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Einsatz von Solarkollektorgewächshäusern zur Minderung des Energieverbrauchs und der CO₂- Emissionen sowie zur Qualitätserhaltung von Gemüse im geschützten Anbau

Authors:

Abstract

Im ZINEG-Projekt wurden an mehreren Standorten Zukunftskonzepte für Unterglaskulturen entwickelt mit dem Ziel, den Energieverbrauch wesentlich zu senken und CO2-Emissionen zu reduzieren. An den Standorten Berlin, Hannover, Schifferstadt und Osnabrück entstanden Projekte mit unterschiedlichen Konzepten aber gleichgerichteter Zielsetzung. Die Pflanzenproduktion sollte bei allen Projekten ohne nennenswerte Qualitätseinbußen möglich sein. So wurde unter Berücksichtigung nicht nur technischer, sondern auch kulturtechnischer Maßnahmen bei allen Projekten systemorientiert gearbeitet. Der Ansatz der geschlossenen Betriebsweise mit Nutzung solarer Überschussenergie, wie sie am Standort Berlin eingesetzt wurde, wird in dieser Schrift dargestellt. Besonderes Augenmerk wird hier auf Entfeuchtungsstrategien und der Gewinnung und Speicherung von Solarenergie mittels der Wärmepumpentechnologie bei der Kultur von Tomaten gelegt. Die Schwerpunkte der beschriebenen Untersuchungen in Hannover zum Gewächshaus mit maximaler Wärmedämmung liegen in der geschlossenen Betriebsweise, der Verwendung und optimalen Steuerung von 3 Energieschirmen sowie dem Einsatz des Phytomonitorings zur Optimierung der Kulturführung. Weiter werden die Versuche und Ergebnisse zur Tauglichkeit eines Foliengewächshauses mit maximaler Wärmedämmung und CO2-neutraler Beheizung durch einen Holzpellet-Kessel dargestellt. Der vierte Standort in Osnabrück wurde mit einem Gewächshaus mit Wärmeschutzverglasung ausgestattet. Hier liegen die Forschungsschwerpunkte in der Produktion von Zierpflanzen unter einem geringerem Lichtangebot und erhöhten Luft-feuchten. Neben den Ergebnissen der technischen und pflanzenbaulichen Untersuchungen präsentiert diese Schrift auch eine übergreifende ökonomische Bewertung aller dargestellten ZINEG-Konzepte.
Herausgeber
Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL), Darmstadt
Niedrigenergiegewächshäuser
Hans-Jürgen Tantau | Werner Achilles | Uwe Schmidt |
Dennis Dannehl | Ingo Schuch | Thorsten Rocksch |
Christine Becker | Hans-Peter Kläring | Gökhan Akyazi |
Bernhard Bessler | Melanie Horscht | Klaus Knösel | Dirk Ludolph |
Joachim Meyer | Alexandra Kreuzpaintner | Matthias Schlüpen |
Karl Schockert | Norbert Laun | Diedrich Wilms |
Hans-Peter Römer | Peter Rehrmann | Andreas Bettin |
Jochen Flenker | Wolfgang Bockelmann | Peter Heise |
Gabriele Hack | Henning Bredenbeck
Ergebnisse des ZINEG-Verbundprojektes
KTBL-Schrift 509
Fachliche Begleitung
KTBL-Arbeitsgruppe „ZukunftsInitiative NiedrigEnergieGewächshaus (ZINEG)“
Prof. Dr. Henning Bredenbeck (Vorsitz) | Prof. Dr. Rembert Burmann | Dr. Wolfgang Graf |
Gabriele Hack | Peter Heise | Christian Reinhold | Prof. Dr. Andreas Ulbrich
Die Anschriften der Mitwirkenden sind im Anhang aufgeführt.
Projektförderung
Förderung durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit sowie
der Landwirtschaftlichen Rentenbank unter Federführung des Bundesministerium für Ernährung,
Landwirtschaft und Verbraucherschutz mit Unterstützung der Bundesanstalt für Landwirtschaft
und Ernährung.
