21.3 Tipologías de cerramientos y casos prácticos de granjas comerciales

Esta investigación se centra en definir criterios de clasificación acuapónica a nivel de recinto para complementar las definiciones existentes a nivel de sistema. Los tipos de cerramientos discutidos aquí trabajan con diferentes sistemas de construcción, niveles de control tecnológico, estrategias pasivas de control climático y fuentes de energía para lograr un clima interior apropiado. La mejor aplicación de cada tipología de recinto depende principalmente del tamaño de la operación, la ubicación geográfica, el clima local, las especies de peces y cultivos objetivo, los parámetros requeridos de los sistemas que alberga y el presupuesto. Este estudio identifica cinco tipologías de cerramientos diferentes y define las características de los espacios interiores que albergan la infraestructura acuícola.

21.3.1 Tipologías de invernadero

Esta clasificación incluye cuatro categorías de invernaderos (invernaderos de tecnología media, invernaderos solares pasivos, invernaderos de alta tecnología e invernaderos en tejados) que son aplicables a operaciones acuapónicas a nivel comercial (Tabla 21.2). Los invernaderos existentes pueden no encajar exactamente en una sola tipología, pero entran dentro de un espectro de tecnología media a alta tecnología mediante la incorporación selectiva de técnicas de control ambiental activas y pasivas.

Invernaderos de tecnología mediana Los invernaderos con niveles intermedios de tecnología para controlar el clima interior incluyen Quonset independiente o conectado a canalones (tipo Nissen choza), hoop house (polytunnel) e invernaderos pares. Por lo general, están cubiertos con doble película de polietileno (PE) o paneles de plástico rígido, como paneles acrílicos (PMMA) y paneles de policarbonato (PC). Estos invernaderos son menos costosos de instalar, aunque el revestimiento de película necesita ser reemplazado con frecuencia debido al rápido deterioro causado por la exposición constante a la radiación UV (Proksch 2017). Estos invernaderos protegen los cultivos de fenómenos meteorológicos extremos y hasta cierto punto patógenos, pero sólo ofrecen un nivel limitado de controles climáticos activos. En cambio, dependen de la radiación solar, los sistemas de sombreado simples y la ventilación natural. Con su limitada capacidad para modificar las condiciones de crecimiento dentro de un cierto rango, los invernaderos de tecnología media rara vez se utilizan para albergar granjas acuapónicas en climas fríos. Esto se debe a que la alta inversión inicial en los componentes hidropónicos y acuícolas requiere un entorno estable y una producción fiable durante todo el año para ser comercialmente viable.

Las operaciones acuapónicas en climas más cálidos han demostrado con éxito el uso de invernaderos de tecnología media que emplean refrigeración por evaporación y sistemas de calefacción simples. Por ejemplo, Sustainable Harvesters en Hockley, Texas, EE.UU. utiliza un simple invernadero Quonset (12.000 sf/1110 msup2/sup) para la producción de lechuga durante todo el año sin depender de un amplio calentamiento o iluminación suplementarios. Ouroboros Farms en Half Moon Bay, California, EE.UU. utiliza un invernadero existente (20.000 sf/1860 msup2/sup) para producir lechuga, hojas verdes y hierbas (Fig. 21.4). Debido al clima templado, la granja utiliza principalmente sombreado estático y poca calefacción y enfriamiento suplementarios. Ambas granjas, como muchas operaciones de tecnología media más pequeñas, colocan sus acuarios en el mismo espacio de invernadero que el sistema de cultivo hidropónico. Las granjas cultivan especies de peces que toleran un amplio rango de temperatura (tilapia) y sombrean tanques acuícolas para evitar el sobrecalentamiento y el crecimiento de algas.

