DD243422A1 - APPARATUS FOR COORDINATED CARBON DIOXIDE DELIVERY AND CARBON DIOXIDE VENTILATION OF GEWAECHHAUSLUFT - Google Patents

APPARATUS FOR COORDINATED CARBON DIOXIDE DELIVERY AND CARBON DIOXIDE VENTILATION OF GEWAECHHAUSLUFT Download PDF

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Alfred Henatsch
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Adolf Gleu
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    • Y02A40/25—Greenhouse technology, e.g. cooling systems therefor

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur material- und energieoekonomischen Koordinierung der kuenstlichen CO2-Duengung und der natuerlichen CO2-Lueftung von Gewaechshausluft, insbesondere in Gewaechshaeusern mit erdelosen Pflanzenkulturen. Ziel der Erfindung ist es, den tatsaechlichen biochemischen CO2-Bedarf der Gewaechshauspflanzen nicht indirekt ueber eine Messung der CO2-Konzentrationsabnahme der Gewaechshausluft zu bestimmen, sondern direkt nach der normativen Pflanzengroesse fuer die aktuelle Beleuchtungsstaerke und Temperatur computergestuetzt zu berechnen. Der CO2-Bedarf wird vorzugsweise durch die natuerliche CO2-Lueftung mit offenen Gewaechshausklappen gedeckt. Bei geschlossenen Gewaechshausklappen erzeugt ein CO2-Generator aus Erdgas oder Biogas den CO2-Bedarf. Die dabei anfallende Verbrennungswaerme dient der Gewaechshausheizung. Die Bestimmung des Zeitpunktes fuer das Oeffnen und Schliessen der Gewaechshausklappen erfolgt computergestuetzt. FigurThe invention relates to a device for material and energieoekonomischen coordination of the artificial CO2 dewatering and the natural CO2-Lueftung greenhouse air, especially in greenhouses with ungodly crops. The aim of the invention is not to determine the actual biochemical CO2 demand of the greenhouse plants indirectly via a measurement of the CO2 concentration decrease of the greenhouse air, but to calculate computer-assisted directly after the normative plant size for the current illumination intensity and temperature. The CO2 requirement is preferably covered by the natural CO2 ventilation with open greenhouse flaps. With closed greenhouse flaps, a CO2 generator made from natural gas or biogas generates the demand for CO2. The resulting heat of combustion serves the Gewächshshausheizung. The determination of the time for the opening and closing of the greenhouse flaps is computer-aided. figure

Description

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die vorstehend genannten Mangel abzustellen und die künstliche CO2-Düngung der Gewächshausluft direkt nach dem tatsächlichen biochemischen CCyVerbrauch der Gewächshauspflanzen zu dosieren, dabei zugleich die künstliche COyDüngung mit Anfall-CC^ aus Verbrennungsgasen zu gewährleisten und ihre Koordinierung mit der natürlichen CO2-Lüftung durch Klappenöffnen am Gewächshaus unter energetischen Gesichtspunkten zu realisieren.The aim of the invention is to eliminate the above-mentioned deficiency and to dose the artificial CO 2 fertilization of the greenhouse air directly after the actual biochemical CCyVerbrauch greenhouse plants, while also ensuring the artificial COyDüngung with accumulation CC ^ from combustion gases and their coordination with the natural CO2 ventilation by opening the greenhouse at the door to realize energetic aspects.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst, wird, besteht darin, den momentanen biochemischen COyBedarf der im Gewächshaus wachsenden Pflanzenmasse nicht wie bei den bekannten teuren und tragen Verfahren indirekt über die CGy Konzentrationsabnahme der Gewächshausluft zu bestimmen, sondern den licht-, temperatur- und pflanzenalterabhängigen momentanen biochemischen CO2-Bedarf direkt nach der normativen Pflanzengröße und der meßbaren Beleuchtungsstärke und Temperatur computergestützt zu bestimmen und ihn mit billigem Anfall-CO2 aus Verbrennungsgasen zu decken, wobei die Verbrennungswärme den Zeitpunkt des Öffnens der Gewächshausklappen mitbeeinflußt.The technical problem, which is solved by the invention, is not to determine the current biochemical COy need of the growing plant mass in the greenhouse, as in the known expensive and carry methods indirectly on the CGy concentration decrease of the greenhouse air, but the light, temperature and plant age-dependent instantaneous biochemical CO 2 demand directly after the normative plant size and measurable illuminance and temperature computer-aided to determine and cover it with cheap biogas from combustion gases, the heat of combustion affects the time of opening the greenhouse flaps.

