DE4420392A1

DE4420392A1 - Verfahren und Einrichtung zur optimalen Raum-, Energie- und Stoffausnutzung für Pflanzen

Info

Publication number: DE4420392A1
Application number: DE4420392A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Broneske
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-05-31
Publication date: 1995-12-07

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Raum-, Energie- und Stoffausnutzung für Pflanzen, welche in Gewächshäusern, Wintergärten, Terrassen, Hof- und Gartenanlagen oder dgl. kultiviert werden, bei dem ein erforderliches Medium für einen Stoff- und Energieaustausch bewegt und das natürliche Sonnenlicht zur Assimilation bzw. zum Wachstum der Pflanzen in einem substratsparenden bzw. substratlosen Kultursystem mit Kulturflächen geringer Dicke und Be- bzw. Entwässerungsvorrichtungen genutzt wird. Die Erfindung ist für die hydroponische Produktion von höheren Pflanzenarten, wie Gemüse-, Zier-, Gewürz- und Heilpflanzen, und für die Kultivation bzw. Fermentation von phototrophen Mikroorganismen und/oder Zellen anwendbar.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß zur optimalen Raum- und Energieausnutzung für Pflanzen eine Vielzahl von Verfahren und Einrichtungen mit unterschiedlichen Formen und Anordnungen verwendet werden. Zum einen gibt es Verfahren und Einrichtungen mit standortfesten Stellagen, Gestellen, etagenförmigen Vorrichtungen mit Pflanzgefäßen, mit denen der klimatisierte Raum zur Kultivation von Pflanzen besser ausgenutzt wird als beim Anbau auf der horizontalen Fläche (DE OS 26 36 917, DE OS 38 03 209, DE OS 26 36 917).

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur besseren Ausnutzung der Grundfläche und des natürlichen Sonnenlichts wird in der Erfindung DE OS 33 44 945 beschrieben. Dabei werden die Pflanzen auf einer schiefen Ebene angebaut. Die Erfindung DT OS 25 25 869 offenbart einen langgestreckten vertikalen Behälter zur Kultivation von Pflanzen. Dabei werden die Pflanzen in den sackähnlichen Hohlkörpern übereinander angeordnet und kultiviert.

Zum anderen sind Verfahren und Einrichtungen zur optimalen Raum- und Energieausnutzung mit speziellen Transportmitteln bekannt, welche die Pflanzen im Gewächshausraum bewegen. In den Erfindungen DE OS 15 07 018 bzw. DE OS 14 82 981 wird ein rotierendes Rad mit Pflanzschalen bzw. Plattformgondeln und in der Erfindung DE OS 14 56 759 ein Turmgewächshaus mit einem Paternoster für die Kultivation von Pflanzen dargestellt.

In der DE OS 26 39 088 wird eine Vorrichtung mit einem Träger, welcher mit einer vertikalen, zentralen Achse verbunden ist, gezeigt. Der Träger besitzt dabei rundum mehrere, in parallelen Ebenen verlaufende Auflagen zur Aufnahme von Behältern. Durch gleichmäßiges Drehen des Trägers werden die Pflanzen in den Behältern bewässert.

Ein Hydrokulturverfahren zur Gewinnung von Grünfutter aus Samenkörnern nach dem Prinzip der "Hängenden Gärten" wird in der Erfindung DT OS 25 51 851 beschrieben. Wobei der Wachstumsprozeß an senkrecht angeordneten Platten oder Bahnen abläuft. Diese Platten oder Bahnen werden mittels Rollen an einer Laufschiene transportiert. Eine Einrichtung zur Flüssigkeitsverteilung geringer Dicke wird in der Erfindung DE OS 40 12 822 dargestellt.

Die Einrichtung besteht aus zwei dünnwandigen Folienschichten, zwischen denen ein Nährlösungsfilm entsteht, mit dem die Pflanzen versorgt werden.

Eine vertikale Anordnung dieser Einrichtung mit Flüssigkeitsspeicher und Gewebeeinlage ist in dem DE GM 94 04 289.6 (Aktenzeichen) beschrieben.

