Heizungsanlagen im Gartenbau

Kesselhaus

In modernen Produktionsgewächshausanlagen sind die Heizzentralen (Kessel) meist in die Gewächshauskonstruktion integriert, haben also keine besonderen (gemauerten) Gebäude mit feuerfesten Betondecken. Hierbei ist die bauaufsichtliche Behandlung durch das jeweils zu ständige Landesbauamt zu beachten.

Für eine ausfallfreie Beheizung wird aus Sicherheitsgründen häufig eine Zweikesselanlage geplant. Die halbe Leistung z.B. als Grundlastkessel mit Brennwerttechnik und die weiteren 50 % als Spitzenlastkessel meist ohne Brennwerttechnik. Die Jahreslastverteilung wird im Gewächshaus-Energiekalkulator genauer betrachtet.


Gewächshaus Klimaregelung

Eine Gewächshausregelung umfasst sehr viele pflanzen baulich wichtige Stellorgane, wie Pumpen, Mischer, Lüftungsantriebe, Schirmantriebe usw., die nur von speziellen Klimaregelcomputern gesteuert werden können. Standardregeltechnik ist dazu nicht anzuraten, weil die speziellen Gewächshausbedingungen besondere Regeloptimierungen erfordern. Für Planung, Installation und Wartung (Betrieb) sollte eine Firma mit entsprechenden Spezialkenntnissen beauftragt werden.


Die Gewächshausheizung wird über einen vorgeregelten Verteiler versorgt. Diese  Vorregelung erfolgt über den Klimacomputer hausbedarfsorientiert und soll da mit einerseits die Nachregelung in den Gewächshäusern verbessern, andererseits die Leitungsverluste reduzieren.

Eine Kesselrücklauftemperaturbegrenzung ist sowohl bei Öl und Gas als auch bei Kohle- und Holzkesseln wichtig, um Korrosion im Kessel zu vermeiden. Die Gewächshäuser benötigen z.B. zum Abend hin schlagartig Wärme, weil durch Wegfall der Lichteinstrahlung der Gewächshauseffekt nicht mehr gegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt fallen sehr große Mengen (oft über 15 m³) kalten Wassers an, die nicht ungeregelt in die Kesselanlage gelangen dürfen. Leider wird für diesen Zweck häufig nur eine Rücklaufbeimischpumpe eingesetzt, die in aller Regel keinen ausreichenden Schutz bieten kann. Eine bessere Möglichkeit ist, die Vorregelung und den Kesselrücklaufschutz über einen 3-Wege-Mischer zu kombinieren. Dieser schließt dann den Kesselkreis proportional zur möglichen Leistungsabgabe, wodurch eine sehr gleichmäßige Kesseltemperatur erreicht werden kann. Deshalb ist es sehr zu empfehlen, für Gartenbauheizungen erfahrene Fachheizungsfirmen zu beauftragen.

Jede Gewächshausabteilung benötigt eine eigene Regelung. Um eine optimale Energieeffizienz zu erreichen, ist eine Motormischerregelung heute zwingend erforderlich – leider gibt es auch heute noch Pumpensteuerungen mit unnötig hohem Energieverbrauch. Für die Nachregelung werden 3-Wege-Mischer (besser 3-Wegeventile) eingesetzt. Zur optimalen Nutzung von Wärmerückgewinnanlagen  (Abgaskondensatoren)  ist  nur  damit  die nötige niedrige Rücklauftemperatur zu erreichen.

 

Gewächshausheizungen

Der Anteil der Heizkosten an den Gesamtkosten der Pflanzenproduktion beträgt ca. 10 - 15 %. Deshalb muss nach besonders sparsamen Heizsystemen gesucht werden. Die neuen Produktionsgewächshäuser mit hohen Stehwänden erschweren die optimale Wärmeverteilung erheblich. Ohne Zusatzmaßnahmen kann die Wärme der hohen Rohrheizung, wie sie heute wieder oft verwendet wird, nicht von oben zurück an die Pflanzen gelangen. Zusätzliche Ventilatoren müssen daher eingesetzt werden.

In der Praxis ist heute eine Kombination der einzelnen Komponenten in den Gewächshäusern zu finden. Aus diesen Anforderungen heraus ist in einem Forschungsprojekt „ZINEG“ 2014 ein  praxistaugliches  Niedrigenergiegewächshaus definiert worden. Die energetische Bewertung wird durch den u'-Wert vorgenommen. Die Einzelkomponenten der Gewächshausheizung werden hier deshalb zum besseren Verständnis getrennt vorgestellt:

Hohe Rohrheizung (Referenzsystem = Energieverbrauch 100 %)

Die sogenannte hohe Rohrheizung war das übliche Heizungssystem bis Anfang der 70er Jahre. Viele Berechnungen und Zahlenangaben im Gartenbau basieren deshalb noch heute in der Regel auf diesem Heizungssystem (hier gewähltes Referenzsystem 100 %).