Einem Merkmal der Erfindung zufolge wird aus mindestens 3 zeitlich aufeinanderfolgenden Beleuchtungsstärkemessungen die Strahlungskurve dieses Zeitabschnittes bestimmt, und mit der im gleichen Zeitabschnitt gemessenen mittleren Gewächshauslufttemperatur sowie der normativen Pflanzengröße, aus der die mögliche licht- und temperaturbezogene Wachstumsrate und damit der biochemische CCyBedarf ableitbar ist, wird der für diesen Zeitabschnitt benötigte CO2-Bedarf computerberechnet.According to a feature of the invention, the radiation curve of this period is determined from at least three temporally successive illuminance measurements, and with the measured during the same period average greenhouse air temperature and the normative plant size from which the possible light and temperature-related growth rate and thus the biochemical CCyBedarf is derived the CO 2 requirement required for this period is calculated by computer.

Die Einspeisung dieses computerberechneten CCyBedarfes in die Gewächshausluft erfolgt nach einem zweiten Merkmal der Erfindung durch Verbrennung eines zeitlich begrenzten Brenngasstromes, vorzugsweise eines Biogasstromes, im Gewächshaus und mit der Gewächshausluft als Verbrennungsluft. Die zeitliche Begrenzung des Brenngasstromes erfolgt computergesteuert proportional des in den Zeitabschnitten benötigten CO2-Bedarfes. In einem speziellen Gewächshaus-CCyGenerator werden diese Brenngasströmungsimpulse intermittierend verbrannt und ergeben damit die dem computerberechneten Bedarf entsprechenden CCyDüngungsraten.The feeding of this computer calculated CCyBedarfes in the greenhouse air is carried out according to a second feature of the invention by combustion of a temporary fuel gas stream, preferably a biogas stream in the greenhouse and with the greenhouse air as combustion air. The time limit of the fuel gas flow is computer-controlled proportional to the CO 2 requirement required in the time periods. In a special greenhouse CCyGenerator, these fuel gas flow pulses are intermittently burned and thus yield the CCy fertilization rates corresponding to the computer calculated demand.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Bestimmung des Zeitpunktes für das Öffnen der Gewächshausklappen in Abhängigkeit der bei der Verbrennung der Brenngasströmungsimpulse frei werdenden Verbrennungswärme, womit die optimale Ausnutzung des natürlichen CCyLüftungseffektes unter Berücksichtigung der damit verbundenen Lüftungwärmeverluste realisiert wird.Another feature of the invention is the determination of the timing for the opening of the greenhouse flaps depending on the combustion heat released during the combustion of the fuel gas flow pulses, whereby the optimal utilization of the natural CCyLüftungsffektes is realized taking into account the associated ventilation heat losses.

