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Methoden zur energetischen Bewertung von geschlossenen Gewächshausanlagen unter Berücksichtigung von Enthalpiedifferenzen

Authors:

Abstract

The classic methods for energetic evaluation of greenhouses are not sufficient to completely and precisely evaluate the components of a closed installation consisting of a greenhouse, solar techniques and heat storage. Therefore it is necessary to extend the spectrum of methods. For this purpose a few evaluation parameters of climate and solar technique can be instrumented. First of all the tightness of the greenhouse covering is investigated. Due to low air exchange (<0,3) the heat loss is reduced. This results, together with thermal screens, in higher humidity of greenhouse air. Therefore the strategy of vapor passing double screens is suitable to transport the water vapor in the roof zone without losing large quantities of sensible heat. During this process a significant increase of the V-enthalpy value (+116%) and simultaneously a slight growth of the V-air-value (+10%) is shown. The new V-enthalpy value makes it possible to have a combined view of sensible and latent heat flow during the evaluation of thermal screens because the insulation effect is taken into account as well as impermeability in relation to water vapor. Furthermore, it was determined that the heat consumption can be reduced up to 59% by using a double screen. In order to evaluate the efficiency of the heat pump, separate examinations of cooling and heating were executed to find the results for efficiency ratios of 4.9 (cooling) and 4.5 (heating). Furthermore, a significant influence of the auxiliary drive (e.g. circulation pumps) on the efficiency of the heat pump system was proofed. For cooling and dehumidification in the greenhouse, finned tube heat exchangers, situated in the roof zone, are suitable. The resulting induced light reduction (5%) can be compensated through additional yield. In addition, the efficiency of the roof cooling grows. This is based on the natural convection combined with increasing transpiration, which allows a latent cooling part until 35% and a collector’s efficiency up to 0.8. Using 50% collector area in the greenhouse system, an export of the stored heat is recommended for the remaining greenhouse area. Here, a solar fraction for heating support of 60% can be expected. As a storage concept, an above ground heat storage (1 m³/m²) is recommended. This requires at least a thermal insulation of the water surface area. Even low levels of insulation already allow a significant improvement in thermal insulation during low temperature storage systems. Another focus of the investigation aims to find out if further developments, of the method for heat requirement calculation of greenhouses, are possible. Therefore to begin with, a comparison between methods of building- and greenhouse techniques was made, whereas the method, according to the DIN 4701 and DIN EN 12831, proved to be inadequate. In contrast, the established Ucs-method (also called DeltaT-method) uses, at least during the day, a standard efficiency of conversion from solar heat into sensible heat. But there is no differentiation between the cultivated culture, the leaf area index or the irrigation type. The effort from thermal heat to evaporation remains undifferentiated as well. In this case transpiration measurements of adult tomato plants show that even at night, large amounts of thermal heat (40%) can be converted into latent heat. This indicates that the heat consumption of greenhouses can significantly be increased. Along with this, it is possible to extend the Ucs-method by using the enthalpy of air for a correction factor (hx) that depends on evaporation. This factor describes the increase of heat consumption through evapotranspiration and needs to be allocated with the heat consumption coefficient of a greenhouse without plants and irrigation (Ucs,dry). Taking the example of tomato cultivation, nocturnal hx factors of 1.8 and 2.1 were determined. Alternatively, the interpretation of the heat load in the greenhouse could be executed by using the so called enthalpy loading number (τ). This parameter uses just like the correction factor method, the enthalpy difference between internal and external air in order to take into account sensible, as well as, latent heat. For this, the example of the tomato cultivation shows nocturnal τ values of 2.6 (without screen), 1.5 (single screen) and 0.8 (with double and side wall screen). Prospectively, an advanced development of the indicated enthalpy models (hx and τ) at full-day conditions should be performed. Furthermore, it needs to be clarified to which extent energetic storage effects, resulting of the water vapor that emerged at daytime, affect the current nocturnal enthalpy state. In addition, case studies with different leaf areas, types of irrigation and insulation situations should be carried out. Hence groups for cultivar or cultivation types and greenhouse systems can be derived.
