Conference PaperPDF Available

Das geschlossene Solarkollektorgewächshaus - Anlagenkonzept und energetische Untersuchungen zum Wärmeenergiegewinn im Sommer 2010

Authors:

Abstract

Da Gewächshäuser mit ihrer strahlungsdurchlässigen Konstruktion prinzipiell thermischen Solarkollektoren ähneln, bietet sich eine bivalente Nutzung als Produktionsstätte für Pflanzen und thermischer Solarkollektor an. Das Berliner Teilprojekt im Forschungsverbund ZINEG untersucht mit einem veränderten technischen Konzept der Kühlung und Wärmespeicherung den geschlossenen Betrieb von Gewächshäusern bei Ausnutzung der solaren Überschusswärme und Verwendung von Wärmepumpen. Die in das Gewächshaus eingestrahlte sensible Wärmeenergie sowie die durch die pflanzliche Transpiration entstandenen latenten Wärmeströme sollen mittels Kühl-/Entfeuchtungstechnik, die überwiegend mit natürlicher Konvektion der Luft arbeitet, entzogen und für spätere Heizzwecke in einen oberirdischen Wassertank geleitet werden. In diesem Zusammenhang ist der flexible Wärmepumpeneinsatz für Kühlung und Heizung im geschlossenen Gewächshaus mit möglichst geringen Primärenergieaufwendungen von Bedeutung. Im Fokus der energetischen Untersuchungen des Sommerbetriebs 2010 lagen die Kühl- und Entfeuchtungssysteme sowie der Betrieb des Wärmepumpenaggregats, um insbesondere Fragestellungen zum Kollektorwirkungsgrad und zu den Arbeitszahlen der Wärmepumpe zu beantworten.
DGG-Proceedings
Vol. 1, 2011
Editorial Board and Review
Balder, Hartmut Berlin
Damerow, Lutz Bonn
Dirksmeyer, Walter Braunschweig
Drüge, Uwe Erfurt
Michaelis, Gerlinde Bad-Zwischenahn
Rath, Thomas Hannover
Schreiner, Monika Großbeeren
Schuster, Mirko Dresden
Winkelmann, Traud Hannover
German Society of Horticultural Sciences (DGG)
Herrenhäuser Str. 2
30419 Hannover
Germany
© DGG, 2011
Short Communications - Annual Conference DGG and BHGL
23.02. - 26.02.2011, Hannover, Germany
Peer Reviewed
DGG-Proceedings, Vol. 1, No. 10, 1-5. DOI: 10.5288/dgg-pr-01-10-is-2011
Ingo Schuch*, Dennis Dannehl, Thorsten Rocksch, Raquel Salazar Moreno,
Abraham Rojano Aguilar, Uwe Schmidt
Das geschlossene Solarkollektorgewächshaus Anlagenkonzept und energetische
Untersuchungen zum Wärmeenergiegewinn im Sommer 2010
*Corresponding Author:
Ingo Schuch
Humboldt-Universität zu Berlin,
Fachgebiet Biosystemtechnik
Albrecht-Thaer-Weg 3
14195 Berlin
Germany
Email: ingo.schuch@agrar.hu-berlin.de
DGG-Proceedings, Vol. 1, No. 10, p. 1-5. DOI: 10.5288/dgg-pr-01-10-is-2011
Das geschlossene Solarkollektorgewächshaus - Anlagenkonzept und energetische
Untersuchungen zum Wärmeenergiegewinn im Sommer 2010
I. Schuch
1
, D. Dannehl
1
, T. Rocksch
1
, R. Salazar Moreno
2
, A. Rojano Aguilar
2
, U. Schmidt
1
1
Humboldt-Universität zu Berlin, Fachgebiet Biosystemtechnik, 14195 Berlin;
2
Universidad
Autónoma Chapingo, México-Texcoco, CP 56230, Chapingo, Edo. México
1. Einleitung, Stand des Wissens, Zielsetzung
Da Gewächshäuser mit ihrer strahlungsdurchlässigen Konstruktion prinzipiell thermischen
Solarkollektoren ähneln, bietet sich eine bivalente Nutzung als Produktionsstätte für
Pflanzen und thermischer Solarkollektor an. Hierzu wurden bereits in den 1980er Jahren
Lösungsansätze entwickelt, bei denen der Überschuss an eingestrahlter Wärmeenergie
über zwangsluftgeführte Wärmetauscher unter den Kulturtischen (Damrath, 1982) oder
mittels freier Konvektion an Kühlflächen im Dachraum (Kurtán, 1988) entzogen und in
einen oberirdischen Wasserspeicher eingeleitet wurde. Zurzeit wird in einem Ansatz aus
den Niederlanden die Luft im geschlossen betriebenen Gewächshaus durch technische
Aufbereitung aktiv gekühlt, entfeuchtet, erwärmt und bei Bedarf mit CO
2
angereichert.
