos de acristalamiento más comunes.

Tabla 1. Características del acristalamiento

(Bellows, 2008)

Una nota sobre las unidades de medida:

La Figura 2 muestra la radiación solar promedio disponible anualmente en kilovatios-hora (kWh) por día. Un kWh equivale a 3413 unidades térmicas británicas (Btu). La mayoría de los sistemas de calefacción se clasifican en Btu por hora de capacidad de calefacción; una caldera doméstica típica podría tener una capacidad de 100 000 Btu por hora. Según el mapa del NREL, Butte, Montana, recibe un promedio de aproximadamente 4,5 kWh por metro cuadrado de superficie inclinada según el ángulo de latitud (en Butte, eso es aproximadamente 45°). Esto equivale a un promedio de 4,5 kWh por día por metro cuadrado de superficie * 3413 Btu por kWh = 15 359 Btu por día por metro cuadrado de entrada. Si la superficie del acristalamiento del invernadero, con el ángulo de inclinación correspondiente a la latitud, mide 4 metros por 8 metros (aproximadamente 12 pies por 24 pies), entonces la entrada solar promedio anual es de 15 359 × 4 × 8 = 491 488 Btu por día.

Los demás cálculos de esta publicación se basan en la iluminancia horizontal de un invernadero tipo «hoop house» con una cubierta mayoritariamente transparente.

Figura 2. Radiación solar fotovoltaica anual por ubicación. Fuente: NREL

La ganancia de energía en un invernadero debido al calentamiento solar depende de la cantidad de radiación solar que incide sobre la superficie del recubrimiento del invernadero, tanto de manera directa como indirecta. La mayor parte de la energía proviene directamente del sol, pero algunas superficies, como los edificios y los árboles, también pueden generar ganancia solar. Si bien la Figura 2 muestra el aporte solar promedio anual, el aporte promedio diario es más útil porque ayuda a identificar los «extremos» críticos de la temporada de cultivo. El objetivo es determinar cuánta energía suele estar disponible en la primavera y el otoño para planificar en qué medida es posible extender la temporada. Los datos TMY proporcionan un estándar para los datos por hora de la radiación solar y otros elementos meteorológicos que permiten comparar el desempeño de distintos tipos y configuraciones de sistemas en una o más ubicaciones.

Acerca de TMY Data

Un año meteorológico típico no es necesariamente un buen indicador de las condiciones que se darán durante el próximo año —ni siquiera durante los próximos cinco años—. Más bien, representa las condiciones que se consideran típicas a lo largo de un período prolongado, como por ejemplo 30 años. Dado que representan condiciones típicas y no extremas, los años meteorológicos típicos (TMY) no son adecuados para diseñar sistemas y sus componentes con el fin de que resistan las condiciones más adversas que puedan darse en un lugar. Sin embargo, los datos del TMY indican qué se puede esperar en cuanto a las condiciones climáticas típicas de una ubicación, tales como:

•  Cantidad total de radiación solar directa y difusa que recibe una superficie horizontal durante un período de tiempo (para calcular la ganancia de calor solar)
•  Temperatura del aire «en bulbo seco» (para calcular la pérdida de calor del invernadero)

También influyen otros factores climáticos, como la velocidad del viento y la nubosidad, pero esta publicación analiza únicamente la ganancia solar y la pérdida de calor de la estructura del invernadero.

La información más reciente se puede encontrar en los datos de TMY3. TMY3 se basa en datos de 1,020 localidades de los Estados Unidos, incluyendo Guam, Puerto Rico y las Islas Vírgenes de los Estados Unidos, derivados de un período de registro de 1976 a 2005, cuando estaba disponible, y de un período de registro de 1991 a 2005 para todas las demás localidades (Wilcox, 2008).

El manual de usuario de los datos TMY3 se puede consultar aquí.

Los datos TMY se presentan por hora. La ganancia y la pérdida de calor solar diarias pueden calcularse simplemente sumando los datos de las 24 horas de cada día. La Tabla 2 ofrece un ejemplo de datos TMY3 para el 1 de enero en Butte, Montana. La última columna, GHI (iluminancia horizontal global), representa la incidencia solar directa más la radiación difusa que incide sobre la superficie horizontal procedente de los objetos que la rodean.

