Energiekosten im Betrieb eines Gewächshauses

Wenn Sie den ganzjährigen Betrieb einer Aquaponikanlage oder Hydroponikanlage planen, spielen die Energiekosten eine große Rolle. Da Gewächshäuser nur über eine sehr geringe Wärmedämmung verfügen, muss hier genau kalkuliert werden. Dazu kommt das die gewonnene Energie durch Sonneneinstrahlung nicht vorhersagbar sind. Zu der Berechnung des nötigen Energiebedarfs hat das Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL) einen Fachartikel herausgebracht der die Kalkulation wesentlich vereinfacht. 

Bevor Sie sich für eine Energieart entscheiden müssen Sie unter anderem folgende Faktoren berücksichtigen bzw. mit in Ihre Kalkulation einbeziehen. Hier gibt es viele Unwägbarkeiten.

• Standort: Sonnenscheindauer, Einfallswinkel, Umgebungstemperatur, etc
• Gesetzgebung: Energiesteuer, Lieferkosten, Grundkosten, etc.
• Betriebskosten: Wartung, Ersatzteile, Laufzeit, etc.
• Klimazone: Temperaturverlauf im Jahr und seine Schwankungen

Beispielrechnung

Wasser

Die Wärmekapazität von Wasser beträgt (lt. Wiki) 4,183 kJ/(kg*K). Das heißt, um 1l Wasser um 1 Grad zu erwärmen sind 4,183 KJ Energie nötig (1 Kcal). 1J entspricht einer Ws - dh 1kJ entspricht 1kWs und 3.600 kWs ergeben 1 kWh. Um 1000l Wasser um 10 Grad zu erwärmen braucht es also 4.183 (4,183*1000*10) kWs, was rund 10,16 kWh entspricht (/3600). Bei 20° Erwärmung entsprechend doppelt so viel.

Luft

Eine Gewächshausanlage mit 1000 m² (Stehwandhöhe 3 m) Grundfläche am Standort Hannover mit  Einfachglasbedachung und Energieschirmeinsatz ausgelegt für eine Innentemperatur von 20 °C (und minimal -14 °C Aussentemperatur ~ ∆T = 34 K) kommt auf etwa 350 kWh Energiebedarf.  Beispielrechnung siehe hier.

Als Faustregel kann man bei einem Wärmebedarfskoeffizient (Ucs) mit 6,1 W/(m2 K) etwa 35 kWh pro 100 Quadratmeter rechnen. Bitte beachten Sie bei einer Kalkulation für Ihr Gewächshaus sämtliche Faktoren. Hier eine kurze Übersicht der Dämmung:

Ucs-Werte zur Berechnung des Wärmebedarfs

1) Energieeinsparwirkung nur zur Hälfte berücksichtigt.

Eine Liste von Dämmstoffen finden Sie hier.

Hier eine kurze Übersicht der verschiedenen Energieträger, Preise, Umrechnungen und Bedeutungen von Fachbegriffen

Butan hat den Nachteil, das es ab Temperaturen unter 0 Grad nicht mehr gasförmig vorliegt und somit nicht mehr aus der "Flasche" kommt.

Energiekennwerte vergleichen - Rechenbeispiel:

Verbrauchs-Beispiel: Leistung Heizgerät: 20,00 KW
Heizleistung Propan: 12,87 KWh/kg = Verbrauch Propan: 1,55 kg/h.

Was ist der Unterschied zwischen Heizwert und Brennwert ?

Ein Brennwertkessel entzieht auch den Abgasen aus der Verbrennung von Öl oder Gas noch einmal Wärmeenergie, die in den Heizkreislauf eingespeist wird. Dagegen nutzt ein Heizkessel, der nicht über diese Technologie verfügt, den Energiegehalt des Brennstoffes nur einfach. Somit lässt er wertvolle Energie ungenutzt durch Ihren Schornstein entweichen. Genau dieser Effizienzunterschied lässt sich mit den Kennzahlen Heizwert und Brennwert beziffern.

Also: Der Heizwert beschreibt den Energiegehalt eines Stoffes, der sich durch einfaches Verbrennen als Wärme nutzbar machen lässt. Laut Brennwert Definition gibt der Wert dagegen an, wie viel Wärmeenergie eine modernen Heizung gewinnen kann, wenn sie auch den Verbrennungsabgasen Energie entzieht.