Methoden zur energetischen Bewertung von
geschlossenen Gewächshausanlagen
unter Berücksichtigung von Enthalpiedifferenzen
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum horticulturarum
(Dr. rer. hort.)
eingereicht an der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
M.Sc. Ingo Schuch
geb. am 11.09.1980 in Bernau bei Berlin
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin
Prof. Dr. paed. habil. Jan-Hendrik Olbertz
Dekan der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Ellmer
Gutachter:
1. Prof. Dr. sc. techn. Uwe Schmidt
2. Prof. Dr. rer. hort. habil. Joachim Meyer
3. Dr. agr. Hans-Peter Kläring
Tag der mündlichen Prüfung: 17.06.2014
Schuch, Ingo:
Methoden zur energetischen Bewertung von geschlossenen Gewächshausanlagen unter
Berücksichtigung von Enthalpiedifferenzen / Ingo Schuch.
Als Ms. gedr.. Berlin : Winter-Industries GmbH, 2014
Zugl.: Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Diss., 2014
ISBN 978-3-86624-611-9
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Winter-Industries GmbH 2014
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vorbehalten.
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Winter-Industries GmbH
URL: http://www.winter-industries.com
Was wir wissen, ist ein Tropfen.
Was wir nicht wissen, ein Ozean.
Isaac Newton
(engl. Naturforscher 1643-1727)
Danksagung
Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an
der Humboldt-Universität zu Berlin (Fachgebiet Biosystemtechnik) sowie am Leibniz-
Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau Großbeeren/Erfurt (Abteilung Modellierung
und Wissenstransfer).
Ich bedanke mich bei den fördernden Institutionen des Verbundprojektes ZINEG, ohne
die meine Forschung nicht hätte stattfinden können. Zudem danke ich allen Kollegen
und Freunden, die mir beratend und unterstützend zur Seite standen. Darüber hinaus
gilt mein besonderer Dank:
Prof. Dr. Uwe Schmidt (HU Berlin, Fachgebiet Biosystemtechnik) für die Überlassung
des Themas und die ausgezeichnete Betreuung,
Prof. Dr. Joachim Meyer (TU München, Fachgebiet Technik im Gartenbau) für die
wissenschaftliche Unterstützung,
Dr. Peter Kläring (IGZ Großbeeren, Abteilung Modellierung und Wissenstransfer) für
die wissenschaftliche Unterstützung.
Vor allem danke ich jedoch meiner Lebensgefährtin Steffi und meiner ganzen Familie,
hier besonders meinen Eltern, für die Ausdauer und Unterstützung in jeglicher Hinsicht.
Erwähnen möchte ich auch meinen 2012 verstorbenen Großvater Karl Bülow, der mir
als Lehrer, Studienrat und Autor ein großes Vorbild ist.
