Cultivo invernal en túneles altos utilizando ventilación con recuperación de calor

Resumen

El control de la humedad y la temperatura en los túneles altos durante el invierno supone 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 invernal en túneles altos. El proyecto fue financiado mediante una subvención de la Asociación de Investigación y Educación en Agricultura Sostenible del Noreste (NESARE) concedida 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 ofrece un análisis de los datos sobre la humedad y la 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 energético para determinar qué impacto, si lo hubo, 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 hastial del túnel alto inferior de New Morning Farm. Foto: Chris Lent, NCAT

Introducción

Los agricultores 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 elevada humedad. La mayoría de los principales productores de cultivos de invierno 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, aunque ello implique reducir las temperaturas en el invernadero (Hartman, 2014). Al mismo tiempo, se sabe que las temperaturas medias diarias influyen considerablemente en el ritmo de crecimiento de los cultivos.

El proyecto piloto que se destaca en esta publicación se propuso comprobar si el uso de un ventilador con recuperación de calor podía aumentar de manera efectiva la temperatura media diaria en un túnel alto y, en consecuencia, incrementar la producción de cultivos y la rentabilidad. El NCAT colaboró con New Morning Farm, una explotación agrícola con certificación ecológica y experiencia en la producción invernal, para poner a prueba el uso de este sistema de ventilación no tradicional. En el proyecto se utilizaron dos túneles altos del mismo tamaño. Uno de ellos se utilizó para probar las capacidades del intercambiador de calor, y el otro sirvió como control. Esta publicación describe el proceso de instalación y los resultados del proyecto, que se prolongó durante todo el invierno.

New Morning Farm, una explotación hortícola de 95 acres con certificación ecológica situada en Hustontown, en el centro-sur de Pensilvania, es propiedad de Jim y Moie Kimball Crawford, quienes también se encargan de su gestión. Los Crawford llevan más de 40 años dedicándose a la agricultura ecológica y, desde el principio, todos los productos se han comercializado directamente en Washington, D.C. New Morning Farm produce aproximadamente 60 cultivos diferentes, todos con certificación ecológica. Los cultivos incluyen bayas y hierbas, además de la mayoría de las hortalizas habituales. La granja cuenta con entre seis y ocho ayudantes durante todo el año y aproximadamente 25 trabajadores temporeros 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 dicho espacio.

Los sistemas de ventilación como este se llevan utilizando desde hace décadas en los hogares para controlar la humedad sin que se pierda el calor de la vivienda. Se fabrican en diferentes tamaños, que suelen medirse 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 los 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. De este modo, se puede mantener la temperatura interior a solo ocho grados por encima de la temperatura exterior (Cooperative Extension, 2014). Por otro lado, para el cultivo en invierno se necesitan menos renovaciones de aire, ya que la principal preocupación es el control de la humedad. Para este proyecto, un punto de partida adecuado, aunque un poco arbitrario, parecía ser media renovación de aire por hora. A este ritmo, el volumen total de aire del túnel se renovaría con aire exterior 12 veces en el transcurso de un día.

Figura 2

Por lo tanto, para elegir el tamaño del ventilador, es necesario determinar el volumen de aire del túnel alto. Para calcularlo, resulta más sencillo determinar por separado el volumen de la base y el del vértice y, a continuación, sumarlos. Los túneles de estilo gótico de este proyecto tenían 20 pies de ancho por 96 pies de largo y 12 pies de altura en el punto más alto, por lo que 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 conocido el volumen de aire en pies cúbicos del túnel, se utiliza la siguiente fórmula para calcular 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 habría sido mejor elegir una unidad de mayor capacidad que una de menor capacidad.

Instalación

La instalación del equipo de ventilación para este proyecto duró seis horas. Esto incluye el tiempo necesario para configurar los equipos de recopilación de datos y monitorización. Una sola persona puede encargarse de la mayor parte de la instalación, pero se necesita ayuda para colocar la unidad de ventilación en su sitio de forma segura. A continuación se incluyen 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 a las cuatro preguntas siguientes:

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. ¿Tendrá un túnel alto ventilado con un intercambiador de calor en épocas de frío una temperatura media diaria más alta que un túnel ventilado de forma tradicional?
3. Si se eleva la temperatura media 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 de forma significativa, ¿justifica el aumento de la producción el coste 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 6 metros por 29 metros 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 ambos túneles y se enviaron a los Laboratorios Analíticos de Penn State para su análisis. Los suelos se acondicionaron en función de las muestras para preparar el cultivo de invierno, compuesto a partes iguales por verduras asiáticas y espinacas, plantado en cada túnel.

