Estabilización térmica de espacios agro-productivos a partir ......2 INGEN IERÍA INVEST IGAC IÓN...

IngenIeriacutea InvestIgacIoacuten y tecnologiacutea

volumen XXI (nuacutemero 3) julio-septiembre 2020 1-13ISSN 2594-0732 FI-UNAM artiacuteculo arbitradoInformacioacuten del artiacuteculo Recibido 15 de febrero de 2020 aceptado 29 de mayo de 2020Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 40 International (CC BY-NC-ND 40) licensehttpsdoiorg1022201fi25940732e2020213024

ResumenLos aacutembitos destinados a la agroproduccioacuten se resuelven frecuentemente con estructuras livianas En su interior se presentan condi-ciones de picos de temperatura que afectan a los cultivos produciendo enfriamiento o sobrecalentamiento En este contexto el presente trabajo presenta la comparacioacuten del comportamiento teacutermico interior de un invernadero liviano vaciacuteo y con la incorpora-cioacuten de un sistema pasivo acumulador amortiguador teacutermico modular industrializable y versaacutetil para configurar diferentes condicio-nes de carga teacutermica y estabilizar su temperatura El sistema presenta dos versiones solo con materialidad soacutelida y combinando la misma con agua encapsulada presentado los beneficios de su incorporacioacuten En este contexto el trabajo tiene por objetivo profun-dizar en la evaluacioacuten de una solucioacuten tecnoloacutegica solar pasiva para climatizacioacuten de espacios agroproductivos a traveacutes de comparar la respuesta teacutermica la carga y el aporte teacutermico en el uso de variantes de masa uacutenicamente soacutelida y masa mixta soacutelida y liacutequida (hormigoacuten y agua) La metodologiacutea desarrolla la fabricacioacuten instalacioacuten y ensayo en laboratorio de un invernadero con la incorpora-cioacuten de mesas de cultivo construidas con los sistemas acumuladoresamortiguadores teacutermicos para su comparacioacuten Los resultados muestran que los aportes teacutermicos maacuteximos de los sistemas se cuantificaron en 17 MJ 32 MJ y 36 MJ en los sistemas soacutelidos de 864 kg soacutelido de 1968 kg y mixto de 864 kg respectivamente Se logra aproximadamente el doble del aporte teacutermico que provee el sistema maacutes liviano ya sea por aumento de masa soacutelida como por reemplazo de igual masa soacutelida por mixta Asimismo los costos de los sistemas se registran como 171 USDMJ 207 USDMJ y 9 USDMJ para el sistema soacutelido de 864 kg soacutelido de 1968 kg y mixto de 864 kg respectivamente demostrando la reduccioacuten de costos en el sistema mixto respecto a los demaacutesDescriptores Energiacuteas renovables sistemas solares pasivos acumulador-amortiguador teacutermico almacenamiento de energiacutea espa-cios agro-productivos

AbstractAgro production areas are often solved with light structures Inside them there are temperature peak conditions that affect the crops by producing cooling or overheating In this context this work presents the comparison of the internal thermal behavior of an empty light greenhouse with the incorporation of a passive accumulator system a versatile and possible to be industrialized modular ther-mal buffer which can set up different thermal load conditions and stabilize its temperature The system is presented in two versions one only with solid materiality and the other combining it with encapsulated water thus showing the benefits for its incorporation The present work aims to deepen the assessment of a passive solar technological solution for air conditioning in agro production spaces by comparing the thermal response the load and the thermal contribution in the use of only solid mass variants with that of mixed solid and liquid mass (concrete and water) The methodology develops the manufacturing installation and laboratory testing of a greenhouse with the incorporation of cultivation tables built with thermal accumulatorbuffer systems for comparison The results show that the maximum thermal contributions of the systems were quantified in 17 MJ 32 MJ and 36 MJ for the 864 kg solid system the 1968 kg solid one and the 864 kg mixed one respectively The thermal contribution achieved approximately doubles that of the lighter system either by increasing solid mass or by replacing the same solid mass by mixed mass The costs of the systems are recor-ded as 171 USDMJ 207 USDMJ and 9 USDMJ for the 864 kg solid system the 1968 kg solid one and the 864 kg mixed one respectively showing in this way the cost reduction in the mixed system when compared to the othersKeywords Renewable energy passive solar systems thermal buffer heat storage system agro-production spaces

Estabilizacioacuten teacutermica de espacios agro-productivos a partir de un sistema solar pasivo modular con variaciones de la masa teacutermicaAgro production spaces thermal stabilization from a modular passive solar system with thermal mass variations

Viegas Graciela MelisaConsejo Nacional de Investigaciones Cientiacuteficas y Teacutecnicas Universidad Nacional de La Plata ArgentinaFacultad de Arquitectura y UrbanismoInstituto de Investigaciones y Poliacuteticas del Ambiente ConstruidoCorreo gachiviegasyahoocomarhttpsorcidorg0000-0001-6248-4678

Jodra Juan IgnacioConsejo Nacional de Investigaciones Cientiacuteficas y Teacutecnicas Universidad Nacional de La Plata ArgentinaFacultad de Arquitectura y UrbanismoInstituto de Investigaciones y Poliacuteticas del Ambiente ConstruidoCorreo juanjodragmailcomhttpsorcidorg0000-0002-9410-3494

Discoli Carlos AlbertoConsejo Nacional de Investigaciones Cientiacuteficas y Teacutecnicas Universidad Nacional de La Plata ArgentinaFacultad de Arquitectura y UrbanismoInstituto de Investigaciones y Poliacuteticas del Ambiente Construido Correo discolirocketmailcomhttpsorcidorg0000-0002-6944-5492

San Juan Gustavo AlbertoConsejo Nacional de Investigaciones Cientiacuteficas y Teacutecnicas Universidad Nacional de La Plata ArgentinaFacultad de Arquitectura y UrbanismoInstituto de Investigaciones y Poliacuteticas del Ambiente ConstruidoCorreo gustavosanjuan60hotmailcom httpsorcidorg0000-0001-8924-9918

IngenIeriacutea InvestIgacIoacuten y tecnologiacutea volumen XXI (nuacutemero 3) julio-septiembre 2020 1-13 ISSN 2594-0732 FI-UNAM2

Estabilizacioacuten teacutermica dE Espacios agro-productivos a partir dE un sistEma solar pasivo modular con variacionEs dE la masa teacutermica

