Energieoptimierung durch Kiesspeicher unter dem Gewächshaus

Energieprojekt aus 1983 wird wiederbelebt !

Es ist kaum zu glauben, aber ein Forschungsprojekt aus 1983 läuft noch heute und wird nun wieder neu gemessen. Mit einer ca. 40 cm dicken Kiesschicht unter der Gewächshausstellfläche und einigen Ventilatoren ist 20 bis 30 % der nötigen Heizenergie zu ersetzen. Die neuen Gewächshausbauweisen mit umfangreichen, energiesparenden Maßnahmen lassen die Kiesspeicher zur Solarenergienutzung wirtschaftlich erscheinen. Der Aufwand für die Kiesspeicher ist dabei recht gering.

FuE 1983

Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens (FuE) 82-UM-11: „Energiesparendes Gewächshaussystem mit Solarenergienutzung“ des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (BMELF) in den Jahren 1982 bis 1986 wurde eine Pilotanlage im Gartenbaubetrieb Otto Rogmans, Kevelaer von Prof. Dr. Hennig Bredenbeck wissenschaftlich begleitet. Die Ergebnisse begründen eine erneute Aufnahme des Themas. Unter einem Stegdreifachplatten-Gewächshaus wurde eine Betonstellfläche installiert, Unter die Betonstellfläche wurde eine 90 cm dicke Kiesschüttung eingebracht und nach unten isoliert. Die überschüssige Wärme im Gewächshaus am Tag wird mit Ventilatoren in ein Luftverteilsystem in den Kies geblasen. In der Nacht wird diese Wärme wieder in den Raum zurückgebracht. Dabei kommen keine Wärmetauscher zum Einsatz, sondern nur die Luft übernimmt den Wärmetransport. Die damaligen Ergebnisse zeigen einige Optimierungen auf, die wir heute umzusetzen versuchen.

Im GBZ-Straelen läuft ein aktueller Solar-Kiesspeicher „OSKAR“

Die Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen hat nun in neuen Untersuchungen das Thema aufgegriffen. Zum einen wurde die Anlage im Betrieb Rogmans mit neuen Meßsensoren bestückt, um die noch funktionierende Anlage mit neuen Messwerten zu beobachten und daraus eine weitere Optimierung der Anlage abzuleiten. In die Zu- und Abluftrohre wurden dazu Temperatursensoren angebracht. In den Kiesspeicher wurden zusätzlich drei Temperatursensoren gleichmäßig verteilt, damit die Temperaturschichtung = Lade- / Entladezustand des Kiesspeichers verfolgt werden kann. Die alte Ventilatorregelung soll mit diesen Erkenntnissen dann erneuert werden.

Zum anderen ist die Testanlage in der Versuchsanstalt Straelen wie die Originalanlage mit 3 m Kiesspeicherlänge ausgestattet. Darin sind jedoch acht Temperatursensoren gleichmäßig verteilt, um damit das Lade- und Entladeverhalten feinfühliger messen zu können. Diese Anlage soll zum einen neue Meßmöglichkeiten erlauben und zum anderen dem Gärtner eine Anregnung zur Umsetzung im eigenen Betrieb geben.

Wir suchen neue Praxisanlagen

Im ersten Schritt soll diese Untersuchung und Demonstrationsanlage die Diskussion um die Solarenergienutzung anstoßen. Das Einsparpotential erscheint uns bei heutigen Energiepreisen und energiesparenden Gewächshausbauweisen eine ausreichende Wirtschaftlichkeit zu bieten.Jede neue Stellfläche, sei es der Betonboden aber auch gerade die Folienboden-Ebbe-Flutfläche, sollte mit diesem Kiesspeicher genutzt werden.Der Aufwand ist relativ gering: der Boden wird z.B. 50 cm tiefer ausgekoffert, mit einer Isolierung und 40 cm Kies verfüllt. Darauf kommt die übliche Stellfläche: Beton oder Folienboden.Im Abstand von 3 Metern wird in den Kies die Luftverteilung mit Rohren eingebracht. Mit Ventilatoren wird am Tag die Überschußwärme aus dem Gewächshaus im Kiesspeicher zwischengelagert und in der Nacht, mit umgedrehter Blasrichtung, wieder ins Gewächshaus zurück geblasen. Der besondere Vorteil dieser Methode ist der Wegfall zusätzlicher Wärmetauscher, womit eine geringe Übertemperatur im Kiesspeicher schon für nutzbringende Speicherenergien sorgen kann. Die Luftverteilung wird dabei, ähnlich der im Heizungsbau angewendeten gegenläufigen Tichelmann-Rohrführung aufgebaut damit der Kiesspeicher gleichmäßig durchströmt wird.