VI
VII
Inhalt
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................................. XI
Tabellenverzeichnis ................................................................................................................ XIV
Nomenklatur ............................................................................................................................ XV
1Einleitung und Zielstellung .................................................................................................... 1
2Stand des Wissens ................................................................................................................... 3
2.1Grundlagen zur Wärmeübertragung beim Gewächshaus ................................................... 3
2.1.1Wärmeleitung ......................................................................................................... 4
2.1.2Wärmestrahlung ...................................................................................................... 5
2.1.3Wärmeströmung ..................................................................................................... 7
2.1.3.1Freie Konvektion ...................................................................................... 8
2.1.3.2Erzwungene Konvektion .......................................................................... 8
2.1.4Phasenübergang ...................................................................................................... 9
2.1.4.1Evapotranspiration ................................................................................... 9
2.1.4.2Kondensation .......................................................................................... 11
2.1.5Luftwechsel .......................................................................................................... 12
2.2Wärmebedarfs- und Heizlastberechnung in der Versorgungstechnik .............................. 14
2.2.1Wärmebedarfsberechnung 1929 bis 2003 ............................................................ 14
2.2.2Heizlastberechnung 2003 bis 2014 ....................................................................... 15
2.2.3Heizlastberechnung von Gebäuden nach DIN EN 12831 .................................... 17
2.2.3.1Hüllflächenverfahren .............................................................................. 17
2.2.3.2Verbrauchsverfahren .............................................................................. 18
2.2.4Wärmebedarfsberechnung von Gewächshäusern nach DIN 4701........................ 20
2.2.5Wärmebedarfsberechnung von Gewächshäusern nach Ucs-Methode ................... 22
2.2.6Gegenüberstellung der Berechnungsverfahren ..................................................... 26
2.2.7Simulationsprogramme im Kontext „Gewächshaus“ ........................................... 27
2.2.7.1HORTEX ................................................................................................ 27
2.2.7.2Virtual Grower ....................................................................................... 29
2.2.7.3TRNSYS ................................................................................................ 30
2.3Energetische Aspekte bei (semi-)geschlossenen Gewächshäusern .................................. 32
2.3.1Effizienz bei der Gewinnung von Nutzwärme und Nutzkälte .............................. 33
2.3.1.1Solarthermische Kollektoren .................................................................. 33
2.3.1.2Wärmepumpen und Kältemaschinen ..................................................... 35
2.3.2Exemplarische Auswahl zur Klimatechnik .......................................................... 38
2.3.2.1Entfeuchtungswärmepumpe ................................................................... 38
2.3.2.2Luftaufbereitungseinheit (ATU) ............................................................ 39
VIII
2.3.2.3Feindrahtwärmetauscher (FIWIHEX) .................................................... 41
2.3.2.4Rippenrohrwärmetauscher ..................................................................... 43
2.3.2.5Watergy-System ..................................................................................... 45
2.3.2.6Novarbo-System ..................................................................................... 46
2.3.3Solarthermische Wärmespeicherung .................................................................... 48
2.3.3.1Tankspeicher .......................................................................................... 49
2.3.3.2Erdbeckenspeicher ................................................................................. 50
2.3.3.3Erdsondenspeicher ................................................................................. 50
2.3.3.4Aquiferspeicher ...................................................................................... 51
3Beschreibung der Versuchsanlage ....................................................................................... 53
3.1Solarkollektorgewächshaus .............................................................................................. 53
3.1.1Systemmaße und Eindeckmaterial ........................................................................ 53
3.1.2Energieschirme ..................................................................................................... 53
3.1.3Aggregat zur Wärme- und Kälteerzeugung .......................................................... 54