Cuadro 21.2 Comparación de los estudios de casos por tipologías de recintos

tabla tead tr class=“encabezado» TCea tipo/ésima th Estudios de casos /th th Sistema de construcción /th th Controles /th th Temporada de crecimientosupa/sup y latitud /th th Zonas de dureza upb/sup /th /tr /thead tbody tr class=“impar» td rowspan=6 invernaderos medianos/td td rowspan=3 Ouroboros Farms, Half Moon Bay, California, Estados Unidos (20,000 sf/1860 msup2/sup) /td td rowspan=3 GH existente, conectado a canaletas con dos tramos pares, revestidos con vidrio de un solo panel, tanques de peces en GH /td td rowspan=3 Sombreado estático, cortinas de sombreado /td td rowspan=2 319 días/ 10,6 meses /td td 10a /td /tr tr class=“incluso» td 30 a 35 °F /td /tr tr class=“impar» td 37.5˚ N /td td -1.1 a 1.7° C /td /tr tr class=“incluso» td rowspan=3 Cosechadoras sostenibles, Hockley, TX, Estados Unidos (12.000 sf/1110 msup2/sup) /td td rowspan=3 Cuadro Quonset, multi-túnel (3) GH, recubierto con película PE y paneles de plástico rígido, peceras en GH /td td rowspan=3 Refrigeración evaporativa, ventilación forzada /td td rowspan=2 272 días/ nueve meses /td td 8b /td /tr tr class=“impar» td 15 a 20 °F /td /tr tr class=“incluso» td 30.0 ˚N /td td -9.4 a 6.7° C /td /tr tr class=“impar» td RowSpan=6invernaderos solares pasivos/td td rowspan=3 Invernadero solar Aquaponic, Neuenburg am Rhein, Alemania (2000 sf/180 msup2/sup) /td td rowspan=3 Invernadero solar (chino), con pared de adobe como masa térmica adicional, revestida con película ETFE, tanques de peces en GH /td td rowspan=3 Módulos fotovoltaicos personalizados para sombreado y producción de energía /td td rowspan=2 202 meses/ 6,6 meses /td td 8a /td /tr tr class=“incluso» td 10—15 ˚F /td /tr tr class=“impar» td 47,8 ˚N /td td

• 12,2 a -9,4 °C /td /tr tr class=“incluso» td rowspan=3 Invernadero ecológico en Finn & Roots, Bakersfield, VT, EE.UU. (6000sf/ 560 msup2/sup) /td td rowspan=3 Invernadero solar, tierra protegida, ángulo empinado de cubierta orientada al sur (ca. 60), aislamiento grueso, acristalamiento solar especial, tanques de peces en el norte, lado subterráneo /td td rowspan=3 Calor radiante alimentado por madera, cortina de energía, ventilación con efecto apilable, iluminación LED suplementaria /td td rowspan=2 108 días/ 3,6 meses /td td 4a /td /tr tr class=“impar» td -30 a -25 °F /td /tr tr class=“incluso» td 44.8˚ N /td td -34.4 a -31.7 ˚C /td /tr tr class=“impar» td RowSpan=6invernaderos de alta tecnología/td td rowspan=3 Superior Fresh Farms, Hixton, WI, Estados Unidos (123.000 sf/11,430 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, conectado a la canaleta, (20 41 bahías), revestida de vidrio, peceras en edificio separado /td td rowspan=3 Entorno CEA controlado por ordenador, iluminación LED suplementaria, /td td rowspan=2 122 días/ 4,1 meses /td td 4b /td /tr tr class=“incluso» td -25 a -20 °F /td /tr tr class=“impar» td 44,4 N /td td -31.7 a -28.9 ˚C /td /tr tr class=“incluso» td rowspan=3 Blue Smart Farms, Cobbitty, Nueva Gales del Sur, Australia (53.800 sf/5000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, canaletas conectadas, (14 18 bahías), revestida de vidrio, construcción de dos pisos, tanques de peces en el nivel inferior /td td rowspan=3 Control biológico de plagas del medio ambiente CEA controlado por ordenador /td td rowspan=2 300 días/ 10 meses /td td 9b /td /tr tr class=“impar» td 25 a 30 °F /td /tr tr class=“incluso» td 34.0˚S /td td -3.9 a -1.1 ˚C /td /tr tr class=“impar» td RowSpan=6Rooftop invernadero/td td rowspan=3 ECCO-Jäger Aquaponik Dachfarm, Bad Ragaz, Suiza (12.900 sf/1200 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, conectado a la canaleta, (7 13 bahías), revestida de vidrio, peceras en el nivel inferior /td td rowspan=3 Ambiente CEA, iluminación LED suplementaria, uso del calor de escape de las instalaciones de refrigeración /td td rowspan=2 199 días/ 6,6 meses /td td 7b /td /tr tr class=“incluso» td 5 a 10 °F /td /tr tr class=“impar» td 47.0˚ N /td td -15.0 a -12.2 ˚C /td /tr tr class=“incluso» td rowspan=3 BIGH’s Ferme abat-toir, Bruselas, Bélgica (21.600 sf/2000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, conectado a la canaleta, (15 10 bahías), revestida de vidrio, peceras en el nivel inferior /td td rowspan=3 Entorno CEA, iluminación LED suplementaria /td td rowspan=2 224 días/ 7.3 meses /td td 8b /td /tr tr class=“impar» td 15 a 20 °F /td /tr tr class=“incluso» td 50.8˚ N /td td -9.46 a -6.7 ˚C /td /tr tr class=“impar» td RowSpan=6Espacios de cultivo en interior/td td rowspan=3 Urban Organics, Schmidt’s Brewery, St. Paul, Minnesota, Estados Unidos (87.000 sf/8080 msup2/sup) /td td rowspan=3 Almacén de estructura de acero, altamente aislado, apilado, acuarios de peces en espacio separado /td td rowspan=3 Iluminación UV fluorescente, entorno CEA controlado por ordenador /td td rowspan=2 140 días/ 4,7 meses /td td 4b /td /tr tr class=“incluso» td -25 a -20 °F /td /tr tr class=“impar» td 45.0˚ N /td td -31.7 a 28,9 °C /td /tr tr class=“incluso» td rowspan=3 Nutraponics, Sherwood Park, AB, Canadá (10.800 sf/1000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Almacén de estructura de acero, altamente aislado, apilado, acuarios de peces en espacio separado /td td rowspan=3 Iluminación LED, entorno CEA controlado por ordenador /td td rowspan=2 121 días/4 meses /td td 4a /td /tr tr class=“impar» td -30 a -25 °F /td /tr tr class=“incluso» td 53.5˚ N /td td -34.4 a -31.7 ˚C /td /tr /tbody /tabla

