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Energieeffizienz des Solarkollektorgewächshauses mit Wärmespeicher - ein Resümee aus 5 Jahren ZINEG-Projektarbeit

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Angesichts wachsender Energiekosten und Umweltbelastungen durch fossile Brennstoffe ist die Steigerung der Energieeffizienz bei Gewächshäusern von großer Bedeutung. Daher wurde die ZukunftsInitiative NiedrigEnergieGewächshaus (ZINEG) initiiert. Das Gesamtziel der von 2009 bis 2014 durchgeführten nationalen Verbundforschung war es, den fossilen Wärmeverbrauch für die Gewächshausproduktion deutlich zu reduzieren. Hierzu wurde an der Humboldt-Universität das Konzept zur Nutzung von Gewächshäusern als thermische Solarkollektoren weiterentwickelt. Dafür ist die geschlossene Betriebsweise eine grundlegende Voraussetzung. Dies bedeutet, dass die solare Überschusswärme im Gewächshaus durch geeignete Kühltechnik unter möglichst geringem Energieaufwand abzuführen ist. Zudem erfordert eine spätere Nutzung der gewonnenen Solarwärme ein gut isoliertes Gewächshaus und adäquates Speicherkonzept. Zur technisch energetischen Bewertung einer solchen Kollektoranlage, die aus dem Gewächshaus, der Solartechnik und dem Speicher besteht, ergeben sich folgende zu beantwortende Fragen: 1) Wie hoch ist die Wärmeeinsparung bei differenten Schirmszenarien im Gewächshaus? 2) Wie hoch ist die Wärmepumpeneffizienz für den Kühl-/Heizbetrieb im Gewächshaus? 3) Welchen Einfluss hat die technische Kühlung auf das Gewächshausklima? 4) Wie viel Solarwärme kann durch den Kollektor in Speicherwärme umgesetzt werden? 5) Welche Wärmedämmung empfiehlt sich bei einem oberirdischen Mischspeicher?
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DGG-Proceedings, Vol. 4, 2014
Short Communications Annual Conference DGG and BHGL
05.03. - 08.03. 2014, Dresden, Germany
Peer Reviewed
German Society of Horticultural Sciences (DGG)
Lentzeallee 55/57
Humboldt-Universität zu Berlin
D-14195 Berlin
Editorial Board and Review
Dirksmeyer, Walter Braunschweig
Fricke, Andreas Hannover
Hardeweg, Bernd Hannover
Laber, Hermann Dresden
Mibus-Schoppe, Heiko Geisenheim
Michaelis, Gerlinde Bad-Zwischenahn
Rath, Thomas Osnabrück
Richter, Ellen Braunschweig
Schmidt, Uwe Berlin
Schuster, Mirko Dresden
Sparke, Kai Geisenheim
Thomas, Jens Osnabrück
Wackwitz, Wolf-Dietmar Dresden
Winkelmann, Traud Hannover
Zinkernagel, Jana Geisenheim
Zude, Manuela Berlin
© DGG 2014
DGG-Proceedings, Vol. 4, Oct. 2014, No. 3, p. 1-5. DOI: 10.5288/dgg-pr-04-03-is-2014
Ingo Schuch*, Dennis Dannehl, Thorsten Rocksch, Uwe Schmidt
Energieeffizienz des Solarkollektorgewächshauses mit Wärmespeicher -
ein Resümee aus 5 Jahren ZINEG-Projektarbeit
*Corresponding Author:
Ingo Schuch
Humboldt-Universität zu Berlin
Fachgebiet Biosystemtechnik
Germany
Email: mail@ingo-schuch.eu
DGG-Proceedings, Vol. 4, Oct. 2014, No. 3, p. 1-5. DOI: 10.5288/dgg-pr-04-03-is-2014
Energieeffizienz des Solarkollektorgewächshauses mit Wärmespeicher -
ein Resümee aus 5 Jahren ZINEG-Projektarbeit
Ingo Schuch, Dennis Dannehl, Thorsten Rocksch, Uwe Schmidt
Humboldt-Universität zu Berlin, Fachgebiet Biosystemtechnik, Germany
1. Einleitung, Stand des Wissens, Zielsetzung
Angesichts wachsender Energiekosten und Umweltbelastungen durch fossile Brennstoffe
ist die Steigerung der Energieeffizienz bei Gewächshäusern von großer Bedeutung. Daher
wurde die ZukunftsInitiative NiedrigEnergieGewächshaus (ZINEG) initiiert. Das Gesamtziel
der von 2009 bis 2014 durchgeführten nationalen Verbundforschung war es, den fossilen
Wärmeverbrauch für die Gewächshausproduktion deutlich zu reduzieren.