Förderzeitraum: 2009-2014
Die Informationen der vorliegenden Schrift wurden vom KTBL und den Autoren nach dem Stand
des Wissens zusammengestellt. Das KTBL und die Autoren übernehmen keinerlei Haftung für die
bereitgestellten Informationen, deren Aktualität, inhaltliche Richtigkeit, Vollständigkeit oder
Qualität.
© 2015
Herausgeber und Vertrieb
Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL)
Bartningstraße 49 | 64289 Darmstadt
Telefon +49 6151 7001-0 | Fax +49 6151 7001-123 | E-Mail: ktbl@ktbl.de
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Herausgegeben mit Förderung des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.
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Redaktion
Dr. Wolfgang Graf, Dr.-Ing. Norbert Fröba | KTBL, Darmstadt
Satz
Team Herstellung | KTBL, Darmstadt
Titelfoto
Melanie Horscht | Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Hannover
Druck und Bindung
Silber Druck oHG | Niestetal
Printed in Germany
ISBN 978-3-945088-14-2
Inhalt
1 Einleitung
Werner Achilles............................................................................... 11
2 Einsatz von Solarkollektorgewächshäusern zur Minderung
des Energieverbrauchs und der CO₂-Emissionen sowie zur
Qualitätserhaltung von Gemüse im geschützten Anbau
UWe schmidt, dennis dAnnehl, ingo schUch, thorsten rocksch,
christine Becker, hAns-Peter kläring.............................................12
2.1 Zielsetzung......................................................................................12
2.2 Gewächshaus und Technik ...........................................................13
2.2.1 Gewächshausversuchsanlage........................................................15
2.2.1.1 Solarkollektorgewächshaus ..........................................................15
2.2.1.2 Kühlsystem .....................................................................................16
2.2.1.3 Wärmespeicher ...............................................................................17
2.2.1.4 Einbindung der Wärmepumpe .....................................................18
2.2.1.5 Prozessautomatisierung ................................................................19
2.2.2 Bewertung der eingesetzten Komponenten des
Solarsystems ................................................................................... 20
2.2.2.1 Gewächshaus .................................................................................. 20
2.2.2.2 Kühlleistung und Qualität der Kühlung ...................................... 20
2.2.2.3 Wärmespeicherung und solarer Deckungsgrad .......................... 21
2.2.2.4 Energetische und produktspezifische Berechnungen ................ 21
2.2.3 Phytomonitoring ............................................................................ 22
2.3 Pflanzenbauliche Untersuchungen .............................................. 23
2.3.1 Pflanzenbauliche Versuche an der HU Berlin ............................23
2.3.1.1 Kulturprogramm ............................................................................23
2.3.1.2 Pflanzenmorphologische und -physiologische Parameter........23
2.3.1.3 Klimaregel- und Bewässerungsstrategien ................................... 24
2.3.2 Pflanzenbauliche Versuche am IGZ Großbeeren .......................26
2.3.2.1 Zielstellung der Versuche ..............................................................26
2.3.2.2 Versuchsaufbau und Untersuchungsmethoden ..........................27
2.3.2.3 Versuchspläne .................................................................................28
2.4 Technische Ergebnisse und Ressourceneinsparungen ...............29
2.4.1 Energie ............................................................................................29
2.4.1.1 Wärmeverbrauchskoezient Ucs-Wert .......................................29
2.4.1.2 Elektrische Energie, Arbeitszahl und
Primärenergienutzungsgrad .........................................................30
2.4.1.3 Solarer Deckungsgrad ...................................................................32
2.4.1.4 Produktspezifischer Energieverbrauch ........................................ 33
2.4.1.5 Energieeinsparpotenzial mittels Phytomonitoring .................... 34
2.4.2 Wasser .............................................................................................37
2.4.2.1 Wasserbilanzierung........................................................................37
2.4.2.2 Produktspezifischer Wasserverbrauch .........................................38
2.4.2.3 Präzise Steuerung der Bewässerung durch
Phytomonitoring ............................................................................ 39
2.4.3 Mikroklimatische Veränderungen ................................................40
2.4.3.1 Lichtverhältnisse ............................................................................ 40
2.4.3.2 Temperatur, relative Luftfeuchte und CO₂ ..................................41
2.4.3.3 Mikroklima unter Kühlbedingungen ........................................... 43
2.4.3.4 Produktion unter hohen Luftfeuchtebedingungen .................... 46
2.5 Pflanzenbauliche Ergebnisse ........................................................ 50
2.5.1 Pflanzenbauliche Ergebnisse an der HU Berlin .........................50
2.5.1.1 Phytomonitoring ............................................................................ 50
2.5.1.2 Netto-Photosynthese und Transpiration ..................................... 51