Preisverlauf

Preisverlauf Stand 2022-02

Bei der Entscheidung wie und mit was geheizt werden soll, müssen die Umrüstungskosten zwingend mit berücksichtigt werden. Eine Umstellung von einem Versorgungsmedium, erzwungen durch Preisentwicklung oder juristische Regeländerungen, sollte immer im Auge behalten werden. Bedenken Sie auch das Förderungen in der BRD stets abhängig von der aktuellen Politik sind. Hier sind bereits viele Unternehmen auf der Strecke geblieben, die sich auf staatliche Förderung verlassen haben (Solarzellen, Windkraft, etc)

Hier eine Fallstudie aus: https://www.fh-swf.de/media/neu_np/fb_aw_2/dozentinnen/professorinnen_2/lorleberg/projekte_masterstudiengang/Report_Planung_Aquaponik-Demonstrationsanlage_2015.pdf

Beispielberechnung

Energetische Bewertung
Im folgenden Teil wird der Wärmebedarf für die genutzten Gebäudeteile berechnet. Dazu wurden alle relevanten Wände und die Grundfläche der Räume für die Hydrokultur und die Fischzucht vermessen und berechnet. Im
nächsten Schritt wurden die Wärmeverluste, die über die Gebäudeteile entweichen, berechnet. Dabei ist anzumerken, dass die Verlust- bzw. Wärmeberechnung von einer ganzen Reihe an Faktoren abhängt. Eine genaue Berechnung ist alles andere als trivial, da vor allem die solaren Gewinne durch Sonneneinstrahlung, die Lüftungsraten und die Wirkungsgrade der Heizungsanlage nur abschätzend betrachtet werden können. Außerdem liegen die genutzten Räume innerhalb des gesamten Gebäudekomplexes, und es kann damit gerechnet werden, dass eine indirekte „Mitbeheizung“ der genutzten Räume durch eindringende Wärme der anderen Gewächshausräume erfolgt. Ein weiterer wichtiger Faktor sind die Außentemperaturen im Winter und Frühjahr. Um eine genaue Berechnung der voraussichtlich entstehenden Kosten durchführen zu können, bräuchte man zukünftige, exakte Temperaturverlaufs-Werte, die dann in eine Wärmebedarfsermittlung fließen würden. 

Es bleibt also zu beachten, dass die folgenden Werte aufgrund der Komplexität nur annäherungsweise errechnet werden konnten.

Gewächshaus – Flächen und Rauminhaltberechnung

Im folgenden Teil sind die Berechnungen der Wand- und Dachflächen sowie der Raumvolumen angegeben.
Berechnungen für die „Hydrokulturseite“ 

Grundfläche des Raumes (ohne Berücksichtigung der innenliegenden Betonaufkantung):
8,60m x 4,80m= 41,3 m²

Volumen des Raumes:
41,3m² x 2,6m (bis Traufe)= 107,38 m³
41,3m² x 0,9m /2 (Dachraum)= 18,58 m³

107,38+ 18,58= 125, 96m³ Raumvolumen

Erste Außenwand:
8,60m x 2,6 m (bis Traufe)= 22,4m²

Zweite Außenwand:
4,8 m x 2,6 m (bis Traufe)= 12,5m²

Erste Innenwand:
4,8 m x 2,6 m (bis Traufe)= 12,5m²

Zweite Innenwand:
8,60m x 2,6 m (bis Traufe)= 22,4m²

Dachfläche:
Plattenlänge von Traufe bis First: 2,56 m
2,56 x 8,60 x 2= 43,8m² Dachfläche

Berechnungen für die „Fischzuchtseite“

Grundfläche des Raumes:
4,8m x 4,3 m= 20,6 m²
Volumen des Raumes:
20,6m² x 2,6m (bis Traufe) =53,56m³
20,6m² x 0,9m /2 (Dachraum)= 9,27m³
53,56m³+ 9,27m³= 62,83 m³ Raumvolumen

Erste Außenwand
4,8 x 2,6m = 12,5m²

Drei Innenwände
4,3 m x 2,6m= 11,2m²
4,6 m x 2,6m= 11,2 m²
4,8 x 2,6m = 12,5m²

Dachfläche:
Plattenlänge von Traufe bis First: 2,56 m
2,56m x 4,3 m= 22 m² Dachfläche

Wärmebedarfsermittlung für das Gewächshaus

Um den Wärmebedarf der beiden Raumteile, vor allem in den kälteren Wintermonaten zu ermitteln, kann man mit Hilfe des sogenannten U-Wertes den Wärmedurchgangskoeffizienten (früher der k-Wert) berechnen. Ist der UWert für die Gebäudehüllen bekannt, kann im nächsten Schritt die benötigte Heizleistung ermittelt werden. Im Folgenden ist schematisch dargestellt, wie
der U-Wert berechnet werden kann (PLAG 2014).