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

El 6 de octubre de 2015 se instalaron los equipos de ventilación de LHT y los registradores de datos tanto en los túneles altos como en el exterior de los mismos.

Los túneles se plantaron y se cerraron para el invierno el 29 de octubre, y fue entonces cuando los registradores de datos comenzaron a recopilar información. El registro de datos se interrumpió el 21 de marzo de 2016, cuando se abrieron los túneles y se prepararon para los cultivos de verano. Un factor que hay que tener en cuenta y que podría haber afectado a los datos es que el tiempo durante el otoño y principios del invierno fue relativamente cálido. Esto es importante porque la unidad de ventilación debería ofrecer el mayor beneficio a la hora de mantener temperaturas más altas en días fríos y soleados. Es entonces 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 mayor ventaja en cuanto a la temperatura con el HRV.

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

Análisis de la humedad

Para responder a la primera pregunta y comprobar 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 de la serie superior) del gráfico 1 muestra que el ventilador con recuperación de calor no fue capaz de mantener la humedad relativa en el LHT por debajo del umbral del 85 %.

De hecho, los valores de humedad relativa en ambos túneles fueron superiores a lo previsto. La humedad relativa media en el LHT durante el periodo de prueba fue del 94,8 %, frente al 99,5 % de humedad relativa media del túnel alto. 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 media durante el invierno.

Como se puede observar en el gráfico 1, la humedad relativa (HR) en el túnel alto (LHT) se ajusta más a las lecturas de humedad relativa del exterior que las lecturas de humedad relativa del túnel bajo (UHT). Una explicación posible y probable de este fenómeno es que el sistema de ventilación con recuperación de calor (HRV) del túnel alto estaba introduciendo aire más fresco y seco del exterior, lo que reducía la humedad relativa en el interior del túnel alto. En lo que respecta a la humedad relativa, estos datos muestran que el sistema HRV funcionaba según lo previsto.

Nota: Algunas lecturas de humedad relativa en ambos túneles superaron el 100 %, lo que indica problemas de calibración en el equipo de recogida de datos. Sin embargo, las lecturas de las tres fuentes (LHT, UHT y OUT) se correlacionan entre sí, lo que indica que, como mínimo, los registradores de datos funcionaban de forma coherente. 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 toda la duración del proyecto, lo que contribuyó a las elevadas 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 media 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 en varias ocasiones durante el invierno. Sin embargo, en promedio, la temperatura diaria en el LHT fue de 42,2 °F, mientras que la del UHT fue ligeramente superior, situándose en 42,6 °F. Por lo tanto, la temperatura media diaria 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 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 sirve de referencia, y el LHT, que cuenta con un sistema HRV instalado. La línea de relación 1:1 de los gráficos sirve de referencia: si los puntos de datos se sitúan sobre la línea, significa que los túneles altos están funcionando exactamente igual. Al comparar la humedad relativa (gráfico 2), el LHT presentaba una humedad reducida, como lo demuestran los numerosos puntos de datos situados por encima de la línea de relación 1:1. Esta tendencia es coherente con el uso del HRV.

La comparación de temperaturas (gráfico 3) revela una tendencia según la cual el sistema UHT se mantuvo a temperaturas más bajas que el LHT, con numerosos puntos por debajo de la línea de relación 1:1, salvo en el caso de las temperaturas más bajas, donde el UHT se mantuvo a temperaturas más altas que el LHT. Este resultado fue inesperado, pero teniendo en cuenta 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 de extrañar que el HRV no funcionara a temperaturas más bajas.