Ein Gewächshaus wird im Stehwandbereich und im Dachbereich (in Traufenhöhe) mit Stahlheizungsrohren mit einem Durchmesser von 51mm gleichmäßig bestückt. Für  den Auslegungsfall wird eine Temperaturdifferenz von 30 °C (Innen-/Außentemperatur) angenommen.

Die hohe Rohrheizung stört arbeitswirtschaftlich kaum. Der Nachteil gegenüber den anderen Systemen liegt im höheren Energieverbrauch, der heute in der Praxis oft  wieder durch Ventilatoreneinsatz gemindert wird.


Strahlungsheizung

Direkt beheizte Strahlungsheizungen sind aufgrund ihrer ungleichmäßigen Wärmeangebote für Pflanzenkulturen nicht nutzbar und deshalb im Gewächshaus nicht zu empfehlen.

In umfangreichen Untersuchungen in gartenbaulichen Forschungsanstalten konnte nachgewiesen werden, dass die Strahlungswärme für die Pflanzenproduktion nicht genutzt werden kann, weil die Temperaturverteilung zu ungleichmäßig ist. Die Kulturergebnisse fielen gegenüber konventionellen Gewächshausheizungen weit zurück. Damit wird der großflächige Einsatz im Gartenbau nicht möglich sein. Für die typischen Einsatzbereiche in Hallen bzw. in Arbeitsräumen der Gartenbaubetriebe ist die Strahlungsheizung natürlich sinnvoll einsetzbar.


Untertischheizung (relativer Energieverbrauch 90 %)

Die Heizrohre werden heute vielfach unter den Pflanztischen (2 - 4 Stränge) verlegt. Die Wärme wird damit von unten sparsamer gegeben. Diese Heizung soll jedoch auch den Luftraum erwärmen und weniger die Stellfläche des Tisches. In Kombination mit einer hohen Rohrheizung wird primär mit der Untertischheizung geheizt. Erst wenn deren Leistung nicht mehr ausreicht, „hilft“ die hohe Rohrheizung. Für Rolltische und Mobiltischanlagen, die eng  Tisch an Tisch stehen, ist die Wärmeabgabe sehr ungünstig. Es muss für kleine Tischabstände gesorgt werden.

Niedrige Rohrheizung, pflanzennahe Heizung (relativer Energieverbrauch 82 %)

Eine Alternative stellen die sogenannten pflanzennahen Heizungssysteme = Hebe-Senkheizungen dar. Sie bringen die Wärme unmittelbar in den Bereich, in dem sie gebraucht wird, und vermindern damit die Wärmeverluste. Die Verlagerung der Heizungsrohre in den Pflanzenbereich (als Vegetationsheizung, s. u. ) brachte häufig Kulturprobleme und einen erheblich höheren Arbeitsaufwand.  Ein Kompromiss wurde gefunden, indem ein Heizungsstahlrohr, 51 mm (z.B. bei Gerbera), über den Pflanzen  aufgehängt wurde. Bei einigen Kulturen wie Rosen oder Chrysanthemen konnten diese Rohre auch mitten in den Bestand gehängt werden. Der Nachteil dieser Systeme liegt im hohen Gewicht der Rohre. Für Langzeitkulturen wie Rosen ist die niedrige Rohrheizung sicherlich auch heute noch die richtige Lösung. Für Kulturen mit häufiger Bearbeitung ist ein solch schwergewichtiges System nicht geeignet. Eine mögliche Lösung bieten hier Aluminiumrohre mit Lamellenprofil (z.B. von Alcoa) oder dünne Stahlrohre  (z.B. 32 mm von Forcas).

Das Aluminiumrohr (32 mm) hat nur ca. 0,35 l Wasserinhalt je Meter Rohr gegenüber 2 l beim oben genannten Stahlrohr. Diese so genannte Alcoa-Heizung (Name des Herstellers Alcoa, Niederlande) kann durch Drahtseile bewegt werden. Die Wärmeabgabe des Aluminiumlamellenrohres entspricht dem 51er Stahlrohr. Dieses System ist somit  auch bei Beet- und Balkonpflanzen einsetzbar, wo häufig in der Kultur gearbeitet werden muss. Dazu wird dann die Heizung einfach nach oben gezogen. Die Anschlüsse werden mit wärme-/druckbeständigen, sauerstoffdichten Schläuchen versehen. In aktuellen Hocheffizienz-Niedrigenergiegewächshäusern werden auch diese Heizungssysteme mit Ventilatoren optimiert, in dem die Ventilation für die Rückführung der dennoch nach oben steigenden Wärme sorgt.

 

Vegetationsheizung (relativer Energieverbrauch 80 %)

Die Vegetationsheizung ist ein sehr sparsames System. Viele Kulturen (aber nicht alle!) reagieren sehr positiv auf ein solches Heizungssystem. Dazu werden PE-Schläuche mit einem Durchmesser von ½ " zwischen den Pflanztöpfen oder, wenn möglich, auf den Topfrändern ausgelegt. Die Vorlauftemperatur wird auf 30 - 40 °C begrenzt. Wie bei allen pflanzennahen Heizungssystemen darf die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf nur 5 °C betragen, also nicht 10 °C wie bei der Rohrheizung.

