Energiegewinnung, Wasseraufbereitung und Verwertung
von Biomasse in Gewächshaus - Gebäude - Modulen
von Diplom-Ingenieur Martin Buchholz
aus Frankfurt am Main
von der Fakultät VII - Architektur, Umwelt und Gesellschaft
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akdemischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. H. Loidl
Gutachter: Prof. F. Trillitzsch
Gutachter: Prof. C. Steffan
Gutachter: Prof. H. Tepasse
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 29.Mai.2002
Berlin 2002
D 83
2
Inhalt
Einleitung 6
1_
Vorbilder 10
A - Bionische Analogien -
- Wasserhaushalt von Pflanzen
- Termitenbauten
- Sukzession von Pflanzengesellschaften
B - Stand der Technik -
- Gebäudeklimatisierung durch natürlichen Auftrieb
- Solare Aufwindkraftwerke
- Gebäudeheizung durch Luftkollektoren
- Klimatisierung von Gewächshäusern
- Aktive Systeme zur Rückhaltung von Wärme und Kälte
- Chemische Speicher
- Nutzung von Rotteprozessen zur Rohstofftransformation
- Energetische Nutzung von Abwärme bei Rotteprozessen
- Integrierte Gewächshauskonzepte
- Wasseraufbereitung durch solare Destillation
- Regenwassernutzung und Grauwasserrecycling
2_
Systemablauf und Anwendungsbereiche 45
- Optimierung zur Wärmegewinnung
- Optimierung zur Wasseraufbereitung
- CO2-O2 Bilanzierung durch Fermentation und Gewächshausvegetation
3_
Funktion der einzelnen Systemelemente 54
- Gewächshaus
- Solid State Fermentation
- Solarkamin
- Rückführschacht
- Luftbefeuchter
- Kühlsystem
4_
Beispielhafte Berechnung der Luftströmung, der Energiebilanz und des
Wasserertrags 93
- Ermittlung der erreichbaren Strömungsgeschwindigkeit
- Berechnung des Wasser- und Energieertrags sowie des benötigten
Speichervolumens
- Variante Wasseraufbereitung, Ergebnisse
- Variante Wärmeerzeugung, Ergebnisse
1
5_
Anwendungsbeispiele 117
- Einzelhäuser
- Wohnanlagen
- Gewerbe-, Industrie- und Verkehrsanlagen
- Zeltbauten ohne thermische Masse im Baumaterial
- Gartenbauliche Anlagen/Turmanlagen
- Offene Lüftungssysteme
- Strömungstechnisch optimierte Gebäude
6_
Kontext Stadt und Landschaft 151
- Energiebehaushaltung als Leitgröße für die Entwicklung von Stadt und Landschaft
- Konsequenzen für den Städtebau
- Wasserbehaushaltung und Rohstoffproduktion als Teil der
Landschaftsplanung in Siedlungsräumen
- Eine neue Qualität von Stadtwachstum
- Beispiel für einen städtebaulichen Gesamtentwurf
7_
Wirtschaftlichkeitsaspekte 173
- Vergleich mit vorhandenen Wettbewerbstechnologien
- Beispielhafte Kosten-Nutzen Bilanzierung
- Zielgruppen
Fazit 183
Zusammenfassung und English Abstract 189
Literatur 196
Anhang A1-A12
2
3
Erklärung
Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und nur
unter Verwendung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel angefertigt habe.
Frankfurt am Main den 29.03.02 Martin Buchholz
Ich möchte allen Danken, die mir bei dieser Arbeit beratend und unterstützend zur Seite
standen. Eine besondere Ermutigung war dabei die überaus positive Resonanz auf die
ersten Präsentationen der entworfenen Ideen auf dem Stand der Technischen Universität
Berlin im Rahmen der Biotechnica Messe in Hannover 1999, auf dem “International
Meeting on Chemical Engineering, Environmental Protection and Biotechnology" im
Rahmen der Achema Messe in Frankfurt am Main im Mai 2000 sowie auf dem "World
Renewable Energy Congress" in Brighton im Juli 2000 (Buchholz, 2000 a,b).
Mein besonderer Dank gilt den Betreuern dieser Arbeit:
Prof. Claus Steffan, Fachgebiet Gebäudetechnik und Entwerfen, Fachbereich Architektur,
TU-Berlin und
Prof. Falk Trillitzsch, Institut für Landschaftsarchitektur, Fachbereich Architektur, TU-
Berlin.
Daneben danke ich den im folgenden aufgeführten Personen für ihre Beratung im
Rahmen von zahlreichen Fachgesprächen:
Bechir Chahed, Fa. Clina, Berlin
Ingo Cremer, Fa. Fluent, Darmstadt
Dr. Konrad Mackroth, Fachgebiet Technik, Forschungsanstalt Gartenbau, Geisenheim
Stephan Marienfeld, Biologe, Hannover
Dr. Stefan Martens, Fa. Fluent, Darmstadt
Christoph Nytsch, Institut für Energietechnik, Technische Universität Berlin
Prof. Wilhelm Ripl, Institut für Ökologie, Technische Universität Berlin
Wolfgang Rosenkranz, Fa. Dezentral, Berlin
Tobias Schrag, Institut für Energietechnik, Technische Universität Berlin
Siegfried Schröpf , Fa. Grammer-Solar, Amberg
Dr. Hans Stigter, System and control group, Wageningen University (NL)
Prof. Thomas Sieverts, Arbeitsgruppe Stadt, TU-Darmstadt
Prof. Tantau, Institut für Technik im Gartenbau, TU Hannover
Prof. Heinrich Tepasse, Fachgebiet Versorgungsplanung und Versorgungstechnik,
Fakultät für Gestaltunng, HdK-Berlin
Prof. Olaf van Kooten, Institut f. Gartenbauproduktionsketten, Wageningen University
(NL)
Dr. Berthold Völkl, Physiker, Heidelberg
Prof. Zabeltitz, Institut für Technik im Gartenbau, TU Hannover
Dr. Guillermo Zaragozza, Estacion Experimental “Las Palmerias”, El Ejido (Es)
Schließlich danke ich meiner Frau Nicola, meinen Eltern Dorothea und Hans Friedrich,
meinen Brüdern Helmut und Christian sowie meinem Sohn Jonas Alexis für ihre uni-
verselle Unterstützung.
4
5
Einleitung
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist ein System zur dezentralen
Energieerzeugung, zur Wasseraufbereitung und zur Verwertung organischer
Rohstoffe mit der Zielsetzung einer nachhaltigen städtischen Grundversorgung.
Das Grundprinzip geht von bepflanzten Filterelementen aus, die Wasser und
Pflanzennährstoffe innerhalb von städtischen Kreislaufprozessen zurückhalten.
Basiselemente sind dabei Vegetationsbereiche, die auf zwei verschiedenen, hin-
tereinanderfolgenden Ebenen liegen:
Die Konzeption der Stadtteilebene wird in dieser Arbeit vergleichsweise kurz
abgehandelt. Im Kapitel “Kontext Stadt und Landschaft” wird aber hervorgehoben,
dass der technisch vergleichsweise einfache Umbau der stadtnahen Landschaft
zu einer Produktionslandschaft auf Basis von Wasser und Reststoffzuführung der
Stadt erst über die geschilderte Rückkopplung mit dem Gebäudesystem zu einer
auch ökonomisch sinnvollen Einheit verschmilzt: Die im Gewächshaussystem
angeordnete Fermentationsanlage ermöglicht eine Rückkopplung zwischen
Stadtteil- und Gebäudeebene: Anstelle der energetischen Nutzung der nachwach-
senden Rohstoffe durch Verbrennung oder deren Verwendung als Baumaterial
ermöglicht das Verfahren der Solid-State-Fermentation die Umwandlung in
hochwertigere, biotechnische Produkte bei gleichzeitiger Nutzung der
6
·Auf der Gebäudeebene wird ein solcher Filter über ein weitgehend
geschlossenes Gewächshaussystem realisiert. Über darin angelegte
Vegetationsflächen wird Grauwasser und darin gelöste
Pflanzennährstoffe aus dem Gebäude nutzbar gemacht. Das Wasser
wird gereinigt und über Verdampfungs- und Kondensationsprozesse
wieder zu Brauchwasser aufbereitet. Solarenergie wird parallel zu
diesem Prozess über eine kaskadenartige Lufterwärmung und
Luftbefeuchtung verwertbar. Durch eine thermisch erzeugte
Luftströmung wird die sukzessive erwärmte Luft aus dem
Gewächshaus über einen Solarkamin und einen Luftbefeuchter zu
einem Wärmetauscher transportiert. Die Energie kann so ohne zu-
sätzliche Ventilation einem Speicher zugeführt werden. Feste organi-
sche Roh- bzw. Abfallstoffe können zudem über ein integriertes
Fermentationsmodul aufbereitet und energetisch genutzt werden.
·Auf der Stadtteilebene werden die Restverluste, die insbesondere
durch unregelmäßige Wasserangebote bzw. -bedarfe entstehen, in
einer zweiten Stufe zurückgehalten und verwertet. Hierbei handelt es
sich um offene Vegetationsflächen mit der Funktion der
Wasserrückhaltung und -reinigung. Die Flächen können darüber hin-
aus für den Anbau nachwachsender Rohstoffe bzw. für bestimmte
Formen der Bewässerungslandwirtschaft genutzt werden.
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Atmungsabwärme. Es handelt sich dabei um industrielle Produkte, insbesondere
um die Umwandlung von verholztem Pflanzenmaterial in den Grundstoff
Cellulose, bzw. im landwirtschaftlichen Kontext, um Nahrungs- oder Futtermittel,
die über Faseraufschlussoder Proteinanreicherung aufgewertet werden.
Insgesamt führt ein solches, vernetztes System zu höherer Nachhaltigkeit bei
gleichzeitig höherer Wirtschaftlichkeit durch
·die Kopplung der Wasser- und Wärmeversorgung von Gebäuden,
·die Einbeziehung bisher versiegelter, städtischer Oberflächen wie
Fassaden, Dächer, Parkplätze etc. in die energetische Nutzung sowie
in einen durch Verdunstung erzeugten Kühlprozess,
·die Steigerung der Produktivität der vegetativen Oberflächen durch
Bewässerung und Düngung aus Rest- und Abfallstoffen,
·die hochwertige und ortnahe Aufbereitung der pflanzlichen Rohstoffe
bei gleichzeitiger Nutzung der entstehenden Prozessabwärme,
Luftbefeuchter
zwischen Kamin
und Rückführschacht
Solarkamin
Gewächshaus
Fermentationsanlage Wärmespeicher
Wärmetauscher mit
Kühlkreislauf
0.1_ Grundelemente der Anlage
·die Verkürzung von Transportstrecken,
·die Abkopplung von aufwendigen, zentral organisierten und verlust-
reichen Netzstrukturen insbesondere im Bereich der Abwasserent-
sorgung.
Durch die Addition der verschiedenen Effekte wird ein insgesamt hoher, ener-
getischer Wirkungsgrad von urbanen Strukturen erreicht, der gerade beim rapi-
den, weltweiten Wachstum der Ballungszentren von steigender Bedeutung ist.
Konzeption der Gebäudeebene
Im Naturhaushalt ist Wasser das dominierende Medium bei der Transformation
von Sonnenenergie. In einem Laubwald wird ein Großteil der eintreffenden
Strahlung durch die Verdampfung von Wasser umgesetzt. Die Energie wird beim
Phasenübergang gespeichert und erst bei erneuter Kondensation wieder frei. Da
die Kondensation erst bei kühleren Temperaturen einsetzt, erzeugt dieser prozess
ein, im Vergleich zu wasserfreien Oberflächen, gemäßigteres Klima. Dies
geschieht zumeist im Tag-Nacht-Rhythmus. Gewässer fungieren zudem als
Energiespeicher aufgrund der hohen Wärmekapazität des Mediums Wasser. Die
Bevorratung von Wärme und Kälte bewirkt dabei einen jahreszeitlichen
Temperaturausgleich.
Die gleichen Vorgänge können in der Gebäudetechnik genutzt werden. Durch das
Aufsteigen von erwärmter Luft und das Herabfallen von abgekühlter Luft kann
eine Bewegung initiiert werden, die den Transfer der über Glasflächen einge-
strahlten Energie vom Kollektor zum Wärmetauscher ohne zusätzliche
Ventilatoren ermöglicht. Ein Wärmespeicher bevorratet Kälte für die dabei
erforderliche Luftabkühlung. Durch die gezielte Schichtung von Wärmezonen im
Speicher kann gleichzeitig Wärme angereichert werden, die anschließend für
Heizzwecke zur Verfügung steht.
Die Energieüberführung durch Wasserverdampfung und -kondensation innerhalb
eines geschlossenen Luftkanals führt dabei zu hohen Wirkungsgraden bei der
thermischen Solarenergiegewinnung, da die Zwischenspeicherung über den
Phasenübergang "flüssig/gasförmig" zu geringeren Temperaturen bei gleichem
Energietransfer führt. Die Wärmeverluste an den Außenflächen werden somit
erheblich verringert. Der Wärmedurchgang aus der Luft über den Wärmetauscher
in das flüssige Speichermedium wird darüber hinaus durch den Kondensations-
vorgang im Vergleich zu einem trockenen Wärmetransfer stark erhöht. Dies
ermöglicht einen deutlich kleiner dimensionierten Wärmetauscher.
Da bei diesem prozessablauf erhebliche Mengen von Wasser umgesetzt werden,
liegt es nahe, die Technologie der Energie- und Wasserversorgung von
Gebäuden in einem integrierten System zu fusionieren. Neben der Aufbereitung
von Grauwasser kann so auch insbesondere Meer- oder Brackwasser ohne
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zusätzlichen Energieaufwand durch Destillation entsalzt und zu Brauchwasser
aufbereitet werden.
Zur Minimierung von Wasser- und Energieverlusten wird ein möglichst geringer
Austausch des Luftvolumens mit dem Außenraum angestrebt. Bei der Integration
von belebten Prozessen zur Transformation und Produktion von Biomasse wer-
den hierzu Kreislaufprozesse der Biosphäre in die geschaffene Mikroatmosphäre
integriert: Die Bindung von CO2und die Produktion von Sauerstoff durch
Photosynthese betreibende Pflanzen sowie umgekehrt die Veratmung von
Sauerstoff und die Produktion von CO2sowie von Wärme durch Mikroorganismen
im Fermentationsmodul spiegeln die biologische Wechselwirkung zwischen
Pflanzendecken und Bodenlebewesen in der Natur wider.
Die Pflanzen dienen dabei als klimatisch wirksame Verdunstungselemente sowie
darüber hinaus, je nach Nutzungsart, dem Erwerbsgartenbau innerhalb von
Produktionsgewächshäusern sowie als zusätzlicher Wohnraum innerhalb von
Architekturkonzepten.
Die Mikroorganismen - platziert auf befeuchteten Oberflächen in Luftbefeuchtern,
im Gewächshausboden sowie auf toter Biomasse innerhalb der
Fermentationsanlage - dienen der Transformation von Biomasse zur
Abwasserreinigung, der Erzeugung von Atmungsabwärme als nutzbare
Energiequelle sowie der Produktion von Kompost oder hochwertigen
Fermentationsprodukten.
Der solarthermisch erzeugte Luftkreislauf dient nicht nur dem Energietransport
zum Wärmetauscher, sondern ermöglicht eine gezielte Klimatisierung des
Gewächshauses und der Fermentationsanlage sowie den Austausch von
Sauerstoff und CO2zwischen diesen beiden Modulen.
Konzeption der Stadtteilebene
Da das Aufkommen von Grauwasser relativ stetig, der Verbrauch durch die
Vegetationsflächen aber durch jahreszeitliche und wetterbedingte Schwankungen
sehr unterschiedlich ist, wird durch offene Vegetationsflächen und dort befindliche
Stauvolumina ein (immer noch dezentral organisierter) Ausgleich geschaffen. Auf
diese Weise können in der Vegetationsperiode Schwankungen zwischen
Wasserangebot und Bedarf ausgeglichen werden. Durch die Rückhaltung der im
Wasser enthaltenen Nährstoffe entsteht ein hohes Produktivitätsniveau. Durch die
Staufunktion der bewachsenen Flächen kann auch im Winter über ein zweistu-
figes Reinigungssystem aus Gewächshäusern und offenen, bepflanzten
Wasserflächen eine ausreichende Reinigung des Wassers erzielt werden.
Ein im Vergleich zur heutigen landwirtschaftlichen Anbaumethoden gesteigertes
Produktivitätsniveau entsteht erst dann, wenn Biomasse durch erheblich weniger
9
Fremdenergie in Form von Düngung, Pflanzenschutz und Maschineneinsatz
erzeugt werden kann. Nachwachsende Rohstoffe werden höherwertiger ver-
wertet, wenn sie nicht einfach verbrannt, sondern über Fermentationsvorgänge
stofflich und gleichzeitig, über die entstehende prozessabwärme, energetisch
genutzt werden.
Da die Fermentation im Vergleich zu Verbrennungsvorgängen auf sehr niedrigem
Temperaturniveau abläuft, kann sie energetisch nur dann sinnvoll genutzt werden,
wenn sie unmittelbar an den Verbrauchseinheiten, im Kontext der
Stadtversorgung, also direkt am Gebäude abläuft. Durch die insgesamt
wesentlich kleinere Temperaturamplitude kann im Vergleich zur Verbrennung
allerdings auch mit deutlich niedrigeren Energieverlusten gerechnet werden.
10
0.2_ Rückkopplung zwischen Gebäuden und umgebender Landschaft - Oben: Grauwasser aus dem Gebäude wird
zur Bewässerung und zur Rückgewinnung in das Gewächshaus geführt. Überschüssiges Wasser gelangt zusam-
men mit Oberflächenwasser der Straßen in vegetationsbestandene Rückhalte- und Verdunstungsbecken. Mitte:
Rohstoffe aus den Vegetationsflächen werden im Gebäude verbraucht; Abfälle können im Winter über die
Fermentationsanlage energetisch, bzw. als fertiger Kompost stofflich verwertet werden. Unten: Rohstoffe aus den
Vegetationsbereichen können in der Fermentationsanlage zu höherwertigen Lebensmitteln oder zu
Industrierohstoffen umgewandelt werden. Hierdurch werden Vegetationsformen, insbesondere auch aus spontan
sich entwickelnden Lebensgemeinschaften, die bisher nur für die energetische Nutzung interessant waren, auch
stofflich verwertbar.
11
12
Vorbilder
A - Analogien aus dem Naturhaushalt
Gebäude werden mitunter als die dritte Haut des Menschen bezeichnet. Neben
Kleidung als der zweiten Haut denkt man zunächst an eine Hülle, die Schutz
bietet vor klimatischen Extremwerten, mechanischen Einwirkungen oder uner-
wünschten Blicken. In dieser Bezeichnung steckt aber auch die Idee, Häuser bzw.
darüber hinaus allgemein vom Menschen errichtete Dinge als Teile eines
Organismus anzusehen, der über das einzelne Subjekt, den einzelnen men-
schlichen Körper hinausgeht. Die Haut ist Teil des Stoffwechselmechanismus,
Regulator des Temperaturhaushaltes, Signalempfänger, Signalsender. Vor allem
aber begrenzt Haut einen lebenden Körper.
Aus dieser Perspektive kann es nützlich sein, für den Funktionsablauf von
Gebäuden Analogien aus dem Naturhaushalt zu betrachten. Im folgenden werden
Gebäudefunktionen verglichen mit dem Wasserhaushalt von Pflanzen, mit dem
Aufbau eines Termitenbaus und der Sukzession von Pflanzengesellschaften. Im
Gegensatz zur Analogie Gebäude - Mensch handelt es sich beim Vergleich mit
Pflanzen, Pflanzengesellschaften und Tierbauten um immobile Objekte. Sie ste-
hen unmittelbar und zwangsläufig in Wechselwirkung zur jeweiligen Umgebung.
Neben der Schutzfunktion von Gebäuden können Aspekte des Stoffwechsels, des
Gleichgewichts von Produktion und Konsumption, oder der Versorgung mit
Energie, Wasser und Nährstoffen betrachtet werden. Für Fragen der Ver- und
Entsorgung können neben dem Einzelgebäude auch die Organisationsformen für
die Gesamtstadt in die Analogie miteinbezogen werden. Vor dem Hintergrund der
Abhängigkeit gegenüber den Umweltfaktoren der unmittelbaren Umgebung kön-
nen Leitlinien für ein nachhaltiges, menschliches Verhalten in seiner räumlich lim-
itierten Umwelt abgeleitet werden.
Wasserhaushalt von Pflanzen
Pflanzen verdunsten Wasser über die Blätter. Über 80% der einfallenden
Sonnenenergie kann beispielsweise bei einem Wald über die Verdunstung, im
Wasserdampf gespeichert, abgeführt werden. Hierdurch wird im Gefäßsystem der
Pflanze ein Unterdruck aufgebaut, der neues Wasser und darin gelöste Nährstoffe
aus dem Boden nachführt. Gleichzeitig wird die Bodenoberfläche gekühlt,
Turbulenzen durch einen thermischen Auftrieb werden verhindert. Somit wird die
klimatische Voraussetzung für neue Regenfälle auf der entsprechenden Fläche
geschaffen. Der größte Anteil des Energieinputs wird somit für Transportvorgänge
und - gleichzeitig - für die interne und übergeordnete Klimatisierung verwendet.
Durch Photosynthese wird, im Vergleich hierzu, weniger als 2% der einfallenden
Sonnenenergie gespeichert.
Im Gegensatz zum Stoffwechsel des Menschen verlässt das in der Pflanze ver-
wendete Wasser den Organismus ausschließlich als Wasserdampf. Das Wasser
1a_
wird dabei in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit sehr sparsam behaushaltet. In
den Interzellularen des Schwammparenchyms wird stets ein wasserdampfgesät-
tigter Zustand aufrecht erhalten, um die Aufnahme von CO2 aus dem Luftraum
über einen Wasserfilm in die Zellen zu ermöglichen. Die Abgabe des
Wasserdampfes kann über Spaltöffnungen reguliert werden, wobei spezielle
Pflanzen, z.B. Sukulenten, die Abgabe extrem minimieren, andere Pflanzen, wie
etwa Schilf, die Abgabe zugunsten einer optimalen Versorgung mit CO2und einer
hohen Wachstumsaktivität maximieren, indem über die Blattoberfläche umgeleit-
ete Windströme aktiv Außenluft in den Blattinnenraum führen.
Innerhalb der Blätter befinden sich neben Verbrauchseinheiten auch in voll-
kommener Dezentralisierung Produktionselemente. Innerhalb des Palisaden-
parenchyms findet Photosynthese statt. Die Blattzellen synthetisieren aus dem
Energierohstoff Zucker höherwertige Proteine und Enzyme. Das Leitungssystem
funktioniert in beide Richtungen, wobei höherwertige Stoffe, (insbesondere
Zucker als Energieträger) bis in den Wurzelraum zurückgesandt werden.
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1.1_ Schnitt durch ein Blatt: Die Interzellularen sind mit wassergesättigter Luft angere-
ichert. Über eine Spaltöffnung wird die Abgabe von Wasserdampf und die Zuführung von
CO2geregelt (Sachweh 1985).
Biologische Analogie zum Gebäude und zur Stadt
Analog zu einer Stadt kann eine Pflanze als Versorgungsnetz interpretiert werden,
wobei einzelne Blätter analog als Endverbrauchseinheiten angesehen werden
können. Innerhalb der Blätter gibt es Räume mit wasserdampfgesättigter Luft.
Wasser wird nur gasförmig über geregelte Öffnungen nach außen abgegeben. Es
kann überlegt werden, ob entgegen der heutigen Praxis der
Abwasserentsorgungsnetze, Gebäude ebenfalls über Verdunstungsräume an den
Außenflächen entsorgt werden, wobei die Energie von Luftbewegungen, ähnlich
wie bei den Schilfblättern, zur verstärkten Wasserdampfabgabe genutzt wird. Die
Abgabe von Abfall- und Schadstoffen muss dann zwangsläufig über trockene
Wege verlaufen, ähnlich dem Abwurf von Herbstlaub, wobei auch die Möglichkeit
der dezentralen Veratmung der Kohlenstoffverbindungen wie im Boden durch
Mikroorganismen in Erwägung gezogen werden kann.
Für den Fall der Stadtversorgung auf Basis regenerativer Energiequellen sind
dezentrale Ansätze nicht unbekannt. Es muss aber überlegt werden, ob eine
Chemieproduktion und Rohstoffveredelung (wie in einem Blatt) nicht unmittelbar
an die Energiequellen und an die Bereiche der Wasserkonsumption gekoppelt
werden muss. Dies bedeutet im Gegensatz zur heutigen Konzentration in
Industriegebieten dann ein sehr hohes Stadium von Dezentralisierung der
Produktion auf der gesamten Stadtfläche.
Termitenbauten
Das Lüftungssystem im Termitenbau wird als architektonisches Vorbild zur
Klimaregulierung in nahezu jedem Lehrbuch über Bionik erwähnt. Hier sei jedoch
die Bedeutung der im Bau befindlichen Pilzgärten besonders hervorgehoben.
Im Inneren des Baus entsteht Wärme und CO2durch Atmungsprozesse, die über
Lüftungsgänge an die Innenseite der Außenhülle des Baus geführt werden. Hier
kann durch die poröse Struktur des Baumaterials CO2und feuchte, energiereiche
Luft entweichen. Gleichzeitig kann sauerstoffreiche, trockene Luft eindringen. Die
Lüftungsgänge führen abwärts auf die Unterseite des Baus. Durch
Bodenfeuchtigkeit oder Grundwasseranschluss wird die Luft befeuchtet und
durch den Temperatursog wieder durch die Innenräume gezogen.
Die Wärmeerzeugung im Innenraum ist nicht nur auf die Bewegungsaktivitäten
der Termiten zurückzuführen, sondern insbesondere auf die Atmungsaktivität von
im Bau befindlichen Pilzstämmen. Die Pilze werden mit in den Bau transportierten
Holzpartikeln als Nährsubstrat versorgt. Die Termiten wiederum ernähren sich von
bestimmten Teilen des Pilzorganismus. Es handelt sich um eine echte Symbiose,
da der Pilz ausschließlich in den besonderen klimatischen Verhältnissen des
Baus leben kann. Die Art ist isoliert nicht lebensfähig.
14
15
Biologische Analogie zum Gebäude und zur Stadt
Der Gesamtorganismus des Termitenbaus stellt eine einzigartige Lebensform dar,
die auf der Basis von totem Holzmaterial als Nahrungs- und Energiequelle grün-
det. Das Einsammeln von Totholz als Abfallprodukt der Umgebung erschließt das
potentiell größte natürliche Vorkommen an Biomasse, ohne das umliegende
Ökosystem parasitär zu belasten. Erst die Wechselwirkung von Termite, Pilz und
Gebäude bildet eine Basis zur Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe aus sonst
nicht weiter kultivierten Ökosystemen. Die Versorgung mit Nahrung, Energie und
Baurohstoffen bildet gemeinsam mit dem Wasserhaushalt und der
Gebäudeklimatisierung ein zusammenhängendes Verfahren, welches die einge-
brachten Rohstoffe zusammen mit dem Einfluss der auf den Bau einstrahlenden
Sonnenenergie auf optimale Weise nutzt.
Produktions- und Verbrauchssysteme des Menschen haben im Vergleich hierzu
den Nachteil des hohen Energieaufwands unvernetzter Funktionseinheiten, etwa
1.2_ Vorbild Termitenbau: Ein Luftkreislauf wird durch thermischen Auftrieb und durch Luftbefeuchtung erzeugt.
Totholz aus der Umgebung dient als Nahrungs- und Energielieferant. Zucht von Pilzen im Bau wird durch einen
Strom feucht-warmer Luft ermöglicht. (nach Lüscher 1961)
Pilzgärten
Grundwasser bzw.
feuchte Bodenschicht
Agabe von CO2
, Wärme und
Feuchtigkeit; Zuführung von
Sauerstoff durch die poröse
Außenwand
16
bei der Aufzucht landwirtschaftlicher Kulturen, beim Transport, bei der
Klimatisierung von Gebäuden, der Wasserver- und -entsorgung etc. Der
Organismus des Termitenbaus stellt dagegen eine sehr konkrete
Handlungsanleitung für ein effektives, vernetztes Vorgehen in Wechselwirkung
mit der unmittelbaren Umgebung dar.
Sukzession von Pflanzengesellschaften
Die sukzessive Entwicklung eines Standortes durch Lebewesen vom Stadium der
Pioniervegetation bis hin zum Klimaxstadium etwa eines ausgewachsenen
Buchenwaldes geht mit einer immer stärkeren Rückkopplung der Oberfläche mit
dem darunter liegenden Boden und der darüber liegenden Atmosphäre einher.
Die einfallende Sonnenenergie wird dabei immer intensiver genutzt.
Neben der zunehmenden Durchwurzelung des Bodens und der damit einherge-
henden Erschließung immer größerer Wasserressourcen und Nährstoffvorräte bei
der Verwitterung des Ausgangsgesteins wird die Wasser- und
Nährstoffspeicherfähigkeit durch die Anreicherung von organischer Substanz im
Boden erhöht. Die Wind- und Wassererosion wird zunehmend minimiert.
Durch die immer stärkere Verdunstungsleistung als Folge des
Vegetationswachstums und der entsprechenden Verfügbarkeit von Wasser und
Nährstoffen wird die Oberfläche zunehmend gekühlt, was wiederum die
Voraussetzung für zusätzliche Regenfälle und humide Klimaverhältnisse
verbessert.
1.3_ Natürliche Sukzessionen sind ein Vorbild für die zunehmend optimierte Erschließung von Sonnenenergie,
Wasser und Nährstoffen an einem gegebenen Standort
Biologische Analogie zum Gebäude und zur Stadt
Die Funktionsabläufe im Naturhaushalt bilden die Rahmengrößen für eine nach-
haltige Stadtentwicklung. Die Nutzung der Sonneneinstrahlung in der Stadt muss
über hohe Wirkungsgrade und eine systematische Nutzung der Gesamtfläche zur
Kühlung der Oberflächen führen, um die Rückkopplung mit der Atmosphäre zu
optimieren. Dies geht einher mit der optimierten Nutzung und Bevorratung poten-
tiell verfügbarer Wasserressourcen, wobei die im Gesamtsystem Stadt umge-
setzten Stoffe über Recyclingkreise das Einzugsgebiet nur in dem Ausmaß ver-
lassen sollten, wie neue Stoffe eingeführt werden.
Da Gebäude in unseren Breiten einen hohen winterlichen Heizbedarf aufweisen,
muss die Umsetzung des Energiepulses der Sonne vom Tag-Nacht-Rhythmus
der Wasserverdunstung und -kondensation in einen jahreszeitlichen
Speicherrhythmus überführt werden, ähnlich wie er durch die Erwärmung und
Abkühlung der Ozeane vonstatten geht.
B - Stand der Technik
Die Grundidee der vorliegenden Arbeit basiert auf Funktionsabläufen des
Naturhaushaltes. Verschiedene stoffliche Kreisläufe wie der Wasser-,
Kohlenstoff-, Sauerstoff -und Stickstoffkreislauf laufen unter Ausnutzung regene-
rierbarer Energiequellen und unter Einbeziehung der menschlichen
Wirtschaftsweise räumlich und zeitlich verkürzt ab. Hierbei werden unter-
schiedliche technische Anwendungen herangezogen, die aufeinander aufbauen
und sich gegenseitig ergänzen. Erst die Kombination der Einzelelemente führt
jedoch zu den angestrebten Synergieeffekten, die einen entsprechenden
Gesamtwirkungsgrad und somit die Perspektive eines wirtschaftlichen Einsatzes
der Anlage ermöglichen. Die technischen Einzellösungen, die der Idee
zugrunde liegen, sollen im folgenden kurz vorgestellt werden.
Gebäudeklimatisierung durch natürlichen
Auftrieb
Beispiele aus der traditionellen islamischen Architektur
Erwärmte Luft im Gebäude steigt nach oben. Durch den Auftrieb wird frische
Außenluft nachgezogen. Durch die Führung der nachströmenden Luft durch
unterirdische Kanäle oder Gänge wird die Luft vor dem Eintritt in das Gebäude
abgekühlt. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren moderne Systeme zur
17
Vorbilder
1b_
Raumluftkonditionierung mit Erdwärmetauschern. (Albers, 1997)
Der Auftrieb wird verstärkt durch spezielle Kaminbauten: Ein frei stehender
Kaminturm wird am Tag durch Sonneneinstrahlung erhitzt. Die Wärme wird an die
Luft innerhalb des Kamins abgegeben. Durch die Speicherung von Wärme in der
Baumasse wird der Auftriebseffekt bis in die Nacht fortgesetzt. Die dann ange-
saugte Nachtluft strömt in die Wohnbereiche und erzeugt ein Abkühlen der
Mauern, wiederum zeitversetzt bis in den nächsten Tageszyklus. (Nachtigall,
1983)
In Gebäuden mit hohen Räumen kann eine erhebliche Menge erwärmter Luft
18
1.4/1.5_ Gebäudeklimatisierung durch Thermischen Auftrieb, Nutzung des Außenwindes zur Gebäudeentlüftung
über Kuppel- und Tonnengewölbe, Nutzung von Turmbauten zur Erzeugung eines Luftauftriebs bis in die
Nachtstunden.
oberhalb des Aufenthaltsbereiches angereichert werden. Kühlere Luft verbleibt
länger im Bodenbereich. Die Vermengung von warmer und kalter Luft auf einen
Durchschnittswert wird verhindert. Streicht Wind über halbkugel- oder halbton-
nenförmige Dächer, so erzeugt er nach dem Bernouillschen Gesetz einen
Unterdruck. Trägt das Dach nun einen Lüftungsaufsatz, so wird die angestaute
Warmluft hochgesaugt und entfernt. In Regionen, wo die Windrichtungen häufig
wechseln, bevorzugt man halbkugelige Kuppeln, da deren Kühleffekt von der
Windrichtung unabhängig sind. In Gegenden mit nahezu konstanter
Windrichtung baut man eher im querschnitt halbkreisförmige Tonnengewölbe.
(Nachtigall, 1983)
19
1.6_ Entlüftung und Klimatisierung eines Bürohochhauses durch Solarkamineffekt an der
sonnenzugewandten Fassadenseite
Entlüftung durch Solarkamine
Eine vorgehängte Glaswand an einer Südfassade dient neben der
Lärmschutzfunktion als Solarkamin. Die Luft zwischen Fassade und Glaswand
erwärmt sich und steigt nach oben. Durch den so erzeugten Sog wird Luft aus den
zu klimatisierenden Räumen abgeführt. Im Gebäudeinneren sind spezielle
Lüftungsklappen angeordnet, die bei Aufrechterhaltung der Schalldämmung zur
Klimatisierung frische Luft von der sonnenabgewandten Seite des Gebäudes
nachführen können (Jacob 1999).
Nutzung von heißer Luft im Dachbereich zur Erwärmung der Bodenplatte
eines Gebäudes
Heiße Luft aus dem Dachbereich eines Hauses oder aus auf dem Dach befind-
lichen Luftkollektoren wird durch einen Schacht und über ein Rohrsystem im
Bereich der Keller-Bodenplatte nach außen abgeführt. Die Bodenplatte und die
anschließende Bodenschicht wird hierdurch erwärmt. Die Luftströmung wird
durch das Temperaturgefälle und über einen in dem Schacht befindlichen
Ventilator angetrieben. Die im Bodenbereich gespeicherte Wärme kann zeitver-
setzt über eine Wärmepumpe erschlossen werden. (Scheu 1987)
20
1.7_ Speicherung von solar erwaermter Aussenluft in der Bodenplatte eines Gebaeudes durch Luftstroemung
vom Dachraum in die Kellerebene
Solare Aufwindkraftwerke
In einem solar-thermischen Verfahren zur Stromerzeugung wird der thermische
Auftrieb von erwärmter Luft zum Antrieb eines Generators genutzt. Unter einer
großflächigen, kreisförmigen, transparent überdachten und vorzugsweise
schwarzfarbigen Einstrahlfläche wird Luft erwärmt. In der Mitte der Fläche ist ein
hoher Kamin angeordnet. Der Auftrieb wird durch sehr hohe Kaminhöhen ver-
stärkt. Der natürliche Druckabfall der Atmosphäre und der temperaturbedingte
Hochdruck der erwärmten Luft führen zu einem steigendem Druckunterschied
und zu entsprechend hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Kamin. Eine hier
angeordnete Turbine kann den Luftstrom zur Gewinnung von Elektrizität nutzen.
(Schlaich 1983)
Das Aufwindkraftwerk nutzt lediglich die durch den Auftrieb hervorgerufene,
kinetische Energie der erwärmten Luft. Der weitaus größte Energieanteil ent-
weicht ungenutzt in Form von Wärme.
Gebäudeheizung durch Luftkollektoren
Im Gegensatz zu den oben genannten Beispielen, welche die kinetische Energie
des Luftauftriebs nutzen, steht beim Luftkollektor die Wärmeerzeugung im
Mittelpunkt. Es handelt sich um ein vergleichsweise kostengünstiges System zur
Beheizung von Gebäuden. Luft steigt durch Metallrohre, die zur sonnenex-
ponierten Seite verglast sind und zur Rückseite mit einer Isolationsschicht verse-
hen sind. Der Wärmetransport der von der Sonne erhitzten Rohre erfolgt über
eine Luftströmung innerhalb der Rohre, die durch den wärmebedingten Auftrieb
21
1.8_ Ein Auftriebskraftwerk nutzt die kinetische Energie aufsteigender Luft über eine Windturbine
sowie teilweise auch über zusätzliche Ventilatoren erzeugt wird. Eingesetzte
Ventilatoren können durch kleine Photovoltaik-Paneele angetrieben werden, die
innerhalb des Kollektors nur einen Bruchteil der Gesamtfläche belegen. Die
erwärmte Luft wird direkt in das zu beheizende Gebäude geführt. Der Einsatz von
Luftkollektoren zur Wärmespeicherung ist relativ ineffektiv, da sich der
Wärmeübergang von Luft über einen Wärmetauscher in ein Speichermedium nur
sehr langsam vollzieht und somit eine entsprechend große Austauschfläche
benötigt wird. Aus diesem Grunde sind Luftkollektoren, ähnlich wie passive
Solarsysteme nur für eine Zusatzbeheizung geeignet. Hierfür können sie aber
wegen der geringen Bau- und Unterhaltskosten wirtschaftlich sinnvoll eingesetzt
werden.
Klimatisierung von Gewächshäusern
Die Klimatisierung von Gewächshäusern zielt auf sehr unterschiedliche
Anwendungsbereiche. Im wesentlichen sind dies die Kühlung, die Beheizung, die
Absenkung der Luftfeuchtigkeit sowie die Zuführung von CO2.
Kühlung
Man unterscheidet die passive Schattierung und Abführung von Wärme über den
Luftauftrieb und die aktive Kühlung über Zwangsluftwechsel und über die
Verdunstung von Wasser. Mit Wärmetauschern kann zeitlich versetzt sowohl
gekühlt wie auch geheizt werden.
22
1.9_ Mit Lufkollektoren besetzte Hausfassade zur Unterstützung der Gebäudeheizung in Berlin, Lützowstraße,
Architekten: IBUS, GmbH, Berlin (Grammer-Solar, 2001)
Zur Erzeugung von Luftwechsel werden vor allem passive Systeme herangeführt,
die den natürlichen Auftrieb der erwärmten Luft nutzen. Im sogenannten „Venlo"
Gewächshaustyp führt eine Kombination von Bodenklappen und Dachklappen
zur Abführung von erwärmter Luft im Dachbereich mit entsprechender
Nachführung von unten. Im Dach angebrachte Beschattungsmatten führen zur
Erwärmung von Luft unmittelbar unter dem Dach bei direkter Abführung durch die
Dachklappe. Gängige Gewächshaushöhen von 3-5m ermöglichen bereits eine
gewisse Wärmezonierung und ermöglichen die Rückhaltung hoher Luftvolumen
zur CO2-Bevorratung und Wasseraufnahmefähigkeit. Hierdurch können Wärme-
23
1.10/1.11_ Klimatisierung von Gewchshäusern durch natürlichen Auftrieb und durch Kiesspeicher mit ventilator
-
betriebenem Luftkreislauf
und Wasserverluste durch ständiges Lüften vermindert werden.
Mit steigender Äquatornähe wird die Funktion der Kühlung immer wichtiger und
schwieriger. Zwangsluftwechsel werden mit Ventilatoren erzeugt, die die
erwärmte Luft aus dem Gewächshaus führen. Die von außen nachgeführte,
zumeist trockene Luft kann dann über Luftbefeuchter gekühlt werden. Gängige
Luftbefeuchter für diese Funktion bestehen aus mit Wasser berieselten, dünnen
Celluloselamellen, die auf geringem Raum eine große Verdunstungsfläche
bereitstellen.
Das Kühlen durch zusätzliche Evaporation durch Besprühung von Wege- und
Bodenflächen, die Feinbesprühung der Luft (vgl. Mackroth 1982) bzw. die
Bewässerung von Beschattungslamellen (z.B. Pat. DE 4311106) sowie ventila-
torbetriebene Evaporationseinrichtungen erhöhen die Luftfeuchtigkeit bis zur
Sättigungskonzentration, so daß hier zur Aufrechterhaltung eines pflanzen-
verträglichen Gewächshausklimas ständig energie- und feuchtigkeitsreiche Luft
nach Außen abgeführt werden muss.
Die Möglichkeit des Einsatzes von Solarkaminen anstelle von Ventilatoren wird an
verschiedenen Stellen der Literatur erwähnt (z.B. Lorenz-Ladener 1981), ohne
daß ein entsprechendes Modell auf dem Markt erhältlich wäre.
Die Kühlung durch Verdunstung kann ausgeweitet werden durch die Befeuchtung
von Flächen im Gewächshaus, insbesondere der Beschattungsplanen, der Wege
24
1.12_ Gewächshauskühlung durch Luftbefeuchter und Ventilator
und der Gewächshaustischseiten (Bredenbeck, 1992, Mackroth 1982). Diese
Anwendungen führen jedoch zu einem sehr hohen Wasserverbrauch, solange die
Gewächshausluft kontinuierlich abgeführt wird.
Heizen / Künstliche Anreicherung von CO2
Üblich ist die Einspeisung von CO2aus Vorratsflaschen, was eine sehr genaue
Dosierung ermöglicht.