Eine Einrichtung zur Stoffkonditionierung bzw. zur Kultivation von Mikroorganismen mit dünnen Kulturflächen offenbaren die Patentanmeldungen DE (Aktz.) 44 11 485.0 und DE (Aktz.) 44 11 486.9.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optimalen Raum-, Energie- und Stoffausnutzung für Pflanzen, welche in Gewächshäusern, Wintergärten, Terrassen, Hof- und Gartenanlagen oder dgl. kultiviert werden, bei dem ein erforderliches Medium für einen Stoff- und Energieaustausch bewegt und das natürliche Sonnenlicht zur Assimilation bzw. zum Wachstum der Pflanzen in einem substratsparenden bzw. substratlosen Kultursystem mit Kulturflächen geringer Dicke und Be- bzw. Entwässerungsvorrichtungen genutzt wird und weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem auch bei geringem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen eine permanente Lichtversorgung der Pflanzen erfolgt, die Kulturflächentemperatur bzw. die Pflanzentemperatur, der Schattenwurf der Kulturflächen und die Nährstoffaufnahme der Pflanzen gesteuert und geregelt wird und gleichzeitig günstige Voraussetzungen für einen intensiven Stoff- und Energieaustausch zwischen dem Medium und der Umgebung gewährleistet sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels des Verfahrens zur optimalen Raum-, Energie- und Stoffausnutzung für Pflanzen, welche in Gewächshäusern, Wintergärten, Terrassen, Hof- und Gartenanlagen oder dgl. kultiviert werden, bei dem ein erforderliches Medium für einen Stoff- und Energieaustausch bewegt, wobei dieses Medium als Kulturmedium aus Wasser, Nährstoffen sowie gegebenenfalls Mikroorganismen hergestellt wird, und das natürliche Sonnenlicht zur Assimilation bzw. zum Wachstum der Pflanzen in einem substratsparenden bzw. substratlosen Kultursystem mit Kulturflächen geringer Dicke und Be- bzw. Entwässerungsvorrichtungen dabei genutzt wird, wobei als Kulturflächen beiderseitig nutzbare Beetflächen mit einem intensiven Stoff- und Energieaustausch zwischen einem filmartigen Kulturmedienstrom und einem Stoff- und Energieträger, insbesondere Luft, ausgebildet werden und erfindungsgemäß von hoher Bedeutung ist, daß zwischen zwei vertikal angeordneten Beetflächen, insbesondere in einer ultradünnen Wurzelfläche, der Kulturmedienstrom konditioniert wird und die Kulturflächen zur optimalen Ausnutzung der Sonnenenergie und zur Herstellung optimaler Lichtverhältnissen an den Pflanzen mit Hilfe von Sensoren, insbesondere Lichtsensoren, und einer Bewegungsvorrichtung gedreht werden.

Es ist für die Erfindung wesentlich, daß die Schichtdicke des Kulturmedienstromes angepaßt an die Ausbildung des Kulturmediums, den Pflanzenbedarf, den Stoffaustausch und die äußeren Bedingungen, insbesondere Beleuchtungsstärke und Außentemperatur, gesteuert und geregelt wird.

Erfindungsgemäß wird durch die Kulturflächenstellung der Winkel zwischen Sonnenstrahlen und Beetflächen bzw. der Einfallswinkel zwischen Sonnenstrahlen und Blattflächen eingestellt.

Es ist im Sinne der Erfindung, daß die Beetflächentemperatur bzw. die Pflanzentemperatur durch die Kulturflächenstellung zur Sonne gesteuert und geregelt wird.

In einer Weiterführung des Verfahrens wird die Beetflächentemperatur bzw. die Pflanzentemperatur durch den Kulturmedienstrom eingestellt.

Erfindungsgemäß wird die Photosynthese der Pflanzen durch die Kulturflächenstellung zur Sonne bzw. die Beleuchtungsstärke an den Pflanzen, insbesondere an den Blattflächen, in Zusammenwirken mit der Konditionierung von Blattemperatur, Wasser- und Kohlendioxydgehalt der Luft, Lufttemperatur, Durchsatz und Temperatur sowie Sauerstoff- bzw. Kohlendioxydgehalt des Kulturmedienstromes gesteuert und geregelt.

Sinnvollerweise wird der Wasser-, Kohlendioxyd- bzw. Sauerstoffgehalt der Luft in Stoff- und Energiekanälen durch die Kulturflächenstellung zur Sonne gesteuert und geregelt. Wesentlich ist dabei, daß über die Photosynthese bzw. Transpiration der Pflanzen ein intensiver Stoff- und Energieaustausch zwischen der Luft im Stoff- und Energiekanal und den Pflanzen in Abhängigkeit der Kulturflächenstellung zur Sonne und dementsprechend zur Beleuchtungsstärke an der Blattfläche erfolgt. Dadurch wird der Kohlendioxyd- bzw. Sauerstoffgehalt des Kulturmedienstromes ebenfalls gesteuert und geregelt.

Es ist im Sinne der Erfindung, daß der Schattenwurf, welcher durch die Kulturflächen mit den entsprechenden Pflanzen entsteht, in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke dem Sonnengang und den geforderten physiologischen Pflanzenparametern gesteuert und geregelt wird. Dadurch wird der Wachstumsprozeß auf dem Boden und auf nachgeordneten Kulturflächen beeinflußt.

Erfindungsgemäß wird die Richtung und die Form der Stoff- und Energiekanäle durch die Bewegung der Kulturflächen gestaltet. Zum einem können Transportwege ohne Behinderung durch die Kulturflächen genutzt werden. Zum anderen kann der Stoff- und Energieträger flexibel verteilt werden.

In einer Weiterführung des Verfahrens ist es möglich, den Kulturmedienstrom aufzufangen und Konglomerate aus dem Kulturmedium abzuscheiden und zu sammeln, wobei das Verfahren dadurch vorteilhaft gestaltet wird, daß das Kulturmedium mit den entsprechenden Parametern, insbesondere Temperatur, Leitfähigkeitswert, pH-Wert und Sauerstoff- bzw. Kohlendioxydgehalt, in den Verfahrenskreislauf zurückgeführt wird.

Es ist im Sinne der Erfindung, daß zum Temperieren des Kulturmediums ein Bodenwärmeübertragungssystem genutzt wird. Dadurch können gleichzeitig günstige Wachstumsbedingungen im Boden und vorteilhafte Klimabedingungen an den Kulturflächen gestaltet werden.