3.1.4Wärmetauschersysteme für Heizung, Kühlung, Entfeuchtung ............................. 55
3.1.5Anbauverfahren und Pflanzenbestand .................................................................. 56
3.2Referenzgewächshaus ...................................................................................................... 56
3.3Tank-Wärmespeicher ....................................................................................................... 57
3.4Kühlturm .......................................................................................................................... 58
3.5Betriebszustände .............................................................................................................. 59
3.6Messtechnik ..................................................................................................................... 61
3.6.1Klimasensorik ....................................................................................................... 61
3.6.2Energiestromzähler ............................................................................................... 61
3.6.3Massenstromzähler ............................................................................................... 62
4Methoden ............................................................................................................................... 63
4.1Bewertungsgrößen beim Gewächshaus ........................................................................... 63
4.1.1Luftwechselrate .................................................................................................... 63
4.1.2V-Luft-Wert .......................................................................................................... 64
4.1.3V-Enthalpie-Wert ................................................................................................. 64
4.1.4Wärmeverbrauchskoeffizient ................................................................................ 65
4.1.5Korrekturfaktor für den „trockenen Wärmeverbrauchskoeffizient“ ..................... 66
4.1.6Enthalpieladezahl .................................................................................................. 68
4.2Bewertungsgrößen der Solartechnik ................................................................................ 69
4.2.1Kollektorwirkungsgrad ......................................................................................... 69
4.2.2Solarer Deckungsgrad ........................................................................................... 69
4.2.3Arbeitszahl ............................................................................................................ 70
4.2.4Primärenergienutzungsgrad .................................................................................. 71
IX
4.3Bewertungsgrößen beim Wärmespeicher ........................................................................ 72
4.3.1Speicherbilanz ...................................................................................................... 72
4.3.2Wärmedurchgangskoeffizient ............................................................................... 73
5Ergebnisse .............................................................................................................................. 75
5.1Energetische Bewertung der Gewächshäuser .................................................................. 75
5.1.1Einfluss der Dichtheit der Gewächshaushülle auf den Luftwechsel ..................... 75
5.1.1.1Luftwechsel bei geschlossener Lüftung ................................................. 75
5.1.1.2Luftwechsel bei geschlossener Lüftung und Energieschirmeinsatz ....... 76
5.1.2Dämmwirkung und Dichtheit der Energieschirme ............................................... 77
5.1.2.1V-Luft mit Einzelschirm ........................................................................ 77
5.1.2.2V-Luft mit Doppelschirm und Dampfschleusen .................................... 78
5.1.2.3V-Enthalpie mit Einzelschirm ................................................................ 80
5.1.2.4V-Enthalpie mit Doppelschirm und Dampfschleusen ............................ 81
5.1.3Einfluss der Energieschirmanlage auf den Wärmeverbrauch ............................... 83
5.1.3.1Wärmeverbrauch ohne Schirm ............................................................... 83
5.1.3.2Wärmeverbrauch mit Einzelschirm ........................................................ 84
5.1.3.3Wärmeverbrauch mit Doppelschirm ...................................................... 84
5.1.3.4Wärmeverbrauch mit Doppel-/Rollschirm ............................................. 85
5.1.3.5Wärmeverbrauch mit Doppel-/Rollschirm und Dampfschleusen .......... 86
5.1.3.6Vergleich der ermittelten Wärmeverbrauchskoeffizienten .................... 87
5.1.4Enthalpieanalyse der Gewächshausluft ................................................................ 88
5.1.4.1Heizwärmezufuhr vs. Verdunstungswärme ........................................... 88
5.1.4.2Latente Wärmedifferenz beim Gewächshaus mit/ohne Pflanzen ........... 90
5.1.4.3Korrekturfaktoren (hx) und Enthalpieladezahlen (τ) .............................. 91
5.2Energetische Bewertung der Solartechnik ....................................................................... 95
5.2.1Umsetzung von auftreffender Solarstrahlung in Speicherwärme ......................... 95
5.2.1.1Kühlanteile der Wärmetauschersysteme ................................................ 95
