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Verfahren und Einrichtung zur Regelung des Klimas in einer Pflanzenwuchskammer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung des Klimas
in einer Pflanzenwuchskamme@, einem sogenannten Phytotron, mit Umluftsystem entsprechend
gewünschten Kammertemperatur- und Kammerfeuchtigkeitswerten.
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Pflanzenwuchskammern, die in Fachkreisen Phytotrone genannt werden
und die in den letzten Jahren eine immer größere Bedeutung auf dem Gebiet der Ernährungswissenschaften
erlangt haben, sind mit Simulationseinrichtungen
versehen, welche
in den Pflanzenkammern bestimmte klimatische Verhältnisse einzustellen erlauben.
Da die Klimaverhältnisse in den Kammern durch das Wachstum und eine unterschiedlich
starke Transpiration der eingebrachten ;Pfianzen, durch das Gießen oder das Bestrahlen
der Pflanzen oder allein durch ein Öffnen der Türen dieser Kammern laufend gestört
werden können, sind wirkungsvolle Regeleinrichtungen erforderlich, welche ein möglichst
resches Wiedereinstellen der gewünschten Klimaverhältnis se bei auftretenden 3törungen
erlauben sollten. Mit den bisher bekannten Klimaeinrichtungen lassen sich Klimastörungen
aber nur begrenzt oder stark verzögert und außerdem nur mit großem Aufwand oder
ungenügend genau beseitigen.
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Es sind Klimaeinrichtungen für Pflanzenwuchskammern bekssnt, bei denen
zinn Befeuchten der Luft die Luft aus der Kammer abgesaugt und durch ein Wasserbad
hindurchgetrieben wird. Dieses Verfahren zum Luftbefeuchten hat den Nachteil, daß
nur eine relativ geringe Luftmenge pro Zeiteinheit durch das Wasserbad bei einem
großen Durchflußwiderstand und entsprechend hohem Energieaufwand hindurchgetrieben
werden kann, Das Entfeuchten der Luft wird bei bekannten Anlagen dadurch bewirkt,
daß die gesamte Kammer umluft entweder durch eine chemische Trocknungssubstanz hindurchgepreßt
oder über eine Taupunktkühleinrichtung auskondensiert oder geleitet wird, wo überschüssige
Feuchtigkeit/ausgefroren wird. Anschließend muß dann die gesamte Luft wieder auf
die gewünschte Kammertemperatur angewärmt werden, Auch hierbei iet ein hoher Energieaufwand
bei einer relativ geringen Hengenleistung erforderlich. Allgemein kann gesagt
werden,
daß bei Pflanzenwuchskammern für Anwendungsfälle, bei denen hohe Feuchtigkeitsschwankungen
auftreten können, eine Klim@einstellung init Hilfe eines Taupunk-Kühlersysteies
und auch mittelt Systemen au Zweikreisbädern wirtschaftlich nicht mehr geeignet
ist Ein weiterer Nachteil bekannter Klimaeinrichtungen für Pflanzenwuchskammern
liegt darin begründet, daß bei diesen Einrichtungen die Regelung oder Steuerung
allein durch Messen des Nutzraumtaupunktes oder der Temperatur von mittelbaren Steuerelementen
wie Taupunktbad und Taupunktkühler vorgenommen wird. Hierbei läßt sich ein geschlossener
Beucbteregelkreis nur mit Folgeregelvorrichtungen, also einem erheblichen Aufwand
erzielen, weil die Messung des Taupunkts in der Pflanzenwuchskammer nicht allein
sur Steuerung der Temperatur von Entfeuchtungsorganen herangezogen werden kann.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend
genannten Nachteile bekannter Klimaeinrichtungen eine feinfühlige und rasche Klimaregelung
bei wirtschaftlichem Energieaufwand für Pflanzenwuchskammern zu schaffen, die auch
bei starken Feuchtigkeitsschwankungen voll wirksam ist.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Regelung durch eine Beeinflussung des Feuchtigkeitsgehaltes allein von einer Umluftteilmenge
in Abhängigkeit von der Größe einer in der Kammer ermittelten Sollwertabweichung
des Luftfeuchtigkeitsgehaltes erfolgt. Zusätzlich, Jedoch nicht zwingend, kann die
Klimaregelung durch eine Beeinflussung der Temperatur dieser Umluftteilmenge
in
Abhängigkeit von der Größe einer Sollwertabweichung der Kammertemperatur erfolgen.