Erfindungsgemäß bilden in dem Verfahren gegebenenfalls die Kulturflächen für einen minimalen Energieverbrauch und einen maximalen Stoffaustausch mit Hilfe von Energieschutzmaterialien einen kanalförmigen Aktivraum, wobei im Aktivraum der Stoff- und Energieträger, insbesondere durch den Kulturmedienstrom, konditioniert wird.

Die Erfindung ist vorteilhaft durch eine Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens ausgebildet, bei der die Kulturflächen, welche durch ein flächiges, stoff- und energiedurchlässiges und doppelwandiges Material geringer Dicke gebildet werden, an einer Haltevorrichtung vertikal, drehbar und vielfach nebeneinander zur Bildung von flexiblen Stoff- und Energiekanälen angeordnet sind, wobei in den Kulturflächen ein filmartiger Kulturmedienstrom konditioniert wird und eine Bewegungsvorrichtung vorhanden ist, welche die Kulturflächen bewegt und gleichzeitig zueinander äquidistant hält.

Vorteilhaft ist die Erfindung ausgeführt, wenn die Haltevorrichtung durch einen schmalen Träger mit einer senkrechten Achse und zwei Achsschenkeln, ein Führungsorgan bzw. eine Halteschiene und eine Kippsicherung gebildet wird.

Es ist nach der Erfindung sinnvoll, daß als Kippsicherung ein flaches Blech unterhalb der Halteschiene angeordnet ist bzw. die Kippsicherung aus einer seilartigen Verbindung zwischen der Halteschiene und den Achsschenkeln besteht.

Sinnvoll ist die Erfindung gestaltet, wenn zwischen dem Blech und den Achsschenkeln nur ein geringer Spalt vorhanden ist.

Erfindungsgemäß besteht die Bewegungsvorrichtung mindestens aus einer Druck- bzw. Zugvorrichtung, einer Führungsvorrichtung, einer Wickelwelle mit einem Seil, einem Getriebemotor und einer Aufnahmevorrichtung.

Dabei besteht die Möglichkeit, daß der Erfindungsanwender die Kulturflächen diskontinuierlich ohne die Anwendung der Bewegungseinrichtung dreht.

Die Erfindung ist ausgebildet, wenn zumindest an einer vertikalen Beetflächen ein Sensor bzw. Meßinstrument, insbesondere zur Messung der Beleuchtungsstärke oder der Photonettosynthese, angeordnet ist.

Eine weitere Ausbildungsform der Erfindung sieht vor, daß die Kulturflächen, vorzugsweise in der Nacht, linienförmig angeordnet werden und sich seitlich der Kulturflächen kanalbildende Energieschutzmaterialien befinden.

Erfindungsgemäß werden die kanalbildenden Energieschutzmaterialien beweglich angeordnet und teilen den Stoff- und Energiekanal in einen Aktivraum und einen Passivraum auf. Der Aktivraum wird dabei mit Hilfe von Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen bevorzugt klimatisiert.

Es ist eine sinnfällige Ausbildung der Erfindung, wenn die Kulturflächen insbesondere an einer Stehwand eines Gewächshauses dicht nebeneinander, linienförmig angeordnet sind und somit einen dynamischen Energieschirm bilden.

Die Erfindung ist vorteilhaft ausgestaltet, wenn das Medium aus Wasser, Nährstoffen und gegebenenfalls Mikroorganismen besteht und zum Ausbringen des Mediums für die Bildung des filmartigen Kulturmedienstromes ein Ausbringungsorgan angeordnet ist.

Die Erfindung ist weiterhin vorteilhaft ausgeführt, wenn zur Konditionierung des Mediums ein Bodenwärmeübertragungssystem genutzt wird, wobei ein mäanderförmig verlegter Schlauch als Bodenwärmeübertragungssystem eingesetzt und aus einem Behälter mit dem Medium beschickt wird. Dabei ist es im Sinne der Erfindung, wenn in dem Behälter zusätzlich eine Einrichtung zum Temperieren des Mediums vorhanden ist.

In der Einrichtung werden die vertikalen Kulturflächen mit den zwei Beetflächen je nach Anwendungsfall und gegebenen Bedingungen zwischen dem größten Querschnitt und dem geringsten Querschnitts in Richtung der Sonne gedreht. Dadurch kann einerseits das vorhandene Sonnenlichtpotential für die Pflanzen optimal nutzbar gemacht und andererseits der vorhandene Raum mit einem Vielfachen an niedrigwachsenden Pflanzen ausgenutzt werden.

In der lichtarmen Jahreszeit werden die Kulturflächen vorzugsweise auf einer Beetfläche bepflanzt und diese Beetfläche wird mit dem Sonnengang derartig bewegt, daß der Einfallswinkel zwischen den Sonnenstrahlen und der Pflanzenblattfläche größer 30° beträgt. Die Kulturflächen werden derartig versetzt angeordnet, daß keine gegenseitige Verschattung erfolgt.

Somit wird die Beleuchtungsstärke bzw. die Kollektorwirkung in/an den Kulturflächen gesteuert und geregelt. Dadurch wird in Mitteleuropa von November bis Februar eine qualitätsgerechte Produktion von verschiedenen Salatarten und Kräutern ohne Zusatzbelichtung möglich.