Ausführungsbeispielembodiment

Der Gegenstand der Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Figur zeigt ein Schema. In einem Gewächshaus 1 befinden sich erdelose Pflanzenkulturen 2 mit normativ nach dem Pflanztermin bekannten licht- und temperaturbezogenen Wachstumsraten, aus denen der biochemische CO2-Bedarf der erdelosen Pflanzenkulturen 2 vom einem Computer 3 berechnet wird. Im Gewächshaus 1 ist weiter ein Globalstrahlungmesser 4 und ein Innentemperaturfühler 5 angeordnet. Ein Außentemperaturfühler 6 befindet sich außerhalb des Gewächshauses 1 in der Außenatmosphäre. Nach der im Computer 3 gespeicherten und ständig aktualisierten normativen Pflanzengröße sowie den Meßwerten des Globalstrahlungsmessers 4 und des Innentemperaturfühlers 5 berechnet der Computer 3 ständig für kleine Zeitabschnitte den tatsächlichen momentanen biochemischen COyBedarf der erdelosen Pflanzenkulturen 2 und gibt diesen CO2-Bedarf als digitale Steuerimpulse an ein Magnetventil 7. Das Magnetventil 7 sperrt und öffnet im Takt der Steuerimpulse die Gasleitung 8 vom Biogasbehälter 9 zum CO2-Generator 10. Der Biogasbehälter 9 hat die Funktion eines indirekten CO2-Speichers, bzw. er könnte auch eine Biogasanalage sein, deren Biomassevorrat der indirekten CCySpeicherung dient. Dem CCVGenerator 10 wird eine dem tatsächlichen biochemischen CO2-Bedarf in dem Zeitabschnitt proportionale Biogasmenge als Strömungsimpuls zugeleitet, und der COyGenerator 10 erzeugt durch intermittierende Verbrennung aus diesem Biogas die von den erdelosen Pflanzenkulturen 2 in dem Zeitabschnitt benötigte COyMenge.The object of the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The figure shows a scheme. In a greenhouse 1 are undegraded crops 2 with normatively after the planting known light and temperature-related growth rates, from which the biochemical CO 2 requirement of the soilless crops 2 from a computer 3 is calculated. In the greenhouse 1, a global radiation meter 4 and an internal temperature sensor 5 is further arranged. An outside temperature sensor 6 is located outside the greenhouse 1 in the outside atmosphere. After the stored in the computer 3 and constantly updated normative plant size and the measurements of the global radiation meter 4 and the indoor temperature sensor 5 calculates the computer 3 constantly for small periods of time, the actual instantaneous biochemical COyBedarf the ungodly crops 2 and outputs this CO 2 needs as a digital control pulses to Solenoid valve 7. The solenoid valve 7 locks and opens in time with the control pulses the gas line 8 from the biogas tank 9 to the CO 2 generator 10. The biogas tank 9 has the function of an indirect CO 2 storage, or it could also be a Biogasanalage whose biomass supply indirect CCy storage is used. The CCV generator 10 is supplied with a biogas quantity proportional to the actual biochemical CO 2 requirement in the time segment as a flow pulse, and the CO y generator 10 generates the quantity of CO 2 required by the ungodly plant crops 2 in the time interval by intermittent combustion from this biogas.

Die im CO2-Generator 10 bei dieser CO2-Erzeugung entstehende Verbrennungswärme wird zur Heizung des Gewächshauses 1 genutzt. Diese Verbrennungswärme ist proportional der benötigten CO2-Menge, und sie ist damit auch vom Computer 3 für den folgenden Zeitabschnitt vorausberechenbar. Auf der Grundlage der Vorausberechnung dieser Verbrennungswärme und unter Berücksichtigung des Meßwertes des Außentemperaturfühlers 6 wird vom Computer 3 der Zeitpunkt der Beendigung der künstlichen CO2-Düngung so bestimmt, daß im Gewächshaus 1 kein Wärmedefizit entsteht, auch wenn zeitgleich mit dem Ende der künstlichen CO2-Düngung das Gewächshausklappenpaar 11 geöffnet wird.The combustion heat generated in the CO 2 generator 10 during this CO 2 production is used to heat the greenhouse 1. This heat of combustion is proportional to the amount of CO 2 required, and it is thus predictable by the computer 3 for the following period of time. On the basis of the precalculation of this heat of combustion and taking into account the measured value of the outside temperature sensor 6 of the computer 3, the time of completion of the artificial CO 2 fertilization is determined so that no heat deficit arises in the greenhouse 1, even if coinciding with the end of the artificial CO 2 Fertilization the greenhouse flap pair 11 is opened.

Das Schließen des Gewächshausklappenpaares 11 steuert der Innentemperaturfühler 5, damit beginnt zugleich ein neuer Zyklus der künstlichen CO2-Düngung.The closing of the greenhouse flap pair 11 is controlled by the internal temperature sensor 5, so that at the same time begins a new cycle of artificial CO 2 fertilization.

