DE60037815T2

DE60037815T2 - Geschlossenes gewächshaus

Info

Publication number: DE60037815T2
Application number: DE60037815T
Authority: DE
Inventors: Joannes Jozef Opdam; Gilbertus Gualtherus Schoonderbeek; Kornelis Blok
Original assignee: ECONCERN BV
Current assignee: ECONCERN N.V., UTRECHT, NL
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2020-06-10
Also published as: WO2000076296A1; EP1199922A1; ATE383752T1; DE60037815D1; EP1199922B1; ES2298145T3; DK1199922T3; AU5579400A; US6705043B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein geschlossenes Gärtnereigewächshaus und ein Verfahren zum Steuern des Klimas in einem geschlossenen Gärtnereigewächshaus.
Sie bezieht sich im Besonderen auf ein Gärtnereigewächshaussystem in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Solch ein Gärtnereigewächshaussystem ist bekannt aus der WO 98/38849 . Es verschärft die Möglichkeit des Erhöhens des CO₂-Pegels in einem Gewächshaus mittels eines gasbefeuerten Heizaggregats. Zur gleichen Zeit ist die Temperatur innerhalb des Gewächshauses erhöht. Insbesondere während des Sommers wird zuviel Wärme produziert. Dann wird das Übermaß an Wärme im Erdboden gespeichert. Es hat sich gezeigt, dass dieses System verbessert werden kann.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein System zur Verfügung zu stellen, das die Leistungsfähigkeit erhöht.
Nach einem weiteren Aspekt zielt die Erfindung darauf ab, ein System zur Verfügung zu stellen, mit welchem optimale Kulturbedingungen über das ganze Jahr hinweg erreicht werden können.
Die Kultivierung unter Glas findet weltweit mit „offenen" Gewächshäusern statt. Offene Gewächshäuser schaffen die Möglichkeit des Ventilierens der Gewächshausluft durch belüftende Fenster. Dies hat den Vorteil, dass der Überschuss an Wärme und/oder Feuchtigkeit in einfacher Weise über die Belüftung beseitigt werden kann, wenn die Isolation hoch ist. In den Niederlanden ist es bei einer großen Zahl an Tagen für die Gewächshäuser erforderlich, dass sie über eine Anzahl von Stunden belüftet werden.
Optimale Kulturbedingungen erfordern jedoch einen guten Ausgleich zwischen Isolation, Luftfeuchtigkeit, Gewächshaustemperatur, und CO₂-Zuführung. Es ist augenscheinlich, dass das offene Gewächshaussystem normalerweise keinen zufriedenstellenden, optimalen Kulturbedingungen zu entsprechen vermag.
Optimale Kulturbedingungen für den größtmöglichen Ertrag sind für viele Früchte die folgenden:

Temperatur zwischen 18° und 24°C
Luftfeuchtigkeit zwischen 70 und 90%
Konzentration von CO₂: 1000 ppm.

Vom Energiestandpunkt aus ist ein offenes Gewächshaussystem nicht wünschenswert.
Der Überschuss an Wärme im Sommer wird nach allem durch Belüftung beseitigt, während im Winter ein Wärmebedarf besteht.
Weil sich ein offenes Gewächshaus nicht aktiv kühlen lässt, ist die Temperatur häufig höher als 24°C.
Ein offenes Gewächshaus wird mit CO₂ versorgt. Dieses CO₂ ist notwendig für das Wachstum der Früchte.
Da ein offenes Gewächshaus oft belüftet werden muss, um den Überschuss an Wärme und Feuchtigkeit zu beseitigen, geht das hierbei gelieferte CO₂ verloren.
In einem offenen Gewächshaus können die Fruchte rasch wachsen, insbesondere im Sommer, wegen der hohen Isolation, sogar wenn die Kulturbedingungen nicht optimal sind: zu warm und zu wenig CO₂. Die große Menge an Licht wird nicht optimal ausgenutzt, hauptsächlich, weil ein Defizit in der Konzentration von CO₂ besteht.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Gärtnereigewächshaus zur Verfügung zu stellen.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gärtnereigewächshaussystem bereitgestellt, in dem Pflanzenerzeugnisse kultiviert werden können, welches Gärtnereigewächshaus geschlossen ist, und im Wesentlichen nicht mit Belüftungsöffnungen versehen ist, entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8.
Ein geschlossenes Gewächshaussystem entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht es im Prinzip, das Gewächshausklima zu optimieren. Ein geschlossenes Gewächshaussystem entsprechend der vorliegenden Erfindung ist so zu verstehen, dass es sich um ein Gewächshaus ohne belüftende Fenster, die geöffnet werden können, handelt.
In einem geschlossenen Gewächshaus können die Wärme und die Feuchtigkeit beseitigt werden, ohne dass die CO₂-Konzentration gesenkt wird.
Mit einer rasch ansprechenden Klimasteuerung muss ein optimaler Ausgleich zwischen der Isolation, der Luftfeuchtigkeit, der Gewächshaustemperatur und der CO₂-Belieferung bei jeder Schwankung der Isolation möglich sein.
Vorteile eines geschlossenen Gewächshauses entsprechend der vorliegenden Erfindung sind:

– der Verbrauch an Primärenergie (auf das Gewächshaus als (geschlossener) Solarkollektor dient einem maximalen Isolationseffekt), wird, Berechnungen entsprechend, minimal 40% geringer ausfallen als in einem modernen, traditionellen „offenen" Gewächshaus.
– höhere Kultivierungserträge, da Kulturbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO₂ besser gesteuert und bewältigt werden können. Auf der Basis von Modellvorhersagen wird erwartet, dass der Kultivierungsbetrag mindestens 20% höher ist, als in einem modernen, traditionellen offenen Gewächshaus.
– die Verwendung von Herbiziden/Pestiziden kann wegen der Wahrscheinlichkeit von Früchtekrankheiten und Verseuchungen in erheblicher Weise gesenkt werden; und
– Ersparnis beim Wasserverbrauch (in einem geschlossenen System besteht die Option des Sammelns und Rezirkulierens der Ausdünstungen der Früchte; in einem Gewächshaus werden normalerweise 500–600 kg/m² jährlich benötigt).
– Es wird erwartet, dass der Zeitpunkt des Erntens besser gesteuert werden kann. Es wird möglich, besser auf den Markt zu reagieren. Ein höherer Preis pro kg des Erzeugnisses kann hierbei erwartet werden. Die möglichen bevorzugten finanziellen Konsequenzen sind für den Zeitpunkt der Ernte nicht in diesen Bericht eingeschlossen.

Eine mögliche Option um CO₂ für das Gewächshaus bereitzustellen, ist die Erzeugung von CO₂ in dem Gewächshaus selbst mittels eines „bakterienreichen" Bodens.
Für die kombinierte Wärme- und Leistungsoption mit einer elektrischen Wärmepumpe ist eine Studie der Möglichkeiten der CO₂-Speicherung weiterhin von Bedeutung für den Gebrauch von lokal erzeugtem CO₂.
Vom Standpunkt einer erneuerbaren Energiebereitstellung, kann ein Gärtnereigewächshaus als ein Solarkollektor betrachtet werden.
Für die maximale Ausnutzung der jährlichen Solareinstrahlung wird der Überschuss an eingestrahlter Sonnenenergie (in Form von spürbarer und latenter Wärme) an einem „warmen" Tag gesammelt und gespeichert. Genügend Wärme wird dann von dem Speicher an einem „kalten" Tag geliefert werden.
Schwankungen in der Energieanforderung innerhalb eines Tages – verursacht durch Schwankungen des äußeren Klimas – können auch ausgeglichen werden.
Ein stabiles Klima auf der Innenseite erfordert ein rasch ansprechendes Energiesystem.
Die Grundlage für das Energieversorgungssystem in dem Gewächshaussystem entsprechend der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Wärme- und Kälteerzeugungssystem in Form einer Anzahl von Wärmeaustauschern und Luftverteilungseinheiten in dem Gewächshaus. Die Wärmeaustauscher haben nämlich sowohl eine kühlende als auch eine wärmende Funktion. Die Luft in dem Gewächshaus wird durch die Wärmeaustauscher mittels Lüftern geführt; es kann optional auch von einer natürlichen Konvektion während des Heizens Gebrauch gemacht werden.
Kühlen des Gewächshaussystems
Der Wärmeüberschuss wird im Sommer vollständig zu einem Grundwasserleiter weggeführt. Dies findet mittels einer aktiven Wärmeleitung durch Wärmeaustauscher statt. Diese Wärmeaustauscher werden mit kaltem Wasser vom Grundwasserleiter gespeist, siehe 1, worin A bis H Flüssigkeitsströme sind (A und B sind Grundwasserflüsse).
Ein Grundwasserleiter ist in der Weise zu verstehen, dass es sich um eine natürliche Wasserquelle von oftmals nicht trinkbarem Wasser handelt, welches in Sandschichten gespeichert ist, die unterhalb des Grundes unter Druck liegen, und zwar in einer Tiefe von ungefähr 80 m.
Ein Grundwasserleiter ist daher eine Art „Untergrund" See, der nicht als „Grundwasser" bezeichnet werden kann, weil grundsätzlich keine Wasserzirkulation in einem Grundwasserleiter stattfindet.
Grundwasserleiter werden oft in Deltaregionen in Nordwesteuropa gefunden.
Die vorliegende Erfindung macht vorzugsweise Gebrauch von vorhandenen Grundwasserleitern als Energiespeicher.
Der Grundwasserleiter kann in der Ausgangskapazität betreffend die Flussrate beschränkt werden, welche ausgeführt wird durch eine Doppelanordnung, bestehend aus einem Bohrloch für das Aufwärtspumpen von Wasser, und einem Bohrloch für das Abwärtspumpen von Wasser in einem geschlossenen Kreislauf.
Der Grundwasserleiter kann so dimensioniert sein, dass die Wärmeausgangsspitze unmittelbar entfernt werden kann.
Durch Zugrundelegung einer Tagesspeicherung für sowohl kaltes als auch warmes Wasser muss die Spitzenkapazität für das Kühlen nicht direkt dem Grundwasserleiter entnommen werden. In der Nacht vor einem heißen Tag wird ein Vorrat an kaltem Wasser gespeichert, welcher groß genug ist, um zusammen mit dem Kühlen des Grundwasserleiters den Wärmeüberschuss bei einem hohen Ausstoß während des Tages abzuführen. Das kalte Wasser entzieht dem Gewächshaus Wärme und wird dann in einem Warmen-Tag-Puffer gespeichert und in der folgenden Nacht dem Grundwasserleiter wieder zugeführt. Auf diese Weise wird die Hitzezuführungsspitze ausreichend schnell weggeführt und gleichmäßig zu dem Grundwasserleiter über das Puffer weggeführt.
Die Tagespuffer können als zwei abgedeckte, nicht isolierte Wasserbecken, wie sie üblicherweise als Wasserspeicher für Bewässerung benutzt werden, ausgeführt sein. Falls erforderlich können diese Tagespuffer auch im Untergrund untergebracht werden. Es ist auch möglich, eine geschichtete Speicherung in einem Puffer auszuwählen.
Der kurzzeitige Wärmeüberschuss kann auf zwei Arten beseitigt werden:

– direkt zu dem Grundwasserleiter
– indirekt über Tagespuffer zu dem Grundwasserleiter

Ein struktureller Wärmeüberschuss in dem Grundwasserleiter kann auf zwei Arten abgeführt werden:

– Kühlen mit einem Kühlturm
– Wärmelieferung an dritte Stellen außerhalb des Gewächshauses.