Überraschenderweise hat sich in ersten Versuchen bei geringer Beleuchtungsstärke gezeigt, daß sich die Pflanzen gut entwickeln und die Einhaltung der Nitratgrenzwerte in den Pflanzen möglich ist. Vorzugsweise von März bis Oktober erfolgt eine beiderseitige Nutzung der vertikalen Kulturflächen mit Pflanzen, wobei die Kulturflächen jeweils in eine primäre und eine sekundäre Beetfläche eingeteilt werden. Insbesondere in den Morgenstunden werden die primären Beetflächen derartig in Richtung der Sonne bewegt, daß die Sonnenstrahlen auf die größtmögliche Blattfläche auftreffen. Dadurch wird einerseits die Beleuchtungsstärke der Sonne für die Photosynthese der Pflanzen optimal genutzt. Andererseits erfolgt beim Auftreffen der Sonnenstrahlen auf die Blatt- bzw. Beetflächen eine Umwandlung in Wärmeenergie, welche die Blattflächen- und die Beetflächentemperatur erhöht und gute Voraussetzungen für die Transpiration der Pflanzen gewährleistet. Zudem erwärmen sich relativ schnell die gesamten vertikalen Kulturflächen und erhöhen auch die Blattflächentemperatur der Pflanzen auf den sekundären Beetflächen. Der Kulturmedienstrom wird dabei ebenfalls konditioniert. Im Laufe des Tages erfolgt in Abhängigkeit der Sonneneinstrahlung eine kontinuierliche oder diskontinierliche Steuerung und Regelung der Kulturflächenstellung.

Es ist dabei vorteilhaft, daß bei sehr starker Sonneneinstrahlung die Beleuchtungsstärke an den Pflanzen durch die Bewegung der Kulturflächen minimiert wird und die Pflanzen somit keine Depressionen erleiden. Dabei beträgt der Winkel zwischen Sonnenstrahlen und dem größten Teil der Blattflächen ca. 0°. Bei intensiver Sonneneinstrahlung beeinflußt die Verdunstungskälte, welche in/an den Kulturflächen durch die Verdunstung von Kulturmedium entsteht, die Temperatur des Kulturmedienstromes. Dadurch wird einer zu starken Erwärmung der Kulturflächen entgegengewirkt.

In den Abendstunden werden die sekundären Beetflächen derart in Richtung der Sonne bewegt, daß die Sonnenstrahlen auf die größtmögliche Blattfläche auftreffen. Dadurch werden bis in die Nacht hinein gute Voraussetzungen für die Photosynthese der Pflanzen gewährleistet.

Die Stoff- und Energiekanäle gewährleisten dabei eine gleichmäßige Licht- und Luftzufuhr in/an den einzelnen Kulturflächen und zu den nachfolgenden Kulturflächenreihen.

Es ist eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, daß als Haltevorrichtung eine Halteschiene mit einer Kippsicherung genutzt wird. Dabei kann als Halteschiene gegebenenfalls eine bereits vorhandene Einrichtung, wie zum Beispiel Zugbänder von Gewächshäusern, verwendet werden. Die Kippsicherung verhindert dabei bei ungleichmäßiger Belastung der Achsschenkel ein zu starkes Kippen der Kulturflächen.

Die kanalbildenden Energieschutzmaterialien sind beweglich angeordnet und teilen den Stoff- und Energiekanal in einen Aktivraum und einen Passivraum auf, wobei der Aktivraum Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen zum Klimatisieren besitzt. Dadurch wird der zu klimatisierende Raum auf ein Minimum begrenzt und der Energiebedarf für die Pflanzenproduktion optimiert. Zudem können gasförmige Stoffe, wie Kohlendioxyd, Sauerstoff oder Pflanzenschutzmittel, unproblematisch und gezielt in den Aktivraum dosiert werden.

Es ist vorteilhaft, wenn die Kulturflächen insbesondere an einer Stehwand eines Gewächshauses dicht nebeneinander, linienförmig angeordnet sind und somit einen dynamischen Energieschirm bilden.

Einerseits wird die Strahlungsenergie aus dem Aktivraum bzw. Passivraum aufgefangen und mit Hilfe des Kulturmedienstromes abgeführt. Andererseits bilden die Kulturflächen durch die Zirkulation des Kulturmedienstromes große Niedertemperaturheizflächen, welche den Aktivraum bzw. Passivraum gegen äußere Einflüsse schützen.

Das Kulturmedium besteht dabei aus Wasser, Nährstoffen und gegebenenfalls Mikroorganismen. Zum Ausbringen des Mediums und für die Bildung des filmartigen Kulturmedienstromes wird ein Ausbringungsorgan verwendet. Das Ausbringungsorgan verteilt kontinuierlich oder diskontinuierlich das Kulturmedium in den einzelnen Kulturflächen.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einem Gewächshaus,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Halteschiene,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem Führungsrohr und Ultradünnschichtelementen als Kulturflächen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit phototrophen Mikroorganismen,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Fig. 4.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt die Einrichtung zur optimalen Raum-, Energie-, und Stoffausnutzung für Pflanzen 1, insbesondere Gewürzkräutern, in einem Gewächshaus 2 mit vertikalen Kulturflächen 3. Das Gewächshaus 2 ist dabei in Ost-West-Richtung aufgebaut. In einem Behälter 4 wird ein Kulturmedium 5 konditioniert. Das heißt, die Temperatur des Kulturmediums 5 wird mit Hilfe einer Temperiereinrichtung 6 eingestellt und mit einer Nährlösung 7, welche aus Wasser 8 und Nährstoffen 9 hergestellt wird, beschickt. Das Kulturmedium 5 wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 10 und einem Ausbringungsorgan 11, vorzugsweise einem Bewässerungsschlauch, gleichmäßig in die Kulturflächen 3 verteilt und bildet in den Kulturflächen 3 einen filmartigen Kulturmedienstrom 12.