Für Beetkulturen werden ¾ "-Schläuche verwendet. Dabei kommen neben den normalen glatten Schläuchen auch gerippte zum Einsatz. Typen mit einer großen Rippenstruktur weisen eine um ca. 15 % höhere Wärmeabgabe auf als die glatten Schläuche.

Da in Beetkulturen der Abstand zwischen den Pflanzen größer ist, können auch höhere  Vorlauftemperaturen gefahren werden. Neben den PE-Schläuchen gibt es PP-(Polypropylen-)Schläuche, die auch mit Wassertemperaturen über 60 °C gefahren werden können. Da die PE-/PP-Schläuche in der Regel nicht sauerstoffdiffusionsdicht  sind, ist die Anlage mit Wärmetauschern zu betreiben.

Viele Topfkulturflächen werden vermehrt mit Handhabungsautomaten (Gabelstaplern) bearbeitet, wodurch sich ein Vegetationsheizungsschlauchsystem wieder verbietet.

Deckenlufterhitzer (relativer Energieverbrauch 87 % bis 121 %)

Gegenüber statischen Rohrheizflächen zeichnen sich Luftheizungen durch eine schnelle Regelbarkeit aus. Diese Heizungssysteme werden zur Spitzenlastheizung oder als  Hauptheizung bei niedrigen Heiztemperaturen (bis 10 °C) eingesetzt. Nachteilig ist der elektrische Energieaufwand für den Ventilator und die z. T. ungleichmäßige Temperaturverteilung. In ungünstigen Gebläsestufen kann der Energieaufwand sogar den der hohen Rohrheizung übersteigen.

 

Lufterhitzer mit Folienschlauch (relativer Energieverbrauch 85 %)

Dieses Heizungssystem besitzt die Vorteile der Deckenlufterhitzer, zugleich sorgt der Folienschlauch für eine gleichmäßige Verteilung der Warmluft. Einige Kulturen bedürfen sowieso einer ständigen Luftbewegung. Auch der nachträgliche Einbau eines gelochten Folienschlauches bringt eine enorme Verbesserung der Wärmeverteilung und verhindert das Austrocknen der Pflanzen in der Nähe des Lufterhitzers durch zu starkes Anblasen. Dieses Heizungssystem bietet sich auch zur zeitweisen  Beheizung von Folienhäusern ohne großen Installationsaufwand an.

Direktbefeuerte Luftheizgeräte (relativer Energieverbrauch bis 76 %)

Im unteren Heiztemperaturbereich kann die sehr gute Regelbarkeit direkt befeuerter Luftheizgeräte mit Abgasführung wirtschaftlicher als eine Heizzentrale mit statischen  Rohrheizflächen sein (5 % Leitungsverluste, 2 % Stillstandsverluste). Die Befeuerung erfolgt mit Erdgas, Flüssiggas oder selten mit leichtem Heizöl. Bei Gas kann mit entsprechenden Messgeräten gleichzeitig eine CO2-Düngung erfolgen. Durch die getrennte Abgasführung ist keine Schadstoffanreicherung und keine CO2-Überdüngung zu befürchten. Auch hier kann durch einen oder sternförmig angeordnete Folienschläuche eine bessere Wärmeverteilung bis in die Ecken des Gewächshauses erzielt werden.

Als Sonderform der direktbefeuerten Luftheizer kann die so genannte CO2-Kanone angesehen werden. Mit ihr können auch die ca. 8 % Abgasverluste eingespart werden.  Bei zu hohen Heizungssolltemperaturen wird dabei jedoch schnell die maximale CO2-Konzentration überschritten, wobei eine mögliche Schadstoffanreicherung zu beachten ist. Der verbesserte Wirkungsgrad wird dann durch einen zusätzlichen Luftwechsel wieder geschmälert.

 


BHKW als Heizungsanlage im Gartenbau

BHKW haben im Gartenbau häufig nur den Zweck der sinnvollen Wärmenutzung, um die mögliche Stromeinspeisevergütung zu erhöhen. Das gleiche gilt für die Nutzung der Wärme aus den BHKW der Biogasanlagen, die in der Regel nicht vom Gärtner, sondern immer vom Landwirt betrieben werden. Der Gartenbaubetrieb ist dann wieder der sinnvolle Wärmeabnehmer. Die reine Nutzung zur eigenen Stromerzeugung mit BHKWs, z. B. für die Assimilationsbelichtung, stößt oft an wirtschaftliche Grenzen und ist immer seltener anzutreffen.

Mit dem Energiekalkulator ist der Restenergieanteil zwischen BHKW-Abwärme und Spitzelastanteil einfach zu ermitteln. Nur mit vernünftigen Vollaststunden des BHKWs deutlich über ca. 5000 Stunden ist deren Wirtschaftlichkeit rechenbar.