Die direkte Erzeugung von CO2ist immer auch mit Wärmeerzeugung verbunden,
was eine Kopplung mit den Heizfunktionen nahe legt. Pro m2Vegetationsfläche
und Stunde werden (nach Vegetationsart und Größe schwankend) rund 10g
CO2/h benötigt (Soyez, 1996). CO2kann durch Verbrennungs- oder
Veratmungsvorgänge erzeugt werden. Das Verhältnis von CO2und
Wärmeerzeugung ist bei beiden Verfahren ähnlich. Unterschiedlich sind die dabei
entstehenden Temperaturen und Reaktionszeiträume.
Gängig ist die Abführung von Abgasen aus Gasbrennern in das Gewächshaus.
Bei Ölbrennern ist die hohe Schadstoffbelastung nicht kompatibel mit den
Bedürfnissen der Gewächshauspflanzen.
Die Verbindung von Kompostierung und Heizung wird über ein einfaches Modul
möglich, bei dem der Luftwechsel über den thermischen Auftrieb der
Kompostabwärme geregelt wird. Auf Versuchsebene wurde bereits der Einsatz
von kommerziellen Kompostreaktoren zur CO2- Anreicherung in
Gewächshäusern untersucht (Soyez, 1996). Die Kompostierung ist nur eine sehr
einfache Form aus dem möglichen Bereich der Rottevorgänge, auf die im Kapitel
„Solid-State-Fermentation" näher eingegangen wird.
Grundsätzlich kann CO2auch durch Abluft aus Ställen der Tierproduktion einge-
führt werden. Auch die Abluft aus Gemeinschaftsräumen wie Schulen oder
Großraumbüros enthält theoretisch viel CO2.
Kühlen und Heizen, Herabsetzen der Luftfeuchte durch Wärmetauscher
Die Nutzung von Wärmeüberträgern ermöglicht neben dem gewünschten
Kühleffekt die Herabsetzung der Luftfeuchtigkeit durch Kondensation. Bei gleich-
zeitiger Zuführung von künstlich erzeugtem CO2kann der Luftwechsel - und somit
der Wasserverbrauch stark herabgesetzt werden. Die Abführung von Wärme zur
Beladung von Speichern wird vor allem zum Ausgleich der Tag/Nacht
Unterschiede genutzt. In gemäßigten Klimazonen ist der Einsatz vor allem in den
Übergangsjahreszeiten mit starken Tag/Nachtschwankungen anwendbar. Im sub-
tropischen Bereich tritt der Kühlnutzen im Sommer zur Minderung der
Tagestemperaturspitzen in den Vordergrund; im Winter der Heiznutzen bei
pflanzenunverträglichen Schwankungen - beispielsweise zwischen 0 und 40°C.
25
Luftwechseleinrichtungen mit anschließendem Kondensator zur Wasser- und
Energierückgewinnung durch Vorwärmen der Außenluft über die abzuführende
Innenluft sind für den Winterbetrieb bekannt (vgl. Rüther 1988). Im
Sommerbetrieb wird beim Luftwechsel warme und im Vergleich zum
Gewächshausklima trockene Außenluft eingeführt. Durch den relativ geringen
Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenluft sowie den niedrigen
Feuchtegehalt der Außenluft ist die Möglichkeit einer effektiven
Wasserwiederverwendung bzw. einer sinnvollen Nutzung der abgeführten
Wärmeenergie schwierig.
Die Kühlung durch Wärmeüberträger im Gewächshaus ist ebenfalls problema-
tisch, da die Zone der höchsten Temperaturen im Dachbereich liegt und die
Anbringung der Austauschflächen dort zu Verschattungen führt. Zudem ist der
Kondensationsertrag entsprechend niedrig, da die abgekühlte Luft herabfällt und
sich sofort wieder mit aufsteigender, erwärmter Luft vermischt. Das entstehende
Kondensat wird somit von der aufsteigenden Warmluft teilweise wieder
absorbiert.
Geschlossene, künstliche Luftkreisläufe (z.B. zur Abführung von Wärme in ein
Kiesbett) (vgl. Bredenbeck, 1992) werden mit fremdenergiebetriebenen
Ventilatoren erzeugt bzw. sind durch die erforderliche Größe der zu bauenden
Kieskammer für Tag/Nacht Speicherung kostenintensiv.
Wärmetauscher können zum Be- und Entladen von Wasserspeichern genutzt
werden, auf die im nächsten Kapitel eingegangen wird. Zudem ist zusätzlich oder
alternativ die Kühlung und Heizung über Wärmepumpen bzw. die Beheizung
durch konventionelle Gas- oder Ölbrenner möglich.
Die Platzierung von Wärmetauschern im Boden kommt dem Kondensationsertrag
näher, und ist sinnvoll, wenn das Kondensat unmittelbar wieder zum Gießen ver-
wendet werden soll. Problematisch ist hier jedoch die sich stabilisierende
Temperaturzonierung: Die Lufttemperatur am Boden ist vergleichsweise niedrig,
was zu entsprechend niedrigen Leistungszahlen bei der Wärmeübertragung und
-speicherung führt.
Wärmespeicher
Die Nutzung von Kurzzeitwärmespeichern in Form von Mauerwänden,
Wasserbehältern oder Folienwärmetauschern gehören zum Standard bei
Anlehngewächshäusern (vgl. z.B. Bredenbeck, 1992). Kiesspeicher werden direkt
durch die Gewächshausluft erwärmt. Hierfür wird durch Ventilatoren ein interner
Luftkreislauf zwischen dem Gewächshaus und den Zwischenräumen eines
Kiesbettes erzeugt. Der Bau einer entsprechend großen Kammer und die
Bewegung von hohen Luftmengen bei hohem Luftwiderstand des Kieskörpers
führen aber zu hohen Investitions- und Betriebskosten.
26
Die im folgenden beschriebenen Speichersysteme werden bisher kaum für
Gewächshäuser genutzt, da hier lediglich Temperaturen von bis zu rund 40°
erreicht werden. Ein thermischer Speicher wird somit nur sehr unzureichend
beladen. Zudem muss die Warmluft bisher über Ventilatoren zum Wärmetauscher
transportiert werden, was die Energiebilanz durch den Einsatz hochwertiger
mechanischer Energie deutlich verringert.
Aktive Systeme zur Rückhaltung von Wärme
und Kälte
Thermische Speicher
Die über aktive Wärmetauschersysteme abgeführte Wärme wird in
Speichermedien zurückgehalten. Die Praxis der solar betriebenen
Langzeitwärmespeicher verfolgt im Gegensatz zur passiven Solarenergie-
nutzung, bzw. zu einfachen, kollektorbetriebenen Systemen ohne Speicher, den
Ansatz der Nutzung des sommerlichen Energiepulses für Heizzwecke im Winter
unter Verwendung eines wärmeisolierten Tanks, eines Aquifers oder über
Erdsonden (vgl. Fisch, 1995, Seiwald et al.,1994, Saitoh 1996 u.a.). Die som-
merliche Sonneneinstrahlung wird über Solarkollektoren zur Erwärmung des
Speichers genutzt. Im Winter wird die gespeicherte Energie zum Heizen verwen-
det. Mit zunehmender Größe des Nahwärmesystems steigt der Wirkungsgrad des
Speichers, da sich bei steigendem Volumen die relative Größe der Außenfläche
verkleinert und somit auch die Wärmeverluste verkleinert werden.
Speichermedium ist in der Regel Wasser. Andere Medien, (z.B. Parafin) nutzen
zusätzlich die Zustandsänderung zwischen fest und flüssig als zusätzliche
Speicherkapazität. Silika-Gel hat als Speichermedium eine fünffach höhere
Wärmekapazität im Vergleich zu Wasser. (Tributsch, 1999).
In einer vorhandenen Anlage in Hamburg-Bramfeld wurde zur Versorgung von
124 Reihenhäusern mit insgesamt 14800 m2Wohnfläche bei einem solaren
Deckungsanteil von 50% ein Speicher von 4500 m3Größe (0,3 m3/m2
Wohnfläche errichtet. Der Heizungsvorlauf beträgt 60, der Rücklauf 30°C
In einer Anlage in Friedrichshafen-Wiggenhausen wurde zur Versorgung von 8
Mehrgeschoßwohnhäusern mit insgesamt 39500 m2Wohnfläche bei einem
solaren Deckungsanteil von 47% ein Speicher von 12000 m3Größe ((0,3 m3/m2
Wohnfläche) errichtet. Der Heizungsvorlauf beträgt 70°, der Rücklauf 40°C.
(Fisch 1999)
Ein hoher Wirkungsgrad wird durch gezielte Wärmezonierung erreicht.
(Schichtenspeicher). Hierfür gibt es verschiedene Ansätze:
27
Kammersystem
In einem Kammersystem wird das heiße Wasser auf die Oberseite der ersten
Kammer gefüllt. Eine Schicht von heißem Wasser vergrößert sich hierdurch und
wandert langsam bis zur unteren Seite. Das erhitzte Wasser kann erst bei voll-
ständiger Beladung der ersten Kammer von der Unterseite über ein Rohr auf die
Oberseite einer zweiten Kammer gelangen. Auf diese Weise können mehrere
Kammern hintereinander beladen werden, wodurch sich eine genaue
Wärmezonierung bildet. (Bredenbeck, 1992)
Schichtenspeicher
Ein weiterer Ansatz bildet der Schichtenspeicher. Durch die gezielte Beladung
bestimmter Schichthöhen und die Verhinderung von Turbulenzen bei der
Wasserentnahme und -zugabe wird das Speichermedium in unterschiedliche
Temperaturzonen aufgeteilt. Hierfür wird ein Schichtenlader zur Hilfe genommen.
Dies ist ein oben offenes Polypropylenrohr, das über seine Höhe verteilt mehrere
Membranklappen aufweist. Bei höherer Temperatur des zufließenden Wassers
besteht eine Druckdifferenz und die Membranklappen bleiben geschlossen. Bei
Temperaturgleichheit innerhalb und außerhalb des Rohres wird der Druck auf die
entsprechende Klappe aufgehoben, und das Wasser kann austreten und sich
28
1.13_ Nahwärmesystem mit Langzeitwärmespeicher, Funktionsschema einer Anlage in
Friedrichshagen (Fisch 1999)
29
1.15_ Solvis-Rohr zur Trennung unterschiedlicher Temperaturzonen im Schichtenspeicher (Solvis 2000)
1.14_ Solarsystem mit Schichtenspeicher und darin befindlichem Schichtenbelader
30
temperaturgleich einschichten.
Die selbstregelnde Beladevorrichtung sorgt für die variable Einschichtung ver-
schiedener Wassertemperaturen in verschiedene Speicherhöhen: Die obere
Wasserzone dient als Warmwasserpuffer zur Trinkwasserversorgung. Im
mittleren Bereich kann als Heizungspuffer das witterungsgeführte Beladen für die
Versorgung des Heizkreises stattfinden. Der unterere Bereich dient als
Puffervolumen zur Bevorratung eines Wasservolumens zur Erwärmung durch die
Solaranlage. (Solvis-Solar, 2000)
Wärmesensoren und Teleskoparm
Ein weitere Möglichkeit der Temperaturzonierung basiert auf einem Netz von
Wärmesensoren im Speicher. Ein Teleskoparm zur Wasserentnahme bzw.
-zugabe kann über einen Computer gezielt die entsprechenden Zonen gleicher
Temperatur ansteuern.
Verteilung von Ein- und Auslassöffnungen durch Ringschläuche
Da bei der Tag-Nacht-Speicherung in der Regel im Verhältnis zu den
Temperaturen im Speicher deutlich heißeres Wasser bzw. deutlich kälteres
Wasser zugeführt wird, genügt mitunter eine Ein- bzw. Auslassvorrichtung, die ein
möglichst langsames und gleichmäßiges Be- und Entladen am Boden sowie an
der Oberfläche des Speichervolumens erzielt. Dies ist möglich durch
Ringschläuche mit zahlreichen, gleichmäßig verteilten Öffnungen.
Entwicklungspotential
Die thermische Energie für den Ladeprozess von thermischen Speichern stammt
dabei zumeist aus Solarkollektoren. Deren Wirkungsgrad von ca. 40% bedingt,
daß immer noch ca. 60% der einfallenden Strahlungsmenge als ungenutzte
Energie zur Erwärmung der Umgebung beiträgt. Man kann nicht von einer tat-
sächlichen, mit vegetationsbestandenen Flächen vergleichbaren Kühlstruktur
sprechen. Ein negativer stadtklimatischer Effekt wird kaum verhindert. Im
Gegensatz hierzu steht die Wärmespeicherung in einem Mischwald, in dem über
90% der Strahlungsenergie durch Transpirationsvorgänge in Form von
Wasserdampf als latente Wärme gespeichert, z.T. abgeführt und erst bei
Abkühlung der Umgebungstemperaturen durch Kondensation wieder frei wird.
Ein Saisonspeicher stellt den größten Kostenfaktor einer thermischen
Solaranlage zur Nahwärmeversorgung dar. Deshalb wird versucht, vorhandene
Speichervolumen zu nutzen, etwa strömungsfreie oder künstlich stabilisierte
Grundwasservorkommen. Über Sonden wird das Erdreich selbst erwärmt, wobei
auch die Einbringung von Erdsonden noch relativ kostenintensiv ist. Ein
spezielles Verfahren arbeitet mit 3m langen Sonden, die punktförmig in die
31
Kellerboden eingegraben werden. Bei größeren Wohnsiedlungen können auf diese
Weise große Bodenvolumina in ausreichender Tiefe als Speichervolumen erschlossen
werden. Auch hier sind aber mögliche Grundwasserbewegungen zu beachten. Bei
trockenen, sandigen Böden ist wegen des hohen Anteils von Luftporen zudem die
Wärmekapazität stark herabgesetzt.
Thermischer Speicher zur Bevorratung von Wärme und Kälte
Die gleichzeitige Nutzung eines thermischen Speichers zur Gebäudeheizung im Winter
und zur Kühlung im Sommer wird in einem Modellhaus in Japan praktiziert (Saitoh et
al., 2000). Die Speichertemperatur schwankt zwischen ca. 65° am Ende des Sommers
und 5°C am Ende des Winters. Zur Nutzung relativ niedriger Wärme über den Winter
sowie zur Rückhaltung von kaltem Wasser für den Sommer wird eine Wärmepumpe
genutzt. Für die entgültige Entladung und die Bevorratung von möglichst kaltem
Wasser werden im Frühjahr sogenannte "Sky Radiators" eingesetzt. Sie strahlen die
Restwärme an kalten Tagen über Metallkörper in den Himmel ab.
Chemische Speicher
Chemische Speicher funktionieren nach der Logik von Absorptionswärmepumpen bzw.
-kältemaschinen. Ein Stoffgemisch, z.B. Wasser und Ammoniak wird durch Erwärmung
getrennt (Generierung/Antrieb). Aufgrund des niedrigeren Siedepunktes des
Lösungsmittels entweicht dieses aus dem Wasser und kann durch getrennte Abkühlung
wieder kondensiert und gespeichert werden. Zeit- und auch ortsversetzt kann das
Lösungsmittel wieder verdampft werden und entzieht dabei, dem
1.16_ Nutzung von Thermischen Speichern zum winterlichen Heizen und sommerlichen Kühlen bei Totalentladung
der gespeicherten Wärme im Frühjahr über sogenannte “Sky Radiators”. Links: Modus zur Langzeitwärme-
speicherung, Rechts: Modus zur Lagzeit Kältespeicherung (Saitoh, 2000)
Wärmepumpenprinzip folgend, einer Wärmequelle auf niedrigem
Temperaturniveau Energie. Diese wird dann bei Wiedervereinigung des
Ammoniakdampfes mit dem Wasser (=Absorption) auf hohem Temperaturniveau
wieder frei. Die Erhitzung, also der Antrieb kann durch Solarenergie (über
Heißwasserkollektoren) erfolgen. Die Niedrigtemperaturquelle kann beispiel-
sweise aus der Bodenwärme, aus Abluft, Abwasser oder aus dem
Heizungsrücklauf erschlossen werden. (Lazzarin, R. 1981)
Nutzung von Rotteprozessen zur
Rohstofftransformation
Unter Solid-State-Fermentation versteht man das Wachstum von
Mikroorganismen auf festen, statischen Trägermaterialien, die nicht von frei
beweglicher Flüssigkeit umgeben sind. Durch ein reduziertes Wasserangebot
handelt es sich vor allem um Pilzkulturen bzw. Mischkulturen aus Pilzen und
Bakterien.
Die Hauptkosten für biotechnisch erzeugte Produkte bilden zunächst die
Ausgangssubstrate und an zweiter Stelle (noch vor den Arbeitskosten) die
Aufwendungen für Energie, dabei vor allem für Sterilisations- und Rührvorgänge.
Im Hinblick auf Anwendungsbereiche für Massenprodukte erscheint die Solid-
State-Fermentation attraktiv, da wesentlich geringere Kosten für Substrate und
Energie aufgewendet werden müssen. Im Gegensatz zur Submerged
Fermentation werden nicht zwingend hochwertige Substrate wie Zucker, sondern
einfache lignocellulose- bzw. stärkehaltige Biomasse weiterverarbeitet. Im
Hinblick auf die Energiekosten ist interessant, daß bei diesen Verfahren nicht
zwingend aseptische Bedingungen benötigt werden, ein selektives Wachstum
sich vielmehr über ausreichende Impfquantität, über den pH-Wert sowie über den
vergleichsweise geringen Wassergehalt des Substrats einstellt. Ferner existieren
im Bereich der SSF Produktionsverfahren ohne Rühr - oder
Umwälzmechanismen, so daß der energetische Anteil der Produktionskosten
sehr gering ausfällt. Bei der Nutzung der frei werdenden Prozesswärme kann eine
positive Energiebilanz geschrieben werden.
Im Gegensatz zur in der Biotechnik üblichen Verfahrensweise der "Submerged
Fermentation", in der ein Prozess innerhalb einer Flüssigkeit abläuft, ist die Solid
State Fermentation vor allem interessant für die Verarbeitung billiger organischer
Rohstoffe wie Holz, landwirtschaftliche Abfälle und Nebenprodukte oder für die
Weiterverarbeitung von Lebensmitteln. Sie werden durch Wachstumsaktivitäten
der Pilze transformiert und bilden somit neue Produktkategorien.
Der Aufschluss des Substrates ist somit abhängig von einer gleichmäßig
befeuchteten Oberfläche und von der Möglichkeit der gleichmäßigen Belüftung
zur Abführung von Wärme und CO2sowie der Zuführung von Sauerstoff.
Insgesamt wird die Erzeugung von homogenen Umweltverhältnissen für die z.T.
32
33
1.18_ Mögliche Anlagenlayouts für Solid State Fermentation (aus Mordocco et al. 1999)
1.17_ Der Prozeß der Solid State Fermentation läuft innerhalb von drei Phasen ab:
Feste Phase: Aufschluß und Veränderung der Grundsubstanzen (wie bereits beschrieben).
Flüssige Phase: Gebunden an die feste Phase, Massentransfer über Feuchtigkeit oder
Oberflächenbenetzung
Gasphase: Zufuhr von Sauerstoff und Entfernung von Prozesswärme, Regelung von Wärme und
Feuchtigkeit
(aus: Zieger, 2000)
sehr empfindlichen Mikroorganismen als Hauptschwierigkeit der
Trockenphasenfermentation beschrieben. Vor allem die gleichmäßige Abführung
der Prozesswärme erschwert das Anlagenlayout. Evaporationsvorgänge
ermöglichen eine gleichmäßige Wärmeabführung. Eine gleichmäßige
Wiederbefeuchtung der dabei schnell austrocknenden Substrate ist allerdings
schwierig (vgl. Sangsurasak et al., 1995). Zudem muss eine gleichmäßige
Versorgung mit Sauerstoff für jeden Bereich der Substratschicht erreicht werden
um die Entstehung von Fäulnis zu verhindern. Aus diesem Grund muss bei Be-
und Entlüftungsverfahren neu zugeführte Luft meist künstlich temperiert und
befeuchtet werden, um gleichbleibende Umgebungstemperaturen zu garantieren
und um ein zu schnelles Austrocknen der Substrate zu verhindern.
Als Reaktorform kommen mehrere Typen in Frage, die auf unterschiedliche
Weise die Grundvoraussetzung für einen geregelten Prozessablauf erfüllen, in
dem der erwünschte und nutzbringende Mikroorganismus optimale
Lebensvoraussetzungen vorfindet und sich somit gegenüber konkurrierenden
und den Prozessablauf schädigenden Organismen durchsetzt. (Rehm et al,
1987). Dies ist vor allem die Möglichkeit des Wärmetransports aus dem Substrat
zur Oberfläche und der Belüftung zur kontinuierlichen Abführung von
Prozesswärme mit dem Ziel der Einhaltung einer gleichbleibenden Temperatur.
Des weiteren ist die Abführung von CO2sowie die Zuführung von Sauerstoff
notwendig.
Der Tray-Bioreaktor
Die Substrate werden auf übereinander gestapelte Tabletts 3-5 cm dick
34
1.19_ Gliederung der durch Solid-State-Fermentation hergestellten asiatischen Lebensmittel (aus Zieger 2000)
geschichtet. Der Wärmetransfer erfolgt im Substrat vor allem durch
Wärmeleitung, begünstigt vor allem durch den hohen Feuchtegehalt. Weitere,
sehr geringe Formen des Wärmetransports bilden die Evaporation der
Feuchtigkeit - zunächst in die vorhandenen Luftporen sowie die direkte
Erwärmung der Luft in den Poren. Der hohe Luftporenanteil führt zu einem
starken Isolationseffekt, so daß beispielsweise zwischen der Oberfläche und der
Schichtmitte bei einer Höhe von 6 cm bereits ein Temperaturunterschied von 20K
entsteht (Rehm et al, 1987). Aus diesem Grund werden sehr dünne Schichthöhen
unter 4 cm angestrebt. Von der Oberfläche aus besteht ein Wärmeübergang an
die über dem Substrat liegende Luftschicht sowie ein Austreten von feuchter Luft.
Die Rotationstrommel
Das Substrat wird in ein zylindrisches Rohr mit eingebauter Mischvorrichtung
gefüllt. Die Höhe der Substratschicht spielt hier keine zentrale Rolle, da die
Funktion der Durchlüftung durch periodisches Umwälzen des Substrates - ähnlich
wie in einem Betonmischer - erfolgt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß
einige Pilzarten nicht verwendet werden können, da sie das ständige Zerreißen
der Myzelfäden nicht vertragen und eine Massenvermehrung nicht stattfinden
kann. Der große Vorteil liegt in einer einfacheren Automatisierung: Das Substrat
wird auf einer Seite eingefüllt und durch den Mischvorgang automatisch durch
den Zylinder geschüttet. Wie beim Tray-Bioreaktor muss eine ständige
Ventilierung der Luftschicht über dem Substrat erfolgen. Das Umwälzen der
Schicht kann anstatt mit einer Rotationsbewegung auch mit anderen Rühr- oder
Schüttelvorrichtungen erfolgen.
35
Rotationstrommel-Bioreaktor zur Kompostierung komunaler Abfälle (aus Gray, 2001)
Die Packed-Bed Methode
Die Substratschicht wird hier von unten nach oben durch die Erzeugung eines
hohen Luftdrucks durchlüftet. Hierdurch werden sehr hohe Schichtungen
ermöglicht. In der Regel wird eine Substrattonne verwendet, bei der eine
Luftströmung von unten nach oben über einen Ventilator erzeugt wird.
Anwendungsgebiete
Es kommen sehr unterschiedliche Verfahren mit jeweils differierenden
Substratmaterialien, Mikroorganismen und Endprodukten sowie mit einem sehr
unterschiedlichen Stand der Technik in Frage:
- Kompostierung
- konventionelle Pilzzucht auf Kompost, Stroh oder Holzspänen
- Die Aufwertung von Lebensmitteln (bessere Verdaulichkeit, Haltbarkeit
Proteinanreicherung, Geschmacksverbesserung)
- Biologischer Aufschluss natürlicher Textilfasern
- Biologischer Zellstoffherstellung durch Delignifizierung von Holz
- Herstellung organischer Säuren und Enzyme
Aufwertung von Lebensmitteln als Beispiel für Verfahrensabnwendungen
der Solid State Fermentation
Zum besseren Verständnis der Einbindung der Fermentationskomponente wird
die Proteinanreicherung von Lebensmitteln und deren Anwendungsperspektiven
beispielhaft näher erläutert. Neben den verfahrenstechnischen Details, welche die
Argumente zur Einbindung in das klimatechnische Gesamtsystem untermauern,
soll insbesondere die Perspektive einer neben den Gewächshauspflanzen beste-
henden Nahrungsmittelversorgung verdeutlicht werden.
Es werden jeweils feste oder halbfeste, meist vor allem kohlenhydrathaltige
Substrate (zum Beispiel Sojabohnen, Pressrückstände aus der Sojamilch- und
Pflanzenölgewinnung, insb. Erdnuss Presskuchen, Kartoffelschalen) von einem
geeigneten Schimmelpilz über- und durchwachsen, so dass die ehemals losen
Substratteile durch das Myzel verbunden und verklebt sind und somit einen fes-
ten Kuchen bilden, der nach entsprechender Zubereitung für den menschlichen
Verzehr geeignet ist (siehe Abbildung 1). Steinkraus (1983) gibt einen guten
Überblick über diese Fermentationen. Den nachfolgenden Ausführungen liegt im
wesentlichen seine Arbeit zugrunde.
Traditionelle Tempe Fermentation
36
Nach Vorbehandlung der Sojabohnen (waschen, schälen) und Einweichen über
Nacht wird durch bakterielle Versäuerung eine Absenkung des pH-Werts auf 5,0
oder niedriger erreicht. Das so vorbehandelte Substrat wird kurz gekocht,
abgekühlt, oberflächlich getrocknet und mit Tempe Starterkulturen beimpft. Diese
stammen entweder von vorher ausgereiftem, frischen Tempe oder von
Hibiskusblättern ( Hibiscus tiliaceus) oder von fermentierten Reiskuchen (Ragi),
die mit verschiedenen Stämmen von R. oligosporus und anderen
Mikroorganismen bewachsen sind. Traditionell wird das beimpfte Substrat (in tro-
pischem Klima) mit Bananenblättern oder anderen großen Blättern in kleine
Pakete verpackt und an einem warmen Ort zwei bis drei Tage ausgereift. In dieser
Zeit wird das Substrat von dem Schimmelpilz völlig über- und durchwachsen. Der
Tempe kann anschließend zubereitet werden.
Industrielle Tempe-Produktion
Bis Mitte der 60er Jahre wurde auf dem Markt angebotener Tempe nach den obi-
gen, traditionellen Verfahren hergestellt. Forschungsarbeiten in den USA führten
dann zu Verbesserungen des Prozesses auf mittelgroßer Produktionsebene. Die
Entfernung der Hüllen erfolgten nicht durch Kochen sondern in trockenem
Zustand durch eine fein justiertes Mühlverfahren und anschließender kurzzeitiger
Erwärmung auf 104° C. Die Hüllen konnten anschließend durch Belüftung oder
Schleudern separiert werden. Die Versäuerung als elementarer Prozess zur aus-
reichenden Eliminierung von verunreinigenden Mikroorganismen wird durch
Zugabe von einem Prozent Milchsäure erreicht. Die kurzzeitig gekochten Bohnen
werden entwässert, abgekühlt und mit einem vorkultivierten Tempe Pulver, welch-
es aus sterilisierten Sojabohnen gewonnen wird und dass anschließend einge-
froren wird. Das Starter Pulver wird mit dem Substrat vermischt und auf trockenen
Tabletts (35 x 81 x 1.3 cm) mit Wachspapier bedeckt und bei 37°C und 90 % rel-
ativer Luftfeuchte fermentiert. Durch dieses Verfahren kann die
Fermentationsphase auf 24 Stunden verkürzt werden. Der fertige Tempe wird in
2.5 cm große Würfel geschnitten. Der Feuchtegehalt wird in einem
Heißlufttrockner bei 104° C auf weniger als 10% herabgesetzt.
Bei der Tempe-Fermentation stellen sich folgende positiven Veränderungen ein:
1.Die Verdaulichkeit der Sojabohnen wird durch den Abbau von Trypsin-
Inhibitoren und für den Menschen nicht verwertbaren Zuckern (Raffinose,
Stachyose) verbessert, die sonst Flatulenzen verursachen.
2.Die ölhaltige Sojabohne wird durch die Freisetzung von Antioxidantien vor
Ranzigkeit geschützt.
3.Die hygienische Sicherheit des Produkts ist dadurch gegeben, dass R.
oligosporus ein Antibiotikum produziert, das potentielle bakterielle Toxinbildner am
Wachstum hindert.
4.oligosporus ist kein Mykotoxinbildner, sondern im Gegenteil sogar in der Lage,
eventuell vorhandene Mykotoxine abzubauen (Ko, 1977).
5.Tempe liefert durch die Wirkung der in kommerziellen Produkten ebenfalls
37
vorhandenen Bakterien (identifizeirt als "Klebsiella pneumoniae", eine nicht-
pathogene Art (Curtis, 1977)) einen vor allem für Vegetarier wertvollen Beitrag zur
Vitamin B12-Versorgung (Liem, 1977).
Nach Shurtleff et. al (1982) gibt es 53 Tempefabriken in den USA, die größte
davon produziert 3200 Tonnen Tempe pro Tag. Die größte Anlage in Indonesien
produziert 80 Tonnen pro Tag (Shurtleff et. Al. 1976). Tempe ist dennoch insge-
samt ein kommerzielles Nischenprodukt. Die größten Potentiale für neue
Produktionsanlagen liegen in Ländern, in denen Verbrauchern proteinreichen
Fleischersatz bei relativ niedrigen Preisen benötigen.
Die Tempe Produktion wurde mit sehr unterschiedlichen Bohnenarten angewandt.
(Gandjar, 1977). Eine neue Tempelart aus einer Mischung von Weizen und Soja
entwickelt (Hesseltine, 1979 und Wang, 1966).
Der Tempe Prozess hat ein hohes industrielles Potenzial da es für die Schaffung
von fleischähnlichen Strukturen in Getreide- und Leguminosensubstraten einge-
setzt werden kann. Zudem kann die gesamte Kochzeit von Sojabohnen von etwa
sechs Stunden auf rund 40 Minuten (30 Minuten Vorkochen und 10 Minuten nach
der Fermentation) reduziert werden.
Unter Amerikanischen Vegetariern wurde Tempe schnell angenommen und ist
dort in Reformhäusern und größeren Supermärkten erhältlich. In Europa ist das
Produkt eher unbekannt und nur in wenigen Naturkostläden und asiatischen
Lebensmittelläden erhältlich. In Entwicklungsländern besteht ein großes verbre-
itungspotential, auch wenn die spezifischen Informationen über das Produkt und
seine Anwendungen mit Ausnahme des südostasiatischen Bereichs noch nicht
sehr weit verbreitet ist.
Proteinanreicherung von stärkehaltigen Lebensmitteln
Vor mehreren Jahrhunderten wurde in Indonesien ein Verfahren zur
Proteinanreichherung von Stärkehaltigen Lebensmitteln durch Solid-State-
Fermentation entwickelt. Das Produkt wird als Tape Ketan (bei Reis als Substrat)
bzw. als Tape Ketela (bei Cassava (Manniok, Yucca) als Substrat) bezeichnet.
Die essentiellen Mikroorganismen bei diesem Prozess sind "Amylomyces rouxli"
und eine Hefe des "Endomycoosis burtonii" Typus (Cronk, 1977 und Ko, 1972). In
Süd-Ost-Aasien werden sie als Ragi Cake vermarktet. Durch Fermentation
entsteht innerhalb von zwei bis drei Tagen ein süß-saure, alkoholhaltiges
Lebensmittel. Tape ketan erreicht einen Proteingehalt von etwa 16 Prozent (i.Tr.)
- also die doppelte Menge von Reis. Lysin, die erste limitierende Aminosäure in
Reis wird selektiv synthetisiert und steigt um 15% an. Der Thiamingehalt von
poliertem Reis steigt um 300 Prozent auf den ursprünglichen Gehalt in
unpoliertem Reis an. Bei Cassava steigt der Proteingehalt je nach Verfahren auf
mindestens 3%.
38
Energetische Nutzung von Abwärme bei
Rotteprozessen
Ein historisches Beispiel für die Nutzung biologischer Abbauprozesse zu
Heizzwecken stellen Frühbeetkästen unter Glas im Gartenbau dar, die durch die
im Pflanzsubstrat enthaltenen Komposte beheizt werden, und damit den
Wachstumszyklus der Pflanzen im jahreszeitlichen Verlauf nach vorne ver-
längern.
Die Nutzung von Kompostierungsanlagen zu Heizzwecken wird in einigen
Anlagentypen beschrieben (z.B. Pat. DE 3932765, Pat. DE 4336836), wobei die
aktive Entnahme von Wärme aus dem Inneren des Substratkörpers bei den
entsprechenden Verfahren problematisch bleibt, so lange die Rottetemperatur
deutlich unter 70° gesenkt und somit die thermo-hygienischen Effekte verringert
werden, bzw. sogar der gesamte Kompostierungsvorgang unterbrochen wird. Der
Kompostierungsprozess benötigt wegen der extrem unterschiedlichen, in seiner
Zusammensetzung nicht zwangsläufig einheitlichen Besetzung von
Mikroorganismen keine exakt gesteuerten Werte für pH-Wert, Luftfeuchtigkeit,
Sauerstoff, CO2und Temperatur.
Für eine Testanlage zur Beheizung eines 100 m2großen Gewächshauses in
Südfrankreich wird ein Komposthaufen von etwa sechs Meter Größe im
Durchmesser beschrieben. Er enthält etwa 50 Tonnen zerkleinertes
Pflanzenmaterial. Es werden, durch etwa 50 cm dicke Materialschichten
getrennt, Spiralen aus rund drei Zentimeter dicken, halbflexiblen
Polyäthylenschläuchen eingewickelt. Sie dienen als Wärmetauscher. Es wurde für
die Dauer eines halben Jahres 4 l Wasser pro Minute von 10° C auf 60° erhitzt.
Ein vergleichbarer Haufen von 200 Tonnen war innen immer noch 58° heiß, nach-
dem er 18 Monate funktioniert hatte. (Nachtigall, 1983)
Die Möglichkeit der Verwendung von Abwärme aus hochwertigen
Fermentationsvorgängen zu Heizzwecken wird in der gängigen Literatur bisher
nur andeutungsweise erwähnt. Die vorhandenen Verfahren existieren weitgehend
in Form von sehr kleinen Anlagen bzw. auf Labormaßstab, wobei der energetis-
che Wirkungsgrad noch keine signifikante Rolle spielt. Die beim
Fermentationsprozess freiwerdende Energie ist allerdings erheblich (je nach
Prozessablauf bis zu 300 kJ/h/kg Trockenmasse (Saucedo-Castaneda et al.,
1990)). Bei großtechnischen Anwendungen und preiswerten Substraten erscheint
die Nutzung dieser Energie naheliegend.
Integrierte Gewächshauskonzepte
Die Zusammenführung verschiedener Funktionen wie Kompostierung, Pilzzucht,
Fischzucht sowie die Realisierung einer hohen Artenvielfalt innerhalb eines
Gewächshauses zur Optimierung der Energiebehaushaltung, zur
39
Kreislaufführung von Wasser und Nährstoffen, zur Erlangung einer höheren
Stabilität der Vegetationsstrukturen und höherer Gesamtproduktivität wurde in
verschiedenen Modellversuchen erprobt.
Integrated Farming
Insbesondere sind die Studien des US amerikanischen New Alchemy Institutes zu
erwähnen. Die Fischzucht in offenen, in Gewächshäusern befindlichen Teichen
verfolgte verschiedene Zielsetzungen: Der Teich selbst dient als thermische
Masse zur Rückhaltung von Wärme vom Tag in die Nacht. Die Fische dienen der
Nahrungsmittelproduktion. Verunreinigtes Wasser aus dem Teich kann über die
Pflanzflächen verwertet und gefiltert wiederverwendet werden. (Zwieg 1980)
Die Kopplung von Tierproduktion (in dem genannten Beispiel Hühner- und
Kaninchenzucht) und Gewächshauskulturen wird mit der Zielsetzung der
Verwertung von Wärme und CO2beschrieben. Neben Problemen mit
Ammoniakgasen wurde insbesondere auf die Schwierigkeit der Integration einer
wirtschaftlich profitablen Tierzucht im großen Maßstab verwiesen. (Goldman
1984)
Als wirtschaftlich interessante Perspektive wird das von dem Institut entwickelte
Kompostgewächshaus beschrieben. Im Gegensatz zu Ansätzen von
Solargewächshäusern wird durch die Möglichkeit der Nutzung von Abwärme und
CO2ein beachtlicher Mehrwert bei der Kombination der beiden Funktionen
beschrieben. Für ein Gewächshaus von 53 m2und einer
Kompostierungskammer von 9 m3wurde ein Mehrertrag von 1700 $ pro Jahr bei
optimaler Ausnutzung beider Komponenten errechnet (Fulford 1983). Als
Nachteile wurden insbesondere die Zusatzkosten für Zwangsbelüftung der
Kompostierungsanlage sowie zusätzlicher Energieverbrauch beim Einbau nötiger
Luftfilter bei der Zuführung von Luft in das Gewächshaus beschrieben.
Biosphere II
Ein Prototyp von ganz anderer Dimension entstand in den 90er Jahren im
Rahmen des Biosphere II Projektes an der Columbia University im US-
Bundesstaat New York. In einer Gruppe von miteinander verbundenen
Gewächshäusern, die vollkommen von der Außenluft abgetrennt wurden, sollte
die Möglichkeit des Baus künstlicher Habitate auf dem Mond bzw. auf dem Mars
erprobt werden. Durch die völlige Abgeschlossenheit sollten zudem Erkenntnisse
über Vorgänge in der Biosphäre der Erde gewonnen werden.
Zwischen September 1991 und September 1993 hielt sich eine Gruppe von 8
Versuchspersonen permanent in der Anlage auf. Das Design der
Lebensgemeinschaft musste biotische Faktoren berücksichtigen wie etwa
Nahrungskonkurrenz, Abhängigkeit von spezifischen Nahrungsquellen oder die
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Abwesenheit natürlicher Feinde sowie auch abiotische Faktoren, beispielsweise
Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Gesamtklima. Durch den Nachbau ver-
schiedener Klimazonen der Erde und der Verwendung einer sehr hohen
Artenvielfalt sollte eine hohe Stabilität der Lebensgemeinschaften erreicht wer-
den, die nicht zusammenbricht, wenn eine Art ausstirbt. Die Steuerungs- und
Entwicklungsmöglichkeiten sind dabei aber auf die ursprünglich ausgewählte
Artenzusammensetzung beschränkt, wenngleich sich insbesondere durch die
eingeführten Substrate bestimmte, ungeplante Organismen durchsetzten,
während geplante Organismen ausstarben. (Warshall, 1996)
Ein völlig von der Außenluft abgeschlossenes Gewächshaus ist somit etwas völ-
lig anderes als ein zeitweise geschlossener Raum, der durch periodische Öffnung
und durch Austausch von Stoffen mit der Außenwelt sowohl die Möglichkeit der
Luftregenerierung wie auch die Möglichkeit des Aus- und Eintritts von
Organismen ermöglicht.
Die Ernährung der Gruppe auf Grundlage der Gewächshauspflanzen gelang
ohne Probleme. Das Experiment scheiterte schließlich aber am übermäßig
ansteigenden CO2-gehalt der Luft, der auf die Aktivität bestimmter
Bodenorganismen und auf die Zusammensetzung des als Konstruktionsmaterial
verwendeten Betons zurückgeführt wurde.
Wasseraufbereitung durch solare Destillation
Einfache "Solarpfannen" verdampfen Wasser unter einer Glas- oder
Kunststoffabdeckung. Der Wasserdampf kondensiert an der Abdeckung bei
Abführung der Kondensationswärme über das entsprechende Material nach
Außen. Zur Erhöhung des Kondensationseffekts sind Systeme bekannt, bei
denen die Abdeckung auf der Außenseite fortlaufend mit überströmendem
Salzwasser gekühlt wird. Hierdurch wird der Kondensationseffekt erhöht.
41
1.20_ Innenansicht Biosphere II (aus: www.bio2.edu)
Die unter der Abdeckung befindliche Salzwassermenge wird zudem durch
zusätzliche Solarkollektoren über einen Beheizungskreislauf beheizt, um die
Verdampfungsaktivität zu steigern.
Destillatoren mit getrennten Kammern für Verdunstung und Kondensation unter
Ausnutzung des natürlichen Luftauftriebs für den Gasaustausch sind in ver-
schiedenen Ausführungen bekannt. (z.B. Pat. DE 3829464)
Kombinationen aus Verdunstungskammern und Gewächshäusern gelten bisher
wegen der bei pflanzenbedingten Blatttemperaturen von max. ca. 40°C unzu-
reichenden Verdunstungsaktivitäten und wegen hygienischer Probleme bei
geringem Luftwechsel und hoher Luftfeuchtigkeit (z.B. Pilzbefall der Pflanzen) als
unrentabel. (vgl. Meyer, 1989).
Regenwassernutzung und Grauwasserrecycling
Die Betriebs- und Regenwassernutzung hat sich in den letzten Jahren enorm
entwickelt. Nachdem vor 10 Jahren nur vereinzelte Anlagen, hauptsächlich von
Heimwerkern realisiert wurden, ist die Nutzung aus der modernen Haustechnik
nicht mehr wegzudenken. Zahlreiche Hersteller, Händler und Planer sowie
Ausführungsfirmen haben sich auf dem Markt etabliert (fbr, 2000). Die Nutzung
von Regenwasser durch Zisternensysteme wird beim Gebäudeneubau häufig
42
1.21_ Solare Meerwasserentsalzung mit zusätzlicher Erwärmung des Salzwassers über einen Solarkollektor sowie
mit Verdunstungskühlung auf der Abdeckplatte zur Erhöhung der Kondensationsleistung (Tiwari 1996)
mitangeboten und kann bei den hohen Kosten für die Wasserver- und
-entsorgung auch weitgehend rentabel betrieben werden.
Es ist allerdings bei dieser schnellen Entwicklung nur eine Frage der Zeit, daß die
so gewonnene Brauchwassermenge bei der Einleitung in die
Schwemmkanalisation mit einer entsprechenden Abwasserabgabe belegt wird.