Unterirdische Warm-/Kalt-Aquifere fungieren dort zur saisonübergreifenden Speicherung
(Opdam et al., 2005).
Das Berliner Teilprojekt im Forschungsverbund ZINEG untersucht mit einem veränderten
technischen Konzept der Kühlung und Wärmespeicherung den geschlossenen Betrieb von
Gewächshäusern bei Ausnutzung der solaren Überschusswärme und Verwendung von
Wärmepumpen. Die in das Gewächshaus eingestrahlte sensible Wärmeenergie sowie die
durch die pflanzliche Transpiration entstandenen latenten Wärmeströme sollen mittels
Kühl-/Entfeuchtungstechnik, die überwiegend mit natürlicher Konvektion der Luft arbeitet,
entzogen und für spätere Heizzwecke in einen oberirdischen Wassertank geleitet werden.
In diesem Zusammenhang ist der flexible Wärmepumpeneinsatz für Kühlung und Heizung
im geschlossenen Gewächshaus mit möglichst geringen Primärenergieaufwendungen von
Bedeutung. Im Fokus der energetischen Untersuchungen des Sommerbetriebs 2010 lagen
die Kühl- und Entfeuchtungssysteme sowie der Betrieb des Wärmepumpenaggregats, um
insbesondere Fragestellungen zum Kollektorwirkungsgrad und zu den Arbeitszahlen der
Wärmepumpe zu beantworten.
2. Material und Methoden
Die Anlage umfasst zwei Venlo-Gewächshäuser (Solarkollektor-, Referenzgewächshaus),
welche in Nord-Süd-Ausrichtung und mit einer Firsthöhe von 6,7 m errichtet wurden. Die
beiden Häuser verfügen über eine jeweilige Grundfläche von 307 m
2
, wovon je 200 m
2
als
Netto-Anbaufläche für eine hydroponische Tomatenkultur (Sorte 'Pannovy') auf der hohen
Pflanzenrinne genutzt werden. Des Weiteren wurden die Gewächshäuser mit jeweils drei
Heizungssystemen ausgestattet. Darunter befindet sich eine praxisübliche Fußrohrheizung
zur Absicherung der Heizwärmeversorgung bei entladenem Wärmespeicher. Das zweite
1
Heizungssystem wurde als Luftgebläse mit gelochtem Folienschlauch (Vorlauftemperatur
< 50 °C) unter der hohen Kulturrinne verlegt und ein drittes in Form einer mitwachsenden
Aluflügelrohrheizung (Vorlauftemperatur < 40 °C) im Bestand platziert. Zudem wurden
beide Häuser mit vollautomatischer Nährlösungsbewässerung, einer Begasungsanlage für
technisches CO
2
, einem praxisüblichen Tagesenergieschirm und einer Fog-Anlage zur
Latentkühlung ausgerüstet.
Entgegen der Ausstattung im konventionell betriebenen Referenzgewächshaus befinden
sich im Dachraum des Solarkollektorgewächshauses 16 Rippenrohre zur Kühlung und
Entfeuchtung mit untergehängter Kondensatsammelrinne sowie ein stark aluminisierter
Hüllenergieschirm, welcher an den Stehwänden als Rollschirm ausgeführt wurde. Zudem
sind im Kollektorgewächshaus das Schlauchgebläse- und das Aluflügelrohrsystem für
Heizung und Kühlung/Entfeuchtung nutzbar. In diesem Zusammenhang ist die spezielle
hydraulische Einbindung der Wärmepumpe in das Kollektorsystem von Relevanz, da diese
einen flexiblen Heiz-, Kühl- sowie Entfeuchtungsbetrieb ermöglicht. Die dafür verwendete
zweistufig arbeitende Wasser/Wasser-Kompressionswärmepumpe (Fa. Climaveneta) hat
eine maximale elektrische Anschlussleistung von 40 kW (80 kW Kühlleistung, 110 kW
Heizleistung). Zur Absicherung gegen Frostschäden an den Kühlrohren im Dachbereich
wurde das hydraulische System mit einem Wasser-Glykol-Gemisch versehen. Für die
Wärmeenergiespeicherung wurde außerhalb der Gewächshäuser ein mit 290 m
3
Wasser
gefüllter, oberirdischer Niedertemperaturspeicher (Arbeitsbereich 7 °C bis 42 °C) errichtet.