Transmissionswärmeverluste mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten berechnen:

Erster Schritt: U-Werte für die beiden Raumteile ermitteln Zweiter Schritt: Lüftungsverluste für beide Raumteile ermitteln
Dritter Schritt: Wärmebrückenberücksichtigung: Aufschlag auf alle berechneten U-Werte von 0,05 W/m²K

Der U-Wert und dessen Höhe sind von den verbauten Materialien und deren Isolationsvermögen abhängig. Um die Eigenschaften der Gewächshaushülle abschätzen zu können, wurden folgende Materialkombination für die Berechnung genutzt:

Gebäudehülle:
Gebäudehülle aus je 5 mm kombinierter Doppelstegplatte (Kunststoff)

Dämmstoff:
Linitherm PAL SIL

Dämmelement für Wandinnendämmung
PU-Hartschaum nach DIN EN 13165
Beidseitig Aludeckbeschichtet
spezielle Kantenverbindung für mechanische Befestigung
mit 6 mm raumseitig aufkaschierter Silikatplatte
Baustoffklasse B2
Format 2500 * 1200 mm

Aus den genannten Produktkombinationen wurde der U-Wert pro m² Fläche der Außenhülle berechnet. Dabei wird wie oben angegeben ein Lüftungsaufschlag von 0,05 Watt pro m² Fläche angenommen. Für die Materialkombination liegt der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) bei 0,44 W/m² + 0,05 W/m² Lüftungsaufschlag bei 0,49 W/m² (W= Watt) (PLAG 2014).
Berechnung der Heizleistung 

Annahme:

Es werden erst einmal nur die Außenwände und die Dachfläche als Verlustflächen angesehen, die Innenwandverluste sind klar abhängig davon, wie warm das Gewächshaus in den anderen Räumen beheizt ist! Außerdem ist die Annahme getroffen, dass die Außentemperatur bei durchschnittlich - 6 Grad und die Luftinnentemperatur in dem Raum der Fischzucht und der Hydrokultur bei 24 Grad liegen sollen: 

Den Wärmestrom durch die einzelnen Flächen erhält man, indem man den U-Wert mit der Fläche (in m²) und der Temperaturdifferenz multipliziert:

Transmissionswärmeverlustleistung:
P = U-Wert * Fläche * Temperaturdifferenz
Vorteil der Formelanwendung ist die frei „wählbare“ Temperaturdifferenz.
Das bedeutet, dass die Energiekostenermittlung je nach Außentemperaturverlauf dynamisch berechnet werden kann (PLAG 2014). Im folgenden Fall ist exemplarisch mit den oben genannten Werten gerechnet worden:

Folgende Transmissionswärmeverluste sind für die Hydrokulturseite berechnet:
Außenwände: 0,49W/m²K x (22,4+12,5)m² x 30 K = 513,03 Watt
Dach: 0,49W/m²K x 43,8m² x 30K = 643,86 Watt

Summe beider Werte beträgt 1156,89 Watt!

Die ermittelte Watt-Zahl gibt die Wärmeverlustleistung pro Stunde für die Gebäudehülle bei oben genannten Bedingungen an. Es ist bekannt, dass sich die Stromkosten auf 0,21€ pro Kilowattstunde belaufen (Strompreis für Gewerbe, Stand 2022). Die Gaskosten liegen bei 5,5 Cent je Kilowattstunde (Strompreis für Gewerbe, Stand 2022). Um den Wärmeverlust und die daraus resultierenden Kosten zu berechnen ist folgendermaßen vorgegangen worden:

Wärmeverlust für 24 h=
1156,89 x 24/1000= 27,76 kW für die Hydrokulturseite pro Tag

Kosten bei 100% Wirkungsgrad durch Strom/Gasheizung:
Strom: 27,76 kW/h x 0,21 €= 5,83 € pro Tag
Gas: 27,76 kW/h x 0,055 € = 1,52 € pro Tag

Kosten bei 80% Wirkungsrad durch Strom/Gasheizung:
Strom: 7,28 € pro Tag
Gas: 1,9 € pro Tag

Bei dieser Kostenermittlung wird angenommen, dass die Kosten in der Höhe dann entstehen, wenn der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung bei 100 % bzw. 80 % liegen würde und keinerlei solare Gewinne über die Sonneneinstrahlung oder interne Gewinne durch Beleuchtungswärme auftreten würden.

Folgende Transmissionswärmeverluste sind für die Fischzuchtseite berechnet:
Wände: 0,49W/m²K x 12,5m² x 30K = 183,75 Watt
Dach: 0,49W/m²K x 22m² x 30K = 323,4 Watt
Summe beträgt 507,15 Watt!