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IntroduccIoacuten

El cultivo a cielo abierto depende de las condiciones cli-maacuteticas externas Se expone a eventos meteoroloacutegicos adversos como granizos lluvias y vientos muy inten-sos y temperaturas extremas (altas o bajas) Frente a esta situacioacuten los invernaderos permiten controlar estos paraacutemetros para proteger las plantaciones y favorecer el cultivo en contraestaciones y la incorporacioacuten de otros cultivos Si bien mejoran las condiciones teacutermicas requieren un control especiacutefico que conlleva a invertir en instalaciones complementarias (tales como sistemas de sombreoventilacioacuten medias sombras con exo-es-tructuras tensadas) desarrollar estrategias orientadas a generar microclimas y utilizar energiacutea convencional con costos adicionales para la produccioacuten En relacioacuten con este uacuteltimo aspecto se utiliza la ignicioacuten directa de combustibles soacutelidos liacutequidos gaseosos y biomasa para climatizacioacuten Asimismo requieren ventilacioacuten para refrescar el ambiente Seguacuten el caso se asocian a estas praacutecticas diferentes problemaacuteticas como contami-nacioacuten del espacio de cultivo por combustioacuten incom-pleta riesgo de incendio escaso control de la temperatura y baja eficiencia energeacutetica (Ferrato amp Panello 2003) En nuestro caso de estudio el cinturoacuten hortiacutecola de La Plata (Bs AS Argentina) el cual se ha convertido en el maacutes grande del paiacutes en los uacuteltimos veinte antildeos los invernaderos livianos se utilizan de manera generaliza-da como un requerimiento para la competitividad en el mercado (Simonatto 2000) Se estima que la superficie cubierta por invernaderos en la regioacuten es de 8000 hectaacute-reas Las problemaacuteticas planteadas afectan en mayor medida a los pequentildeos productores (que cultivan de 2 a 7 ha) ya que al contar con menores recursos deben de-sarrollar estrategias de subsistencia con una mano de obra principalmente familiar y un parque de herra-mientas y equipamiento limitado y de menor nivel tec-noloacutegico planteaacutendose la necesidad de buscar soluciones sencillas y versaacutetiles para mejorar estas condiciones (Rin-guelet amp Garat 2000 Waisman 2011) Asiacute mismo otro factor condicionante para la inversioacuten en infraestructura y tecnologiacutea radica en el reacutegimen de tenencia de la tierra Se trata de arrendamientos informales e inestables que desmotivan a los productores para la inversioacuten e instala-cioacuten de equipamientos tecnoloacutegicos fijos

SiStemaS SolareS paSivoS aplicadoS a eSpacioS agroproductivoS

A pesar de que los sistemas convencionales son los maacutes difundidos en nuestra regioacuten para climatizar los espa-cios agro-productivos tambieacuten se han desarrollado tec-

nologiacuteas ldquohiacutebridasrdquo que combinan el aprovechamiento del recurso solar con sistemas activos de bombeo o venti-ladores abastecidos por energiacuteas convencionales para la circulacioacuten de un caudal de agua (Suaacuterez 2012) o aire como fluidos de intercambio (Juanicoacute et al 2011 Condo-riacute et al 2009) En su mayoriacutea utilizan reservorios teacutermi-cos auxiliares para la captacioacuten y acumulacioacuten de energiacutea teacutermica por ganancia solar directa o colectores externos al espacio de produccioacuten

Por otra parte existen antecedentes tecnoloacutegicos que utilizan elementos de acumulacioacuten teacutermica con elevada capacidad caloriacutefica la cual se distribuye en el interior del espacio de produccioacuten La masa de acumulacioacuten ab-sorbe la energiacutea con lo cual reduce la temperatura del espacio durante el periodo diurno y ademaacutes la conserva para luego entregarla durante la noche Resulta una tec-nologiacutea efectiva para estabilizar ambientes y minimizar costos de la energiacutea demandada para tal fin El origen de estas tecnologiacuteas se remonta a la climatizacioacuten de vivien-das en el antildeo 1881 (Morse 1881) y posteriormente en la deacutecada de 1960 se difundieron bajo el nombre de ldquomuros Trombe-Michelrdquo (Trombe amp Michel 1971) En la deacutecada de 1980 se establecieron criterios baacutesicos para su imple-mentacioacuten sistemaacutetica en edificios (Balcomb amp Heds-trom 1980) y se avanzoacute en estudios tecnoloacutegicos que relacionaron la masa de acumulacioacuten con el clima la de-manda los materiales y sus capacidades de carga de energiacutea (Divecchia amp Ruggi 1979 Zalewski et al 2012 Bourdeau et al 1980 Lesino et al 1978 Guerrero et al 1984 Alanis et al 1978 Urriol 1980)

Si nos enfocamos en los antecedentes sobre tecnolo-giacuteas solares pasivas en espacios agroproductivos se ob-servan variados antecedentes En China se utiliza una pared lateral maacutesica aislada como borde de un inverna-dero solar pasivo el cual tiene aislamiento nocturno orientado hacia el ecuador (Li et al 2010) En Argenti-na se utilizan materiales de descarte para conformar muros inerciadores teacutermicos utilizando agua como masa de acumulacioacuten teacutermica (Esteves amp Gelardi 1999) En Tunez Bouadila et al (2014a) evaluaron el clima in-terior de un invernadero de vidrio (clima mediterraacute-neo) incorporando un calentador solar de aire obser- vaacutendose que en invierno la temperatura base se elevaba en 5 degC y se reduciacutea la humedad relativa de un 10 a 20 durante la noche En otra investigacioacuten los autores Bouadila et al (2014b) observaron que el calor recupera-do durante la noche en un invernadero provisto de un sistema solar pasivo con un sistema acumulador de ca-lor latente era 30 del total necesario Por otro lado en Lazaar et al (2015) se comparoacute el uso de calentadores convencionales versus calentadores solares pasivos in-corporados en invernaderos y se concluyoacute que los siste-

3IngenIeriacutea InvestIgacIoacuten y tecnologiacutea volumen XXI (nuacutemero 3) julio-septiembre 2020 1-13 ISSN 2594-0732 FI-UNAM

Viegas graciela Melisa Jodra Juan ignacio discoli carlos alberto san Juan gustaVo alberto