5.2.1.2Kollektor- und Nettokollektorwirkungsgrad .......................................... 96
5.2.1.3Speicherladung vs. Wärmeverbrauch ..................................................... 97
5.2.2Deckungsgrad der solarthermischen Wärmenutzung ........................................... 98
5.2.3Effizienz des Wärmepumpensystems ................................................................... 99
5.2.3.1Arbeitszahlen der Wärmeerzeugung/-verteilung .................................... 99
5.2.3.2Arbeitszahlen der Kälteerzeugung/-verteilung ..................................... 101
5.2.3.3Vergleich der energetischen und primärenergetischen Parameter ....... 102
5.3Energetische Bewertung des Wärmespeichers .............................................................. 103
5.3.1Wärmeverlust beim oberirdischen Speicher ohne Dämmung ............................ 103
5.3.2Wärmeverlust beim oberirdischen Speicher mit Dämmung ............................... 104
X
6Diskussion ............................................................................................................................ 107
6.1Anlagenkomponente „Gewächshaus“ ............................................................................ 107
6.1.1Bauhülle .............................................................................................................. 107
6.1.2Energieschirme ................................................................................................... 108
6.1.3Wasserverdunstung ............................................................................................. 111
6.2Anlagenkomponente „Solartechnik“.............................................................................. 113
6.2.1Wärmepumpe ...................................................................................................... 113
6.2.2Solarabsorber ...................................................................................................... 115
6.3Anlagenkomponente „Wärmespeicher“ ......................................................................... 119
6.3.1Wärmespeicherkapazität ..................................................................................... 119
6.3.2Wärmedämmung ................................................................................................ 120
7Schlussfolgerungen .............................................................................................................. 123
8Zusammenfassung (Summary) .......................................................................................... 129
9Literatur ............................................................................................................................... 133
Anhang ..................................................................................................................................... 143
Curriculum Vitae .................................................................................................................... 147
Zusammenfassung
129
8 Zusammenfassung (Summary)
Die klassischen Methoden zur energetischen Gewächshausbewertung genügen nicht,
um die Komponenten einer geschlossenen Anlage, bestehend aus dem Gewächshaus,
der Solartechnik und dem Wärmespeicher, umfassend und präzise zu bewerten. So
ergibt sich die Notwendigkeit einer Erweiterung des Methodenspektrums. Hierzu kann
auf einige Bewertungsgrößen der Klima- und Solartechnik zurückgegriffen werden.
Im Rahmen der Arbeit wurde zunächst die Dichtheit der Gewächshaushülle untersucht.
Aufgrund des niedrigen Luftwechsels (< 0,3) ist der Lüftungswärmeverlust reduziert.
Dies bewirkt in Verbindung mit Energieschirmen eine erhöhte Luftfeuchte. Hierzu ist
die Strategie des dampfschleusenden Doppelschirms geeignet, um den Wasserdampf in
den Dachraum abzuleiten, ohne große Mengen an sensibler Wärmeenergie zu verlieren.
Dabei zeigte sich ein deutlicher Anstieg des V-Enthalpie-Wertes (+116 %) bei zugleich
geringem Anstieg des V-Luft-Wertes (+10 %). Die neue Größe V-Enthalpie ermöglicht
hierbei eine gekoppelte Betrachtung von sensiblen und latenten Wärmeströmen bei der
Bewertung von Energieschirmen, da neben der Dämmwirkung ebenso die Dichtheit
gegenüber Wasserdampf berücksichtigt wird. Ferner wurde festgestellt, dass sich der
Wärmeverbrauch mit einem Doppelschirm um bis zu 59 % reduzieren lässt.
Zur Effizienzbewertung der Wärmepumpe wurden getrennte Betrachtungen zum Kühl-
und Heizfall angestellt und somit Arbeitszahlen von 4,9 (Kühlung) sowie 4,5 (Heizung)
ermittelt. Darüber hinaus wurde ein großer Einfluss der Nebenantriebe auf die Effizienz
des Wärmepumpensystems nachgewiesen.
Zur Kühlung und Entfeuchtung im Gewächshaus eignen sich Rippenrohrwärmetauscher
im Dachbereich. Die dadurch induzierte Lichtminderung (5 %) kann durch Mehrerträge
kompensiert werden. Zudem wächst die Effizienz der auf freier Konvektion basierenden
Dachkühlung mit ansteigender Transpiration, wodurch sich ein latenter Kühlanteil bis
35 % und Kollektorwirkungsgrad bis 0,8 einstellen kann.
Bei 50 % Kollektorfläche im Gewächshaus empfiehlt sich ein Speicherwärmexport zur
verbleibenden Gewächshausfläche. Dabei ist ein Deckungsgrad der solarthermischen
Heizungsunterstützung von 60 % zu erwarten. Als Speicherkonzept empfiehlt sich ein
oberirdischer Mischspeicher (1 m³ m-2). Dies setzt zumindest eine Wärmedämmung der
freien Wasserfläche voraus. Hierbei ermöglichen bereits geringe Dämmstärken eine
deutliche Verbesserung der Wärmedämmung bei Niedertemperaturspeichern.