Wärmeverlust für 24 h

507,15x 24/1000= 12,17 kW für die Fischseite pro Tag

Kosten bei 100% Wirkungsgrad durch Strom/Gasheizung:
Strom: 12,17 kW/h x 0,21 €= 2,55 € pro Tag
Gas: 12,17 kW/h x 0,055€ = 0,66 € pro Tag

Kosten bei 80 % Wirkungsgrad durch Strom/Gasheizung:
Strom: 3,18 pro Tag
Gas: 0,825 € pro Tag

Berechnung der Beheizung der Fischtanks

Im Folgenden wird berechnet, wie viel Energiebedarf nötig ist, um die Fischtanks auf die gewünschte Temperatur (24 Grad Celsius) zu beheizen. Dabei werden zwei unterschiedliche Betriebsabläufe angenommen. Der erste Fall
beschreibt den Betriebsablauf mit 3 % Wasserverlust pro Tag und der zweite Fall das Verregnen von Wasser, beispielsweise dann, wenn die Nährstoffkonzentrationen des Wassers zu hoch für die gehaltenen Fische wird.

Rahmenbedingungen:
4500 Liter für die Fischtanks
8 Grad Wassertemperatur „IST“
27 Grad Wassertemperatur „SOLL“

Wärmebedarf:
1J= 1 Wattsekunde
Man benötigt 4,19 Kilojoule um 1 Liter Wasser um einen 1 Grad Celsius zu erwärmen!

Faustwert:
1,16 Wattstunden x Temperaturunterschied) /100= Benötigte kW/h pro Liter Wasser

Berechnung:

Einmaliges Aufheizen durch Strom/Gas bei 100% Wirkungsgrad:
Formel 1,16 Wh x 27 Grad Celsius – 8 Grad Celsius= 0,022 kW/h
Strom: 0,022 kW/h x 0,21€ x 4500 Liter = 20,79€
Gas: 0,022 kW7h x 0,055€ x 4500 Liter = 5,44€

Einmaliges Aufheizen durch Strom/Gas bei 80% Wirkungsgrad:
Strom: 25,98€
Gas: 6,80€

Beheizung des kontinuierlich täglich zu ersetzenden Verlustwassers

Annahme „Verregnet“:
400 Liter Wasser pro Tag (ohne das Kreislaufsystem) entstehen an Verlust, da Verregnung der Wassermenge erfolgt:

Bei 100% Wirkungsgrad:
Strom: 0,022 kW/h x 0,21€ x 400 Liter= 1,84€ pro Tag oder 8,8 kW/h
Gas: 0,022 kW/h x 0,055€ x 400 Liter= 0,48€ pro Tag oder 8,8 kW/h

Bei 80% Wirkungsgrad:
Strom: 2,3€ pro Tag
Gas: 0,6€ pro Tag

Annahme „Kreislaufsystem“
Annahme von 3% Wasserverlust pro Tag ergibt bei 4500 Liter Wasser: 135 Liter

Bei 100% Wirkungsgrad:
Strom: 0,022 kW/h x 0,21€ x 135 Liter = 0,623€ pro Tag oder 2,97 kW/h
Gas: 0,022 kW/h x 0,055€ x 135 Liter= 0,16€ pro Tag oder 2,97 kW/h

Bei 80% Wirkungsgrad:
Strom: 0,77€ pro Tag

Gas: 0,2€ pro Tag

Beleuchtungskonzept

Das Wachstum von Pflanzen kann durch unterschiedliche künstliche Belichtungsquellen gesteuert werden. Verschiedene Lampentypen können dabei für eine Erhöhung oder Verringerung des Wachstums oder für eine gezielte Blüteninduktion von Pflanzen genutzt werden. Im folgenden Abschnitt werden zwei unterschiedliche Leuchtmittel mit ihren Vor- und Nachteilen dargestellt und verglichen.