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mas solares aseguraron temperaturas nocturnas de aire de 12 degC y de suelo de 16 degC deseables para el cultivo En Kooli et al (2015) se analizaron los beneficios de in-corporar obturadores solares en un invernadero agriacuteco-la aislado y equipado con un calentador solar de aire con energiacutea de almacenamiento latente observando que la temperatura nocturna se mantuvo en 15 degC mientras que en el exterior era de 8 degC y que se elevoacute 2 degC respecto del invernadero sin equipo solar ni obtura-dor En sus investigaciones Attar et al (2013) concluye-ron que un colector solar plano para calefaccionar invernaderos es un sistema rentable no contaminante que reduce el consumo de energiacutea pero no logra por siacute solo cumplir los requisitos totales de calefaccioacuten de-biendo utilizar un sistema convencional Sin embargo maacutes adelante Attar amp Farhat (2015) evaluaron la eficien-cia de un calentador solar de agua para mejorar el clima interior de un invernadero en Tuacutenez utilizando el sue-lo como acumulador de calor observando que para in-vernaderos pequentildeos de 10 m3 el sistema pudo abastecer las necesidades teacutermicas En Bellos et al (2016) se reali-zoacute una comparacioacuten entre un muro trombe tradicional uno innovador que incorporoacute una ventana interior y una pared aislada para la localidad de Atenas Grecia Los resultados demostraron que el sistema tradicional alcanza 18 degC en el aire interior el trombe innovador lo eleva 05 degC durante todo el antildeo mientras que sin los sistemas y aislando la pared llega solo a 14 degC en el in-terior En Jovanovic et al (2017) se analizan las poten-cialidades de integrar energiacuteas renovables en edificios de baja energiacutea y especiacuteficamente analizan la combina-cioacuten de muros trombe con sistemas fotovoltaicos En Baiumlri et al (2020) se analizan mejoras en los muros trom-be a partir de incorporar particiones verticales trasparen-tes para generar compartimientos y mejorar la ventilacioacuten natural obtenieacutendose aumentos en la transferencia de calor por conveccioacuten natural entre 100 y 144

Respecto a las masas de acumulacioacuten mixtas se han observado escasos estudios los cuales se orientan al uso residencial En uno de ellos se destaca un ahorro de energiacutea anual del 86 y una mejora del iacutendice de eva-luacioacuten del confort teacutermico interior de un 129 Ade-maacutes se observoacute que el agua responde correctamente a los climas intermedios (Wang et al 2013) Asimismo en Kaushik amp Kaul (1989) se utilizoacute el agua encapsulada en el hormigoacuten para aprovechar su bajo costo y su gran capacidad caloriacutefica En Viegas et al (2018) se desarro-lloacute un sistema de calefaccioacuten en viviendas utilizando hormigoacuten y agua encapsulada a partir de piezas mo-dulares de elevado peso que presentoacute un mejor des-empentildeo que los muros maacutesicos soacutelidos En Zhou et al (2020) se muestran los beneficios de incorporar un

muro de agua (a baja temperatura) por delante de un muro maacutesico para mejorar la climatizacioacuten Se destaca que tiene mejor rendimiento diurno y reduce la peacuterdida de calor durante la noche En conclusioacuten la eficiencia del muro de agua es superior a la del muro maacutesico Si bien todos los sistemas relevados han demostrado efi-cacia presentan falencias en cuanto a ciertos requeri-mientos de los espacios agro-productivos Finalmente en Jodra et al (2017 y 2018) se presentoacute un sistema mo-dular amortiguador acumulador teacutermico que permitioacute mejorar las condiciones interiores tanto de espacios re-sidenciales como agro-productivos Los primeros ensa-yos muestran la factibilidad de este sistema

La revisioacuten bibliograacutefica demostroacute la gran variedad de soluciones y los beneficios del uso de la masa teacutermi-ca en invernaderos livianos a partir de masas de acu-mulacioacuten soacutelidas o de agua Sin embargo son escasos los antecedentes que combinen y comparen ambos ma-teriales aplicados al aacutembito de la agro-produccioacuten y que respondan a las necesidades locales mencionadas respecto a la versatilidad y la facilidad de traslado pre-sentaacutendose como un aacuterea de intereacutes para avanzar en el conocimiento Desarrollos previos permitieron evaluar la factibilidad constructiva del agua encapsulada como material para estabilizar ambientes agroproductivos En este contexto el presente trabajo tiene por objetivo avanzar en la evaluacioacuten de una solucioacuten tecnoloacutegica solar pasiva para climatizacioacuten de espacios agro-pro-ductivos a partir de comparar el comportamiento teacuter-mico la carga el aporte teacutermico residual y los costos de diferentes configuraciones de la masa de acumulacioacuten soacutelida y mixta (hormigoacuten y agua)

Metodologiacutea

A continuacioacuten se presenta la regioacuten de implantacioacuten las definiciones tecnoloacutegicas de los sistemas desarrolla-dos los materiales y meacutetodos

regioacuten climaacutetica de implantacioacuten

La localizacioacuten geograacutefica del trabajo corresponde al cordoacuten agro-productivo del Gran La Plata (23 msnm lat 35 degS long 579 degO) provincia de Buenos Aires Ar-gentina Su clima se define como templado caacutelido huacute-medo (IRAM 1996) y las caracteriacutesticas promedio se presentan en Tabla 1



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definicioacuten tecnoloacutegica de loS SiStemaS

Se trata de un sistema modular basado en bloques pre-moldeados manipulables de hormigoacuten y vainas de agua estancas Es un sistema armable in situ y adapta-ble a diferentes demandas teacutermicas y espaciales (aacutembi-tos de uso humano o productivos) Para ello se presentan en la Figura 1 dos posibles configuraciones del sistema con tubos escondidos o con tubos expuestos y dos variantes para su aplicacioacuten en un espacio produc-tivo muros laterales o mesadas de trabajo internas

El agua estaacute contenida dentro vainas estancas de di-ferentes tamantildeos conformadas por tubos y tapas plaacutesti-cas comerciales de 160 mm de diaacutemetro (policloruro de vinilo o similar) Los tubos se llenan dejando 2 del volumen de aire para absorber los cambios por dilata-cioacuten teacutermica y se incorpora una dosificacioacuten preventiva de alguicida (2 ml cada 100 l de agua)