Hierzu wurde an der Humboldt-Universität das Konzept zur Nutzung von Gewächshäusern
als thermische Solarkollektoren weiterentwickelt. Dafür ist die geschlossene Betriebsweise
eine grundlegende Voraussetzung. Dies bedeutet, dass die solare Überschusswärme im
Gewächshaus durch geeignete Kühltechnik unter möglichst geringem Energieaufwand
abzuführen ist. Zudem erfordert eine spätere Nutzung der gewonnenen Solarwärme ein
gut isoliertes Gewächshaus und adäquates Speicherkonzept. Zur technisch-energetischen
Bewertung einer solchen Kollektoranlage, die aus dem Gewächshaus, der Solartechnik
und dem Speicher besteht, ergeben sich folgende zu beantwortende Fragen:
1) Wie hoch ist die Wärmeeinsparung bei differenten Schirmszenarien im Gewächshaus?
2) Wie hoch ist die Wärmepumpeneffizienz für den Kühl-/Heizbetrieb im Gewächshaus?
3) Welchen Einfluss hat die technische Kühlung auf das Gewächshausklima?
4) Wie viel Solarwärme kann durch den Kollektor in Speicherwärme umgesetzt werden?
5) Welche Wärmedämmung empfiehlt sich bei einem oberirdischen Mischspeicher?
Im Kontext der Gewinnung von solarer Nutzwärme wurden bereits einige Lösungsansätze
entwickelt, bei denen der Wärmeüberschuss im Gewächshaus über zwangsluftgeführte
Kühlung in Bodennähe (Qian et al. 2012) oder über freie Konvektion an Dachkühlflächen
(Campen und Bot 2002) entzogen wird. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass die
Kühlung von oben mittels Rippenrohren eine Lichtminderung (3%) bewirkt und die Kühlung
von unten mittels Schlauchgebläse einen vertikalen Lufttemperaturgradient (5 K) erzeugt.
Zum Einsatz von Wärmepumpen in Gewächshäusern wurden ebenfalls Untersuchungen
durchgeführt. Hierzu berichten Tong et al. (2010) und Chai et al. (2012) von einer breiten
Streuung der energetischen Effizienz mit Arbeitszahlen von 3,3 bis 5,8.
Ein weiterer Bestandteil im etablierten Konzept vom semi-geschlossenen Gewächshaus ist
die saisonale Wärmespeicherung in großvolumigen Aquiferen in bis zu 100 m Tiefe (Bot et
al. 2005), wobei die geologische Beschaffenheit nicht immer gegeben ist und ein hoher
Energieaufwand für den Wassertransport anfallen kann. Demgegenüber können jährliche
Solarwärmeerträge bis 270 kWh/m2 und tägliche Kollektorwirkungsgrade bis 0,65 erreicht
werden (Sonneveld et al. 2010).
2. Material und Methoden
Die Versuchsanlage umfasst zwei Gewächshäuser und einen Niedertemperaturspeicher.
Das semi-geschlossene Kollektorhaus (KH) ist als pflanzenbauliche Produktionsstätte und
als thermischer Solarkollektor konzipiert. Das konventionelle Referenzhaus (RH) dient zum
Vergleich. Die technischen Parameter sind der Grafik zu entnehmen (Abb. 1).
In der Anlage wird das Wärmepumpenprinzip verwendet. Hierbei ermöglicht die spezielle
hydraulische Einbindung des Kompressionsaggregats ein Umschalten zwischen Kühl- und
Heizwassererzeugung. Im Gegensatz zum RH befinden sich Rippenrohrwärmetauscher im
Dachraum des KH, die ab einer Innentemperatur von 21 °C zur Kühlung/Entfeuchtung von
konvektiv-aufsteigender Luft dienen. Außerdem ist im KH das Schlauchgebläsesystem für
Kühl- und Heizwecke nutzbar. Beim Speicherkonzept wird auf eine Trennung von Warm-
und Kaltwasser verzichtet und stattdessen ein oberirdischer Mischspeicher verwendet.
Zur Erfassung der Wärmeströme kamen neun Wärmemengenzähler zum Einsatz. Die
Messungen zum Elektroenergieverbrauch der Wärmepumpe und Nebenantriebe erfolgten
mit zwei Elektrozählern. Hinsichtlich der Lufttemperaturschichtung wurde im Gewächshaus
eine Sensorkette aus sieben Messgeräten in Höhen von 10, 150, 250, 350, 450, 560 und
590 cm installiert. Die Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft basiert auf einer
Rastermessung mittels Hitzekugel-Anemometer (Genauigkeit ± 0,03 m/s).