Alte Ergebnisse wurden nicht wirklich beachtet

Nach damaligen Möglichkeiten der Regelung konnte die „Rogmans-Anlage“ schon mit ca. 25%igen Solardeckungsanteil aufwarten. Diese Solarenergie ließ sich mit einem Strom- zu Solarverhältnis von 1 : 32 nutzen. Damals wieder sinkende  Energiepreise haben die Aufmerksamkeit um diese Anlagentechnik bis heute einschlafen lassen. Es ist wohl nicht spektakulär genug, einfach nur Kieselsteine am Tag aufzuwärmen, um diese dann in der Nacht wieder die Energie  mit etwas Ventilatorleistung zu entlocken.Bessere Modellberechnungsmöglichkeiten, z.B. mit dem Planungsprogramm HORTEX, erlauben viel genauere Planungen der Anlagen. Im Rahmen des aktuellen EnergieEffizienzProgramms werden für Gewächshausneubauten höhere Anforderungen an die Reduzierung des Energieverbrauchs gestellt. Diese energiesparenden Gewächshäuser = „Niedrigenergiehäuser“ sind geradezu ideale Voraussetzungen für die Umsetzung der Kiesspeichertechnologie. Aber auch im normalen Gewächshaus wird in Neuanlagen immer mehr neben dem Energie- /Schattierungstuch der Tagschirm zusätzlich wirtschaftlich einsetzbar sein. In diesen Häusern ist der Kiesspeicher eine ideale Ergänzung weitere 25 -30 % Primärenergie einzusparen

Die neuen Messwerte der „Rogmans-Anlage“

Nach Abschluß der wissenschaftlichen Betreuung des Forschungsprojektes in 1986 wurden leider alle Meßsensoren abgebaut und „betonbündig“ abgeschnitten! Also hieß es zu improvisieren. Um an die Kiesschichttemperaturen zu kommen, mussten wieder Messfühler in den Kies eingebracht werden. Der Betonboden ist mit Dehnungsfugen aufgebaut, und genau durch diese konnten nun die neuen Messfühler wieder in den Kies eingebracht werden. Die ersten Ergebnisse aus 2010 sind in der Grafik zu sehen. Nach einer kühlen, wolkenreichen Zeit, bis zum 17.03.2010, folgten einige sonnige Tage. Für die ersten Beobachtungen wurde der Speicher nur geladen aber nachts nicht entladen. Die Raumtemperatur von ca. 27°C (grüne Linie) wurde so mit ca. 23°C bis 25°C (rote Linie im Verteilrohr) in den Kies geblasen. Der erste Temperaturfühler ist etwa 75 cm weit im Kies angebracht (orange Linie). Bereits am ersten Tag wird diese Kiesmasse von 16°C  auf 21°C erwärmt. Am zweiten sonnigen Tag wird der Kies bis auf 23 °C aufgewärmt. Die Kiesschichten danach (lila = 150 cm und grün = 225 cm) nehmen die Temperatur ähnlich einem Wasserspeicher geschichtet auf.  In der Grafik ist deutlich zu erkennen, dass eine reine Wärmeabgabe nur über den Wärmetransport über die Betonbodenfläche nicht vermag den Kiesspeicher zu entladen. Eine aktive Entladung über die Ventilatoren in umgekehrter Blasrichtung in der Nacht ist also unbedingt nötig. Erste Aufgabe in der Rogmans-Anlage wird nun die Optimierung dieser Lade-/Entladevorgänge sein.

Otto Domke

Fachberater für Technik im Gartenbau

der Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen

Literatur:

ISBN 3-926203-10-2

Gartenbauliche Informationen 1992,

Institut für Technik in Gartenbau und Landwirtschaft Universität Hannover, Heft 36

Henning Bredenbeck, Untersuchung angepasster Systeme für die solare Gewächshausbeheizung, 1992

HORTEX:

www.bgt.uni-hannover.de

http://www.bgt.uni-hannover.de/hortex.html