Die Kulturflächen 3 werden dabei aus einem flächigen, stoff- und energiedurchlässigen Material 13, insbesondere aus zwei Umgrenzungsfolien 14, 15 und einem Vlies 16, gebildet. Die Folien 14 und 15 besitzen eine Dicke von 0,15 mm und bestehen aus Polyäthylen. Das Vlies 16 hat ein Flächengewicht von 85 g/m² und besteht aus Polyester. Die Pflanzen 1 werden dabei in Pflanztaschen 17, welche durch Einschnitte 18 in den Folien 14, 15 gebildet werden, angeordnet.

Die Kulturflächen 3 haben eine Breite von 1,0 m, eine Höhe von 2,0 m und besitzen einen Stab 19 mit zwei Halteringen 20, 21. Die Kulturflächen 3 werden an einer Haltevorrichtung 22 mit Hilfe der Ringe 20, 21 vertikal, drehbar und vielfach nebeneinander zur Bildung von flexiblen Stoff- und Energiekanälen 23 angeordnet (Fig. 2).

Die Haltevorrichtung 22 wird durch einen schmalen Träger 24 mit einer senkrechten Achse 25 und zwei Achsschenkeln 26, 27, eine Halteschiene 28 mit Bohrungen 29 und eine Kippsicherung 30 gebildet. Die Halteschiene 28 ist jeweils an der Stehwand 31 des Gewächshauses 2 befestigt und wird mit Hilfe von Ketten 32, welche im Dach 33 des Gewächshauses 2 angeordnet sind, gehalten. Als Kippsicherung 30 wird ein flaches Blech 34 verwendet. Zudem ist eine Bewegungsvorrichtung 35 vorhanden, welche die Kulturflächen 3 dreht und gleichzeitig zueinander äquidistant hält.

Die Bewegungsvorrichtung 35 besteht aus einer Zugvorrichtung 36 mit einer Wickelwelle 37 und einem Seil 38, einer Führungsvorrichtung 39, einem Getriebemotor 40 und einer Aufnahmevorrichtung 41. Die Aufnahmevorrichtung 41 wird dabei durch eine Aufnahmewelle 42, welche am Giebel 43 des Gewächshauses 2 in Höhe der Träger 24 angeordnet ist, gebildet. An dem Seil 38 ist ein Gewicht 44 angeordnet. Der Getriebemotor 40 dreht die Wickelwelle 37 mit dem Seil 38 und die Gewichte 44 halten das Seil 38 gespannt. Das Seil 38 ist dabei mit dem Träger 24 verbunden und bewegt die einzelnen Kulturflächen 3. Auf der Beetfläche 45 ist ein Beleuchtungsstärkesensor 47 angeordnet. Bei einer Beleuchtungsstärke von 0 kLux werden die Kulturflächen 3 in die Nachtstellung (Ost-West-Richtung) gedreht.

Mit Tagesbeginn erwärmt sich die Luft 48 in den Stoff- und Energiekanälen 23 relativ schnell, wobei im traditionellen Anbau auf dem Boden 49 die Blattflächentemperatur durch den sehr kleinen Winkel zwischen Sonnenstrahlen 50 und Blattfläche 51 konstant bleibt. Dadurch sind einerseits ungünstige Bedingungen hinsichtlich der Pflanzentranspiration und andererseits sind günstige Bedingungen für pilzliche Krankheitserreger gegeben. Zudem können die Pflanzen 1 die geringe zur Verfügung stehende Beleuchtungsstärke nicht verwerten. Aus diesen Gründen werden die primären Beetflächen 45 derartig mit der Bewegungsvorrichtung 35 gedreht, daß auf der Beetfläche 45 bzw. an der Blattfläche 51 ein Maximum an Beleuchtungsstärke eingestellt wird. Dadurch wird der Schwellwert für die Photosynthese schnell erreicht und die Blattflächentemperatur auf der primären Beetfläche 45 erhöht. Zudem wirkt die Kulturfläche 3 als Strahlungsheizung und die Blattfläche 51 der Pflanzen 1 auf der sekundären Beetfläche 46 steigt ebenfalls an. Bei einer Beleuchtungsstärke von größer als 10 kLux werden die Kulturflächen 3 derart gedreht, daß der Winkel zwischen Sonnenstrahlen 50 und der primären Beetfläche 45 bzw. an der Blattfläche 51 ein Minimum an Beleuchtungsstärke eingestellt wird. Die Kulturflächen 3 zeigen dabei mit ihrer schmalsten Seite 52 in Richtung der Sonne 53 und es sind gleiche Lichtverhältnisse auf beiden Beetflächen 45, 46 vorhanden. Dadurch können bei einer sehr hohen Sonneneinstrahlung Verbrennungserscheinungen an den Pflanzen 1 verhindert werden. Sinkt die Beleuchtungsstärke unter den Schwellwert, werden wiederum die primären Beetflächen 45 in Richtung der Sonne 53 gedreht. Somit können optimale Bedingungen für die Photosynthese der Pflanzen 1 gestaltet werden. In den Abendstunden werden die sekundären Beetflächen 46 derart in Richtung der Sonne 53 bewegt, daß die Sonnenstrahlen 50 auf die größtmögliche Blattfläche 51 auftreffen. Dadurch werden bis in die Nacht hinein gute Voraussetzungen für die Photosynthese der Pflanzen 1 gewährleistet.