Zusammenfassung
130
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit zielt auf die Möglichkeit einer Weiterentwicklung
der Methode zur Wärmebedarfsberechnung von Gewächshäusern ab. Hierfür erfolgte
zunächst ein Vergleich von Methoden aus Gebäude- und Gewächshaustechnik, wobei
sich die Verfahren nach der DIN 4701 und DIN EN 12831 als unzureichend erwiesen.
Dagegen wird bei der etablierten Ucs-Methode (auch ΔT-Methode) zumindest tagsüber
ein pauschaler Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarwärme in temperaturwirksame
Wärme verwendet, wobei jedoch keine Differenzierung nach der angebauten Kultur,
dem Blattflächenindex oder der Bewässerungsart erfolgt. Der Aufwand an Heizwärme
zur Wasserverdunstung bleibt ebenso undifferenziert. Diesbezüglich zeigen Messungen
zur Transpiration bei adulten Tomatenpflanzen, dass auch nachts große Mengen an
Heizwärme (40 %) in latente Wärme überführt werden und somit den Wärmeverbrauch
eines Gewächshauses deutlich erhöhen können. Damit einhergehend ist unter Nutzung
der thermodynamischen Zustandsgröße Enthalpie eine Erweiterung der Ucs-Methode
(ΔT-Methode) um einen verdunstungsabhängigen Korrekturfaktor (hx) möglich. Dieser
Faktor beschreibt die Erhöhung des Wärmeverbrauchs durch Evapotranspiration und ist
mit dem trockenen Wärmeverbrauchskoeffizienten (Ucs,dry) eines Gewächshauses ohne
Pflanzen/Bewässerung zu verrechnen. Hierzu wurden am Beispiel des Tomatenanbaus
nächtliche hx-Faktoren von 1,8 und 2,1 ermittelt. Alternativ könnte die Auslegung der
Heizlast im Gewächshaus mit der Enthalpieladezahl (τ) erfolgen. Diese nutzt ebenso
wie die Korrekturfaktormethode die Enthalpiedifferenz zwischen Innen- und Außenluft,
um neben sensibler auch latente Wärme zu berücksichtigen. Hierzu wurden am Beispiel
des Tomatenanbaus nächtliche τ-Werte von 2,6 (ohne Schirm), 1,5 (mit Einzelschirm)
und 0,8 (mit Doppel- und Rollschirm) ermittelt.
Zukünftig sollte eine Weiterentwicklung der aufgezeigten Enthalpiemodelle (hx und τ)
für Ganztagbedingungen erfolgen. Weiterhin ist abzuklären, inwieweit sich energetische
Speichereffekte des tagsüber entstandenen Wasserdampfs auf den bis dato betrachteten
nächtlichen Enthalpiezustand auswirken. Außerdem sollten Fallstudien mit differenten
Blattflächenindizes, Bewässerungsarten und Dämmsituationen durchgeführt werden.
Daraus sind Gruppen für Kulturarten/-verfahren und Gewächshaussysteme abzuleiten.
Summary
131
The classic methods for energetic evaluation of greenhouses are not sufficient to
completely and precisely evaluate the components of a closed installation consisting
of a greenhouse, solar techniques and heat storage. Therefore it is necessary to extend
the spectrum of methods. For this purpose a few evaluation parameters of climate and
solar technique can be instrumented.
First of all the tightness of the greenhouse covering is investigated. Due to low air
exchange (<0,3) the heat loss is reduced. This results, together with thermal screens, in
higher humidity of greenhouse air. Therefore the strategy of vapor passing double
screens is suitable to transport the water vapor in the roof zone without losing large
quantities of sensible heat. During this process a significant increase of the V-enthalpy
value (+116%) and simultaneously a slight growth of the V-air-value (+10%) is shown.