En la Figura 2 se observa el disentildeo geomeacutetrico de las piezas soacutelidas del prototipo ensayado La masa de hor-migoacuten H30 (hormigoacuten con resistencia caracteriacutestica a los 28 diacuteas de 300 Kg cm2) fue pigmentada integralmente con negro de humo debido a que mejora sus capacida-des termo fiacutesicas

materialeS y meacutetodoS

El ensayo tiene por objetivo establecer la versatilidad del sistema frente a diferentes masas y materialidades comparando el funcionamiento de un invernadero va-ciacuteo respecto a uno al que se le incorporan piezas de ma-terialidad soacutelida y de materialidad mixta

El invernadero cuenta con un aacuterea cubierta de 9 m2 y fue construido utilizando estructura metaacutelica tubular sobre la que se instaloacute la cubierta de polietileno Para la misma se utilizoacute film de 200 micrones de espesor de

Tabla 1 Condiciones climaacuteticas medias de invierno de la ciudad de La Plata (provincia de Buenos Aires Argentina)

T m

edia

(degC

)

T m

aacutexim

a (deg

C)

T m

iacutenim

a (deg

C)

Hum

edad

rela

tiva

()

Prec

ipita

cion

es (m

m)

Gra

dos

diacutea

invi

erno

(te

mp

bas

e 18

degC)

La Plata 97 15 55 82 59 1178

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

a) b)

c) d)



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tipo LD (sin tratamiento para retencioacuten de la radiacioacuten infrarroja) el cual es ampliamente utilizado en el cor-doacuten agro-productivo del Gran La Plata debido a su bajo costo Cabe mencionar que seguacuten sus dimensiones se verificoacute el Factor de Aacuterea EnvolventePiso (FAEP) con un valor de 353 m2 m2 correspondiente al rango de valores estaacutendar en invernaderos de tamantildeo pequentildeo y mediano (Esteves et al 1997)

El ensayo se realizoacute en agosto de 2016 durante 4 ci-clos Ciclo 1 invernadero sin masa teacutermica ciclo 2 In-vernadero con sistema de materialidad soacutelida de 864 kg conformada por los bloques de hormigoacuten ciclo 3 Inver-nadero con sistema de materialidad soacutelida de 1968 kg conformada por los bloques de hormigoacuten ciclo 4 In-vernadero con sistema de materialidad mixta de 864 kg de masa conformada por bloques soacutelidos de hormigoacuten

y vainas de PVC estancas cargadas La Tabla 2 indica los valores de masa y capacidad caloriacutefica incorporadas en cada caso

La instrumentacioacuten se resolvioacute mediante el uso de adquisidores de datos marca HOBO registraacutendose los siguientes paraacutemetros temperatura exterior tempera-tura de aire interior temperatura de bloques y tempe-ratura del agua Los datos climaacuteticos y de radiacioacuten se obtuvieron a traveacutes de una central meteoroloacutegica Davis Vantage PRO 2 localizada en el sector de medicioacuten

En la Figura 3 se muestran imaacutegenes de las tres con-figuraciones a ensayar y detalles de la insercioacuten de los termistores en los bloques y en los tubos de agua

Para el anaacutelisis del ensayo se seleccionaron los diacuteas con niveles de irradiacioacuten mayores a 80 del maacuteximo registrado Dado que los diacuteas de ensayos no reprodu-

Figura 2 Geometriacutea de las piezas de hormigoacuten a) vista b) perspectiva c) bloque construidoa) b) c)

Tabla 2 Caracteriacutesticas de los sistemas de acumulacioacuten-amortiguamiento soacutelidos y mixtosCiclo 2

Sistema soacutelido 864 kgCiclo 3 Sistema soacutelido

1968 kgCiclo 4 Sistema mixto

864 kg

Ensayos Inicio Fin

12082016 18082016 25082016

17082016 23082016 05092016

Masa [kg] 864 1968 624

Hormigoacuten [Nuacutem bloques] 36 82 26

Capacidad caloriacutefica [kJK] 795 1810 574

Volumen [m3] 0393 0895 0284

Capacidad caloriacutefica volumeacutetrica [kJm3K] 2024 2024 2024

Agua [Nuacutem tubos] 0 0 6

Masa [kg] 0 0 240

Capacidad caloriacutefica [kJK] 100464

Volumen [m3] 0 0 024


TOTAL

Masa [kg] 864 1968 864





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cen los mismos paraacutemetros climaacuteticos (temperatura ex-terior e irradiacioacuten) entre una medicioacuten y la subsi- guiente se trabajoacute tambieacuten con una variable indirecta de temperatura relativa (Tr) definida como

Tr () = Tint Text 100 (1)

Para el caacutelculo del aporte teacutermico se registraron para cada ciclo diario las temperaturas maacuteximas y miacutenimas medidas en los bloques (en el sistema soacutelido) y tambieacuten en el agua encapsulada (en el sistema mixto) asiacute como tambieacuten la temperatura miacutenima del aire interior Con estos datos y la capacidad caloriacutefica de cada componen-te calculada en la Tabla 2 se aplicoacute la ecuacioacuten

(2)

Para el caacutelculo de la carga teacutermica residual se aplica la misma foacutermula utilizando la temperatura miacutenima de los bloques y la temperatura del aire interior al amanecer

Finalmente para el anaacutelisis teacutermico-econoacutemico se suman los costos de cada componente del sistema ex-presados en doacutelares y se calcula el costo energeacutetico

(3)

resultados y dIscusIoacuten

A continuacioacuten se presentan los resultados obtenidos de los ensayos caacutelculos de los aportes teacutermicos y eficiencia teacutermico-econoacutemica

anaacuteliSiS teacutermico comparado entre la Situacioacuten baSe el SiStema Soacutelido y mixto a igualdad de maSa teacutermica

En la Figura 4 se muestra el anaacutelisis comparado entre la situacioacuten base y los sistemas soacutelido de 864 kg y mixto de 864 kg implementando la variable indirecta de tem-peratura relativa (Tr)