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Vorrichtung zur koordinierten Kohlendioxyddüngung und Kohlendioxyd-Lüftung von Gewächshausluft mit einem CO2-Generator, einem Gewächshausklappenpaar und einem Computer in einem Gewächshaus für erdelose Pflanzenkulturen, sowie einem Globalstrahlungsmesser und einem Temperaturfühler innerhalb des Gewächshauses und Meßauswertung der Globalstrahlung und der Temperatur über kleine Zeitabschnitte, dadurch gekennzeichnet, daß die für die kleinen Zeitabschnitte erforderlichen biochemischen CO2-Dün.gungsraten von dem Computer (3) direkt aus der normativen Pflanzengröße in Verbindung mit den Meßwerten des Globalstrahlungsmessers (4) und des Innentemperaturfühlers (5) berechnet und von dem C02-Generator (10) erzeugt werden durch intermittierende Verbrennung von Brenngasströmungsimpulsen, die entsprechend der CO2-Düngungsratenberechnung des Computers (3) von einem Magnetventil (7) in der Gasleitung (8) dosiert werden, während die bei der Verbrennung entstehende Wärme zur Heizung des Gewächshauses (1) genutzt und vom Computer (3) für den folgenden Zeitabschnitt zur Bestimmung des optimalen Zeitpunktes für das Öffnen des Gewächshausklappenpaares (11) vorausberechnet wird.Apparatus for coordinated carbon dioxide fertilization and carbon dioxide ventilation of greenhouse air with a CO 2 generator, a greenhouse flaps pair and a computer in a greenhouse for ungodane crops, and a global radiation meter and a temperature sensor within the greenhouse and measurement of the global radiation and the temperature over small periods of time, characterized characterized in that the biochemical CO 2 dilution rates required for the small time periods are calculated directly by the computer (3) from the normative plant size in conjunction with the measurements of the global radiation meter (4) and the internal temperature sensor (5) and from the C0 2 Generators (10) are generated by intermittent combustion of fuel gas flow pulses, which are metered according to the CO 2 -Dnungsungsrate calculation of the computer (3) by a solenoid valve (7) in the gas line (8), while the resulting heat during combustion z used for heating the greenhouse (1) and the computer (3) for the following period of time to determine the optimum time for the opening of the greenhouse flap pair (11) is calculated in advance. Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur material- und energieökonomischen Koordinierung der künstlichen CO2-Düngung und der natürlichen CO2-Lüftung von Gewächshausluft, insbesondere solcher von Gewächshäusern für erdelose Pflanzenkulturen.The invention relates to a device for material and energy-economic coordination of artificial CO 2 fertilization and natural CO 2 ventilation of greenhouse air, especially those of greenhouses for soilless crops. Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions Ein Absinken der C02-Konzentration der Gewächshausluft unter das Niveau der Außenatmosphäre von 320 Vol.-ppm verursacht erhebliche Wachstumsverluste bei den Kulturpflanzen im Gewächshaus, und bei einer COrKonzentration von 140 Vol.-ppm ist trotz ausreichend Licht, Wärme, Wasser und Nährstoffen kein Pflanzenwachstum mehr möglich. Aus heiztechnischen Gründen werden sehr dichte Gewächshäuser angestrebt, bei denen der Luftwechsel und damit auch der CO2-Gasaustausch mit der Außenatmosphäre gering ist. Deshalb sinkt unvermeidlich in der Gewächshausluft die CO2-Konzentration infolge des hohen CO2-Verbrauches der Fotosynthese. Ein Öffnen der Gewächshausklappen ermöglicht die natürliche CO2-Anreicherung der Gewächshausluft bis zum Niveau der Außenatmosphäre und ist für das Wachstum der Pflanzen notwendig, es verursacht aber bei niedrigen Außentemperaturen erhebliche Heizwärmeverluste.A decrease in the C0 2 concentration of the greenhouse air below the level of the outside atmosphere of 320 ppm by volume causes considerable growth losses in the crops in the greenhouse, and at a COrKonzentration of 140 ppm by volume is not despite sufficient light, heat, water and nutrients Plant growth more possible. For heating reasons very dense greenhouses