Die Quantifizierung des Wärmeverbrauchs erfolgte mittels Wärmeverbrauchskoeffizienten.
Der ermittelte Kollektorwirkungsgrad beschreibt den speicherbaren Anteil der Solarwärme
und die Arbeitszahl das Verhältnis aus thermischer zu elektrischer Arbeit. Als Quotient aus
Arbeitszahl und Primärenergiefaktor resultiert indessen der Primärenergienutzungsgrad.
Abb. 1: Technisches Konzept der ZINEG-Versuchsanlage am Standort Berlin-Dahlem
3. Ergebnisse
Abbildung 2-A zeigt die ermittelten Wärmeverbrauchskoeffizienten (Ucs) bei verschiedenen
Energieschirmszenarien. Zur Bestimmung der prozentualen Energieeinsparung wurde der
Wärmeverbrauch ohne Schirm zugrunde gelegt (4,9 W/m2K). Dieser reduziert sich bei
Nutzung eines Schirms um etwa 43%, mit Doppelschirm um 59% und Doppel-/Rollschirm
um 63%. Beim Dampfschleusen beträgt die Einsparung etwa 57%. Bei dieser neuartigen
Strategie für Doppelschirme soll Wasserdampf vom Pflanzenbereich zur Kondensation in
den Dachbereich gelangen, ohne wesentliche Mengen an sensibler Wärme zu verlieren.
Dabei wird die untere Schirmlage für 120 s mit einem Spalt geöffnet (40%). Danach folgt
die obere Schirmlage. Diese nächtliche Prozedur wiederholt sich alle 15 min.
Abbildung 2-B zeigt die ermittelten Arbeitszahlen und Primärenergienutzungsgrade (PER)
für den wärmepumpengestützten Kühl-/Heizbetrieb in der Gewächshausanlage. So ergibt
sich für drei Perioden des Tomatenanbaus eine Kühlarbeitszahl von 4,9 (PER = 1,9) und
Heizarbeitszahl von 4,5 (PER = 1,7). Unter Berücksichtigung aller Nebenantriebe sinkt die
Arbeitszahl des Kühlens auf 3,3 (PER = 1,3) und Heizens auf 3,1 (PER = 1,2).
Abbildung 2-C veranschaulicht, welchen Einfluss die Lage (oben/unten) und Betriebsweise
(aktiv/passiv) von Kühltechnik auf die Temperaturschichtung im Gewächshaus haben. So
bewirkt bei geschlossener Lüftung eine auf erzwungene Konvektion basierende Kühlung
von unten mit Schlauchgebläse ein Delta Tmax = 25 K zwischen Boden und Dachbereich
bzw. 11 K zwischen Boden und Bestandsmitte. Unter zusätzlichem Stoßlüften beträgt das
Delta Tmax = 15 K bzw. 8 K. Wird von oben über freie Konvektion an Rippenrohren gekühlt,
resultiert eine homogenere Schichtung mit einem Delta Tmax = 5 K bzw. 2 K.
Abbildung 2-D zeigt den Einfluss der im Dachbereich positionierten Rippenrohrkühlung auf
die Luftgeschwindigkeit im KH. Hierzu wurden Strömungsgeschwindigkeiten bis 0,2 m/s
ermittelt. Dabei erstreckt sich die auf freie Konvektion basierende Luftumwälzung über das
gesamte Gewächshausinnere. Demgegenüber bewirkt eine aktive Kühlung von unten mit
Schlauchgebläse eine höhere Luftgeschwindigkeit. Allerdings tritt diese nur in Bodennähe
auf (< 1 m) und wirkt nicht im darüber liegenden Bestandsbereich (nicht abgebildet).
Abbildung 2-E zeigt, dass von Februar bis November etwa 500 kWh/m2 (bezogen auf die
Grundfläche des KH) in den Wärmespeicher gelangten. Zeitgleich lag der Verbrauch des
KH bei etwa 270 kWh/m2 und RH bei 291 kWh/m2. Vergleichsweise hohe Wärmemengen
wurden in der einstrahlungsreichen Periode in den Speicher geladen. Daher wurde mittels
Kühlturm (KT) ein zusätzlicher Abnehmer von Speicherwärme (250 kWh/m2) zugeschaltet.
Als besonders effizient bei der Umsetzung von Solarstrahlung in Speicherwärme zeigt sich
das Kollektorsystem im Spätsommer mit adulten Pflanzen (Blattflächenindex ~ 2,5 m2/m2)
und Tageskollektorwirkungsgraden bis 0,8. Dabei führt die Kondensation energiereichen
Wasserdampfs an der Kühloberfläche der Wärmetauscher (Solarabsorber) zum Anstieg
des latenten Wärmeanteils auf Tageswerte bis 35% (Jahresmittel 22%).