Wenn ein Wärmeüberschuss in einem Gewächshaus auftritt, wird diese Wärme in dem Grundwasserleiter gespeichert werden müssen. Die Menge an zu speichernder Wärme bestimmt die benötigte Speicherkapazität von dem Grundwasserleiter. Diese Wärme wird für das Erwärmen im Winter verwendet.
In Bezug auf die Flussrate sind die Abmessungen des Grundwasserleiters so gering wie möglich, um die Investitionskosten so gering wie möglich zu halten. Dies begrenzt die Speicherkapazität des Grundwasserleiters.
Die maximale Wärmebelastung kann sich für eine geringe Anzahl von Stunden auf 700 W/m² oder auf 7 MW/ha belaufen. Diese Wärmemenge wird dem Gewächshaus durch Wärmeaustauscher entzogen.
Die Belastungsverlaufskurve zeigt, dass der hohe Wärmeüberschuss nur für eine kleine Anzahl an Stunden auftritt. In der Praxis ist die Spitze der Solareinstrahlung normalerweise schon ausgeschlossen durch Schließen einer Abschirmung in dem Gewächshaus, wenn die Solareinstrahlung hoch ist. Jedoch ist der Lichteinfall dadurch auch reduziert, und damit auch die Produktion. Die Reduzierung der Solareinstrahlung und damit der Spitze der Kühlanforderung führt zu einer Verringerung des Energieverbrauchs.
Möglichkeiten zum Beseitigen der Wärme von dem Gewächshaus sind:
Direkte Speicherung im Grundwasserleiter. Die Flussrate beträgt maximal ungefähr 150 m³/Std pro Paar von Bohrlöchern. Bei einer Temperaturdifferenz von 12°C erzeugt dies eine Ausgangsleistung von ungefähr 2,1 MW. Der Grundwasserleiter wird bevorzugt bestehen aus einem Paar von Bohrlöchern und hat dabei eine Ausgangsleistung von ungefähr 2,1 MW. Der Gebrauch von zwei Tage-Puffern ist deshalb empfohlen.
Übertages-Puffer zum Grundwasserleiter.
Bei höherer Solareinstrahlung, als die oben angeführten 2,1 MW kann der Wärmeüberschuss zeitweise in einem Wärmepuffer gespeichert werden.
Dieser Wärmepuffer ist mit einem Kältepuffer in einen geschlossenen Kreislauf untergebracht. Diese Puffer können beide unterhalb oder oberhalb des Erdbodens in Form von Wasserbecken oder Speicherbehältern untergebracht werden. Es gibt einen Puffer mit kaltem Wasser, welches gekühlt ist mit Wasser des Grundwasserleiters. Die Flussrate von dem Kaltwasserpuffer ist ausreichend hoch, um eine Kühlausgangsleistung von 7 MW bei einer Temperaturdifferenz von z. B. 12°C zu verwirklichen. Die vorgepufferte Menge von kaltem Wasser in diesem Puffer und die kontinuierliche Zufuhr von dem Wärmeaustauscher zwischen Grundwasserleitern und den Puffern ist ausreichend, um den ganzen Wärmeüberschuss durch Kühlen während eines Tages mit maximaler Solareinstrahlung abzuführen. Das aufgewärmte Wasser wird dann in dem Warmen-Tag-Puffer gespeichert. Das Wasser dieses Puffers wird in einem Wärmeaustauscher durch einen geschlossenen Kreislauf geführt, wo seine Wärme an das kalte Wasser des Grundwasserleiters freigegeben wird. Das gekühlte Wasser ist in dem kalten Speicher gespeichert, das gewärmte Wasser ist in dem warmen Bohrloch des Grundwasserleiters gespeichert. Die Größe der Wasserpuffer ist durch den täglichen Wärmeüberschuss bestimmt. Anhand von Berechnungen, die auf stündlichen Werten aktueller Solareinstrahlungen basieren, wurde herausgefunden, dass sich der Wärmeüberschuss auf ein Maximum von ungefähr 200 GJ pro Tag beläuft. Aus Berechnungen geht hervor, dass ungefähr die Hälfte davon gepuffert werden muss, während die andere Hälfte bereits in den Grundwasserleiter über den Tag hinweg über Wärmeaustauscher beseitigt wurde. Bei einer Temperaturdifferenz von 12°C wird sich das Volumen jeweils auf ungefähr 2000 m³ (für ein ha Gewächshaus) belaufen. Das warme Wasser wird kontinuierlich durch Wärmeaustauscher 8 (1) gepumpt, um die Wärme an den Grundwasserleiter abzugeben. Der kalte Tag-Puffer wird wieder mit dem gekühlten Wasser aufgefüllt. Während dieses Tages wird der leere warme Puffer wieder mit Wasser gefüllt, welches die Wärme aus dem Gewächshaus entzogen hat. Es kann von der Belastungsverlaufskurve abgeleitet werden, dass von den 2645 Stunden mit einem Wärmeüberschuss Kühlung mit einer höheren Kapazität als der des Grundwasserleiters für ungefähr 35% dieser Anzahl von Stunden (985 Stunden) stattzufinden hat. Die Tages-Puffer werden wenigstens während dieser Stunden benutzt.
Abführung von strukturellem Wärmeüberschuss von dem Grundwasserleiter
Der Wärmeüberschuss von dem Grundwasserleiter kann mit einem Kühlturm abgeführt werden. Das warme Wasser von dem Grundwasserleiter gibt seine Wärme über Wärmeaustauscher in Wasser ab, welches durch den Kühlturm gekühlt wird. Das Wasser für das Kühlen wird mit Umgebungsluft durch ein Sprühsystem in Verbindung gebracht. Die Umgebungsluft hat eine geringere Temperatur als das Kühlwasser und nimmt spürbare und latente Wärme auf. Das Kühlwasser kühlt dabei bis unterhalb der Umgebungstemperatur und wird in das Gewächshaus zurückgeführt, wo es wiederum Wärme aufnimmt. Es ist physikalisch nicht möglich, tiefer zu kühlen, als die Feuchttemperatur der Umgebung. Das Abkühlen auf diese Art ist im Sommer kaum lohnend. Im Winter jedoch ist dieses Kühlverfahren lohnend, um den Grundwasserleiter zu kühlen, und um damit ein andauernd auftretendes Erwärmen des Grundwassers zu verhindern. Der Wärmeüberschuss, der im Grundwasserleiter gespeichert wird, kann auch abgeführt werden, indem man andere Nutzer außerhalb des Gewächshauses damit versorgt.
Die Wärmeaustauscher in dem Gewächshaus können den Wärmeüberschuss durch Kühlen abführen, und dabei gleichzeitig die Luftfeuchtigkeit regulieren. Die Temperatur des zugeführten kalten Wassers ist festgelegt bei ungefähr 6°C. Durch Regulieren der Flussrate des Wassers und der Gewächshausluft durch die Wärmeaustauscher kann die Menge an abgeführter Wärme und Feuchtigkeit (spürbare und latente Wärme) gesteuert werden.
Erwärmung des Gewächshaussystems
Das Erwärmen während des Sommers wird durch warmes Wasser durchgeführt, das in Tagpuffern sowie im Grundwasserleiter vorliegt. Durch Benutzung einer Wärmepumpe wird die Temperatur des Wassers von dem Tagpuffer und den Grundwasserleitern bis ungefähr 40°C erhöht. Die Wärme, die für diesen Zweck benötigt wird, wird dem warmen Wasser entzogen. Das abgekühlte Wasser wird in den Kalten-Tag-Puffer oder in den Grundwasserleiter gepumpt.
Die Ausgangsleistung, die für das Erwärmen benötigt wird, kann durch den Grundwasserleiter vollständig mit einer Dublette geliefert werden. Bei Verwendung der Tagpuffer als miteinander in Verbindung stehende Gefäße zum Kühlen und Erwärmen, ist sogar der Wärmeüberschuss gering, und eine Energieersparnis in Bezug auf die zusätzliche Energie kann erwartet werden.