Temporada de cultivo libre de SUPA/Supfrost-free, Asociación Nacional de Jardinería, Herramientas y Aplicaciones, https://garden.org/ apps/calendar/

SUP/SUPbasado en el Mapa de Zona de Resistencia del USDA, que identifica la temperatura media anual mínima invernal (1976—2005), dividida en zonas de 10 F. Mapas de plantas, https://www.plantmaps.com/ index.php

** Invernaderos solares pasivos** Este tipo de invernadero está diseñado para ser calentado exclusivamente por energía solar. Elementos de masa térmica sustanciales, como una pared sólida orientada al norte, almacenan energía solar en forma de calor que luego se reirradia durante los períodos más fríos por la noche. Este enfoque protege los cambios de temperatura del aire y puede reducir o eliminar la necesidad de combustibles fósiles. Los invernaderos solares tienen un lado transparente orientado al sur y un lado opaco, masivo y altamente aislado orientado al norte. La integración de grandes volúmenes de agua en forma de tanques de peces es una ventaja para el rendimiento térmico de este tipo de invernadero. Además, los tanques pueden ubicarse en zonas del invernadero menos adecuadas para el cultivo de plantas o parcialmente sumergidas en el suelo para una mayor estabilidad térmica.

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Fig. 21.4 Ouroboros Farms (Half Moon Bay, California, Estados Unidos)

El invernadero solar Aquaponic (2000 sf/180 msup2/sup), desarrollado y probado por Franz Schreier, ha demostrado ser un entorno adecuado para albergar un pequeño sistema aquapónico en el sur de Alemania. El invernadero recoge la energía solar a través de su techo arqueado orientado al sur y su pared revestida con película de tetrafluoroetileno (ETFE). El calor se almacena en tanques de peces parcialmente sumergidos, piso y pared norte revestida de adobe para ser disipado por la noche. Los paneles fotovoltaicos (PV) hechos a medida del invernadero transforman la radiación solar en energía. Situado en el clima más frío de Vermont, EE.UU., el Eco-Ark Invernadero en la granja Finn & Roots (6000 sf/560 msup2/sup) alberga un sistema aquapónico que funciona con un enfoque solar pasivo similar. El invernadero tiene un techo transparente empinado (aprox. 60˚) orientado al sur con acristalamiento solar especial (Fig. 21.5). Su lado norte opaco y altamente aislado se sumerge en una ladera y alberga los tanques de peces. Además de estos controles pasivos, el Eco-Ark tiene una calefacción radiante por suelo radiante que complementa la calefacción durante las estaciones más frías.