Neben Regenwassernutzungsanlagen gewinnen Anlagen zur
Grauwasserreinigung zunehmend an Bedeutung. Grauwasser ist ein Teil des
häuslichen Abwassers, daß frei von Fäkalien und hoch belasteten
Küchenabwässern ist. In einem wassersparenden Haushalt entsteht etwa 55 l
Grauwasser pro Tag und Person. Es kann in den Bereichen Toilettenspülung,
Gartenbewässerung und zu Reinigungszwecken verwendet werden. Die
Zweifachnutzung reduziert den häuslichen Trinkwasserverbrauch um ca. 30 %.
Eine entsprechende Anlage besteht aus einem Absetzbecken, einer mech-
anischen und einer biologischen Reinigungsstufe sowie einem Speicherbecken
mit Pumpe. Auf dem Markt werden Anlagen für Ein- und Zweifamilienhäuser
sowie für Wohnanlagen und Hotels angeboten. Eine besondere Form der
Grauwasseraufbereitung wird durch bewachsene Bodenfilter bzw.
Pflanzenkläranlagen erzielt. In mit Wasser- und Sumpfstauden bewachsenen
43
1.23_ Struktur des häusslichen Wasserbedarfs und Verwertungsfraktionen (Thomas 1991)
Teichen werden Schwebstoffe abgesetzt sowie organische Verbindungen durch
die Aktivität von Mikroorganismen reduziert oder im Sediment festgelegt.
Wasserpflanzen haben in diesem Prozeß die Eigenschaft, die anaeroben Zonen
im Wasser mit sauerstoffhaltigen Bereichen zu ergänzen und somit unter-
schiedliche Abbauprozesse nebeneinander zu ermöglichen. Zur Reduktion der
Kosten für die Flächennutzung wird die Dimensionierung der Anlagen gemäß der
technisch möglichen Reinigungsleistung auf ein Minimum begrenzt. Für einen
Einwohner wird dabei eine Fläche von 3-5 m2veranschlagt.
Die Entsorgung von Fäkalien über Trockentoiletten geht allerdings einen Schritt
weiter. Da hier nahezu kein Wasserbedarf mehr entsteht, wird auch die
Verwendungsmöglichkeit für Grauwasser reduziert. Interessant ist eine
Aufbereitung dann erst, wenn die erzielbare Wasserqualität für sonstige
Brauchwassernutzungen wie Baden, Duschen, Waschen ausreichend ist.
Die verbleibende Gartenbewässerung wird vielfach lediglich in wenigen Monaten
des Jahres benötigt, so daß ein wirtschaftlicher Einsatz dann nicht mehr möglich
ist. Gärten könnten zudem durch die Verwendung von Tropfbewässerungen oder
durch Hydrokultur direkt mit unaufbereitetem Grauwasser bewässert werden. Bei
Pflanzenkläranlagen ist das Reinigungsfeld praktisch der Garten, so daß nur indi-
rekt von einer Rückgewinnung gesprochen werden kann. Es handelt sich mehr
um eine Entsorgungstechnik, die alternativ zur Schwemmkanalisation eingesetzt
werden kann.
44
Systemablauf und Anwendungsbereiche
Nach der Darstellung von Vorbildern soll im Folgenden die Funktionsweise des
erarbeiteten Gewächshaussystems vorgestellt werden.
Ein an Gebäuden installierbares System, bestehend aus einem Gewächshaus,
einem Solarkamin, einem Kühlschacht und einer Fermentationsanlage,
ermöglicht innerhalb eines geschlossenen Luftkreislaufs die Überführung der
solaren Einstrahlung sowie der Prozesswärme aus einer Fermentationsanlage in
einen Wärmespeicher. Verdunstungs- und Kondensationsvorgänge dienen der
Energiezwischenspeicherung sowie der Wasseraufbereitung. Hierbei entstehen,
mit wirtschaftlich entsprechend verwertbarem Mehrfachnutzen, folgende
Anwendungsperspektiven:
1. Energiegewinnung
Die Überführung von Solarenergie in einen thermischen Speicher über
ein, bei großflächigen Anwendungen vergleichsweise kostengünstiges
Kollektorsystem mit hohem Wirkungsgrad wird ermöglicht.
2. Wasseraufbereitung
Städtisches Grauwasser, verschmutztes Oberflächenwasser bzw.
Meer- oder Brackwasser kann simultan zum Prozess der
Energieübertragung zu hochwertigem, städtischen Brauchwasser auf-
bereitet werden. Der Vorgang der Wasserdestillation verbraucht dabei
keine zusätzliche Energie sondern ist Teil des Energieflusses.
3. Klimatisierung von Gewächshäusern
Die Klimatisierung von Gewächshäusern als Produktionsstandort bzw.
als Aufenthaltsbereich kann über ein rein solarthermisch angetriebenes
Lüftungssystem erreicht werden. Hierdurch wird die regionale wie auch
die zeitliche Nutzbarkeit von Gewächshäusern stark ausgeweitet.
Insbesondere der Kontrast zwischen trockenem, heißen Außenklima und
temperiertem, feuchten Innenklima kann als besondere Qualität an
Standorten mit trockenem Stadtklima sowie in ariden Regionen hervorge-
hoben werden. Durch die periodische Erhitzung, Abkühlung und
Befeuchtung der Luft wird zudem über entsprechende Entkeimungs- und
Entstaubungsvorgänge eine hohe Luftqualität des Innenraums erzielt.
4. Klimatisierung von Fermentationsanlagen
Anlagen zur Solid-State-Fermentation können ohne zusätzlichen
Energieaufwand belüftet, befeuchtet und mit Sauerstoff versorgt werden.
Die dabei entstehende Prozesswärme kann als zusätzliche
Energiequelle auf Basis einfacher und billiger organischer Rohstoffe
erfasst werden. Durch die Nutzung der niedrig temperierten
Prozesswärme unmittelbar am Gebäude kann die in der Biomasse
gespeicherte Energie im Vergleich zu Verbrennungsprozessen direkt und
verlustarm genutzt werden.
45
2_
Das System kann zur Brauchwassererwärmung, für die Beladung von
Saisonspeichern im Rahmen von Nahwärmesystemen zu Heizzwecken oder aber
für die Funktion der Wasserdestillation bei der Verwendung von Tag-Nacht-
Wärmespeichern optimiert werden.
Optimierung zur Wärmegewinnung
Eine wirtschaftliche Nutzung von Wärme und Feuchtigkeit aus Gewächshäusern
wurde bisher durch folgende Probleme behindert:
- Verträgliche Lufttemperaturen für Pflanzenwachstum sind zu niedrig, um sin-
nvolle Vorlauftemperaturen für die Wärmespeicherung zu erzielen.
46
2.1_ Systemfunktionen
- Bei nötiger Lüftung des Gewächshauses zur Kühlung, zur Abführung von
Luftfeuchtigkeit und zur CO2 - Anreicherung der Raumluft als Pflanzennährstoff
geht ein Großteil der eingestrahlten Energie verloren. Ein hoher Energieanteil
wird durch die Wasserverdampfung umgesetzt und bei der Belüftung mit
entsprechendem Wasserverlust abgeführt.
- Die benötigte Fremdenergie für Ventilatoren zum Transport der
Gewächshausluft an die Oberflächen eines Wärmetauschers zur Abführung von
Wärme und zur Kondensation von Wasser ist dem Wärmeertrag entsprechend
Gegenzurechnen. Dieser Umstand führte bislang zu einer nicht wirtschaftlichen
Bilanz.
Lösungsansatz
Durch die Überführung von Luft aus einem Gewächshaus in einen Solarkamin
unter Ausnutzung des natürlichen Auftriebs wird die solar erwärmte und durch
Vegetation befeuchtete Luft weiter erhitzt. Dies führt zu höheren, nutzbaren
Lufttemperaturen. Es entsteht eine Wärmeschichtung bei hohen Temperaturen
zur Wärmespeicherung an der Kaminoberseite und vergleichsweise niedrigen
Temperaturen zur Wohnnutzung und zum Anbau von Pflanzen in der unteren
Gewächshausebene.
Der an der Südfassade eines Gebäudes angeordnete Solarkamin ist mit dem
Gewächshaus durch eine Öffnung im Dachbereich verbunden. Die obere
Kaminebene führt über eine Öffnung in einen Rückführschacht, in dem ein Luft-
Wasser-Wärmetauscher mit Gegenstromprinzip angeordnet ist. Hier wird die in
der Luft enthaltene Energie abgeführt. Durch die Abkühlung wird der
Kondensationsprozess der feuchten Luft eingeleitet. Somit kann auch die latente
Wärme abgeschöpft werden. Die Energiesumme wird an einen temperatur-
zonierten Wärmespeicher weitergeleitet. Die zuvor aufgestiegene Luft kühlt ab
und Fällt wieder auf die Ausgangshöhe der Bodenebene im Gewächshauses
zurück.
Der Wärmetauscher wird über Schichten mit abgekühltem Wasser aus dem
Speicher gekühlt. Die Bevorratung einer ausreichenden Kältemenge wird durch
eine Totalabkühlung des Speichers in der Entladungsphase erzielt. Das
Gewächshaus dient beim Entladen der Wärmeabstrahlung. Je nach System wird
die gespeicherte Wärme im Laufe des Winters oder innerhalb einer Nacht ver-
braucht. Der unterste Temperaturbereich von Langzeitwärmespeichern (40°-5°C)
wird dabei entladen. Durch die Nutzung des Heizungsrücklaufs aus Gebäuden
kann das Gewächshaus bei Temperaturen zwischen 5° (Frostschutz) und 15°C
(durchgehendes Pflanzenwachstum) beheizt werden. Dieses erzielbare
Temperaturspektrum ist bei der Auswahl der Bepflanzung bzw. der Pflanzkulturen
zu berücksichtigen.
Die abgekühlte, weiterhin wasserdampfgesättigte Luft wird auf Bodenhöhe in
einen Fermentationsraum geleitet und durch den Sog des Kamins zurück in den
47
Vegetationsbereich des Gewächshauses gezogen.
Das Prinzip des Auf- und Absteigens von Luft
Das gesamte System basiert auf dem Effekt der kontinuierlichen Lufterwärmung
im Gewächshaus und im Solarkamin und auf der Abkühlung von Luft in einem
Rückführschacht. Die simultane, vom Auftrieb erzeugte Aufwärtsbewegung der
Luft und das anschließende Herabfallen der abgekühlten Luft erzeugen eine
Kreislaufbewegung innerhalb eines geschlossenen Luftkörpers. Durch die
Unterbringung des Wärmetauschers in einem vom Gewächshaus getrennten
Rückführschacht kann die Wärmesumme und die Luftfeuchtigkeit durch
Kondensation abgeschöpft werden, ohne dass sich die abgekühlte Luft unmittel-
bar wieder mit warmer Luft durchmischen kann.
Im Prinzip sind drei verschiedene Größen für die Intensität der Luftbewegung
bestimmend:
48
2.2_ Energiebilanzen: Der weitaus größte Teil der eingestrahlten Energie wird über die Wasserverdampfung zum
Wärmetauscher überführt. Durch die vergleichsweise niedrigen Temperaturen wird der Wärmeverlust über die
Außenflächen minimiert. Der Wirkungsgrad wird entsprechend erhöht.
Reflexion an der Glaswand
Minimierung der Wärmeverlluste durch Luftbefeuchtung
- Die Temperaturdifferenz zwischen dem obersten Kaminbereich und der unter-
sten Bodenebene am Fuße des Rückführschachts verursacht einen entsprechen-
den Dichteunterschied der Luft. Ein Kubikmeter gesättigte Luft von 25° C ist
beispielsweise um 260 g schwerer als gesättigte Luft mit einer Temperatur von
70°C. Dies entspricht einer Gewichtszunahme von knapp 30%. Die
Lufterwärmung ist dabei abhängig vom Energieinput der solaren Einstrahlung und
der Fermentationsabwärme, die Abkühlung von der Leistungsfähigkeit des an den
Wärmetauscher angeschlossenen Kühlsystems.
- Die Fallbeschleunigung der schwerer werdenden Luft steigt bei zunehmender
Fallstrecke (Höhe des Kamins) an.
- Elemente, die den Luftkörper begrenzen bzw. in diesem angeordnet sind erzeu-
gen entsprechende Strömungswiderstände, die die Geschwindigkeit drosseln.
Luftbefeuchter und Wärmetauscher müssen deshalb als Anforderungsprofil bei
größtmöglicher Oberfläche ein geringstmögliches Volumen aufweisen, um
Strömungswiderstände zu minimieren.
Luftbefeuchtung
Durch die gezielte Unterbringung von Luftbefeuchtern wird das System, ausge-
hend vom oben beschriebenen Ventilationsmechanismus, optimiert.
Gewächshausklimatisierung: Die Luft wird von den einfallenden
Sonnenstrahlen erwärmt. Dies führt zu einem Klimatisierungsbedarf im
Gewächshaus. Durch das stetige Nachbefeuchten der Luft über eine
entsprechend ausgebildete Gewächshausvegetation wird die Erwärmung ver-
langsamt. Bei einer Energiezufuhr von 100 kJ/cbm Luft erwärmt sich gesättigte
Luft beispielsweise von 25° bei trockener Erwärmung auf 100° bei dann noch
3,1% Luftfeuchte. Wird die Luft aber, parallel zur Erwärmung, auf einen Wert von
80% kontinuierlich weiterbefeuchtet, steigt die Temperatur der selben Luftmenge
lediglich auf 42°C. Die befeuchtete Luft erwärmt sich in diesem Beispiel also
ungefähr um den Faktor vier langsamer. Es muss ein um 73% geringerer
Luftaustausch zur Klimatisierung vorgenommen werden.
Der wesentliche Beitrag zur Luftbefeuchtung im Gewächshaus erfolgt durch die
Pflanzen selbst. Durch ein ausreichendes Wasserangebot sowie durch eine
geeignete Pflanzenauswahl kann die Wasserverdampfung von 1-2 l/qm*d
leichterhöht werden auf 5-15 l/qm*d. Durch die initiierte Luftbewegung im
Gewächshaus wird die Wasserverdampfung zusätzlich erhöht. Hierdurch erfolgt
eine direkte Kühlung der Blattoberflächen
Wärmespeicherung: Ein weiterer Vorteil der Luftbefeuchtung besteht in den
geringeren Außenverlusten des Systems. Steigt die Temperatur im Gewächs-
haus und im Solarkamin über die vorhandene Außentemperatur, so entsteht ein
Wärmeübergang durch die Außenwand, der zu einem entsprechenden
Energieverlust führt. Bei der Umwandlung in latente Wärme wird ein erheblicher
49
Anteil der eingeführten Energiemenge bei vergleichsweise niedrigeren
Temperaturen und somit niedrigeren Verlusten zum Wärmetauscher transportiert.
Der Phasenwechsel des Wassers fungiert als kurzzeitiger Energiespeicher, da je
nach Temperatur- und Feuchtegehalt 50 bis 80 % der eingestrahlten Energie bei
der Verdampfung von Wasser abgeführt wird und so nicht zur Lufterwärmung
beitragen kann. Dies führt zu einem signifikant höheren Wirkungsgrad.
Verbesserung des Wärmeübergangs am Wärmetauscher: Wird gesättigte Luft
im Bereich des Wärmetauschers abgekühlt, kommt es zur Kondensation. Die bei
der Verdunstung gespeicherte Energie wird wieder freigesetzt. Durch
Kondensation auf der Oberfläche des Wärmetauschers erfolgt ein optimierter
Wärmeübergang, der ca. um den Faktor 400 größer ist als der Wärmeübergang
auf die gleiche Oberfläche bei vorbeiströmender, erwärmter Luft. (Kuchling, 1997)
Optimierung zur Wasseraufbereitung
Die zur Luftbefeuchtung eingesetzten Systemmodule ermöglichen neben der
Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Wärmeübertragung die gleichzeitige
Funktion der Wasseraufbereitung. Ein Wasserkreislauf beginnt bei der Evapo-
transpiration in den Vegetationsbereichen und im Luftbefeuchter in gasförmiger
Phase und erlangt zur Kondensation am Wärmetauscher. Auffangvorrichtungen
sammeln das Kondensat und führen es über Brauchwasserleitungen und
Speicher zu den Verbrauchseinheiten im Gebäude. Über Grauwasserleitungen
wird das Wasser zu den Vegetations- und Fermentationssubstraten zurückge-
führt.
Über den Destillationseffekt kann eine wesentlich höhere Wasserqualität erreicht
werden als über marktübliche Grauwasserrecyclinganlagen, die auf mecha-
nischen und mikrobiellen Reinigungsverfahren basieren (fbr, 1999). Eine
Wiederverwertung des Grauwassers für höherwertige Nutzungen (Waschma-
schine, Dusche) wird möglich. Zudem wird die Verwertung von ver-
gleichsweise stark verschmutztem Grauwasser möglich. Dies sind zentrale
Voraussetzungen für eine siedlungsbezogene, dezentrale Wasserversorgung auf
Grundlage von teilweise geschlossenen Wasserkreisläufen.
Die Hinzunahme zusätzlicher Wasserressourcen, etwa von (auch leicht verun-
reinigtem) Oberflächenwasser sowie die integrierbare Funktion der
Meerwasserentsalzung erlaubt nicht nur die Kreislaufführung von Wasser, son-
dern darüber hinaus die Erwirtschaftung von Wasserüberschüssen. Es bestehen
fünf prinzipiell unterschiedliche Aufbereitungsmöglichkeiten über die
Gewächshausvegetation und die Luftbefeuchter.
Wasserverdampfung über die Gewächshausvegetation : Bei der Bewässerung
der Gewächshausvegetation mit Grauwasser kann das eingesetzte Wasser über
die Vegetation verdunstet und anschließend über den Kondensationsprozess
zurückgewonnen werden. Wachsen die Pflanzen im offenen Boden, so kann
zudem Grundwasser über die Pflanzen in den Kreislauf eingeführt werden.
50
Wasserreinigung im Wurzelbereich der Gewächshausvegetation: Bereits der
Wurzelbereich der Pflanzen wirkt als belebter Bodenfilter. Die Funktion der
Bodenfilter entspricht der Funktion einer Pflanzenkläranlage. Insbesondere bei
Wettersituationen, die eine vollständige Verdunstung des Wassers wegen man-
gelnder solarer Einstrahlung nicht gewährleisten, ist eine Vorreinigung innerhalb
des Gebäudes vorteilhaft, um eine anschließende, oberirdische Abführung des
Abwasserflusses mit bereits ausreichend hoher Wasserqualität zu ermöglichen.
Dies hat vor allem hygienische und ordnungsrechtliche Bedeutung, da
Grauwasser ohne Vorklärung nach heutiger Gesetzgebung nicht oberirdisch
abgeführt werden darf. Herkömmliche Schwemmkanalisationssysteme könnten
u.U. ganz entfallen. Die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems kann dann erhe-
blich erhöht werden
Biologische Wasserreinigung im Luftbefeuchter: Die im Kaminmodul befind-
lichen Luftbefeuchter erzeugen maximierte Wasseroberflächen auf berieselten
Füllkörpern. Hierdurch wird neben der Verdunstungsfunktion auch eine optimale
Versorgung des Wassers mit Sauerstoff gewährleistet. Bei der Berieselung mit
verschmutztem Wasser kann ein Biofilmeffekt erzielt werden. Das verschmutzte
Wasser wird in einem Kreislauf periodisch über das Verdunstungsmodul geleitet,
bis ein entsprechender mikrobiologischer Abbau vollzogen ist. Auf diese Weise
51
2.3_ Zur Wasserproduktion kann die über den Tag in einen Speicher abgeführte Wärme in den Nachtstunden über
den Wärmetauscher zurückgeführt werden. Die Luft bewegt sich dann in entgegengesetzter Richtung. Der Dampf
kondensiert an den kühlen Außenflächen von Kamin und Gewächshaus. Der Speicher bevorratet abgekühltes
Wasser für den Tag.
52
werden auch mehrstufige Reinigungsfolgen über das Verdunstungsmodul in die
Gewächshausebene möglich. Der von den Mikroorganismen benötigte Sauerstoff
kann durch die Gewächshausvegetation bereitgestellt werden. Hierdurch wird
eine verringerte Außenluftzufuhr und somit niedrigere Wasser- und Energiever-
luste erzielt. Durch eine solche Vorreinigung kann auch stärker belastetes Grau-
wasser zur Bewässerung der Vegetation im Gewächshaus aufbereitet werden.
Photokatalytische Wasserreinigung im Luftbefeuchter: Bei der Verwendung
von UV-transparenten Hüllmaterialien (Acrylglas, ETFE-Folien) kann neben der
biologischen Klärung auch ein photokatalytischer Reinigungseffekt erzielt werden,
der in der Prais auch zum Aufschluss von chemisch schwer lösbaren Substanzen
herangezogen wird. Ein solcher Reinigungseffekt wird heute häufig durch den
Einsatz von UV-Lampen in Reinigungskomponenten erzielt.
Wasserentsalzung im Luftbefeuchter: Optional können die Luftbefeuchter auch
mit Meer- oder Brackwasser berieselt werden. Der initiierte Destillationsvorgang
führt dann zur Wasserentsalzung. Das aus dem Befeuchter ablaufende, konzen -
trierte Salzwasser muss entsprechend wieder abgeführt werden.
Fortführung der Wasserdestillation in der Nacht
Der Mechanismus aus Wasserverdampfung- und -kondensation lässt sich für die
Nachtstunden umkehren: Die tagsüber abgeführte Wärme wird gespeichert und
nachts wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Die Luft bewegt sich nun in entge-
gengesetzter Richtung. Im Luftbefeuchter oder direkt auf der Oberfläche des
Wärmetauschers wird wiederum Wasser verdampft. Der Dampf kondensiert nun
an den kühlen Außenflächen von Kamin und Gewächshaus. Der Speicher bevor-
ratet abgekühltes Wasser für den nächsten Tageszyklus.
Hierbei entstehende, für dei Vegetation ungünstig hohe Luftfeuchtewerte können
bei Bedarf durch die zusätzliche Beheizung der Vegetationssubstrate über
Kapillarwärmetauschermatten entgegengewirkt werden. Hierdurch steigt die
Temperatur in Bodennähe an, so dass die Pflanzen aufgrund der fallenden rela-
tiven Luftfeuchte eine ausreichende Transpirationsaktivität entwickeln können.
Wüsten oder wüstenähnliche Klimabedingungen mit starken Tag-Nacht-
Schwankungen der Temperatur begünstigen den Prozessablauf des
Energieoutputs während der Nacht. Orte mit besonders schlechten
Wachstumsbedingungen der Biosphäre werden so zu Orten von besonders
vorteilhaften Bedingungen für das klimatische Mikrosystem.
Kohlendioxid-Sauerstoff-Bilanzierung durch
Fermentation und Gewächshausvegetation
Das im geschlossenen Luftsystem von den Gewächshauspflanzen benötigte CO 2
musskünstlich angereichert werden. Im Versuchsmaßstab kann dies über gespe-
icherte CO2Gasflaschen erfolgen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die
Einspeisung von CO2aus den Abgasen von Gasbrennern.
Bei der Nutzung von Fermentationsvorgängen zur CO2Anreicherung entsteht ein
besonderer Zusatznutzen: Die Integration der Fermentationsanlage zur
Kultivierung von belebten, befeuchteten und durchlüfteten Substratschichtungen
in das Gebäudesystem ermöglicht die Realisierung einer idealen
Wachstumsumgebung, die hochwertige Fermentationsprozesse erst ermöglicht:
Durch den Luftstrom wird die im Gewächshaus befeuchtete, durch Pflanzen mit
Sauerstoff angereicherte und anschließend auf für den Fermentationsprozess
ideale Umgebungstemperaturen abgekühlte Luft durch den Raum gezogen und
führt die Abfallstoffe des Fermentationsprozesses in Form von Wärme und CO2
ab. Durch die Veränderung der Windgeschwindigkeit im Luftkreislauf können
Prozessvariablen der Fermentation wie Temperatur und Sauerstoffzufuhr geregelt
werden. Die Regulierung der Luftfeuchte kann durch Erwärmung der zuvor
abgekühlten und Wassergesättigten Luft erfolgen. Eine Temperaturanhebung von
5°C (von 20° auf 25°C) verringert die Feuchte der eingeführten Luft bereits von
100 auf 65% relativer Feuchte.
Im Fermentationsraum kann so pflanzliche Biomasse, z.B. Stroh, Schilfstroh,
Holzspäne, aber auch Lebensmittel oder Abfälle aus der
Nahrungsmittelproduktion durch speziell selektierte Pilzkulturen in Form der
„Solid-State-Fermentation" umgewandelt und zu höherwertigeren Produkten ver-
arbeitet werden. Die hier erzeugbaren Endprodukte sind sehr vielfältig und
reichen etwa von Cellulose (beim Abbau von Lignin) über proteinangereicherte,
geschmacksverbesserte oder besser verdauliche Lebensmittel bis hin zu einem
Sortiment hochwertiger Enzyme, organischer Säuren, Geschmacks- und
Geruchsstoffen und anderer Grundchemikalien.
Im Winterbetrieb kann die Kompostierung von (über das Jahr akkumulierten)
organischen Abfällen als billiger Energierohstoff zur Beheizung des
Gewächshauses anstelle der hochwertigen Fermentationsprozesse betrieben
werden. CO2-Überschüsse bei geringerem Pflanzenwachstum im Winter müssen
dann durch gelegentliches Lüften ausgeglichen werden.
53
Funktion der einzelnen Systemelemente
Im Folgenden soll das System genauer beschrieben werden. Es besteht aus
einem biotischen Teil mit den Funktionen der Pflanzenproduktion, der
Wohnnutzung, der mikrobiellen Wasserreinigung und der Erzeugung von
Fermentationsprodukten sowie aus einem abiotischen Teil mit den Funktionen der
Luftventilation und der Wasser- und Wärmegewinnung. Die Teilbereiche werden
in dieser Reihenfolge beschrieben.
Gewächshaus
Das Gewächshaus trägt mehrere Funktionen, die je nach Anwendungsprofil
unterschiedlich wichtig sind: Die Energierückhaltung, die Funktion der
Wasseraufbereitung, die gartenbauliche Funktion und das Gewächshaus als
Aufenthaltsbereich.
Energierückhaltung
Tageszeitlicher Klimatischer Ausgleich: Im Produktionsgewächshaus steht die
Klimatisierung sowie der sparsame Umgang mit Wasser im Mittelpunkt. Über den
Wärmetauscher wird tagsüber kontinuierlich Wärme abgeführt. Durch das
Kreislaufsystem kann so kühle Luft in das Gewächshaus zurückgeführt werden,
die bei Bedarf auch deutlich unter der Umgebungstemperatur liegen kann. An
heißen Standorten kann die Kühlmöglichkeit die Nutzungsmöglichkeit von
Gewächshäusern auch auf die Sommermonate erweitern oder überhaupt erst
ermöglichen. Durch die Speicherung von Wärme am Tag und Wärmerückführung
in der Nacht kann die Amplitude des Temperaturtagesgangs stark verringert und
für das Pflanzenwachstum optimiert werden. In Übergangsjahreszeiten und an
Standorten mit sehr kalten Nächten (z.B. im Wüstenklima) ist die Beheizung des
Gewächshauses genauso wichtig oder sogar teilweise wichtiger als die mit-
tägliche Kühlung. Für einen Standort beispielsweise in Nord-Afrika kann durch
den Wärmeausgleich die Betriebszeit eines Gewächshauses in die Hochsommer
und Winterzeiten ausgeweitet werden, indem die Temperaturmaxima am Tag
abgesenkt bzw. die Tiefsttemperaturen in der Nacht angehoben werden.
Im gemäßigten Klima bestehen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der
Warmwasserbereitung und für Sondernutzungen, etwa für die
Schwimmbadbeheizung. Im Gartenbau ist insbesondere für die Übergangs-
jahreszeiten das Heizen durch Rückführung von Wärme vom Tag in die Nacht zu
erwähnen.
Be- und Entladen von Saisonspeichern: Bei der Nutzung von Saisonspeichern
kann im Sommer Wärme für den Winter vorgehalten werden, im Winter kann der
Heizungsrücklauf aus Gebäuden dann je nach Größenverhältnis von Gebäude
und Gewächshaus noch zur Beheizung des Gewächshauses, zumindest aber für
den Frostschutz im Gewächshaus genutzt werden.
54
3_
Produktionsgewächshaus
Die Hauptfunktion der Vegetation liegt in der Wasserverdampfung. Der größte
Anteil der eingestrahlten Energie wird hierdurch umgesetzt. Ein Beispiel: Im
Gewächshaus wird 200 m3Luft von 20° auf 40° erwärmt. Die Luftfeuchtigkeit
bleibt durch die ständige Verdunstungsleistung konstant auf 80%. Hierbei wird der
Energiegehalt (Enthalpie) der Luft von 8,5 MJ auf 25,7 MJ erhöht, also ungefähr
verdreifacht. Ein vergleichbarer Luftkollektor ohne Verdunstung würde bei einer
gleichen Temperaturerhöhung den Energiegehalt lediglich auf 11,6 MJ, also um
den 1,4-fachen Wert erhöhen, bei den gleichen Wärmeverlusten an die Außenluft.
Das heißt, der Wirkungsgrad für die Energieübertragung ist bei der
Energieübertragung mit feuchter Luft wesentlich höher, so lange es nicht zur
Kondensation an der Außenwand kommt. Im Idealfall wird die gesamte
Verdunstungsleistung durch die Evapotranspiration der Pflanzen erledigt. Im
Gewächshausgartenbau werden solche Klimaverhältnisse beispielsweise bei der
Zucht von Bananen oder Orchideen benötigt bzw. erzeugt. Ein möglichst hoher
Wasserumsatz im Gewächshaus ermöglicht eine entsprechend niedrigere
Luftwechselzahl zur Kühlung. Ist die Befeuchtung durch Pflanzen unzureichend,
können Verfahren zur zusätzlichen Befeuchtung von Oberflächen, insbesondere
von Wegen und Beschattungsmatten eingesetzt werden. Auch die Anlage von
Wasserflächen im Gewächshaus wirkt sich günstig aus.
Die Verdunstungsleistung ist insbesondere abhängig von den verwendeten
Pflanzenarten. Insgesamt werden Pflanzen benötigt, die eher hohe Feuchte- und
Temperaturgrade vertragen bzw. benötigen. Ein hoher Wasserumsatz, zusam-
men mit starker Sonneneinstrahlung und guter Nährstoffversorgung bei Einleitung
von Reststoffen aus den Wohngebäuden garantiert dann aber auch extrem hohe
Wachstumsleitungen und entsprechende Erträge. Es handelt sich insbesondere
um Kulturpflanzen von tropischem Ursprung. Durch die Luftbefeuchtung und den
Ausgleich der Tag-Nacht-Gegensätze zu einem gemäßigt warm-feuchten Klima
sind solche Bedingungen auch in trocken-heißen Klimazonen erzeugbar. In der im
Verhältnis zum Außenraum wesentlich höheren Biomassenproduktivität liegt dann
ein wesentlicher, wirtschaftlicher Vorteil des Systems. Insbesondere beim Anbau
von Lebensmitteln in Städten zur Direktvermarktung oder auch zur
Selbstversorgung macht sich dieser Faktor bemerkbar, da nutzbare Flächen hier
limitiert und entsprechend teurer sind.
Im gemäßigten Klima bildet die Möglichkeit der Heizung eine entscheidende
Barriere. Bei unbeheizten Gewächshäusern kommen tropische Pflanzen nur in
einjährigen Zyklen zwischen Frühjahr und Herbst in Frage. Schon die Erhaltung
von frostfreien Temperaturverhältnissen ermöglicht aber auch eine ganze
Bandbreite von mehrjährigen Pflanzen aus dem subtropischen Bereich. Die weit-
er unten beschriebenen Heizmöglichkeiten über Abwärme aus
Kompostierungsvorgängen sowie über eine kaskadenartige Einspeisung von
Wärme aus dem Heizungsrücklauf des anliegenden Gebäudes bietet grundsät-
zlich auch die Möglichkeit des Anbaus von Nutzpflanzen im Winter bei
Temperaturen um 15°C.
Zum Teil erfüllen auch einheimische Pflanzen, vor allem aus dem Bereich der
55
Sumpf- und Wasserzonen, die Anforderungen an Temperatur- und
Feuchteresistenz. Bei der Absenkung von Luftfeuchtigkeit bzw. Temperatur zum
Anbau konventioneller Gewächshauskulturen oder zur gleichzeitigen
Wohnnutzung des Gewächshauses muss eine Verringerung des Wirkungsgrades
in Kauf genommen werden, da bei geringerer Feuchte die Sättigungstemperatur
bzw. bei höherem Luftwechsel die Temperaturen am Wärmetauscher absinken.
Alternativ kann auch das Größenverhältnis zwischen Gewächshaus- und
Kaminfläche zu Gunsten des Kamins verändert werden.
Wasseraufbereitung durch Nutzung von Grauwasser bzw. vorgereinigtem
Abwasser zur Gewächshausbewässerung bei anschließender
Rückgewinnung durch Kondensation
Eine elementare Funktion im Bereich des Gartenbaus ist die
Wasserrückgewinnung. Durch die Möglichkeit der Rückgewinnung des
Gießwassers wird eine erhebliche Ausweitung der landwirtschaftlichen Produktion
an Orten mit limitierten Wasserressourcen möglich. Diese Perspektive wird noch
verstärkt durch die zusätzliche Möglichkeit der Aufbereitung von salzhaltigem
oder verschmutztem Wasser.
56
3.1_ Umsatz verschiedener Wasserfraktionen zwischen Gewächshaus und Gebäude
Weiterleitung von über-
schüssigem Trinkwasser
Zuführung von Meer-
oder Brackwasser
Rückführung von Grauwasser (aus
Waschmaschinen, Duschen, etc.) zur
Gewächshausbewässerung
Sammlung von Kondenswasser unter
dem Wärmetauscher, dem Kamin und
dem Gewächshausdach
Wasserdampf im Luftkanal
Eine Rückkopplung von Produktionsgewächshäusern mit dem Wasserhaushalt
von Wohngebäuden führt zu einer weiteren Effektivitätssteigerung, da im
Gewächshaus leicht verschmutztes Grauwasser zur Bewässerung verwendet
werden kann und gleichzeitig sehr sauberes, als Brauchwasser im Gebäude ver-
wendbares Wasser erzeugt wird. Hieraus, und aus der Kombination von
Pflanzenproduktion und Fermentationsprodukten ergibt sich die Perspektive der
Nahrungsmittelerzeugung innerhalb von urbanen Strukturen. Theoretisch kann
über eine effektive Nutzung kurzgeschlossener Stoffkreisläufe auf engstem Raum
mit Hilfe der Gewächshäuser, mit zusätzlicher Aquakultur und Fischzucht sowie
mit dezentralen Obst- und Gemüsegärten im Freiland bereits ein sehr großer
Anteil der benötigten Lebensmittel im direkten Wohnungsumfeld der Stadt erzeugt
werden. Die weltweite Tendenz der Landflucht und Verstädterung zwingt zu
Versorgungsstrukturen, die den Ressourcenumsatz in hohem Umfang unmittelbar
innerhalb der Ballungsräume in sehr intensiven Systemen und auf geringstem
Raum betreiben.
Wasserreinigung
Im gemäßigtem Klima kann die Anlage maximal so ausgelegt werden, dass die
vorhandene Grauwassermenge zur Bewässerung im Sommer ausreicht. Im
Winter kann somit nicht das gesamte Wasserangebot durch Verdunstung
umgesetzt werden. Es ist dann aber eine Horizontalpassage durch die
Vegetationsfläche möglich. Für diese Anwendung eignen sich nur Sumpfpflanzen,
die dann zumindest einen Teilbereich der Vegetationsfläche im Gewächshaus ein-
nehmen. Die Passage der Sumpfbeete führt zur Sedimentierung von
Schwebstoffen, sowie zur deutlichen Verringerung der Anzahl von Keimen. Bei
entsprechender Dimensionierung der Anlagen kann die Weiterleitung des vor-
gereinigten Wassers in offene Gräben ermöglicht werden. Dies ist anzustreben,
um eine im Vergleich zur Schwemmkanalisation wesentlich kostengünstigere
Entsorgungssituation zu erreichen.
Ein Problem für die Vegetation im Zusammenhang mit der Einbringung von
Grauwasser könnte in der Erhöhung des pH-Wertes liegen, die vor allem durch
den hohen Gehalt an Seifen im Grauwasser verursacht wird. Diesem Problem
kann beispielsweise durch die Verwendung von Düngemitteln mit saurer Reaktion
(z.B. schwefelsaures Ammoniak) entgegengewirkt werden. Die Verwendung von
Pflanzen mit entsprechenden Wuchseigenschaften, die bei hohen Nährstoffgaben
und hoher Wuchsleistung auch große Mengen von Mineralstoffen aufnehmen,
stellt einen weiteren Lösungsansatz dar. In extremen Fällen kann eine
Vorfiltrierung des Wassers vorgenommen werden. Bei einjährigen Kulturen kann
das Substrat ausgewechselt werden, das im Freiland bei eher versauerten Böden
nutzbringend weiterverwendet werden kann. Das gesamte Problem wird aller-
dings auch wieder verringert durch den Umstand, dass das wiedergewonnene
Wasser als Destillat vollkommen kalkfrei ist. Das "weiche" Wasser benötigt
dementsprechend nur geringste Mengen an Waschmitteln.
Die Einleitung von Grauwasser bringt ansonsten vor allem hygienische Probleme.
Aus diesem Grund werden bei der Erzeugung von Lebensmitteln
57
Bewässerungssysteme benötigt, in denen das Wasser die überirdischen
Pflanzenteile nicht berührt. In Frage kommt insbesondere die
Tröpfchenbewässerung, aber auch Systeme mit Hydrokultur. Schädliche Keime
werden nicht über die Wurzeln aufgenommen. Im Boden werden die Keime durch
die vorhandene Mikrofauna rasch verdrängt. Im Gegensatz zu biologisch-mecha-
nischen Aufbereitungsverfahren kann so auch problematischeres Grauwasser
(z.B. in Form von vorfiltriertem Küchenabwasser) aufbereitet werden. Durch den
Prozess der Destillation über Verdampfung und Kondensation kann das rückge-
wonnene Wasser aufgrund seiner hohen Qualität für sämtliche
Brauchwasseranwendungen, die direkte Verwendung zum Trinken ausge-
nommen, verwendet werden.
Die Einleitung in ein oberflächiges Entsorgungssystem als Alternative zum
Schwemmkanalisationssystem kann durch die geschlossene Situation der
Gewächshäuser als Vorfilter rechtlich einfacher durchgesetzt werden als bei offe-
nen Pflanzenkläranlagen im Freiraum. Durch die Möglichkeit der Beheizung des
Gewächshauses und die bessere Nutzung der Restwärme des Grauwassers
entsteht zudem ein besseres Reinigungsmilieu.
Schädlingsbekämpfung
Die Schädlingsbekämpfung bildet ein besonderes Problem. Ein Großteil der
Schwebstoffe kann zwar über das Wasser im Luftbefeuchter gebunden werden,
dennoch ist es nicht ausgeschlossen, dass die in der Luft gebundenen Stoffe über
das Kondensat ins Brauchwasser gelangen können. Die Verwendung von
Pflanzenschutzmitteln ist somit nur periodisch möglich, wobei der Luftkreislauf zu
öffnen und die Wasserverwertung während dieser Phasen auszuschließen ist. Die
kontaminierte Luft muss hierfür über eine an der Kaminoberfläche befindlichen
Klappe nach Außen befördert werden. Um dieses Problem zu umgehen, könnte
der Anreiz entstehen, über eine möglichst ausgewogene, stabile
Pflanzengesellschaft im Gewächshaus sowie durch die Anwendung von biologi-
schem Pflanzenschutz die Verwendung von Pestiziden zu überwinden. Gerade in
Gewächshäusern ist das Aussetzen von natürlichen Feinden als biologische
Schädlingsbekämpfung durch die geschlossene Situation besonders gut anwend-
bar. Die Verwendung UV-transparenter Hüllmaterialien (Acrylglas, ETFE-Folien)
führt zur Möglichkeit einer erhöhten Pflanzenhygiene durch die Schaffung natür-
licher Belichtungsverhältnisse.
Wohnnutzung
Die Nutzung der Gewächshäuser zu Wohnzwecken bringt zahlreiche Probleme
mit sich. Der Mensch als Nutzer ist wesentlich empfindlicher als die meisten
Pflanzen. Temperaturen deutlich über 25° werden - bei gleichzeitig hoher
Luftfeuchtigkeit als unangenehm empfunden. Andererseits ist es vorstellbar, dass
bei gegebenen, extrem trockenen und heißen Klimaverhältnissen eine
abgeschlossene Wohnzone mit höherer Feuchtigkeit und gemäßigten
Temperaturen deutlich unter der Außentemperatur als sehr angenehm empfun-
58
den wird. Bei trockenen Außenverhältnissen ist der Staub- und Schadstoffgehalt
der Luft gerade in Städten besonders problematisch. Da diese Stoffe im
Gewächshaus unmittelbar gebunden und über den Luftbefeuchter entfernt wer -
den, ist eine besondere Luftreinheit mit positiver gesundheitlicher Qualität zu
erzielen.
Räumliche Zonierung
Um die für die sonstigen Funktionen benötigten Klimawerte bei günstigem
Wohnklima zu erzielen, sind besondere Vorkehrungen zu unternehmen. Dies
kann durch eine größere Gewächshaushöhe erreicht werden. Bereits eine Höhe
von 4 Metern ermöglicht bei der vorhandenen Luftzirkulation eine starke
Temperaturzonierung, so dass im Aufenthaltsbereich noch angenehme
Temperaturen herrschen, während im oberen Bereich die erforderliche höhere
Temperatur mit höherem reellem Feuchtegehalt die Funktionalität der Anlage
aufrecht erhält. Diese Funktion wird noch verbessert durch die Anhebung der
Dachneigung, die das Raumvolumen mit zunehmender Nähe zum Kamin - also in
Bewegungsrichtung der Luft - ansteigen lässt. Zur weiteren Verbesserung der
Aufenthaltsqualität können die Eintrittsöffnungen für die einzuführende Kaltluft an
den vorgesehenen Aufenthaltsorten konzentriert werden. Zur Aufrechterhaltung
einer gleichmäßigen Durchlüftung müssen diese Aufenthaltsbereiche dann an
der Außenseite, also der vom Kamin abgeneigten Seite des Gewächshauses
vorgesehen werden.