Abbildung 2-F zeigt die ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten (U) der oberirdischen
Speicherbauteile bei verschiedenen Dämmvarianten. Beim Tankspeicher ohne Dämmung
beträgt der Wärmeverlust etwa 40% der Jahresspeicherwärme. Werden handelsübliche 30
und 40 mm dicke Dämmplatten (Wärmeleitfähigkeit ~ 0,035 W/mK) an den oberirdischen
Speicherflächen angebracht, kann der Wärmeverlust um nahezu 80% gesenkt werden.
Ferner wurde beim Speicher auf eine Trennung von Warm- und Kaltwasser verzichtet. So
traten mit einem Delta Tmax = 3,4 K nur geringe Temperatursprünge auf (nicht abgebildet).
Abb. 2: Wärmeverbrauch bei differenten Schirmszenarien (A), Wärmepumpeneffizienz (B),
Temperaturschichtung bei Kühlung unten/oben (C), Luftströmung bei Kühlung oben (D),
Speicherladung vs. Wärmeverbrauch (E), U-Werte bei differenter Speicherdämmung (F)
4. Diskussion
In der Kollektoranlage wird eine Wärmepumpe für den Kühl-/Heizbetrieb genutzt. Hierzu
wurden Arbeitszahlen bis 4,9 ermittelt (Abb. 2-B). Im Vergleich berichten Tong et al. (2010)
über Werte bis 5,8 und Chai et al. (2012) bis 3,9. Hinsichtlich der Substitution fossiler
Brennstoffe (PER > 1) ergaben sich Primärenergienutzungsgrade (PER) bis 1,9.
Zur Kühlung von oben wurden Rippenrohrwärmetauscher verwendet. Dabei entsteht die
zur Wärmeübertragung notwendige Luftbewegung (bis 0,2 m/s) durch freie Konvektion
aufsteigender Luft. Hierzu ergab sich bei semi-geschlossener Fahrweise eine homogenere
Lufttemperaturschichtung zwischen Boden und Bestand (2 K) als bei Qian et al. (2012) mit
Schlauchgebläse (5 K) bzw. den eigenen Messungen (8 K) zur Kühlung von unten.
Als effizient zeigte sich das KH mit adulten Pflanzen und Kollektorwirkungsgraden bis 0,8.
Demgegenüber geben Sonneveld et al. (2010) Werte bis 0,65 an.
In puncto Lichtminderung durch fest installierte Kühlrohre im Dach (Campen und Bot 2002)
schlagen Schmidt et al. (2014) höhenbewegliche Wärmetauscher vor, die für Kühl- und
Heizzwecke nutzbar sind, wodurch Gebläse- und Flügelrohrheizung entfallen könnten.
Entgegen der Untergrund-Wärmespeicherung in großvolumigen Aquiferen (Bot et al. 2005)
wird bei der Kollektoranlage ein oberirdischer Tankspeicher mit einem kleinen Verhältnis
von Wasservolumen zu Gewächshausfläche genutzt. Nach Schmidt et al. (2014) könnte
die Speicherung von Niedertemperaturwärme jedoch auch in einem bereits vorhandenen,
großvolumigen Wasserreservoir (z.B. Teich) mit Schwimmisolierung erfolgen.
5. Schlussfolgerung
Mit dem untersuchten Konzept, bestehend aus 50% Kollektor- und 50% konventioneller
Gewächshausfläche kann von Februar bis November Solarwärme auf dem Wirkniveau von
Flachkollektoren gewonnen werden. Der hohe Wirkungsgrad entsteht auch dadurch, weil
die Pflanzen durch Transpiration und Kondensation an der Kollektorleistung beteiligt sind.
Hierzu müssen Kühlflächen vorhanden sein (< Taupunkttemperatur), was den Einsatz von
Wärmepumpen erfordert. Eine probate Kühlmethode ist aus thermisch-energetischer Sicht
die Rippenrohrkühlung im Dachbereich. Die so gewonnene Wärme ist zunächst für die
Kollektorfläche selbst nutzbar. Von April bis Oktober bietet sich hingegen ein Wärmeexport
(z.B. andere Gewächshäuser) oder eine Luxuswärmeversorgung (z.B. Trockenheizen) an.