El punto de rocío (gráfico 4) siguió una tendencia similar a la de la temperatura, de modo que el UHT presentaba 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 sobre el punto de rocío no eran algo que se nos hubiera ocurrido tener en cuenta al iniciar el proyecto; sin embargo, los registradores de datos utilizados en el proyecto calculan automáticamente el punto de rocío. Podría ser importante tener en cuenta el punto de rocío, ya que es la temperatura a la que se forma condensación en las hojas, lo que crea condiciones más propicias para las enfermedades foliares. En un cultivo de invierno en túnel alto, cuanto más bajo es el punto de rocío, menos tiempo hay para que se forme condensación, ya que la temperatura tiene que 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 medio en el LHT fue de 40,3 °C, frente a los 42,2 °C del UHT. Esta diferencia de 2 °C no es muy grande, pero refleja la menor humedad relativa en el LHT y el efecto que tuvo sobre el punto de rocío. Esto significa que, de media, los cultivos del túnel alto más bajo tendrían que estar 2 °C más fríos que los del UHT para que se formara condensación en sus hojas. Teniendo en cuenta la pequeña diferencia de temperatura media observada en los dos túneles y estos datos sobre el punto de rocío, habría habido menos posibilidades de que se formara condensación en los cultivos del LHT. Es cierto que esta diferencia puede 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 medias fueron prácticamente 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 hortalizas de hoja verde en la misma superficie de cultivo. (Véase el gráfico 6.)

Las espinacas y las hortalizas de hoja se vendieron a un precio mínimo de 12 dólares la libra, por lo que, en términos económicos, el sistema LHT generó 4.548 dólares más que el UHT. Si el aumento de la producción en el sistema LHT pudiera atribuirse al nuevo equipo de ventilación, la instalación del HRV se amortizaría más de cuatro veces durante el primer año.

Consumo energético

El sistema de ventilación con recuperación de calor (HRV) instalado 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 en funcionamiento todo el tiempo durante el proyecto. Se apagaba cada vez que la temperatura bajaba de los 35 °F. Si calculamos el consumo de energía en el peor de los casos, suponiendo que funcionó la mitad del tiempo, el consumo de energía en kilovatios durante los cinco meses de prueba sería de 282 kW. A 0,12 dólares por kW, el funcionamiento de la unidad costaría 33,84 dólares.

Conclusiones, observaciones y recomendaciones

El sistema de ventilación con recuperación de calor fue bastante fácil de comprar e instalar; se trata de sistemas sencillos que utilizan materiales comunes. El precio total de todos los materiales y el equipo fue de unos 1000 dólares.

Al analizar los datos, se observa que el HRV redujo la humedad relativa y, por lo tanto, el punto de rocío en el LHT. Sin embargo, la temperatura media diaria no aumentó de forma significativa. La producción fue mayor en la parte inferior del túnel, pero no se puede concluir con certeza si esto se debe exclusivamente al equipo de ventilación. Es necesario realizar más pruebas con este sistema para determinar su eficacia. No obstante, este proyecto ha permitido extraer conclusiones sobre lo que se podría haber hecho de otra manera para aumentar la eficacia del HRV.

En un principio, el objetivo del proyecto era evaluar el impacto de la ventilación de un túnel alto de producción invernal equipado con un sistema de ventilación con recuperación de calor (HRV), en comparación con un túnel ventilado de forma tradicional. La ventilación tradicional implicaría abrir puertas y persianas para permitir el control de 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 24 °C. (Así es como se gestionaron los dos túneles utilizados en el proyecto durante la posterior temporada de invierno 2015-2016). Esto significa que, durante el invierno inusualmente cálido de este proyecto, los sistemas de ventilación tradicionales de ambos túneles se activaron más de lo habitual, lo que mitigó cualquier efecto que el sistema HRV pudiera haber tenido durante esos periodos. 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. El objetivo era evitar que se congelara el conducto de condensación. Podría decirse que el HRV resultaría más beneficioso en condiciones en las que las temperaturas son inferiores a 35 °F, pero el sol brilla y calienta el túnel. En estas condiciones, el HRV podría ventilar la humedad sin perder el calor aportado por el sol. El hecho de que la unidad se apagara a 35 °F puede haber reducido su eficacia en este proyecto. Existen unidades HRV con descongeladores que resolverían este problema, pero consumen más energía para funcionar, lo cual fue un factor a tener en cuenta en este proyecto.

Otro factor que podría haber influido en los resultados de este proyecto es que la unidad de 106 CFM elegida para el mismo era, con toda seguridad, de una potencia insuficiente para el trabajo. Teniendo en cuenta las dimensiones del túnel y el objetivo de lograr un par de renovaciones de aire por hora, una unidad de 200 CFM o más habría sido más eficaz a la hora de renovar el aire del túnel y, por este motivo, 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, Athens, 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
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IP523
Slot 549
Versión 092116

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 Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). Esta publicación también ha sido posible, en parte, gracias a la financiación de Northeast Sustainable Agriculture and Education. ATTRA.NCAT.ORG.