Tabla 2. Datos del año meteorológico típico para el 1 de enero (Butte, Montana)

Fuente: NREL

La suma del GHI del día es de 862 vatios-hora por metro cuadrado horizontal. En enero, 0,862 kWh por metro cuadrado, o 94 144 Btu al día, para un invernadero de 12 pies por 24 pies, probablemente no evitará que el invernadero se congele con el frío clima de enero. La Tabla 6, que aparece más adelante en esta publicación, compara la pérdida de calor para el mismo día de enero con la energía solar recibida ese día.

Figura 3. Aporte solar típico en Butte, Montana. El gráfico muestra el aporte solar en el piso del invernadero tipo túnel. Fuente: NCAT

Nota sobre cómo sumar los datos por día

Los datos TMY se almacenan en un formato informático denominado «texto ASCII». Los datos pueden utilizarse en su forma sin procesar, pero dado que hay 8,760 horas en un año y datos para cada hora, hacerlo así requeriría una considerable cantidad de trabajo de ingreso de datos con una calculadora. Es más eficiente utilizar una hoja de cálculo de Excel o, mejor aún, una base de datos de Access para analizar los datos. La Figura 3 utiliza Excel para mostrar la ganancia solar típica de Butte, Montana.

Pérdida de calor

Existen tres causas principales de pérdida de calor en un invernadero:

• Pérdida de calor por conducción a través del recubrimiento o acristalamiento. Esto se debe a la diferencia de temperatura entre el interior del invernadero y el aire exterior.
•  Infiltración, o entrada de aire frío al invernadero. El aire frío que entra al invernadero expulsa el aire caliente, lo que obliga a calentar el aire frío que ingresa.
• Pérdida de calor perimetral, es decir, la pérdida de calor que se produce alrededor de los bordes exteriores del invernadero a nivel del suelo. La pérdida de calor perimetral puede reducirse aislando y sellando el invernadero para disminuir la infiltración de aire.

Esta publicación analiza dos invernaderos teóricos del mismo tamaño y forma, pero con diferentes tipos de recubrimiento, diferentes tasas de fuga de aire y diferentes pérdidas perimetrales.

Figura 4. Transferencia de calor a través de un recubrimiento de invernadero de doble capa. Fuente: NCAT

Pérdida de calor por conducción

La pérdida de calor por conducción (Qc) depende de las características de transferencia de calor del recubrimiento del invernadero, del área de dicho recubrimiento y de la diferencia de temperatura a través del mismo. Se calcula mediante la fórmula Qc = UAΔT. El coeficiente de transferencia de calor (U) es el recíproco de las resistencias sumadas de la(s) cubierta(s), el espacio de aire entre las cubiertas y las capas de aire justo en el interior y el exterior de las cubiertas. El movimiento del aire en el interior y el exterior de la cubierta del invernadero también contribuye a la pérdida de calor por conducción a través de la cubierta. La Figura 4 representa la transferencia de calor a través de una cubierta de invernadero de doble capa.

La mayoría de los recubrimientos flexibles para invernaderos tienen un espesor de 6 mils. Un mil equivale a 1/1000 de pulgada, por lo que 6 mils equivalen a 0.006 pulgadas de espesor. El espacio de aire entre los recubrimientos puede integrarse en el diseño del invernadero. Los coeficientes de transferencia de calor global (valores U) para diversos materiales de acristalamiento se enumeran en la Tabla 3. El valor U supone cierto movimiento de aire y toma en cuenta el espesor del material de acristalamiento, el espesor del espacio de aire entre ambos y, en algunos casos, si el espacio de aire está lleno de algún gas distinto del aire (como el argón). Los fabricantes de acristalamientos también pueden aplicar un recubrimiento al material de acristalamiento que reduzca la emisividad del vidrio (denominados recubrimientos «low-e»). Las unidades del coeficiente de transferencia de calor global son Btu por pie cuadrado por grado F por hora (BtuFt² F Hr).

Tabla 3. Tipos de materiales de recubrimiento

Fuente: Universidad de Georgia, Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales

Tabla 4. Pérdida de calor y capacidad aislante de los recubrimientos para invernaderos

Fuente: Adaptive Plastics, Inc.