Entgegen der Verwendung thermisch getrennter Speicher empfiehlt sich ein oberirdischer
Mischspeicher für Kühl-/Heizzwecke. Ferner bietet sich die Nutzung bereits vorhandener
Wasserreservoirs an. Dies setzt jedoch eine Dämmung der freien Wasserfläche voraus.
6. Literatur
Bot, G., van de Braak, N., Challa, H., Hemming, S., Rieswijk, T., van Straten, G., Verlodt, I.
(2005): The solar greenhouse: state of the art in energy saving and sustainable energy
supply. Acta 691, 501-508.
Campen, J., Bot, G. (2002): SE-structures and environment: dehumidification in
greenhouses by condensation on finned pipes. Biosyst. Eng. 82, 177-185.
Chai, L., Ma, C., Ni, J.-Q., (2012): Performance evaluation of ground source heat pump
system for greenhouse heating in northern China, Biosyst. Eng. 111, 107-117.
Qian, T., Dielemann, J., Elings, A., de Gelder, A., van Kooten, O., Marcelis, L. (2012):
Vertical temperature gradients in the semi-closed greenhouses: occurrence and efffects.
Acta 927, 59-66.
Schmidt, U., Schuch, I., Dannehl, D., Rocksch, T. (2014): Solarkollektorgewächshaus -
Machbarkeit eines innovativen technischen Konzepts. www.hortigate.de/bericht?nr=60025.
Sonneveld, P., Swinkels, G., Campen, J., van Tuijl, B., Janssen, H., Bot, G. (2010):
Performance results of a solar greenhouse combining electrical and thermal energy
production. Biosyst. Eng. 106, 48-57.
Tong, Y., Kozai, T., Nishioka, N., Ohyama, K. (2010): Greenhouse heating using heat
pumps with a high coefficient of performance (COP). Biosyst. Eng. 106, 405-411.
... Beispiele für die Bemühungen des Gartenbaus, die Energieeffizienz zu steigern, sind die Zu- kunftsinitiative Niedrigenergiegewächshaus (ZINEG) (Schuch, 2014;Flenker, 2014) und das Konzept des geschlossenen Gewächshauses (Meyerding, 2016a-c;Vadiee, 2012). ...
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Article
Energy efficiency represents an important aspect of economic sustainability. This article sets out the development of energy expenditure in % of operating expenses, energy intensity, and energy productivity in horticulture since 2000. It is based on more than 1,200 data sets containing data from annual financial statements in accordance with German commercial law of German horticultural businesses of all fields. Overall it appears that the proportion of energy expenditure in operating expenses is slightly declining in many spheres of horticulture. There are several possible reasons for this. On the one hand, technical efficiency may have increased, the weather during the period from 2000 to 2013 may have had a positive impact in terms of production (more light, more heat), or else, energy prices may have dropped. These different factors have not been considered separately. It appears most likely, however, that technical energy efficiency has slightly improved due to technological progress, the modernization of existing greenhouses, or of machinery. Similar observations can be made with regard to energy intensity. Energy productivity, however, remains unchanged during the observation period, i.e. since 2000 there has been no significant increase in generated useful output per unit of energy expenditure. That is to say the ratio of the monetary value assigned to input at market prices and the monetary value assigned to output at market prices has not improved during the observation period. There has been a slight decrease in energy use (in monetary terms); however, in comparison there has also been a slight decrease in turnover. The effect has thus "worn off" This article gives a detailed overview of the development of various categories of German horticulture, which due to their different production functions sometimes differ substantially.
... Beispiele für die Bemühungen des Gartenbaus, die Energieeffizienz zu steigern, sind die Zu- kunftsinitiative Niedrigenergiegewächshaus (ZINEG) (Schuch, 2014;Flenker, 2014) und das Konzept des geschlossenen Gewächshauses (Meyerding, 2016a-c;Vadiee, 2012). ...
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Article
Energieeffizienz ist ein bedeutender Aspekt ökologischer und ökonomischer Nachhaltigkeit. In dem Beitrag wird die Entwicklung des Energieaufwandes in % des Betriebsaufwandes, der Energieintensität und der Energieproduktivität im Gartenbau seit 2000 dargestellt. Die Basis bilden über 1.200 Datensätze mit den Daten aus steuerrechtlichen Jahresabschlüssen deutscher Gartenbaubetriebe aller Sparten. Insgesamt zeigt sich, dass der Anteil des Energieaufwandes am Betriebsaufwands in vielen Bereichen des Gartenbaus leicht abnimmt. Ähnliches ist für die Energieintensität zu beobachten. Die Energieproduktivität ist jedoch im Beobachtungszeitraum gleichbleibend, d. h. seit 2000 ist kein signifikanter Anstieg des generierten nützlichen Outputs pro Einheit Energieaufwand zu verzeichnen. Der Beitrag gibt einen detaillierten Überblick über die Entwicklung unterschiedlicher Betriebsgruppen im deutschen Gartenbau, welche sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Produktionsfunktionen teils wesentlich unterscheiden.