Dieser basiert auf einem konventionellen Wassertank und wurde zusätzlich mit einer
Innenisolierung (30 mm) sowie einem geschlossenen Foliensystem ausgestattet.
Zur Erfassung der Energieströme im Solarkollektorsystem wurden 9 Wärmemengen- und
2 Elektroenergiezähler verbaut. Die auftretenden Massenströme werden mit Kondensat-
und Nährlösungsrücklaufmengenzählern aufgezeichnet. Klimadaten werden innerhalb der
Gewächshäuser an jeweils 6 Standorten und außerhalb durch eine Wetterstation erfasst.
Im Sommerbetrieb 2010 stand die Ermittlung von energetischen Kennzahlen im Fokus der
Untersuchungen. In diesem Zusammenhang wurden der Kollektorwirkungsgrad (Gl. 1), die
Arbeitszahl der Wärmepumpe für den Kühl-/Heizfall (Gl. 2) sowie die Arbeitszahl des
Gesamtsystems für den Kühl-/Heizfall unter Einbeziehung des Wärmepumpenprozesses
inklusive der nachgelagerten Umwälzvorgänge im hydraulischen System (Gl. 3) berechnet.
2
3. Ergebnisse
Abbildung 1 (A) zeigt mit welchen prozentualen Anteilen an der Gesamtkühlung die drei
Wärmetauschersysteme (Rippenrohr, Schlauchgebläse, Aluflügelrohr) die Wärmeenergie
aus dem geschlossenen Solarkollektorgewächshaus entziehen können. Für den Betrieb
des Kollektorhauses vor Pflanzung der Tomatenkultur ergeben sich mittlere Anteile von ca.
55 % für die Rippenrohrkühlung, 30 % für die Schlauchgebläsekühlung und 15 % für die
Kühlung über Aluflügelrohre. Mit dem Heranwachsen der Kultur und der ansteigenden
pflanzlichen Transpirationsleistung verschoben sich diese Relationen. In Folge dessen
wurde mit der wirksamen Kühloberfläche der Rippenrohre (864 m
2
) eine Wärmemenge bis
886 kWh/d entzogen. Im Spätsommer 2010 stieg der mittlere Anteil der Dachkühlung bei
voll entwickelter Blattfläche der Kultur auf nahezu 90 %. Gleichzeitig wurde mit dem
Schlauchgebläsesystem ein mittlerer Kühlanteil von ca. 10 % erreicht. Durch starke
Kondensation an den Aluflügelrohren und der Vermeidung von Nässebildung im Bestand,
wurde dieses Kühlsystem mit einer Taupunktsteuerung versehen, wodurch sich der
Kühlanteil der Aluflügelrohre auf ein marginales Niveau reduzierte.
Abbildung 1 (B) zeigt ab Kulturbeginn den ansteigenden Verlauf des überwiegend auf die
pflanzliche Transpiration zurückzuführenden latenten Anteils an Wärmeenergie, der
wiederum durch Kondensation an Schlauchgebläse- und Rippenrohrkühlung in sensible
Wärmeenergie rückgewandelt und anschließend entzogen wurde. In diesem Kontext
wurden bei einer voll entwickelten Blattfläche Kondensatmengen bis 445 l/d (1,45 l/m
2
Grundfläche) im geschlossenen Kollektorgewächshaus erfasst. Dies entspricht bei einer
angenommenen Verdampfungsenthalpie von 2,44 MJ/kg Wasser einem Anteil der
Latentkühlung von 36 % an der zugehörigen Tageskühlung durch Schlauchgebläse- und
Rippenrohrsystem.
Abbildung 1 (C) zeigt für den Sommer 2010 den Verlauf des Kollektorwirkungsgrades beim
Kollektorgewächshaus ohne Kultur und mit heranwachsendem Tomatenbestand. Mit dem
Gewächshaus ohne Pflanzenbestand wurden mittlere Kollektorwirkungsgrade von 0,4 bis
0,5 erreicht. Mit dem bepflanzten Kollektorgewächshaus hingegen konnten mittlere Werte
von 0,5 bis 0,8 erreicht werden. Kollektorwirkungsgrade über dem Wert 1 entstanden an
einstrahlungsarmen Sommertagen, an denen durch hohe Temperaturen dennoch große
Transpirations- und somit Kondensatleistungen erzielt wurden.