2.5.1.3 Pflanzenwachstum und -entwicklung ........................................52
2.5.1.4 Erträge ............................................................................................. 54
2.5.1.5 Fruchtqualität ................................................................................. 55
2.5.2 Pflanzenbauliche Ergebnisse am IGZ Großbeeren .....................59
2.5.2.1 Wirkung hoher Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei
Gurke und Tomate .........................................................................59
2.5.2.2 Wirkung niedriger Temperatur bei Gurke und Tomate ............. 60
2.5.2.3 Wirkung transparenter Energieschirme bei
Gurke und Tomate .........................................................................62
2.5.2.4 Wirkung von Temperatur und Bestrahlungsstärke bei
Salat ................................................................................................. 64
2.6 Wirtschaftlichkeit ........................................................................... 65
2.6.1 Investitionen ................................................................................... 65
2.6.2 Ertragsanstiege .............................................................................. 67
2.6.3 Minderung der Kosten für die Wärmeerzeugung ......................67
2.6.4 Amortisationszeiten ....................................................................... 69
2.7 Fazit ................................................................................................. 72
2.8 Literatur...........................................................................................76
3 Gewächshaus mit maximaler Wärmedämmung –
ZINEG-Haus-Hannover
gökhAn AkyAzi, BernhArd Bessler, melAnie horscht,
klAUs knösel, dirk lUdolPh, hAns-Jürgen tAntAU ......................... 80
3.1 Zielsetzung......................................................................................80
3.2 Gewächshaus und Technik ..........................................................80
3.2.1 Wärmedämmung ............................................................................82
3.2.2 Solarenergienutzung .....................................................................82
3.2.3 Assimilationsbelichtung und CO₂-Düngung .............................. 84
3.2.4 Messtechnik ................................................................................... 84
3.3 Messmethodik und Ergebnisse ..................................................... 85
3.3.1 Luftwechsel durch Undichtigkeiten ............................................. 85
3.3.2 Wärmeverbrauchskoezient ........................................................ 87
3.3.3 Energieeinsparung ......................................................................... 89
3.3.4 Langwellige Wärmeabstrahlung...................................................89
3.3.5 VLuft-Wert ....................................................................................... 91
3.3.6 Energieversorgung, Solarenergienutzung und
Wirkungsgrade ............................................................................... 92
3.3.7 Licht-/PAR-Durchlässigkeit .......................................................... 99
3.3.8 Evapotranspiration ...................................................................... 100
3.4 Pflanzenbauliche Untersuchungen ............................................ 103
3.4.1 Temperaturregelprogramme und Klimabedingungen
im ZINEG-Haus-Hannover in Abhängigkeit von
der Jahreszeit ................................................................................105
3.4.1.1 Frühjahr ........................................................................................106
3.4.1.2 Herbst ............................................................................................ 108
3.4.1.3 Sommer ......................................................................................... 11 2
3.4.1.4 Winter............................................................................................ 113
3.4.2 Veränderungen der klimatischen Wachstumsfaktoren
und Auswirkungen auf die Topfpflanzenkultur ....................... 11 5
3.4.2.1 Temperatur .................................................................................... 11 5
3.4.2.2 Relative Luftfeuchtigkeit ............................................................. 11 6
3.4.2.2.1 Einfluss der relativen Luftfeuchte auf die Nährsto-
und Wasseraufnahme .................................................................. 117
3.4.2.2.2 Wirkungen hoher Luftfeuchte auf Qualität und
Haltbarkeit von Topfpflanzen ....................................................121
3.4.2.2.3 Hohe Luftfeuchte und Pflanzengesundheit ..............................122
3.4.2.3 CO₂-Konzentration.......................................................................123
3.4.2.4 Einfluss der Lichtminderung auf Wachstum und
Qualität ..........................................................................................125
3.4.3 Bewertung der Zierpflanzenqualität ..........................................126
3.5 Phytomonitoring .........................................................................127
3.5.1 Zielsetzung....................................................................................127
3.5.2 Beschreibung der Versuchsanlage ............................................128
3.5.3 Kulturversuche und Ergebnisse ..................................................128
3.5.3.1 CO₂-Konzentration.......................................................................129