Para la situacioacuten base el aire interior del invernade-ro manifiesta una gran amplitud teacutermica Con la incor-poracioacuten del sistema soacutelido de 864 kg se minimiza la situacioacuten de ldquopicordquo (fase de carga) en 40 evitando el sobrecalentamiento del invernaacuteculo y estabilizando en situacioacuten de ldquovallerdquo (fase de descarga) la temperatura final entre un 10 y un 20 por encima de la registrada para la situacioacuten base evitando el sub enfriamiento en el periacuteodo nocturno Con la incorporacioacuten del sistema mixto se observa que la situacioacuten de ldquopicordquo se minimiza entre un 70 y un 90 respecto a la situacioacuten base mientras que en la situacioacuten de ldquovallerdquo las temperaturas se estabilizan manteniendo el nivel teacutermico interior en el espacio hasta un 35 maacutes que la situacioacuten base y evitando el enfriamiento nocturno En siacutentesis ambos sistemas a igual masa total presentan beneficios sustan-

( ) 1000

Tmax TminC aportado M Cp minus=(MJ)

$

( )Costo sistema u s

C EnC aportado M

=

Figura 3 Invernadero con a) sistema soacutelido de 864 kg b) soacutelido de 1968 kg c) mixto de 864 kg d) detalle de termistores en bloques e) termistores en el conjunto y f) termistores en el tubo de agua

a) b)

c) d)

e) f)



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ciales en el mantenimiento teacutermico interior amorti-guando las temperaturas del aire reduciendo las diferencias entre las maacuteximas y las miacutenimas temperatu-ras Sin embargo las mejoras en la materialidad mixta son de entre 30 y 50 mayores en la reduccioacuten de los picos que en el sistema soacutelido y 20 maacutes en la reduccioacuten de los valles

En cuanto a la dinaacutemica de carga y descarga del sis-tema soacutelido se puede observar que los bloques regis-tran un estado teacutermico de entre 33 degC y 34 degC mientras que al finalizar la descarga se encuentran en ambos ci-clos en 14 degC una vez atemperando el ambiente En el sistema mixto se observa que las pendientes de las cur-vas de temperatura de ambos materiales (bloques de hormigoacuten y vainas con agua) son similares Durante la fase de carga si bien las curvas estaacuten praacutecticamente su-perpuestas la masa liacutequida alcanza una mayor tempe-ratura final (entre 1 degC y 2 degC) En la descarga si bien las diferencias son mayores los bloques de hormigoacuten y las vainas de agua intercambian calor al ambiente de igual forma

caacutelculo de aporte y carga teacutermica reSidual de loS SiStemaS

En la Tabla 3 se observan las temperaturas miacutenimas y maacuteximas de la situacioacuten base mientras que en las Ta-blas 4 5 y 6 se muestran las temperaturas de los siste-mas el caacutelculo del aporte teacutermico hacia el ambiente y la carga teacutermica residual del mismo en funcioacuten de la tem-peratura del aire interior del invernadero antes del amanecer

Se puede observar que a igual masa de acumulacioacuten el aporte neto del sistema mixto es mayor (Tabla 6) al-

canzando 210 maacutes respecto al sistema soacutelido de 864 kg (Tabla 4) (361 MJ contra 17 MJ en el sistema soacute-lido) y 112 maacutes respecto al sistema soacutelido de 1968 kg (319 MJ) Dicha diferencia se manifiesta en el sosteni-miento de una mayor temperatura relativa interiorex-terior (Tr) durante la fase nocturna con diferencias de entre 10 y 40 en los diacuteas comparados Si bien se trata de la misma masa total la mayor capacidad caloriacutefica del agua respecto al hormigoacuten permite una acumula-cioacuten teacutermica mayor Comparativamente la capacidad caloriacutefica promedio del sistema mixto alcanza un valor global de 200 respecto al soacutelido de igual masa

Cuando los sistemas se encuentran en reacutegimen la descarga transcurre durante el periodo nocturno que-dando una cantidad de energiacutea remanente Para el caso del sistema soacutelido de 864 kg es entre 27 MJ y 34 MJ Para el caso del sistema mixto es alrededor de 7 MJ Para el caso del sistema soacutelido de 1968 kg es entre 56 MJ y 13 MJ superando al sistema mixto Esta energiacutea estariacutea disponible para ser utilizada durante las prime-ras horas de un diacutea nublado con predominancia de ra-diacioacuten difusa

Finalmente podemos analizar la situacioacuten teacutermica interior comparaacutendola con la requerida para la produc-cioacuten de hortalizas que se encuentra entre 10 a 15 degC de miacutenima y 30 degC de maacutexima Respecto a las miacutenimas in-teriores alcanzadas podemos observar que frente a tem-peraturas exteriores similares en las cuatro mediciones (71 degC 91 degC 78 degC 87 degC para la situacioacuten base el sistema soacutelido de 864 kg el sistema soacutelido de 1968 kg y el sistema mixto de 864 kg respectivamente) solo el sis-tema mixto supera el miacutenimo necesario con 11 degC De-sestimamos el anaacutelisis de las maacuteximas porque el invernadero no fue ventilado En relacioacuten con la biblio-

Figura 4 Amortiguamiento de la situacioacuten base con el sistema de materialidad soacutelida y de materialidad mixta a igualdad de masa (864 kg)



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Tabla 3 Temperaturas miacutenimas y maacuteximas del invernadero vaciacuteo

Situacioacuten base T maacutex aire int

[degC]

T miacuten aire int

[degC]

T maacutex aire ext

[degC]

T miacuten aire ext

[degC]

Diacutea

1 Temperatura 406 37 166 67

Diacutea


Tabla 4 Caacutelculo de aporte y carga teacutermica residual del sistema soacutelido 864 kg

Sistema soacutelido 864 kg Cap Cal [kJordmC]

T maacutex [degC]

T miacuten [degC]

T Aire int Min [degC]

Q [MJ] T miacuten aire ext

Diacutea

1 Calor aportado 7948 332 136 156

Carga teacutermica residual 7948 136 102 27 118

Diacutea

2 Calor aportado 7948 339 125 170



Sistema soacutelido 1968 kg Cap Cal [kJdegC]

T maacutex [degC]

T miacuten [degC]

T Aire int min [degC]


Diacutea

1 Calor aportado 1810 27 114 283


Diacutea

2 Calor aportado 1810 319 143 319


Tabla 6 Caacutelculo de aporte y carga teacutermica residual del sistema mixto 864 kg

Sistema mixto 864 kg Cap Cal [kJdegC]

T maacutex [degC]

T miacuten [degC]