Abbildung 1 (D) zeigt ab Inbetriebnahme der Anlage die Verläufe der Monatssummen von
der eingestrahlten Wärmeenergie auf die Gewächshausfläche und von der geladenen
Wärmeenergie in den Speicher. Vom Zeitraum Mai bis Dezember 2010 wurde durch die
Solarkollektoranlage eine Wärmemenge von rund 125 MWh (407 kWh/m
2
Grundfläche)
gewonnen.
Die Abbildungen 1 (E) und (F) zeigen die Verläufe der täglichen Arbeitszahlen (Beta) des
Wärmpumpenprozesses für Kühlung und Heizung, wobei in Abbildung 1 (F) zusätzlich die
nachgelagerten Pump- und Umwälzvorgänge im hydraulischen System berücksichtigt
wurden. Für den dargestellten Zeitraum von Mai bis Oktober 2010 liegt die mittlere
Arbeitszahl der Wärmepumpe im Kühlbetrieb (SEER = Seasonal Energy Efficiency Ratio)
bei 5,19 und sinkt unter Berücksichtigung der nachgelagerten Umwälzvorgänge (SEER+)
auf 3,67. Die mittlere Arbeitszahl der Wärmepumpe im Heizbetrieb (HSPF = Heating
Seasonal Performance Factor) liegt bei 4,67 und sinkt unter Berücksichtigung der
nachgelagerten Umwälzvorgänge (HSPF+) auf 3,28.
3
Abb. 1: Anteile der Kühlsysteme an Gesamtkühlung (A), Anteil der Latentkühlung (B),
Verlauf des Kollektorwirkungsgrades (C), Verlauf des Wärmeenergiegewinns (D), Verlauf
der AZ der Wärmepumpe (E), Verlauf der AZ der Wärmepumpe inkl. Umwälzvorgänge (F)
4. Diskussion
Mit ansteigender pflanzlicher Transpirationsleistung und Kondensation des energiereichen
Wasserdampfs an den Kühlrohren im Dachbereich wuchs die Effizienz, der auf natürlicher
Konvektion der Luft basierenden stillen Kühlung. Die bisher ermittelten Kondensatmengen
verweisen auf einen hohen Anteil der pflanzlichen Latentkühlung. In diesem Kontext bietet
sich eine Wiederverwendung des Kondensats für Bewässerungszwecke an.
Bei einfachen Flachkollektoren liegt der Kollektorwirkungsgrad bei etwa 0,5 und bei
modernen Vakuumkollektoren kann dieser 0,8 erreichen (Kaltschmitt und Streicher, 2009).
4
Dieser hohe Wirkungsgrad konnte mit dem bepflanzten Solarkollektorgewächshaus
ebenfalls erreicht werden. Hierbei ist die relativ niedrige Kollektortemperatur (< 30 °C)
durch die pflanzliche Latentkühlung entscheidend, weil dies den Wärmeverlust des
Gewächshauses durch Strahlung und Konvektion gegenüber technischen Solarkollektoren
vermindert. Im laufenden Gewächshausbetrieb unterliegt der Kollektorwirkungsgrad jedoch
Schwankungen durch die Klimasteuerung, da sich bei hohen Lufttemperaturen (> 30 °C)
die Notlüftung öffnet und somit der Kollektorwirkungsgrad sinkt.
Die bisher ermittelten saisonalen Arbeitszahlen des direkten Wärmepumpenprozesses
entsprechen den theoretischen Angaben des Herstellers und liegen auf dem Niveau
vergleichbarer Studien (Opdam et al., 2005). Die täglich ermittelten Arbeitszahlen
unterliegen insbesondere im Heizbetrieb größeren Schwankungen, welche sich aus der
Einschalthäufigkeit und der Laufzeit der Wärmepumpe ergeben. Bei der Kühlung
schwanken die Arbeitszahlen geringer, da vermehrt im Dauerbetrieb gekühlt wird. Bei der
Wärmepumpenanwendung im Gewächshaus entsteht ein doppelter anbautechnischer
Nutzen. Durch den Kühlbetrieb werden Stresszustände im Bestand vermieden und durch
die geschlossene Lüftung kann bei Begasung der CO
2
-Gehalt im Gewächshaus nachhaltig
angehoben werden. Demgegenüber können durch den Heizbetrieb der Wärmepumpe die
im Wärmebedarfsfall notwendigen Luft- und Pflanzentemperaturen erzielt werden.
Problematisch dabei ist das zeitliche Auseinanderfallen von Kälte- und Wärmebedarf. Für
die Bewertung der energetischen Effizienz wurden deshalb getrennte Betrachtungen zum
Heiz- und Kühlbetrieb angestellt.