are sought, in which the air exchange and thus the CO 2 gas exchange with the outside atmosphere is low. Therefore, the CO 2 concentration inevitably decreases in the greenhouse air due to the high CO 2 consumption of the photosynthesis. Opening the greenhouse flaps allows for natural CO 2 enrichment of the greenhouse air to the level of the outside atmosphere and is necessary for the growth of the plants, but it causes significant heat loss at low outdoor temperatures. Eine künstliche COyDüngung der Gewächshausluft bei geschlossenen Gewächshausklappen und in der Zeit des möglichen Pflanzenwachstums, also von Sonnenaufgang bis zum temperaturabhängigen Öffnen des Gewächshausklappen und ab Schließung der Klappen bis Sonnenuntergang, ist deshalb auch bereits vorgeschlagen worden und wird durch verschiedene Verfahren und Vorrichtungen realisiert.An artificial CO fertilizing the greenhouse air in closed greenhouse flaps and in the time of possible plant growth, ie from sunrise to the temperature-dependent opening of the greenhouse flaps and from closure of the flaps to sunset, has therefore already been proposed and is realized by various methods and devices. Die DE-OS 3142357, A01 G 7/02, schlägt vor, das Gießwasserfür die Pflanzen mit CO2 zu imprägnieren, und über Temperatur und Druck des Gießwassers die Freisetzung des CO2-Gases in Pflanzennähe und in Abhängigkeit der C02-Konzentration der Gewächshausluft zu steuern. Für die Bestimmung der C02-Konzentration der Gewächshausluft im ppm-Bereich ist das Meßverfahren der Infrarot-Absorption üblich. Dieses Meßverfahren ist sehr genau, aber apparativ aufwendig und in gewissem Grade träge, da die Meßgasprobe angesaugt, gefiltert, gekühlt und getrocknet werden muß, bevor sie zur Messung gelangt. Ein anderer Vorschlag zur Regelung der CO2-Konzentration der Gewächshausluft wird in der Patentschrift GB 1143403, A01G 9/18, dargelegt. Danach wird technisch erzeugtes reines CO2-GaS aus einem Vorratsbehälter über ein gesteuertes Magnetventil in die Gewächshausluft eingespeist. Die Steuerung des Magnetventils erfolgt in Abhängigkeit der C02-Konzentration, die dem Vorschlag gemäß über die Leitfähigkeitsänderung von Wasser, welches durch das CO2 der Gewächshausluft ionisiert wird, meßbar ist. Dieses Meßverfahren erfordert etwa 2Is des Aufwandes an Meßtechnik gegenüber der Infrarot-Absorptions-Methode, ist aber nicht so genau, wird von der Temperatur beeinflußt und eignet sich nur für technisch reines CO2-GaS. Eine weitere technische Lösung ist in der Patentschrift GB 1199278, A01 G 9/18, beschrieben. Danach wird neben der CO2- : Konzentration der Gewächshausluft zusätzlich auch noch die fotosynthetisch-aktive Sonnenstrahlung und die Temperatur in der Gewächshausluft in Zeitabschnitten gemessen, und es wird für diese Zeitabschnitte mit diesen Meßwerten die CO2-Dosierung computerberechnet. Diese Lösung realisiert zwar eine licht- und temperaturentsprechende künstliche CO2-Düngung mit technischem CO2-GaS, aber die Führungsgröße für die Dosierung ist die CO2-Konzentrationsänderung der Gewächshausluft infolge des CO2-Verbrauches der Fotosynthese. Die Bestimmung dieser C02-Konzentrationsänderung mit den herkömmlichen Meßverfahren behält den Mantel der Trägheit und des hohen meßtechnischen Aufwandes. Die bekannten technischen Lösungen zur künstlichen CO2-Düngung der Gewächshausluft haben den charakteristischen Mangel, daß sie den CO2-Verbrauch der Pflanzen im Gewächshaus nur indirekt über eine teure und träge Messung der CO2-Konzentrationsabnahme der Gewächshausluft messen und auf der Grundlage dieser Messung das von den Pflanzen fotosynthetisch verbrauchte CO2-GaS durch Einspeisung von technischem CO2-GaS in die Gewächshausluft ersetzen. Diese Lösungen sind nicht geeignet für die Verwertung von Anfall-CO2, wie es z. B. bei der Verbrennung von Erdgas oder Biogas entsteht, weil bei ihnen die Beendigung der künstlichen CO2-Düngung in dem Moment erfolgt, wenn die Gewächshausklappen temperaturabhängig geöffnet werden. Ist die künstliche CO2-Düngung zugleich mit einer Wärmeerzeugung verbunden, wie es bei der Erdgasverbrennung im Gewächshaus