Die notwendige Temperaturragelung der behandelton Umluftteilmenge kann aber erfindungsgemäß
auch dadurch erzielt werden, daß der Umluftteilstrom nach seiner Feuchtigkeitsänderung
zusammen mit der übrigen Umluft vor Eintritt in die Pflanzenwuchskammer über einen
in Abhängigkeit von einer gewünschten Kammertamperatur beheizten Wärmetauscher geleitet
wird.
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Zur Feuchtigkeitsregelung wird der Umluftteilstrom erfindungsgemäß
zwischen Rieselwasser hindurchgeleitet, beispieloweise über einen gleicäßig mit
Wasser berieseiten Verdampferblock geleitet, wobei die Temperatur des Rieselwassers
und die Temperatur des Verdampferblocks in Abhängigkeit von Größe und Richtung einer
in der Prüfkammer suftretenden Sollwertabweichung des Luftfeuchtigkeitsgehaltes
geregelt werden.
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Der Umluftteilstrom kann allein oder zusammen mit einem Frischluftanteil
gewünschtenfalls mehrmals über den wasserberieselten Verdampferblock geleitet werden,
um die gewünschte Feuchtigkeitsänderung zu erzielen.
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Der Umluftteilstrom bildet also einen Niederdruckkreislauf, in welchem
die Luft mittels eines einfachen Ventilators ohne großen Energieaufwand bewegt wird.
Der Teil luftstrom wird nicht wie bei bisher bekannten Anlagen auf den in der Pflanzenwuchskammor
gewünschten Taupunkt geregelt, sondern auf einen Taupunkt, der erforderlich
ist,
um die aufgetretene Taupunktstörung zu beseitigen und das Feuchte-Gleichgewicht
wieder herzustellen. Die Taupunkttemperatur des Umluftteilstromes entspricht also
der der Sollfeuchte entsprechenden Taupunkttemperatur in der Wuchskammer nur, wenn
im Nutzraum keine Feuchtigkeitsänderung stattfindet, also keine Feuchtigkeit durch
Transpiration abgegeben oder keine Feuchtigkeit absorbiert wird0 Nit dem Verfahren
gemäß der Erfindung können wesentlich größere Entfeuchtungsleistungen bei gleicher
zulässigel Sollwert/Istwert-Abweichung .zielt werden, als dies iit den vorstehand
erwähnten b@kannten Einrichungen der Fall ist.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
kann als gesonderte und sämtliche wesentlichen Klimaregeleinrichtungen enthaltende
Baueinheit ausgebildet sein, wie aus der beiliegenden Zeichnung ersichtlich ist.
Weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der dargestellten Einrichtung in Verbindung mit dieser Zeichnung.
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Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung
einer Pflanzenwtichskammer mit zugeordneter Klimaregeleinrichtung; Fig. 2 eine schematische
Darstellung einer als geschlossene Baueinheit ausgebildeten Klimaregeleinrichtung
gemäß der Erfindung.
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Figur 1 zeigt nur die wesentlichen Teile eines Phytotrons.
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Andere wichtige Teile, wie ein Kühlaggregat, das zusammen mit den
dargestellten Teilen vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist,
sind als nicht erfindungs@ wesentlich der besseren Übersichtluichkeit wegen nicht
dargestellt worden, Mit der Bezugsziffer 10 ist die eigentliche Pflanzenwuchskammer
und mit der Bezugsziffer 22 eine als gesondertes Bauteil ausgebildete Klimaeinrichtung
bezeichnet. Die Pflanzenwuchskammer 10 weist einen zentralen Pflanzenaufnahmeraum
11 auf, dessen Seitenwände aus gelochten Blechen bestehen, die eine durch Pfeile
angedeutete laminare Luftströmung durch den Aufnahmeraum 11 gewährleisten. Hinter
den Lochblechen 12 und 13 befinden sich Luftleitkammern 14 und 15, die mit einer
unterhalb des geschlossenen Bodens 16 des Pflanzenaufnahmeraumes ii befindlichen
Luftführungskammer 17 in Verbindung stehen.