3.5.3.2 Temperatur .................................................................................... 131
3.5.4 Schlussfolgerungen .....................................................................133
3.6 Ökonomische Bewertung des ZINEG-Hauses-Hannover ........134
3.6.1 Investitionen .................................................................................134
3.6.2 Cashflow .......................................................................................136
3.7 Ökologische Bewertung ...............................................................137
3.8 Fazit ...............................................................................................139
3.9 Literatur.........................................................................................141
4 CO₂-neutrale Beheizung von Gewächshäusern mit biogenen
Feststoffen
JoAchim meyer, AlexAndrA kreUzPAintner, mAtthiAs schlüPen,
kArl schockert, norBert lAUn ......................................................144
4.1 Zielsetzung....................................................................................144
4.2 Material und Methoden...............................................................145
4.2.1 Bauausführung .............................................................................145
4.2.1.1 Konstruktion und Bedachung ....................................................145
4.2.1.2 Energieschirme .............................................................................146
4.2.1.3 Wärmeversorgung und Wärmeverteilung .................................149
4.2.1.4 Klimaregelung und Datenerfassung .......................................... 151
4.2.1.5 Kulturtechnische Ausstattung ....................................................152
4.2.2 Messtechnische Grundlagen .......................................................152
4.2.2.1 Messung des Wärmeverbrauches ..............................................152
4.2.2.2 Wärmespeicherung im Gewächshaus .......................................154
4.2.2.3 Strahlungsbedingungen im Gewächshaus ................................155
4.2.2.4 Feuchte im Gewächshaus ............................................................156
4.2.2.5 Prozessdokumentation ................................................................159
4.2.2.5.1 Darstellung der erfassten Ressourcen für die ökologische
Bewertung .....................................................................................160
4.2.2.5.2 Datenquellen und Datentransfer ................................................. 160
4.2.2.5.3 Grundauswertung ......................................................................... 161
4.2.2.5.4 Durchführung der ökologischen Bewertung ............................. 164
4.2.2.5.5 Definition und Bestimmung der funktionellen Einheit ........... 164
4.2.2.5.6 Bewertung des Ressourcenverbrauches .................................... 165
4.3 Durchgeführte Messungen, Ergebnisse und Diskussion .........167
4.3.1 Wärmeverbrauchskoezient .....................................................167
4.3.1.1 Messungen ohne Pflanzenbestand ............................................168
4.3.1.2 Messungen mit Pflanzenbestand ............................................... 170
4.3.1.3 Messungen mit aufliegenden Energieschirmen .......................172
4.3.1.4 Zusammenfassung der Ergebnisse zu den Ucs-Werten ...........173
4.3.2 Einsparpotenzial während der Kulturperiode ...........................174
4.3.2.1 Typische Verläufe der Luftfeuchte ............................................175
4.3.2.2 Das Gewächshaus als Wärmespeicher .......................................178
4.3.3 Strahlungsdurchlässigkeit ...........................................................182
4.3.4 Ergebnisse der Prozessdokumentation ......................................185
4.3.4.1 Einmalige Ernte ............................................................................185
4.3.4.2 Mehrmalige Ernte ........................................................................188
4.3.4.3 Betriebsinterner Vergleich der Tomatenkulturen 2011
und 2012 ......................................................................................195
4.3.4.4 Vergleich der CO₂-Äquivalente beim Einsatz von
fossilen und erneuerbaren Energieträgern ...............................197
4.4 Ökonomische Betrachtungen und Praxisempfehlungen .........199
4.4.1 Ausführung der Hauptbaugruppen nach dem
ZINEG-Modell TUM/DLR ............................................................200
4.4.1.1 Gewächshaushülle .......................................................................200
4.4.1.2 Ausstattung mit Energieschirmen .............................................200
4.4.1.3 Heizungsanlage im Gewächshaus ..............................................200
4.4.1.4 Inneneinrichtung .........................................................................201
4.4.1.5 Regelung ....................................................................................... 201
4.4.1.6 Wärmeerzeugung .........................................................................201
4.4.2 Kostenbetrachtungen ...................................................................202
4.5 Fazit ...............................................................................................204
4.6 Literatur.........................................................................................204
5 Prüfung von Wärmeschutzglas als Bedachungsmaterial