Die Erwärmung des Gewächshauses wird durch die gleichen Wärmeaustauscher vorgenommen, wie jene, die für das Kühlen verwendet werden. Die benötigte Ausgangsspitze für das Erwärmen ist geringer, als die Ausgangsspitze für das Kühlen, welche etwa 30% der Kühlausgangsleistung beträgt. Ungefähr die Hälfte dieser Ausgangsleistung kann durch die Wärmepumpe (Grundlast) und die Hälfte kann durch des Gasboiler (Spitzenlast) geliefert werden. Eine andere Aufteilung der Grundlast und der Spitzenlast der Wärmeanforderung ist auch möglich.
Der Wärmeüberschuss auf jährlicher Basis
Auf der Basis der Wärmeanforderung des Gewächshauses und der Solareinstrahlung besteht ein Wärmeüberschuss in Bezug auf eine jährliche Basis. Im Sommer ist diese Wärme in dem Grundwasserleiter gespeichert. Im Winter ist die Wärmeanforderung nicht hoch genug, um den ganzen Grundwasserleiter auf seine ursprüngliche Temperatur zu kühlen. Um eine strukturell auftretende Erwärmung des Grundwasserleiters zu verhindern, wird der jährliche Überschuss an Wärme vorzugsweise mit einem Kühlturm gekühlt oder an dritte Stellen geführt. Die Ausgangsleistung dieses Kühlturms ist bevorzugt nicht höher als die Ausgangsleistung, die der Grundwasserleiter abzugeben vermag.
Das abgekühlte Wasser des Grundwasserleiters wird zu dem kalten Schacht des Grundwasserleiters gepumpt.
In Bezug auf die Wintersituation ist im Wesentlichen keine Pufferung erforderlich.
Wenn Elektrizität aus dem Leitungsnetz benötigt wird, kann die Elektrizität während der Nacht so weit wie möglich herangezogen werden, um die Energiekosten so gering wie möglich zu halten.
Gewächshausklima
Das Klima in einem Gewächshaus wird durch die Solareinstrahlung, die Temperatur, die relative Luftfeuchtigkeit und die CO₂-Konzentration bestimmt.
Die Solareinstrahlung in dem Gewächshaus kann nicht beeinflusst werden. Die Netto-Solareinstrahlung (die eingehende Solareinstrahlung abzüglich der Abschattung durch die Gewächshauskonstruktion) muss so hoch wie möglich sein, da das Wachstum vieler Typen von Früchten proportional zum Lichteinfall ist.
In Bezug auf holländische Verhältnisse sind normalerweise zu viel Wärme und zu wenig Licht in dem Gewächshaus vorhanden. Belüftende Fenster sind in einem geschlossenen Gewächshaus nicht vorhanden, sodass es dort weniger Behinderungen für die eintretende Strahlung gibt. Das Ausmaß des verfügbaren Lichtes für Wachstum ist deshalb geringfügig höher, als in einem traditionellen Gewächshaus.
Die Temperatur in einem geschlossenen Gewächshaus wird bevorzugt zwischen 20°C und 24°C sein.
Die höchstmögliche Temperatur wird während Tagen mit einem Wärmeüberschuss gewählt. Dies kann für das Wachstum der Früchte und die Erhöhung der Transmissionsverluste zu der Umgebung günstig sein, sodass weniger Wärme über die Wärmeaustauscher abgeführt werden muss. Die Kapazität der Wärmeaustauscher erhöht sich darüber hinaus mit einer erhöhten Temperaturdifferenz zwischen dem kalten Wasser des Grundwasserleiters und der Luft des Gewächshauses.
Die Luftfeuchtigkeit kann bevorzugt zwischen ungefähr 70 und 90% liegen. Dies wird durch Kühlen von Luft in einem Wärmeaustauscher bis unter den Taupunkt reguliert. Wenn zusätzlich zu der Befeuchtung keine Wärmeanforderung besteht, kann diese Wärme direkt an den Wärmeaustauscher geliefert werden. Latente Wärme wird dabei in spürbare Wärme übergeführt, ohne dass Wärme in dem Grundwasserspeicher oder in dem Tag-Puffer zu speichern ist.
Das Pumpen von warmem Wasser herab zu dem Grundwasserleiter und das anschließende Zurückpumpen zu Erwärmungszwecken wird vorzugsweise verhindert.
Die Früchte verbrauchen erhebliche Mengen an CO₂. Im Gegensatz zu einem traditionellen „offenen" Gewächshaus, ist es in einem geschlossenen Gewächshaus möglich, immer eine optimale CO₂-Menge von ungefähr 1000 ppm vorzugeben.
Das Klima in einem geschlossenen Gewächshaus kann erheblich besser gehandhabt werden, als das Klima in einem traditionellen offenen Gewächshaus. Die Menge der Früchte und die Erzeugung können hierdurch erhöht werden. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass der Augenblick des Erntens beeinflusst werden kann, so dass eine bevorzugte Zeit für die Belieferung des Marktes gewählt werden kann.
Eine wirksame Regulierung des Kühlens, des Erwärmens, des Entfeuchtens und der CO₂-Belieferung ist nötig, um eine Steuerung des Klimas in dem Gewächshaus möglich zu machen.
Wenn eine Wärmeanforderung in dem Gewächshaus besteht, wird die Luft des Gewächshauses über Wärmeaustauscher erwärmt, ebenso wie ein Rohrleitungssystem mit warmem Wasser. Der Wärmeaustauscher wird durch den Warmen-Tag-Puffer oder den Grundwasserleiter mit Wärme versorgt. Diese Wärmemenge hat eine zu geringe Temperatur für den direkten Gebrauch, und wird hinsichtlich der Temperatur durch eine Wärmepumpe bis auf ein Maximum von ungefähr 40°C erhöht. Je geringer diese Temperatur, desto höher ist der Wirkungsgrad der Wärmepumpe.
Die Wärme kann sowohl durch aktive als auch passive Konvektion erzeugt werden. Bei der passiven Konvektion, die deshalb ohne Zwangsbelüftung erfolgt, ist deshalb keine zusätzliche Energie für den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher erforderlich. Die spezifische Wärmeerzeugung pro m oder m² des Wärmeaustauschers ist jedoch geringer, als bei aktiver Konvektion. Aktive Konvektion während der Erwärmung wird in den Berechnungen des Gesamtenergieverbrauchs zugrunde gelegt. Die elektrische zusätzliche Energie beträgt bis zu 3% der Menge an ausgetauschter Wärme.
Die Ausgangsleistung, welche der Grundwasserleiter erzeugt, ist überschlägig 2,1 MW, die Wärmepumpe fügt hierzu ungefähr 500 KW hinzu, sodass ungefähr 2,6 MW verfügbar sind. Diese Ausgangsleistung ist ausreichend für die Spitzenanforderung von Wärme in dem Gewächshaus. Wenn erforderlich, kann der Warmer-Tag-Puffer als Wärmequelle benötigt werden. Das hat den Vorteil, dass die Energiemenge zum Pumpen von Wasser geringer ist, als wenn ein Grundwasserleiter herangezogen wird. Wenn die Pumpe mit einem Gasmotor angetrieben wird, steht auch das Kühlwasser des Gasmotors zum Erwärmen des Gewächshauses zur Verfügung. Die Temperatur dieses Kühlwassers beträgt ungefähr 80°C und ist daher zum Erwärmen über ein Netzwerk von Leitungen in dem Gewächshaus geeignet. Dies kann ein Netzwerk am Boden sein, das auch die Funktion von Schienen für Wagen übernimmt, die für das Ernten benötigt werden.
Entfeuchtung
Entfeuchtung ist erforderlich, um die Feuchtigkeit abzuführen, die von den Früchten erzeugt wird.
In der vorliegenden Erfindung werden zwei Verfahren zur Feuchtigkeitsabführung empfohlen:

– über Kondensation an dem Gewächshaus (passive Entfeuchtung)
– über Kondensation an einer kalten Oberfläche (aktive Entfeuchtung) Die Entfeuchtung über das Gewächshausdach kostet keine Energie und kann kaum beeinflusst werden.

Eine Form der aktiven Entfeuchtung ist erforderlich, um das Steuern der Luftfeuchtigkeit zu ermöglichen. Die Wärmeaustauscher sind in der Lage, ausreichend Feuchtigkeit abzuführen.
Wenn ein gleichzeitiger Feuchtigkeitsüberschuss und eine Wärmeanforderung bestehen, ist es möglich, latente Wärme in spürbare Wärme umzuwandeln. Dieser Prozess kann mit einer Wärmepumpe stattfinden. Ein Teil der Wärmeaustauscher wird kühlen und der Luft Feuchtigkeit entziehen, während ein anderer Teil der Wärmeaustauscher die entzogene Wärme in das Gewächshaus zurückführt. Abhängig von den Bedingungen, unter welchen diese Entfeuchtung stattfindet, erfordert dies ungefähr 0,7 MJ/kg Wasser.
CO₂
Die Früchte in dem Gewächshaus verbrauchen hohe Mengen an CO₂. Die ideale Konzentration für das Wachstum der Früchte beträgt ungefähr 1000 ppm; diese Konzentration ist bei hoher Solareinstrahlung teilweise erforderlich. Die natürliche Konzentration in der Umgebungsluft beträgt ungeführ 350 ppm. In einem traditionellen offenen Gewächshaus wird CO₂ zugeführt, aber die Konzentration steigt nur in den besonders wichtigen Wachstumsperioden; im Sommer bis ungefähr 500 ppm. Die Zuführung von mehr CO₂ ist zwecklos, da die Belüftung während hoher Solareinstrahlung stattfindet, um den Wärmeüberschuss und Feuchtigkeit abzuführen. Das extra zugeführte CO₂ verschwindet dabei ebenfalls.
In einem geschlossenen Gewächshaus nach der vorliegenden Erfindung kann jedoch die CO₂-Konzentration auf ein gewünschtes Niveau gebracht werden.
Für z. B. Tomaten ist ein typischer Wert des CO₂-Verbrauchs 2 kg CO₂ pro kg Trockenmasse des Erzeugnisses. Der Ertrag beläuft sich auf ungefähr 3 bis 6 kg m²/Jahr Trockenmasse oder eines CO₂-Verbrauchs von 6 bis 12 kg m²Jahr. Bei Annahme eines Verlustes von 50% (Abschätzung erste Ordnung) müssen ungefähr 12 bis 24 kg CO₂/m²/Jahr geliefert werden.
Eine andere Möglichkeit zur CO₂-Lieferung besteht in einer örtlichen CO₂-Produktion durch Bakterien, z. B. in der Erde des Gewächshauses.
Qualität der Gewächshausluft
Das geschlossene Gewächshaus wird nicht mit Umgebungsluft belüftet. Einiges an zusätzlicher Belüftung kann erforderlich sein, um die „kontaminierte" Luft in dem Gewächshaus mit „sauberer" Umgebungsluft aufzufrischen. Bei dieser gesteuerten Belüftung muss die Umgebungsluft über Filter zugeführt werden. Die Wahrscheinlichkeit von Erkrankungen durch Pilze und Pollen ist hierbei erheblich herabgesetzt.
Die Erfindung wird nun weiter erläutert werden, auf der Basis der spezifischen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Tabellen und Fig.
1 bis 4 zeigen das Prinzip der Energiebereitstellung für ein Gärtnereigewächshaussystem.
1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Gärtnereigewächshaussystems entsprechend der vorliegenden Erfindung während des Kühlarbeitsablaufs.
2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Gärtnereigewächshaussystems entsprechend der vorliegenden Erfindung während des Erwärmungsarbeitsablaufs.
3 zeigt eine Querschnittsansicht der Installation zur Verteilung von Kälte und Wärme in dem geschlossenen Gewächshaus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm der Installationen in dem Gewächshaus entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Die Energiebereitstellung kann unterteilt werden in eine Versorgung von Kälte und eine Versorgung von Wärme.
Das System 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Grundwasserleiter 2. Eine Komponente der Energiebereitstellung ist die Speicherung von Kälte und Wärme in dem Grundwasserleiter.
Bei einer Temperaturdifferenz von 12°C (kalte Quelle 6°C, warme Quelle 18°C) und einer Flussrate von 150 m³/h beläuft sich die Ausgangsleistung auf bis zu 2,1 MW. Dies ist die nominale Kühlkapazität des Grundwasserleiters. Von der Kaltquelle 4 durchläuft der Kaltwasserfluss A über den abgetrennten Wärmeaustauscher 8 einen Warmwasserfluss B und dieses erwärmte Wasser wird in der Wärmequelle 6 gespeichert. Wärmeaustauscher 8 bewirkt den Austausch von Wärme zwischen den Flüssen AB darunter, und dem Flüssigkeitsfluss CF darüber.
Der Kreislauf CDEF wird durch einen Puffer 12 mit kalter Flüssigkeit, z. B. Wasser von ungefähr 6°C gebildet, ein Flüssigkeitsfluss D zwischen dem Kalten-Tag-Puffer 12 und dem Wärmeaustauscher 14 in dem Gewächshaus 10, den Flüssigkeitsfluss E von dem Wärmeaustauscher 14 zu dem Warmen-Tag-Puffer 16 und dem Fluss F zwischen Tag-Puffer 16 und Wärmeaustauscher 8.
Kühlzustand (siehe 1)
Der Grundwasserleiter 2 besteht aus einer Kaltquelle 4 und einer Wärmequelle 6 mit Wasser.
Die Temperatur der Kaltquelle 4 ist zwischen 2 und 10°C; die der Wärmequelle 6 zwischen 14 und 22°C.
Um die Kosten so gering wie möglich zu halten, wird ein Bohrloch pro Quelle erstellt. Die Tiefe der Bohrlöcher hängt von der Lage ab und liegt zwischen 10 und 300 Meter. Das Wasser der Kalt- und Wärmequellen ist über Wärmeaustauscher 8 miteinander verbunden.
Es besteht ein geschlossener Kreislauf (A, B) zwischen den zwei Quellen 4, 6 sodass das Grundwasser nicht mit der Außenluft in Verbindung gerät.
Die Wärme, die in dem Gewächshaus 10 durch die Solareinstrahlung G erzeugt wird, muss darin entfernt werden.
Der Arbeitsablauf ist der folgende. Ein Tages-Puffer 12 wird mit einer kalten Flüssigkeit gefüllt. Diese Flüssigkeit wird über D zu dem Wärmeaustauscher 14 gepumpt.
Die Temperatur der Luft in dem Gewächshaus 10 beträgt 20°C oder mehr; bedingt durch die Einstrahlung G der Sonne. Erwärmte Luft H wird durch Wärmeaustauscher 14 hindurchgeführt und führt Wärme zu der kalten Flüssigkeit D ab.
Flüssigkeit D wärmt sich auf bis zu 18°C auf und gelangt über E in den Warmen-Tag-Puffer 16.
Die Tag-Puffer 12, 16 können, wenn gewünscht, auch in einem geschlossenen Kreislauf (A, B) angeordnet sein.
Nach dem Wärmeaustauscher 14 wird die kalte Luft als ein Luftfluss I durch Luftverteilungsschläuche 18 in das Gewächshaus geführt.
Die Menge an Flüssigkeit im Tages-Puffer 12 ist zusammen mit dem Fluss C ausreichend, um die Versorgung von Wärme im Gewächshaus 10 vollständig aufzunehmen und in den Warmen-Tag-Puffer 16 zu transportieren. Nach einem warmen Tag ist der Warmen-Tag-Puffer 16 vollständig gefüllt mit warmer Wasser und der Kalter-Tag-Puffer 12 ist leer.
Um am nächsten Tag genügend kalte Flüssigkeit in dem Kalter-Tag-Puffer 12 für den folgenden warmen Tag zu haben, wird die Flüssigkeit des Warmer-Tag-Puffers 16 über F zu dem Wärmeaustauscher 8 geleitet. Hier führt die warme Flüssigkeit F Wärme zu dem kalten Wasser ab, das über A von der Kaltquelle 4 kommt. Der Fluss A wird in dem Wärmeaustauscher 8 von ungefähr 6°C auf 18°C erwärmt, und wird über B in der Wärmequelle 6 gespeichert.
Die Wärme des Flüssigkeitsflusses F wird in dem Wärmeaustauscher 8 nach AB übergeben und der gekühlte Fluss C wird in dem Tagspeicher 12 gespeichert. Wenn die Solareinstrahlung anfangt, ist der Kalter-Tag-Puffer 12 komplett mit kalter Flüssigkeit gefüllt.
In einem 24-Stunden-Zeitabschnitt muss eine Menge an Wärme aus dem Gewächshaus 10 abgeführt werden. Der Kalter-Tag-Puffer 12 hat bevorzugt ein Volumen, das einem Teil der abzuführenden Wärme entspricht (ungefähr die Hälfte). Der verbleibende Teil der Wärme wird durch Pumpen von zusätzlicher Kälte von der Kaltquelle 4 über A abgeführt, Wärmeaustauscher 8 und C zu dem Kaltpuffer 12. Dieses kalte Wasser ist unmittelbar verfügbar und wird nicht im Tages-Puffer 12 gespeichert.
Die gesamte Kühlkapazität wird so durch die Kälte, die in dem Tages-Puffer 12 verfügbar ist und die kontinuierlich von Quelle 4 über A zugeführte Wärme, den Wärmeaustauscher 8 und C gebildet. Der Kaltfluss D setzt sich zusammen aus dem kontinuierlichen Fluss C über den Tages-Puffer 12 und das Entleeren des Tages-Puffers 12.
Dasselbe ist zutreffend für den Fluss E, welcher in einen kontinuierlichen Fluss F (dieselbe Flussrate wie C) und dem Auffüllen von Puffer 16 über E aufgeteilt ist.
Wenn die Kühlanforderung am Morgen beginnt, wird der Kalter-Tag-Puffer 12 zuerst herangezogen. Der Tagespuffer 16 wird über D, Wärmeaustauscher 14 und E gefüllt.
Ein Teil des Flusses wird über F im Wärmeaustauscher 8 gekühlt, und ist erneut in dem Gewächshaus 10 über C verfügbar, Tages-Puffer 12 und D in dem Wärmeaustauscher 14 und E.
Erwärmungszustand (siehe 2)
Während des Erwärmens des Gewächshauses 10 fließt ein großer Teil der Flüssigkeit in umgekehrter Richtung, als während des Kühlens.
Die Puffer 12 und 16 sind nicht für das Erwärmen erforderlich.
Es gibt drei Wärmeflüsse zum Gewächshaus 10.
Diese sind:

– von einer Wärmepumpe 20 über K;
– von einem Gasmotor 22 über R;
– von einem Gasboiler 24 über O.

Die Wärmequelle 6 des Grundwasserleiters 2 stellt Warmwasser über H zu dem Wärmeaustauscher 8 zur Verfügung. Die Wärme von H wird an den Fluss J übergeben. Das gekühlte Wasser des Wärmeaustauschers 8 geht über den Fluss G zu der Kaltquelle 4. Die warme Flüssigkeit, Fluss J, ist die Wärmequelle für die Wärmepumpe 20. Diese Wärmequelle 20 erhöht die Temperatur von ungefähr 18°C auf ungefähr 40°C.
Diese Wärme wird über den Fluss K zu einen Wärmetauscher 14 abgeführt. Die gekühlte Flüssigkeit des Wärmetauschers 14 wird über den Fluss L zu der Wärmepumpe 20 zurückgeführt. Der Antrieb der Wärmepumpe ist nicht auf den Typ von Motor oder die Art von Energie bezogen.
Die Wärmepumpe 20 wird durch einen Gasmotor 20 über eine mechanische oder elektrische Verbindung S angetrieben. Dieser Gasmotor 22 stellt über S zur der Wärmepumpe 20 und warmer Kühlwasser (50 bis 90°C) über R zu dem Gewächshaus 10 mechanische Leistung zur Verfügung. Ein kleiner Teil der Wärme geht über T verloren.
Der Gasmotor 22 wird über einen Gasfluss U gespeist.
Der Gasboiler 24 erzeugt Wärme über O wenn die Wärmeanforderung (W) höher ist als die Ausgangsleistung in K und R von jeweils Wärmepumpe 20 und Gasmotor 22. Gasboiler 24 stellt Warmwasser bei einer Temperatur von ungefähr 50 bis 90°C zu dem Gewächshaus 10 zur Verfügung. Falls erforderlich, kann die Wärme des Gasboilers 24 über den Fluss M in einem Wärmepuffer 26 gepuffert werden. Diese Wärme wird zu dem Gewächshaus 10 über N erzeugt.
Der Wärmeüberschuss des Gewächshauses 10 wird in der Quelle 6 in dem Grundwasserleiter 2 gespeichert.
Während des Erwärmens des Gewächshauses 10 wird diese Wärme zu dem Wärmeaustauscher 8 abgeführt. Wenn die jährliche Wärmeanforderung des Gewächshauses 10 geringer ist, als die gespeicherte Wärmemenge in der Quelle 6, wird eine zusätzliche Kühlung der Quelle 6 und Speicherung von Kälte in der Quelle 4 erforderlich. Auf diese Weise ist genügend Kälte von der Kaltquelle 4 abermals für eine folgende warme Jahreszeit verfügbar, um das Gewächshaus 10 zu kühlen. Zusätzliche Kühlung findet mit einem Kühlturm 28 statt. Warmwasser H von (aus?) der Quelle 6 fuhrt Wärme zum Fluss Q über den Wärmeaustauscher 8 ab. Die Temperatur des Wassers Q wird in dem Kühlturm 28 vermindert, und die Kälte wird nach G über Fluss P und I über den Wärmeaustauscher 8 abgeführt. Die Kälte wird in der Quelle 4 gespeichert.
Der Kühlturm 28 ist optional und hat keinen direkten Einfluss auf die Klimasteuerung in dem Gewächshaus 10. Der Wärmeüberschuss von Quelle 6 kann auch herangezogen werden; z. B. um ein anderes Gewächshaus zu erwärmen, oder für andere Benutzer.