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Mittele eixles in der unteren Luftführungskammer 17 ange ordneten
Ventilators 18 wird das Umlaufaystem des Phytotrons betrieben, der die Luft aus
der Pflanzenwuchskammer 11 durch das Lochblech 13 hindurch in die Luftleitkammer
15 absaugt und durch die untere Luftführungskammer 17 an einem Wärmetauscher 19
vorbei in die andere seitliche Luftleitkammer 14 und durch das Lochblech 12 hindurch
wieder in den Pflanzenaufnahmeraum 11 drückt.
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Die Decke des Pflanzenaufnahmeraumes 11 wird von mehreren Glasscheiben
20 ge@ildet, hinter welchen im Deckenteil des Phytotrons Beleuchtungskörper 21,
beispielsweise Xenonlampen, zum Bestrahlen der Pflanzen angeordnet sind.
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Die Klimaverhältnisse im Pflanzenaufnahmeraum 11 werden durch die
Klimaeinrichtung 22 eingestellt oder verändert, deren Aufbau nachfolgend in Verbindung
mit Figur 2 näher erläutert wird. Ihr wird ein auf der Saugseite det Ventilators
18 aus der unteren Luftführungskammer 17 oder aus der seitlichen Luftleitkammer
15 entnommener Umluftteilstrom über eine fZuleitung 23 zugeführt. Dieser Umluftteilstrom
wird nach seiner Behandlung in der Klimaeinrichtung 22 über eine Ableitung 24 ebenfalls
auf der Saugseite des Ventilators 18 in die Luftführungskammer 17 zurückgeleitot,
so daß er zusammen mit dem übrigen Umluftstrom vom Ventilator weitergeleitet und
am Wärmetauscher 19 vorbei über die Luftleitkammer 14 in den Pflanzenwuchsraum 11
zurückgeleitet wird. Die Klimaeinrichtung 22 kann aber auch über ein ?ilter 25 über
eine mittels eines Ventiles 26 verschließbare Ansaugleitung 27 Frischluft aufnehmen
und dem Umluftteilstrom beifügen.
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Der Wärmetauscher 19 erlaubt eine Änderung der Temperatur des gesamten
Umluftstromes und ist sowohl mit nicht näher dargestellten elektrischen Heizkörpern
als auch mit einem Kühlblook versehen, der über Flüssigkeitsleitungen 28 mit einem
nicht dargestellten Kälteaggregat verbunden ist.
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Auch die Klimaeinrichtung 22 ist über Leitungen 29 mit dem gleichen
oder einem anderen Kälteaggregat verbunden0 Figur 2 zeigt in schematischer Weise
den Einzelaufbau der Klimaeinrichtung 22. Sie enthält in einem gemeinsamen geachlossenen
Gehäuse einen aus Aluminiumlamellen-besetzten Kupferrohr gebildeten Verdampfer 30,
der über die Leitungen
29 mit einer nicht dargestellten Kältemaschine
verbunden ist, die duroh ein Magnetventil 31 gesteuert ist, ein Expansionsventil
32 aufweist und bei Bedarf ein Eältemittel durch das Kupferrohr des Verdampferblocks
leitet.
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Oberhalb und in einigem Abstand vom Verdampferblock ist ein Wasserrieselbehälter
33 angeordnet, dessen Unterseite mit Löchern versehen ist, aus denen Wasser auf
den Verdampferblock herniederrieselt, über die Aluminiumlamellen dieses Blocks nach
unten abläuft und schließlich in ein Wasserbad 34 im unteren Teil des Gehäuses abtropft.
Dabei ist darauf geachtet, daß keine Verstäubung des Wassers zustande kommt, um
eine Aerosolbildung im Umluftteilstrom zu vermeiden. Aus dem Wasserbad 34 wird das
Wasser durch einen Filterkorb 33 hindurch mittels einer Tauchpumpe 56 über eine
Rohrleitung 37 laufend in den oberen Rieselbehälter 33 gefördert.
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Zwischen dem Verdampferblock 30 und dem Wasserrieselbehälter 33 befindet
sich eine seitliche Anschlußöffnung 38, in welcher die Luftzuleitung 23 mündet.