der Fall ist, so führt die Beendigung der künstlichen CO2-Düngung zu einem Wärmedefizit im Gewächshaus in der Größe dieser Verbrennungswärme. Aus diesen energetischen Gesichtspunkten müßten die Gewächshausklappen zu einem späteren Zeitpunkt geöffnet und die künstliche CO2-Düngung erst dann beendet werden. Die Bestimmung dieses späteren Zeitpunktes ist aber mit den herkömmlichen Mitteln der indirekten und trägen Messung des CO2-Bedarfes der Gewächshauspflanzen über die CO2-Konzentrationsabnahme der Gewächshausluft nicht möglich.DE-OS 3142357, A01 G 7/02, proposes to impregnate the irrigation water for the plants with CO 2 , and the temperature and pressure of the irrigation water, the release of CO 2 gas in the vicinity of the plant and depending on the C0 2 concentration of the Control greenhouse air. For the determination of the C0 2 -concentration of greenhouse air in the ppm range, the measuring method of infrared absorption is common. This measurement method is very accurate, but expensive in terms of apparatus and to some extent sluggish since the sample gas sample must be sucked in, filtered, cooled and dried before it reaches the measurement. Another proposal for controlling the CO 2 concentration of the greenhouse air is set forth in GB 1143403, A01G 9/18. Thereafter, technically produced pure CO 2 gas from a reservoir via a controlled solenoid valve is fed into the greenhouse air. The control of the solenoid valve is carried out as a function of the C0 2 concentration, the proposal according to the conductivity change of water, which is ionized by the CO 2 of the greenhouse air, is measurable. This measurement method requires about 2 Is of the expense of measuring technique compared to the infrared absorption method, but is not so accurate, is influenced by the temperature and is suitable only for technically pure CO 2 -GaS. Another technical solution is described in the patent GB 1199278, A01 G 9/18. Thereafter, in addition to the CO 2 - : Concentration of the greenhouse air in addition also the photosynthetic-active solar radiation and the temperature in the greenhouse air is measured in time intervals, and it is computer calculated for these periods with these measurements, the CO 2 dosage. Although this solution realizes an artificial CO 2 fertilization with technical CO 2 -GaS that corresponds to light and temperature, the reference variable for the dosage is the CO 2 concentration change of the greenhouse air as a result of the CO 2 consumption of the photosynthesis. The determination of this change in C0 2 concentration with the conventional measuring method retains the mantle of inertia and the high technical complexity. The known technical solutions for the artificial CO 2 fertilization of greenhouse air have the characteristic deficiency that they measure the CO 2 consumption of the plants in the greenhouse only indirectly via an expensive and slow measurement of CO 2 concentration decrease of the greenhouse air and on the basis of this measurement replace the photosynthetic plants consumed by the CO 2 gas by feeding technical CO 2 gas into the greenhouse air. These solutions are not suitable for the recovery of seizure CO 2 , as z. B. arises in the combustion of natural gas or biogas, because in them the completion of the artificial CO 2 fertilization takes place in the moment when the greenhouse flaps are opened temperature-dependent. If the artificial CO 2 fertilization is also associated with heat generation, as is the case with the natural gas combustion in the greenhouse, the termination of the artificial CO 2 fertilization leads to a heat deficit in the greenhouse in the size of this heat of combustion. From these energetic points of view, the greenhouse flaps would have to be opened at a later date and the artificial CO 2 fertilizer would then be terminated. The determination of this later date, however, is not possible with the conventional means of indirect and inert measurement of the CO 2 demand of greenhouse plants via the CO 2 concentration decrease of the greenhouse air.
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