Cobertura de pérdidas por rotura de cristales

El área de transferencia de calor incluye todas las superficies del invernadero expuestas al aire exterior. En nuestro análisis de ejemplo, se supone que la temperatura del suelo no es inferior a 32 °F (ya que el objetivo es la protección contra las heladas). El análisis se basa en un invernadero tipo arco construido con tubos de PVC de 2 pulgadas de diámetro, que mide 12 pies de ancho por 24 pies de largo (aproximadamente 4 metros por 8 metros). El tubo de PVC mide 20 pies de largo, por lo que calcular el área de la cubierta es sencillo: 20 pies por 24 pies = 480 pies cuadrados. El área de los extremos del invernadero, si estos son semicírculos, es πr², donde r = 6.37 pies. El área total de los extremos es de 127.48 pies cuadrados. El área total expuesta a la intemperie es de 607.5 pies cuadrados.

Nuestro análisis compara dos tipos de material de recubrimiento: polietileno de una sola capa, con un coeficiente de transferencia de calor de 1,2; y el recubrimiento en rollo Solexx™, que tiene un valor U de 0,48. La transferencia de calor (Qc) es ahora de 607.5 pies cuadrados * U en Btu por pie cuadrado por grado F por hora * diferencia de temperatura, o 706 ΔT para el recubrimiento de una sola capa, y 291.6 ΔT para el Solexx™ de doble pared. Se requiere la diferencia de temperatura para completar el cálculo, la cual se puede obtener a partir de los datos del TMY3 sobre las temperaturas típicas del aire exterior para nuestra ubicación. Una vez más, para la protección contra las heladas, se deben mantener temperaturas en el invernadero que no sean inferiores a 32 °F.

Pérdida de calor por infiltración

El aire frío (menos de 32 °F) que se filtra al interior del invernadero debe calentarse; de lo contrario, causará daños por congelación a las plantas del invernadero. La pérdida de calor (Qi) es básicamente la masa de aire (volumen × densidad del aire) que ingresa al invernadero desde el exterior, multiplicada por la capacidad calorífica (Cp) del aire y luego multiplicada por la diferencia de temperatura (ΔT) entre el aire exterior y el aire interior (Qi = VrCpΔT). Una vez más, solo nos interesan las horas del año en las que la temperatura del aire exterior está por debajo del punto de congelación. El volumen de aire que ingresa al invernadero debido a fugas se mide en la industria en cambios de aire típicos por hora (ACH). Un cambio de aire significa que todo el volumen de aire del invernadero ha sido reemplazado por aire exterior debido a fugas a través de la cubierta y alrededor de la base del invernadero. Un invernadero con fugas podría tener dos ACH, mientras que uno muy hermético podría tener medio ACH. Nuestro análisis incluye dos casos: uno en el que el invernadero tiene un ACH y otro en el que tiene dos ACH.

Por ejemplo, si un invernadero tipo arco mide 24 pies de largo y tiene forma semicircular con un radio (r) de 6.37 pies, el volumen de aire en el invernadero es (πr²/2) * l = 1530 pies cúbicos de aire. La densidad del aire es de aproximadamente 0,071 libras por pie cúbico a las temperaturas que nos interesan, y la capacidad calorífica del aire es de aproximadamente 0,17 Btu por libra-grado F. Por lo tanto, la pérdida de calor por un cambio de aire por hora es de 486,9 pies cúbicos × 0,071 libras/pie cúbico × 0,17 Btu/libra-grado F × ΔT = 18,46 ΔT. Los datos del TMY3 identifican las horas en las que la temperatura del aire es inferior a 32 °F para determinar la duración de la temporada.

Pérdidas térmicas perimetrales y por el suelo

Pérdida de calor por el perímetro

La pérdida de calor en el perímetro del invernadero se puede calcular utilizando la fórmula Qp = F * P * ΔT
donde:
F = factor de pérdida de calor en el perímetro (Btu/hora por pie lineal por °F): sin aislamiento 0,8; con aislamiento 0,4
P = perímetro del invernadero (en pies)

En nuestro ejemplo, el perímetro es la distancia que recorre el exterior del invernadero a nivel del suelo, es decir, (2 × 12 pies) (los extremos) + (2 × 24 pies) (los lados) = 72 pies. El factor de pérdida de calor perimetral para invernaderos sin aislamiento es de 0,8, por lo que la pérdida de calor es Qp = 0,8 × 72 × ΔT o 57,6ΔT. Aislar el perímetro del invernadero con dos pulgadas de espuma rígida reducirá la pérdida de calor perimetral a la mitad.