Gewächshaus-Beleuchtung mit Natriumdampflampen
In den Gewächshäusern der Fachhochschule Südwestfalen werden für die allgemeine Beleuchtung und die künstliche Belichtung von Pflanzen sogenannte Natriumdampflampen (kurz NDL) verwendet. Natriumdampflampen haben verschiedene Vorteile und sind daher die bisher am meist verwendeten Beleuchtungsmittel im erwerbsmäßigen Gartenbau. Die Anschlussleistung für die Lampen ist gering und die Lichtausbeute hoch (bis zu 150 Lumen pro Watt). Nach dem Anschalten brauchen NDL einige Minuten um die volle Leuchtkraft zu erreichen. Die Lebensdauer liegt bei 25-30.000 Betriebsstunden. Werden die Lampen häufig geschaltet, kann sich die Lebensdauer allerdings erheblich verkürzen. Bei der Verwendung von NDL-Lampen ist ein
Vorschaltgerät unbedingt notwendig. Dieses regelt den Zündvorgang und hält den elektrischen Strom auf einer beständigen Stärke. Die Wärmeabgabe der Lampen liegt bei ca. 90%, das heißt der größte Teil der elektrischen Leistung wird in Wärme umgewandelt (LICHT 2014; OSRAM 2014). Natriumdampflampen entwickeln im Betriebszustand im Brenner bis zu 1000
Grad Celsius und am Lampenglas können Außentemperaturen von bis zu 300 Grad Celsius erreicht werden. Diese hohe Wärmeabstrahlung sollte bei der Wirtschaftlichkeitsbewertung der Lampen mitberücksichtigt werden. Werden die Pflanzen der Hydrokultur im Winter zusätzlich belichtet, würde durchdie Lampen eine zusätzliche Heizenergie zur Verfügung stehen. Im Umkehrschluss stellt die Wärmeentwicklung im Sommer bei hohen Außentemperaturen aber auch einen Nachteil für die Klimaführung im Gewächshaus dar. Die Wirtschaftlichkeit der Natriumdampflampen ist für das laufende AquaponikProjekt insofern vorhanden, dass eine Neuanschaffung der Lampen nicht mehr stattfinden muss, da die Lampen vor der Gebäudeumnutzung schon installiert waren. Es wird zu prüfen sein, bei welchen Kulturen eine künstliche Belichtung, beispielsweise im Winter, sinnvoll und vor allem wirtschaftlich zu betreiben ist. Betrachtet man allerdings aktuelle Entwicklungen in der Lampen- und Belichtungsbranche, ist vor allem die LED-Technologie diejenige, die bereits im breiteren Einsatz des erwerbsmäßigen Gartenbaus ist und durch laufende Entwicklungen mit hoher Wahrscheinlichkeit die Belichtungstechnologie der Zukunft ist. Im Folgenden Abschnitt wird das LEDBelichtungskonzept mit den aktuellen Vor- und Nachteilen detaillierter dargestellt (LICHT 2014; OSRAM 2014).

Pflanzenbelichtung mit LED- Technologie der Zukunft
Die Assimilation von Pflanzen in Gewächshäusern sollte in den Wintermonaten durch Belichtung verbessert und dadurch die Kulturzeit reduziert werden. Zudem besteht so die Möglichkeit, Pflanzen in besserer Qualität zu produzieren (TANTAU 2014 S.11). Auch nach SPRINGER (2012) ist die Belichtung von Pflanzenkulturen im Gartenbau schon lange ein bedeutendes Thema. Es sollen dadurch höhere Erträge, geringere Kulturzeiten und bessere Qualitäten erzeugt werden (SPRINGER 2014). Diese flächendeckend eingesetzte Maßnahme ist jedoch durch die dabei entstehenden hohen Energiekosten als teuer zu bezeichnen (TANTAU 2014 S. 11).

Die Natriumhochdruckdampflampe ist in der gärtnerischen Praxis am weitesten verbreitet (MÜLLER 2011 S. 11). In die Diskussion, um bei der Belichtung von Gewächshauskulturen Energie zu sparen, rücken immer wieder „Licht
emittierende Dioden“ (LED) in den Vordergrund (TANTAU 2014 S. 11). Hinsichtlich LED-Leuchten sprechen die einen von zukunftsweisender Technik, die anderen sind durch technische Schwierigkeiten und die Grenzen der Leistungsfähigkeit jedoch skeptisch (SPRINGER 2012). 

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Kontext: 

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Energy costs in operating a greenhouse

If you plan to operate an aquaponic system or hydroponic system all year round, energy costs play a major role. Since greenhouses have very little thermal insulation, precise calculations must be made here. In addition, the energy gained through solar radiation cannot be predicted. To calculate the necessary energy requirements, the Board of Trustees for Technology and Construction in Agriculture (KTBL) has published a specialist article that significantly simplifies the calculation . 

Before you decide on a type of energy, you must consider the following factors, among others, and include them in your calculation. There are many uncertainties here.

• Location: sunshine duration, angle of incidence, ambient temperature, etc
• Legislation: energy tax, delivery costs, basic costs, etc.
• Operating costs: maintenance, spare parts, running time, etc.
• Climate zone: Temperature progression throughout the year and its fluctuations

Example calculation

Water

The heat capacity of water is (according to Wiki) 4.183 kJ/(kg*K). This means that to heat 1 liter of water by 1 degree requires 4.183 KJ of energy (1 Kcal). 1J equals one Ws - i.e. 1kJ equals 1kWs and 3,600 kWs equals 1 kWh. To heat 1000l of water by 10 degrees it takes 4,183 (4.183*1000*10) kWs, which corresponds to around 10.16 kWh (/3600). At 20° warming, twice as much.