59
3.2_ Optimierung des Gewächshauses für den Wohnkomfort: Unterbringung der Terrassen oder
Aufenthaltsbereiche am Lufteinlass, optimierte Temperaturschichtung durch größere Bauhöhe und
starke Dachneigung.
Zeitliche Zonierung
Durch entsprechende Regelungstechnik kann die Luftfeuchtigkeit und die
Temperatur gezielt zu den Tageszeiten der Nichtbenutzung durch Bewohner über
die Herabsenkung des Luftwechsels und über zusätzliche Befeuchtungsmaß-
nahmen (z.B. erhöhte Bewässerung der Vegetation in diesem Zeitraum) erhöht
werden. Hierdurch kann eine höhere Temperatur zur Wärmespeicherung und ein
insgesamt höherer Wirkungsgrad erzielt werden.
Solid-State-Fermentation
Die Solid State Fermentation dient zunächst der Zuführung von CO2als
Pflanzennährstoff in das Gewächshaus. Innerhalb des vorgestellten Verfahrens
ist diese Fermentationsart somit vor allem für solche Feststoffe als Trägermaterial
interessant, die beim Fermentationsprozess selbst erschlossen und verändert
werden und somit sowohl als Substrat und Nährstofflieferant für die
Mikroorganismen, als Kohlenstofflieferant für die CO2Produktion wie auch als
Energiequelle innerhalb des Systems dienen.
Hinzu kommt der Nutzen, den der Luftkreislauf für den Fermentationsprozess
selbst erbringt: Die kontinuierliche und steuerbare Abführung von Prozesswärme
und CO2sowie die Zuführung von sauerstoffreicher und in Temperatur und
Feuchte geregelter Zuluft. In tropischen Ländern, insbesondere in Südostasien ist
die Anwendung dieser Fermentationsart Teil der Volkskunst, etwa bei der
Bereitung von Tempe. Die Außenluft weist in diesem Klimagebiet eine relativ kon-
stante, warme Temperatur ohne übermäßige Tages- oder Saisonschwankungen
auf. Zudem ist eine hohe Luftfeuchtigkeit vorhanden. Aus diesem Grund erfüllen
bereits die gegebene Außenluft und natürliche Luftbewegungen die Kriterien zur
Klimatisierung des Prozesses. Im gemäßigten Klima, insbesondere aber in
trockenen Klimagebieten müssen diese Bedingungen künstlich hergestellt wer-
den. Aufwendungen zur Ventilation, zur Temperierung und insbesondere zur
Befeuchtung der Luft in offenen Durchluftsystemen sind extrem energie-
aufwendig. Durch die Integration in das Klimatisierungssystem können diese
Maßnahmen ohne zusätzlichen Energieaufwand geleistet werden. Bei Nutzung
der Abwärme kann unter bestimmten Umständen sogar eine positive
Energiebilanz erreicht werden.
Prinzipiell kann CO2durch sehr unterschiedliche Maßnahmen angereichert wer-
den. In der gängigen Gewächshauspraxis wird CO2entweder über Gasflaschen
steuerbar eingeführt oder durch die Abgase eines Gasbrenners. Die Verbrennung
von Öl erzeugt eine zu hohe Menge an Luftschadstoffen, die für die Vegetation
unverträglich ist. Eine Grundversorgung mit CO2entsteht durch die Verwendung
von Pflanzsubstraten mit einem Anteil von Rohkompost, der noch biologisch aktiv
ist und entsprechend CO2frei setzt. Die Einlagerung von feuchten Strohballen ist
eine einfache, gängige Methode zur CO2- Anreicherung. Grundsätzlich ist auch
die Einleitung von Abluft aus Tierställen oder sogar aus Versammlungsräumen
möglich. Für das vorliegende System sind diese Methoden ausgeschlossen, da
60
es sich um einen geschlossenen Kreislauf handelt. Die rückgeführte Luft ist zwar
angenehm gekühlt, der extrem hohe Feuchtegehalt wäre allerdings problema-
tisch.
Solid-State-Fermentation als Energieeffizientes Verfahren
Der Wärmebedarf für die Sterilisierung des Ausgangssubstrats bildet nach der
Substitution der sonstigen, energierelevanten Prozessregulatoren den
verbleibenden, maßgeblichen Faktor für den Energieaufwand. Eine Möglichkeit
bildet die Unterbringung einer Sterilisationskammer im oberen Kaminbereich. Die
hier erreichbaren Temperaturen über 70°C ermöglichen das Abtöten von Keimen
bei neu eingebrachten Substraten. In Gruppen von mehreren Anlagen könnte ein
Kaminelement für diese Funktion reserviert und entsprechend ausgelegt werden.
Es gibt aber auch nutzbare Mikroorganismen, die sich unter nicht sterilen
Bedingungen dominant durchsetzen. An die Stelle der Sterilisierung tritt die
Optimierung der für den Pilz relevanten Umweltbedingungen in Temperatur,
Feuchte, Sauerstoffangebot und pH-Wert. Diese hierfür in Frage kommende
Gruppe von Mikroorganismen bilden wegen der billigen und massenhaft verfüg-
baren Grundsubstrate und wegen der positiven Energiebilanz des Verfahrens das
eigentlich interessante Spektrum für die biotechnische Herstellung von
Massengütern (vgl. Kapitel 6, Räumlicher Einfluss der Solid-State-Fermentation).
Als Reaktorform kommen drei verschiedene Formen in Frage, die auch in der
sonstigen Praxis üblich sind (vgl. Kapitel Vorbilder/ - B - Stand der Technik).
Der Tray-Bioreaktor
Die Substrate werden auf übereinander gestapelte Tabletts maximal 3-4 cm dick
geschichtet. Da die Substrate stark wärmeisolierend wirken, ermöglichen höhere
Schichtungen keine gleichmäßigen Temperaturverhältnisse als Wachstumsvor-
raussetzung für die Pilze. Die Tabletts können auf Rollwagen befestigt werden,
61
3.3_ Möglichkeit der Unterbringung eines Tray-Reaktors unter den Gewächshaustischen
die die Anlage im Laufe des Prozesses ein mal durchfahren. Bei der Einrichtung
maschineller Be- und Entladeeinrichtungen kann so ein vollautomatischer Betrieb
erreicht werden. Die Unterbringung der Anlage kann unter den Gewächshaus-
tischen, in streifenförmigen Tunneln unterhalb der Vegetationsfläche oder in
einem getrennten Raum, beispielsweise im Keller des anliegenden Gebäudes
untergebracht werden. Die Belüftung des Fermentationsraumes erfolgt über die
Führung des induzierten Luftkreislaufs durch die Tablettzwischenräume.
Die Rotationstrommel
Das Substrat wird in ein zylindrisches Rohr mit eingebauter Mischvorrichtung
gefüllt. Wie beim Tray-Bioreaktor muss eine ständige Ventilierung der Luftschicht
über dem Substrat erfolgen. Der Mischer Wendet das Substrat periodisch, um
Wärme und CO2aus den unten liegenden Schichten zu entfernen und eine
gleichmäßige Sauerstoffversorgung in den Luftporen zu ermöglichen. Zudem
fördert der Mischer das Substrat während der gesamten Verweildauer durch den
Zylinder von einer Einlass- zu einer Auslassvorrichtung, was eine bessere
Automatisierung erlaubt. Die Zylinderrohre können als wartungsfreie Module in
den Erdboden des Gewächshauses eingegraben werden. Auf diese Weise wird
62
3.4/3.5_ Mit Hilfe einer in den Boden eingegrabenen oder unter den Gewächshaustischen ange -
ordneten Rotationstrommel kann der Fermentationsvorgang im Bereich Be- und Entladen sowie
bei der Belüftung und Befeuchtung voll automatisiert werden.
eine völlig unauffällige Unterbringung der Fermentationskomponente im
Gewächshaus erreicht. Zudem kann der Wärmetransfer zwischen der Trommel
und dem umliegenden Boden die Funktion eines zusätzlichen Energiespeichers
erfüllen. Bei der Einführung von relativ kalter Luft in das Rohr in der Nacht oder
im Winter kann die Übertragung von Wärme aus dem Boden einen kontinuier-
lichen Prozessablauf ermöglichen.
Die Packed-Bed Methode
Durch die Erzeugung eines hohen Luftdrucks kann eine sehr starke
Substratschicht durchlüftet werden. Da im vorhandenen System kein sonderlich
großer Druck erzeugt wird, kann diese Form lediglich bei einer sehr dünnen und
großflächigen Schicht zur Anwendung kommen. Das als dünne Schicht ausge-
bildete Pflanzsubstrat der Gewächshausvegetation kann gleichzeitig
Fermentationssubstrat werden, was von der Unterseite her völlig homogen durch-
lüftet wird. Die Pflanzen werden auf optimale Weise, gleichmäßig gekühlt. Diese
Variante könnte bei der Anzucht von Mykorriza-Pilzen, die eine
63
In der “Paked-Bed-Variante” sind Pflanz- und Fermentationssubstrat identisch. Durch eine große
Durchströmungsfläche und eine möglichst flache Schütthöhe wird der Strömungswiderstand der Substratschicht
minimiert.
3.6/3.7_ Unterbringung der gestapelten Tabletts an der Gebäudeseite und Verteilung der Kaltluft im
Vegetationsbereich über Lochfolienschläuche
Lochfolienschlauch
Substrattabletts
Lebensgemeinschaft mit Pflanzenwurzeln benötigen, verwendet werden.
Rohkompost kommt dabei als Substratmaterial in Frage.
Anwendungsbereiche der Solid-State-Fermentation
Für den Fermentationsprozess in der Anlage kommen insgesamt sehr unter-
schiedliche Verfahren mit jeweils differierenden Substratmaterialien,
Mikroorganismen und Endprodukten sowie mit einem sehr unterschiedlichen
Entwicklungsstand der jeweiligen Anwendungen in Frage:
Kompostierung
Kompostierung ist die einfachste Form der Solid-State-Fermentation. Ein feuch-
tes Rottemilieu und eine gelegentliche Belüftung bilden die Grundvoraussetzung
für den Prozess. Es wird jedoch kein spezifischer Mikroorganismus benötigt. Aus
diesem Grund benötigt die Prozesskontrolle keine besondere Aufmerksamkeit.
Die entstehende Prozesswärme kann mitunter wertvoller sein als das materielle
Endprodukt. Über das Jahr gesammelte organische Abfälle können im Winter in
der Fermentationsanlage zu Heizzwecken kompostiert werden. Da in dieser
64
2.11_ Überblick über Anwendungsbereiche der Solid-State-Fermentation
Jahreszeit durch die geringe solare Einstrahlung kein homogener Luftkreislauf
entsteht, können auch keine hochwertigen Fermentationsprozesse ablaufen.
Gleichzeitig ist der Heizbedarf im Gewächshaus sehr hoch. An sonnenreichen
Wintertagen kann dann durch die vorhandene Grundbeheizung bereits wieder
Solarwärme in den Speicher eingespeist werden.
Tropische Speisepilze
Durch die hohe Luftfeuchtigkeit und die regulierbaren, relativ hohen
Lufttemperaturen bietet sich die Fermentationsanlage zum Anbau tropischer
Speisepilze an. Bei der konventionellen Pilzzucht auf Kompost, Stroh oder
Holzspänen findet lediglich der Fruchtkörper der Pilze Verwendung. Zusätzlich
könnte aber die durch das Myzel veränderte Qualität von Holz oder Stroh als
Zusatzprodukt von Bedeutung sein.
Futtermittel/Lebensmittel: Aufschluss von Faseranteilen
Pflanzliche Rohstoffe sowie Abfälle aus der Nahrungsmittelproduktion (z.B.
Gräser, Schalen, Kleie) können durch den Abbau von Faseranteilen für den direk-
ten Verzehr durch Tiere oder Menschen verfügbar gemacht werden. Hierdurch
können Reststoffe hochwertig verwertet werden. Neue Pflanzenarten gewinnen
Bedeutung für den Lebensmittelbereich. Landwirtschaftliche Flächen könnten
hierdurch - der Logik der Pilzgärten der Termiten folgend - bei geringeren
Aufwendungen für Bewirtschaftungs- und Erntetechniken, Düngung und
Pflanzenschutz hohe Futter- und Lebensmittelerträge einbringen.
Lebensmittel: Proteinanreicherung, Verdaulichkeit, Geschmacksgestaltung
Das Gemisch aus dem veränderten Grundstoff und dem darin befindlichen
Pilzgeflecht bildet neue Produkte: Soja, Kartoffeln, Reis oder Weizen werden mit
hochwertigen Proteinen angereichert, leichter verdaulich oder bilden neue
Geschmacksdimensionen. Ein bekanntes Beispiel ist Tempe auf der Basis von
Sojabohnen. Auch die Produktion von Single Cell Protein (SCP) auf Basis von
stärke- oder lignocellulosehaltigen Pflanzenrohstoffen ist durch dieses Verfahren
möglich Weitere Arbeiten zu diesem Themenbereich (Vgl. Kapitel Vorbilder/Stand
der Technik). (Steinkraus 1982, Senez et. al. 1977, Bautista et. al. 1989).
Veredlung von Pflanzenfasern in der Textilerarbeitung
Grobe Faserpflanzen (Flachs, Hanf) können nach historischen, aus dem
vorindustriellen Zeitraum bekannte Verfahren durch den Abbau von verholzten
Teilen oder den direkten Aufschluss der Fasern aufbereitet werden („Biologische
Röste", „Cottonisierung") (Herer, 1993). Hierdurch entstehen weichere und
verträglichere Textilien. Baumwolle könnte hierdurch beispielsweise mittelfristig
durch kostengünstigere und im Anbau ökologisch verträglichere Materialien sub-
65
stituiert werden.
Mykorrhiza Pilze
Das nebeneinander von Gewächshaus und Fermentationsreaktor ermöglicht
auch eine direkte Fusion beider Bereiche zur Produktion von Mykorrhiza Pilzen:
Das Pflanzsubstrat ist gleichzeitig Feststoffbett. Mykorrhiza-Pilze leben im
Wurzelbereich der Pflanzen und werden optimal mit Sauerstoff und Stickstoff ver-
sorgt. Sie dienen der verbesserten Wasser- und Nährstoffaufnahme der Pflanzen
und/oder werden zur Produktion wertvoller Speisepilze bzw. zur Herstellung
hochwertiger Bodensubstrate für den Gartenbau verwendet.
Delignifizierung von Holz,
Cellulose und Zucker als Ausgangsmaterial für Chemie und Biotechnik
Verholztes Pflanzenmaterial (Holzspäne, Stroh oder Schilfhecksel) kann durch
Weißrottepilze delignifiziert werden, wodurch eine biologische Alternative zur
Zellstoffproduktion (und optional darauf aufbauend zur Zuckerproduktion) ent-
steht (vgl. Amarero et al., 1996, Valmaseda et al.,1991). Diese Anwendung wird
momentan intensiv, aber weitgehend noch im Labormaßstab erforscht. Sie ist von
besonderem Interesse, da der größte Anteil der weltweit verfügbaren Biomasse in
dieser Form vorliegt. Ein kostengünstiges Aufschlussverfahren ermöglicht erst
den eigentlichen Einstieg in die industrielle Nutzung nachwachsender Rohstoffe.
Cellulose kann zur Herstellung von Papier, Textilien sowie verschiedenen
Produkten weiterverarbeitet werden. Zudem ist die Weiterverarbeitung von
Cellulose zu Zucker interessant. Durch eine preiswerte Herstellungsmethode für
Zucker werden auch Verfahren der konventionellen Biotechnik für die Herstellung
von Massenprodukten interessanter.
Organische Säuren und Enzyme
Auch im Bereich der Enzymproduktion wird zunehmend auf die Vorteile der Solid-
State-Ferrmentation zurückgegriffen. Beispiele hierfür sind die Produktion von
Cellulase/b-Glucosidase (Gupte et al., 1997), Alpha-Amylase (Lyven, 1999), von
Glucoamylase (Selvakumar et al.,1996) und die Zitronensäureproduktion
(Gutierrez-Rojas et al.,1996).
66
Solarkamin
Der Kamin hat die Funktion einer Kollektorfläche. Die Luft aus dem Gewächshaus
kann weiter erhitzt werden. Durch die Lufterwärmung entsteht eine Temperatur-
und Dichtedifferenz zur kühlen, in das Gewächshaus eingeführten Luft. Diese
Differenz stellt, zusammen mit der Kaminhöhe die Basisgröße für die sich ein-
stellende Luftbewegung dar. Durch die anschließende Abkühlung und die damit
einhergehenden Dichte- und Gewichtszunahme der Luft wird eine entsprechende
Fallbeschleunigung initiiert, die mit zunehmender Höhe über dem Ausgangspunkt
ansteigt. Der Kamin mit den darin befindlichen Absorber- und
Befeuchtungselementen sowie der Rückführschacht mit dem Wärmetauscher
stellen Wiederstände im Luftkanal dar, die die initiierte Strömungsgeschwindigkeit
abschwächen. Andererseits erhöhen die Turbulenzen am Absorberblech und am
Wärmetauscher den Wärmeübergang vom Blech in die Luft sowie von der Luft in
den Wärmetauscher. Die sich letztlich einstellende Strömungsgeschwindigkeit
muss ein ausreichend hohes Niveau erreichen, um den Kühlbedarf im
Gewächshaus ohne zusätzliche Ventilatoren zu bewerkstelligen.
Im einfachsten Fall wird zwischen der Gebäudewand mit vorhandener Isolierung
und einer vorgelagerten Verglasung ein einfaches Absorberblech gehängt. Die
einstrahlende Sonne erhitzt das Blech. Die Luft wird auf beiden Seiten des Blechs
erwärmt und strömt nach oben.
Optimierung des Kamins zur Wasseraufbereitung
Für die Funktion der Wasseraufbereitung kann es sinnvoller sein, das
Absorberblech in Form von U-Schienen auszubilden. Die Luft strömt dann nur in
der Innenseite der U-Form. Zur Wand wird der Luftkanal durch eine
Isolationsschicht geschlossen. Durch diese Anordnung ist es möglich, für den
Nachtbetrieb, in welchem der Kamin als Kondensationsfläche genutzt wird, die
Verglasung zu öffnen, ohne den Luftkanal zu öffnen. Hierdurch kann das Blech
die Wärme der durchströmenden Luft unmittelbar an den kalten Außenraum
abstrahlen wodurch der Kondensationsvorgang optimiert wird. Dies ist insbeson-
dere bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen Tag und Nacht wichtig, um die
Entladung des Speichers über Nacht zu ermöglichen und somit ausreichend küh-
les Wasser für den nächsten Tag zu bevorraten.
Optimierung des Kamins zur Wärmegewinnung
Für die Funktion der Gewinnung von Wärmeenergie zu Heizzwecken kann der
Kamin grundsätzlich auch vor eine vorhandene Fassade mit Fensteröffnungen
angebracht werden. Im Bereich der Fenster wird das Absorberblech ersetzt durch
einfache Jalousien, die nur bei hohen Einstrahlungsraten zur Kühlung der
Innenräume verschlossen werden.
In einer vorhandenen städtebaulichen Situation kann eine große Fassadenfläche
gegeben sein, jedoch nur eine begrenzte Fläche zur Aufstellung eines
67
68
3.8_
1. Solarkamin mit einfachem Absorberblech: Die Luft steigt auf beiden Seiten des Absorbers nach
oben und führt entsprechend Wärme mit sich.
2. Solarkamin mit eingebauten Plattenkollektoren zur gleichzeitigen Erwärmung von Wasser unnd Luft
3. Solarkamin mit eingebautem Befeuchtungssystem ermöglicht die kontinuierliche Befeuchtung der
aufsteigenden Luft. Maximale Wasseroberfläche bei Minimierung des Luftwiderstandes durch
parallel geführte, wasserüberströmte Leitfäden.
69
3.9_ Im einfachsten Fall ist der Kamin und der Rückführschacht direkt hintereinander angeordnet.
Oben: Im Querschnitt liegt der Kamin links. Der Rückführschacht ist mit parallel zur Wand angebrachten
Kapillarrohren als Wärmetauscher und mit je einer Isolationsschicht zur Wand und zum Kamin hin
ausgestattet. In der Draufsicht erkennt man die Führung des Kamins in geschlossenen U-Blech Schienen.
Unten: Der Kamin wird vor dem Fenster entlang geführt. Dort dienen verschließbare Jalousien als
Absorberelement. Die Rückführschächte liegen zwischen den Fensterspalten.
Gewächshauses. Das Absorberblech kann in dieser Situation ersetzt werden
durch Kollektoren zur Wassererwärmung. Lediglich die Wärmeverluste der
Kollektoren werden zur Lufterwärmung und zur Erzeugung des Luftauftriebs
eingesetzt. Da im Kamin aufgrund von möglichen Materialermüdungen ohnehin
keine Temperaturen deutlich über 100°C auftreten sollten, ist diese Anordnung
gerade bei im Vergleich zur realisierbaren Gewächshausgröße sehr großflächi-
gen (z.B. sehr hohen) Kaminen anzustreben. Diese Variante führt allerdings durch
die zusätzlich benötigten Kollektorelemente zu erheblichen Zusatzkosten.
Im Fall eines großflächigen Kamins kann deshalb auch die Luftbefeuchtung im
Kamin selbst vorgenommen werden. Hierfür wird Wasser an der Kaminwand bzw.
über vorgehängte Tropfkörper herabgeleitet. Hierdurch kann die erwünschte
Höchsttemperatur bei konstant hoher relativer Feuchtigkeit mit entsprechend
höherem Energiegehalt erreicht werden. Die Wasserverdunstung sollte nur bis zu
einem Wert unterhalb der Sättigungsgrenze der Luft vorgenommen werden, um
eine ungewünschte Kondensation an der Außenfläche zu verhindern. Das
Ausmaß der Wasserverdampfung sollte nicht zu einer Abkühlung der Luft führen,
70
3.10_ Optimale Anordnung der Fenster: Die Kamine führen über die gesamte, nicht verglaste Fassade. Die
Fenster nutzen ein Drittel der Oberfläche über die gesamte, jeweilige Geschoßhöhe zur optimalen Belichtung der
Innenräume.
sondern nur analog zur vorhandenen solaren Einstrahlung den Prozess der
Lufterwärmung verlangsamen. Eine Abkühlung würde zu einer unnötigen
Verlangsamung der Luftströmung führen.
Da der Energiegehalt von kontinuierlich durch Befeuchtung nachgesättigter Luft
im Vergleich zu unbefeuchteter Luft bei steigenden Temperaturen stärker ansteigt
als die auftretenden Wärmeverluste an den Außenflächen des Kollektors, steigt
der Wirkungsgrad ebenfalls an. Durch diesen Effekt der höheren Energiedichte
wird ein wesentlich höherer Wirkungsgrad des vorliegenden Systems im
Vergleich zu herkömmlichen Luftkollektoren erzielt.
Bei Temperaturen um 60°C und darüber tritt ein Sterilisierungsprozess ein. Im
Gewächshaus und in der Fermentationsanlage werden, begünstigt vom Eintrag
von Komposten und Grauwasser Keime in der Luft freigesetzt, die sich teilweise
im warm-feuchten Klima vermehren könnten und zu ungünstigen
Innenraumqualitäten führen würden. Bei der Wasseraufbereitung ist insbeson-
dere das Problem der Legionellen zu nennen.
71
3.11_ Nur im Bereich der höchsten Lufttemperaturen werden die Kamine wegen der zunehmenden
Wärmebelastung der Innenräume über die Fensterflächen auf die Bereiche zwischen den Fensterspalten
reduziert.
n
Durch die kurzzeitige Erhitzung der Luft kann diese Problematik verhindert wer-
den. Durch die Luftbefeuchtung werden zudem Schwebstoffe wie Staub oder
Pilzsporen gebunden und ausgetragen.
Anbringung an der Fassade
Für geschlossene Gewerbehallen oder Schallschutzwände kann die gesamte
sonnenexponierte Fassadenfläche mit dem Kamin bedeckt werden. Bei gängigen
Höhen für diese Bebauungstypen zwischen 6 und 12 m entstehen dann entlang
der Kamine sehr schmale und lange Gewächshausformationen.
Bei Fensterfassaden wird die Fläche im günstigsten Fall mit hohen, schmalen
Fensterzeilen, die jeweils die ganze Geschosshöhe einnehmen, versehen. Die
Kaminflächen können dann in den verbleibenden Zwischenzeilen angeordnet
werden.
Im Bestand sind in der Regel Lochfassaden vorhanden. Die Kamine können dann
in den Fensterzwischenräumen angebracht werden. Für günstige
Auftriebseigenschaften können die vertikalen Fensterspalten herangezogen wer-
den. Da sehr hohe Temperaturen lediglich im oberen Bereich des Kamins
auftreten, kann die Fassade im Bereich der unteren Etagen völlig verglast wer-
den. Der obere Abschnitt verläuft dann zwischen den Fensterspalten mit
entsprechender Isolation oder zusätzlich mit einer zwischengelagerten Schicht
von frei abführbarer Luft zur Verhinderung der Aufheizung der dahinter liegenden
Räume. Über diese Luftschicht können bei entsprechend entstehendem Auftrieb
auch die Innenräume entlüftet werden.
Anbringung auf dem Dach
Dächer bilden insbesondere bei kleineren Gebäuden das größte
Flächenpotenzial zur Anbringung der Kaminelemente. Die Dachneige ist ins-
besondere während der Mittagszeit, also zum Zeitpunkt des höchsten
Kühlbedarfs im Gewächshaus wegen der im Vergleich zur Fassade stärkeren
Einstrahlung und der daraus resultierenden stärkeren Auftriebswirkung vorteilhaft.
Rückführschacht
Der Rückführschacht kann im einfachsten Fall auf der Rückseite des Kamins
angebracht werden. Dies hat den Vorteil eines kompakten, einteiligen
Fassadenelements mit entsprechend geringen Baukosten und einer geringst
möglichen Übertragungsstrecke von der Kaminoberseite aus.
Es besteht allerdings das Problem der Wärmeleitung vom Kamin in den dahinter
liegenden Rückführschacht. In einer Zwischenwand muss deshalb eine
entsprechend starke Isolationsschicht eingebaut werden. Die Luftströmung in
72
73
3.12_ Führung des Kaminelementes über die Dachfläche und Anordnung des Rückführschachts über die
Gebäudenordseite oder durch die Gebäudemitte.
3.13_ Vorteile der Unterbringung des Rückführschachts im Gebäudeinneren:
Links: Nutzung des Wärmetauschers als Heizkörper im Winter, optimale Erreichbarkeit aller Räume
Rechts
: Nutzung der Abwärme an den Außenwänden des Rückführschahts zur Erzeugung eines Luftauftriebs mit
dem Effekt der Raumentlüftung
einem zwar großflächigen aber sehr schmalen Schacht stellt zudem einen relativ
hohen Widerstand dar. Besser geeignet sind deshalb Schächte mit kreisrunder
oder zumindest quadratischen Grundfläche. Die notwendige Fläche für die
Isolierung wird somit ebenfalls minimiert.
Ein oder mehrere Schächte können im Gebäudeinneren als Teil eines
Infrastrukturkerns oder Außen and den sonnenabgewandten Fassadenteilen
angebracht werden. Hierfür sind weitere Verbindungsschächte im Dach und
Bodenbereich notwendig.
Der im Rückführschacht befindliche Wärmetauscher kann im Winter prinzipiell
auch zur Gebäudeheizung genutzt werden. In diesem Fall können herkömmliche
Heizkörper entfallen, was die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems erheblich
steigert. Für diesen Fall muss der Rückführschacht mit regelbaren
Lüftungsschlitzen versehen werden. Ebenfalls vorstellbar ist die Entfernung der
Schachtwände und die entsprechende Freilegung des Wärmetauschers im
Wohnraum. Die Verbindung mit dem Gewächshaus muss während der
Heizperioden entsprechend verschlossen werden.
Der Rückführschacht kann zur Verhinderung der Aufheizung der anschließenden
Wohnräume auch mit einer nach oben offenen Luftschicht isoliert werden. Über
die Abwärme aus dem Luftschacht wird ein Auftrieb erzeugt, der insbesondere bei
höheren Gebäuden genutzt werden kann, um die Wohnräume gezielt zu entlüften
bzw. um kühlere Außenluft von der Nordseite des Gebäudes anzusaugen.
74
3.14/3.15_ Füllmaterialien zur gleichmäßigen Verrieselung von Wasser in einem Luftvolumen mit
minimalem Luftwiderstand (aus: NSW-Umwelttechnik)
Luftbefeuchter
Innerhalb des Luftkreislaufs wird im Kamin bzw. im Rückführschacht ein
Luftbefeuchter angeordnet. Bei der auf dem Weg durch den Solarkamin erhitzten
Luft sinkt die relative Luftfeuchtigkeit stark ab. (Bei einer gesättigten Luft von 40 °
im Gewächshaus sinkt die relative Feuchte bei 70° auf 23%, bei 100° auf 7%).
Das im Gewächshaus verdampfte Wasser kann erst bei Temperaturen unter 40°
auskondendsiert werden. Die im Kamin oder über Beschattungsplanen im
Gewächshaus weiter erwärmte Luft muss zunächst, möglichst erneut bis zum
Sättigungsgrad befeuchtet werden, um einen maximalen Wasserertrag bei der
Kondensation zu erzielen und um den Wärmeübergang in den Wärmetauscher zu
optimieren. Der Wärmeübergang einer Luftströmung auf die Flächen des
Wärmetauschers ist erheblich geringer als der Wärmeübergang von konden-
sierendem Wasser auf der selben Fläche (Wärmeübergangskoeffizient von Luft
auf glatte Flächen (bei v<5m/s) = 5,6+4v = ca. 20 W/(m2*K);
Wärmeübergangskoeffizient von kondensierendem Wasserdampf = ca. 10500
W/(m2*K) (Kuchling, 1997)).
Der Befeuchter besteht aus einer von Wasser berieselten Oberfläche. Diese wird
im günstigsten Fall von Füllkörpern gebildet, die zur Minimierung des
Widerstandes eine dem Luftkreislauf gegenüber möglichst geringe Angriffsfläche
bilden. Gleichzeitig sollte die Oberfläche der Füllmaterialien zur Optimierung der
Verdunstung möglichst groß sein. Im Gewächshausbau in der Vergangenheit zur
Befeuchtung eingesetzte Steinschüttungen aus Lava oder Blähton besitzen zwar
eine große Oberfläche, sie haben allerdings einen hohen Widerstandswert und
75
kommen für diese Anwendung nicht in Frage. Hinzu kommt die Funktionalität von
sehr homogenen Flusseigenschaften: Bei unterschiedlichen Fließgeschwindig-
keiten auf den Oberflächen kommt es zu Ablagerungen von Kalk und Salzen in
den Bereichen von geringem Durchfluss. Die Bereiche der Ablagerungen wach-
sen von hier aus und verstopfen dann letztlich den gesamten
Befeuchtungskörper. Insbesondere beim Einsatz von Meer- oder Brackwasser ist
die Funktion der homogenen Durchflusseigenschaften deshalb elementar wichtig.
Konventionelle Verdunstungskörper zur Gewächshauskühlung aus Cellulose sind
nicht für den Einsatz von Salz- oder Brackwasser geeignet.
Optimale Oberflächen bilden Füllkörper, wie sie in der chemischen Industrie für
Trennprozesse in Kolonnenreaktoren verwendet werden. Hierfür werden die
gleichen Eigenschaften verlangt. Dies sind beispielsweise kleine zylindrische
Kunststoffrohre von ca. 2 cm Länge und 0,8 cm Durchmesser mit perforierter,
dreidimensional ausgebildeter Seitenwand. Eine Tropfenbildung findet hier nicht
ausschließlich an der Unterseite des Zylinderkörpers statt, sondern gleichmäßig
auf der gesamten Oberfläche. Ein Luftvolumen von über 80% ermöglicht einen
niedrigen Luftwiderstandswert. (NSW-Umwelttechnik, 1999)
Einen besonderen Ansatz bilden aufgedrehte Seilstrukturen aus Stahl oder
Kunststoff. Das Wasser wird über einen Einführschlauch auf das kompakte Seil
geführt. Die einzelnen Seilsegmente werden dann auf ein großes, homogen
benetztes Volumen aufgedreht und verteilt. Am Ende des Füllvolumens führen die
Seilsegmente wieder zusammen. Die überschüssige Flüssigkeit kann über einen
Schlauch wieder abgeführt werden. Durch diese Anordnung wird ein sehr gleich-
mäßiger Wasserdurchfluss erzielt. Es wird zudem keine Auffangwanne für das
überschüssige Wasser benötigt. Bei Salzwasser ist dies die konzentrierte
Salzsole. Bei der Anbringung im Kamin oder im Rückführschacht würde eine
solche Wanne einen extremen Luftwiderstand darstellen. Ein Luftvolumen von bis
zu 95% ermöglicht zudem einen extrem niedrigen Luftwiderstandswert.
Anbringung im Kamin
Die Befeuchtung der Luft führt zu einer ersten Abkühlung. Bei Anbringung des
Luftbefeuchters im Kamin darf der Abkühlungseffekt nie stärker sein als der solare
Erwärmungseffekt. Aufsteigende, sich erwärmende Luft und abfallende,
abgekühlte Luft würden sonst mit ihren entgegengesetzten Vektorkräften die
Geschwindigkeit der Luftbewegung drosseln.
Die Anbringung im Kamin hat den Vorteil eines optimalen Energietransports
durch permanente Wasserverdampfung. Eine bis zum Faktor 6 höhere
Energiemenge kann im Vergleich zu nicht befeuchteter Luft - bei gleichbleibender
Temperatur - transportiert werden. Dies führt zu wesentlich geringeren
Transmissionsverlusten nach Außen.
Durch den Effekt der langsameren Temperaturanhebung kommt die Anordnung
im Kamin allerdings nur für größere Kaminhöhen in Frage. Bei sehr kleinen
Kaminhöhen würde kein ausreichender Temperaturunterschied und somit keine
76
ausreichende Luftbewegung entstehen. Bei großen Kaminflächen besteht das
Problem der Überschreitung von materialverträglichen und das Gebäude mit
Wärme belastenden Temperaturen, so dass die kontinuierliche Befeuchtung eine
notwendige Kühlmaßnahme darstellt.
Anbringung zwischen Kamin und Kühlschacht
Bei kleineren Kaminhöhen und entsprechend kleineren Gewächshäusern muss
zunächst eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen der Kaminoberseite
und der Unterseite des Kühlschachtes erreicht werden. Die Luft erwärmt sich im
trockenen Zustand sehr schnell, so dass bereits Kaminaufbauten von 1-3 m den
erwünschten Effekt erzielen können. Die Befeuchtung kann dann anschließend
erfolgen. Ein berieseltes Festbett zwischen Kamin und Kühlschacht bringt dabei
zwei wesentliche Vorteile:
- Das aus dem Festbett austretende Restwasser kann über eine Wanne abge-
führt werden, ohne dass diese einen Luftwiderstand darstellen muss. Die Wanne
steht z.B. auf der Oberseite der Isolationswand zwischen Kamin und
Rückführschacht.
- Zudem bildet diese Anordnung den Vorteil, dass Luftbewegungen aus beiden
Richtungen einen gleichbleibenden Verdunstungseffekt hervorrufen: Bei der
Erwärmung des Wärmetauschers in der Nacht kann zusätzliches Wasser ver-
dampft werden. Bei einer Anbringung im Kühl- (bzw. Heiz-)schacht kann der
Prozess der Wasserverdampfung nur in einer Richtung erfolgen. Für die
Anwendung einer kontinuierlichen Verdampfung von Luft am Tag und in der Nacht
(z.B. zur Optimierung der Meerwasserentsalzungsfunktion) kommt deshalb nur
diese Anordnung in Frage.
Anbringung im Kühlschacht
Zur Optimierung des Systems zur Wärmeerzeugung mit jahreszeitlichen Zyklen
kann der Befeuchter auch im Kühlschacht über dem Wärmetauscher angeordnet
werden. Hier wird der Effekt der Fallbeschleunigung durch Abkühlung am effek-
tivsten ausgenutzt, da die abkühlende Luft direkt in der Bewegungsrichtung des
Luftkreislaufs herabfällt. Die Gefahr der Vermischung von (nicht aufbe-reitetem)
Wasser aus dem Befeuchter mit Kondenswasser auf dem Wärmetauscher durch
Herabtropfen muss in diesem Fall verhindert werden.
Dimensionierung und messtechnische Erfassung
Die Dimensionierung des Befeuchtungsmoduls richtet sich nach der angestrebten
Eintritts-Lufttemperatur, der Luftgeschwindigkeit und des Volumenstroms.
Parameter des Befeuchters sind Wasserfilm-Oberfläche, Wasserdurchfluss und
das Verhältnis von Feststoff zu Luftvolumen im Befeuchter, welches bestimmend
ist für den Luftwiderstand.
77
Bei der Einführung von Salzwasser sind Sensoren zur Messung des Salzgehaltes
beim Wasservor- und Rücklauf anzuordnen. Bei der Zuführung von ver-
schmutztem Wasser sind zur Berechnung der Reinigungsdynamik über periodis-
che Proben zur Messung des biologischen Sauerstoffbedarfs und der
Keimquantität zu erfassen.
78
3.16_ Schema für die Energieflüsse bei der Heiz- bzw. Entladungsphase: Der Heizungsrücklauf im Gebäude wird
zur Gewächshausbeheizung genutzt. Hier können je nach Nutzungskonzept Temperaturen zwischen 3° und 15°C
zur Optimierung des Pflanzenwachstums und als “kühlerer Wohnbereich” aufrecht erhalten werden.
3-15
79
Kühlsystem
Im Kühlschacht ist ein Wärmetauscher angeordnet, der mit einem
Wärmespeicher verbunden ist. Während der Sonneneinstrahlung wird über eine
Umlaufpumpe kaltes Wasser aus dem Speicher durch den Wärmetauscher
geführt. Ziel ist die der Luftabkühlung ist einerseits die Abführung der Wärme in
den Speicher sowie die Gewächshausklimatisierung.
Der Wärmetauscher ist tagsüber durch den Kondensationsprozess permanenter
Feuchtigkeit ausgesetzt. Zur Vermeidung von Korrosion sind vorzugsweise
Wärmetauscher aus Kunststoff vorzusehen, wie sie aus Wand- und
Fußbodenheizungselementen bekannt sind. Als Kühlmittel kann dann wegen der
Korrosionsfreiheit neben Wasser auch eine salzhaltige Wasserlösung mit
entsprechend höherer Wärmekapazität verwendet werden. Das Kühlwasser wird
an der Unterseite des Kühlschachts über Verteilerrohre eingeführt und mit Hilfe
einer Umwälzpumpe über wesentlich schmalere Kapillarrohre im gesamten
Rückführschacht nach oben geführt. Von hier aus kann das Kühlmittel wiederum
in einem Sammelrohr zum Speicher zurück gelangen. Zur Beheizung des
Schachtes mit dem Ziel der Speicherentladung zu Heizzwecken und/oder zur
Fortführung der Wasserverdampfung wird das warme Wasser in entgegenge-set-
zter Fließrichtung durch den Wärmetauscher geführt.
Die Außenwand des Schachtes ist nach allen Seiten zur Verhinderung des
Austrags von Kondenswasser mit einer wasserdichten Schicht abgedichtet sowie
mit einer Isolierschicht versehen. Die Isolierschicht verhindert insbesondere im
oberen Bereich des Schachtes eine Aufheizung der Gebäudewand sowie den
Wärmeübergang vom Kamin in den Schacht. Bei Anordnungen, in denen sehr
hohe Temperaturen erreicht werden, muss im oberen Bereich des Schachtes zwi-
schen der Isolierung und der Gebäudewand eine Schicht mit frei beweglicher
Außenluft vorgesehen werden, da sowohl beim Tages- wie auch beim
Nachtzyklus permanent hohe Temperaturen vorherrschen. Hierdurch würde auch
bei einer vorhandenen Isolierung ein konstanter Wärmestrom durch die
Gebäudewand entstehen, der die Innenräume im Sommer stark aufheizt. Der
gesamte Kühlschacht kann als Serienelement für unterschiedliche architektoni-
sche Grundtypologien hergestellt werden.
Thermischer Speicher
Der Speicher fungiert sowohl zur Speicherung von Wärme wie auch von Kälte.
Für die Funktion der Wasserproduktion in heißen Klimagebieten ist ein Tag-Nacht-
Speicher vorgesehen. Da bei kleineren Anlagen mit relativ geringer Kaminhöhe
lediglich Temperaturen um 60° erzeugt werden können und auch bei sehr hohen
Auslegungen kaum Temperaturen über 80° erreicht werden, muss zur
Speicherung der über den Tag anfallenden Energie ein verhältnismäßig großes
Speichervolumen vorgesehen werden. Für eine Gewächshaus- und Kaminfläche
von rund 120 m2wurde in Abhängigkeit von der Temperaturamplitude ein
Speichervolumen zwischen 4 und 6 m3für einen strahlungsreichen Tag errechnet
(Vgl. Kapitel 4, Abb. 4.3/4.4_ ). Zur vollen Ausnutzung dieser, im Vergleich zu den
Gesamtkosten relativ teuren Komponente empfiehlt sich die Nutzung zusätzlich-
er Solarkollektoren (im Kamin oder extern angeordnet) bzw. den Einsatz einer
Maschine zur Wärme-Kraft-Kopplung zur Erreichung einer Speichertemperatur
von rund 95°C. Die Kollektoren können dann auch zur
weiteren Entladung des Speichers am Ende der Nacht bzw. am Ende der
Heizperiode beitragen, indem sie als „Sky Radiator" bei geöffneter
Glasabdeckung Wärme direkt in die Atmosphäre abstrahlen können (Vgl. Kapitel
Vorbilder-Stand der Technik, Abb. 1.16). Dies ist vor allem dann wichtig, wenn bei
mangelnden Tag-Nachtschwankungen der Außentemperatur die notwendige
Minimaltemperatur des Speichers für die Kühlleistung am folgenden Tag nicht
erreicht wird.