Pérdida térmica total estimada en función de la diferencia de temperatura

Las pérdidas de calor de todas las fuentes se suman, lo que representa una función de la diferencia entre la temperatura del aire interior y la temperatura del aire exterior. La Tabla 5 muestra las estimaciones de las pérdidas totales de calor para dos tipos de revestimiento, dos niveles de aislamiento perimetral y dos niveles de infiltración de aire, basadas en una temperatura del aire interior de 32 °F.

Al comparar estas cifras, se observa que la mayor pérdida de calor por conducción se produce a través del recubrimiento del invernadero tipo arco. Incluso con doble acristalamiento, la pérdida de calor es 16 veces mayor que la pérdida por infiltración y cinco veces mayor que la pérdida por el perímetro.

Tabla 5. Pérdida total de calor

Fuente: NCAT

Balance térmico

Si restamos 32 °F de la temperatura del aire exterior cada hora en los datos TMY, podemos calcular la pérdida total de calor para esa temperatura del aire exterior a partir de las relaciones anteriores. No nos interesan las temperaturas superiores a 32 °F porque el invernadero no se congelará. La suposición clave es que, si la temperatura del aire exterior no está muy por debajo de los 32 °F y existe un balance térmico positivo en esas horas (es decir, la ganancia es mayor que la pérdida), entonces el invernadero no se congelará. Al tomar la ganancia solar diaria y restarle la pérdida de calor, podemos estimar cuántos días podemos evitar la congelación basándonos en el balance térmico. Así, podemos evaluar diferentes medidas para mejorar el aislamiento, aumentar la transmitancia solar y reducir la infiltración.

El clima en Butte, Montana

Según los datos de TMY correspondientes a Butte, Montana, hay 3,229 horas en las que la temperatura del aire exterior es inferior a 32o F. Como se muestra en la Figura 5, en Butte suele haber heladas casi todos los meses.

Figura 5. Temperatura del aire exterior en Butte, MT (F). Fuente: NCAT

La «temporada de cultivo» en Butte es el periodo en el que la temperatura por hora no baja de los 32 °F; por lo general, va del 1 de julio al 1 de septiembre, es decir, unas ocho semanas. Cuando el pronóstico del tiempo anuncia temperaturas bajas, los jardineros de Butte suelen cubrir sus jardines durante la noche.

Construir un invernadero de arcos de bajo costo, obviamente, prolongará la temporada de cultivo en un clima frío como el de Butte. Si analizamos los datos de TMY3 e ignoramos todas las horas en las que la temperatura exterior es superior a 32 °F, y luego observamos cuándo la ganancia solar menos las pérdidas es positiva, podemos ver que el invernadero tiene más posibilidades de proteger a las plantas durante una temporada de cultivo más larga (véase la Figura 6).

Figura 6. Ganancias y pérdidas solares en el caso base. Fuente: NCAT

La temporada de cultivo puede prolongarse aún más construyendo un invernadero más resistente mediante el uso de acristalamiento de doble pared, el aislamiento del perímetro y la reducción de las fugas de aire (véase la Figura 7).

Figura 7. Ganancia solar menos pérdida de calor para un invernadero de tipo «Efficient Case». Fuente: NCAT

Balance de calefacción al 1 de enero en Butte, Montana

La ganancia solar en Butte, Montana, el 1 de enero se muestra en el gráfico anterior. La Tabla 6 muestra la pérdida de calor del invernadero ese mismo día. Como se observa en la tabla, se necesitaría dos veces y media la ganancia de calor solar para evitar que el invernadero se congele.

Tabla 6. Pérdida de calor para el 1 de enero en Butte, Montana
Fuente: NCAT

Nuestro análisis no toma en cuenta la capacidad de almacenamiento térmico del suelo, la humedad y las herramientas y el equipo del invernadero. Estos materiales actuarán como una especie de batería térmica, lo que ayudará a suavizar las curvas de temperatura irregulares que se observan en los gráficos anteriores.