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Technical Report
In der Machbarkeitsstudie ELGEVOS wurde der Gewächshausbetrieb durch eine computersimulierte Lastverschiebung entsprechend den Preisschwankungen am Strommarkt optimiert, um geringere Stromkosten zu erreichen. Dabei wird die im konventionellen Betrieb auf Zeiten mit hohen Strompreis fallende Last reduziert bzw. auf einen späteren Zeitpunkt mit niedrigeren Preis verschoben. Hierzu muss das Energieregime des Gewächshauses so gesteuert werden, dass eine Unterbrechung oder Reduzierung der Stromzufuhr über einen thermischen Speicher abgefangen und ein Stromüberschuss über eine Elektrowärmepumpe oder Widerstandsheizung in eine längerfristige Speicherkapazität umgewandelt wird. Die Stromverbraucher sind zügig regelbar, während die Lufttemperatur im Gewächshaus auf Veränderungen der Energiezufuhr träge reagiert. Dennoch muss die Lastverschiebung zeitlich begrenzt erfolgen, damit die Luftmasse im Gewächshaus oder ein Pufferspeicher die volatile Betriebsstrategie abfangen kann, ohne das Pflanzenwachstum negativ zu beeinflussen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch ein strompreisoptimiertes Lastmanagement größere Kosteneinsparungen erzielt werden könnten. Aufgrund von sich ändernden politischen und regulatorischen Rahmenbedingungen hängt eine Bewertung jedoch von Einzelfallbetrachtungen ab. Derartige Untersuchungen können mit den im Projekt ELGEVOS entwickelten Simulationswerkzeugen durchgeführt werden. Als Einstieg in die komplexe Thematik zeigt eine interaktive Webanwendung (www.elgevos.de/animation) mögliche Anwendungsszenarien und vergleicht den strompreisoptimierten Betrieb unterschiedlicher Gewächshauskonfigurationen mit/ohne Stromlastmanagement.
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Article
Energieeffizienz wird im deutschen Gartenbau als ein wesentlicher Indikator ökologischer und ökonomischer Nachhaltigkeit betrachtet. Der Indikator kann auf unterschiedlichste Art und Weise erhoben werden. Eine einheitliche Definition ist nicht vorhanden. Um die Möglichkeiten einer Quantifizierung von Energieeffizienz zu diskutieren, werden die thermodynamischen, physikalisch-thermodynamischen, ökonomisch-thermodynamischen und ökonomischen Indikatoren beschrieben. Bei der Auswahl eines Indikators für die unterschiedlichen Analyseebenen müssen methodische Probleme hinsichtlich der Objektivität, Qualität der In- und Outputs, des Nutzens des Outputs, der Operationalisierbarkeit, der Berücksichtigung des Faktors Zeit, der Aggregierbarkeit und der Rückschlüsse auf die technische Effizienz berücksichtigt werden. Bei der Gegenüberstellung der unterschiedlichen Möglichkeiten einer Quantifizierung von Energieeffizienz wird die Vorteilhaftigkeit ökonomischer und/oder ökonomisch-thermodynamischer Indikatoren der Energieeffizienz im Rahmen einer Nachhaltigkeitsbewertung deutscher Gartenbauunternehmen deutlich. Measuring operational energy efficiency as an indicator of environmental and economic sustainability of horticultural companies In German horticulture, energy efficiency is considered a key indicator of ecological and economic sustainability. It can be measured in various ways. A single definition does not exist. To discuss possible ways of energy quantification, thermodynamic, physical thermodynamic, economic thermodynamic and economic indicators are described. When choosing an indicator for the various levels of analysis, methodological challenges in terms of objectivity, quality of inputs and outputs, output benefits, operationalizability, time factor, aggregability and in terms of possible conclusions regarding technical efficiency must be considered. A comparison of the various ways of quantifying energy efficiency will reveal the advantages of economic and/or economic thermodynamic indicators of energy efficiency as part of a sustainability assessment for German horticultural companies. Mesurer l’efficacité énergétique opérationnelle comme un indicateur de la durabilité environnementale et économique des horticulteurs Dans l’horticulture en Allemagne, l‘efficacité énergétique est considérée comme un indicateur essentiel d’une durabilité environnementale et économique. Etant donné qu’il n’existe pas de définition convenue, il y a plusieurs manières de déterminer cet indicateur. Pour pouvoir discuter une possible quantification de l’efficacité énergétique, les indicateurs thermodynamiques, physico-thermodynamiques, écono-thermodynamique et économiques sont décrits. En choisissant un indicateur pour les différents niveaux d’analyse, il faut prendre en considération les problèmes méthodologiques concernant l’objectivité, la qualité des entrées/sorties, l’utilité des sorties, l’applicabilité technique, le facteur temporel, l’agrégabilité et les possibles conclusions quant à l’efficacité technique. Une comparaison des différentes possibilités de quantification révèle les avantages des indicateurs économique et/ou écono-thermodynamiques dans le cadre d’une évaluation de la durabilité des horticulteurs en Allemagne.