für die Zierpflanzenproduktion
diedrich Wilms, hAns-Peter römer, Peter rehrmAnn,
AndreAs Bettin ...............................................................................205
5.1 Zielsetzung....................................................................................205
5.2 Material und Methoden...............................................................205
5.2.1 Versuchsanlage .............................................................................205
5.2.2 Versuchsprogramm ......................................................................208
5.2.2.1 Kulturen, Kulturprogramm .........................................................208
5.2.2.2 Regelstrategien .............................................................................208
5.2.3 Versuchsauswertung ....................................................................209
5.3 Technische Ergebnisse .................................................................209
5.3.1 Energieverbrauch und Einsparpotenzial ...................................209
5.3.2 Klimaveränderungen im Gewächshaus ..................................... 210
5.3.2.1 Licht ............................................................................................... 210
5.3.2.2 Luftfeuchtigkeit ............................................................................ 210
5.3.3 Verhalten bei Schnee und Frost .................................................212
5.4 Pflanzenbauliche Ergebnisse ...................................................... 213
5.4.1 Phytomonitoring .......................................................................... 213
5.4.2 Kulturzeit ...................................................................................... 214
5.4.3 Qualität ........................................................................................214
5.4.4 Erlöse ............................................................................................. 216
5.5 Schätzung der Kosten..................................................................217
5.5.1 Investitionen .................................................................................217
5.5.2 Amortisationsdauer der Mehrkosten ......................................... 218
5.6 Fazit ...............................................................................................220
5.7 Literatur.........................................................................................220
6 Ökonomische Bewertung der Produktion in
Niedrigenergiegewächshäusern
Jochen Flenker, WolFgAng BokelmAnn .......................................... 222
6.1 Zielsetzung....................................................................................222
6.2 Material und Methoden...............................................................222
6.2.1 Wirtschaftlichkeitsberechnungen ..............................................222
6.2.2 Datenmaterial und Bewertungsvorgang ...................................223
6.3 Bewertungsmodelle......................................................................224
6.3.1 Kostenvergleichsrechnung für die Zierpflanzenproduktion ...224
6.3.2 Gewinnvergleichsrechnung für eine Tomatenproduktion ......226
6.4 Kostenvergleichsrechnung (Zierpflanzen) ................................229
6.4.1 Osnabrück .....................................................................................229
6.4.1.1 Gewächshäuser Osnabrück .........................................................229
6.4.1.2 Zierpflanzenproduktionsverfahren am Standort Osnabrück .. 231
6.4.1.3 Fazit Kostenvergleichsrechnung ZINEG-Gewächshaus
Typ „Osnabrück“ ..........................................................................233
6.4.2 Hannover ......................................................................................233
6.4.2.1 Gewächshäuser Hannover ..........................................................233
6.4.2.2 Zierpflanzenproduktionsverfahren am Standort Hannover ...233
6.4.2.3 Fazit Kostenvergleichsrechnung ZINEG-Gewächshaus
Typ „Hannover“ ...........................................................................239
6.4.3 Zusammenfassende Übersicht der Zierpflanzenproduktion
mit ZINEG-Technologien ............................................................240
6.5 Gewinnvergleichsrechnung (Tomatenproduktion)...................241
6.5.1 Gewächshäuser .............................................................................241
6.5.2 Tomatenproduktionsverfahren in den
ZINEG-Gewächshäusern Typ „Schierstadt“ ...........................244
6.5.3 Fazit Gewinnvergleichsrechnung ZINEG-Konzepte
Typ „Schierstadt“ ......................................................................246
6.6 Literatur.........................................................................................247
7 Fazit
henning BredenBeck, gABriele hAck, Peter heise ..........................248
Anhang
Abkürzungen ..................................................................................................251
Mitwirkende ...................................................................................................252
KTBL-Schrift 509 9
Einleitung
1 Einleitung
Werner Achilles
In Deutschland werden die meisten gewerblich genutzten Gewächshäuser mit fossiler
Energie beheizt. In dem Projekt ZINEG wurden Niedrigenergiegewächshäuser als Alter-
native zu herkömmlichen Gewächshäusern erforscht; aus dem Projekt leitet sich auch der
Name ZukunftsInitiative NiedrigEnergieGewächshaus (ZINEG) ab.