Der filmartige Kulturmedienstrom 12 versorgt die Pflanzen 1 mit Nährlösung 7 und wird durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Bei sehr hoher Sonneneinstrahlung verdunstet ein Teil der Nährlösung 7 und kühlt die Wurzelfläche 54, welche sich zwischen den beiden Folien 14, 15 ausgebildet hat. Der Kulturmedienstrom 12 wird mit Hilfe einer Sammelrinne 55 aufgefangen und fließt in den Behälter 4 zurück.

Ein Teil des Kulturmediums 5 wird vor dem Ausbringen in die Kulturflächen 3 durch ein Bodenwärmeübertragungssystem 56 geleitet. Als Bodenwärmeübertragungssystem 56 wird ein mäanderförmig verlegter Schlauch 57 eingesetzt.

Im Laufe des Tages kühlt der Bodenwärmeübertrager 56 das Kulturmedium 5 und die Wärme wird in dem Boden 49 abgespeichert. In den Nachtstunden wird diese Wärmeenergie wieder für die Erwärmung des Kulturmediums 5 verwendet. Dabei werden die Kulturflächen 3 als Niedertemperaturheizflächen eingesetzt. Durch die Schichtdicke bzw. den Durchsatz des Kulturmediums 5 in den Kulturflächen 3 wird die Heizleistung gesteuert und geregelt. Dadurch kann ein erheblicher Teil an Primärenergie durch die optimale Sonnenenergienutzung eingespart werden.

Beispiel 2

Das Ausführungsbeispiel 2 erfolgt analog zu dem im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen. Als Haltevorrichtung 22 wird jedoch ein Führungsorgan 58 aus verzinktem Stahlrohr mit einem Durchmesser von 1 Zoll verwendet. Das Führungsorgan 58 ist im Boden 49 verankert.

Dabei ist die Achse 25 am oberen Ende des Führungsrohres 58 drehbar angeordnet. Als Kulturflächen 3 werden Ultradünnschichtelemente 59 mit integriertem Wasserspeicher 60 verwendet. Diese Ultradünnschichtelemente 59 werden an Aufnahmeketten 61, welche an den Achsschenkeln 26, 27 befestigt sind, übereinander angeordnet. Der Wasserspeicher 60 dient dabei gleichzeitig der Pflanzenversorgung und als Wärmespeicher.

Die Ultradünnschichtelemente 59 werden vorzugsweise in der Nacht linienförmig angeordnet. Seitlich der Ultradünnschichtelemente befindet sich ein bewegliches Energieschutzmaterial 62 aus einer 0,15 mm dicken lichtdurchlässigen PE-Folie. Das Energieschutzmaterial 62 teilt den Stoff- und Energiekanal 23 in einen Aktivraum 63 und einen Passivraum 64 auf. Für ein energiesparendes Klimatisieren besitzt der Aktivraum 63 eine Lufteintritts- und eine Luftaustrittsöffnung 65, 66. Dadurch wird die eingesetzte Energie direkt an den Pflanzen 1 wirksam und zusätzliche Heizsysteme können minimiert werden.

Beispiel 3

Das Ausführungsbeispiel 3 erfolgt analog zu dem im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen. Als Pflanzen 1 werden jedoch phototrophe Mikroorganismen 67 in den Kulturflächen bzw. im filmartigen Kulturmedienstrom kultiviert. Das Gewächshaus 2 ist dabei an einem Haus 68 angeordnet (Fig. 4). Die Kulturflächen 3 besitzen keine Pflanztaschen 17 bzw. Einschnitte 18 und werden nur aus den zwei Folien 14, 15 gebildet.

Die Folien 14, 15 bestehen dabei aus einem licht- und gasdurchlässigen Polyäthylenmaterial 69. Die Haltevorrichtung 22 wird aus einer Halteschiene 28, einem Achsenstumpf 70 und einem Achsschenkel 26 gebildet.

Im Stoff- und Energiekanal 23 wird über die Lufteintrittsöffnung 65 ein Stoff- und Energieträger 71, insbesondere die Luft 48 mit einer hohen Kohlendioxydkonzentration, aus dem Haus 68 eingeleitet (Fig. 5). Die Luft 48 geht teilweise durch die Folien 14, 15 in den Kulturmedienstrom 12 und versorgt die phototrophen Mikroorganismen 67 mit Kohlendioxyd 72. Die phototrophen Mikroorganismen 67 geben bei gleichzeitiger Belichtung Sauerstoff 73 an die Luft 48 ab. Die Luft 48 mit einer relativ hohen Sauerstoffkonzentration wird durch die Luftaustrittsöffnung 66 abgeführt. Die Kulturflächen 3 werden dabei kontinuierlich mit der schmalsten Seite 52 in Richtung der Sonne 53 gedreht.