Diacutea

1

Calor aportado hormigoacuten 5741 403 167 136361

Calor aportado H2O 10046 410 187 225

Carga teacutermica residual hormigoacuten 5741 167 133 1973

Carga teacutermica residual H2O 10046 187 133 54 133

Diacutea

2

Calor aportado hormigoacuten 5741 366 139 131 359






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grafiacutea relevada se observa que con sistema mixto se logran resultados similares a los obtenidos en Tuacutenez en invernaacuteculos con calentadores solares de agua (12 degC en el interior) y de esta manera se reafirma que el agua tiene buen comportamiento en climas templados o in-termedios

evaluacioacuten teacutermica-econoacutemica de diferenteS capacidadeS de carga del SiStema

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

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

a)

b)



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En cuanto al amortiguamiento teacutermico se puede apre-ciar que el sistema soacutelido de 1968 kg y el mixto de 864 kg presentan similares comportamientos teacutermicos di-ferenciaacutendose del sistema soacutelido de 864 kg que presen-ta mayor Tr en el pico diurno Los tres sistemas mejoran el amortiguamiento teacutermico del invernadero Sin em-bargo el sistema mixto mejora sustancialmente en la fase nocturna o de descarga superando al sistema soacuteli-do de 1968 kg evitando el fenoacutemeno conocido como inversioacuten teacutermica Este fenoacutemeno presente tanto en la situacioacuten base como en el sistema soacutelido de 864 kg se encuentra asociado a las caracteriacutesticas del polietileno utilizado (tipo LD sin filtro para la radiacioacuten infrarroja) y a la consiguiente emisioacuten radiativa hacia la atmosfera durante el periodo nocturno

Para complementar este anaacutelisis en la Tabla 7 se ob-serva el caacutelculo de costos de cada sistema y su relacioacuten con el aporte teacutermico diario maacuteximo que pueden entre-gar En los tres casos la radiacioacuten solar tuvo un orden similar (entre 590 y 620 W m2)

Tabla 7 Costos de los sistemas ensayados

El costo del sistema soacutelido de 864 kg es de 171 USDMJ y el del soacutelido de 1968 kg se ampliacutea a 207 USDMJ Sin embargo el sistema mixto que presenta mayor aporte teacutermico demuestra tener un costo significativamente menor que los soacutelidos de 9 USDMJ Esto le otorga un valor adicional a su evidente mejora teacutermica Asimismo este sistema reduce la mano de obra de montaje de los

acumuladores ya que los bloques se reducen a los miacute-nimos necesarios para sostener los tubos de agua

En siacutentesis este desarrollo permite variar su masa total y configuracioacuten para conseguir mejoras tanto teacuter-micas como econoacutemicas y asiacute resolver el problema de inversioacuten respecto a las condiciones de tenencia de las tierras

A los efectos de generalizar los resultados de este estudio es necesario destacar que los valores teacutermicos obtenidos resultan de utilidad para caracterizar el siste-ma de forma cuali-cuantitativa y comparar las presta-ciones de las diferentes configuraciones propuestas Sin embargo se deberiacutean considerar como limitaciones los aspectos referidos a las caracteriacutesticas del suelo del in-vernadero utilizado en este ensayo (baldosas de concre-to) la ausencia de cultivos en el interior del invernadero y el tipo de edificacioacuten en los alrededores de su locali-zacioacuten (construcciones alrededor a una distancia de 20 m) las cuales generan condiciones diferentes a las de un invernadero real

conclusIones

El trabajo permitioacute avanzar en el conocimiento de un sistema solar pasivo previamente desarrollado aplica-do a la climatizacioacuten y estabilizacioacuten teacutermica de los es-pacios productivos

La metodologiacutea desarrollada permitioacute conocer la res-puesta teacutermica del espacio del invernadero frente a dife-rentes sistemas y tipos de masa de acumulacioacuten (soacutelidas y liacutequidas) y evaluar los aportes y cargas teacutermicas resi-duales necesarios para considerar su uso en estos espa-cios y dimensionar instalaciones Asimismo se pudo evaluar la eficiencia teacutermico-econoacutemica de distintas con-figuraciones para determinar la maacutes factible

En cuanto a los aportes del trabajo se logroacute avanzar en la caracterizacioacuten de los sistemas y componentes tanto soacutelidos como liacutequidos estableciendo sus ventajas y desventajas Los ensayos permitieron desarrollar un anaacutelisis comparado entre diferentes variantes (i) inver-nadero sin masa de acumulacioacuten de calor (ii) incorpo-racioacuten de un sistema con masa de acumulacioacuten soacutelida (hormigoacuten) de 864 kg y 1968 kg y (iii) un sistema mixto (hormigoacuten y agua encapsulada) de 864 kg

Los sistemas propuestos demostraron buena efica-cia para el amortiguamiento teacutermico de este tipo de es-pacios productivos siendo similares las prestaciones teacutermicas entre el sistema soacutelido de 1968 kg y el sistema mixto de 864 kg Sin embargo el sistema mixto demos-troacute mejor comportamiento nocturno respecto a los soacuteli-dos ya que presenta mayor sostenimiento de la temperatura

Sistema soacutelido 864

kg


kg

Sistema mixto 864

kg



Tapas [Nuacutem] 12

Costo bloques [USD] 291 662 210

Costo tubos [USD] 0 74

Costo tapas [USD] 0 32

Costo adhesivo [USD] 0 7

TOTAL [USD] 291 662 322

Aporte teacutermico [MJdiacutea] 17 32 36

Costoaporte [USDMJ] 171 207 90



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Los aportes teacutermicos maacuteximos de los sistemas se cuantificaron en 17 MJ 32 MJ y 36 MJ correspondiendo a los soacutelidos de 864 kg de 1968 kg y mixto de 864 kg respectivamente Se logra aproximadamente duplicar el aporte teacutermico ya sea por aumento de masa soacutelida como por reemplazo de igual masa soacutelida por mixta Asimismo los costos de los sistemas se cuantificaron en 171 USDMJ 207 USDMJ y 9 USDMJ para el sistema soacutelido de 864 kg de 1968 kg y mixto de 864 kg respec-tivamente demostrando una reduccioacuten econoacutemica sus-tantiva en el sistema mixto respecto a los demaacutes