Über diese Zuleitung 23 wird gemäß Figur 1 der Umlu@@teilstrom in die Klimaeinrichtung
22 geleitet, gelangrt dort - durch innerhalb der Anschlußöffnung 38 angeordnete
Luftleitbleche 39 gleichmäßig verteilt - in den wasserberieselten Bereich der Klimaeinrichtung
22 und wird mittels einea eingebaut ten Zentrifugalventilators 40 über den Verdampferblock
30 hinweg bis über die Oberfläche des Wasserbades 34 geleitet. Dann wird der Umluftteilstrom
vom Ventilator 40 angesaugt und radial nach außen in eine Ableitkammer 41
gedrückt,
in welcher die Auslaßöffnung 42 der Klimaeinrichtung 22 angeordnet ist, die mit
der Luftableitung 24 verbunden ist. Die Luftableitkammer 41 weist eine weitere und
mittels einer von einem Elektromagneten 43 betätigba ren Klappe 44 verschließbare
öffnung auf, durch welche hindurch der Umluftteilstrom oder ein Teil diesee Stromes
zum erneuten Umlauf durch die Klimaeinrichtung 22 in den Bereich zwischen den Rieselbehälter
33 und den Verdampferblock 50 zurückgeleitet werden kanne Im Wasserbad 34 ist ein
elektrischer Heizkörper 45 angeordnet, mit welchem die Temperatur des Rieselwassers
beeinflußt werden kann. Der Durchlaßquerschnitt der Umluftteilstrom-Zuleitung 23
und -ableitung 24 läßt sich mittels Absperrklappen 46 und 47 regulieren, die mittels
eines ge meinsamen Verstellmotore 48 betätigt werden können.
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Im Innern des Pflanzenwuchsraumes 11 des Phytotrons sind in nicht
dargestellter Weise auch an sich bekannte Meßfühler zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit
und der Lufttemperatur und/oder Taupunktmeßeinriohtungen angeordnet, beispielsweise
ein Taupunktfühler oder ein Psychrometer.
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Diese Meßeinrichtungen sind mit einer ebenfalls nicht dargestellten
elektrischen Regelschaltung verbunden, die @ine Vergleichsstufe aufweist, in welcher
die voia den Meßfühlern gelieferten Istwerte mit gewünschten und einges tollten
Sollwerten verglichen werden. Die ganze Regel schaltung kann aus an sich bekannten
elektronischen Schaltteilen aufgebaut sein, so daß auf die Darstellung ihres Aufbaus,
auf den kein Schutz beansprucht wird, in
der Zeichnung das verzichtet
worden ist Bei Abwaichun gen der Istwerte von den Sollwerten wird ein Fehlersignal
erzeugt, das von der Größe und der Richtung der festgestellten Sollwertabweichungen
abhängig ist und in dessen Abhängigkeit wiederum das Magnetventil 31 in der Kältemittelleitung
29, der Heizkörper 45 im Wasserbad der Klimaeinrichtung 22, der Wärmetauscher 19
in der lauftführunge kammer 1? des Phytotrons und gewUnschtenfalls auch noch dae
Magnetventil 26 in der Frischluftzuleitug 27, der Nagnet 45 und der Verstellmotor'
48 für die Absperrklappen 46 und 47 betätigt werden, Die Luft des Umluftteilstromes,
die in die Klimaeinrichtung 22 eintritt, kommt im Bereich des Verdampferblockes
30 und oberhalb und unterhalb dieses Verdampferblocks in intensive Berührung mit
dem temperierten Rieselwasser, so daß sie sich bei der in Abhängigkeit von einer
festgestellten Sollwertabweichung eingestellten Wassertemperatur mit Feuchtigkeit
sättigen kann. Entsprechend einer durch die Regeleinrichtung verlangten Entfeuchtungsleistung,
beispielsweise, kann der Stellmotor 48 die Durchflußmenge durch die Klimaeinrichtung
22 regeln. Die Regeleinrichtung kann auch den Elektromagnet 43 beeinflussen und
dadurch einen mehrmaligen Umlauf mindestens eines Teiles des Umluftteilstromes durch
den Feuchtigkeitsbereich der Einrichtung bewirken. Die in der Klimaeinrichtung 22
aufbereitete Umluftteilmenge wird über die Rückleitung 24 auf der Saugseite des
Ventilators 18 der Pflanzenwuchskammer 10 dem übrigen Umluftstrom beigemischt. Der
von der Klimaeinrichtung 22 in den Pflanzenwuchsraum 11 abgegebene
Umluftteilstrom
hat also den Taupunkt, der benötigt wird, um die im Pflanzenwuchsraum aufgetretene
Störung des Feuchtegleichgewichts wieder auszugleichen. Eine durch den Hißchtorgang
eventuell entstehende Solltemperaturabweichung der Umluft wird sofort durch den
nachgeschalteten und in Abhängigkeit von der Regeleinriohtung betätigten Wärmetausoher
19 ausgeglichen. Auf diese Weise steht im Pflanzenwuchsraum 11 Jederzeit Umluft
mit einer Temperatur und einem Feuchtigkeitsgehalt zur Verfügung, die den vorgewählten
Sollwerten entsprechen.