Los invernaderos de alta tecnología de estilo Venlo, los invernaderos de alta tecnología que cuentan con un alto nivel de tecnología para controlar el clima interior son el estándar para CEA hidropónica a escala comercial. Los invernaderos de alta tecnología se caracterizan por controles computarizados e infraestructura automatizada, como cortinas térmicas automáticas, matrices automáticas de iluminación y sistemas de ventilación de aire forzado. Estas tecnologías permiten un alto nivel de control ambiental, aunque se producen a costa de un alto consumo de energía.

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Fig. 21.5 Eco-Ark Invernadero en Finn & Roots Farm (Bakersfield, Vermont, Estados Unidos)

Algunas granjas acuapónicas comerciales a gran escala utilizan esta tipología de invernadero para su producción vegetal, como las granjas Superior Fresh, ubicadas en Hixton, Wisconsin, EE.UU. (123.000 sf/11.430 msup2/sup), con los sistemas de acuicultura alojados en un recinto opaco separado. La iluminación y calefacción LED suplementarios automatizados permiten a las granjas Superior Fresh cultivar hojas verdes durante todo el año a pesar de la falta de luz del día en el invierno, donde la temporada de cultivo natural y libre de heladas dura solo 4 meses. Los sistemas automatizados para el control del clima interno permiten operar invernaderos de alta tecnología en cualquier parte del mundo. El invernadero Blue Smart Farms utiliza una variedad de sensores para optimizar el sombreado durante los calurosos veranos australianos.

Thanet Earth, el mayor complejo de invernaderos del Reino Unido, se encuentra en el sureste de Inglaterra. Sus cinco invernaderos cubren más de 17 acres (7 hectáreas) cada uno, cultivando tomates, pimientos y pepinos utilizando hidroponía (Fig. 21.6). Esta empresa está alimentada por un sistema combinado de calor y energía (CHP) que proporciona energía, calor y COSub2/sub para los invernaderos. El sistema CHP funciona de manera muy eficiente y canaliza el exceso de energía al distrito local alimentándolo a la red de suministro de energía local. Además, las tecnologías controladas por ordenador como las cortinas de energía, la iluminación suplementaria de descarga de alta intensidad y la ventilación regulan las condiciones de cultivo en interiores.

Invernaderos de tejadores Este tipo más reciente incluye invernaderos construidos en la parte superior de los edificios anfitriones, ya sea como remodelación de estructuras existentes o como parte de nuevas construcciones. Debido a los altos costos de la tierra, ahorrar espacio es cada vez más importante para las granjas acuapónicas en contextos urbanos. Conectar un invernadero con un edificio existente es una estrategia para los agricultores urbanos que buscan revitalizar el espacio infrautilizado y encontrar una ubicación céntrica en la ciudad. Los invernaderos de tejado ya son utilizados por los productores hidropónicos a escala comercial, pero son un tipo de recinto relativamente raro para las granjas acuapónicas debido al peso adicional del agua que puede tensar las estructuras existentes más allá de su capacidad de carga. Las pocas granjas acuapónicas que existen actualmente dan prioridad a los sistemas de distribución de agua liviana (técnica de película nutritiva o cultivo basado en medios de comunicación en lugar de cultivo de aguas profundas) y ubican sus acuarios en el nivel inferior al espacio de cultivo debido a una demanda relativamente menor de luz natural.

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Fig. 21.6 Thanet Earth, invernaderos de última generación con suministro combinado de calor y energía, (Isla de Thanet en Kent, Inglaterra, Reino Unido)

Recientemente se han abierto dos granjas en la azotea con sistemas aquapónicos de alta tecnología en Europa. Ambos consultaron con consultores de sistemas agrícolas Efficient City Farming (ECF) en Berlín. ECCO-Jäger Aquaponik Dachfarm en Bad Ragaz, Suiza, se encuentra en la cima de un centro de distribución de una empresa familiar de productos. El invernadero de la azotea de estilo Venlo (12.900 sf/1200 msup2/sup) está ubicado en un edificio de depósito de dos pisos; los tanques de peces están instalados en el piso debajo del invernadero. Al cultivar hojas verdes y hierbas en su azotea, ECCO-Jäger reduce la necesidad de transporte y puede ofrecer productos inmediatamente después de la cosecha. Además, la finca aprovecha el calor residual generado por su almacenamiento en frío para calentar el invernadero. El matadero Ferme de BIGH (21.600 sf/2000 msup2/sup) es una versión más grande de un invernadero similar al estilo Venlo (Fig. 21.7), que ocupa el techo del mercado Foodmet en Bruselas, Bélgica. Estos primeros ejemplos apuntan a un mayor potencial para optimizar el rendimiento tanto aquapónico como envolvente mediante la conexión de flujos de agua, energía y aire entre la granja y el edificio anfitrión, conocido como agricultura integrada en edificios (BIA). En la actualidad, se está investigando el emblemático invernadero hidropónico integrado situado en el edificio compartido por el Instituto de Ciencia y Tecnología Ambientales (ICTA) y el Instituto Catalán de Paleontología (ICP) de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) para derminar los beneficios de la aunque no existe ningún ejemplo de este tipo en el ámbito de la acuapónica para determinar los beneficios de la plena integración de los edificios, aunque no existe tal ejemplo en el ámbito de la acuapónica.