En cuanto a la generalizacioacuten de este sistema se ad-vierte la importancia mundial de la problemaacutetica en relacioacuten con los antecedentes revelados siendo la cli-matizacioacuten de los espacios agro-productivos un punto comuacuten a resolver en la mayoriacutea de las localizaciones con climas templados semi-templados y friacuteos A nivel mundial los invernaderos superan las 450000 ha estaacuten en continuo crecimiento y se distribuyen mayoritaria-mente en el aacuterea asiaacutetica (66 en China Japoacuten Corea) y en la cuenca del mediterraacuteneo (30 ) El sistema pre-sentado podriacutea replicarse en estas regiones donde los climas sean templados como por ejemplo en la regioacuten de Almeriacutea Espantildea (latitud 368deg) o la de Shenxian en China (latitud 36 deg) con situaciones similares a las de La Plata Argentina (latitud 35 degC) Para tales casos se de-beraacute considerar no solo el aspecto climaacutetico sino tam-bieacuten las diferencias en los materiales de cubierta de los invernaderos como aspectos especiacuteficos para la genera-lizacioacuten de los resultados El polietileno LD del inver-nadero ensayado (larga duracioacuten) es uno de los materiales maacutes utilizados en invernaderos de gran porte junto con el polietileno LTD (larga duracioacuten con protec-cioacuten nocturna) seguido por el uso de chapas plaacutesticas y de vidrio en menor medida Todos ellos si bien poseen un mayor costo econoacutemico generan ventajas en el com-portamiento teacutermico del espacio que son favorables para la incorporacioacuten del sistema disminuyendo las perdidas nocturnas e incrementando su eficiencia Por otra parte dado que se trata de un sistema pasivo y ver-saacutetil puede considerarse su aplicacioacuten auacuten en climas rigurosos aportando en estos casos un efecto de base que es posible complementar con otros sistemas duran-te las horas de mayor requerimiento teacutermico

Actualmente el sistema se encuentra instalado en un invernadero de plantas nativas de la Facultad de Cien-cias Naturales y Museo de la Universidad Nacional de La Plata Buenos Aires Argentina en forma de mesa-das de trabajo (ver Figura 1) Se espera que el sistema amortiguumle los picos maacuteximos diurnos y los descensos de temperatura nocturnos para el estudios de plantas especiacuteficas Como estudios futuros para este sistema se

plantean ensayos del comportamiento en un invernaacute-culo con otro tipo de cerramiento (chapa ondulada transparente) con un tipo de cultivo especiacutefico en su interior y suelo de tierra Se analizaraacuten las condiciones teacutermicas en la estacioacuten caacutelida y en la friacutea y podraacute eva-luarse la respuesta de los cultivos ante la presencia del sistema

agradecIMIentos

Este trabajo se desarrolloacute con el financiamiento de los dos siguientes proyectos 1 ldquoDesarrollo de tecnologiacuteas y pautas de reciclado masivo de la envolvente edilicia residencial orientado al uso racional y eficiente de la energiacutea en aacutereas urbanasrdquo (Proyecto de Investigacioacuten Plurianual 097 financiado por CONICET Argentina 20142016 Director Carlos Alberto Discoli) y 2 ldquoPro-duccioacuten social del haacutebitat sustentablerdquo (Proyecto de Investigacioacuten Aplicada financiado por la Universidad Nacional de La Plata Argentina 2015-2018 Director Gustavo Alberto San Juan) Estos desarrollos tecnoloacutegi-cos se encuentran en proceso de patentamiento en la oficina de vinculacioacuten tecnoloacutegica del CONICET Nuacute-mero de Solicitud Prioritaria M20150102983

noMenclatura

T Temperatura (degC)Tr Temperatura relativa ()Tint Temperatura del aire interior del recinto (degC)Text Temperatura ambiente exterior (degC)Cp Capacidad caloriacutefica (kJdegC)Tmax Temperatura maacutexima de los bloques y del agua para un ciclo diario (degC)Tmin Temperatura miacutenima de los bloques y del agua para un ciclo diario (degC)CEn Costo Energeacutetico (USDMJ)C aportado Calor Aportado (MJ)R Radiacioacuten solar (W m2)

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IntroduccIoacuten

El cultivo a cielo abierto depende de las condiciones cli-maacuteticas externas Se expone a eventos meteoroloacutegicos adversos como granizos lluvias y vientos muy inten-sos y temperaturas extremas (altas o bajas) Frente a esta situacioacuten los invernaderos permiten controlar estos paraacutemetros para proteger las plantaciones y favorecer el cultivo en contraestaciones y la incorporacioacuten de otros cultivos Si bien mejoran las condiciones teacutermicas requieren un control especiacutefico que conlleva a invertir en instalaciones complementarias (tales como sistemas de sombreoventilacioacuten medias sombras con exo-es-tructuras tensadas) desarrollar estrategias orientadas a generar microclimas y utilizar energiacutea convencional con costos adicionales para la produccioacuten En relacioacuten con este uacuteltimo aspecto se utiliza la ignicioacuten directa de combustibles soacutelidos liacutequidos gaseosos y biomasa para climatizacioacuten Asimismo requieren ventilacioacuten para refrescar el ambiente Seguacuten el caso se asocian a estas praacutecticas diferentes problemaacuteticas como contami-nacioacuten del espacio de cultivo por combustioacuten incom-pleta riesgo de incendio escaso control de la temperatura y baja eficiencia energeacutetica (Ferrato amp Panello 2003) En nuestro caso de estudio el cinturoacuten hortiacutecola de La Plata (Bs AS Argentina) el cual se ha convertido en el maacutes grande del paiacutes en los uacuteltimos veinte antildeos los invernaderos livianos se utilizan de manera generaliza-da como un requerimiento para la competitividad en el mercado (Simonatto 2000) Se estima que la superficie cubierta por invernaderos en la regioacuten es de 8000 hectaacute-reas Las problemaacuteticas planteadas afectan en mayor medida a los pequentildeos productores (que cultivan de 2 a 7 ha) ya que al contar con menores recursos deben de-sarrollar estrategias de subsistencia con una mano de obra principalmente familiar y un parque de herra-mientas y equipamiento limitado y de menor nivel tec-noloacutegico planteaacutendose la necesidad de buscar soluciones sencillas y versaacutetiles para mejorar estas condiciones (Rin-guelet amp Garat 2000 Waisman 2011) Asiacute mismo otro factor condicionante para la inversioacuten en infraestructura y tecnologiacutea radica en el reacutegimen de tenencia de la tierra Se trata de arrendamientos informales e inestables que desmotivan a los productores para la inversioacuten e instala-cioacuten de equipamientos tecnoloacutegicos fijos

