Projektskizze der geplanten Dissertation
Promotionsstudent:
Dipl.-Ing. agr., Klaus Knösel
Betreuender Hochschullehrer:
Prof. Dr. Thomas Rath
Leibniz Universität
Hannover, Naturwissenschaftliche Fakultät, Institut für Biologische
Produktionssysteme, Fachgebiet Biosystem- und Gartenbautechnik (BGT),
Herrenhäuserstraße 2, 30419 Hannover
Thema:
Ermittlung des Wärmeverbrauchsverhaltens von
Niedrigenergiegewächshäusern unter besonderer Berücksichtigung der latenten
Wärmeströme im Nachtbetrieb
Kurzbeschreibung:
Für die Zierpflanzenproduktion unter Glas im Winterhalbjahr ist in Mitteleuropa
der Einsatz von Wärmeenergie zur Beheizung der Gewächshäuser erforderlich.
Maßgeblich werden dafür fossile Energieträger eingesetzt. Die zunehmende
Nachfrage z.B. nach Heizöl und Erdgas führt zu immer höheren Energiepreisen. Ein
weiteres Problem stellt die mit der Energieerzeugung freigesetzte CO2-Emmission
in Bezug auf zu erwartende Klimaveränderungen dar.
Mit dem Projekt ZINEG (ZunkunftsInitiativeNiedrigEnergieGewächshaus)
soll untersucht werden, inwieweit sich der Primärenergieverbrauch durch
geeignete Verfahren senken lässt. Neben neuen Kulturverfahren
(Integrationsstrategien) werden besonders Änderungen an der Gewächshaushülle
untersucht, die die Lichtdurchlässigkeit erhöhen (spezialbeschichtete Gläser)
und durch spezielle Isoliermaßnahmen und ein Solarspeichermodul den spezifischen
Energieverbrauch je Pflanze senken sollen.
Hieraus ergeben sich für die klimatischen Umgebungsvariablen wie z.B.
Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2-Gehalt deutliche Veränderungen
zu den bisherigen üblichen Produktionsverfahren. Durch stark verbesserte
Isolation des Systems Gewächshaus treten als Folge höhere Wasserdampfmengen und damit
größere latente Energieanteile an der
Gesamtenthalpie der Luft auf, die bei Entfeuchtungsmaßnahmen über die Lüftung
zusätzlich verloren gehen.
Zur Beschreibung des Energieverbrauchverhaltens von verschiedenen
Gewächshauskonstruktionen, wie z.B. Venlo- und Normgewächshäusern,
wurden in der Vergangenheit viele
Untersuchungen des Wärmeverbrauchsverhaltens durchgeführt. Die resultierende
Größe war dabei der Wärmeverbrauchskoeefizient U‘, der den flächenbezogenen
Wärmeverbrauch in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Innen-
und Außentemperaturkeit abbildet.
Bedingt durch die Transpiration der Pflanzen, die tagsüber eine wichtige
Antriebsgröße der Photosynthese und der Blattkühlung
ist, werden erhebliche Wasserdampfmengen
an die Luft abgegeben. Hierdurch erhöht sich der Energiegehalt durch den
latenten Energieanteil des Wasserdampfs zusätzlich. Außerdem findet
eine beachtliche nächtliche Transpiration der Pflanzen statt, die
ebenfalls energierelevant ist, als treibende Größe jedoch nicht die Einstrahlung
beinhaltet.
Bisher gingen die pflanzenbedingten latenten Energieumsätze nur implizit in die
Wärmeverbrauchsmodelle ein, für den Bereich der Tagestranspiration wurden die
Berechnungen mit einem Verdunstungsfaktor (Eta) korrigiert. Die latenten
Energieumsätze in der Nacht sind also Bestandteil des
Wärmeverbrauchskoeefizienten U‘ und darin größenordnungsmäßig nicht näher
spezifiziert.
Ziel der Promotion ist die empirische und modellhafte Beschreibung der latenten
Energie- und Massenstrome und damit auch die Quantifizierung der Energieflüsse,
die durch die Transpiration der Pflanzen entstehen. Ein zu entwickelndes
Rechenmodell soll darauf aufbauend für vorgegebene klimatische
Umgebungsbedingungen und entsprechender Sollwerteinstellungen für z.B.
Temperatur und Luftfeuchte die Energieumsätze berechnen können, die als
Entscheidungshilfe für die Einstellung und dynamische Verstellung von Sollwerten
in Klima-Regel-Computern bei verschiedenen Entfeuchtungsstrategien dienen
sollen. Da die relevanten
Einflussgrößen zunächst in der Versuchsanlage ZINEG ermittelt und getestet
werden, muss ein wesentliches Ziel
die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Betriebssituationen
(Gewächshauskonstruktionen, Zierpflanzenkulturen) sein.
Zur Realisierung ist die getrennte Betrachtung der klimatischen
Umgebungsbedingungen von Tages- und Nachtbedingungen notwendig, da die
nächtliche Transpiration auf Grund fehlender Einstrahlung anderen
Gesetzmäßigkeiten folgen muss.
Beispielhaft soll durch vergleichende Energieverbrauchsmessungen an den
ZINEG-Gewächshäusern mit und ohne Pflanzen der zusätzliche Energieumsatz durch
die pflanzliche Transpiration ermittelt werden. Voraussetzung dafür ist die
Bestimmung der klimatischen
Umgebungsvariablen sowie die Beschreibung der Quellen und Senken, die für die
Phasenwechsel des Wassers und somit für den Energieumsatz verantwortlich sind.