In den Nachtstunden werden die Kulturflächen 3 dicht an dem Haus 68 angeordnet. Somit wird der Wärmeverlust des Hauses 68 zur Erwärmung der Kulturflächen 3 ausgenutzt. Ist im Kulturmedium 5 eine wirtschaftlich verwertbare Konzentration an phototrophen Mikroorganismen 67 und/oder an Stoffwechselprodukten 74 erreicht, erfolgt aus dem Behälter 4 eine teilweise Entnahme von Kulturmedium 5 über einen Überlauf 75 in einem Erntebecken 76.

Dieses Erntebecken 76 befindet sich unterhalb der Kulturflächen 3. In dem Erntebecken 76 erfolgt schon nach kurzer Zeit eine Sedimentation der phototrophen Mikroorganismen 67 und/oder Stoffwechselprodukten 74.

Bezugszeichenliste

1 Pflanzen
2 Gewächshaus
3 Kulturflächen
4 Behälter
5 Kulturmedium
6 Temperiereinrichtung
7 Nährlösung
8 Wasser
9 Nährstoffe
10 Umwälzpumpe
11 Ausbringungsorgan
12 Kulturmedienstrom
13 stoff- und energiedurchlässiges Material
14 linke Umgrenzungsfolie
15 rechte Umgrenzungsfolie
16 Vlies
17 Pflanztasche
18 Einschnitt
19 Stab
20 linker Haltering
21 rechter Haltering
22 Haltevorrichtung
23 Stoff- und Energiekanal
24 Träger
25 senkrechte Achse
26 linker Achsschenkel
27 rechter Achsschenkel
28 Halteschiene
29 Bohrung
30 Kippsicherung
31 Stehwand
32 Ketten
33 Dach
34 flaches Blech
35 Bewegungsvorrichtung
36 Zugvorrichtung
37 Wickelwelle
38 Seil
39 Führungsvorrichtung
40 Getriebemotor
41 Aufnahmevorrichtung
42 Aufnahmewelle
43 Giebel
44 Gewicht
45 primäre Beetfläche
46 sekundäre Beetfläche
47 Beleuchtungsstärkesensor
48 Luft
49 Boden
50 Sonnenstrahlen
51 Blattfläche
52 schmalste Seite der Kulturfläche
53 Sonne
54 Wurzelfläche
55 Sammelrinne
56 Bodenwärmeübertragungssystem
57 Schlauch
58 Führungsorgan
59 Ultradünnschichtelement
60 Wasserspeicher
61 Aufnahmekette
62 Energieschutzmaterial
63 Aktivraum
64 Passivraum
65 Lufteintrittsöffnung
66 Luftaustrittsöffnungen
67 phototrophe Mikroorganismen
68 Haus
69 licht- und gasdurchlässiges Polyäthylenmaterial
70 Achsenstumpf
71 Stoff- und Energieträger
72 Kohlendioxyd
73 Sauerstoff
74 Stoffwechselprodukte
75 Überlauf
76 Erntebecken