Air

A greenhouse facility with 1000 m² (standing wall height 3 m) of floor space at the Hanover location with a single glass roof and energy shield insert designed for an internal temperature of 20 °C (and a minimum of -14 °C external temperature ~ ∆T = 34 K) has an energy requirement of around 350 kWh.  Example calculation see here.

As a rule of thumb, with a heat demand coefficient (Ucs) of 6.1 W/(m2 K), you can calculate around 35 kWh per 100 square meters. Please consider all factors when calculating your greenhouse. Here is a brief overview of the insulation:

Ucs values ​​for calculating heat requirements

1) Energy saving effect only half taken into account.

You can find a list of insulation materials here.

Here is a brief overview of the different energy sources, prices, conversions and meanings of technical terms

Butane has the disadvantage that it is no longer in gaseous form at temperatures below 0 degrees and therefore no longer comes out of the "bottle".

Compare energy characteristics - Calculation example:

Consumption example:  Heater output: 20.00 KW
Propane heating output: 12.87 KWh/kg = Propane consumption: 1.55 kg/h.

What is the difference between calorific value and calorific value?

A condensing boiler also extracts thermal energy from the exhaust gases from burning oil or gas, which is fed into the heating circuit. On the other hand, a boiler that does not have this technology simply uses the energy content of the fuel. This allows valuable energy to escape unused through your chimney. It is precisely this difference in efficiency that can be quantified using the key figures calorific value and calorific value.

So: The calorific value describes the energy content of a substance that can be used as heat simply by burning it. According to the calorific value definition, the value indicates how much heat energy a modern heating system can generate if it also extracts energy from the combustion exhaust gases.

Price history as of 2022-02

When deciding how and with what to heat, the conversion costs must be taken into account. A change from a supply medium, forced by price developments or legal rule changes, should always be kept in mind. Please also remember that funding in the Federal Republic of Germany always depends on current politics. Many companies that relied on government funding (solar cells, wind power, etc.) have already fallen by the wayside.

Here is a case study from: https://www.fh-swf.de/media/neu_np/fb_aw_2/dozentinnen/professorinnen_2/lorleberg/projekte_masterstudiengang/Report_Planung_Aquaponik-Demonstrationsanlage_2015.pdf

Example Calculation

Energy assessment
In the following part, the heat requirement for the parts of the building used is calculated. For this purpose, all relevant walls and the floor area of ​​the rooms for hydroponics and fish farming were measured and calculated. In the
next step, the heat losses that escape through the parts of the building were calculated. It should be noted that the loss or heat calculation depends on a whole range of factors. A precise calculation is anything but trivial, as the solar gains from solar radiation, the ventilation rates and the efficiency of the heating system can only be estimated. In addition, the rooms used are located within the entire building complex, and it can be expected that the rooms used will be heated indirectly through heat penetrating from the other greenhouse rooms. Another important factor is the outside temperatures in winter and spring. In order to be able to carry out a precise calculation of the likely costs, future, exact temperature curve values ​​would be needed, which would then flow into a heat requirement determination. 

It remains to be noted that the following values ​​could only be approximately calculated due to their complexity.

Greenhouse – areas and volume calculation

The following part contains the calculations of the wall and roof areas as well as the room volumes.
Calculations for the “hydroponics side” 

Floor area of ​​the room (without taking into account the internal concrete upstand):
8.60m x 4.80m = 41.3 m²

Volume of the room:
41.3m² x 2.6m (to eaves) = 107.38 m³
41.3m² x 0.9m /2 (roof space) = 18.58 m³

107.38+ 18.58= 125, 96m³ room volume

First external wall:
8.60m x 2.6m (to eaves) = 22.4m²

Second external wall:
4.8 m x 2.6 m (to eaves) = 12.5 m²

First interior wall:
4.8 m x 2.6 m (to eaves) = 12.5 m²

Second inner wall:
8.60m x 2.6m (to eaves) = 22.4m²

Roof area:
Panel length from eaves to ridge: 2.56 m
2.56 x 8.60 x 2 = 43.8m² roof area

Calculations for the “Fish Farming Page”

Floor area of ​​the room:
4.8m x 4.3 m = 20.6 m²
Volume of the room:
20.6m² x 2.6m (up to eaves) = 53.56m³
20.6m² x 0.9m /2 (roof space) = 9 .27m³
53.56m³+ 9.27m³= 62.83 m³ room volume

First external wall
4.8 x 2.6m = 12.5m²

Three internal walls
4.3 m x 2.6m = 11.2m²
4.6 m x 2.6m = 11.2 m²
4.8 x 2.6m = 12.5m²

Roof area:
Panel length from eaves to ridge: 2.56 m
2.56 m x 4.3 m = 22 m² roof area

Determination of heat requirements for the greenhouse

In order to determine the heat requirement of the two parts of the room, especially in the colder winter months, you can use the so-called U-value to calculate the heat transfer coefficient (formerly the k-value). If the U value for the building envelope is known, the next step can be to determine the required heating output. The following shows schematically how
the U-value can be calculated (PLAG 2014).