Neben isolierten Tanks aus Kunststoff oder Stahl sind auch sehr einfache
Varianten in Form von mit Teichfolie ausgelegten Wasserbecken denkbar. Diese
können dann beispielsweise mit einer schwimmenden Isolierdecke versehen
werden. Zur endgültigen Entladung eines solchen Speichers kann am Ende der
Entladungsphase die Isolierdecke entfernt werden, so dass die Restwärme über
die Wasseroberfläche direkt in die Atmosphäre abstrahlen kann. In diesem
Zusammenhang sind auch sogenannte “Solarseen” interessant: Eine stark mit
Salz angereicherte, untere Wasserschicht wird erhitzt. Darüber liegt eine, auf-
grund von niedrigerer Salzkonzentration leichtere Schicht. Die untere Schicht
steigt auch bei starker Erhitzung nicht an die Oberfläche, da sie aufgrund des
Salzgehaltes schwerer ist. Hierdurch kann die Wärme nicht an die Außenluft
abstrahlen. Das Entfernen der Isolierschicht muss bei Bedarf dann durch die
Entfernung der oberen Wasserschicht erfolgen. Hierfür müssten gängige
Systeme entsprechend modifiziert werden.
Für die Bevorratung des Kühlwasser während der Beladung sowie umgekehrt
für die Bevorratung von heißem Wasser bei der Entladung ist der gezielte Aufbau
von Wärmezonen im Speicher notwendig. Hierfür gibt es unterschiedliche
Ansätze, die im Kapitel Vorbilder/Stand der Technik beschrieben wurden.
Bei der Verwendung von Langzeitspeichern zu Heizzwecken wird ein wesentlich
höheres Speichervolumen benötigt. Durch die Zusammenlegung der Speicherka-
pazität einer ganzen Siedlungseinheit in einen Speicher kann das benötigte
Volumen insgesamt verkleinert werden, da die Außenverluste durch die günstige-
ren Volumen/Außenflächenverhältnisse eines großen Körpers minimiert werden.
Die Kosten für ein System mit Einzelspeichern liegt dabei um den Faktor 2 höher
als bei kollektiven Nahwärmesystemen. Dennoch liegen die Kosten für die
Wärmeversorgung bei diesen momentan nochmals um den Faktor 2 höher als
bei konventionellen Heizsystemen (Fisch, 1999). Die seit dieser Veröffentlichung
stark angestiegenen Energiepreise verdeutlichen aber das hohe Marktpotential
dieser Anwendungsformen.
Die Nutzung von vorhandenen Speichervolumen - etwa die Beladung des
Erdreichs unterhalb der Kellerebene durch punktförmige Erdsonden oder die
Verwendung alter Bergstollen, Bunkeranlagen, ungenutzter Tiefgaragen oder
Kellerräume kann den Preis für solche Systeme an geeigneten Orten erheblich
verringern.
80
Das hier vorgestellte System kann die Wirtschaftlichkeit der dargestellten
Nahwärmesysteme durch den teilweisen Ersatz konventioneller Kollektortypen
durch preisgünstigere Gewächshausanlagen erhöhen. Zudem kann die Nutzung
des Temperaturbereichs zwischen 40° und etwa 5° durch eine Totalentladung des
Speichers die Ausnutzung der zu erstellenden Speicherkapazität signifikant
erhöhen. Hierdurch wird einerseits Kühlmittel bevorratet. Andererseits kann das
niedrigere Temperaturspektrum zum Betrieb einer Wärmepumpe oder direkt zur
Gewächshausbeheizung genutzt werden.
Nutzung des thermischen Speichers zur Kühlung
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Entladevorgang des Speichers zu opti-
mieren. Das einfachste Modell ist eine Heizkaskade vom Wohngebäude zum
Gewächshaus: Der Heizungsrücklauf aus den Wohngebäuden von ca. 20°C wird
zur Beheizung des Gewächshauses verwendet, in dem je nach Anwendungsform
Temperaturen zwischen 3° und ca. 15°C benötigt werden. Der Speicher wird
somit intensiver genutzt. Zudem wird eine niedrigere Speichertemperatur am
Ende der Heizphase im Frühjahr erreicht. Somit liegt ein größeres Kühlpotential
zur sommerlichen Klimatisierung des Gewächshauses und zum Antrieb des
Luftkreislaufs vor. Die oben beschriebenen Sky Radiators können u.U. eine noch
weitergehende Abkühlung bis nahe am Gefrierpunkt erreichen. Eine solche dreit-
eilige Entladungskaskade ist insbesondere interessant, wenn im Gewächshaus
zu Produktionszwecken noch relativ hohe Temperaturen eingehalten werden
müssen.
Chemischer Speicher
Eine solar angetriebene Absorptionswärmepumpe kann das niedrige
Temperaturspektrum erschließen und gleichzeitig neben dem thermischen
Speicher eine chemische Energiebevorratung vornehmen. Das System ist ver-
gleichsweise komplizierter, der Ansatz ist aber interessant, da die Größe des ther-
mischen Speichers, der einen erheblichen Kostenfaktor in dem System darstellt,
durch die Kombination mit dem chemischen Speicher erheblich verringert werden
könnte. Zusätzliche Aufwendungen für das vergleichsweise komplizierte System
können so kompensiert werden.
Ein im Speicher bevorratetes Stoffpaar aus Ammoniak und Wasser wird über den
Wärmetauscher im Kamin vorgewärmt, über eine Lösungspumpe auf ein höheres
Druckniveau versetzt und über im Kamin oder extern installierte Solarkollektoren
weiter erhitzt. Es wird dann in einem Kocher (z.B. unmittelbar im Solarkollektor)
getrennt: Ammoniakdampf entweicht über ein Druckventil und wird über einen
Kondensator verflüssigt. Durch diese Anordnung muss nur der zusätzliche
Solarkollektor für den höheren Druck ausgelegt werden. Der Kondensator wird -
wie der Wärmetauscher im Kamin - mit dem Lösungsgemisch aus dem Speicher
oder über die Außenluft gekühlt. Das flüssige Ammoniak kann als chemisches
Speichermedium bei normalem Druck über die gesamte sonnenreiche Jahreszeit
akkumuliert werden. Die “arme Lösung” (vom Ammoniak getrenntes Wasser)
81
82
3.17_ Beladung eines thermischen Speichers und eines Ammoniakspeichers durch den Wärmetauscher im
Luftkanal sowie durch weitere Solarkollektoren: Das kalte Lösungsgemisch 17 wird vom kalten Pol (-) des ther
-
mischen Speichers 9 über den Wärmetauscher im Luftkanal 7 sowie über den Kondensator 12 vorgewärmt und
anschließend über eine Lösungsmittelpumpe auf ein höheres Druckniveau gehoben. Über Solarkollektoren 6 wird
das Gemisch weiter erhitzt. Das Ammoniak verlässtden Austreiber 11 als Dampf 18 und wird im Kondensator 12
verflüssigt. Über ein Ventil wird das flüssige Ammoniak 19 wieder auf den Normaldruck entspannt und wird im
Speicher 13 angereichert. Die “arme Lösung” (Wasser ohne Amoniak) wird ebenfalls auf Normaldruck entspannt,
weiter erhitzt und in dieser Form 20 dem warmen Pol (+) des Wärmespeichers zugeführt.
83
3.18_ Abkühlung des thermischen Speichers bis auf 5°C zum Betrieb des Luftkreislaufs durch die Erschließung
von Restwärme aus dem Heizungsrücklauf und durch die Hinzufügung einer weiteren Niedrigwärmequelle über
Ammoniakverdampfer: Die erhitzte, arme Lösung 20 wird einem Heizungssystem zugeführt. Dem
Heizungsrücklauf wird Restwärme über einen aus dem Ammoniakspeicher 13 gespeisten Verdampfer 15 entzo-
gen. Der dabei entstehende Ammoniakdampf 18 wird einem Absorber zugeführt, in dem es von der armen
Lösung absorbiert wird. Das zugeführte Wasser aus dem thermischen Speicher 20 kann somit deutlich kühler
sein als der eigentliche Heizungsvorlauf und wird entweder bei anfänglich sehr hohen Speichertemperaturen
über ein regelbares Rücklaufrohr 21 mit abgekühlter, reicher Lösung verdünnt oder bei stark abgekühltem
Speicher über einen zweiten Verdampfer 19 bei Erschließung einer weiteren Niedrigtemperaturquelle
vorgewärmt.
kann dem thermischen Speicher zugefügt werden oder zuvor über weitere
Kollektoren nahe unter 100°C erhitzt werden.
Bei der Entladung kann das gespeicherte Ammoniak verwendet werden, um aus
einem Heizungssystem zurücklaufendes Lösungsgemisch von ca. 20-30° C auf
ca. 5° C abzukühlen. Der dabei in einem „Verdampfer A" entstehende Ammoniak-
dampf wird einem Absorber zugeführt, in welchem es von der armen Lösung aus
dem Speicher absorbiert wird. Das Gemisch wird dabei erwärmt und erzeugt
wiederum eine sinnvolle Vorlauftemperatur für Heizungssysteme. Dies ermöglicht
die Weiternutzung des thermischen Speichers auch bei stärkerer Abkühlung, ins-
besondere in der zweiten Winterhälfte.
Durch Fermentation und winterliche Sonneneinstrahlung erwärmte Luft kann
zusätzlich über einen zweiter „Verdampfer B" als Wärmequelle erschlossen wer-
den. Durch die Abkühlung der Luft kann zudem wiederum der Luftkreislauf im
Gewächshaus angetrieben werden.
Offene Fragen und Forschungsbedarf
Thermisch erzeugter Luftkreislauf
Durch weitere Simulationen und Testanwendungen muss die Möglichkeit einer
Optimierung des thermisch erzeugbaren Luftkreislaufes näher untersucht werden.
Hierbei gibt es folgende Ansätze:
·Eine weitere Spreizung der Temperaturunterschiede im System: Heißere
(maximale) Lufttemperaturen im oberen Kaminbereich bzw. bzw. kühlere
Lufttemperaturen im Bodenbereich (durch kühleres Speichermedium und durch
den gezielten Einsatz von Verdunstungskühlung).
·Größere Kaminhöhen
·Niedrigere Strömungswiderstände durch Optimierung der Anlagenform
Genaue Kenntnisse über den Einfluss dieser Parameter sind erforderlich für das
Design unterschiedlicher Anwendungsvarianten. Durch die Möglichkeit der
Erzeugung größerer Druckunterschiede ergibt sich insbesondere die Möglichkeit
der räumlichen Trennung von Gewächshaus und Kamin, was die potentiellen
Anwendungsmöglichkeiten stark erhöht.
Insbesondere bei sehr hohen Kaminhöhen und sehr großen Anlagen ist die
grundsätzliche Möglichkeit der Stromerzeugung über die Luftbewegung durch
Generatoren nach dem Vorbild des Aufwindkraftwerks nicht ausgeschlossen.
Insgesamt müssen Forschungen zur Strömungsdynamik zu genauen Aussagen
über die Form und Gestalt der Gewächshäuser, der Luftkollektoren und der Kühl-
und Rückführschächte führen. Dies kann über eine stufenweise
Designoptimierung durch Variation der Gewächshausoberfläche- und des
Volumens, der Luftkollektor- bzw. Kaminoberfläche, der Kaminhöhe und der
Volumina der Rückführschächte bei unterschiedlichen klimatischen
84
Ausgangssituationen des Außenklimas (insb. solare Einstrahlung und
Außentemperatur) erfolgen. Auf dieser Basis können dann konstruktive und
architektonische Gestaltlösungen entwickelt werden.
Neben den fluiddynamischen Gesichtspunkten sind für den Bau eines Prototyps
verschiedene Konstruktionslösungen und architektonische Gesamtlösungen zu
entwickeln und unter Berücksichtigung des Anwendungsschwerpunkts und
diverser Wirtschaftlichkeitsaspekte gegeneinander abzuwägen.
Testphase im Prototyp: Die Regulierung des Luftkreislaufs und die Verteilung von
eingeführter Kaltluft im Gewächshaus erfolgt über Drosselventile. Die systematis-
che Erfassung der Ventileinstellungen sowie der Werte für Lufttemperatur und -
feuchte in unterschiedlichen Zonen des Gewächshauses während einer
Testphase bilden die Grunddaten der Systemevaluierung und Optimierung der
Gewächshausklimatisierung. Weitere Komponenten werden durch die Erfassung
der Daten aus dem Heiz- und Kühlsystem sowie des Außenklimas dokumentiert,
die im weiteren Verlauf näher erläutert werden.
Heiz- und Kühlsystem
1. Thermischer Speicher
Die Möglichkeit eines thermisch erzeugten Luftkreislaufs hängt insbesondere von
der Verfügbarkeit einer ausreichenden Menge von Kühlmedium über die gesamte
Beladungsphase ab. Die Eignung von Schichtenspeichern zur Erfüllung dieser
Funktion muss genauer untersucht werden.
Simulation: Durch Berechnung und Simulation der Be- und Entladevorgänge im
Speicher und die dabei entstehenden Wärmeschichtungen muss die
Dimensionierung und Auslegung des Speichervolumens ermittelt werden. Die
Verwendung eines geeigneten Speichermediums (insb. Wasser und Salzwasser)
sowie die technische Lösung für die Be- und Entladevorgänge über
entsprechende Standrohre, Ventile und evtl. den Einsatz von Wärmesensoren
sind zu entwickeln. Zu berücksichtigen sind für unterschiedliche Anwendungen
Tag/Nacht Speicher sowie auch Saisonspeicher.
Testphase im Prototyp: In einem Prototyp kann eine Feineinstellung des
Speichers durch die geringfügige Veränderung des Speichervolumens erfolgen.
Die systematische Erfassung der Fließgeschwindigkeit des Speichermediums,
der Vor- und Rücklauftemperatur und des Temperaturspektrums im Speicher
während einer Testphase bilden die Grunddaten der Systemevaluierung und
Optimierung des Speichers.
Für den Einsatz im Gartenbau stellt sich die Frage nach preisgünstigen
Speichersystemen. Dies ist näher zu Untersuchen, da der Speicher neben der
Gewächshauskonstruktion den höchsten Kostenfaktor des Systems darstellt.
Insbesondere ist die Idee einfacher Teiche (z.B. mit schwimmender
Isolationsabdeckung) oder mit übereinander liegenden Schichten unter-
85
schiedlicher Salzkonzentrationen ("Solar-Pond" Prinzip) als Speicherform zu
untersuchen.
Daneben ist eine Bewertung der Eignung neuer Speichersysteme unter
Verwendung von Phasenwechsel bzw. nach dem Absorptionsprinzip anzustellen,
die zwar aufwendiger und teurer sind, dafür aber wesentlich kleinere Volumina
beanspruchen.
2. Design der Wärmetauscher
Auf Grundlage der Berechnung der Kühllasten im Gewächshaus muss unter
Verwendung vorhandener Modelle die Dimensionierung der Wärmetauscher und
deren Anordnung im Rückführschacht detailliert werden.
Unter architektonischen Gesichtspunkten ist insbesondere die Anordnung von
Kühlschächten innerhalb des Gebäudes zu vertiefen, um die darin befindlichen
Wärmetauscher im Winter als Heizkörper verwenden zu können. In Betracht kom-
men sowohl Schächte entlang der Gebäudewände sowie im Raum stehende
Kamine.
Testphase im Prototyp: Zur Feineinstellung des Wärmetauschers in einem
Prototyp muss die grundsätzliche Möglichkeit der Hinzufügung (bzw. Wegnahme)
von Wärmetauschermodulen bestehen um bei Bedarf die gesamte
Austauschfläche anzupassen. Des weiteren besteht die Möglichkeit der
Anpassung an die schwankenden Außenbedingungen über die Regulierung der
Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums sowie der Veränderung der
Vorlauftemperatur durch Erfassung einer anderen Wärmeschicht im Speicher.
Die systematische Erfassung der Werte für Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit
vor und nach der Kühlstrecke sowie die Messung der (Luft-)
Strömungsgeschwindigkeit und des Kondenswasserertrages am Wärmetauscher
während einer Testphase bilden die Grunddaten der Systemevaluierung und
Optimierung des Wärmetauschers.
Zum Einsatz des Wärmetauschers als Heizkörper im Gebäude werden während
der Entladungsphase im Winter Temperaturwerte im Gebäude erfasst.
3. Design der Luftbefeuchter
Für die Luftbefeuchter in den Kaminmodulen muss ein Luftbefeuchtungssystem
auf der Grundlage von preisgünstigen Tropfkörpern mit größtmöglicher
Wasseroberfläche und geringstmöglichem Luftwiderstand entwickelt werden.
Hierfür ist eine Marktrecherche durchzuführen, um auf Grundlage eines
Kriterienprofils evtl. verfügbare Gesamtlösungen bzw. geeignete
Materialkomponenten aufzufinden.
Für das Gewächshaus sind insbesondere für den Einsatz während der
86
Sommermonate im subtropischen Bereich befeuchtete Beschattungsmatten als
zusätzliches Element der Gewächshauskühlung und der Energieüberführung zu
entwickeln.
Meerwasserentsalzung: Beim Einsatz von Salzwasser zur Luftbefeuchtung ist
auf die Anpassung der Strömungsgeschwindigkeit zu achten, die einerseits hoch
genug ist um die Bildung von Salzkrusten auf den Tropfkörpern zu verhindern.
Andererseits darf sie auch nicht zu hoch sein, um die Effektivität der Entsalzung
durch eine zu geringe Wasserreduzierung nicht einzuschränken.
Testphase im Prototyp: Zur Feineinstellung der Befeuchtungskomponenten in
einem Prototyp muss die grundsätzliche Möglichkeit der Hinzufügung (bzw.
Wegnahme) von Befeuchtungselementen bestehen um bei Bedarf die gesamte
Verdunstungsoberfläche anzupassen. Des weiteren besteht in gewissem Umfang
die Möglichkeit der Anpassung an die schwankenden Außenbedingungen über
die Regulierung der Fließgeschwindigkeit des Wasserinputs.
Die systematische Erfassung der gesamten, verdunsteten Wassermenge sowie
der Werte für Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit an der Kaminunter- und
Oberseite unter Berücksichtigung der jeweiligen (Luft-)
Strömungsgeschwindigkeit während einer Testphase bilden die Grunddaten der
Systemevaluierung und Optimierung der Luftbefeuchter.
Beim Einsatz von Salzwasser zur Luftbefeuchtung ist die Salinität des Wasservor-
und -rücklaufs zu ermitteln. Zudem bestimmt die hiefür zugeführte Wassermenge
den Anteil des Salzwassers an der gesamten rückgewonnenen
Kondenswassermenge.
Pflanzenverwendung
Die Funktion der durch Wasserverdampfung eingeleiteten
Energiezwischenspeicherung und der damit verbundenen Kühlfunktion muss
durch eine geeignete Pflanzenauswahl optimiert werden. Im Mittelpunkt hierbei
steht die Akzeptanz eines spezifischen feucht-heißen Gewächshausklimas.
Darüber hinaus muss das Bewässerungssystem sowie die verwendeten
Pflanzsubstrate die Distribution und Zwischenspeicherung großer
Wassermengen ermöglichen. Hierfür sind entsprechende Konzepte zu erarbeiten.
Für den subtropischen Bereich und für die Sommermonate im gemäßigten Klima
sind neben der Bewertung konventioneller Gewächshauskulturen auch geeignete
tropische Kulturpflanzen zu erproben, die erwartungsgemäß eine höhere Toleranz
gegenüber den klimatischen Extremwerten aufweisen.
Für die Wintermonate im mediterranen Klima sind veränderte
Bepflanzungsschemata zu entwickeln, die auf geeignete Weise von den Vorteilen
einer durch Tag-Nacht Wärmespeicherung erzielten Gewächshausbeheizung
profitieren würden.
87
Der Möglichkeit einer kaskadenartigen Beheizung von Gewächshäusern im
Winter aus dem Heizungsrücklauf von Gebäuden im gemäßigten Klima sind
Anwendungsprofile zu entwickeln. Längst nicht alle Kulturpflanzen weisen bei
Temperaturen um 15°C (die bei diesem Verfahren sinnvoll sind) ein ausreichen-
des Wachstum auf. Die Koordination unterschiedlicher Wärmequellen für genaue
Klimazonierungen und damit jeweils verbundene Bepflanzungsprofile sind zu ver-
folgen.
Insbesondere die Möglichkeit der Schaffung von Bereichen mit zusätzlicher
Beheizung aus Fermentationsabwärme(>20°), ein Bereich mittlerer Temperatur
(10-15°) sowie ein Bereich mit frostfreien Temperaturen (>5°) ermöglicht die
Ausnutzung der gesamten Energiegehalts aus dem Speicher und die
Rückhaltung von ausreichend abgekühltem Speichermedium für den
Sommerbetrieb.
Testphase im Prototyp: Die systematische Erfassung der gesamten, verdun-
steten Wassermenge dient als Indikator für die erfolgte
Energiezwischenspeicherung und als Wert für die Wasseraufbereitung. Die
Erfassung der Bodenfeuchte wird als Wert zur Einschätzung des Potenzials der
Wasserspeicherung im Boden erfasst. Zudem dient der Wert als
Steuerungsgröße zur gezielten Temperaturveränderung im Gewächshaus durch
Limitierung der Bewässerung.
Werte für die Temperatur der Blattoberflächen und der Luftfeuchtigkeit in der
Vegetationszone werden Analog mit Daten zum Pflanzenwachstum (Zunahme der
gesamten Biomasse) und Indikatoren zum Gesundheitszustand der Pflanzen
erfasst. Zur Einschätzung der ökonomischen Wertschöpfung der gartenbaulichen
Komponente werden entsprechende Ernteerträge erfasst. Hierbei wird im
Vergleich zum konventionellen Gewächshausgartenbau insbesondere ein verän-
derter Ertrag durch thermischen Tag-Nacht Ausgleich im Sommer aufgrund der
Kühlfunktion und im Winter aufgrund der Beheizung ermittelt.
Verwendung von Grauwasser oder vorgereinigtem Abwasser: Hygienisch
unbedenkliche Verfahren der Verwendung von Grauwasser bzw. von vorgere-
inigtem Abwasser sind insbesondere beim Anbau essbarer Pflanzen
Vorraussetzung für geschlossene Wasserkreisläufe. Forschungsbedarf besteht
bei der unterirdischen Bewässerung sowie beim Einsatz von Hydrokultur.
Daneben sind die bestehenden Möglichkeiten der biologischen Vorreinigung in
Sumpfbeeten oder auch in Wurzelraumzonen außerhalb des Gewächshauses
auszuloten.
Die Verwendung von verschmutztem Wasser im offenen Boden ist in Anbetracht
der Gefahr einer Grundwasserbelastung zu erforschen. Hierbei spielen die
Funktionen der Reinigung im oberen Wurzelbereich genauso eine Rolle wie die
Entwicklung eines exakt justierbaren Bewässerungs- und Erfassungssystems, in
dem möglichst immer genau so viel Wasser verteilt wird, wie unmittelbar von den
Pflanzen aufgenommen werden kann.
Methoden zur Verhinderung eines pH-Wert Anstiegs in den Pflanzsubstraten
88
durch den Einsatz von physiologisch sauer wirkenden Düngemitteln oder alterna-
tiv hierzu durch Strategien des regelmäßigen Austauschs der Substrate ist zu
erwägen.
Durch geeignete Drainagesysteme kann auch einer allmählichen Versalzung der
Substrate vorgebeugt bzw. ein zu hoher Salzgehaltes bei der Verwendung
urbaner Komposte abgesenkt werden. Das abgeführte, salzhaltige Wasser kön-
nte dabei ggf. im Entsalzungsmodul aufbereitet werden. Diese Methoden müssen
in der Praxis erprobt werden.
Testphase im Prototyp: Die systematische Erfassung der hygienischen Qualität
der Ernteerträge dient der Einschätzung der Verträglichkeit einer Kombination von
Wasserbehandlung und Gewächshausgartenbau. Durch regelmäßige
Wasserproben wird sowohl die Qualität des Kondenswasserertrags sowie der
Reinigungseffekt in Wurzelraumzonen erfasst. Durch regelmäßige Bodenproben
wird der pH-Wert und der Salzgehalt im Boden erfasst.
Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus: Das Verhalten der Wasserkondensation im
Gewächshaus muss genauer Untersucht werden:
·Während der Beladung sollte insbesondere in den Übergangsjahreszeiten
die Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus nicht so stark ansteigen, dass es zur
Kondensation an den Außenflächen kommt, da hiermit hohe
Energieverluste einhergehen würden.
·Für die Kondensation während des Entladevorgangs beim Schwerpunkt
Wasseraufbereitung müssen geeignete Auffangvorrichtungen für das
Kondenswasser entwickelt werden. Insbesondere muss ein Abtropfen auf
die Vegetationsflächen verhindert werden, dass am Tage zu Brandtspuren
an den Blättern führen würde.
·Die Erzielung von Kondensationserträgen an der
Gewächshausaußenfläche kann zu Problemen bei der Vegetation führen,
die dann bei Tag und Nacht hoher Luftfeuchte ausgesetzt wird. Zur
genaueren Bewertung dieses Problems sind zunächst die Verteilung von
Temperatur und Luftfeuchte zwischen der Luftschicht unter der
Gewächshausabdeckung bis in den Vegetationsbereich zu untersuchen.
In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit der Verwendung von UV-
lichtdurchlässigen Materialien (Acrylglas, ETFE-Membranen) zu unter
suchen, die einem möglichen Schädlingsbefall bei hoher Luftfeuchtigkeit
entgegenwirken kann. Diese Materialien sind auch im Zusammenhang der
Belichtung im Winter interessant, da durch die höhere UV-Durchlässigkeit
ein geringerer Bedarf an künstlicher Belichtung entsteht.
Automatisierung
Zur Automatisierung des Systems wird die Erfassung von System- und
Klimadaten, die Steuerung von zentralen Kontrollelementen sowie die
Koordination dieser Komponenten über ein zentrales Computerprogramm nötig.
Ein geeignetes Modell zur Steuerung des Gewächshausklimas (Temperatur, CO2,
89
Belichtung, Luftfeuchte) sowie der Bewässerung (Gewächshausbewässerung
und Nährstoffzugabe, Management der Prozesse im Luftbefeuchter) muss aus -
gewählt und angepasst werden. Ein Netzwerk von Kontrollelementen und ein
System zu deren Hierarchisierung muss entwickelt werden.
Kontrollelemente sind insbesondere Ventile zur Drosselung des Luftkreislaufes,
Pumpen zum Transport der Kühl- bzw. Heizmedien, Pumpen zur Bewässerung
und Luftbefeuchtung, Motoren zur Regulierung der Gewächshausschattierung
und der CO2 Zuführung.
System- und Klimadaten werden über ein Netzwerk aus Sensoren zur Erfassung
insbesondere der Außentemperatur, der solaren Einstrahlung und der
Strahlungszusammensetzung, der Luft- und Wassertemperaturen, der
Luftfeuchte, des CO2-gehalts der Luft, der Luftströmung erfasst.
Koordination der unterschiedlichen Formen der Wasseraufbereitung:
Die simultane Betreibung unterschiedlicher Formen der Wasseraufbereitung
(Destillation, Biologische Reinigung im Gewächshaus (Pflanzenkläranlage), biol-
ogische Reinigung im Luftbefeuchter (Biofilmeffekt) und UV-Bestrahlung im
Luftbefeuchter erfordert eine genaue Verfahrenskoordination. Zur Entwicklung
beispielsweise von mehrstufigen Reinigungskaskaden (z.B. Vorreinigung im
Sumpfbeet, Reinigung im Luftbefeuchter, Reinigung durch UV-Bestrahlung)
erfordert die vorherige, genaue Erfassung der Leistungsfähigkeit dieser unter-
schiedlichen Komponenten. Auf dieser Datenbasis kann dann auch erst eine
Aussage über die quantitative Leistung des Systems der Wasseraufbereitung
erfolgen.
Aufbauend auf dieses Wissen kann dann eine genauere Dimensionierung von
Systemen in Bezug auf bestimmte Standorte vorgenommen werden. (z.B. Lage in
Küstennähe auf Basis von Meerwasserentsalzung, an Brackwasserbrunnen im
Binnenland oder an verschmutztem Oberflächenwasser als primärer
Wasserinput)
Insbesondere sind unterschiedliche Verfahrensvarianten auf verschiedene
Angebots- und Verbrauchszahlen innerhalb des jahreszeitlichen Wechsels
vorzunehmen.
Solid-State Fermentation
Dieser Bereich wirft sicher die meisten noch offenen Fragen im Rahmen des bear-
beiteten Systems auf. Sie sind aber von weniger drängender und von länger-
fristiger Natur, da das System grundsätzlich auch mit anderen CO2-Quellen
betrieben werden kann.
Bei der Kompostierung ist insbesondere die tatsächlich mögliche Heizleistung zu
erfassen, die sich an den maximal zulässigen CO2-Werten im Gewächshaus (in
90
Abhängigkeit von Arbeitsplatzkonstanten) orientieren wird. Für genauere
Aussagen werden hierbei allerdings verlässliche Messergebnisse aus einem tat-
sächlichen Versuchsablauf benötigt.
Daneben sind Fragen der Geruchsbelastung sowie der Einbringung von
schädlichen Sporen in die Gewächshausluft und in das Kondenswasser zu unter-
suchen.
Bei höherwertigen Fermentationsprozessen ist umgekehrt die Keimbelastung aus
dem Gewächshaus zu erfassen, insbesondere wenn hier gleichzeitig Verfahren
zur Wasserreinigung ablaufen sollen.
Da viele Fermentationsvorgänge optimal bei Temperaturen zwischen 35° und 40°
ablaufen, wird die Funktion der Gewächshauskühlung zum Engpass. In diesem
Zusammenhang muss untersucht werden, welche minimalen Temperaturen beim
Fermentationsprozess jeweils toleriert werden. Zudem sind die verbleibende
Kühlmöglichkeiten im Gewächshaus bei einer Input-Temperatur von etwa 37° zu
untersuchen.
Insbesondere muss für bestimmte Fermentationsanwendungen auch ein
Belüftungsverfahren erprobt werden, in denen die Fermentationsanlage im
Luftkreislauf hinter dem Gewächshaus angeordnet wird. In diesem Fall würde die
erwärmte Gewächshausluft höhere Temperaturen in der Fermentationsanlage
erlauben.
Für unterschiedliche Formen der Fermentation sind automatisierbare
Reaktorformen einschließlich Be- und Entladevorrichtung zu entwerfen.
Testphase im Prototyp: Die systematische Erfassung der Lufttemperatur und
Luftfeuchte vor und hinter der Fermentationseinheit wird der Energieinput der
Komponente erfasst. Die Erfassung des CO2-gehalts im Gewächshaus dient als
Steuergröße für die Fermentationsaktivität und kann zwischen einem wachs-
tumsbedingten Minimalwert für das Pflanzenwachstum und einer maximalen
Arbeitsplatzkonstante für CO2 schwanken. Eventuell auftretende
Geruchsprobleme werden qualitativ erfasst.
Darüber hinaus wird der eigentliche Fermentationsprozess über die Messung von
Temperatur und Feuchtigkeit der Luft, der Substrate sowie dem Verlauf des CO2-
gehalts der Luft in der Fermentationsanlage gemessen. Die Dauer des jeweiligen
Prozessablaufs und die Quantität und Qualität der Fermentationsprodukte sind
weitere Messgrößen der Evaluierung.
Umsetzungs- und Betreibermodelle
Unterschiedliche Betreibermodelle für die letztlich extrem kleinmaßstäblichen,
industriellen Produktionsgrößen, insbesondere für Anwendungen in
Entwicklungsländern sind zu erstellen.
91
In der Kleinteiligkeit liegt die Chance, die skizzierten, sehr unterschiedlichen
Produktionsformen insbesondere der Nahrungsmittelaufbereitung und der
Anwendungen im Textil- und Zellstoffsektor in breiter Streuung weiter zu entwick-
eln. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil Forschung und Entwicklung im
Bereich der Solid-State-Fermentation wegen der komplexen biologischen Abläufe
auch heute noch weniger auf mathematische Modelle, sondern stärker auf "Trial-
and-Error"- Prozesse fußt.
Zur Umsetzung muss ein Finanzierungs- und Informationssystem erstellt werden,
welches Investitionen im kleinen Maßstab ermöglicht und Wissen verfügbar
macht. Im Gegenzug könnte, alternativ zur Schuldentilgung neu errungenes
Know-how als Form der Rückzahlung vergütet werden.
92
Beispielhafte Berechnung
der Luftströmung, der Energiebilanz und des Wasserertrags
Die im folgenden erstellte, überschlägige Berechnung ist zur Erzeugung von
Orientierungswerten bei der Einschätzung des Systems gedacht. Da der
Energietransfer über Verdunstungs- und Kondensationsvorgänge sowie turbu-
lente Strömungsverhältnisse überaus komplex vor sich geht, sind auch für diese
Einschätzung bereits relativ umfangreiche Berechnungen notwendig. Die
Ergebnisse sollen insbesondere Aufschluss geben über folgende Punkte:
-Einschätzung des Anlagenlayouts, insbesondere für das mögliche
Verhältnis von Gewächshaus zu Kaminfläche
-Regulierungsmöglichkeiten zur Steuerung des Gesamtsystems
-Einschätzung der Strömungsverhältnisse
-Einschätzung der Energieflüsse
-Einschätzung des möglichen Wasser- und Energieertrags
-Benötigte Größe des Speichers
Als Beispiel wurde eine kleinere Anlage gewählt, die in der Größenordnung eines
Ein- bis Zweifamilienhauses liegt. Es wurde eine Gewächshausgrundfläche von
80 m2, eine senkrechte Kaminfläche an der Gebäudefassade von 16 m2(ange-
ordnet über der Gewächshausoberkante) sowie eine Kaminfläche auf einem
Pultdach von 80 qm (Neigungswinkel 30°) angenommen.
Das Gewächshaus ist ein Anlehngewächshaus, ebenfalls mit Pultdach. Die
Grundfläche beträgt 10x8 m quer zum Gebäude. Die Seitenhöhe liegt an der
hausabgewandten Seite bei 1,8 m und steigt zum Haus hin auf eine Höhe von 3,8
m an.
Die Schachttiefe im Kamin beträgt 0,2 m. Die Höhe an der Dachspitze liegt 10,8
m über der Grundfläche. Angenommen werden fensterfreie Wand- und
Dachflächen.
Durch die Gebäudewand innerhalb des Gewächshauses wird der 2 m über das
Gewächshaus ragende Kamin als Einstrahlfläche entsprechend nach unten ver-
längert. Dabei wird die Luft an der Gebäudewand oder bereits auf einer
Beschattungsplane unterhalb des Gewächshausdaches erhitzt. Die untersten 1,8
m der Wand werden von der Gewächshausvegetation verschattet. Dieser Bereich
wird als Einstrahlfläche dem Gewächshaus zugeschlagen.
Die Berechnung berücksichtigt als angenommenen Beobachtungszeitraum einen
24 Stunden Tag mit einem zur Wärmespeicherung genutzten Zeitintervall der
relevanten solaren Einstrahlung von 8 Stunden zwischen 8 und 16 Uhr. Es wurde
ein Ort im mediterranen Raum (31° nördl. Breite, 21. März) mit Strahlungswerten
zwischen 1900 und 2880 kJ/h und mit Außentemperaturen zwischen 18° und 32°
C innerhalb dieses Zeitraums angenommen.
93
4_
Das Beispiel wurde sowohl für den Anwendungsschwerpunkt der
Wasseraufbereitung sowie in einem zweiten Rechengang für die Priorität
Wärmegewinnung (z.B. zur Warmwassererzeugung oder als Tagesleistung bei
der Beladung eines Langzeitwärmespeichers) durchgerechnet. Die Standort-
Klimadaten und die architektonische Grundform bleiben dabei unverändert, um
eine Vergleichbarkeit der beiden Verfahren zu ermöglichen.
Bei beiden Varianten erfolgt ein kontinuierlicher Verdampfungsprozess im
Gewächshaus und im Kamin mit dem Ziel einer möglichst hohen
Wasserbefeuchtung der Luft bei möglichst geringen Wärmeverlusten während
des Beladungszeitraums. Die abgeführte Wärme wird in einem Tag-Nacht-
Speicher zur Fortführung der Wasserverdunstung und -kondensation in der Nacht
bevorratet.
Ermittlung der erreichbaren
Strömungsgeschwindigkeit
Erste Annäherung
Die Luftströmung wird durch den Auftrieb der erwärmten Luft und die
anschließende Abkühlung am Wärmetauscher erzeugt. Die Luft erfährt durch die
Erwärmung einen Auftrieb und wird so ohne zusätzliche Ventilationsleistung nach
oben transportiert. Bei der Abkühlung im Rückführschacht entsteht eine
Fallbeschleunigung. Die Masse des "Fallkörpers" ergibt sich dabei durch die
zunehmende Dichte der Luft. Für die Strömungsgeschwindigkeit sind somit ins-
besondere drei Größen ausschlaggebend:
1. Die Fallstrecke in Form der Kaminhöhe über der Grundfläche in
Abhängigkeit von der Erdanziehungskraft
2. Der Temperaturunterschied zwischen dem obersten und dem untersten
Anlagenbereich
3. Die im Luftkanal auftretenden Widerstände
Als erste Annäherung an die Strömungsgeschwindigkeit wurde zunächst eine,
nach Schrameck (1996) in der Praxis verwendete Formel für die überschlägige
Berechnung des Luftwechsels durch thermischen Auftrieb in einer Halle herange-
zogen, die den gegebenen Sachverhalt verdeutlicht. Bei h (Höhenunterschied) =
10,8 m, g (Erdanziehung) = 9,81 m/s2 , einer oberen Temperatur T2 von 50°, einer
unteren Temperatur T1 von 25° sowie einer Größe für den Lufteinlass, die der
Luftauslassgröße entspricht (A1/A2=1) ergibt sich nach
die Strömungsgeschwindigkeit w2 = 7,27 m/s an der oberen Auslassöffnung A2
(also dem oberen Kaminbereich). Einer so errechneten Luftströmung müssen
dann die Widerstände im Luftkanal entgegengerechnet werden, was zunächst
nicht weiter verfolgt wurde. Es ist aber ein deutlich unter diesem Wert liegendes
94
Ergebnis zu erwarten.
Eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit wurde durch empirische
Anschauung bestätigt: Ein Kühlschacht (Fa. Clina, Berlin) von ca. 3m Höhe und
0,2 m Tiefe, in dem über Wärmetauscher eine zur Außenluft erzeugte
Luftabkühlung von rund 15 K erreicht wurde, verursachte eine erhebliche
Windgeschwindigkeit im Bereich von rund 1 m/s, die bei Einführung von Rauch in
den Schacht gemessen werden konnte. In der folgenden, beispielhaften
Berechnung des Kühlbedarfs (mit höherem Temperaturunterschied und höherer
Fallstrecke) würde zur Erzeugung des benötigten Luftwechsels eine wesentlich
geringere Luftströmung ausreichen.
Simulation
Zur Verifizierung der ersten Annäherungen wurde eine relativ einfache Simulation
der Strömungsverhältnisse (mit großzügiger Unterstützung der Firma Fluent,
Deutschland) mit dem Programmpaket Fluent/Airpack durchgeführt. Hierbei
wurde zunächst auf die Miteinbeziehung von Wasserverdampfung verzichtet. Die
Energiemengen, die durch die Wasserverdampfung gebunden werden, wurden
allerdings bei der Eingabe der Werte für die Wärmequellen abgezogen. Die
Widerstände, die aufgrund des Wärmetauschers im Rückführschacht und der
Vegetation im Gewächshaus auftreten, sowie die Möglichkeit einer variablen
Beschattung des Gewächshauses wurden ebenfalls nicht berücksichtigt.
Neben den architektonischen Grundwerten, die über ein 3D-Computermodell
importiert wurden, konnte der Energiefluss im System wie folgt eingegeben wer-
den. Ausgegangen wurde von den Gewächshaustischoberseiten als
Vegetationsfläche, von zwei Absorberblechen unter dem Gewächshausdach und
im Solarkamin sowie von Tablettflächen unter den Gewächshaustischen, die jew-
eils aufgrund der Sonneneinstrahlung bzw. der Fermentationsabwärme Wärme
an die Luft abgeben. Die Wärmemengen bezogen sich auf die Variante
Wärmegewinnung und wurden für einen Zeitraum zwischen 11 und 13 Uhr
angenommen (vgl. Tabelle 4.4). Anstelle eines Wärmetauschers zur Abführung
der Energie wurde im Rückführschacht lediglich eine Randbedingung der
Energieentnahme definiert, die der Höhe des Energieinputs entspricht. Folgende
Werte wurden als Randbedingung für verschiedene Wärmequellen definiert:
Zwei Gewächshaustischoberseiten (Erwärmung durch Sonneneinstrahlung nach
Abzug des durch die Vegetation erzeugten Energieverbrauchs über
Wasserverdampfung)
Oberfläche 32,4 m2
Wärmeabstrahlung/h 18.809 kJ
Solarkollektoren unter dem Gewächshausdach und im Solarkamin (Erwärmung
durch Sonneneinstrahlung)
Oberfläche 40 m2
Wärmeabstrahlung/h 32.325 kJ
95
96
4.1/4.2_ Simulationsergebnisse, Schnitt Geschwindigkeitsvektoren und Schnitt Temperaturschichtung
Fermentationsanlage unter den Gewächshaustischen
(Organische Substrate werden auf drei übereinander gestapelten Tabletts unter
Wärmeabgabe durch Pilze abgebaut)
Oberfläche 97,2 m2
Wärmeabstrahlung/h 3.410 kJ
Ergebnis der Simulation
1. Strömungsgeschwindigkeit
Die Simulation bestätigte die Ergebnisse der rechnerischen Annäherungen. Es
wurden Strömungsgeschwindigkeiten erreicht, die weit über den später errech-
neten Mindestwerten für eine ausreichende Gewächshauskühlung liegen.
Die Darstellung der Ausgabe wurde über Geschwindigkeitsvektoren auf einer
Schnittebene im dreidimensionalen Raum dargestellt. Neben der
Strömungsrichtung kann über Farbverläufe die Geschwindigkeit abgelesen wer-
den. Im Gewächshaus wird die höchste Strömungsgeschwindigkeit mit rund 0,3
m/s in einem geraden Verlauf direkt über den Gewächshaustischen gemessen,
während im oberen Bereich des Raumes Verwirbelungen mit niedrigeren
Geschwindigkeiten zu erkennen sind. Bei der Berücksichtigung von Vegetation
würde sich dieses Bild mit Sicherheit nochmals zugunsten einer stärkeren
Durchmischung der Luftschichten und einer leichten Verlangsamung der
Strömung ändern.