The new V-enthalpy value makes it possible to have a combined view of sensible and
latent heat flow during the evaluation of thermal screens because the insulation effect is
taken into account as well as impermeability in relation to water vapor. Furthermore, it
was determined that the heat consumption can be reduced up to 59% by using a double
screen.
In order to evaluate the efficiency of the heat pump, separate examinations of cooling
and heating were executed to find the results for efficiency ratios of 4.9 (cooling) and
4.5 (heating). Furthermore, a significant influence of the auxiliary drive (e.g. circulation
pumps) on the efficiency of the heat pump system was proofed.
For cooling and dehumidification in the greenhouse, finned tube heat exchangers,
situated in the roof zone, are suitable. The resulting induced light reduction (5%) can be
compensated through additional yield. In addition, the efficiency of the roof cooling
grows. This is based on the natural convection combined with increasing transpiration,
which allows a latent cooling part until 35% and a collector’s efficiency up to 0.8.
Using 50% collector area in the greenhouse system, an export of the stored heat is
recommended for the remaining greenhouse area. Here, a solar fraction for heating
support of 60% can be expected. As a storage concept, an above ground heat storage
(1 m³ m-2) is recommended. This requires at least a thermal insulation of the water
surface area. Even low levels of insulation already allow a significant improvement in
thermal insulation during low temperature storage systems.
Summary
132
Another focus of the investigation aims to find out if further developments, of the
method for heat requirement calculation of greenhouses, are possible. Therefore to
begin with, a comparison between methods of building- and greenhouse techniques was
made, whereas the method, according to the DIN 4701 and DIN EN 12831, proved to
be inadequate. In contrast, the established Ucs-method (also called ΔT-method) uses, at
least during the day, a standard efficiency of conversion from solar heat into sensible
heat. But there is no differentiation between the cultivated culture, the leaf area index or
the irrigation type. The effort from thermal heat to evaporation remains undifferentiated
as well. In this case transpiration measurements of adult tomato plants show that even at
night, large amounts of thermal heat (40%) can be converted into latent heat. This
indicates that the heat consumption of greenhouses can significantly be increased.
Along with this, it is possible to extend the Ucs-method by using the enthalpy of air for a
correction factor (hx) that depends on evaporation. This factor describes the increase of
heat consumption through evapotranspiration and needs to be allocated with the heat
consumption coefficient of a greenhouse without plants and irrigation (Ucs,dry). Taking
the example of tomato cultivation, nocturnal hx factors of 1.8 and 2.1 were determined.
Alternatively, the interpretation of the heat load in the greenhouse could be executed
by using the so called enthalpy loading number (τ). This parameter uses just like the
correction factor method, the enthalpy difference between internal and external air in
order to take into account sensible, as well as, latent heat. For this, the example of the
tomato cultivation shows nocturnal τ values of 2.6 (without screen), 1.5 (single screen)
and 0.8 (with double and side wall screen).
Prospectively, an advanced development of the indicated enthalpy models (hx and τ) at
full-day conditions should be performed. Furthermore, it needs to be clarified to which
extent energetic storage effects, resulting of the water vapor that emerged at daytime,
affect the current nocturnal enthalpy state. In addition, case studies with different leaf
areas, types of irrigation and insulation situations should be carried out. Hence groups
for cultivar or cultivation types and greenhouse systems can be derived.
... In this context, a solar collector greenhouse (SCG) has been used to produce the thermal energy to cover its own energy demand as well as the basic load for heating other greenhouses (Dannehl, Josuttis, Ulrichs, & Schmidt, 2014;Dannehl, Schuch, & Schmidt, 2013). The SCG greenhouse equipped with efficient insulation can reduce the overall heat transfer coefficient (U) to 1.8 W m À2 K À1 (Schuch, 2014). This reduces fuel consumption and environmental impact compared to low-tech greenhouses. ...