Calculate transmission heat losses using the heat transfer coefficient:

First step: Determine U-values ​​for the two parts of the room Second step: Determine ventilation losses for both parts of the room
Third step: Taking thermal bridges into account: Add 0.05 W/m²K to all calculated U-values

The U-value and its height depend on the materials used and their insulation capacity. In order to be able to estimate the properties of the greenhouse envelope, the following material combination was used for the calculation:

Building envelope:
Building envelope made of 5 mm combined double-wall sheets (plastic)

Insulation material:
Linitherm PAL SIL

Insulation element for internal wall insulation
PU rigid foam according to DIN EN 13165
Aluminum top coated on both sides,
special edge connection for mechanical fastening
with 6 mm silicate board laminated on the room side,
building material class B2
format 2500 * 1200 mm

The U-value per m² area of ​​the outer shell was calculated from the product combinations mentioned. As stated above, a ventilation surcharge of 0.05 watts per m² area is assumed. For the material combination, the heat transfer coefficient (U-value) is 0.44 W/m² + 0.05 W/m² ventilation surcharge is 0.49 W/m² (W= Watt) (PLAG 2014).
Calculation of heating output 

Assumption :

First of all, only the outer walls and the roof area are considered as loss areas; the inner wall losses clearly depend on how warm the greenhouse is heated in the other rooms! In addition, the assumption is made that the outside temperature should be on average - 6 degrees and the internal air temperature in the fish farming and hydroponics room should be 24 degrees: 

The heat flow through the individual surfaces is obtained by multiplying the U-value by the area (in m²) and the temperature difference:

Transmission heat loss power :
P = U-value * area * temperature difference The
advantage of using the formula is the freely “selectable” temperature difference.
This means that the energy cost determination can be calculated dynamically depending on the outside temperature (PLAG 2014). In the following case, the values ​​mentioned above were used as an example:

The following transmission heat losses are calculated for the hydroponic side:
External walls: 0.49W/m²K x (22.4+12.5)m² x 30 K = 513.03 watts
Roof: 0.49W/m²K x 43.8m² x 30K = 643, 86 watts

The sum of both values ​​is 1156.89 watts!

The determined wattage indicates the heat loss per hour for the building envelope under the above-mentioned conditions. It is known that electricity costs amount to €0.21 per kilowatt hour (electricity price for businesses, as of 2022). Gas costs are 5.5 cents per kilowatt hour (electricity price for businesses, as of 2022) . To calculate the heat loss and the resulting costs, the following procedure was followed:

Heat loss for 24 h=
1156.89 x 24/1000= 27.76 kW for the hydroponic side per day

Costs at 100% efficiency through electricity/gas heating:
Electricity: 27.76 kW/hx €0.21 = €5.83 per day
Gas: 27.76 kW/hx €0.055 = €1.52 per day

Costs at 80% Efficiency through electricity/gas heating:
Electricity: €7.28 per day
Gas: €1.9 per day

When determining this cost, it is assumed that the costs would arise if the heat transfer efficiency were 100% or 80% and there were no solar gains from solar radiation or internal gains from lighting heat.

The following transmission heat losses are calculated for the fish farming side:
Walls: 0.49W/m²K x 12.5m² x 30K = 183.75 watts
Roof: 0.49W/m²K x 22m² x 30K = 323.4 watts
The total is 507.15 watts!

Heat loss for 24 hours

507.15x 24/1000= 12.17 kW for the fish side per day

Costs with 100% efficiency through electricity/gas heating:
Electricity: 12.17 kW/hx €0.21 = €2.55 per day
Gas: 12.17 kW/hx €0.055 = €0.66 per day

Costs at 80% efficiency through electricity/gas heating:
Electricity: €3.18 per day
Gas: €0.825 per day

Calculation of the heating of the fish tanks

The following calculates how much energy is required to heat the fish tanks to the desired temperature (24 degrees Celsius). Two different operating processes are assumed. The first case
describes the operational process with 3% water loss per day and the second case describes the raining of water, for example when the nutrient concentrations of the water become too high for the fish being kept.

General conditions:
4500 liters for the fish tanks
8 degrees water temperature “ACTUAL”
27 degrees water temperature “TARGET”

Heat requirement:
1J= 1 watt second
You need 4.19 kilojoules to heat 1 liter of water by 1 degree Celsius!