Im Kamin werden durch den im Vergleich zum Gewächshaus kleineren
Querschnitt entsprechend höhere Werte von bis zu rund 1 m/s verzeichnet. Die
Luft strömt durch den Rückführschacht und anschließend unter den
Gewächshaustischen zurück ins Gewächshaus.
2. Temperaturverlauf
Die Temperaturen im Gewächshaus lassen auf eine für die Vegetationsflächen
günstige Verteilung schließen.
Die Darstellung der Ausgabe wurde über farblich gekennzeichnete
Temperaturfelder auf einer Schnittebene im dreidimensionalen Raum dargestellt.
Temperaturen um 27° C sind auf einer flachen Ebene über den Tischen zu ver-
zeichnen. Bis zu einer Höhe von etwa 1,7 m verteilt sich die Temperatur relativ
gleichmäßig und steigt hier bis auf rund 32°. Die Verteilung im Dachgiebel zeigt
eine große, gleichmäßige Schicht im Bereich von 38°. Lediglich im obersten
Bereich des Giebels steigen die Temperaturen auf rund 44°. In der obersten
Kaminebene sind Temperaturen von kapp 50° zu verzeichnen.
Um die Luft nun auf einen gewünschten Wert von 70° zu erhöhen müsste die
Strömungsgeschwindigkeit entsprechend gedrosselt werden (Dieser Vorgang
wurde nicht simuliert). Einerseits wird hierdurch eine Erhöhung der Temperaturen
97
auch im Gewächshaus verursacht. Auch die stärkere Verwirbelung der Luft durch
den Wiederstand der Vegetation wird zu einer Temperaturerhöhung im
Vegetationsbereich führen. Andererseits wurde die Möglichkeit einer flexiblen
Beschattung des Gewächshauses sowie der genaue Einfluss der
Verdunstungsaktivität der Pflanzen nicht berücksichtigt, was wiederum für eine
Abkühlung in diesem Bereich spricht.
Berechnung des Wasser- und Energieertrags
sowie des benötigten Speichervolumens
Die Berechnung erfolgte auf Microsoft Excel. Für die Einbettung von psy-
chrometrischen Formeln zur Bestimmung des Wassergehaltes der Luft, der
feuchtigkeitsabhängigen Luftdichte und der Enthalpie (Mollier Diagramm) wurde
das Excel Plug-in "Psychrometric Function" der Firma Linric verwendet. Es wurde
auf 7 Tabellen für den Zeitraum zwischen 8 und 16 Uhr der Verlauf für jeweils eine
Stunde berechnet. Der Mittagszeitraum von 11-13 Uhr wurde nur einmal für den
Zeitraum von 11-12 Uhr berechnet und für die Folgestunde entsprechend ver-
doppelt. Die Nachmittagsstunden entsprechen symmetrisch dem Sonnenstand
der Vormittagsstunden, jedoch bei höheren Außentemperaturen.
Für den Nachtbetrieb wurde in der Variante “Wassergewinnung” eine weitere
Tabelle “Wärmerückführung” erstellt, die auf den Gesamtenergieertrag der
Tagesstunden Bezug nimmt. Hierbei wurde von einem Speicher mit einem
Wirkungsgrad von 0,7 ausgegangen.
Die Rechenblätter beider Varianten für den Zeitraum von 11-12 Uhr wurden
exemplarisch in den Abbildungen 4.3 und 4.4 dargestellt. Im Textteil wird bei
angegebenen Werten auf das jeweilige Tabellenfeld (in Klammern und in
Kursivschrift) verwiesen.
Die Ergebnisse für Wasser- und Energieertrag, der anderen Tageszeiten sind auf
diesen Abbildungen in der Tabelle “Tagesverlauf 1” erfasst. Die Ergebnisse für
Maximaltemperatur, Luftwechsel, Beschattungsgrad und Wirkungsgrad sind, (z.T.
ergänzt durch Mittelwerte) in der Tabelle “Tagesverlauf 2” zusammengefasst. Die
Rechenblätter für diese Stunden sind im Anhang aufgeführt. (Wasseraufbereitung
A1-A7, Wärmegewinnung A8-A14). Abb. 5.3 enthält darüber hinaus die
Berechnung für die Wasseraufbereitung während des Nachtbetriebs.
Sonnenstandsabhängige, tatsächlich bestrahlte Fläche / qm:
Zunächst werden für den Zeitraum von einer Stunde (hier: 11-12 Uhr) die Werte
der senkrecht eintreffenden Strahlung (2880 kJ/(h*qm)) (“D2”) sowie ein
Stundenwinkel (90° entspricht dem Sonnenstand um 12 Uhr, für jede hiervon
abweichende Stunde wird 15° abgezogen) (“O2”) und ein Winkel für den
Sonnenstand (90° entspräche einem senkrechten Sonnenstand) der Sonne
(“K2”) eingetragen. Ferner wird ein (in dieser überschlägigen Rechnung nur
pauschal angegebener) Wert für den optischen Wirkungsgrad (“f2”) von 0,75 für
98
Doppelverglasung bei einem K-Wert von 2,8 (W/(qm*K)) (“B4, C4”) bei der
Variante Wärmegewinnung und 0,8 für Einfachverglasung bei einem K-Wert von
5 (W/(qm*K)) bei der Variante Wassergewinnung berücksichtigt. Über das
Produkt der Sinuswerte der Einstrahlwinkel und den Wert des optischen
Wirkungsgrades errechnet sich der reelle Energieeintrag in das Gewächshaus
und in die beiden Kaminsegmente.
Gesamte, tatsächliche Einstrahlfläche =
Gewächshaus, südorientiert, auf horizontaler Fläche:
sin (Sonnenstandswinkel) (“R3”)
+
Kamin, südorientiert, vertikal:
sin (Stundenwinkel) * sin (Sonnenstandswinkel-90°)
(“P2”)*(“L3”)=(“P3”)
+
Kamin auf Dachschräge
sin (Stundenwinkel) * sin (Sonnenstandswinkel -90°+Winkel der Dachneigung)
(“q2”)(“n3”)=(“q3”)
Luftvolumina und Flächen der Sonneneinstrahlung und der
Wärmeabstrahlung
Zunächst werden die Außenmaße für das Gewächshaus und den Kamin fest -
gelegt. Ferner kann ein Neigungswinkel für den Kamin angegeben werden, der
den vertikalen Einfallswinkel entsprechend verändert. Bei dem vorhandenen,
senkrecht gestellten Kamin ist dieser Winkel gleich 0, bei der Dachfläche beträgt
dieser 70°(Entspricht 30° Dachneigung).
Aus diesen Werten ergeben sich insgesamt die Luftvolumina, die Einstrahlflächen
sowie die Außenflächen, die zur Berechnung der thermischen Verluste benötigt
werden.
Fermentationsanlage (Unter den Gewächshaustischen)
Volumen= Höhe *Breite* Tiefe = h*b*t (d9=a9*b9*c9)
Da die Fermentationsanlage unter den Gewächshaustischen angeordnet ist gilt:
Oberfläche Fermentationsanlage b*t (d11)= Pflanzfläche
Gewächshaus
Volumen = (((h+Fh)/2)*b*t) - (Volumen Fermentationsanlage)
Einstrahlfläche = Grundfläche (b*t) + bestrahlte Wandfläche (h*b)
(h=a16, b=b16, t=c16, Fh (Firsthöhe)=a18, Volumen=d16, Grundfläche=d18,
Einstrahlfläche=e18)
99
Korrektur Beschattungsgrad
Durch die extrem hohe Bestrahlung des Gewächshauses und der geringeren
Bestrahlung des Kamins in der Mittagszeit wird, um eine Überhitzung des
Gewächshauses zu verhindern, das Gewächshaus teilweise beschattet.
Hierdurch kann Energie direkt unterhalb der Glasdecke umgewandelt und - ohne
die Pflanzen thermisch zu belasten - über einen getrennten Luftkanal in den
Kamin weitergeführt werden. In der Berechnung wird der Prozentanteil der
Verschattung angegeben (F18) . Dieser Anteil entspricht dem Anteil der
Einstrahlfläche des Gewächshausdaches, der nicht der
Gewächshauserwärmung, sondern der Kaminerwärmung zugerechnet wird.
Hieraus ergibt sich ein für die Gewächshauserwärmung zu veranschlagender
Wert (F 20) aus:
(Netto Einstrahlfläche) = (Einstrahlfläche) - (Dachfläche * ((100 -
Verschattungsgrad) / 100)
Hierbei gilt: Dachfläche = (b*(WURZEL((t2) + (Fh2)))
Außenfläche : Der beschattete Teil der Gewächshausdachfläche wird zur
Berechnung der Wärmeverluste analog zur berechneten Einstrahlfläche dem
Kamin zugeschrieben. Deshalb gilt:
(2*Seitenfläche) + (Vorderfläche) + (2 Dachfirstseiten) +
(Dachfläche*((100-Beschattungsgrad)/100))
= (2*h*t) + (h*b) + (Fh*t) + (Netto Einstrahlfläche Gewächshaus)
(Ergebnis Außenfläche Gewächshaus =e16)
Solarkamin
Die Einstrahlfläche des Kamins setzt sich zusammen aus der Fassadenfläche,
der Dachfläche und dem verschatteten Anteil des Gewächshausdaches. Die
Flächen werden mit den trigonometrischen Werten der unterschiedlichen
Einstrahlwinkel der Sonne (s.o.) verrechnet.
Einstrahlfläche = (Einstrahlfläche Kamin, senkrecht) + (Einstrahlfläche Kamin, 30°
Dachneigung) + ( Einstrahlfläche, verschattetes Gewächshausdach) =
(f 27= (a24*b24*p3) + (a26*b24*q3)+(e18-f20)
Außenfläche: Der beschattete Teil der Gewächshausdachfläche wird wegen der
sich dort einstellenden höheren Temperaturen der Außenfläche des Kamins
zugeschrieben.
= (Fassadenoberfläche) + (Dachoberfläche) +
(Einstrahlfläche, verschattetes Gewächshausdach)
e24 = (a24-a18) + (a26*b24) +
((WURZEL((C16*C16)+(A18*A18)))*B16*(F18/100))
100
Energieinput
Fermentationsanlage
Aus einer Literaturangabe (Soyez, 1997) wird der CO2Bedarf der
Gewächshauspflanzen hergeleitet. Eine angenommene Zuführung von 10 g CO 2
pro Stunde und m2Vegetationsfläche erzeugt dabei im Gewächshaus einen
etwas über dem atmosphärischen CO2-gehalt liegenden Wert. Dieser liegt jedoch
weit unterhalb des Grenzwertes für CO2als maximale Arbeitsplatzkonstante, so
dass prinzipiell auch (zugunsten einer höheren Energiezuführung) höhere
Fermentationskapazitäten erschlossen werden könnten.
Da die Veratmung von Biomasse zu einer (proportional zur CO2-erzeugung ver-
laufenden) Energieabgabe führt, wird für die Freisetzung von 10 g CO2 ein
Energieäquivalent von 230 kJ angenommen (Soyez, 1997). Im Vergleich zur
solaren Einstrahlung ist dieser Wert relativ gering. Da die
Fermentationsaktivitäten aber über 24 Stunden gleichförmig ablaufen, wird insge-
samt dennoch ein erheblicher Energiezugewinn erreicht.
Hieraus ergibt sich ein Energieinput als Produkt aus Prozessabwärme und
Pflanzfläche
Energieinput= 0,23 (MJ/h*qm) * b * t
Die Wärmeverluste der Fermentationsanlage wurden vernachlässigt, da keine
Außenflächen anliegen und die Wärmeverluste in den Boden durch
Wärmerückströmung in der Nacht zudem teilweise ausgeglichen werden. Für den
Rückführschacht wird eine optimierte Isolation angenommen, so dass die
Wärmeverluste hier ebenfalls zu vernachlässigen sind. Insgesamt wurden also
nur die transparenten Außenflächen berücksichtigt.
Gewächshaus und Kamin
Das Produkt aus der Einstrahlfläche, dem sonnenstandsabhängigen
Einstrahlwert/qm und dem optischen Wirkungsgrad bildet die tatsächlichen
Einstrahlwerte pro Stunde.
Energieinput = (Einstrahlfläche) * (sonnenstandsabhängiger Anteil der tatsächlich
bestrahlten Fläche) * (Optischer Wirkungsgrad)
Erwärmung und Feuchtigkeitsanreicherung der Luft
Für die Berechnung der tatsächlichen Lufterwärmung werden die thermischen
Verluste abgezogen. Diese Berechnen sich aus den Außenflächen der
Anlagenteile, aus dem Temperaturunterschied zwischen der Außentemperatur
und der mittleren Innentemperatur sowie aus den K-Werten der Wandflächen. Für
den Wärmedurchgang bei Gewächshaus und Kamin wurde bei
Einfachverglasung ein K-Wert von 5 (B4, C4) angenommen. Bei der Variante
101
Wärmegewinnung wurde wegen der wesentlich höheren Temperaturen an der
Gewächshausdachfläche und insbesondere im Kamin und den daraus resul-
tierenden, höheren Wärmeverlusten eine Doppelverglasung mit einem K-Wert
von 2,8 (B4, C4) vorrausgesetzt. Da der K-Wert in Watt angegeben ist, wird der
Gesamtverlust (Gewächshaus : E4, Kamin G4) für eine Stunde (wg. J=W*s) in kJ
nochmals mit (3600s/1000) multipliziert:
Wärmeverlust/h=
(((Temperaturmaximum + Temperaturminimum)/2) - (Außentemperatur)) *
(Außenfläche) * (K-Wert) * (3600/1000)
Durch die Differenz von Energieinput und Wärmeverlust ergibt sich der
Energieanteil pro Stunde, der für die Lufterwärmung tatsächlich angewandt wird
(Gewächshaus H18, Kamin H26).
(Energieinput) - (Wärmeverluste) = verwertbare Energie
Ausgehend von der tiefsten Temperatur im Luftkanal hinter dem Wärmetauscher
bei einer Luftfeuchtigkeit von 100% ergeben sich als Ausgangswerte für die
Lufterwärmung und -befeuchtung über das Mollier Diagramm (Plug-in
“Psychrometric Function”) der Wassergehalt pro kg Luft, der Energiegehalt
(Enthalpie) pro kg Luft und die Luftdichte in kg/cbm.
Ausgangswerte
Wassergehalt (F6) (temp, %rel. Feuchte, Athm. Druck)
bei 25°C und 100% Luftfeuchte= = 20,2 g / (kg Luft)
Enthalpie (H6) (temp, g Wasser/kg Luft, Athm. Druck)
bei “25°C und 20,2g Wasser = 76,4 kJ (kg Luft)
Luftdichte (i10) (Lufttemperatur, Wassergehalt, Athm. Druck)
bei 25° C und 20,2 g Wassergehalt / cbm Luft = 1,146 kg/cbm Luft
Über eine Klappe kann die sich einstellende Strömungsgeschwindigkeit im
Luftkanal gedrosselt und somit reguliert werden. Der Luftwechsel im
Gewächshaus (i18) wird dabei so weit verringert, dass sich bei dem gegebenen
Energieinput/kg Luft (L10) und bei einem angenommenen Wert von 80%
Luftfeuchte (D21) eine pflanzenverträgliche Temperatur in der Vegetationszone
von <35°C und - interpoliert aus dem Temperaturspektrum der Simulation eine
Temperatur unter 45° bei der ausströmenden Luft an der Gewächshausdecke
einstellt.
Aus den so angenommenenen Temperatur- und Feuchtewerten ergibt sich über
das Mollier-Diagramm (Plug-in “Psychrometric Function”) ein neuer
Enthalpiewert, der bei gegebenem Energieinput und variablem Luftwechsel erre-
icht werden muss.
Die Einstellung des Luftwechsels im Gewächshaus führt zu proportional zueinan-
der verlaufenden Luftwechselzahlen in den anderen Anlageteilen, die auf die
unterschiedlichen Volumina zurückzuführen sind. Diese Luftwechselzahlen be-
einflussen die Erwärmung der Luft in der Fermentationsanlage und im
102
Solarkamin.
Für das gewählte Beispiel gilt:
Volumen der Anlagenteile (cbm) Luftwechsel
Fermentationsanlage: 20 10,2
Gewächshaus :204 1,0
Kamin 22 9,3
Das Luftvolumen in den Anlageteilen wird entsprechend der aktuellen temperatur-
und feuchtigkeitsabhängigen Luftdichte zu einer Gesamtluftmasse multipliziert,
die gemäß des Energieinputs erwärmt und befeuchtet wird:
(Luftvolumen) * (Luftdichte) = (Luftmasse)
Die Erwärmung und Feuchtigkeitsanreicherung der Luft in der Anlage ist bei
gegebenem Energieeintrag und bei fest angenommenen Werten für die relative
Luftfeuchtigkeit abhängig vom Luftvolumen und von der Anzahl der Luftwechsel in
den einzelnen Anlageteilen. Der gesamte Energieinput wird durch die Anzahl der
Luftwechsel dividiert. Hieraus ergibt sich der jeweilige Energieinput auf ein
Luftvolumen. Dieser Wert wird anschließend dividiert durch die Masse dieses
Luftvolumens. Hieraus ergibt sich der Energieinput pro kg Luft/h.
(Gesamtenergieinput/h) / (Anzahl der Luftwechsel/h) / (Luftmasse eines
Luftvolumens) = Energieinput / kg Luft*h
Dieser Energieinput wird zu dem Energiegehalt der aus dem vorhergehenden
Anlagenteil einströmenden Luft addiert. Auf diese Weise erhält man einen neuen
Energiegehalt für die aus dem jeweiligen Anlagenteil ausströmenden Luft.
(Energiegehalt der einströmender Luft (kJ/kg)) + (Energiezufuhr (kJ/kg)) =
(Energiegehalt der ausströmenden Luft (kJ/kg))
Für die Ausströmende Luft kann, ausgehend vom errechneten Energiegehalt der
Luft, über das Mollier-Diagramm (Plug-in “psychrometric function”) entweder ein
Temperaturwert in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Luft bzw. umgekehrt ein
Wert für den Wassergehalt der Luft in Abhängigkeit von einem angenommenen
Temperaturwert ermittelt werden.
Die Lufttemperatur errechnet sich aus (Energiegehalt, Wassergehalt, Atm. Druck)
Der Wassergehalt der Luft errechnet sich aus (Energiegehalt, Temperatur, Atm.
Druck)
Die Erwärmung und Feuchtigkeitsanreicherung der Luft wird auf diese Weise
kaskadenartig für die drei hintereinanderfolgenden Anlagenteile berechnet:
103
104
4.3_ Variante “Wasseraufbereitung”: Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags sowie der Speichergröße.
Tabelle Oben. Berechnung für den Zeitraum von einer Stude (Hier: 11-12 Uhr); Tabelle “Tagesverlauf A”: Berechnung des Tagesertrags
Tabelle “Wärmerückführung in der Nacht”:
Berechnung des Wasserertrags in der Nacht bei Speicherentladung (Gewächshausbeheizung);
Tabelle Tagesverlauf B: Bestimmung des Tagesdurchschnitts der Maximaltemperaturen und des Thermischen Wirkungsgrades. (
Tabellen für
den gesamten Zeitraum von 8-16 Uhr ist im Anhang, A1-A7 aufgeführt)
105
4.3_ Variante “Wärmeerzeugung”: Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags sowie der Speichergröße
Tabelle Oben. Berechnung für den Zeitraum von einer Stude (Hier: 11-12 Uhr); Tabelle “Tagesverlauf A”:
Berechnung des Tagesertrags;
Tabelle “Tagesverlauf B”: Bestimmung des Tagesdurchschnitts der Maximaltemperaturen und des Thermischen Wirkungsgrades.
(Tabellen für die einzelnen Stunden im Zeitraum von 8-16 Uhr sind im Anhang, A8 - A14 aufgeführt)
1. Fermentationsanlage
Ausgehend von der Vorgabe des Luftwechsels im Gewächshaus (i18) ist der
Luftwechsel auch in diesem Anlagenteil vorgegeben (i12).
Die relative Luftfeuchtigkeit fällt wegen der Verdunstungsaktivitäten der feuchten
Substrate nur geringfügig ab. Hier wird ein Wert von 90% relativer Feuchte (D13)
angenommen. Dieser Wert wird zur Berechnung der Enthalpie in Abhängigkeit
von der Temperatur (B13) in den Wassergehalt der Luft (F13) (g Wasser / kg Luft)
umgerechnet. Dieser Wert dient später auch als Grundlage bei der Berechnung
des Wasserertrags.
Über das Mollier-Diagramm (Plug-in “Psychrometric Function”) wird ausgehend
vom errechneten Wert des Energiegehaltes der ausströmenden Luft und der
angenommenen Luftfeuchtigkeit ein Temperaturwert für die ausströmende Luft
ermittelt.
Dabei gilt:
Enthalpie bei Luftaustritt/kg Luft (H13) mit Temperatur (B13) als Variable
und dem Wassergehalt der Luft (F13)
= (Enthalpie bei Lufteintritt/kg Luft (H6)) + (Eingestrahlte Energie/kg Luft
(L9) in Abhängigkeit vom vorgegebenen Luftwechsel (i12) und dem
vorgegebenen Luftvolumen (D9))
2. Gewächshaus
Durch die Wahl eines steilen Pultdachs können bereits im Dachbereich des
Gewächshauses durch Wärmezonierung Temperaturen deutlich über 35° toleriert
werden. Für diese Zone wurde ein Temperaturmaximalwert von 45°C (B21) und
ein Luftfeuchtewert von 80 % (D21) angenommen. Als Variable dient hier der Wert
für den Luftwechsel (i18). Er wird so weit gedrosselt, dass der errechnete
Enthalpiewert der ausströmenden Luft dem Enthalpiewert von Luft bei den
vorgegebenen Temperatur- und Feuchtewerten entspricht.
Die relative Luftfeuchtigkeit bei dieser Temperatur wird zur Berechnung der
Enthalpie in den Wassergehalt der Luft (g Wasser / kg Luft) umgerechnet. Dieser
Wert dient auch als Grundlage bei der späteren Berechnung des Wasserertrags.
Hierbei gilt:
Enthalpie bei Luftaustritt/kg Luft (H21) (mit Temperatur (B21) und dem
Wassergehalt der Luft (F21))
= (Enthalpie bei Lufteintritt/kg Luft (H13)) + (Eingestrahlte Energie/kg Luft
(L16) in Abhängigkeit vom Luftwechsel (i12) als Variable und dem
vorgegebenen Luftvolumen (D16))
106
3. Kamin
Ausgehend von der Vorgabe des Luftwechsels im Gewächshaus ist der
Luftwechsel auch in diesem Anlagenteil vorgegeben. Ein Ziel der Berechnung ist
die Ermittlung der möglichen Kamintemperatur, die das Temperaturmaximum in
der gesamten Anlage und somit die Vorlauftemperatur für eine mögliche
Wärmespeicherung darstellt.
Es wird dabei von einer kontinuierlichen Befeuchtung der Luft unmittelbar im
Kamin ausgegangen. Der angenommene Wert für die Luftfeuchte liegt deshalb
bei 95 %. Hierdurch ist eine sehr langsame Lufterwärmung zu beobachten, da ein
Teil der eingestrahlten Energie zunächst bei der Erhöhung des Feuchtegehaltes
aus dem Gewächshaus von 80 % auf 95 % im Kamin verbraucht wird und zudem
bei steigender Temperatur ein exponentieller Anstieg des reellen Wassergehalts
bei Wassersättigung einher geht. Es kann also ein steigender Anteil der einges-
trahlten Energie in der Wasserverdampfung umgesetzt werden. Der Energieanteil
zur Lufterwärmung und die damit verbundenen thermischen Verluste an der
Außenfläche sinken entsprechend ab. Dieser Vorgang führt zu einer
Verbesserung des Wirkungsgrades im Vergleich zur trockenen Lufterwärmung.
Über das Mollier-Diagramm (Plug-in “Psychrometric Function”) wird ausgehend
vom errechneten Wert des Energiegehaltes der ausströmenden Luft und der
angenommenen Luftfeuchtigkeit ein Temperaturwert für die ausströmende Luft
errechnet.
Die relative Luftfeuchtigkeit bei dieser Temperatur (D30) wird zur Berechnung der
Enthalpie in den Wassergehalt der Luft (g Wasser / kg Luft) (F30) umgerechnet.
Dieser Wert dient später auch als Grundlage bei der Berechnung des
Wasserertrags. Dabei gilt:
Enthalpie bei Luftaustritt/kg Luft (H30) mit Temperatur (B30) als Variable
und dem Wassergehalt der Luft (F30)
= (Enthalpie bei Lufteintritt/kg Luft (H21)) + (Eingestrahlte Energie/kg Luft
(L24) in Abhängigkeit vom Luftwechsel (i26) und dem vorgegebenen
Luftvolumen (D24))
Der ermittelte Temperaturwert stellt die Vorlauftemperatur für den anschließenden
Prozess der Wärmeabführung und -speicherung dar.
Berechnung des Wasserertrags
Der Wassergehalt der Luft (in g/kg Luft) der in das jeweilige Anlagenteil
(Fermentationsanlage, Gewächshaus, Kamin) einströmenden Luft wird von dem
Wert des Wassergehaltes der ausströmenden Luft abgezogen. Hieraus ergibt
sich die reelle Zunahme des Wassergehaltes pro Kilogramm Luft.
Zunahme Wassergehalt (g Wasser/kg Luft) =
Wassergehalt (ausströmende Luft) - (Wassergehalt einströmende Luft)
107
Dieser Differenzbetrag wird mit dem Volumen des jeweiligen Anlageteils und der
Luftwechselzahl multipliziert. Hieraus ergibt sich ein Wert für die erfolgte
Wasserverdampfung pro Stunde.
Wasserverdampfung/h = (Zunahme Wassergehalt (g/kg)) *
(Luftmasse in Anlagenvolumen (kg)) * (Luftwechsel)
Da das Luftvolumen am Wärmetauscher wieder auf den Ausgangswert von 25°C
und 100% Luftfeuchte zurückgesetzt wird, kann die Summe des insgesamt ver -
dampften Wassers auch als Wert für den Wasserertrag festgesetzt werden.
Hierbei wird zunächst angenommen, dass kein Wasserdampf aus dem Luftkanal
über durchlässige Stellen oder durch Öffnung des Systems nach Außen freige-
setzt wird.
Wasserverdampfung/h = Wasserertrag/h
Die hierbei errechneten Werte für die Fermentationsanlage (N12) und das
Gewächshaus (N18) werden addiert. Da in der Fermentationsanlage und im
Gewächshaus kein Salzwasser verwendet werden kann, wird das in diesen bei-
den Bereichen verdampfende Wasser als aufbereitetes Grauwasser angegeben.
Wasserverdampfung (Fermentationsanlage)
+ Wasserverdampfung (Gewächshaus) = Ertrag Grauwasserrückgewinnung
Für das im Kamin verdampfende Wasser (N30) wird Salzwasser als Quelle
angenommen, um die Möglichkeit der Meerwasserentsalzung hervorzuheben.
Wasserverdampfung (Kamin) = Ertrag Wasserentsalzung
Es kann hierfür aber ebenfalls Grauwasser verwendet werden, welches durch das
optimale Luftangebot auf den Berieselungsoberflächen und über die UV-
Bestrahlung weiteren Reinigungseffekten ausgesetzt werden kann.
Berechnung des Energieertrags pro Stunde
Der gesamte Energieertrag errechnet sich aus der Summe der Einzelerträge aus
Fermentationsanlage, Gewächshaus und Kamin.
(O34 = (H12 + H18 + H26))
Der Anteil, der dabei über die Energierückhaltung der Wasserverdampfung und -
kondensation überführt wurde errechnet sich aus der Gesamtmenge der
Wasserverdampfung, die mit der Konstante der spezifischen
Verdampfungswärme von Wasser (2,3 MJ/Liter) multipliziert wird.
O32 = ((O35+O36)*2.3 )
Der Energieanteil der über die Temperaturabsenkung der Luft überführt wurde
108
errechnet sich aus der Differenz zwischen der Gesamtenergiemenge und der
berechneten Verdampfungswärme
(O33 = O34 - O32)
Berechnung des benötigten Speichervolumens pro Stunde
Das für die Wärmespeicherung der abgeführten Energiemenge benötigte
Wasservolumen errechnet sich aus der Multiplikation der Gesamtenergiemenge,
dem erzielten Anstieg der Speichertemperatur und der Wärmekapazität von
Wasser (4,19 kJ/kg*K). Für die Speichertemperatur wurde ein Wert von 5K als
Übertragungsverlust von der Maximaltemperatur im Kamin abgezogen)
(i36 = O34 * (B30-B6-5) * 4,19 )
Berechnung des Wirkungsgrades
Die eingestrahlte Energie/qm (D2) wird mit dem optischen Wirkungsgrad (F2)
und dem Anteil der tatsächlichen (equivalent zu einer senkrechten Einstrahlung)
Einstrahlfläche (E18+E26) multipliziert. Zusammen mit dem Energieinput aus der
Fermentation (H12) wird der gesamte Energieinput in das System berechnet. Der
gesamte Energieertrag/h (O34) wird durch diesen Wert des Energieinputs/h divi-
diert und bildet den Wirkungsgrad (Q36) für den berechneten Zeitraum.
(Q36) = O34 / ((D2) * (F2) * (E18+E26))+ H12))
Berechnung der Tageserträge und des Gesamtspeichervolumens
Für den Zeitraum zwischen 8 und 16 Uhr werden jeweils Berechnungstabellen für
den Zeitraum von einer Stunde angefertigt. In der Tabelle “Tagesverlauf 1” (A31-
J41) werden die Ergebnisse für den Wasserertrag aus Grauwasser (C41) und
Salzwasserquellen (E41), für den gesamten Energieertrag (G41) und für die
gesamte Speichergröße (i41) subsummiert
In einer Tabelle “Tagesverlauf 2” wird die durchschnittliche Maximaltemperatur
des berücksichtigten Tagesablaufs und der durchschnittliche Wirkungsgrad der
Anlage für diesen Tag berechnet.
Wasserrückgewinnung in der Nacht
Berechnung des Luftwechsels bei gegebener Temperatur und
Energiemenge
Für die Speicherentladung werden 16 Stunden im Zeitraum von 16 - 8 Uhr ver-
anschlagt. In dieser Zeit wird der Speicher über den Wärmetauscher entladen. Die
Luft in der Anlage wird erwärmt, anschließend befeuchtet und kühlt über die
Außenwände des Kamins und des Gewächshauses wieder ab.
109
Die Energiemenge im Speicher wird zunächst gleichmäßig auf diese 16 Stunden
verteilt. Ein angenommener Speicherwirkungsgrad von 0,7 berücksichtigt
Wärmeverluste aus dem Speicher und aus dem Leitungssystem.
Neben der gespeicherten Energie steht weiterhin Fermentationsabwärme (H12)
zur Verfügung. Die gesamte, verfügbare Energiemenge wird durch die Anzahl der
Luftwechsel und die Luftmasse im Gesamtvolumen der Anlage geteilt um
wiederum auf den Energiegehalt pro kg Luft zu kommen. Die pro Luftwechsel zur
Verfügung stehende Energiemenge errechnet sich nach diesen Angaben wie
folgt:
Verfügbare Energiemenge / h im Nachtbetrieb
Energie/h = ((Gespeicherte Energie / 16) * 0,7 + (Fermentationsabwärme))
Für den Energiemenge pro Luftwechsel (H45) in der Tabelle gilt demnach:
j46 = ((G41*1000*0.7/16)+(H12))/H45
Für den Energiegehalt pro kg Luft (L44) wird die Energiemenge pro Luftwechsel
durch die Luftmasse des Gesamtluftvolumens (J44) geteilt:
L44 =J46/J44
Durch den Wärmetauscher erreichbare Temperaturen bei der Lufterwärmung
ergeben sich aus der mittleren, maximale Lufttemperatur des Tagesverlaufs
(B46), abzüglich einer pauschal angenommenen Abkühlung durch die
Wärmespeicherung von 10K. Wegen der kontinuierlichen Abkühlung des
Speichers über Nacht wird dieser Wert mit der Minimaltemperatur (die pauschal
5° über der angenommenen Nacht-Außentemperatur (A44) veranschlagt wird)
gemittelt. Wegen der anschließenden Luftbefeuchtung wird der Temperaturwert
(bei reeller Luftfeuchte G43) in den Sättigungstemperaturwert (B47) umgerech-
net.
(Mittlere, maximale Lufttemperatur bei Nacht) = (Mittlere Maximale
Lufttemperatur am Tag) - 15 + (Mittlere Außentemperatur bei Nacht) + 5) / 2
(B46 = (C56 - 10 + A44 + 5) / 2)
Über das Mollier-Diagramm (Plug-in “Psychrometric Function”) wird ausgehend
von diesem Wert und vom Feuchtegehalt (G43) die Sättigungstemperatur (B47)
der aus dem Kamin ausströmende Luft ermittelt.
(Mittlere Lufttemperatur nach Passage des Luftbefeuchters) =
(Sättigungstemperatur der mittleren, maximalen Lufttemperatur)
Für den Wassergehalt der einströmenden Luft (G43) wird ein um 5K über der
Außentemperatur liegender Wert bei 90% Luftfeuchte zu Grunde gelegt, da davon
ausgegangen wird, dass sich die Luft beim Durchströmen des Kamins und des
Gewächshauses an den Außenflächen in der Nacht durchschnittlich bis auf
diesen Wert abkühlt.
110
Wassergehalt (15°, 90% Luftfeuchte) = 9,61 g Wasser/kg Luft
(= konstanter Wassergehalt während der Lufterwärmung)
Enthalpie (Außentemperatur 15, 9,61 g Wasser/kg Luft) = 39,29 kJ/kg Luft
(= Enthalpiewert vor der Lufterwärmung)
Als Variable dient der Wert für den Luftwechsel. Er wird so weit gedrosselt, dass
der errechnete Enthalpiewert der ausströmenden Luft dem Enthalpiewert von Luft
bei mittlerer maximaler Lufttemperatur und gleich bleibendem Feuchtewert
entspricht.
Hierbei gilt:
Enthalpie bei Luftaustritt/kg Luft (i47) (mit Temperatur (B46)) und dem
Wassergehalt der Luft (G43))
= (Enthalpie bei Lufteintritt/kg Luft (H43)) + (zugeführte Energie/kg Luft
(L44) in Abhängigkeit vom Luftwechsel (h45) als Variable und dem
vorgegebenen Luftvolumen (D44))
Die relative Luftfeuchtigkeit bei dieser Temperatur wird in den Wassergehalt der
Luft (g Wasser / kg Luft) umgerechnet. Dieser Wert dient als Grundlage bei der
Berechnung des Wasserertrags.
Berechnung des Wasserertrags
Die erwärmte Luft wird im oberen Bereich des Kamins bis zur Sättigungsgrenze
befeuchtet. Bei gleichbleibender Enthalpie und einem Feuchtewert von 100 %
kann über das Mollier-Diagramm (Plug-in “psychrometric function”) die
Sättigungstemperatur und der Wassergehalt der Luft in g Wasser/kg Luft ermittelt
werden.
Sättigungstemperatur (B47) von
((Mittlere, maximale Lufttemperatur bei Nacht), 9,61 g Wasser/kg Luft)
Vom Wert der Luftfeuchte (F47) bei dieser Sättigungstemperatur wird der Wert der
Luftfeuchte der einströmenden Luft (G43) abgezogen. Hieraus errechnet sich die
Zunahme des Wassergehaltes in g Wasser/kg Luft
Zunahme Wassergehalt (g Wasser/kg Luft) =
Wassergehalt(Sättigungstemperatur)(g Wasser/kg Luft))
- 9,61 (g Wasser/kg Luft)
(k47)=(F47)-(G43)
Der Differenzbetrag multipliziert mit der Luftmasse in Gewächshaus und Kamin
sowie multipliziert mit dem Luftwechsel ergibt die gesamte Wasserverdampfung
pro Stunde
Wasserverdampfung/h = Zunahme Wassergehalt (g Wasser/kg Luft)
* (Luftmasse Kamin + Luftmasse Gewächshaus) * Luftwechsel
(N47) = (K47)*(J44)*(H45)
111
Da die Klimawerte im Luftkreislauf durch die Abkühlung an den Außenwänden bei
jedem Luftwechsel wieder auf die Ausgangswerte zurückgesetzt werden,
entspricht die Menge des verdampften Wassers (ohne Berücksichtigung von
Verlusten durch undichte Stellen oder durch Außenlüftung zur Zurücksetzung der
CO2 / O2Werte in der Luft) ) der Menge des an den Kühlflächen auskonden-
sierenden Wassers.
Wasserverdampfung / h = Wasserertrag / h
Da bei den Nachtstunden mit Durchschnittswerten gerechnet wurde, errechnet
sich die gesamte Wassermenge der Nacht über die Multiplikation:
Wasserertrag/Nacht = Wasserertrag /h * 16
Da die Wasserverdampfung ausschließlich im Befeuchtungsmodul des Kamins
erfolgt, kann der errechnete Wasserertrag dem Ertrag auf Basis von Salzwasser
hinzugerechnet werden.
Ergebnisse
1. Variante "Wasseraufbereitung"
Die erzielbaren Temperaturen für die Wärmespeicherung liegen zwischen 34,5°
und 63,5 °C bei einer mittleren Temperatur von 54,8° C.
Gewächshausklimatisierung: Der Luftwechsel im Gewächshaus schwankt
zwischen 1,5 und 4,6. Die Regulierung der zunehmenden Einstrahlung wird
durch die Vergrößerung der Verschattung des Gewächshauses von 30 %
zwischen 10 und 11Uhr, von 50% zwischen 11 und 13 Uhr, von 40% zwischen 13
und 14 Uhr sowie von 35% von 14-15 Uhr vorgenommen. Durch diese
Einstellungen kann eine Überhitzung des Gewächshauses bei der gleichzeitigen
Einhaltung eines relativ niedrigen Luftwechsels verhindert werden. Bei höheren
Luftwechseln würde die Maximaltemperatur und somit die ohnehin bereits relativ
geringe Temperaturamplitude im Speicher rapide absinken. Ohne Beschattung
müsste in der Mittagszeit ein Luftwechsel von über 12 zur Kühlung des
Gewächshauses eingestellt werden. Da im Gewächshaus eine relative
Luftfeuchte von 80% angenommen wird, würde die in den Kamin einstrahlende
Energie noch nicht einmal zur Wassersättigung bei gleichbleibender Temperatur
ausreichen. Die Temperatur könnte durch die Befeuchtung im Kamin dann
absinken, was sich negativ auf die Erzeugung des Luftstroms auswirken würde.
Anstelle der Beschattung könnte aber auch eine größere Dimensionierung des
Kamins und insbesondere eine Verkleinerung des Kamin-Neigungswinkels zur
besseren Ausnutzung der mittaglichen Einstrahlung zu einer Lösung führen.
Energieertrag und Speicherdimensionierung: Bei einer nächtlichen Abkühlung
des Speichers auf einen Mittelwert von 20°C entstehen bei einem mittleren
112
Temperturmaximum von 54° abzüglich 5° Verlust bei der Wärmeübertragung
Amplitudengänge der Speichertemperatur von rund 29 K. Für die Anlage wird
hieraus resultierend bei der vom Wärmetauscher insgesamt erfassten
Energiemenge von 1492 MJ (O54) entsprechend der Wärmekapazität von
Wasser (4,19 kJ/(kg*K)) ein Speichervolumen von rund 9,98 m3(i41) benötigt.
(Ein würfelförmiger Behälter mit diesem Inhalt hat eine Seitenlänge von 2,1 m).
Dabei wird ein Anteil von 1215 MJ (81%) der Gesamtenergie über den
Kondensationsvorgang in den Wärmetauscher transferiert. Dieser Anteil der über-
führten Energie verursacht, im Gegensatz zu konventionellen Solarkollektoren
ohne Wasserverdampfung und -kondensation, keine Wärmeverluste. Der
Wirkungsgrad liegt bei Einfachverglasung mit k-Wert 5 (gewählt aus
Wirtschaftlichkeitsüberlegungen und zur optimierten Wärmeabführung über die
Außenflächen bei Nacht) bei 0,7 (F56).
Wasserertrag: Während des Tages wird eine Menge von 135 l Grauwasser (C41)
und 359 l Salzwasser (E41) aufbereitet. Durch die Wärmerückführung in der
Nacht kommen nochmals 74 l Salzwasser (N47) hinzu. Hierdurch errechnet sich
ein gesamter Wasserertrag von 568 Litern (O52). Dies entspricht einem Ertrag pro
m2von 3,4 Litern (bezogen auf eine Fläche entlang der Diagonalen zwischen
Dachoberseite und äußerster Gewächshausunterseite).
Möglichkeit der Erzielung höherer Temperaturen
Da sich wassergesättigte Luft in diesem Temperaturbereich wegen des exponen-
tiellen Anstiegs der Wasseraufnahme nur noch sehr langsam erhitzen lässt, muss
die Kaminfläche zur Erreichung von deutlich höheren Temperaturen im Vergleich
zur Gewächshausfläche ebenfalls exponentiell vergrößert werden.
Bei der Berechnung um 13 Uhr steigt bei Verdopplung der Kaminfläche der
berechnete Temperaturwert lediglich von 60,6° auf 67,2°. Bei nochmaliger
Verdopplung der Kaminfläche wird eine Temperatur von 74,7° erreicht. Die
Gewächshausfläche nimmt bei diesem Wert nur noch rund 15% der gesamten
Einstrahlflächen (im Vergleich zum Ausgangsanteil von 41%) ein.
Da der Anteil der durch die Luftbefeuchtung zwischengespeicherten (und somit
nicht zu thermischen Verlusten führenden) Energie stark ansteigt, sinkt der
Gesamtwirkungsgrad der Anlage bei der Kaminvergrößerung trotz der steigenden
Temperaturdifferenzen und des hohen K-Werts von 5 von 0,8 auf lediglich auf
0,75% bei 67,2° und auf 0,7 bei 74,7°.