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Article
Semi-closed greenhouses have been developed in which window ventilation is minimized due to active cooling, enabling enhanced CO2 concentrations at high irradiance. Cooled and dehumidified air is blown into the greenhouse from below or above the canopy. Cooling below the canopy may induce vertical temperature gradients along the length of the plants. Our first aim was to analyze the effect of the positioning of the inlet of cooled and dehumidified air on the magnitudes of vertical temperature and VPD gradients in the semi-closed greenhouses. The second aim was to investigate the effects of vertical temperature gradients on assimilate production, partitioning, and fruit growth. Tomato crops were grown year-round in four semi-closed greenhouses with cooled and dehumidified air blown into the greenhouses from below or above the crop. Cooling below the canopy induced vertical temperature and VPD gradients. The temperature at the top of the canopy was over 5°C higher than at the bottom, when outside solar radiation was high (solar radiation >250 J cm-2 h-1). Total dry matter production was not affected by the location of the cooling (4.64 and 4.80 kg m-2 with cooling from above and from below, respectively). Percentage dry matter partitioning to the fruits was 74% in both treatments. Average over the whole growing season the fresh fruit weight of the harvested fruits was not affected by the location of cooling (118 vs 112 g fruit-1). However, during summer period the average fresh fruit weight of the harvested fruits in the greenhouse with cooling from below was higher than in the greenhouse with cooling from above (124 vs 115 g fruit-1)
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To investigate the technical, economic, and environmental performance of ground source heat pump system (GSHP) for greenhouse heating, a groundwater-style GSHP was studied in a Chinese solar greenhouse (G1) and a glass-covered multi-span greenhouse (G2) during 2007-2008 heating period in Beijing, China. The heating coefficient of performance (COP) of the GSHPs in G1 and G2 were 3.83 (from Oct. 10, 2007 to Mar. 10, 2008) and 3.91 (from Oct.10, 2007 to Feb.3, 2008), respectively. The daily heating cost per m2 greenhouse floor were 0.016 US$ m−2 d−1 and 0.058 US$ m−2 d−1 in G1 and G2, respectively. The heating costs of G1 and G2 were lower than gas-fired heating system (GFH) by 8.9% and 11.4%, but were higher than coal-fired heating system (CFH) by 16.5% and 12.9%, respectively. Equivalent carbon dioxide (CO2) emission analysis showed that G1 and G2 reduced CO2 emission by 41.9% and 44.6%, respectively, compared with CFH, but increased by 46.1% and 43.5% compared with GFH during the entire heating period, assuming that the electricity consumed by G1 and G2 was generated in coal-fired power plant. However, if the electricity energy consumed by GSHP was generated by burning the gas, the GSHP, in fact, emitted 45.9% less CO2 than GFH in heating the greenhouse. The equivalent CO2 emission from G2 heating per m2 area was 3.37 times of that from G1. The test demonstrated that the Chinese solar greenhouse had higher economic and environmental performances than the glass-covered multi-span greenhouse.
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Ten household air–air heat pumps were used to heat an experimental greenhouse (Ghp) with a floor area of 151.2 m2 at night in winter. The main objective is to investigate system coefficient of performance (COP). An estimation model was developed: 1) the energy balance analysis of another greenhouse (Goh), identical and adjacent to the Ghp but with a conventional oil heater, was investigated synchronously, 2) based on the energy balance analysis, the heat transmission coefficient of the Goh was estimated, 3) assuming the heat transmission coefficient was the same for both the Ghp and Goh, the heat generated by the heat pumps was estimated, and 4) the COP was estimated as the ratio of heat generated to the electric energy consumed by the heat pumps. When the inside air temperature was kept at about 16 °C and the outside air temperature (Tout) ranged between −5 °C and 6 °C, the average hourly COP was 4.0, with a highest value of 5.8. Even when Tout < 0, the average hourly COP was 3.3, with the heat pumps defrosting asynchronously. The spatial distribution of air temperature in the Ghp was more uniform and its fluctuation with time was smaller than in the Goh.