Almacenamiento de calor (masa térmica)

Tanto los materiales del interior del invernadero como el suelo tienen masa térmica. Esta masa térmica se calienta cuando le da el sol y se enfría después de que se pone el sol. La masa térmica del invernadero sirve para moderar las temperaturas, manteniendo el invernadero más fresco durante el día y más cálido por la noche. La ganancia solar diurna puede generar problemas de sobrecalentamiento incluso en las estaciones más frías, y si este calor puede ser absorbido por la masa térmica, esta puede actuar como una «batería» de energía y liberar el calor al invernadero durante la noche. Los conceptos de masa térmica se han comprendido y utilizado en edificios durante siglos, pero no existen buenos modelos matemáticos que los aborden. El proceso es demasiado complejo y cuenta con demasiadas variables como para tratarlo simplemente con modelos computacionales. El NCAT planea un estudio futuro sobre el almacenamiento pasivo de calor en invernaderos para determinar si se podría desarrollar un modelo numérico que permita predecir los cambios temporales de temperatura en los invernaderos.

Los invernaderos que permiten prolongar la temporada en climas fríos no pueden depender de sistemas basados en agua para el almacenamiento de calor, a menos que estén diseñados para protegerse contra las heladas durante los meses de invierno. La protección contra las heladas puede requerir mucho tiempo y ser costosa: el agua para el invernadero debe introducirse en el interior desde un punto situado por debajo de la línea de congelación mediante una toma de agua a prueba de heladas.

Conclusión

El cultivo en climas fríos es un reto, pero las técnicas de extensión de la temporada pueden ayudar a superar estos desafíos y permitir una temporada de cultivo más larga. Los datos del Año Meteorológico Típico pueden ayudar a evaluar diferentes diseños de invernaderos y a modelar la ganancia y la pérdida de calor solar en diseños específicos. Al estimar con precisión el impacto de una técnica específica de extensión de la temporada, los productores pueden determinar qué cultivos serían los más adecuados para la temporada de cultivo resultante. Aunque no es factible extender la temporada del invernadero a un funcionamiento durante todo el año sin calefacción suplementaria, un invernadero tipo arco de bajo costo, con aislamiento adicional y control de infiltración, tiene el potencial de extender la temporada de cultivo típica a más del triple de la temporada de cultivo habitual en climas fríos.

Referencias

Adaptive Materials, Inc. 2011. Invernaderos de doble pared Solexx y recubrimiento para invernaderos.

Bellows, Barbara. 2008. Invernaderos solares. Servicio Nacional de Información sobre Agricultura Sostenible (ATTRA). Publicación IP142.

Anónimo (eds.). 1978. «El fabuloso invernadero solar de almacenamiento de calor con barro de Joseph Orr». Mother Earth News. Mayo-junio de 1978.

Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL). 2008. Recursos solares fotovoltaicos: panel plano orientado hacia el sur a una latitud determinada. Departamento de Energía de EE. UU.

Laboratorio Nacional de Energía Renovable. 2005. Base de datos nacional de radiación solar: Actualización 1991-2005: Año meteorológico típico 3. Departamento de Energía de EE. UU.

Universidad de Georgia, sin fecha. Cubiertas para invernaderos. Universidad de Georgia, Facultad de Ciencias Agrícolas y Ambientales.

Arboreto Nacional de EE. UU. 1990. Descripción de las zonas de rusticidad del USDA. Extraído de: Publicación miscelánea del USDA n.º 1475, enero de 1990. Departamento de Agricultura de EE. UU.

Wang, Yong-Wei y Xi-Feng Liang. 2006. Rendimiento de un sistema de almacenamiento de calor subterráneo en un invernadero con doble cubierta de plástico. Revista Científica de la Universidad de Zhejiang. Marzo de 2006.

Wilcox, S. y W. Marion. 2008. Manual del usuario para los conjuntos de datos TMY3, NREL/TP-581-43156. Abril de 2008. Laboratorio Nacional de Energía Renovable, Golden, CO.

Wisconsin Focus on Energy. 2008. «Tropical Gardens se vuelve más verde». Hoja informativa BP-3182-1008. Wisconsin Focus on Energy.

Recursos adicionales

Sitios web

Iniciativa de túneles altos
 por el Servicio de Conservación de Recursos Naturales del USDA
Información sobre los túneles altos y la ayuda financiera a través del Programa de Incentivos para la Calidad Ambiental (EQIP).