Untersucht wurden pflanzenbauliche Grundsatzfragen, neue Bauweisen und ange-
passte Bewirtschaftungskonzepte.
In Berlin-Dahlem wurde ein Solarkollektorgewächshaus errichtet, dessen Solarwär-
me das Gewächshaus selbst und bei Überschuss weitere Gewächshäuser beheizt. Dabei
wurde ein besonderes Augenmerk auf Entfeuchtungsstrategien und die Gewinnung und
Speicherung von Solarenergie mittels Wärmepumpen gelegt. Als Versuchskultur wurden
Tomaten ausgewählt.
In Hannover wurde geklärt, wie sich maximale Wärmedämmung auf Topfpflanzen
auswirkt. Dabei standen die Verwendung und Steuerung von drei Schirmen sowie die
Optimierung der Kulturführung bei vermindertem Lichtangebot und erhöhter Luftfeuchte
im Mittelpunkt.
Der Frage der Energieeffizienz wurde in einem mit Holzpellets beheizten Gewächs-
haus mit Doppelfolieneindeckung in Schifferstadt nachgegangen. Für den ökologischen
Gemüsebau im gewachsenen Boden wurde ein Softwarekonzept zur weitgehend auto-
matischen Dokumentation der Produktionsprozesse entwickelt und die Klimaführung
optimiert.
Wie sich Wärmeschutzgläser auf die Kultivierung von Zierpflanzen mit hohen Licht-
und Temperaturanforderungen auswirken, wurde in Osnabrück untersucht. Dabei waren
vor allem der Einfluss der geringen Lichtdurchlässigkeit des Spezialglases auf die Ent-
wicklung der Pflanzen und die Steuerung der Lichtverhältnisse von Interesse.
In dieser Schrift werden Erkenntnisse aus über vier Jahren Forschungsarbeit vor-
gestellt und ökonomisch sowie ökologisch bewertet. Gärtnern, Beratern, Entwicklern
alternativer Energietechniken und Wissenschaftlern bietet die Schrift einen umfassenden
Überblick über die Ergebnisse von ZINEG.
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76 3 Gewächshaus mit maximaler WärmedämmungZINEG-Haus-Hannover gökhAn AkyAzi, BernhArd Bessler, melAnie horscht, klAUs knösel, dirk lUdolPh, hAns-Jürgen tAntAU
  • . . Literatur
Literatur........................................................................................... 76 3 Gewächshaus mit maximaler WärmedämmungZINEG-Haus-Hannover gökhAn AkyAzi, BernhArd Bessler, melAnie horscht, klAUs knösel, dirk lUdolPh, hAns-Jürgen tAntAU......................... 80
241 6.5.2 Tomatenproduktionsverfahren in den ZINEG-Gewächshäusern Typ "Schifferstadt"
  • . . . . . Gewächshäuser
Gewächshäuser............................................................................. 241 6.5.2 Tomatenproduktionsverfahren in den ZINEG-Gewächshäusern Typ "Schifferstadt"...........................244
247 7 Fazit henning BredenBeck, gABriele hAck, Peter heise
  • . . Literatur
Literatur.........................................................................................247 7 Fazit henning BredenBeck, gABriele hAck, Peter heise..........................248