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In this study, an experimental dehumidifying system for greenhouses is tested. The system uses finned pipes fixed under the gutter of the greenhouse. The pipes are cooled below the dewpoint of the greenhouse air by cold water. The humid air passes the pipe and fins by natural convection and condensation occurs reducing the humidity in the greenhouse. The performance of the system in relation to its location and dimensions are studied by computational fluid dynamics calculations. The total heat transferred and condensate removed are monitored as a function of the greenhouse conditions. The system removes 40 g of condensate per hour per square metre of greenhouse floor from the humid air sufficient during periods when heating is applied and ventilation is minimized. The heat transferred at the cold surface by condensation is less than one-third of the total heat removed by the system at a relative humidity of 80%.
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The objective of the solar greenhouse project was the development of a Dutch greenhouse system for high value crop production without the use of fossil fuels. The project was completed and the results are reported here. The main approach was to first design a greenhouse system requiring much less energy, next to balance the availability of natural energy with the system¿s energy demand, and finally to design control algorithms for dynamic system control. This paper discusses the first two design steps. Increasing the insulation value of the greenhouse cover was the first step towards a reduction in energy demand. The challenge was in maintaining a high light transmission at the same time. A first generation of suitable materials was developed. The realizable energy saving is almost 40 %. The next reduction in fossil fuel requirement was accomplished by capturing solar energy from the greenhouse during the summer months, storing it in an underground aquifer at modest temperatures, and finally using the stored energy during the winter months by using heat pumps. Then the total realizable energy saving is more then 60%. For sustainable energy supply per ha greenhouse at this low energy demand 32 ha biomass is needed, or 600 kW nominal wind power or 1.2 ha PV assuming storage via the public grid.
Solarkollektorgewächshaus - Machbarkeit eines innovativen technischen Konzepts. www.hortigate.de/bericht?nr=60025 Performance results of a solar greenhouse combining electrical and thermal energy production
  • U Schmidt
  • I Schuch
  • D Dannehl
  • T Rocksch
  • P Sonneveld
  • G Swinkels
  • J Campen
  • B Van Tuijl
  • H Janssen
  • G Bot
Schmidt, U., Schuch, I., Dannehl, D., Rocksch, T. (2014): Solarkollektorgewächshaus - Machbarkeit eines innovativen technischen Konzepts. www.hortigate.de/bericht?nr=60025. Sonneveld, P., Swinkels, G., Campen, J., van Tuijl, B., Janssen, H., Bot, G. (2010): Performance results of a solar greenhouse combining electrical and thermal energy production. Biosyst. Eng. 106, 48-57.
Wärmepumpeneffizienz (B)
  • Abb
Abb. 2: Wärmeverbrauch bei differenten Schirmszenarien (A), Wärmepumpeneffizienz (B), Temperaturschichtung bei Kühlung unten/oben (C), Luftströmung bei Kühlung oben (D), Speicherladung vs. Wärmeverbrauch (E), U-Werte bei differenter Speicherdämmung (F)
Hinsichtlich der Substitution fossiler Brennstoffe (PER > 1) ergaben sich Primärenergienutzungsgrade (PER) bis 1,9. Zur Kühlung von oben wurden Rippenrohrwärmetauscher verwendet. Dabei entsteht die zur Wärmeübertragung notwendige Luftbewegung (bis 0,2 m/s) durch freie Konvektion aufsteigender Luft
  • Chai
In der Kollektoranlage wird eine Wärmepumpe für den Kühl-/Heizbetrieb genutzt. Hierzu wurden Arbeitszahlen bis 4,9 ermittelt (Abb. 2-B). Im Vergleich berichten Tong et al. (2010) über Werte bis 5,8 und Chai et al. (2012) bis 3,9. Hinsichtlich der Substitution fossiler Brennstoffe (PER > 1) ergaben sich Primärenergienutzungsgrade (PER) bis 1,9. Zur Kühlung von oben wurden Rippenrohrwärmetauscher verwendet. Dabei entsteht die zur Wärmeübertragung notwendige Luftbewegung (bis 0,2 m/s) durch freie Konvektion aufsteigender Luft. Hierzu ergab sich bei semi-geschlossener Fahrweise eine homogenere Lufttemperaturschichtung zwischen Boden und Bestand (2 K) als bei Qian et al. (2012) mit
K) bzw. den eigenen Messungen (8 K) zur Kühlung von unten
  • Schlauchgebläse
Schlauchgebläse (5 K) bzw. den eigenen Messungen (8 K) zur Kühlung von unten.