Rule of thumb:
1.16 watt hours x temperature difference) /100= kW/h required per liter of water

Calculation:

One-time heating using electricity/gas at 100% efficiency:
Formula 1.16 Wh x 27 degrees Celsius - 8 degrees Celsius = 0.022 kW/h
Electricity: 0.022 kW/h x €0.21 x 4500 liters = €20.79
Gas: 0.022 kW7h x €0.055 x 4500 liters = €5.44

One-time heating with electricity/gas at 80% efficiency:
Electricity: €25.98
Gas: €6.80

Heating of the lost water that has to be replaced continuously every day

Assumption “Rained”:
400 liters of water per day (without the circulation system) are  lost because the amount of water is rained on:

At 100% efficiency:
Electricity: 0.022 kW/hx 0.21€ x 400 liters = 1.84€ per day or 8.8 kW/h
Gas: 0.022 kW/hx 0.055€ x 400 liters = 0.48€ per day or 8.8 kW/h

At 80% efficiency:
Electricity: €2.3 per day
Gas: €0.6 per day

Assumption of “circulatory system”
Assumption of 3% water loss per day results in 4500 liters of water: 135 liters

At 100% efficiency:
Electricity: 0.022 kW/hx 0.21€ x 135 liters = 0.623€ per day or 2.97 kW/h
Gas: 0.022 kW/hx 0.055€ x 135 liters = 0.16€ per day or 2 .97 kW/h

At 80% efficiency:
Electricity: €0.77 per day

Gas: €0.2 per day

Lighting concept

The growth of plants can be controlled by different artificial light sources. Different types of lamps can be used to increase or decrease growth or to specifically induce flowering in plants. In the following section, two different light sources are presented and compared with their advantages and disadvantages.

Greenhouse lighting with sodium vapor lamps
In the greenhouses of the South Westphalia University of Applied Sciences, so-called sodium vapor lamps (NDL for short) are used for general lighting and artificial lighting of plants. Sodium vapor lamps have various advantages and are therefore the most commonly used lighting means in commercial horticulture. The connected load for the lamps is low and the luminous efficacy is high (up to 150 lumens per watt). After switching on, NDL need a few minutes to reach full brightness. The service life is 25-30,000 operating hours. However, if the lamps are switched on frequently, their lifespan can be significantly shortened. When using NDL lamps, a
ballast is absolutely necessary. This regulates the ignition process and keeps the electrical current at a constant strength. The heat output of the lamps is around 90%, which means that most of the electrical power is converted into heat (LICHT 2014; OSRAM 2014). When operating, sodium vapor lamps develop temperatures of up to 1000
degrees Celsius in the burner and external temperatures of up to 300 degrees Celsius can be reached on the lamp glass. This high level of heat radiation should be taken into account when evaluating the economic efficiency of the lamps. If the hydroponic plants are additionally exposed to light in winter, the lamps would provide additional heating energy. Conversely, the heat development in summer when the outside temperatures are high also represents a disadvantage for the climate control in the greenhouse. The economic efficiency of the sodium vapor lamps is present for the ongoing aquaponics project in that it is no longer necessary to purchase new lamps, as the lamps are already in place before the building is converted were installed. It will be necessary to examine for which crops artificial lighting, for example in winter, makes sense and, above all, is economical. However, if you look at current developments in the lamp and lighting industry, LED technology in particular is the one that is already in wider use in commercial horticulture and, thanks to ongoing developments, is very likely to be the lighting technology of the future. In the following section, the LED lighting concept is presented in more detail with the current advantages and disadvantages (LICHT 2014; OSRAM 2014).

Plant lighting with LED technology of the future
The assimilation of plants in greenhouses should be improved through lighting in the winter months, thereby reducing the cultivation time. This also makes it possible to produce plants of better quality (TANTAU 2014 p.11). According to SPRINGER (2012), the exposure of plant crops has long been an important topic in horticulture. The aim is to produce higher yields, shorter cultivation times and better quality (SPRINGER 2014). However, this measure, which is used across the board, can be described as expensive due to the high energy costs involved (TANTAU 2014 p. 11).

The high-pressure sodium vapor lamp is the most widely used in gardening practice (MÜLLER 2011 p. 11).
In the discussion about saving energy when lighting greenhouse crops, “light -emitting diodes” (LED) are repeatedly coming to the fore (TANTAU 2014 p. 11). When it comes to LED lights, some speak of future-oriented technology, but others are skeptical due to technical difficulties and the limits of performance (SPRINGER 2012). 

The authors assume no liability for the topicality, completeness or accuracy of the content provided.

Context: 

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