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Fig. 21.7 Matadero BIGH Ferme con el invernadero de alta tecnología en el fondo (Bruselas, Bélgica)

21.3.2 Tipo de cultivo en interior

Los espacios de cultivo en interiores dependen exclusivamente de la luz artificial para la producción de plantas. A menudo, estos espacios de cultivo están altamente aislados y revestidos de un material opaco, originalmente concebido como salas de almacenamiento o fabricación industrial. Los espacios de cultivo interior suelen tener un mejor aislamiento que los invernaderos debido al material envolvente, aunque no pueden depender de la luz diurna ni de la calefacción natural. La suposición es que esta tipología es más adecuada para climas extremos, donde las oscilaciones de temperatura son de mayor preocupación que la iluminación (Graamans et al. 2018), aunque se necesita una investigación más concluyente.

Urban Organics opera dos granjas acuapónicas de cultivo en interiores a escala comercial dentro de dos fábricas de cerveza renovadas en el núcleo industrial de St. Paul, Minnesota, EE.UU. Las dos granjas cultivan hojas verdes y hierbas en camas de crecimiento apiladas iluminadas por luces de cultivo fluorescentes (Fig. 21.8). Su segundo sitio permite a Urban Organics aprovechar la infraestructura cervecera alrededor de un acuífero existente; el agua del acuífero necesita un tratamiento mínimo y se suministra a 10 °C a tanques de trucha arcoíris y carbón ártico. El uso de las estructuras existentes redujo los costos de construcción de Urban Organics y ofreció la oportunidad de revitalizar una zona difícil de la ciudad. En un clima aún más frío, Nutraponics cultiva verdes frondosos en un almacén en una parcela rural a 40 km de Edmonton, Alberta, Canadá. Dado que los productos locales dependen en gran medida de las oscilaciones de temperatura estacionales, Nutraponics gana una ventaja competitiva en el mercado empleando iluminación LED para acelerar el crecimiento de los cultivos durante todo el año (Fig. 21.9).

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Fig. 21.8 Urban Organics (St. Paul, Minnesota, Estados Unidos)

21.3.3 Recintos para Acuicultura

Los recintos para el componente acuícola de las operaciones acuapónicas no son técnicamente tan exigentes como el diseño del recinto para los componentes hidropónicos, ya que los peces no requieren luz solar para prosperar. Sin embargo, el control de las condiciones de cultivo en interiores permite a los agricultores optimizar el crecimiento, reducir el estrés y establecer calendarios precisos para la producción pesquera, lo que da a sus poblaciones una ventaja competitiva en el mercado (Bregnballe 2015). Los recintos espaciales de acuicultura son principalmente necesarios para mantener estables la temperatura del agua. Los tanques de peces deben ser capaces de soportar rangos de temperatura del agua cómodos para especies de peces específicas, peces de agua caliente 75-86˚F (24-30˚C) y peces de agua fría 54-74˚F (12-23˚C) (Alsanius et al. 2017). El agua y la temperatura ambiente pueden controlarse de manera más eficiente si los acuarios están alojados en un espacio bien aislado con pocas ventanas para minimizar las ganancias solares durante los meses de verano y las pérdidas de temperatura cuando la temperatura exterior baja (Pattillo 2017), como se demuestra en la puesta en marcha del recinto INAPRO. El gran volumen de agua necesario para el cultivo de peces debe considerarse desde una perspectiva arquitectónica, ya que tiene consecuencias para los sistemas estructurales y de acondicionamiento dentro de un edificio.

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Fig. 21.9 Nutraponics (Sherwood Park, Alberta, Canadá)