– 3 zeigt einen schematischen Querschnitt des Gewächshauses.
– 4 zeigt Einzelheiten der Installationen in dem Gewächshaus in einem längsgerichteten Abschnitt.
– 3 und 4 zeigen Teile der Installation für die Luftverteilung in dem Gewächshaus. Die Anbaupflanzen 40 hängen in einer Kulturgitteranordnung 42 Kabel 44 in Bezug auf das Dach 46 des Gewächshauses 10. Luftverteilungsschläuche 48 sind unter der Kulturgitteranordnung 42 angeordnet.

Ein Luftverteilungsschlauch 48 besteht aus einem luftdurchlässigen Material (porenartig oder mit Löchern) worin die Öffnung auf einer Seite geschlossen ist und auf der anderen Seite mit einer Luftversorgungsmaschine wie z. B. ein Lüfter 50 (siehe 4) verbunden ist. Dank dem Überdruck, der durch den Lüfter 50 erzeugt wird, beginnt sich das luftdurchlässige Material zu einer zylinderförmigen Gestalt aufzublähen. Die gelieferte Luft verlässt den Luftverteilungsschlauch durch die Löcher oder das poröse Material.
Während des Kühlzustandes ist die Luft in dem Gewächshaus angewärmt. Der Lüfter 50 drückt diese Luft über V und X durch einen Filter 52 über einen Wärmeaustauscher 54. Im Wärmeaustauscher 54 wird der Luftstrom X gekühlt und zum Luftstrom Y entfeuchtet. Kondenswasser wird in einem Gefäß 56 gesammelt und entwässert. Die entfeuchtete kühle Luft wird durch das Gebläse 50 durch den Wärmeaustauscher 58 in den Luftverteilungsschlauch 48 geblasen.
Der Wärmeaustauscher 58 ist nur in Betrieb, wenn Erwärmung erforderlich ist. Im Falle der nun erfolgenden Entfeuchtung, kann der Wärmeaustauscher 58 die gekühlte Luft zurück auf die Temperatur bringen.
Der Wärmeaustauscher 54 wird mit kaltem Wasser über P von dem kalten Puffer 12 (1) gespeist. Ein flüssiger Fluss Q von dem Wärmeaustauscher 54 führt zu dem Warmer-Tag-Puffer 16.
Während des Kühlbetriebes, wenn eine hohe Wärmeversorgung durch Solareinstrahlung vorliegt, wird eine hohe Zirkulationsflussrate erforderlich, um in dem Gewächshaus 10 die Luft zu kühlen. Die Luft wird angewärmt und wird aufsteigen. Aus Berechnungen geht hervor, dass ein horizontaler Luftstrom zwischen den Anbaupflanzen 40 bei einer Höhe von 1 bis 2 Meter von vergleichsweise kalter Luft in Richtung der Luftaufbereitungseinheit erfolgt.
Dies ist nicht die Absicht, da dann Luft mit einer zu geringen Temperatur bewegt wird. Um diesen „störenden Luftzug" zu unterbinden, sind flexible transparente Partitionen 60 senkrecht auf den Luftverteilungsschlauchen in bestimmbaren Entfernungen angebracht (siehe 3 und 4), welche dann eine Barriere für die horizontalen Luftflüsse bilden. Zwischen den Anbaupflanzen nehmen diese Partitionen 60 eine starre Form ein, während die Teile über den Gehwegen eine flexible Form bilden, sodass Personal und Wagen hindurch passieren können.
Während des Erwärmungszustandes wird die Wärme durch die Wärmepumpe 20, den Gasmotor 22 und, im Falle der Wärmeanforderung, auch durch den Gasboiler 24 bereitgestellt.
Die Wärme der Wärmepumpe 20 wird bei einer Temperatur von ungefähr 40°C oder weniger freigegeben. Diese Wärme kann dem Gewächshaus auf zwei verschiedene Arten zugeführt werden.

1) Die Wärme wird in dem Flüssigkeitsstrom P zu dem Wärmeaustauscher 54 zugeführt und über R um den Wärmeaustauscher 58 zu erwärmen (4). Die Luft X wird durch einen Filter 50 gezogen und entnimmt in dem Wärmeaustauscher 54 Wärme. Die erwärmte Luft Y wird über den Lüfter 50 durch den Wärmeaustauscher 58 als ein Luftstrom Z in den Luftverteilungsschlauch 58 geblasen.

Die gekühlten Flüssigkeitsströme Q und S kehren zurück zu der Wärmepumpe 20.

2) Die Wärme wird in Wärmeleitungen 64 geführt.

Die Wärme des Gasmotors 22 und Gasboilers 24 hat eine hohe Temperatur. Diese Wärme kann auf die gleichen zwei Arten dem Gewächshaus 10 zugeführt werden.
Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, die Wärme Wärmeleitungen 11 (2) zuzuführen. Es ist auch möglich, diese Wärme Wärmeaustauschern 54 und 58 (4) zuzuführen.
Wärmepumpe
Eine Wahl kann aus verschiedenen Typen von Wärmepumpen getroffen werden. Eine Kompressorwärmepumpe kann mit einem elektrischen Motor oder einem Gasmotor eingesetzt werden. Eine gasbefeuerte Absorptionswärmepumpe kann ebenfalls angewendet werden. Die Möglichkeiten und Eigenschaften dieser Systeme werden nachfolgend in der unten stehenden Tabelle gezeigt. Tabelle 1 Typ von Wärmepumpen

Typ Wärmepumpe Antrieb Energieträger Primärenergieverhältnis (PER)

Kompressor¹ elektrisch Elektrizität 250%²

Kompressor¹ Gasmotor Gas 250%³

Absorption Gas Gas 150%

¹ SPF = 5
² Wirkungsgrad als Elektrizitätserzeugung = 50%
³ Elektrizitätsverhältnis 40%, Wärmeverhältnis 50%, Verluste 10%

Wenn eine Kompressorwärmepumpe benutzt wird, beläuft sich SPF auf ungefähr 5. Auf der Basis des zukünftigen zentralen Erzeugungswirkungsgrades von Elektrizität von 50% wird sich der Wirkungsgrad des Primärenergieverhältnisses (PER) von einer Kompressorwärmepumpe auf etwa 250% belaufen. Die Kompressorwärmepumpe kann auch von einem Gasmotor (WKK) angetrieben werden.
Der derzeitige Erzeugungswirkungsgrad von Elektrizität und Wärme, das PER (Primärenergieverhältnis), wird sich auch auf ungefähr 250% belaufen. Bei Benutzung einer gasbefeuerten Absorptionswärmepumpe wird sich das PER auf ungefähr 150% belaufen.

Die verschiedenen Wärmepumpen haben eine Anzahl spezifischer Vorteile und Nachteile. Diese werden in der untenstehenden Tabelle zusammengefasst. Tabelle 2 Typische Vorteile und Nachteile von Wärmepumpen

Typ Wärmepumpe	Antrieb	Vorteil	Nachteil
Kompressor	elektrisch	relativ geringe Investition	Hohe Energiekosten, da Elektrizität des Netzes verwendet wird
Kompressor	Gasmotor	geringere Energiekosten durch Verwendung von Erdgas	relativ hohe Investition
Absorption	Gas	saubere Verbrennung	Energieersparnis geringer aufgrund von geringerem Wirkungsgrad der Wärmepumpe

Elektrische Wärmepumpe
Der COP der Wärmepumpe wird auf der Basis von 50% des theoretischen Wertes (der Carnot Wirkungsgrad) berechnet. (Çcarnot = Tlow/(Thigh – Tlow)
Der COP der Wärmepumpe ist deshalb größtenteils abhängig von der Temperatur des Verdampfers und des Verflüssigers. Die Entwurfsbedingungen für diese Temperaturen betragen jeweils 6°C und 40°C. Der Carnot Wirkungsgrad beträgt dann 9,6, und Berechnungen werden anhand von 50% dieses Wertes erstellt. Die Wärmeausgangsleistung und die zusammenhängende Zufuhrtemperatur und COP können pro Stunde berechnet werden. Alle COPs werden dann gewichtet zu einer Wärmeanforderung und addiert. Das SPF folgt hieraus. Da die Wärmeanforderung oft geringer ist, als der dem Entwurf entsprechende Wert, ist der SPF höher als der COP unter den Unterentwurfsbedingungen. In den Fällen, in welchen die Wärmeanforderung höher ist als dem Entwurfswert entsprechend, wird die zugeführte Temperatur höher und der COP geringer. Es ist beabsichtigt, dass bei einer hohen Wärmeanforderung ein Gasboiler eingesetzt wird, um die zusätzliche Wärme zu erzeugen.
Die Erwärmung kann auch durch freie Konvektion entlang eines Warmkonvektors stattfinden. Die Benutzung erzwungener Belüftung während der Erwärmung erhöht den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers. Im Falle von gleicher Wärmeerzeugung kann entweder ein kleiner Wärmeaustauscher verwendet werden, oder Wärme kann bei einer geringeren Temperatur ausgetauscht werden.
Je geringer die Zufuhrtemperatur zu dem Konvektor ist, desto höher kann der COP für die Wärmepumpe sein. Die exakte Dimensionierung und die Ausführungsform werden in einem späteren Stadium ausgearbeitet werden. Im Augenblick ist die Wahl für eine erzwungene Belüftung während des Kühlens und des Erwärmens getroffen worden.
Die Wärmeaustauscher werden für eine maximale Kühlanforderung ausgelegt, welche nur bei einer geringen Anzahl von Stunden pro Jahr auftritt. Wenn die Wärmeaustauscher zum Erwärmen benutzt werden, wird bevorzugt nur die Basis für die Wärmeanforderung abgedeckt sein. Bei einer höheren Wärmeanforderung wird z. B. ein Gasboiler eingesetzt. Das System wird dann bei einer geringeren Ausgangsleistung benutzt. Die Veränderung der Ausgangsleistung während des Kühlens und Erwärmens kann durch Ändern des Wasserflusses und/oder des Luftdurchflusses durch den Wärmeaustauscher erreicht werden. Frequenzgesteuerte Lüfter werden bevorzugt zu diesem Zweck angewandt, so dass der Wirkungsgrad bei Teillast hoch bleibt. Während des Erwärmens ist es bei Gebrauch einer Wärmepumpe auch möglich, die Ausgangsleitung unter Herabsetzung der Zufuhrtemperatur herabzusetzen, so dass der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ansteigt.
Aktive Entfeuchtung über eine kalte Oberfläche kostet Energie, da die Kondensationswärme zusammen mit fühlbarer Wärme abgeführt werden muss. Diese Wärme kann abgeführt werden durch:

– die Wärmepumpe 20 (2)
– Kühlen mittels des Grundwasserleiters 2 (2)

In beiden Fällen ist es wichtig, dass mittels aktiver Konvektion feuchte Luft aus dem Gewächshaus durch einen kalten Wärmeaustauscher abgeführt wird. Berechnungen zeigen, dass diese zusätzliche Energie ungefähr für beide Entfeuchtungsverfahren gleich ist, und sich auf ungefähr 0,8 MJ/kg Wasser beläuft.
Wenn ein Hitzeüberschuss im Gewächshaus vorliegt, macht es keinen Sinn, die Wärme in das Gewächshaus zurückzuführen. Die Entfeuchtung mit kaltem Wasser eines Grundwasserleiters erfordert nur zusätzliche Energie, die benötigt wird, um das Wasser zu pumpen. Ein Durchschnittswert der benötigten zusätzlichen Energie beträgt 4% der Menge an gepumpter Wärme. Die Kondensation von 1 kg Wasser erzeugt 2,3 MJ Wärme. Wenn sich die zusätzliche Energie auf 4% beläuft, entspricht dies 0,1 MJ/kg Wasser.
Die Erfinder haben Berechnungen angestellt auf der Basis eines geschlossenen Gewächshauses, aus dem keine Feuchtigkeit durch Belüftung beseitigt wird. Die zugrundeliegende Annahme ist der Wasserverbrauch von Tomaten, welcher 640 kg/m²/Jahr beträgt. Ein Teil davon wird an dem Dach des Gewächshauses kondensieren.
In einem traditionellen Gewächshaus mit Tomaten als Anbaupflanzen beläuft sich die Abführung durch Kondensation an dem Gewächshausdach im Durchschnitt auf etwa 20 g/m²/Stunde, oder 175 kg/m²/Jahr. In einem geschlossenen Gewächshaus nach der vorliegenden Erfindung wird dieselbe Menge an Abführung durch Kondensation an dem Gewächshausdach angenommen. Ein weiterer Betrag von 465 kg/m²/Jahr (= 640 – 175) muss deshalb abgeführt werden. Ein großer Teil davon wird abgeführt, wenn keine Wärmeanforderung besteht. Einer groben Schätzung zufolge sind dies etwa 75% oder 350 kg. Dies benötigt 0,1 MJ/kg H₂O zusätzlicher Energie. Die verbleibenden 115 kg werden abgeführt, solange auch eine Wärmeanforderung besteht. Die zusätzliche Energie zu diesem Zweck beläuft sich auf 115 kg/m²/Jahr × 0,8 MJ = 92 MJ/m²/Jahr oder 920 GJ/ha/Jahr. Ein Vorteil eines geschlossenen Gewächshauses gegenüber einem offenen Gewächshaus besteht darin, dass kein Wasserverlust durch Verdunstung auftritt. Das Wasser, das durch die Erntepflanzen aufgenommen wird, und das wieder verdunstet, wird durch Kondensation an dem Gewächshausdach und in den Wärmeaustauschern wiedergewonnen. Nur das Wasser, das von den Anbaupflanzen gespeichert wird, muss von außerhalb zugeführt werden. Dies ist besonders interessant für Regionen, die in nicht angemessener Weise an fossilem Grundwasser teilhaben können, und davon Gebrauch machen können.
Es gibt einen jährlichen Wärmeüberschuss. Es ist nicht beabsichtigt, dass der Boden dauernd aufgewärmt wird. Es ist deshalb notwendig, dass zusätzliche Kühlung stattfindet.
Eine Lösung hierfür ist es, mit einem Verdunstungskühlturm zu kühlen. Das Wasser zum Kühlen wird oberhalb der Feuchttemperatur der Umgebung nicht ausreichend gekühlt. Die Kühlausgangsleistung eines Kühlturms 28 (2) ist nicht höher, als die Ausgangsleistung, die der Grundwasserleiter verarbeiten kann. Auf diese Weise kann der Grundwasserleiter in einem geschlossenen Kreislauf gekühlt werden, und eine Pufferung außerhalb des Grundwasserleiters ist nicht erforderlich.
Die (Kalter- und Warmer-) Tag-Puffer können sowohl eine unterirdische Ausbildung als auch eine oberirdische Ausbildung haben. Die billigste Lösung besteht in der Verwendung von zwei Wasserbecken (ein kaltes und ein warmes), wobei jedes ein Volumen von ungefähr 2000 m³ hat. Diese Becken können abgedeckt sein, um Kontamination und Verdunstung zu verhindern. Solch ein Becken muss nicht isoliert sein. Es ist auch möglich, von der Untergrundspeicherung Gebrauch zu machen oder die Wärme und Kälte in einem Speicher, der eine Schicht darstellt, vorzunehmen.
Der Wärmeverlust in dem warmen Becken durch Konvektion, Verdunstung, Leitung und Ausstrahlung beträgt im Durchschnitt ungefähr 16 GJ/m²/Tag. Die Temperatur des Wassers kann hierbei um maximal 2°C bezogen auf einen Zeitraum von 24 Stunden sinken.
Durch Solareinstrahlung gelangen etwa 18 MJ/m²/Tag in das kalte Becken. Bei einer Tiefe von 2 Meter bedeutet dies 2000 Liter Wasser pro m². Die Temperatur des Wassers kann hierbei maximal um 2°C pro Zeitraum von 24 Stunden ansteigen.
Die angenommenen Temperaturwechsel pro Zeitraum von 24 Stunden sind hoch genug, um eine Abdeckung zu rechtfertigen. Im Falle des „Warmer"-Tag-Puffers sind dabei insbesondere die Verluste durch Verdunstung reduziert. Die gesamten Wärmeverluste sind ungefähr halbiert. Im Falle des „Kalter"-Tages-Puffers wird erwartet, dass ein größerer Teil der Erwärmung verhindert werden kann.
Ausgangsleistungsberechnung
Erwärmung
Mit dem Gewächshausdach, wie es in diesem Gewächshaus verwendet werden wird, beträgt die maximale Wärmeanforderung 220 W/m² oder 2,2 MW/ha. Ungefähr die Hälfte dieser Ausgangsleistung, die Grundwärmeanforderung, wird von einer Wärmepumpe geliefert werden. Die Aufteilung der Wärmeversorgung durch die Wärmepumpe und des Gasboiler ist nicht festgelegt.
Wärmepumpe
Elektrische Kompressorwärmepumpe
Die maximale Wärmeanforderung, z. B. 1100 KW wird bei einer Zuführtemperatur von etwa 40°C geliefert. Die COP beträgt dann 4, die gelieferte Ausgangsleitung durch die Wärmepumpe beträgt 275 KW_elektrisch.
Gasmotor mit elektrischer Wärmepumpe
Bei einem elektrischen Wirkungsgrad von 40%, einem thermischen Wirkungsgrad von 50% und einem COP von 4,0 wird die gelieferte Ausgangsleistung des Gasmotors ungefähr 225 KW_elektrisch (Wärmepumpe liefert 225 × 4 = 900 KW Wärme betragen. Bei 225 KW_elektrisch beläuft sich der Energieinhalt von Gas auf 225/0,4 = 563 KW, bei einem thermischen Wirkungsgrad von 50% beläuft sich die Wärme durch das Kühlen des Wassers auf 280 KW_th. Die gesamte Wärmelieferung beläuft sich dabei auf 900 + 280 = 1180 KW_th).
Gasbefeuerte Absorptionswärmepumpe
Bei einer thermischen Ausgangsleistung von 2200 KW und einem PER von 150% benötigt die Wärmepumpe 1470 Kilowatt Wärme, welche durch Erdgas geliefert wird.
Gasboiler für die Spitzenanforderung
Der Gasboiler liefert die Wärme, wenn die Wärmeanforderung höher als 50% der Spitzenanforderung ist. Die Ausgangsleistung des Gasboilers liegt hierbei bei ungefähr 1100 KW.
Kühlen
Die maximale Kühlanforderung beläuft sich auf 700 W/m² oder 7 MW/ha. 18.2000 JG/ha Wärme wird abgeführt.
Entfeuchtung
Die Entfeuchtungsausgangsleistung der Wärmetauscher beläuft sich ungefähr auf 6000 kg/ha/Stunde unter Entwurfsbedingungen. Die Entfeuchtungskapazität beläuft sich auf 600 g/m²/Stunde. Dies ist ungefähr das Gleiche, wie die maximale Verdunstung, die in einem Gewächshaus mit Tomaten auftreten kann.
Grundwasserleiter

Die Ausführung erfolgt in Form einer Dublette (zwei Bohrlöcher). Die nach dem Entwurf vorliegende Flussrate beträgt 150 m³ pro Stunde. Bei einer Temperaturdifferenz von 12°C beträgt die Ausgangsleistung 2,1 MW. Der Grundwasserleiter liefert ungefähr 18.200 GJ Kühlleistung im Sommer bei einem Speicherungsgrad von 90%, ungefähr 16.400 GJ an Wärme im Winter. Ein Teil der Wärme wird benötigt, um das Gewächshaus zu erwärmen, der Rest wird durch Kühlung in einem Kühlturm abgeführt, oder verwendet für eine Wärmeanforderung einer Partei in der Nachbarschaft. Nach dem Wärmeentzug wird es als kaltes Wasser in den Grundwasserleiter gepumpt. Die Anzahl an Volllaststunden beträgt sowohl für das Kühlen als auch für das Erwärmen ungefähr 2500 Stunden pro Jahr, insgesamt daher 5000 Stunden. Tabelle 5 Energieflüsse in verschiedenen Arten von Wärmepumpen

Kühlanforderung Gewächshaus 18.200 GJ Wärmeanforderung Gewächshaus 15.800 GJ	Grundwasserleiter (GJ/Jahr)¹	Wärmepumpe (GJ/Jahr)	Kühlturm (GJ/Jahr)
Typ von Wärmepumpe
elektrische Wärmepumpe	12200	31002	4100
Gasmotor Wärmepumpe	9200	6200	7200
Gasbefeuerte Absorptionswärmepumpe	5200	10300	11200

¹ Wirkungsgrad der Speicherung im Grundwasserleiter beträgt 90%
² Elektrische Energie, Primärenergieverbrauch beläuft beträgt 6200 GJ/Jahr