Claims

1. Verfahren zur optimalen Raum-, Energie- und Stoffausnutzung für Pflanzen, welche in Gewächshäusern, Wintergärten, Terrassen, Hof- und Gartenanlagen oder dgl. zur Anwendung gelangen, bei dem ein erforderliches Medium für einen Stoff- und Energieaustausch bewegt und das natürliche Sonnenlicht zur Assimilation bzw. zum Wachstum der Pflanzen in einem substratsparenden bzw. substratlosen Kultursystem mit Kulturflächen geringer Dicke und Be- bzw. Entwässerungsvorrichtungen genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a. das Medium als Kulturmedium aus Wasser, Nährstoffen und gegebenenfalls Mikroorganismen hergestellt wird,
b. die Kulturflächen als beiderseitig nutzbare Beetflächen mit einem intensiven Stoff- und Energieaustausch zwischen einem filmartigen Kulturmedienstrom und einem Stoff- und Energieträger, insbesondere Luft, ausgebildet sind,
c. zwischen zwei vertikal angeordneten Beetflächen, insbesondere in einer ultradünnen Wurzelfläche, der Kulturmedienstrom konditioniert wird,
d. die Schichtdicke des Kulturmedienstromes angepaßt an die Ausbildung des Kulturmediums, den Pflanzenbedarf, den Stoffaustausch und den äußeren Bedingungen, insbesondere Beleuchtungsstärke und Außentemperatur, gesteuert und geregelt wird,
e. die Kulturflächen mit den entsprechenden Beetflächen zur optimalen Ausnutzung der Sonnenenergie und zur Herstellung optimaler Lichtverhältnissen an den Pflanzen mit Hilfe von Sensoren, insbesondere Lichtsensoren, und einer Bewegungsvorrichtung gedreht werden,
f. durch die Kulturflächenstellung der Winkel zwischen Sonnenstrahlen und Beetflächen eingestellt wird,
g. durch die Kulturflächenstellung der Winkel zwischen Sonnenstrahlen und Blattflächen eingestellt wird,
h. die Beetflächentemperatur bzw. die Pflanzentemperatur durch die Kulturflächenstellung zur Sonne gesteuert und geregelt wird,
i. die Beetflächentemperatur bzw. die Pflanzentemperatur gegebenenfalls durch den Kulturmedienstrom eingestellt wird,
j. die Photonettosynthese der Pflanzen durch die Kulturflächenstellung zur Sonne bzw. die Beleuchtungsstärke an den Pflanzen, insbesondere an den Blattflächen, in Zusammenwirken mit der Konditionierung von Blattemperatur, Wasser- und Kohlendioxydgehalt der Luft, Lufttemperatur, Durchsatz und Temperatur sowie Sauerstoff- bzw. Kohlendioxydgehalt des Kulturmedienstromes gesteuert und geregelt wird,
k. der Wassergehalt der Luft, welche in Stoff- und Energiekanälen konditioniert wird, durch die Kulturflächenstellung zur Sonne gesteuert und geregelt wird,
l. der Kohlendioxyd- bzw. Sauerstoffgehalt der Luft in den Stoff- und Energiekanälen durch die Kulturflächenstellung zur Sonne gesteuert und geregelt wird,
m. der Kohlendioxyd- bzw. Sauerstoffgehalt des Kulturmedienstromes durch die Kulturflächenstellung zur Sonne gesteuert und geregelt wird,
n. der Schattenwurf, welcher durch die Kulturflächen und gegebenenfalls die Pflanzen entsteht, in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke, dem Sonnengang und den geforderten physiologischen Pflanzenparametern gesteuert und geregelt wird,
o. die Richtung und die Form der Stoff- und Energiekanäle durch die Bewegung der Kulturflächen gestaltet werden,
p. der Kulturmedienstrom aufgefangen wird,
q. Konglomerate aus dem Kulturmedium abgeschieden und gesammelt werden,
r. das Kulturmedium mit den entsprechenden Parametern, insbesondere Temperatur, Leitfähigkeitswert, pH-Wert und Sauerstoff- bzw. Kohlendioxydgehalt, in den Verfahrenskreislauf zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kulturflächen für einen minimalen Energieverbrauch und einen maximalen Stoffaustausch mit Hilfe von Energieschutzmaterialien einen kanalförmigen Aktivraum bilden und ein Stoff- und Energieträger im Aktivraum, insbesondere durch den Kulturmedienstrom, konditioniert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Temperieren des Kulturmediums ein Bodenwärmeübertragungssystem genutzt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kulturflächen (3), welche durch ein flächiges, stoff- und energiedurchlässiges und doppelwandiges Material (13) geringer Dicke gebildet werden, an einer Haltevorrichtung (22) vertikal, drehbar und vielfach nebeneinander zur Bildung von flexiblen Stoff- und Energiekanälen (23) angeordnet sind, wobei in den Kulturflächen (3) ein filmartiger Kulturmedienstrom (12) konditioniert wird und eine Bewegungsvorrichtung (35) vorhanden ist, welche die Kulturflächen (3) bewegt und gleichzeitig zueinander äquidistant hält.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Haltevorrichtung (22) durch einen schmalen Träger (24) mit einer senkrechten Achse (25) und zwei Achsschenkeln (26, 27), ein Führungsorgan (58) bzw. eine Halteschiene (28) und eine Kippsicherung (30) gebildet wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Kippsicherung (30) ein flaches Blech (34) unterhalb der Halteschiene (28) angeordnet ist.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Bewegungsvorrichtung (35) mindestens aus einer Druck- bzw. Zugvorrichtung (36), einer Führungsvorrichtung (39), einer Wickelwelle (37) mit einem Seil (38), einem Getriebemotor (40) und einer Aufnahmevorrichtung besteht.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 gekennzeichnet dadurch, daß die Kulturflächen (3) diskontinuierlich ohne die Anwendung der Bewegungseinrichtung (35) gedreht werden.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß zumindest an einer vertikalen Beetfläche (45, 46) ein Sensor bzw. Meßinstrument (47), insbesondere zur Messung der Beleuchtungsstärke oder Photonettosynthese der Pflanzen (1), angeordnet ist.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Kulturflächen (3), vorzugsweise in der Nacht, linienförmig angeordnet werden und seitlich der Kulturflächen (3) sich kanalbildende Energieschutzmaterialien (62) befinden.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, daß die kanalbildenden Energieschutzmaterialien (62) beweglich angeordnet werden und den Stoff- und Energiekanal (23) in einen Aktivraum (63) und einen Passivraum (64) aufteilen.

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Aktivraum (63) Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen (65, 66) zur Klimatisierung besitzt.

13. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Kulturflächen (3) insbesondere an einer Stehwand (31) eines Gewächshauses (2) dicht nebeneinander, linienförmig angeordnet sind.

14. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, daß das Medium (5) aus Wasser (8), Nährstoffen (9) und gegebenenfalls Mikroorganismen (67) besteht und zum Ausbringen des Mediums (5) für die Bildung des filmartigen Kulturmedienstromes (12) ein Ausbringungsorgan (11) angeordnet ist.

15. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß zur Konditionierung des Mediums (5) ein Bodenwärmeübertragungssystem (56) genutzt wird.

16. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, gekennzeichnet dadurch, daß ein mäanderförmig verlegter Schlauch (57) als Bodenwärmeübertragungssystem (56) eingesetzt und aus einem Behälter (4) mit dem Medium (5) beschickt wird.

17. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 16, gekennzeichnet dadurch, daß in dem Behälter (4) eine Einrichtung zum Temperieren (6) des Mediums (5) vorhanden ist.