Protección contra las heladas y cómo prolongar la temporada de cultivo por la Extensión de la Universidad Estatal de Colorado, Programa de Maestros Jardineros de Colorado.
Este artículo presenta diferentes tipos de coberturas para proteger las plantas contra las heladas. También ofrece una lista de recursos para profundizar en el tema.

Cultivo de hortalizas en un invernadero de pasatiempo por la Extensión de la Universidad Estatal de Colorado, Programa de Maestros Jardineros de Colorado.
Este artículo aborda la prolongación de la temporada, los invernaderos solares pasivos y las hortalizas de temporada fría y cálida. También ofrece una lista de recursos para profundizar en el tema.

Hightunnels.org
Este sitio web cuenta con un equipo de investigadores, especialistas en extensión agrícola, profesores, productores y otras personas que colaboran para compartir experiencias y conocimientos sobre los túneles altos. El sitio web ofrece muchos recursos útiles para productores y educadores.

Lista de verificación para el ahorro de energía en invernaderos particulares (adaptada) por John W. Bartok Jr., de la Universidad de Connecticut; A.J. Both, de la Universidad de Rutgers; y Paul Fisher, de la Universidad de New Hampshire.
Esta lista de verificación ayuda a calcular la pérdida de calor en los invernaderos según las características de diseño.

Diseño y construcción de espacios solares y invernaderos solares por Build It Solar.
Esta página web presenta numerosos recursos relacionados con el diseño y la construcción de invernaderos.

Publicaciones

Manual de Fundamentos de ASHRAE, 2009. Por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado, Inc., Atlanta, GA.
Disponible a través del autor:
ASHRAE
1791 Tullie Circle
Atlanta, GA 30329
800-527-4723
Fax 678-539-2187
mowen@ashrae.org
Los Manuales de ASHRAE son la norma de diseño para el control de ambientes construidos, con volúmenes sobre Sistemas y Equipos, Aplicaciones de HVAC, Refrigeración y Fundamentos.

Cómo construir tu propio invernadero. 1997. Por Mark Freeman. Stackpole Books, Mechanicsburg, PA.
Una guía para diseñar y construir semilleros, invernaderos independientes e invernaderos solares adosados a la casa. Disponible en:
Stackpole Books
5067 Ritter Rd.
Mechanicsburg, PA 17055
800-732-3669

Manual de producción en túneles altos. 2003. Por Bill Lamont y Mike Orzolek. Universidad Estatal de Pensilvania.
Este manual ofrece 18 capítulos con información útil sobre los túneles altos, incluyendo su construcción y mantenimiento, el entorno de cultivo y la calefacción. Disponible en:
Dr. Bill Lamont
Departamento de Horticultura
206 Edificio Tyson
Universidad Estatal de Pensilvania
University Park, PA 16802

Jardinería solar. 1994. Por Leandre Poisson y Gretchen Poisson. Chelsea Green Publishing, White River Jct., VT.
Este libro muestra cómo aprovechar al máximo la energía solar durante los meses más fríos del año y cómo proteger las plantas delicadas de la intensidad del sol abrasador durante los meses más calurosos mediante el uso de «miniinvernaderos» solares. El libro incluye instrucciones para construir una variedad de dispositivos solares, además de descripciones de más de 90 cultivos diferentes, con tablas que indican cuándo plantar y cosechar cada uno. El resultado es una cosecha durante todo el año, incluso en un jardín pequeño.

Caminando hacia la primavera: cómo usar túneles altos para cultivar hortalizas las 52 semanas del año. Alison y Paul Wiediger.
Este libro se basa en la experiencia de los autores en el cultivo en túneles altos. Aborda la selección del sitio, la construcción, los métodos, la comercialización y consejos detallados para el cultivo de diversos productos. También incluye tablas y formularios útiles para la planificación, la producción y la comercialización, así como una extensa lista de recursos. Disponible en:
Au Naturel Farm
3298 Fairview Church Road
Smiths Grove, KY 42171

Extensión sostenible de la temporada: Consideraciones para el diseño
Por David Ryan, ingeniero profesional (PE)
Ingeniero de energía de NCAT
Publicado en septiembre de 2011
© NCAT
IP416

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). ATTRA.NCAT.ORG.