Tabelle 5 zeigt, dass die elektrische Wärmepumpe dem Grundwasserleiter die meiste Wärme entzieht. Die zusätzliche Kühlung durch den Kühlturm ist relativ gering. Bei einer gasbefeuerten Absorptionswärmepumpe ist genau das Gegenteil der Fall; der Beitrag des Grundwasserleiters ist relativ gering, während die meiste Wärme über den Kühlturm entzogen wird.
Im Falle, dass ein Gasmotor mit einer elektrischen Wärmepumpe benutzt wird, liegen die Wärmeströme zwischen diesen zwei Extremen.
Tages-Puffer
Die zwei Tages-Puffer haben jeweils ein Volumen von ungefähr 2000 m³ (für 1 ha Gewächshaus). Die Kühlanforderung des Gewächshauses beläuft sich auf ein Maximum von 7 MW. Bei einer Temperaturdifferenz von 12°C erfordert dies eine Flussrate von 500 m³.
Kühlturm
Der Grundwasserleiter speichert den Wärmeüberschuss im Sommer. Wenn möglich, wird so viel Wärme wie möglich schon durch Kühlen in der Sommerperiode während kalter Nächte entzogen. Der Wärmeüberschuss im Grundwasserleiter nach dem Sommer wird durch Kühlen während des Winters entzogen. Der Wärmeüberschuss hängt von Typ der benutzten Wärmepumpe ab und beläuft sich auf etwa 4,000 bis 11,000 GJ/ha (siehe Tabelle 5).
Das Kühlen findet mit einem Kühlturm unter folgenden Bedingungen statt:

T_Belieferung: 18°C
T_Abfluss: 6°

Das Kühlen findet statt, wenn die feuchte Temperatur (T_nb) 3°C oder niedriger ist. Dies tritt auf bei 18% der Zeit, oder 1613 Stunden pro Jahr. Die maximale Kühlausgangsleistung darf nicht höher sein, als die Ausgangsleistung des Grundwasserleiters (2,1 MW). Auf diese Weise können ungefähr 12,000 GJ durch Kühlen entzogen werden. Dies ist ausreichend, um den Wärmeüberschuss des Grundwasserleiters durch Kühlen zu ermöglichen, wenn irgendeine Art von Wärmepumpe eingesetzt wird.
Die Kosten eines solchen Kühlturms belaufen sich auf ungefähr ∫ 50,000.-/MW. Der Energieverbrauch beträgt 1% der Kühlausgangsleistung.
Energieverbrauch
Es folgt nun ein Vergleich zwischen dem Energieverbrauch in einem Referenzgewächshaus und einem geschlossenen Gewächshaus mit Klimasteuerung wie in diesem Bericht vorgeschlagen.
Der Energieverbrauch wird auf der Basis eines durchschnittlichen Klimajahres berechnet (TRY De Bit). Die jährliche Wärme- und Kühlanforderung wird auf der Basis einer Anzahl von Kennwerten berechnet (siehe Tabelle 5). Diese Wärme- und Kühlanforderungen werden als eine Grundvoraussetzung zum Berechnen der Energieflüsse für alle Konzeptionen verwendet; mit Ausnahme der Referenzsituation.
Referenzgewächshaus
Die Kühlung wird durch Belüftung über Lüftungsfenster herbeigeführt. Dieses kostet keinerlei zusätzliche Energie.
Die Erwärmung wird durch ein Wärmenetzwerk mit einer Ausgangsleistung von 2200 KW herbeigeführt.
Die Belüftung sorgt für das Kühlen in dem Gewächshaus.
Die Entlüftung findet durch Belüften und Kondensation mit dem Gewächshausdach statt.
CO₂ wird durch Verbrennen von Erdgas geliefert. Außerhalb der Erwärmungsperiode wird Erdgas zu diesem Zweck verbrannt, und die freigegebene Wärme wird in einem isolierten Tag-/Nachtpuffer gespeichert. Der zusätzliche Gasverbrauch zur Lieferung von CO₂ ist festgelegt auf 10 m³/m²/Jahr. Es wird kein Angleichungslicht verwendet.
Geschlossenes Gewächshaus nach der vorliegenden Erfindung
Der Ausgangspunkt des geschlossenen Gewächshauses ist derselbe Typ Gewächshausdach und Abschirmung wie das Referenzgewächshaus. Da die Belüftungsfenster und die damit zusammenhängenden Betriebsgestänge wegfallen, ist der Lichteinfall geringfügig höher, als in dem Referenzgewächshaus. Die Luftverteilungseinheiten (insbesondere die Luftverteilungsschläuche) sind in oder auf dem Boden des Gewächshauses angeordnet, so dass sie den Lichteinfall nicht beeinflussen.

In der Berechnung des Energieverbrauches wird ein Einfachglasdach zugrunde gelegt, und zukünftige Gewächshausdachkonstruktionen sind so bisher nicht eingeschlossen. Tabelle 6 Grundlegende Annahmen für das offene Referenzgewächshaus und das geschlossene Gewächshaus

Isolation der Gewächshausanordnung	Referenzgewächshaus	geschlossenes Gewächshaus
Dach ohne Abschirmung	8 W/m²K	8 W/m²K
Dach mit Abschirmung	5 W/m²K	5 W/m²K
Wände	5 W/m²K	5 W/m²K
Lichtdurchlass	70%	75%

Abschirmung geschlossen	Solareinstrahlung < 222 W/m²	Solareinstrahlung < 222 W/m²
Abschirmung offen	Solareinstrahlung > 222 W/m²	Solareinstrahlung > 222 W/m²
Wirkungsgrad Boiler	100% o. w.	n. a.
Primärenergieverbrauch	62.1 m³/m²/Jahr	siehe Tabelle

Für das geschlossene Gewächshaus sind zusätzliche Annahmen zugrunde gelegt:

– Elektrische Kompressorwärmepumpe: SPF = 5
– Wirkungsgrad der zentralen Erzeugung von Elektrizität: 40%
– Wirkungsgrad der Erzeugung von Elektrizität WKK: 40%
– Gasbefeuerte Absorptionswärmepumpe: PER = 150%
– Volumen von Tag-Puffern: 2 × 2000 m³

Tabelle 7 zeigt den Energieverbrauch des geschlossenen Gewächshauses in Vergleich zu dem des herkömmlichen Gewächshauses.
Berechnungen für drei verschiedene Fälle der Zuführung von Wärme zu dem geschlossenen Gewächshaus wurden angestellt. Diese sind:

– Kompressorwärmepumpe mit Elektrizität aus dem Versorgungsnetz;
– Kompressorwärmepumpe mit Gasmotor und Generator;
– Absorptionswärmepumpe mit Erdgas als Wärmequelle.

Tabelle 7 Energieverbrauch des geschlossenen Gewächshauses für drei Bauarten von Wärmepumpen in Bezug auf den Energieverbrauch in einem herkömmlichen Gewächshaus

	elektrische Wärmepumpe				Wärme und Leistung Wärmepumpen	gasbefeuerte Absorptionswärmepumpe
Kühlung (GJ/ha/Jahr)	elektr.		elektr. primär			elektr. primär
Aufwärtspumpen von kaltem Grundwasser	428	8%	428	856	8%	428	856	6%
Aktive Konvektion zur Wärmeaustauschung	364	6%	364	728	6%	364	728	5%
Zwischensumme	792	14%	792	1584	14%	792	1584	10%
Erwärmung (GJ/ha/Jahr) Aufwärtspumpen von erwärmtem Grundwasser	310	5%	310	619	5%	310	619	4%
Wärmepumpe	3098	55%	6185	6185	55%	10339	10339	68%
Aktive Konvektion Wärmeaustauschung	475	8%	475	949	8%	316	633	4%
Kühlturm	41	1%	41	83	1%	112	224	1%
Entfeuchtung und Erwärmung	930	16%	930	1860	16%	930	1860	12%
Zwischensumme	4854	86%	9696	86%		13675	90%
Gesamt (GJ/ha/Jahr)	5646	100%
Wirkungsgrad Elektrizität	50%		50%			50%
Primär (GJ/ha/Jahr)	11291			11280	100%		15259	100%
Primärenergieverbrauc h Geschlossenes Gewächshaus (aeq/m2/Jahr)
Primärenergieverbrauch	35.8		35.6			48.2
Referenzgewächshaus
(aeq/m²/Jahr)	61,5		61,5			61,5
Differenz	–42%		–42%			–22%

¹ Das Auffüllen des Tag-Puffers ist Teil des Kreislaufs mit dem Grundwasserleiter