SiStemaS SolareS paSivoS aplicadoS a eSpacioS agroproductivoS

A pesar de que los sistemas convencionales son los maacutes difundidos en nuestra regioacuten para climatizar los espa-cios agro-productivos tambieacuten se han desarrollado tec-

nologiacuteas ldquohiacutebridasrdquo que combinan el aprovechamiento del recurso solar con sistemas activos de bombeo o venti-ladores abastecidos por energiacuteas convencionales para la circulacioacuten de un caudal de agua (Suaacuterez 2012) o aire como fluidos de intercambio (Juanicoacute et al 2011 Condo-riacute et al 2009) En su mayoriacutea utilizan reservorios teacutermi-cos auxiliares para la captacioacuten y acumulacioacuten de energiacutea teacutermica por ganancia solar directa o colectores externos al espacio de produccioacuten

Por otra parte existen antecedentes tecnoloacutegicos que utilizan elementos de acumulacioacuten teacutermica con elevada capacidad caloriacutefica la cual se distribuye en el interior del espacio de produccioacuten La masa de acumulacioacuten ab-sorbe la energiacutea con lo cual reduce la temperatura del espacio durante el periodo diurno y ademaacutes la conserva para luego entregarla durante la noche Resulta una tec-nologiacutea efectiva para estabilizar ambientes y minimizar costos de la energiacutea demandada para tal fin El origen de estas tecnologiacuteas se remonta a la climatizacioacuten de vivien-das en el antildeo 1881 (Morse 1881) y posteriormente en la deacutecada de 1960 se difundieron bajo el nombre de ldquomuros Trombe-Michelrdquo (Trombe amp Michel 1971) En la deacutecada de 1980 se establecieron criterios baacutesicos para su imple-mentacioacuten sistemaacutetica en edificios (Balcomb amp Heds-trom 1980) y se avanzoacute en estudios tecnoloacutegicos que relacionaron la masa de acumulacioacuten con el clima la de-manda los materiales y sus capacidades de carga de energiacutea (Divecchia amp Ruggi 1979 Zalewski et al 2012 Bourdeau et al 1980 Lesino et al 1978 Guerrero et al 1984 Alanis et al 1978 Urriol 1980)

Si nos enfocamos en los antecedentes sobre tecnolo-giacuteas solares pasivas en espacios agroproductivos se ob-servan variados antecedentes En China se utiliza una pared lateral maacutesica aislada como borde de un inverna-dero solar pasivo el cual tiene aislamiento nocturno orientado hacia el ecuador (Li et al 2010) En Argenti-na se utilizan materiales de descarte para conformar muros inerciadores teacutermicos utilizando agua como masa de acumulacioacuten teacutermica (Esteves amp Gelardi 1999) En Tunez Bouadila et al (2014a) evaluaron el clima in-terior de un invernadero de vidrio (clima mediterraacute-neo) incorporando un calentador solar de aire obser- vaacutendose que en invierno la temperatura base se elevaba en 5 degC y se reduciacutea la humedad relativa de un 10 a 20 durante la noche En otra investigacioacuten los autores Bouadila et al (2014b) observaron que el calor recupera-do durante la noche en un invernadero provisto de un sistema solar pasivo con un sistema acumulador de ca-lor latente era 30 del total necesario Por otro lado en Lazaar et al (2015) se comparoacute el uso de calentadores convencionales versus calentadores solares pasivos in-corporados en invernaderos y se concluyoacute que los siste-



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Metodologiacutea






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T m

edia

(degC

)

T m

aacutexim

a (deg

C)

T m

iacutenim

a (deg

C)

Hum

edad

rela

tiva

()

Prec

ipita

cion

es (m

m)

Gra

dos

diacutea

invi

erno

(te

mp

bas

e 18

degC)

La Plata 97 15 55 82 59 1178


a) b)

c) d)



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864 kg

Ensayos Inicio Fin

12082016 18082016 25082016

17082016 23082016 05092016

Masa [kg] 864 1968 624



Volumen [m3] 0393 0895 0284



Masa [kg] 0 0 240




TOTAL

Masa [kg] 864 1968 864





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(2)



(3)






( ) 1000


$


C EnC aportado M

=


a) b)

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[degC]

T miacuten aire int

[degC]

T maacutex aire ext

[degC]

T miacuten aire ext

[degC]

Diacutea


Diacutea




T maacutex [degC]

T miacuten [degC]



Diacutea

1 Calor aportado 7948 332 136 156


Diacutea

2 Calor aportado 7948 339 125 170




T maacutex [degC]

T miacuten [degC]



Diacutea



Diacutea

2 Calor aportado 1810 319 143 319




T maacutex [degC]

T miacuten [degC]



Diacutea

1





Diacutea

2







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a)

b)



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conclusIones






kg


kg

Sistema mixto 864

kg



Tapas [Nuacutem] 12





TOTAL [USD] 291 662 322





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agradecIMIentos


noMenclatura


referencIas






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Metodologiacutea






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T m

edia

(degC

)

T m

aacutexim

a (deg

C)

T m

iacutenim

a (deg

C)

Hum

edad

rela

tiva

()

Prec

ipita

cion

es (m

m)

Gra

dos

diacutea

invi

erno

(te

mp

bas

e 18

degC)

La Plata 97 15 55 82 59 1178


a) b)

c) d)



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864 kg

Ensayos Inicio Fin

12082016 18082016 25082016

17082016 23082016 05092016

Masa [kg] 864 1968 624



Volumen [m3] 0393 0895 0284



Masa [kg] 0 0 240




TOTAL

Masa [kg] 864 1968 864





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C EnC aportado M

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1 Calor aportado 7948 332 136 156


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2 Calor aportado 7948 339 125 170




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2 Calor aportado 1810 319 143 319




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Sistema mixto 864

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Tapas [Nuacutem] 12





TOTAL [USD] 291 662 322





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Masa [kg] 864 1968 624



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Masa [kg] 864 1968 864





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Masa [kg] 864 1968 624



Volumen [m3] 0393 0895 0284



Masa [kg] 0 0 240




TOTAL

Masa [kg] 864 1968 864





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