5. Schlussfolgerung
Die untersuchten Kühl- und Entfeuchtungssysteme sind geeignet, den geschlossenen
Betrieb des Solarkollektorgewächshauses zu realisieren, wobei die Rippenrohrkühlung im
Dachbereich besonders effizient arbeitet. Die pflanzliche Transpiration trägt zur Erreichung
eines hohen Kollektorwirkungsgrades der Anlage bei. Im Versuchsjahr 2011 werden die
energetischen Untersuchungen wiederholt und auf eine Ganzjahreskultur ausgedehnt. Das
System wird im Bezug auf einen Kompromiss zwischen maximalen Wärmeentzug unter
möglichst geringen Primärenergieaufwendungen (Pumpenregelung) und Ertragsbildung
bei CO
2
-Anreicherung zu optimieren sein. Außerdem wird der Einfluss der pflanzlichen
Latentkühlung auf den Wärmebedarf von Gewächshäusern untersucht.
6. Literatur
Damrath, J. (1982): Solarenergienutzung im Gewächshaus: Eine energetische Darstellung
des doppelbedachten Gewächshauses mit solarunterstützter Heizung. Heft 14,
Gartenbautechnische Informationen, Universität Hannover.
Kurtán, S. (1988): Der Wärmegewinn aus geschlossenen Gewächshäusern unter
Berücksichtigung der Wasserdampfkondensation und der Wärmespeicherung.
Dissertation, Ingenieurhochschule Berlin-Wartenberg.
Opdam, J. J. G., Schoonderbeek, G. G., Heller, E. M. B. (2005): Closed Greenhouse: a
Starting Point for Sustainable Entrepreneurship in Horticulture. Acta Hort. 691: 517-524.
Kaltschmitt, M., Streicher, W. (2009): Regenerative Energien in Österreich: Grundlagen,
Systemtechnik, Umweltaspekte, Kostenanalysen, Potenziale, Nutzung. Vieweg + Teubner.
5
Article
The water and carbon footprint of the presented dried tomato value chain is compared to the conventional process. The coupling of pre- and post-harvest processes, namely growing and drying respectively, is analyzed for resource consumption optimization. The growing system of tomatoes (Solanum lycopersicon L. cv, Pannovy) in an energy efficient greenhouse (operating as a solar thermal collector) is databased; while the post-harvest process consists of a model-based solar drying system. The thermodynamic operation zones (temperature, humidity and enthalpy) are detailed to apply energy interaction between both processes. The results of the monthly record of a season show that the water footprint was reduced from 91 to 51.1 L kg-1 with a standard deviation from 53.2 to 12.4 L kg-1. The carbon footprint was reduced from 40.2 to 11 kg kg-1 with a standard deviation from 23.9 to 11.4 kg carbon dioxide kg-1. From the observed variation from monthly values, the relevance of the seasonal effect on resources needed for implementing process improvements is highlighted. The use of renewable energy and energy efficiency concepts is shown to have a positive impact when applied at industrial level in 'compound industries' that share sub-processes in the value chains. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652615005405
Article
Between 1998 and 2003, the company Ecofys from Utrecht developed and tested a new concept of an integrated climate and energy system that permits permanently closing the ventilation windows of a greenhouse. The technical concept consists of a combined heat and power unit, heat pump, underground (aquifer) seasonal energy storage as well as daytime storage, air treatment units, and air distribution ducts. Active air circulation is one of the key elements for controlling the climate (T, RH, CO2) at crop level. This paper discusses the technical aspects and the results of a trial using a fully closed 1400 m2 demonstration greenhouse for tomato production. Results showed: 1) reduction in primary energy (fossil fuel) use of 20 and 35% respectively for an "island" closed greenhouse and a closed-conventional combination greenhouse, 2) increase in tomato yield of 20%, 3) an 80% reduction in chemical crop protection, and 4) a 50% reduction in use of irrigation water. The energy efficiency was improved by 50%. Finally, some preliminary environmental data will be shown for the first 14,000 m2 of closed greenhouse installed at a commercial greenhouse operation. The concept of a fully closed greenhouse will be discussed in relation to sustainable greenhouse production.
Solarenergienutzung im Gewächshaus: Eine energetische Darstellung des doppelbedachten Gewächshauses mit solarunterstützter Heizung
  • J Damrath
Damrath, J. (1982): Solarenergienutzung im Gewächshaus: Eine energetische Darstellung des doppelbedachten Gewächshauses mit solarunterstützter Heizung. Heft 14, Gartenbautechnische Informationen, Universität Hannover.