Bei Gebrauch der elektrischen Wärmepumpe beträgt der Rückgang des elektrischen Primärenergieverbrauchs etwa 42%. Das Verfahren des Belieferns der Elektrizität von der Netzversorgung oder von einem Gasmotor hierzu hat kaum einen Einfluss auf den Primärenergieverbrauch, unter der Annahme der vorgegebenen grundsätzlichen Prinzipien.
Wenn eine gasbefeuerte Absorptionswärmepumpe benutzt wird, beträgt der Rückgang an Primärenergieverbrauch ungefähr 22%. Die Energieersparnis ist viel geringer als beim Gebrauch einer Kompressorwärmepumpe, weil der Wirkungsgrad (PER) einer Absorptionswärmepumpe geringer ist, als jener einer Kompressorwärmepumpe (unter der Annahme vorgegebener grundsätzlicher Prinzipien).
Die zusätzlichen Investitionskosten einer Klimaanlage des geschlossenen Gewächshauses mit einer gasbefeuerten Absorptionswärmepumpe wurden nicht bestimmt.
Alternative Varianten
Mögliche Alternativen des grundsätzlichen Konzeptes sind:
Gewächshausdachanordnung mit geringem Wärmedurchlass (ZTA) und hohem Lichtdurchlass (LTA)
Der Wärmeüberschuss im Sommer kann beschränkt werden durch Verwendung von Glas mit einem geringen ZTA und einem hohen LTA. Das Durchlässigkeitsspektrum des Glases muss jedoch mit dem Spektrum, das die Anbaupflanzen für das Wachstum benötigen, übereinstimmen. Mögliche Herabsetzungen des Lichteinfalles müssen durch bessere Kulturbedingungen in Bezug auf CO₂ und die Feuchtigkeitshandhabung (%RH) ausgeglichen werden.
Erwärmen und Kühlen der Tages-Puffer
Während eines Zeitraums, in dem das Kühlen und Erwärmen innerhalb eines Zeitraums von 24 Stunden nötig ist, kann von Tages-Puffern Gebrauch gemacht werden. Die Wärmeanforderung am Morgen wird von dem Warmer-Tag-Puffer geliefert, wonach das gekühlte Wasser in einem Kalter-Tag-Puffer gespeichert wird.
Dieses kalte Wasser kann während des Tages benutzt werden, um das Gewächshaus zu kühlen. Das derart erwärmte Wasser wird wiederum in dem Warmer-Tag-Puffer gespeichert.
Diese Verfahren des Erwärmens und Kühlens setzen den Energieverbrauch für das Pumpen von und zu dem Grundwasserleiter herab. Die möglichen Energieeinsparungen sind bis jetzt noch nicht berechnet worden. Zusätzlich ist die Wechselwirkung mit dem Grundwasserleiter noch keiner Nachforschung unterzogen worden.
Kühlen mit gasbefeuerter Wärmepumpe und Speichern von Wärme bei höheren Temperaturen
Um die Durchflussmenge und das Speichervolumen auf der warmen Seite des Tagesspeichers und dem Grundwasserleiter zu begrenzen, kann die Wärme auch bei einer höheren Temperatur als 18°C gespeichert werden. In diesem Fall wird das Kühlen des Gewächshauses mit einer gasbefeuerten Absorptionswärmepumpe oder einer Gasmotor-/Kompressorwärmepumpe vorgenommen. Die Wärme wird bei einer Temperatur gespeichert werden, welche danach unmittelbar zum Erwärmen geeignet ist (40 bis 50°C).
Der Vorteil des Kühlens mit einer gasbefeuerten Wärmepumpe ist der, dass die Erzeugung von CO₂ in dem Augenblick, wenn eine hohe CO₂-Nachfrage besteht, erfolgt. Die erzeugte Wärme kann in dem Warmer-Tag-Speicher oder in dem Grundwasserleiter gespeichert werden. Ein Nachteil ist jener, dass der Wärmeüberschuss im Sommer zunimmt, und dieser Überschuss muss wiederum durch Kühlen im Winter abgeführt werden. Dieser Nachteil wird teilweise vermieden, wenn der Wärmeüberschuss an eine dritte Partei geliefert werden kann.
Anwendung in anderen klimatischen oder anderen geologischen Bedingungen
Das Prinzip des Anwendens von miteinander in Verbindung stehenden Tag-Puffern in Verbindung mit einer saisonbezogenen Speicherung kann auch unter Bedingungen vorgenommen werden, die anders sind, als in den Niederlanden.
Ein trockenes und warmes Klima wie in Südeuropa
Die Abführung des täglichen Wärmeüberschusses durch Kühlen im Sommer kann möglicherweise auch in einem solchen Klima durch größere Tagespuffer in Verbindung mit einem relativ kleinen saisonalen Speicher ausgeführt werden. Wenn eine relativ geringe Luftfeuchtigkeit vorherrscht in der Nacht während der Monate, während denen eine große Wärmezufuhr während des Tages vorliegt, kann der Überschuss durch Kühlen in der Nacht beseitigt werden. Unnötiges Speichern und Kühlen in den kalten Monaten kann hierbei vermieden werden.
Ein kälteres Klima wie z. B. in Nordeuropa
Falls es ein jährliches Wärmedefizit gibt, ist die Anwendung einer gasbefeuerten Absorptionswärmepumpe attraktiver. Dort wird dann auch keine oder kaum zusätzliche Kühlung im Winter erforderlich, so dass das die ganze Erwärmung, der saisonabhängige Überschuss und die Wärme aus Erdgas für das Gewächshaus benutzt werden.
Kein Grundwasserleiter verfügbar
In Regionen, wo keine Grundwasserleiter verfügbar sind, wird die Anwendung eines saisonalen Speichers in Form von Bodenwärmeaustauschern in Betracht gezogen. Da die Speicherausgangsleistung und die Speicherkapazität geringer sind als beim Gebrauch eines Grundwasserleiters, ist der Anwendungsbereich begrenzt. In Fällen, in denen die Solareinstrahlung begrenzt ist durch klimatische Bedingungen oder durch den Ausschluss der größten Solareinstrahlung, wird die Wahrscheinlichkeit größer sein, Grund- bzw. Bodenwärmeaustauscher einzusetzen.
Austausch mit der Umgebung
Ein geschlossenes Gewächshaussystem kann Energie mit der unmittelbaren Umgebung austauschen. Diese unmittelbare Umgebung kann gebildet werden durch umgebende Gärtnereigewächshäuser, Häuser und industrielle Gebäude. Der Austausch kann sich z. B. beziehen auf den jährlichen Überschuss oder die Versorgung von überschüssiger Elektrizität, wenn von einem Gasmotor mit Generator Gebrauch gemacht wird.
Hinsichtlich der Handhabung von Wasser in dem Gewächshaus, insbesondere in Ländern wo fossiles Wasser benutzt wird, kann ein geschlossenes Gärtnereigewächshaus benutzt werden, um die Erschöpfung von Wasserquellen zu verhindern. Bei Vorgabe der anderen klimatischen Bedingungen wird eine zusätzliche Studie herausgearbeitet werden müssen, um eine korrekte Dimensionierung von unterschiedlichen Komponenten mit dem beschriebenen Konzept der Klimasteuerung zu haben.
Beispiel
Grundsätzliche Bedingungen des Berechnungsmodells
Das Berechnungsmodell basiert auf dem Testreferenzjahr (TRY) von De Bit.
Berechnungen wurden mit stündlichen Werten der Außentemperatur der Solareinstrahlung (direkt und indirekt) und der relativen Luftfeuchtigkeit erstellt.

Die Annahmen, bzw. Grundlagen des Rechnungsmodells sind: Energiegrundlagen Referenz

Wärmedefizit	15824 GJ/ha/Jahr
Wirkungsgrad	100%
zusätzliche Energiewasserpumpen	1,5%
Spitzenanforderung	220 W/m²
primärer Energieverbrauch	16299 GJ/ha/Jahr
	51,5 m³/ha/Jahr

Allgemein

Wirkungsgrad zentrale Energieerzeugung	50%
Gewächshaustemperatur	20°C
Energieinhalt Erdgas (ow)	31,65 MJ/m³

Wärmepumpe

elektrische Kompressorwärme
COP	50% des Carnot-Wirkungsgrads
Gasbetriebene Absorptionswärmepumpe
PER	150% Festwert

Gasmotor
Wirkungsgrad Wärme	50%
Wirkungsgrad Elektrizität	40%
Wärmeverluste	10%
SPF	495%

Generator
Erzeugungswirkungsgrad	90%

Kühlen
aktive Konvektion
zusätzliche Energie	2% des Q-thermal

Erwärmen
aktive Konvektion
zusätzliche Energie	3% des Q-thermal

Entfeuchtung
Ableitung zum Grundwasser	0,3 MJ/kg H₂O
Entfeuchtung und Erwärmung	0,8 MJ/kg H₂O
Menge zur Ableitung	640 kg/m²/Jahr
Kondensation an Gewächshausanordnung	175 kg/m²/Jahr
als Teil latenter Wärme	465 kg/m²/Jahr
zusätzliche Ableitung	116.25 kg/m²/Jahr

Co₂-Zuführung in dem Referenzgewächshaus

zusätzliche Einspeisung	10 m³/m²/Jahr
Energieverbrauch	3165 GJ/ha/Jahr

Belüftung

Einspeisungstemperatur	16°C
Druckabfall über Eingangsfilter	100 Pa
Druckabfall über Auslasspfad	100 Pa
Wirkungsgrad Luftpumpe	50%

Speicherung

Grundwasserleiter
Wirkungsgrad Grundwasserpumpe	80%
Wirkungsgrad Speicherung	90%

Bodenwärmeaustauscher

Wirkungsgrad Speicherung 90%

Kühlturm

T-in	20°C
T-out	8°C
zusätzliche Energie	1% der Kühlausgangsleistung

Wärmeaustauscher

Temperaturdifferenz
Wasser/Luft	5°C
Wasser/Wasser	2°C

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorangehende Beschreibung; die nachgesuchten Rechte sind definiert durch die folgenden Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Steuern des Klimas in einem Gärtnereigewächshaus, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärtnereigewächshaus ein geschlossenes Gärtnereigewächshaus ist, in dem Wärme und Feuchtigkeit entfernt werden, ohne die CO₂-Konzentration zu verringern durch Anwendung kommunizierender Tagpuffer in Kombination mit einem Grundwasserleiter oder Grundwärmetauscher, wobei ein Wärmetauscher den Wärmeaustausch zwischen dem Grundwasserleiter oder den Grundwärmetauschern und den Tagpuffern vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die kommunizierenden Tagpuffer zumindest einen Kalter-Tag-Puffer und einen Warmer-Tag-Puffer umfassen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, umfassend die Verwendung von zumindest einem Grundwasserleiter.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die kommunizierenden Tagpuffer unterirdisch angeordnet sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei die kommunizierenden Tagpuffer in der Form eines geschichteten Speichers in einem Puffer vorliegen.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die CO₂-Konzentration um die 1000 ppm gehalten wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 2–6, wobei das Entfernen von Wärme erreicht wird über einen Wärmetauscher in dem Gewächshaus, teilweise über einen kontinuierlichen Fluss über den Kalter-Tag-Puffer und teilweise durch Ausleeren des Kalter-Tag-Puffers in den Warmer-Tag-Puffer.
Geschlossenes Gärtnereigewächshaussystem, umfassend Mittel zum Entfernen von Wärme und Feuchtigkeit aus einem Gärtnereigewächshaus (10), ohne die CO₂-Konzentration zu verringern, wobei die Mittel kommunizierende Tagpuffer (12 und 16) und einen Grundwasserleiter (2) umfassen, wobei der Grundwasserleiter eine Kältequelle (4) und eine Wärmequelle (6) in Kommunikation miteinander (A und B) umfasst und Mittel für die kommunizierenden Tagpuffer, um Wärme mit dem Grundwasserleiter auszutauschen (Kreislauf CDEF).
Mittel nach Anspruch 8, wobei das Gärtnereigewächshaus (10) ein geschlossenes Gärtnereigewächshaus ist.
Mittel nach den Ansprüchen 8 oder 9, wobei die Mittel für die kommunizierenden Tagpuffer zum Wärmeaustauschen mit dem Grundwasserleiter aus einem Wärmetauscher (8) bestehen.