Interessant für ein ausgeglicheneres Verhältnis zwischen Gewächshaus und
Kamin ist die Möglichkeit, bereits im Gewächshaus durch entsprechende
Bauhöhen deutlich höhere Temperaturen zu realisieren. Bei einer möglichen
Temperatur von 55° unter der obersten Dachebene kann bereits bei der vor-
liegenden Kaminfläche eine Maximaltemperatur von 73,5°C erreicht werden. Bei
einer Verdopplung der Kaminfläche werden dann bereits Werte von 79,2° erreicht.
Bei einem hohen solaren Strahlungsangebot kann auch eine stärkere
Verschattung (bis zu 70%) des Gewächshauses vorgenommen werden. Auch
hierdurch können höhere Temperaturen im Kamin (bei gleichbeleibenden
113
Gewächshaustemperaturen) erreicht werden. Bei der Verstärkung der
Verschattung auf 70% erhöht sich die erreichbare Maximaltemperatur auf 69,7°.
Der Anwendungsschwerpunkt der kontinuierlichen Befeuchtung der Luft im Kamin
verfolgt aber gerade den Ansatz, große Energiemengen über den Wasserdampf
bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Wärmeverlusten sowie bei niedrigen
Windgeschwindigkeiten an den Wärmetauscher zu überführen und dabei gle-
ichzeitig auf übermäßig aufwendige und teure Isolationsverglasungen zu verzicht-
en.
Für die Warmwasserversorgung von Gebäuden sind die im Beispiel erreichten
Temperaturen prinzipiell ausreichend. Auch für diese Anwendung ist dieses
Systemlayout demnach interessant.
2. Variante Wärmeerzeugung
Zur Erzielung möglichst hoher Speichertemperaturen wurde das Systemlayout
verändert. Als Zielgröße wurde eine mittlere Maximaltemperatur im Kamin von
rund 70° C anvisiert. In diesem Bereich halten sich die Wärmeverluste noch in
Grenzen, andererseits liegt ein ausreichend hohes Temperaturniveau vor, so dass
eine wirtschaftlich sinnvolle Kapazitätsausnutzung auch bei großen
Saisonspeichern ermöglicht wird.
Zum einen wurde von einer Doppelverglasung mit einem K-Wert von 2,8 ausge-
gangen. Da die Wärmeerzeugung zur Beladung von Saisonspeichern oder zur
Warmwassererzeugung genutzt werden soll, spielt die Funktion der
Wärmeabführung durch die Gewächshaus- und Kaminoberfläche zur
Speicherentladung eine untergeordnete Rolle, da dieser Prozess im Winter bei
wesentlich niedrigeren Außentemperaturen ablaufen kann.
Als zweite Maßnahme zur optimierung der Wärmeerzeugung wurde, ausgehend
von einer gleich bleibenden Kamingröße die Gewächshausgrundfläche von 80
qm auf 32 qm deutlich verkleinert. Diese Größe bildet z.B. als Wintergarten in
Zusammenhang mit der vorgesehenen Gebäudegröße eine noch sinnvolle
Einheit. Die Fermentationsanlage, die unter den Gewächshaustischen angeord-
net ist wurde parallel zum Gewächshaus verkleinert. Durch diese Umstellung
verändert sich das Verhältnis von Gewächshauseinstrahlfläche zur
Kamineinstrahlfläche und in stärkerem Maße von Gewächshausvolumen zu
Kaminvolumen. Bei gleichbleibenden Temperaturen im Gewächshaus können
insgesamt deutlich höhere Temperaturen im Kamin erreicht werden.
Gewächshausklimatisierung: Der Luftwechsel im Gewächshaus schwankt
zwischen 1,0 und 2,8. Die angestrebte Temperatur wird in der dritten Stunde bei
einer Luftwechselzahl im Gewächshaus von 2,5 erreicht. Ab 10 Uhr wird eine
Schattierung um 40% bei einem Luftwechsel von 2,5 eingesetzt. Ab 11 Uhr folgt
eine Schattierung von 60 % bei einem Luftwechsel von 2,8. Am Nachmittag wird
um 13 Uhr eine Verschattung von 50% und um 14 Uhr von 40% benötigt, um die
anvisierten Temperaturen im Kamin zu erreichen. Wird weniger verschattet, steigt
114
die Temperatur im Gewächshaus. Als Konsequenz müsste der Luftwechsel erhöht
werden, was wiederum zu niedrigeren Temperaturen im Kamin führen würde.
Energieertrag: Die erzielbaren Temperaturen für die Wärmespeicherung liegen
zwischen 61,0° und 76,2°C bei einer mittleren Temperatur von 69,4°C. Dies
entspricht im Vergleich zur Variante Wasseraufbereitung einer Erhöhung der
mittleren maximalen Speichertemperatur um 16,1°. Zusammen mit einem
niedrigeren Minimalwert des Speichers von 10° durch Abkühlung im Winter wird
insgesamt eine Vergrößerung der Speicheramplitude von 29 auf 53 K (83%) erre-
icht.
Für die Anlage wird bei der vom Wärmetauscher insgesamt erfassten
Energiemenge von 1081 MJ entsprechend der Wärmekapazität von Wasser (4,19
kJ/(kg*K)) ein Speichervolumen von rund 4,5 m3benötigt. Dabei wird ein Anteil
von 913 MJ (84%) der Gesamtenergie über den Kondensationsvorgang in den
Wärmetauscher transferiert. Dieser Anteil der überführten Energie verursacht, im
Gegensatz zu konventionellen Luftkollektoren ohne Wasserverdampfung und -
kondensation, keine Wärmeverluste. Der Wirkungsgrad (F56)
(Tagesdurchschnitt) bleibt bei Doppelverglasung mit K-Wert 2,8 wegen der deut-
lich höheren Temperaturen im Kamin nahezu gleich (Anstieg um 2% auf 0,72).
Wasserertrag: Während des Tages wird durch den Verdunstungsprozess im
Gewächshaus eine Menge von 48 l Grauwasser (C41) und zwischen Kamin und
Rückführschacht 349 l Salzwasser (E41) aufbereitet. Hierdurch errechnet sich ein
gesamter Wasserertrag von 397 Litern (O52). Dies entspricht einem Ertrag pro m2
von 3,18 Litern (bezogen auf eine Fläche entlang der Diagonalen zwischen
Dachoberseite und äußerer Gewächshausunterseite.
115
116
117
Einzelhäuser
Punkthaus mit Kamin an der Fassade
Je nach Höhe des Gebäudes kann das Gewächshausdach über ein oder zwei
Stockwerksebenen verlaufen. Die an das Gewächshaus angrenzende
Gebäudewand kann voll verglast werden, wenn der Rückführschacht im Gebäude
bzw. an den nordorientierten Gebäudeseite verläuft. Dies ermöglicht einen
großzügigen Blick in die Vegetationsflächen und eine ausreichende Belichtung
insbesondere der Erdgeschossebene.
Die Ausbildung der Kaminstruktur erfolgt im einfachsten Fall über breitere, zusam-
menhängende Absorberflächen. Die Fensteranordnung erfolgt dieser Logik nach
in schmalen, die gesamte Geschosshöhe einnehmenden Spalten. Bei der
Ausprägung von transparenten Kaminelementen mit wasserdurchströmten bzw.
oberflächenbefeuchteten Jalousien als Absorberfläche ist auch in den oberen
Geschossen eine Vollverglasung der Außenwände möglich. Die Grundfläche des
Gewächshauses orientiert sich nach der Möglichkeit der gleichmäßigen
Luftrückführung. Die vom Gebäude abgewandten Gewächshauswände sollten
zur Optimierung der Luftrückführung demnach überall etwa gleich weit vom
Gebäude entfernt sein.
5.1_ Einzelstehendes, viergeschoßiges Gebäude mit Gewächshaus über den unteren beiden Geschoßebenen
Anwendungsbeispiele
5_
Punkthaus mit Kamin an der Fassade und auf dem Dach
Bei Einbeziehung des Daches wird die Einstrahlfläche erheblich vergrößert, was
insbesondere bei kleineren Häusern zur Realisierung einer ausreichenden
Proportionierung von Gewächshaus- und Kollektorflächen wichtig ist. Bei
Punkthäusern mit Pyramidendach kann die Luft auf ideale Weise zur Sammlung
in einem kompakten Rückführschacht konzentriert werden (Abb. 5.2.). Die
Anbringung des Rückführschachts im Gebäudeinneren hat mehrere Vorteile. Zum
einen besteht eine bessere Möglichkeit zum Anbringen von Fenstern an der
Außenseite. Das beanspruchte Volumen kann g.g.f. durch eine größere
Gebäudetiefe ausgeglichen werden. Bei Nutzung des Wärmetauschers zu
Heizzwecken im Winter wird darüber hinaus eine optimale Verteilung der
erzeugten Warmluft im gesamten Gebäude ermöglicht.
118 5.2_ Punkthaus mit innen liegendem Rückführschacht, Aufsicht und Schnitt
Gewächshaus über versiegelten Flächen: Garage, Zuweg, Bürgersteig
Bei der Erstellung von zusätzlichen Gewächshäusern in Wohngebieten entsteht
insbesondere das Problem des limitierten Flächenangebots. Diese Frage stellt
sich grundsätzlich bei der Vergrößerung des zur Solarenergiegewinnung
genutzten Einstrahlpotentials. Bei dem vorliegenden System ist allerdings durch
den Energietransport über Luftströmungen eine Unterbringung der genutzten
Einstrahlflächen in unmittelbarer Umgebung der Gebäude notwendig.
Hierfür bietet sich die Nutzung bereits überbauter bzw. versiegelter Flächen an:
Die Überstellung von Vorbauten wie Garagen, Türüberdachungen, Parkplätzen,
Zugangswegen und Bürgersteigen. Durch die Nutzung dieser Flächen wird
prinzipiell eine ökologische Verbesserung der vorhergehenden Situation erreicht,
da bisher versiegelte Flächen mit Vegetation angereichert werden und durch den
Kühleffekt eine Verbesserung des Umgebungsklimas erreicht wird. Diese Vorteile
können bei der Genehmigung auch von unkonventionellen städtebaulichen
Lösungen behilflich sein. Insbesondere die Überdachung von Bürgersteigen ist
sicherlich gewöhnungsbedürftig. Gerade in den sehr dünn besiedelten Ein- und
Zweifamilienhausgebieten könnte dieser Ansatz aber interessante Möglichkeiten
zur Nachverdichtung eröffnen.
Wird das Gewächshaus eine Stockwerkebene nach oben versetzt, gewinnen ins-
besondere bei kleineren Gebäuden die Dächer als Kaminfläche eine besondere
Bedeutung (Abb. 5.3.). Nachteile dieses Lösungsansatzes sind die höheren
Kosten für die Unterkonstruktion und die fehlende Möglichkeit von
Vegetationsstrukturen im gewachsenen Boden.
119
5.3_ Gewächshaus auf Garage und über der Bürgersteigebene als Möglichkeit der Nachverdichtung
Zudem erhält das Erdgeschoss eine größere Bebauungstiefe und somit einen
größeren, unbelichteten Bereich. Dies kann z.T. durch Oberlichter im
Gewächshaus ausgeglichen werden.
Geschosswohnungsbau
Bei höheren Gebäuden werden die Ausgangsbedingungen für den zu erzeugen-
den Luftkreislauf erheblich besser: Durch die größere Kaminfläche können die zur
Erzeugung des Luftkreislaufes benötigten Temperaturwerte besser erreicht wer-
den. Zur Verhinderung von zu hohen Temperaturen (Vermeidung von
Wärmebelastung des Gebäudes und Minimierung von Wärmeverlusten) wird eine
gleichmäßige Nachbefeuchtung der Luft im Kamin nötig. Durch entsprechende
Kaminhöhen kann ein starker Luftzug in dem System erzeugt werden, durch den
wiederum vergleichsweise größere Gewächshausvolumina klimatisiert werden
können. Da die Temperatur im Kamin stetig ansteigt, können die Fenster im
unteren Gebäudebereich mitunter noch unterhalb der Kaminverglasung liegen
während im oberen Bereich der Fassade die Kaminelemente wegen der hohen
Temperaturen auf die Spalten zwischen den Fenstern reduziert werden. (vgl. Abb.
5.4.)
Sinnvoll ist die Überbauung von benachbarten Parkplatzflächen, die bei größeren
Wohnanlagen in der Regel vorhanden sind. Zudem können Läden, Flächen zur
Müllentsorgung, Fahrradabstellräume etc. unter den Gewächshäusern platziert
werden. Erholungszonen und Repräsentationsbereiche können teilweise in das
Gewächshaus verlagert werden. Der Gewächshaustypus geht von privat
genutzten Wintergärten eher in Richtung Gemeinschaftsraum oder aber in
Richtung eines kommerziell bewirtschafteten Produktionsgewächshauses.
120
5.4_ Kaminelemente über und zwischen den Fensterspalten. Berücksichtigung der hohen Temperaturen im oberen
Kaminbereich
Wie schon beim punktförmigen Einfamilienhaus erwähnt, orientiert sich die
Grundfläche des Gewächshauses nach der Möglichkeit der gleichmäßigen
Luftrückführung. Die vom Gebäude abgewandten Gewächshauswände müssen
demnach überall etwa gleich weit vom Gebäude entfernt sein. Durch den Einsatz
von Klappensystemen mit unterschiedlichen Öffnungen kann bis zu einem gewis-
sen Maß hiervon abgewichen werden.
Vertikales Gewächshaus
Bei vorhandenen, besonnten Fassadenflächen mit fehlender, entsprechend
benötigter Grundfläche kann prinzipiell auch ein vertikales Gewächshaus real-
isiert werden. Gewächshaus und Kamin liegen hierbei übereinander an der
Fassade. Hierfür wird ein System aus übereinander platzierten Pflanztabletts
installiert, dass über ein Paternostersystem von einem Punkt aus, also ohne ein
begehbares Gerüst bewirtschaftet werden kann. Ein solches System ist experi-
mentell im Rahmen von sogenannten Turmgewächshäusern erprobt worden (Bau
et al 1970).
Die einzelnen Pflanztabletts können nur eine beschränkte Tiefe aufweisen, da sie
sich sonst gegenseitig beschatten. Die Fensterflächen des Wohngebäudes kön-
nen ebenfalls übermäßig beschattet werden und müssen entsprechende
Berücksichtigung finden.
121
5.5_ Gewächshaus als Fassadenelement
In dicht bebauten Bereichen kann das Gewächshaus zur Minimierung der
Kamintiefe auch ganz entfallen und lediglich über die Elemente zur
Luftbefeuchtung ersetzt werden. Hierbei werden sehr schmale
Fassadenelemente möglich. Die biologischen Funktionen der Anlage
(Gewächshaus, Fermentationsanlage, biologische Wasserreinigung) entfallen
entsprechend.
In einem schmalen Fassadenmodul kann die simultane Realisierung von Reini-
gungsleistung und Biomassenproduktion allerdings auch über einen kombinierten
Biofilm/Algenreaktor erreicht werden. Der zur Wasserreinigung genutzte Biofilm
auf den Verdunstungskörpern kann bei fehlendem Gewächshaus prinzipiell auch
über einen Algenreaktor mit Sauerstoff versorgt werden. Die dabei auftretenden
Vor- und Nachteile wurden im Kapitel Funktionen/Luftbefeuchter aufgeführt.
122
5.6/5.7_ Atriumgärten am Haus, Korridore als Zugang zum Gewächshaus und als Teil des Luftkreislaufs
Wohnanlagen
Bei der Konzeption größerer Wohnanlagen besteht die Möglichkeit, die Nutzung
der eingestrahlten Sonnenenergie zu optimieren. Hierfür können Kamin und
Gewächshaus in größere Einheiten zusammengefasst werden und über
Schacht- bzw. Rohrsysteme bis zu einem bestimmten Ausmaß räumlich
voneinander getrennt werden. Als vertikale Flächen kommen wiederum höhere
Bauten und deren Dächer in Frage. Der verschattete Bereich unmittelbar nördlich
dieser Bauten kann für Straßen, Parkraum und andere Erschließungsflächen
genutzt werden. Gewächshäuser können Teile von Privatgärten umschließen. Ein
großes Potential wird aber auch durch die Überstellung von Parkplätzen und
Flachbauten erschlossen.
Gewächshaus direkt am Haus
Die einfachste Variante ist wiederum die Anbringung von Gewächshäusern an
Gebäudezeilen quer zur Südfassade. Bei 2-3 geschossigen Reihenhäusern kön-
123
124
nen diese als privat genutzte Wintergärten konzipiert werden. Ein Problem ist
dabei eventuell eine verhältnismäßig kleine, besonnte Gartenfläche bei gängigen
Grundstücksgrößen. Im Gegensatz zum freistehenden Gebäude muss beim
Reihenhaus der Wintergarten beim Weg aus dem Gebäude in den Garten durch-
quert werden. Dies führt zur häufigen Öffnung des Systems.
Gewächshaus mit eingefügten Innenhöfen
Durch schmale, 1-2 m breite Glashauskorridore kann eine Abfolge "Gebäude-
Garten-Gewächshaus" erzielt werden. Die Luft aus dem frei stehenden
Gewächshaus wird dann über die Korridore in den Kaminbereich an der
Hausfassade geführt. Hieraus ergibt sich der Vorteil von geschlossenen
Atriumgärten, die unmittelbar in das Gebäude münden. Nachteile sind die
höheren Kosten für die zusätzlichen Korridore und ein größerer
Luftwiderstandswert bei der Umfließung der Binnengärten (Abb. 5.6. und 5.7.).
Gewächshaus über 2 Geschosse
Bei Gebäuden mit drei oder mehr Stockwerken kann das Gewächshaus auch
über zwei Geschosshöhen ausgebaut werden. Dies hat den Vorteil einer gün-
stigeren Wärmezonierung im Gewächshaus. Eine solche Anordnung ermöglicht
zudem den direkten Anschluss an flächenhafte Gewächshäuser auf der zweiten
5.8_ Ein Gewächshaus über zwei Geschoße ermöglicht ein optimiertes Klima in den Aufenthaltsbereichen und
eine direkte Luftsrömung vom auf dem Flachbau angeordneten Gewächshaus in den Kamin.
125
5.9_ Oben: Zeilenbebauung oder Reihenhäuser; darunter Gewächshäuser auf quer zur Randbebauung angeord
-
neten Bungalowzeilen, Unten: Mehrfamilienhäuser mit nördlich anschließender Straßenüberbauung für die un-
mittelbare Zugänglichkeit der Gewächshäuser aus den Wohnungen des ersten Stockwerks.
5.10_ Gewächshäuser auf Garagenflächen und auf daran angelehnten, kleineren Bungalowwohnungen
Gewächshäuser
auf Bungalows
Gewächshäuser
Zeilenbebauung
Mehrfamilien-
häuser
Gewächs-
häuser auf
Bungalows
Zeilenbebauung
Gewächs-
häuser über
Garage
126
5.11/5.12/5.13_ Garagen und anliegende Bungalows mit aufgesetzten Gewächshäusern als zentrales Element
einer Wohngruppe. (Grundriss oben und Isometrie und Schnitt rechts) Die Anordnung der unterschiedlichern
Kollektorelemente (Gewächshäuser und Solarkamine) auf sämtlichen Dächern und Fassaden ermöglicht eine
nahezu vollkommene Nutzung des solaren Inputs.
127
Gewächshaus auf Garagen
und Bungalows
Gärten und
Erschließungswege
Luftschächte zur
Verbindung von
Gewächshaus und
Kamin
Solarkamin auf
Fassade und Dach
128
Geschossebene. Hierdurch kann eine direkte Luftströmung ohne die Widerstände
einer Rohrumleitung ermöglicht werden (vgl. Abb. 5.14.)
Wohnanlage mit räumlich getrennten Gewächshaus- und Kaminelementen
Zeilenbebauung und Bungalows: In dem vorliegenden Beispiel für eine
Wohnsiedlung wurde die Erschließungsstraße in den Nordbereich der südlichsten
Häuserzeile gelegt. In der Mitte der Anlage liegen Bungalowzeilen quer zu den
Geschossbauten mit zugeordneten Gartenzeilen und aufliegenden
Gewächshäusern. Ein nördlicher Gebäuderiegel schließt das Quartier ab. Ein
System von Luftkanälen ermöglicht den Luftkreislauf zwischen den räumlich
getrennten Systemelementen (vgl. Abb. 5.9.).
Zeilenbebauung, Garagenanlage und Bungalows: Eine weitgehend zusam-
menhängende Baustruktur wird durch die zusätzliche Überbauung der Parkplätze
erzielt. Erschließungsstraßen ohne übergeordneten Verkehr werden ersetzt durch
eine Garagenebene. Die Erschließung der einzelnen Wohneinheiten erfolgt aus-
schließlich über Fußgängerwege. Diese können wiederum im Schatten des
südlichen Gebäuderiegels liegen. Hierdurch entsteht eine zusätzlich nutzbare
Dachebene zur Anordnung von Gewächshäusern, die auch als gemeinschaftlich-
er Dachgarten und als zusammenhängende, öffentliche Fußgängerebene zur
großzügigen Erschließung der Wohnhäuser genutzt werden kann.
Eine weitere Variante zeigt die Unterbringung der Garagen in der Mitte der
Gesamtanlage als zentrale Achse (vgl. Abb. 5.11.-5.13.). An die Garage
angegliedert sind L-förmige Bungalowwohnungen, die immer paarweise einen
Doppelgarten umschließen. Die Dachfläche von Garage und Bungalow ist mit den
Gewächshäusern überstellt. Die Erschließung erfolgt über Fußwege nördlich und
südlich der Garagenachse.
Gewerbe-, Industrie- und Verkehrsanlagen
Kombiniertes Wohn- und Einkaufszentrum
Gewächshaus, Einkaufszentrum und Wohnkomplex bilden ein zusammenhän -
gendes Gebäude. Das Einkaufszentrum ist in der Kellerebene um eine große,
zusammenhängende, zweigeschossig ausgebildete Gewächshausfläche ange-
ordnet, die das Zentrum der Anlage bildet. Im Erdgeschoss liegt eine zweite
Ladenebene, die ebenfalls zum Gewächshaus hin orientiert ist. Von der
Dachebene wird die hier erwärmte Luft in die Kamine der beiden nördlich und
südlich verlaufenden Bürozeilen weitergeleitet. Nach außen ist die
Erdgeschossebene mit Gärten versehen. Im ersten Stock sind im Innenbereich
Dachgärten vorgesehen. Durch die Aufteilung in verschiedene Maisonette-
129
130
131
5.16/5.17_ Zwischen zwei Wohnriegeln liegt in der Keller- und Erdgeschoßebene ein Einkaufszentrum,
das ausgehend von einem mittig liegenden Gewächshaus von einem Rundweg aus erschloßen wird.
Denkbar ist für dieses Layout auch ein Bürogebäude mit zentral liegenden Freizeit-, Erholungs- oder
Sporteinrichtungen.
132
Wohnungen kann jede Wohneinheit über einen eigenen Garten bzw. Dachgarten
verfügen. Die Erschließung erfolgt über den Bereich der innenliegenden
Dachgärten (Abb. 5.16. und 5.17.).
Das zentrale Gewächshaus kann durch die ausgebildete Höhe mit entsprechen-
der Wärmezonierung auch kleinere Sportanlagen beinhalten. Neben höheren
Gehölzstrukturen im Randbereich könnten bei entsprechender Pflege zentral
angelegte Rasenflächen liegen, die z.B. als Tennisplatz genutzt werden.
Die Wohnbereiche können durch wenige Modifikationen auch in Büros umge-
wandelt werden. Ebenfalls ist die Anlage als geschlossene Anlage ohne außen
liegende Gärten denkbar. Hierdurch ist die Integration in eine Vielzahl urbaner
Blocksituationen denkbar. Da bei Nutzungen im Dienstleistungsbereich kaum
Grauwasser anfällt, sind bevorzugt größere Gehölze zu verwenden, die u.a. auch
Grundwasserreserven über die Wurzeln als Wasserquelle nutzen können. Hierbei
kann der Binnengarten nicht zusätzlich unterkellert werden.
Fassadenelement für Gewerbehallen
Gewerbehallen bieten durch die riesigen, vorhandenen Fassaden und insbeson-
dere Dachflächen ein erhebliches Einstrahlpotenzial in Städten. Durch die Über-
bauung mit Gewächshaus- und Kaminelementen, insbesondere im Rahmen einer
Nachverdichtung besteht die Möglichkeit einer vielschichtigen Aufwertung und
Nutzung dieser Stadtgebiete.
133
5.19_ Einfaches Fassadenelement für Gewerbebauten mit zugänglicher Erdgeschoßzone
Viele Industrie- und Gewerbesektoren haben einen hohen Wasserumsatz, der
unmittelbar in dem Gewächshaussystem verwendet und aufbereitet werden kön-
nte. Insbesondere bei einer Nutzungsdurchmischung der Hallenstrukturen mit
Wohn- oder Büronutzungen kann ein hoher Synergieeffekt erzielt werden, da hier
die überglasten Räume einen Zusatznutzen in Form zusätzlicher Wohn- oder
Aufenthaltsbereiche bietet. Bei störenden Gewerbeformen und/oder stärker
belasteten Abwässern ist auch die Kombination mit unterschiedlichen Formen des
Erwerbsgartenbaus denkbar.
Die einfachste Intervention ist die Nutzung der Fassaden und der Aufstellung von
Gewächshäusern vor den Hallen. Häufig verfügen Gewerbehallen über große,
zusammenhängende Fassadenabschnitte ohne Fensterelemente. Die
Anbringung von Kaminen ist dann entsprechend einfach. Da die Grundflächen
um die Hallen wegen vorhandener Zuwege und Zufahrten häufig nicht verfügbar
sind, ist eine Variante mit hochgeständerten Gewächshäusern als weiteres,
Grundmodul zu berücksichtigen. Bereiche mit Eingängen und Laderampen kön-
nen so ebenfalls verwertet werden. Große Dachflächen können autonom über
rein horizontale Systeme erschlossen werden (vgl. gartenbauliche Anlagen, Abb.
5.24.-5.26)
Zeilenbebauung und Gewerbehalle
Größere Gewächshäuser, insbesondere auf den Dachflächen lassen sich nur mit
entsprechend größeren Kaminelementen realisieren. Bei der Nachverdichtung
von Gebieten mit eher flachen Gewerbehallen können gezielt höhere Bauwerke
ergänzt werden. Diese können im Rahmen der Gewerbenutzung etwa als
Hochregallager verwendet werden. Grundsätzlich ist bei unproblematischen
Gewerbeformen, etrwa bei Möbelhäusern oder Baumärkten auch eine
Kombination mit Wohn- oder Dienstleistungsfunktionen denkbar. Hierbei spielt die
durch die Gewächshäuser erzielbare Nutzungs- und Gestaltqualität im Rahmen
von Gesamtkonzepten eine besondere Rolle, da gängige Gewerbegebiete in der
Regel schlechte Grundvoraussetzungen für anspruchsvollere Nutzungen bieten.
Ähnlich wie bei den Wohnanlagen wird durch die vertikalen Bauelemente eine
Verschattung der Dachflächen bzw. der an die Halle angrenzenden Flächen er-
reicht. Durch die gezielte Positionierung der Gewächshäuser und Kamine können
wiederum sehr große, zusammenhängende Flächen als Einstrahlpotenzial
genutzt werden, während beschattete Bereiche für energetisch ohnehin nicht ver-
wertbare, versiegelte Strukturen wie Straßen und Erschließungswege sowie auch
für Vegetationsflächen genutzt werden. Pflanzen auf Dachgärten und Bäume im
Straßenraum können, durch das stets limitierte Angebot von Boden und Wasser,
die Einstrahlung der Sonne ohnehin nur beschränkt für ein optimales Wachstum
nutzen. Beschattete Vegetationsflächen sind deshalb für diese Standorte weniger
Pflegebedürftig und einfacher zu entwickeln.
134
Überbauung von versiegelten Flächen: Bahnhöfe, Parkplätze, Parkhäuser
Ähnlich wie Gewerbehallen verhalten sich große Verkehrsanlagen im Stadtraum.
Gleisanlagen, Rangierbereiche der Bahnhöfe, Parkplätze und Parkhäuser
überdecken große Flächen, die sich im Sommer aufheizen. Sie sind versiegelt
oder zumindest nicht mit Vegetation bedeckt. In der Regel sind sie auch stadt-
gestalterisch problematisch. Sie sind monofunktional und stellen teilweise
erhebliche Barrieren im urbanen Gefüge dar.
Insbesondere im innerstädtischen Bereich wird vor dem Hintergrund hoher
Bodenpreise die Verlegung dieser Elemente in Tiefgaragen und Tunnel diskutiert
und praktiziert. Die Möglichkeit der Überstellung dieser Flächen mit
Gewächshäusern bietet im Vergleich hierzu eine Reihe von Vorteilen: Da es sich
um leichte Unterkonstruktionen handelt, sind die Baukosten im Vergleich zu einer
Unterkellerung oder einer flächenhaften Überbauung für Wohn- oder
Gewerbezwecke wesentlich geringer. Über die Innenräume der Gewächshäuser
können verschiedene, angrenzende Stadtbereiche verbunden werden. Auch bei
einer gartenbaulichen Nutzung der Gewächshäuser können Korridore und punk-
135
5.20_ Die Anordnung horizontaler und vertikaler Strukturen führt immer zu verschatteten Zonen. Die großflächige
Nutzung von Einstrahlflächen führt dabei zu sequenziellen Mustern. Bei der Überbauung großflächiger, versiegelter
Strukturen gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei der Gliederung eines Wohngebietes.
tuelle Raumelemente als öffentliche Bereiche integriert werden.
Die Unterbringung vertikaler Gebäudekörper ist bei Gleisanlagen wie auch bei
Parkplätzen wesentlich unproblematischer und billiger als eine flächenhafte Über-
bauung, da diese lediglich auf wenigen Punkten gründen. Wird dennoch eine
flächenhafte Überbauung geplant, so kann über die Ausbildung einer
entsprechenden Oberflächenstruktur trotzdem eine Integration des
Gewächshaussystems ermöglicht werden. Bei der Überbauung eines
Rangierbahnhofs kann beispielsweise eine durchgehende Parkhausebene mit
einer darüber angelegten Wohn- oder Geschäftsbebauung entstehen. Prinzipiell
lassen sich sämtliche in diesem Kapitel aufgeführten Wohnanlagen auf einer
solchen Ebene realisieren.
Zeltbauten ohne thermische Masse im
Baumaterial
Der im System benötigte thermische Speicher kann grundsätzlich auch die
Speicherkapazität der Gebäudemasse ersetzen. Anstelle von Wänden aus Stein
oder Beton können sehr dünne, z.T. luftgefüllte oder isolierte Wandhüllen stehen,
die lediglich an einigen Bereichen durch schmale Kühl- und Heizmatten ergänzt
werden. Im Extremfall sind so auch leicht und schnell auf- und abbaubare
Zeltbauten mit vollkommenem Klimakomfort denkbar. Der thermische Speicher
lässt sich für ein solches Anwendungsgebiet aus Teichfolien und schwimmendem
Isoliermaterial realisieren. Lediglich das Wasser als thermische Masse ist
gewichtsintensiv.
Insbesondere kann auch die Funktionsweise von sogenannten Solarseen für die
Speicherung herangezogen werden: Die thermische Masse wird von einem
offenen See aus hoch konzentriertem Salzwasser gebildet. Eine dünne Schicht
aus nur wenig salzhaltigem und somit erheblich leichterem Wasser schwimmt auf
der Oberfläche dieses Körpers. Sie verhindert, dass das erwärmte Salzwasser
an die Oberfläche gelangt und dient somit als Isolierschicht. Durch diese transpa-
rente Abdeckung kann Sonnenstrahlung auch direkt in den Speicher einstrahlen.
Der Speichersee dient somit auch als zusätzlich nutzbare Einstrahlfläche.
Im unten aufgeführten Beispiel für Wüstengebiete umschließt ein großes
Gewächshaus ein turmartiges, kegelstumpfförmiges Wohnhaus (Abb. 5.21-5.23.).
Es wird durch transparente Bereiche in der Zelthaut belichtet. Die Turmform sorgt
für den Auftrieb der sich im Gebäude erwärmenden Luft, die über die Turmspitze
nach Außen abgeführt werden kann. Der Auftrieb wird insbesondere durch die
Abwärme des Rückführschachts angetrieben, der durch die Gebäudemitte ver-
läuft, und der am Tag wie in der Nacht im oberen Bereich hohe Temperaturen
aufweist. (Vgl. Kap. Systemfunktionen/ Rückführschacht).
Außenluft kann über Luftrohre nachgeführt werden, die durch den thermischen
136
Speicher temperiert wird. Am Tag kann so ausreichend kühle, in der Nacht aus-
reichend warme Luft in das Gebäude geführt werden. Im Gegensatz zu den im
ersten Kapitel aufgeführten, historischen Beispielen der Auftriebslüftung wird in
der Nacht keine zusätzliche Kaltluft eingeführt, da keine thermische Masse
vorhanden ist, die man damit abkühlen könnte.
Gartenbauliche Anlagen / Turmanlagen
Bei großen, für den Gartenbau genutzten Gewächshausflächen außerhalb von
Siedlungen sind keine vertikalen Bauelemente erwünscht, da diese zur
Verschattung der dahinter liegenden Flächen führen würden. Bei fehlender
Bebauung wären Kaminflächen auch kostenmäßig nicht zu rechtfertigen.
Für diese Anwendung sind nahezu horizontale Kollektorflächen denkbar, die - so
wie die Gewächshausdächer - zur Führung der Luft lediglich sehr schwach
geneigt sind. Die gesamte Einstrahlfläche liegt, ähnlich wie bei
Aufwindkraftwerken in der Horizontalen. Die Luft strömt hierbei zum Mittelpunkt
der Anlage und von hier in einen Turm. Durch den Turm wird die erforderliche
Höhendifferenz für die Antriebswirkung des Luftkreislaufes erzielt. Der vom Turm
erzeugte Schatten ist linienförmig und wandert im Laufe des Tages über die
Nutzfläche. Hierdurch ist eine kreisförmige Anordnung der Einstrahlfläche rund
um den Turm möglich.
Gartenbau und Wohnen: Unterhalb der Kaminfläche können neben dem
Wärmespeicher grundsätzlich auch Wohn- oder Gewerbebauten angeordnet wer-
den, die dann zum Gewächshaus hin bzw. über Dachfenster belichtet werden.
Die Lüftung kann analog zu den oben aufgeführten Zeltbauten über ein offenes
Auftriebssystem erfolgen, das über einen getrennten Luftkanal im selben Turm
geführt werden kann.
Gartenbau + Anlage zur Algenproduktion: Im Kamin sind als
Befeuchtungselemente auch offene Wasserflächen denkbar, die aufgrund der
hohen Temperaturen und u.U. hoher Salzgehalte zur Produktion thermophiler und
salzliebender Algen genutzt werden könnten. Die zur Belichtung der darunter
liegenden Wohnräume angeordneten Dachfenster könnten dabei auch unter den
Wasserflächen liegen und atmosphärisches, grün gefiltertes Licht in den Raum
führen.
137
138
139
5.21/5.22/5.23_ Die Außenhaut des Zeltes wird durch Verdunstungselemente gekühlt. Die im Geäudenneren entstehende
Warmluft steigt nach oben und zieht über einen offenen Kamin ab. Über den Speicher vortemperierte Luft wird nachgezogen.
Der thermische Speicher ersetzt so die Wärmekapazität der Baumasse konventioneller Gebäude.
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5.24/5.25_ Bei Großanlagen für den Erwerbsgartenbau ohne vorhandene Gebäudestrukturen kann die
Aufheizfläche in die Horizontale verlegt werden. Der Kamin kann dann als punktförmiger Turm ausgebildet wer-
den. Die nördlichen Bereiche der Anlage werden so nicht verschattet. Die Baukonstruktion ist entsprechend
kostengünstiger.
141
5.26_ Zwischen dem Wärmespeicher und der horizontalen Kollektorfläche kann wiederum eine Gebäudestruktur
angeordnet werden.
Offene Lüftungssysteme
Bestimmte Funktionen der Gewächshausklimatisierung und - bei einem ver-
gleichsweise geringeren Wirkungsgrad - der Wasseraufbereitung können auch
über ein vereinfachtes, offenes Lüftungssystem erreicht werden. Hierdurch ent-
fallen die Probleme der CO2 Anreicherung und der Lufthygiene, die in einem
geschlossenen System auftauchen.
Einfaches Gewächshaus mit Durchluftsystem
Außenluft wird über den Kaminsog angesaugt. Diese kann über ein
Befeuchtungsmodell vor dem Eintritt in das Gewächshaus über Evaporations-
module durch Grauwasser oder andere Wasserquellen befeuchtet und somit
gekühlt werden. Der Luftauftrieb im Kamin wird durch den Solarkamin erzeugt.
Eine eingeschränkte Wasserrückgewinnung kann durch Rückkühlung der Luft auf
die Außentemperatur in einem Luft-Luft-Wärmetauscher erfolgen.
Die Funktion der Wasserrückgewinnung läuft dabei mit geringerer Ausbeute, da
trockene Außenluft eingeführt und gesättigte Innenluft mit entsprechendem
Wassergehalt abgeführt wird. Von Energieverlusten kann nicht gesprochen wer-
den, da die gesamte Wärme in diesem System unmittelbar verloren geht. Durch
die fehlende Wärmespeicherung läuft die Funktion der Wasseraufbereitung nur
am Tage. Hierdurch wird entsprechend weniger Wasser verdunstet und aufbere-
itet. Demgegenüber sind deutlich geringere Investitionskosten zu veranschlagen.
Terrassenhäuser
Die Solarkamine ziehen jeweils Luft aus den auf den Terrassen befindlichen
Gewächshäusern nach. Der Wärmetauscher ist horizontal unter dem Gewächs-
haus angeordnet. Die darunter liegenden Terrassenwohnhäuser - gebaut entlang
eines Berghangs oder innerhalb eines Terrassenhochhauses - werden ebenfalls
durch den Sog des jeweils darüber liegenden Solarkamins entlüftet. Dabei wird
jeweils abgekühlte Luft aus dem Wärmetauschermodul nachgeführt.
Die Verluste von Wasser, Wärme und erforderlicher Kühlleistung, die durch die
Abführung von Luft nach Außen entstehen, werden dadurch minimiert, dass
mehrere Systeme im Verlauf der Terrassen hintereinander geschaltet werden.
Die Qualität der abgekühlten Luft sowie deren Gehalt an Restfeuchtigkeit kann
nach dem Verlassen des Wärmetauschers durch die Einleitung in ein weiteres,
höher gelegenes Gewächshaus/Gebäudemodul genutzt werden.
Bei Integration der Entsalzungsfunktion muss Meerwasser in die jeweiligen
Terrassenebenen gepumpt werden. Darüber hinaus erfolgt der Wassertransport
nach oben jedoch in gasförmigem Zustand über den Luftauftrieb der Kamine ohne
weiteren Fremdenergieeinsatz. Über zusammenhängend besiedelte Berghänge
142
können so bei vorhandener Vernetzung große Wassermengen bis zum
Bergkamm transportiert werden und von dort aus über das natürliche Gefälle opti-
mal verteilt werden.
Offene Gewächshausanlage an einem Berghang zur
Meerwasserentsalzung
Salzresistente Pflanzen wachsen unter Foliengewächshäusern, die auf einer ebe-
nen Fläche am Fuß eines angrenzenden Berghangs erstellt werden. In diesen
Gewächshäusern wird salzresistente Vegetation (z.B. eine Mangroven
Pflanzengesellschaft) mit durchströmendem Salzwasser bewässert. Dies
ermöglicht durch die Erzeugung einer hohen Luftfeuchtigkeit auch die Aufnahme
von Wasser durch Luftwurzeln.
Am Berghang sind weitere Tunnelgewächshäuser aufgestellt, die mit dem unteren
verbunden sind. Sie fungieren als Solarkamin. Der erzeugte Auftrieb zieht die Luft
aus dem unteren Gewächshaus und führt frische Außenluft nach. Die so
143
5.27_ Ein stark vereinfachtes, offenes Lüftungssystem: Je ein Befeuchtungselement ist am Lufteintritt und vor einem
Wärmetauscher am Luftaustritt angeordnet. Das Gewächshaus wird so gekühlt und entlüftet. Durch die Abkühlung der
Luft auf Außentemperatur kann ein Teil des verdunsteten Wassers wiedergewonnen werden. (Angegebene Werte in
°C und %rel. Luftfeuchte.
144
5.28/5.29/5.30_ Eine Terrasse besteht aus einem Gewächshaus und einem davor angeordneten, überdachten
Balkon mit Blick auf das Meer. Dieses Beispiel thematisiert die Besiedlung eines Küstenfelsens. Die einzelnen
Gebäudemodule können forgefertigt auf in den Fels gegründete Punktfundamente montiert werden. Die
Erschließung erfolgt über Treppen zwischen jeweils zwei Gebäudereihen. Hier kann auch ein Personen- und
Lastenaufzug untergebracht werden Durch die Lage am Meer kann die Entsalzungsfunktion der Anlage optimal
eingesetzt werden. Die Möglichkeit der Aufbereitung von Grauwasser erleichtert die an diesem Extremstandort
schwierige Ver- und Entsorgungsproblematik.
145
146
5.31_ Die Wärme- und Feuchtigkeitsverluste bei einem offenen System können verringert werden, indem mehrere
Module in Terrassen hintereinandergeschaltet werden. Durch den erzeugten Auftrieb können die
Terrassenwohnungen über den Sog des jeweils darüberliegenden Solarkamins entlüftet werden. Hierdurch kann
abgekühlte Luft aus den Kühlschächten in die Gebäude gezogen werden.
hereingesaugte Außenluft kann über vorgeschaltete Befeuchter gekühlt werden.
Im Kamin kann die Luft weiter erhitzt werden ohne die Pflanzen zu schädigen.
Zudem kann zusätzliches Wasser verdampft werden. Die Luft wird auf ca.
70°erwärmt.
Im Kamin sind als Befeuchtungselemente (wie im Gartenbau/Turmmodell) auch in
Terrassensegmenten angeordnete Wasserflächen denkbar, die aufgrund der
hohen Temperaturen und u.U. hoher Salzgehalte zur Produktion thermophiler und
salzliebender Algen genutzt werden könnten. Die unterschiedlichen
Temperaturzonen im Kamin ermöglichen die Zucht unterschiedlicher Algensorten
mit unterschiedlichen Wachstumsoptima im Hinblick auf Temperatur und
Salzgehalt des Wassers.