Article
Consumer and trade organisations demand year-round healthy diets including fresh, high quality vegetables from local producers. However, greenhouse gas emissions (GHG) of heating high-tech greenhouses in northern countries are higher than transporting vegetables produced in southern Europe in unheated tunnels. The aim of this work was to assess GHG emissions when renewable energy sources were used for heating and cooling a solar collector greenhouse (SCG) in comparison with a conventional greenhouse (RG). Thermal energy generated in the SCG from solar energy was stored in an insulated water tank and different strategies were examined: no reused energy; reused energy; reused energy and excess energy transfer. Based on the semi-closed climate control strategy set in SCG and associated higher CO2 concentrations, higher marketable yields were achieved (+22%) compared to the production in the RG. The results further showed that the cumulative energy demand of the SCG can be lowered by approximately 44% compared to that needed in the RG. The carbon footprint (CF) and the water use efficiency were improved by 24% and 28%, respectively. If excess thermal energy generated by the SCG could be considered as export energy, a negative carbon footprint of -0.7 CO2-eq kg-1 can be reached. The latter case shows that the CF can be reduced to levels of unheated greenhouses. As such, vegetable production in solar collector greenhouses can be more sustainable than in conventional greenhouses since energy and water, as well as fertiliser and associate CO2 emissions, can be saved.
Full-text available
Article
A semi-closed solar collector greenhouse was tested to evaluate the yield and the energy saving potential compared with a commercial greenhouse. As such, new algorithm for ventilation, carbon dioxide (CO2) enrichment, as well as for cooling and heating purposes initiated by a heat pump, cooling fins under the roof and a low temperature storage tank were developed. This cooling system showed that the collector greenhouse can be kept longer in the closed operation mode than a commercial one resulting in high levels of CO2 oncentrations, relative humidity and temperatures. Based on these conditions, the potosynthesis and associated CO2 fixations within the plant population were promoted during the experiment, resulting in a yield increase by 32%. These results were realized, although the mean light interception by energy screens and finned tube heat exchangers was increased by 11% compared to the reference greenhouse. The energy use efficiency was improved by 103% when the collector greenhouse was considered as energy production facility. In this context, the energy saving per kilogram produced tomatoes in the collector greenhouse is equivalent to the combustion of high amounts of different fossil fuels, where the reduced CO2 emissions ranged between 2.32 kg and 4.18 kg CO2 per kg produced tomatoes. The generated total heat was composed of approximately one-third of the latent heat and over two-thirds of the sensible heat, where a maximum collector efficiency factor of 0.7 was achieved.
Article
Closed and semiclosed greenhouses are used to collect thermal solar energy and for cooling technology. Other than the problem of long-term energy storage in closed greenhouses, the assembly and capacity of cooling and heating systems and the operational control of the microclimate and energy management system are the focus of research and development. A new prototype of solar greenhouse was constructed at Humboldt University, Berlin. In a 300 m2 Venlo-type greenhouse, a cooling fin system under the roof was connected to a heat pump and a low temperature storage tank. Several operational modes are possible for heating and/or cooling the greenhouse and to charge or discharge thermal storage using new technology for integration of the heat pump into the hydraulic pipe system. First results of perational behavior are shown by using typical evaluation parameters such as cooling capacity, collector efficiency, and the coefficient of performance for the heating and cooling operation. With the cooling fin ystem (cooling surface 1900 m2), the cooling capacity increased to 400 W m-2. The latent to sensible heat exchange ratio was about 40%. The maximum amount of water that condensed on the fin surface as 1.2 L (m2 day)-1. During the experimental interval from May to October 2010, the collector efficiency of the solar greenhouse was 0.55-0.8. The heat pump worked for greenhouse cooling with a seasonal energy efficiency ratio (SEER) of 4.9 and for heating with a heating season performance factor (HSPF) of 4.6.
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Wärmebedarfs-und Heizlastberechnung in der Versorgungstechnik.............................. 14 2.2.1 Wärmebedarfsberechnung 1929 bis 2003............................................................ 14