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ür die Regelung der Luftfeuchtigkeit ii Pflanzenwuchsraum 11 läßt
sich ein geschlossener Regelkreis ausbilden. Die Fühler zum Messen der Temperatur
und der Feuchtigkeit sind im Umlaufstrom innerhalb des Pflanzenwuchsraumes 11 so
installiert, daß sie Jede Veränderung des Luftzustandes sofort erfassen können.
Je nach der Richtung der in der Vergleichestufe der Regeleinrichtung festgestellten
Abweichung des euchtigkeitsgehaltes wird entweder der Heizkörper 45 im Wasserbad
der Klimaeinrichtung 22 eingeschaltet oder aber der eine Abkühlung des Rieselwassers
bewirkende Verdampferblock 30 mit Kühlmittel versorgt. Die in Umlauf versetzte Rieselwassermenge
ist relativ klein, so daß sioh die erforderlichen Temperaturänderungen des Wassers
sehr rasch durchführen lassen. Das Erwärmen oder das Kühlen des Rieselwassers wird
so lange fortgesetzt, wie die Regeleinrichtung an ihrer Vergleichs' stufe eine Sollwertabweichung
des Feuchtigkeitsgehaltes der Umluft in dem Pflanzenwuchsraum 11 feststellt. Die
Regeleinrichtung kann so aufgebaut sein, daß die in der Klimaeinrichtung 22 bewirkte
Zustandsänderung
des Umluftteilstromes hinsichtlich seines Feuchtigkeitsgehalts
direkt proportional der zur Aufrechterhaltung eines gewählten Sollwertes notwendigen
Entfeuchtungs- oder Befeuchtungsleistung ist. Diese Proportionali.
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tät kann bis zu Taupunktwerten von + 3° - 5° C eingestellt werden,
Durch einen nicht dargestellten zusätzli chen Steuerthermostaten wird dabei verhindert,
daß bein Abkühlen die Wassertemperatur unter 0° absinkt, damit das Rieselwasser
nicht einfriert. Außerdem kann durch Steuerthermostate auch eine Wassertemperaturbegrenzung
nach oben erreicht werden, so daß die Wassertemperatur nicht die maximale zulässige
Kammertemperatur übersteigen kann.
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Durch die Konditionierung der den Pflanzenwuchsraum 11 durchfließenden
Umluft gemäß der Erfindung in einem Tell luftktreis mit Energieausgleich können
sehr große Entfeuchtungs- und Befeuchtungsleistungen erzielt werden, so daß beispielsweise
durch Transpiration der eingebrachten Pflanzen abgegebene Feuchtigkeit in der Wuchskammer
rasch und sicher kompensiert werden kann.
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Durch geeigneten Zuaatz von für die Pflanzen des Nutsraumes II nicht
toxischen und nichtkorrosiven Materialien zum Rieseiwasser des Aufbereitungsbehälters
22 kann der Gefrierpunkt desselben soweit vermindert werden, daß die dem System
spezifisch eigene hohe Be- und Entfeuchtungsleistung auch bei negativen Taupunkten
zur Verfügung steht, so daß praktisch alle KItmakonditionen, denen Pflanz @@ und
Materialien in ihrer natürlichen Umwelt ausgesetzt sind, mit einundderselben Einrichtung
ohne Systemwechsel künstlich erzeugt werden können.