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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