Am oberen Ende des Kamins (z.B. auf der Bergspitze) wird ein Luft/Luft
Wärmetauscher installiert, der die Luft wieder auf die Außentemperatur abkühlt.
Hierdurch kann das verdampfte Wasser als Destillat gewonnen werden. Es
besteht ein gewisser Wasserverlust, da relativ trockene Luft eingeführt, jedoch
wassergesättigte Luft abgeführt wird. Die Wärme wird unmittelbar an die
Außenluft abgegeben. Der Wirkungsgrad des Systems steigt mit der Differenz
zwischen der erreichbaren Sättigungstemperatur der aufsteigenden Kaminluft
und der Temperatur der Außenluft.
147
5.32_ Wasserentsalzung über einfache Foliengewächshäuser am Berghang. Kondensation des verdampften
Wassers durch Abkühlung auf die Außentemperatur.
1.
Zuführung von trockener Außenluft
2.
Luftbefeuchtung
und Kühlung
3.
Gewächshäuser <35°C, < 80% rel. ft.
4.
Solarkamine bis <70°C, <100% rel. f.
5.
Abkühlung auf Außentemperatur über
Wärmetauscher mit entsprechendem
Kondenssationsertrag
Der Höhenunterschied kann zu niedrigeren Außentemperaturen und höheren
Außen-Windgeschwindigkeiten führen, was den Kühlungsprozess begünstigt. Der
Kühlprozess kann zudem über ein Wirbelrohr optimiert werden (Jones, 1999). Die
Nutzung der kinetischen Energie der Innen- und Außenluftströme kann zu gün-
stigeren Wärmeübertragungsraten am Wärmetauscher und somit zu höheren
Wassererträgen führen als bei konventionellen solaren Entsalzern.
Strömungstechnisch optimierte Gebäude
Die maximal realisierbare Größe des Gewächshauses wird durch die im
Kaminmodul erzeugbare Luftströmung begrenzt. Ein weiterer, limitierender Faktor
liegt im Bereich von Strömungsverlusten an den Außenwänden und insbesondere
an den verschiedenen Bereichen, die der Umlenkung der Luftströmung dienen.
Ein Hauptaugenmerk bei der grundsätzlichen Konzipierung des Systems liegt
deshalb in der Optimierung der Strömungsformen. Bei dem hier aufgeführten
Beispiel sind folgende Punkte berücksichtigt:
- Der Übergang vom Gewächshaus zum Kamin sollte keine Knicke aufweisen,
sondern weitgehend stufenlos und mit einem möglichst großen Radius erfolgen.
- Der Kamin sollte nicht ausschließlich die Südfassade bedecken, sondern - dem
Verlauf der Sonne folgend - auch die südwestlichen und südöstlichen
Fassadenteile mitbedecken. Der Übergang dieser verschiedenen Ausrichtungen
sowie der Übergang von der Fassade zur Dachebene sollte ebenfalls möglichst
stufenlos und in einem möglichst großen Radius erfolgen. Da hierbei sehr
schräge Außenwände entstehen, ist diese Maßnahme mit der Nutzbarkeit des
dahinter liegenden Wohnraums abzuwägen.
- Der Übergang vom Kamin, (der auf der gesamten Einstrahlungsfläche verteilt
ist) zum Rückführschacht (der die gleiche Querschnittsgröße des Kamins
aufweist, aber diese auf einer möglichst kreisrunden Grundfläche vereint) sollte
möglichst stufenlos und in einem möglichst großen Radius erfolgen.
Wird kein größtmögliches Gewächshaus angestrebt und liegt die erzeugbare
Strömungsgeschwindigkeit durch eine großzügige Dimensionierung des Kamins
und des Kühlelementes im sicheren Bereich, ist eine Optimierung des
Strömungsverlaufes nicht notwendig. Im Gegenteil: Zur Erzielung möglichst hoher
Lufttemperaturen am Wärmetauscher muss der Luftstrom mitunter durch eine
Klappe gedrosselt werden. Wichtig werden die Strömungseigenschaften der
Gebäudeform dann allerdings wieder, wenn an Stelle der Regulierungsklappen
Windgeneratoren zur Stromerzeugung treten sollen, die - dem Prinzip des
Aufwindkraftwerks folgend - eine überhöhte kinetische Energie nutzbar machen
könnten.
148
149
5.33_ Die Form des Gebäudes (graue Fläche) kann zugunsten einer optimierten Luftströmung angepaßt werden.
Letztlich muß aber die Nutzbarkeit der Gebäudeform gewährleistet bleiben. Letztlich wird diese mit den strö-
mungstechnischen Anforderungen abgewogen.
150
Energiebehaushaltung als Leitgröße für die
Entwicklung von Stadt und Landschaft
Das gegenwärtige, auf fossilen Energiequellen basierendes Versorgungssystem
wird über punktförmige Quellen erschlossen. Förderquellen für Öl oder Kohle sind
im Vergleich zum Gesamtraum winzig klein und haben räumlich nur
Auswirkungen auf das unmittelbare Umfeld. Auch bei der Verarbeitung von
Rohstoffen sind vorrangig punktartige Strukturen vorhanden. Bei einem Kraftwerk
kann beispielsweise innerhalb eines Gebäudes die Stromversorgung einer
gesamten Stadt befriedigt werden. In einem Chemiereaktor werden riesige
Stoffmengen auf kleinstem Raum und in kürzester Zeit transformiert. Dies ist
möglich durch den hohen Energiegehalt der fossilen Rohstoffe.
Die Umwandlungsprozesse können bei sehr hohen Temperaturen, bei zumeist
hohem Druck und in sehr kurzer Zeit ablaufen. Die gängigen Abläufe in der
Biotechnik folgen einer ähnlichen Logik: Durch den Einsatz von Zucker als hoch
konzentriertem Energieträger und Kohlenstofflieferant können hohe Stoffmengen
auf kleinstem Raum in kurzen Zeitspannen umgewandelt werden. Abgesehen
vom unmittelbaren Umfeld dieser punktförmigen Orte der Erschließung und
Verarbeitung treten fossil basierte Systeme räumlich durch ihre
Verteilungsstrukturen in Erscheinung, beispielsweise als Stromleitung, Pipeline,
Autobahn, Schifffahrtskanal oder auch als Kanalisation.
Völlig anders verhält es sich bei regenerativen Energiequellen. Für die Nutzung
der Solarstrahlung muss im Prinzip die gesamte jeweils verfügbare Fläche in
Betracht gezogen werden. In den Städten bilden sämtliche überbaute Flächen
potentiell nutzbare, solare Einstrahlflächen zur Erzeugung von Wärme und
Elektrizität. Auf dem Land konkurriert die Produktion von nachwachsenden
Rohstoffen mit der konventionellen Land- und Forstwirtschaft.
Auch der Prozess der Rohstoffverarbeitung der nachwachsenden Rohstoffe kön-
nte vollkommen anders ablaufen als beim Beispiel des Chemiereaktors oder des
Bioreaktors. Hier spielt die Solid-State-Fermentation eine zentrale Rolle, da bei
minimalem Energieaufwand einfache und billige pflanzliche Rohstoffe oder organ-
ische Abfallstoffe sowohl stofflich wie auch, über die Prozessabwärme ener-
getisch verwertet werden können.
Insgesamt bilden die von Kollektoren beanspruchten Flächen, die Anbauflächen
für nachwachsende Rohstoffe, sowie die Volumina der Fermentation neue, räum-
lich relevante Größen im landschaftlichen oder urbanen Kontext.
151
Kontext Stadt und Landschaft
6_
Flächenproblematik in der Stadt
Die Nutzung von Solarenergie durch Kollektoren findet sinnvollerweise in unmit-
telbarer Nähe zu den Verbrauchern - also in der Stadt Anwendung. Hier
besteht auch das höchste Potenzial nutzbarer, bereits versiegelter Flächen. Die
Anbringung von Kollektoren auf Dächern und Fassaden sowie über versiegelten
Freiflächen, also auf Parkplätzen, Straßen, Gleisanlagen etc. steht aber in
Konkurrenz zu anderen Flächennutzungen, etwa dem freien Wuchs von Bäumen
und Gehölzen, der Belichtung von Gebäuden oder von nutzbaren Freiräumen
oder beispielsweise der Anbringung einer wachsenden Zahl von
Telekommunikationsempfängern und -sendern. Durch die Entwicklung von
Gewächshäusern als modifizierte Kollektorfläche kann diese Nutzungskonkurrenz
152
6.1/6.2_ Räumlicher Einfluß der Erschließung und Verarbeitung von fossilen (links) bzw. regenerativen Ressourcen
(rechts): Die Erschließung von Solarenergie erfordert wegen der Verteilung der Strahlung flächendeckende Strukturen.
Zur Erfassung von Abfallstoffen und Abwärme sowie zur Minimierung von Transportvorgängen werden auch bei der
Verarbeitung von Rohstoffen dezentrale und somit flächenhafte Strukturen benötigt.
Chemiereaktor
teilweise aufgehoben werden, da die Flächen gleichzeitig als Aufenthaltsraum,
bzw. öffentlich nutzbarer Innenraum, als weitgehend bepflanzte, bewässerte und
somit gekühlte Oberfläche herangezogen werden können.
Flächenproblematik in der Landschaft
Für die Landschaft besteht aus der Notwendigkeit einer höheren Energieeffizienz
eine besondere Chance. Die Möglichkeiten der Kontrollausübung in der
Landwirtschaft wird bei knapper bzw. teurer werdenden Energieressourcen
erheblich eingeschränkt. Der Anbau spezieller Pflanzenarten und deren
Durchsetzung durch Bodenbearbeitung, Düngung und Pflanzenschutz macht
153
beim herkömmlichen Anbau von Lebensmitteln noch Sinn. Die erzielbaren
Einnahmen beim Anbau nachwachsender Rohstoffe sind aber wesentlich
geringer. Beim Anbau von Zucker-, Stärke- oder Ölfrüchten steht die erzielbare,
energetische Verwertung in keinem Verhältnis zum notwendigen Energieinput bei
Anwendung der gängigen Kulturmaßnahmen.
Räumlicher Einfluss der Solid-State-Fermentation
Bisher werden Ölfrüchte als Ersatzressource für petrochemische Produkte ange-
sehen: zucker- und stärkehaltige Früchte als Grundsubstrat für biotech-
nische Prozesse. Eine ganz andere Perspektive bilden verholzende Pflanzen.
Biomasse aus schnell wachsenden Baumarten oder beispielsweise aus Schilf ist
wesentlich billiger im Anbau, vor allem wegen der erheblich geringeren
Kontrollaktivitäten. Der vergleichsweise geringere Energiegehalt des verwert-
baren Rohmaterials und die kompliziertere Umwandlung bei der stofflichen
Verwertung bilden allerdings Nachteile. Bisher wird dieses Material lediglich als
Baumaterial sowie als Rohstoff zur Energieerzeugung über Verbrennungs-
vorgänge verwertet. Die Möglichkeit der gleichzeitigen energetischen wie stof-
flichen Verwertung durch Solid-State-Fermentation könnte allerdings eine viel
weitgehendere wirtschaftliche Perspektive darstellen, da Produkte aus dem petro-
chemischen bzw. biotechnischen Bereich mit wesentlich billigeren Rohstoffkosten
und bei geringerem Energieverbrauch substituiert werden könnten.
Durch die Schaffung von nährstoffreichen, feuchten Landschaftsbereichen wird
die Biomassenproduktivität durch die Etablierung schnellwüchsiger Pflanzen
automatisch erhöht. Diese müssen nicht mit hohem Kontrollaufwand angebaut
und gepflegt werden, sondern können sich durch die Standortvorgaben auf natür-
liche Weise gegenüber unproduktiveren Pflanzengesellschaften durchsetzen.
Die Möglichkeit der Düngung und Bewässerung von Rohstoffpflanzen durch
urbane Abwässer oder auch durch den Drainageabfluss aus konventionell
bewirtschafteten, landwirtschaftlichen Flächen bietet eine billige Alternative zum
konventionellen Anbau. Die Relieffierung der Landschaft, der Bau von Zuleitungs-
und Ableitungsgräben sind einmalige bauliche Eingriffe, die die Produktivität wie
auch die ökologische Wertigkeit heutiger Kulturlandschaften erheblich erhöhen
können. Über die Periodik und unterschiedliche Einsatzweise von Erntetechniken
kann zudem die Zusammensetzung der Pflanzenarten aktiv beeinflusst werden.
Die bei der Solid-State-Fermentation frei werdende Energiemenge ist mit
Verbrennungsvorgängen vergleichbar. Die dabei entstehende Prozesswärme (im
Bereich von 30-70°C) ist dabei allerdings so niedrig, dass der Prozessablauf
erheblich länger, also nicht in Sekunden sondern eher innerhalb von Wochen
oder Monaten abläuft. Somit wird ein erheblich größeres Volumen beansprucht.
Der Prozessablauf ist im Gegensatz zum konventionellen Kraftwerk oder zum
Chemiereaktor also nicht heiß, sondern warm, er ist extrem langsam und verläuft
bei normalem Druck. Temperaturen zwischen 40 und 70°C sind für den Betrieb
154
einer Heizungsanlage letztlich aber völlig ausreichend. Verbrennungsanlagen mit
Temperaturen von mehreren Hundert Grad arbeiten bei der Erzeugung von
Heizwärme mit unnötig hohen Wärmeverlusten.
Durch die niedrigeren, nutzbaren Temperaturen bei der Fermentation ist die
dezentrale Nutzung der Energie und die Unterbringung der Anlagen unmittelbar
bei den Verbrauchern unabdingbar. Der Anspruch der Dezentralität und der
Bedarf an sehr großen Volumina für die Fermentationsanlagen führt zu spezifi-
schen, räumlichen Ansprüchen auf der Ebene von Einzelgebäuden oder kleineren
Siedlungseinheiten.
Konsequenzen für den Städtebau
Wie im Kapitel zum Naturhaushalt und den bionischen Analogien bereits
angedeutet, versteht sich das vorgestellte System als ein Instrument zur
Angleichung urbaner Strukturen an Prinzipien und Eigenschaften natürlicher
Landschaftssysteme. Kernelemente optimierter Stadtsysteme sind hiernach
bewirtschaftete Vegetationseinheiten, die jeweils gleichzeitig über die
Wasserverdampfung als Kühlsegment und Energiespeicher, als Stofffilter und als
Produzent von Biomasse funktionieren. Diese Einheiten erscheinen auf ver-
schiedenen Maßstabsebenen in unterschiedlicher Ausführung.
Zum einen geht es um die Speicherung und Nutzung der Energie, welche heute
durch Flächenversiegelungen unmittelbar zur Erwärmung der Außenluft und bei
entsprechender Ausdehnung zu ungünstigen stadtklimatischen Situationen führt.
Die über tageszeitliche Perioden ablaufenden Funktionen der
Energiespeicherung und der Oberflächenkühlung durch Wasserverdampfung-
und Kondensation in der Landschaft müssen in der Stadt über entsprechende
Technologien ersetzt bzw. ergänzt werden, um den Bedarf an Wasser- bzw.
Wärmeversorgung des Menschen zu befriedigen. Die Frage der
Oberflächenbeschaffenheit bzw. der Reaktionsweise der städtischen Oberflächen
auf die solare Einstrahlung muss also verknüpft werden mit der Frage des städtis-
chen Ressourcenverbrauchs, insbesondere für die Bereiche Energie, Wasser und
organische Rohstoffe.
Wasser spielt sowohl als Energiespeichermedium wie auch als Transportmedium
eine zentrale Rolle im Naturhaushalt. Innerhalb von Gebäudehüllen können die
Transportvorgänge räumlich stark verkürzt werden. Es handelt sich um eine sehr
künstliche Form von Natur: Die Atmosphäre wird substituiert durch das
Luftvolumen des Gewächshauses. Die lebendigen Vorgänge im Boden werden
ersetzt durch die Rottevorgänge der Fermentation. Die Wasserspeicherung im
Boden wird ersetzt durch Zisternen und Brauchwassertanks. Durch den Einsatz
von Regelungstechnik und Automatisierung einerseits und die gezielte
Entwicklung von Selbstoptimierungsprozessen im Bereich der Gewächshaus-
vegetation und der Fermentationsvorgänge andererseits kann dennoch ein
Gleichgewicht erzeugt werden, dass die direkte Kontrolle unmittelbar durch den
155
Menschen im Idealfall auf das Beernten der erzeugten Güter beschränkt.
Durch das direkte Nebeneinander von Produktions- und Konsumptionsfunktionen
in dieser zweiten "Mikroatmosphäre" werden zahlreiche fremdenergiezehrende
Vorgänge (Transport, Reinigung, Düngung, Wärmegewinnung, Klimatisierung)
überflüssig. Die Zielsetzung ist also nicht einseitig auf die Erschließung von
erneuerbaren Energiequellen gerichtet, sondern gleichzeitig auf die drastische
Reduzierung des Energieverbrauchs bei der städtischen Grundversorgung. Der
städtische Ressourcenverbrauch wird hierdurch stark eingeschränkt. Die städtis-
che Oberfläche wird durch die Anreicherung von Vegetation, die Kühlung der
Oberflächen, die Kreislaufführung von Stoffen und die Erhöhung des energeti-
schen Wirkungsgrades der Charakteristik von Landschaftsstrukturen angenähert.
Die Entwicklung von überdachten Vegetationsbereichen auf schmalen,
bewässerten und ohne größeren statischen Aufwand zu erstellenden
Dachflächen kann ergänzt werden durch mehrjährige Gehölzstrukturen in
Gewächshäusern, die im gewachsenen Boden gründen und Anschluss an grund-
wasserführende Schichten finden. Auf diese Weise wird die Rückkopplung des
Bodens und der darin geführten Stoffe mit dem Gebäudesystem ermöglicht.
Zusätzliche Wassermengen werden so ohne die Leistung von Pumpen eingeführt.
Dieser Ansatz unterläuft zudem auch auf legale Weise das vorhandene Verbot
dezentraler, privater Trinkwasserbrunnen.
6.3_ Insbesondere Einfamilienhausgebiete bieten sich wegen der hohen Anzahl verlustreicher Außenflächen im
Verhältnis zum umbauten Innenraum zur Nachverdichtung an. Da diese Siedlungsform zumeist mehr als 50%
der Stadtfläche einnimmt, stellt sie ein erhebliches Potenzial dar.
157
Modell der Nachverdichtung und Entkernung städtischer Strukturen
Ein erster Schritt ist die Überbauung versiegelter Strukturen mit Verdunstungs-
und Kollektorstrukturen. Im Siedlungsbereich kann dies durchaus eine weitere
Verdichtung der Bebauung bedeuten, da neben den Dachflächen auch
Fassadenelemente als Einstrahlpotential verwertet werden. Straßenräume,
Zufahrten, Parkplätze etc. können bei zunehmender Höhe durch die Gebäude
beschattet werden oder durch die Überstellung mit leichten Gewächshäusern in
eine Gebäudehülle mitintegriert werden. Auf diese Weise kann eine sehr hohe
Ausnutzung des Einstrahlpotentials städtischer Flächen erreicht werden.
Die Optimierung des Verhältnisses von umbautem Innenraum zu verlustreicher
Außenfläche veranlasst ebenfalls eine Nachverdichtung heutiger
Gebäudesubstanz.
Eine Grenze erfahren Dichtewerte nach dieser Logik durch die gegenseitige
Verschattung von Gebäuden, die die Nutzung der Fassaden- und Dachflächen
wiederum einschränkt. Bei höherer Dichte steigt in der Regel auch der
Ressourcenverbrauch. Die eingestrahlte Sonnenenergie und die Leistung der
Recyclingvorgänge kann auf einer gegebenen Fläche nur für eine bestimmte
Anzahl von Verbrauchern befriedigt werden. Insgesamt ist daher, der beschriebe-
nen Logik folgend, eher eine Nivellierung der städtischen Bebauungsdichte um
einen Mittelwert zu erwarten.
6.4_ Entwicklung städtischer Verdichtungszonen hin zu einem Mittelwert bei Nachverdichtung der Peripherie zur opti-
mierung des Verhältnisses von Volumen zu den Außenflächen (Erhöhung der Energieeffektivität) und bei Entkernung des
Zentrums wegen gegenseitiger Verschattung hoher Gebäude. Rechts: Angleichung der städtischen Dichte und sukzessive
Ausweitung von “Stadtinnenlandschaften” zur Rohstoffaufbereitung.
Behält man in Erinnerung, dass Wärme, die über solare Einstrahlung und über
Fermentationsvorgänge erzeugt wird wegen der niedrigen, realisierbaren
Vorlauftemperaturen nur sehr bedingt transportierbar ist, so kann man für den Fall
von weiterhin stark ansteigenden Energiepreisen eine sukzessive
Nachverdichtung verstreuter Vorstadtsiedlungen bei gleichzeitiger Entkernung
bestimmter Innenstadträume prognostizieren.
Bei der Beherrschung des Gewächshausklimas in Temperatur und Luftfeuchte,
nicht nur für die Bedürfnisse spezieller Pflanzen, sondern für den Menschen, wer-
den die überglasten Räume selbst zu Wohnräumen, so dass die Trennung der
verschiedenen Funktionsbereiche verschwindet. Es geht dann lediglich um eine
Zonierung verschiedener Lebensbereiche im Hinblick auf die klimatischen
Vorgaben der Umgebung und der Jahreszeiten. Die Gestaltung der
Gewächshäuser wird zu einer "Innen-Landschaftsarchitektur”. Neben der funk-
tionalen und vegetationstechnischen Gestaltung bepflanzter Innenräume wird die
Beherrschung der Klimafunktionen von Pflanzen als Ingenieursbeitrag der
Landschaftsarchitektur bei der Erstellung von Hochbauten wichtig.
Neben privat genutzten Gewächshäusern können größere Glashäuser als
Gemeinschaftsräume, als Passagen beispielsweise zur Wohnungserschließung
als Sporthalle mit natürlichem Rasen und schattigen, bewaldeten Zonen oder als
Teil von Industrie- und Gewerbegebieten entstehen.
Wasserbehaushaltung und Rohstoffproduk-
tion als Teil der Landschaftsplanung in
Siedlungsräumen
Eine nachhaltige Stadtentwicklung ist nur auf der gemeinsamen
Betrachtungsebene von Stadt und Stadtumland denkbar. Die Behaushaltung von
Ressourcen muss in den einzelnen Verbrauchseinheiten (z.B. auf der
Betrachtungsebene eines Einzelhauses) optimiert werden. Nachhaltigkeit ent-
steht aber erst, wenn die hier auftretenden Restverluste durch gezielte
Rückkopplungsmechanismen innerhalb größerer Maßstabsebenen (Stadtteil-
ebene, Stadtumlandebene) verwertbar bleiben.
In Bezug auf die Energie- und Rohstoffversorgung sind keineswegs, wie etwa im
"Biosphere II" Projekt (vgl. Kpt.1, Integrierte Gewächshaussysteme), autarke
Strukturen innerhalb eines Gebäudes gemeint. Die Rohstoff- und
Energieversorgung des Gebäudes fußt in großem Umfang auf dem Eintrag
nachwachsender Rohstoffe und deren Weiterverarbeitung in den
Fermentationsmodulen. Es wurde gezeigt, dass hier theoretisch sowohl Teile der
Lebensmittelversorgung als auch Segmente der Industrierohstoffproduktion
innerhalb der dezentralen Gebäudestrukturen realisiert werden können.
Hohe Stoffumsätze innerhalb des Gebäudes führen, insbesondere in den
158
strahlungsärmeren Jahreszeiten, auch zu Stoffausträgen in Form von Wasser und
organischen Abfallstoffen. Diese können zur Bewässerung und Düngung
umliegender Landschaftsbereiche herangezogen werden. Entscheidend für eine
ökonomisch rentable wie ökologisch tragfähige Entwicklung ist dabei, dass die
Produktion der eingeführten, nachwachsenden Rohstoffe nicht wiederum auf
energie- und arbeitsaufwendigen landwirtschaftlichen Spezialkulturen fundiert.
Vielmehr kann preiswerte Biomasse innerhalb von selbstoptimierenden
Lebensgemeinschaften erzeugt werden, die vom Menschen lediglich durch die
Veränderung des Reliefs, durch den Eintrag von Abwasser- und Abfallstoffen und
durch die periodische Ernte von Biomasse mitbeeinflusst wird.
Es fällt den meisten Menschen schwer, Abwasser mit den darin enthaltenen
organischen und mineralischen Verbindungen als eigentlich wertvolles Wasser
anzusehen, welches Pflanzen als Nährmedium dienen kann. Der Begriff der
Pflanzenkläranlage thematisiert nur die Reinigungsfunktion von Pflanzen.
Darüber hinaus wird durch die besonders hohe Verdunstungsleistung von
bewässerten Pflanzflächen ein Kühleffekt erzielt, der insbesondere aus stadtkli-
159
6.5_ Schilfröhricht und Weidengebüsch: Feuchtvegetation, die bei optimaler Wasser-, Licht- und Nährstoffversorgung eine maxi
-
male Biomassenproduktivität aufweist. Die weitgehend ohne Pflegemaßnahmen aufwachsende Vegetationsstruktur kann durch
Fermentation energetisch wie - über die Delignifizierung - auch stofflich erschlossen werden. Eine energetisch sinnvolle
Ausbeute der niedrigen Fementationstemperaturen ist allerdings nur in einer völlig dezentralisierten Form, direkt bei den
Energieverbrauchern möglich.
matischer Sicht von hoher Bedeutung ist.
Durch die Kombination von Wasser und Nährstoffen steigt die
Bruttoprimärproduktion von Vegetationsstandorten erheblich. Es liegt nahe, die
hier entstehende Biomasse etwa als Rohstoff für Baumaterialien, zur
Energiegewinnung oder auch für hochwertige, biotechnische Produkte in einen zu
entwickelnden Produktionskreislauf der Stadt zu integrieren.
Aus einer solchen, mehr gärtnerischen Sichtweise erscheint die Maximierung
solcher Flächen als sinnvoll: Das Wasser sowie die darin enthaltenen Werte von
Stickstoff und Phosphor sind ausreichend für die optimale Versorgung einer
gegenüber einer Pflanzenkläranlage ca. zehnfach größeren Vegetationsfläche.
Bei einer solchen Flächendimensionierung könnte das Wasser in der
Vegetationsperiode vollständig verdunsten.
Ausgehend von dieser Überlegung ist ein grundsätzlich anderes Entsorgungs-
system für städtische Regionen denkbar: Mit der Sammlung von Fäkalien in
Trockentoiletten mit Hilfe von Vakuumtechnik könnte die Abwasserflut der städtis-
chen Haushalte extrem entschärft werden. Es bestünde die Möglichkeit, das
verbleibende Grauwasser etwa aus Duschen und Waschmaschinen über
Oberflächengewässer entlang des natürlichen Geländegefälles auf
Pflanzenproduktionsflächen zu leiten. Kanalisation und Kläranlagen würden im
Idealfall überflüssig. Heutige Probleme von Pflanzenkläranlagen, wie die
Notwendigkeit einer Abdichtung durch Beton oder PVC-Folien, die hohen
Anforderungen an die Reinigungsleistung, verbunden mit umfangreichen
Wartungs- und Pflegekosten, sowie die Notwendigkeit der Einzäunung der
Anlagen aus Sicherheitsgründen könnten bei einer entsprechend großzügigen
Dimensionierung entfallen.
Der menschliche Eingriff auf so entstehenden Pflanzenproduktionsflächen könnte
reduziert werden auf die Veränderung des Reliefs zur Optimierung der
Wasserverteilung und -bevorratung im Gelände, auf die Zuführung von nähr-
stoffreichem Wasser und von organischen Reststoffen sowie auf die regelmäßige,
an die Produktivität des Standortes angepasste Entnahme von Biomasse. Auf
diese Weise kann sich eine spontane, selbst optimierende Vegetations-
Zusammensetzung entwickeln, die abgesehen von den genannten Eingriffen
nicht weiter kontrolliert werden muß.
Entscheidend bleibt dabei die Nähe von Gebäude und Produktionslandschaft, da
sowohl der Transport der Erntegüter als auch der Abfallstoffe energiezehrend ist.
Die Verdichtung vorhandener städtischer Strukturen kann in diesem Sinne ein-
hergehen mit der Rückentwicklung benachbarter Flächen der Landwirtschaft oder
auch etwa von ehemaligen Industrie-, Verkehrs- oder sonstigen Brachflächen zu
Produktionslandschaften, die gleichzeitig klassische Garten- und
Freiraumfunktionen beinhalten.
Da heutige Stadtregionen sowohl zu einem großen Anteil aus sehr gering
verdichteten Gebieten und daneben aus zahlreichen Fragmenten in Form von
Brachen oder landwirtschaftlichen Restflächen bestehen, erscheint ein solcher
160
Umbau auf den vorhandenen Territorien heutiger Siedlungsräume möglich. Bei
entsprechender Vegetationstechnik ist es möglich, hierbei auch kostengünstige
Verfahren der Bodensanierung in den Nutzungsprozess miteinzubeziehen, da mit
wachsender Produktivität bei Vernässung und Düngung schnell wachsender
Pflanzen auch die Schadstoffentnahme aus dem Boden deutlich erhöht wird.
Gestaltung von Rohstofflandschaften
Analog zur Verschmelzung von Gebäude und Gewächshaus in einen zusam-
menhängenden Wohnraum vollzieht sich die Nutzung der Produktionsland-
schaften als Erholungsraum durch die Integration von Wegenetzen und den
Einbau von Nutzungszonen. Gerade das Nebeneinander der verschiedenen
Freiraumansprüche führt zu einer modernen Form von städtischer Landschaft. In
einem, dem jeweiligen Ort angepaßten Entwurfskonzept können zahlreiche
Synergismen zwischen den verschiedenen Aspekten initiiert werden. Ein solcher
Ansatz führt auch unter ästhetischen Kriterien zu authentischeren Lösungen als
die gängige, symbolische Inszenierung der "heilen" Kulturlandschaft oder die
bloße Aussperrung von Nutzungen in Naturschutzgebieten.
Der Berliner Tiergarten wurde einst von Peter Josef Lenné unter wasser-
haushaltlichen Gesichtspunkten umgeplant, wobei der Einbau einer zweiten
Schleuse ein oberflächennahes Wasserregime und somit einen optimierten
Vegetationsstandort geschaffen hat, der bis heute wirksam ist. Es ist denkbar,
dass durch die Zuführung von Grauwasser aus angrenzenden
Siedlungseinheiten ein neuer Parktypus entsteht, bei dem neben der
Pflanzenproduktion auch konventionelle Formen der Naherholung und der
Stadtökologie erfüllt werden. Auch vorhandene Grünflächen und Parks könnten
durch die gezielte Einfügung von Wasseradern funktional und gestalterisch bere-
ichert werden.
Das Element Wasser kann dabei in seinem gesamten Gestaltrepertoire als Teich,
Graben, Brunnen, Fontäne, aber auch als Röhrichtband oder Sumpfstaudenbeet
verwendet werden. Der Bewirtschaftungsaspekt im Sinne einer periodischen
Entnahme von Biomasse könnte bei entsprechenden Entwurfskonzepten an die
Stelle des bisherigen Pflegeaspektes treten. Somit könnten auch bei anhaltend
schwieriger Haushaltssituation der Kommunen Parkanlagen als stadtklimatische
Ausgleichsräume und als Rekreationsflächen gesichert werden.
Rauminnenlandschaft und Stadtinnenlandschaft - Polarisierte Formen von
Natur
Aus den beiden vorangegangenen Abschnitten wird deutlich: Die Rückhaltung
von Stoffen und die Nutzung der solaren Einstrahlung innerhalb von
Siedlungsräumen kann zu völlig neuen Formen von Natur führen. Deren
Ausprägungen sind völlig konträr: Handelt es sich bei den Gewächshäusern um
eine Art "Natur-Maschine", in denen der Funktionsablauf durch Regelungstech-
161
nik und Automatisierung von Computern gesteuert wird, so ist der Charakter der
an die Siedlungen angrenzenden Produktionslandschaften ein völlig gegen-
sätzlicher: Von Kontrollmechanismen weitgehend befreite, vielmehr durch
Sukzessionsvorgänge optimierte Lebensgemeinschaften werden lediglich durch
die Einleitung von nährstoffreichem Wasser sowie durch Maßnahmen der
Wasserrückhaltung in ihrer Zusammensetzung beeinflussextensivierung t. Früher
oder später setzen sich aufgrund dieser Vorgaben verholzende Pflanzen
(Gehölze, Schilf oder starkwüchsige Stauden) durch, die rohstofflich genutzt wer-
den können.
Im Gegensatz zur konventionellen, industriellen Landwirtschaft in
Gewächshäusern oder im Freiland handelt es sich bei beiden Systemen um
extrem Energieeffektive, weitgehend energieautarke Strukturen. Im Gegensatz
zum konventionellen "ökologischen Landbau" mit dem Leitgedanken der
Extensivierung von Produktionsvorgängen werden auf beiden Flächen höchste
Biomassenproduktivität und größtmögliche Erträge angestrebt. Die alte, kon-
kurrierende Auffassung von Natur als Wildnis einerseits - verstanden als "gut" und
"ursprünglich" - sowie als Rohstoff zur industriellen Verwertung andererseits - ver-
standen als "artifiziell" und "notwendig" - steht dabei neu zur Disposition.
Ausgleichbarkeit von Eingriffen in den Naturhaushalt im Rahmen von
Baumaßnahmen - ein neuer Standpunkt
Eingriffe durch Veränderung des Klimahaushalts: Bauen und Produzieren
bedeutet bis heute fast immer einen negativen Eingriff in den Naturhaushalt bzw.
eine ökologische Verschlechterung der Ausgangssituation. Dies gilt insbesondere
für den Klimahaushalt, denn die Erstellung von Gebäuden und
Erschließungsstraßen führt immer zu Bodenversiegelungen. Flächen, die bisher
durch die Verdunstungsleistung von Vegetation gekühlt wurden, erhitzen sich bei
Sonneneinstrahlung. Dies führt zu ungewünschten klimatischen Effekten, auf
gesamtstädtischer Sicht zu Wärmeinseln im zentralen Verdichtungsbereich.
Zahlreiche Landschaften, etwa der Landwirtschaft oder des Rohstoffabbaus sind
im Hinblick auf die Klimaeigenschaften allerdings ebenfalls defizitär. Das gleiche
gilt für natürliche Steppen und Wüsten. Hieraus lässt sich ableiten, dass durch
eine mit dem Naturhaushalt harmonierende Bau- und Produktionsweise, welche
die Kühlfunktion der Oberflächen mitberücksichtigt, nicht nur der bisherige anthro-
pogene Eingriff behoben werden könnte, sondern dass theoretisch eine über
dieses Stadium hinausgehende Verbesserung möglich ist.
Eingriffe durch erhöhten Ressourcenverbrauch: Während bestimmte
Verbrauchsarten, wie etwa der Wasserverbrauch an Personen gebunden sind,
steigt der Energieverbrauch, insbesondere für Heizung und Kühlung von
Gebäuden mit jedem neu errichteten Kubikmeter umbauten Raum.
Dieser Faktor wird jedoch umgekehrt, wenn die Energiequelle bei solaren
162
Nutzungen vorwiegend über die Oberfläche des Gebäudes erschlossen wird.
Unter diesem Gesichtspunkt wird eine gewisse Grundflächengröße als
Einstrahlfläche pro Volumeneinheit benötigt, die eine beliebige Verdichtung durch
Erhöhung der Gebäude verbietet. Der heute noch anhaltende Trend zur weiteren,
räumlichen Ausweitung der Ballungsräume verbessert in diesem Zusammenhang
letztlich die Ausgangssituation im Hinblick auf das solare Einstrahlpotenzial zur
Energiegewinnung wie auch auf das Flächenpotenzial zur wohnungsnahen
Erzeugung von Biomasse.
Hinzu kommt die Rückkopplung mit dem Boden: Ein Hochhaus mit einem
bestimmten Außenmaß hat bei kleiner Grundfläche wesentlich höhere
Außenflächen als ein gleich geformter, aber horizontal aufliegender Baukörper mit
großer Grundfläche.
Neben dem Energieverbrauch des Gebäudes muss aber auch der sonstige
Ressourcenverbrauch eines Haushalts mitberücksichtigt werden. Durch die
Fundierung unseres Industriesystems auf preiswerte, fossile Energiequellen wur-
den in allen Bereichen der Wirtschaftskette von der Rohstofferschließung und -
verarbeitung über den Transport, den Konsum bis zur Umweltnachsorge
energieineffektive Verfahren etabliert. Durch diese Billigenergie verlor auch der
Boden und die Flächennutzung als Produktionsfaktor zunehmend an Bedeutung.
Selbst landwirtschaftliche Kulturen besitzen heute teilweise einen höheren Input
an fossiler Energie (Düngung, Pflanzenschutz, Bodenbearbeitung, Transport) als
letztlich in Form von Biomasse entnommen wird.
Bei der grundlegenden Konzeption einer regenerativen, nachhaltigen
Wirtschaftsweise auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen und solarer
Energie steht nicht die Frage nach neuen Flächenbewirtschaftungen im
Mittelpunkt, denn deren Grundprinzipien sind einfach und ließen sich - wie
gezeigt - vergleichsweise leicht und schnell realisieren, wenn die wirtschaftlichen
Rahmenbedingungen es nur erlauben würden.
Im Mittelpunkt steht vielmehr die Frage nach einer Basistechnologie zur zukünf-
tigen Grundversorgung mit Lebensmitteln, Energie, Wasser und Wohnraum, die
mit diesen, nachhaltig erzeugbaren Rohstoffen kompatibel ist und deren
Produktivität hoch genug ist, um auf der Basis der potentiell verfügbaren
Flächenressourcen für die heute vorhandene, bzw. weiter steigende Anzahl von
Menschen auszureichen. Auf Grundlage dieser Technik werden dann auch
Veränderungen in der Landschaft wirtschaftlich sinnvoll.
Durch das Zusammenwirken einer neuen Landbewirtschaftung und einer
Bebauungsstruktur, die als solare Einstrahlfläche wie auch als Transformations-
raum für nachwachsende Rohstoffe dient, könnten Stadtregionen entstehen, in
denen der Mensch durch seine spezifische Wirtschaftsweise zum Teil eines
selbststabilisierenden Ökosystems wird.
163
Eine neue Qualität von Stadtwachstum
Durch den extrem niedrigen Wasserverbrauch aufgrund der hohen Recyclingrate,
durch das Modul der Meerwasserentsalzung und der Möglichkeit von Gartenbau
auf kompostbasierten Kultursubstraten könnten der extreme Wassermangel und
die Versorgungsengpässe vieler Städte auf völlig dezentrale Weise gelöst wer-
den.
Darüber hinaus scheint eine Urbanisation heute nahezu unbewohnbarer Gebiete
möglich. So kann bei verfügbaren Meer- oder Brackwasserquellen zunächst
Trinkwasser für den Gebäudegebrauch produziert werden, welches anschließend
als Grauwasser in den Gewächshäusern sowie in Außenanlagen bei der
Pflanzenproduktion verwendet wird. Der Wassertransport kann in ebenem
Gelände über salzwasserführende Ringkanäle organisiert werden, die dem
Prinzip von Salinen folgend, periodisch Meer- oder Brackwasser zuführen aber
auch konzentriertes Salzwasser abführen. Im Bergland kann Wasser über
miteinander verbundene Gewächshäuser innerhalb eines zusammenhängenden
Luftkanals in Form von wassergesättigter Luft durch Ausnutzung des natürlichen
Auftriebs transportiert werden. Die Verteilungsweise des Wassers bildet dann das
Grundmuster neuer Besiedlungsformen.
Vor diesem Hintergrund kann der Begriff "Wachstum" in Bezug auf
Bevölkerungswachstum - aber letztlich auch im Bezug auf Wirtschaftswachstum
neu diskutiert werden.
164
165
6.7_ Urbanisierung bisher unbewohnbarer Gebiete durch die Verteilung und Entfernung von Salzwasser
Links: Das Landschaftliche Umfeld der großen Landschaftssenken, beispielsweise der Katharra-Senke in
Ägypten oder des Salton Lakes in der südkalifornischen Wüste könnte über Ringkanäle auf Meereshöhe mit
Salzwasser als Basisrohstoff einer Urbanisierung versorgt werden. Das nach der Entsalzung verbleibende, ange-
reicherte Salzwasser könnte dann am Fuße der Senke in einen großen Salzsee münden, der als makroklimatisch
wirksamer Wärmespeicher dem vorhandenen Wüstenklima entgegenwirken könnte.
Rechts: In großen Niederungen in Küstennähe kann das Salzwasser nach dem Salinenprinzip verteilt werden,
indem bei Flut Meerwasser in ein Grabensysstem strömt. Bei Ebbe kann das konzentrierte Salzwasser über einen
Auslassgraben wieder entfernt werden. In einner weiteren Variuante kann versalztes Grundwasser verwertet wer
-
den und als linearer Strom von konzetriertem Salzwasser ins Meer zurückfließen.
6.6_ Besiedlung von bisher unbewohnbaren Standorten: Transport von entsalztem Wasser in Form von
Wasserdampf bis zur Bergspitze. Verteilung des Wassers über den besiedelten Berghang und über die
Wasserscheide des Berges ins Binnenland
Beispiel für einen städtebaulichen
Gesamtentwurf
Der städtebauliche Realisierungswettbewerb Dülmen, "Rahmenplan Dernekamp"
wurde als Beispiel für die Anwendung der bisherigen Aussagen an einem
konkreten Ort gewählt. Für die Auswahl dieses Wettbewerbs sprachen insbeson-
dere die beiden folgenden Argumente:
- Im Rahmen der geforderten Neuplanung eines Stadterweiterungsgebietes kann
von einer weitgehend optimierten Auslegung der Anwendungsbeispiele ausge-
gangen werden, da kein Gebäudebestand berücksichtigt werden mußte.
- Im Wettbewerb wurden Konzepte für eine Solarsiedlung im Rahmen des
Programms "50 Solarsiedlungen in Nordrhein-Westfalen" der Landesinitiative
Zukunftsenergien NRW eingefordert.
Der Standort
Dülmen liegt zwischen Münster und Recklinghausen. Als Wohnstandort liegt es
im Einzugsgebiet der beiden Städte sowie des angrenzenden Ruhrgebiets. Die
geplante Siedlungserweiterung steht vor dem Hintergrund einer anhaltenden
Nachfrage nach Eigenheimen. Das ausgewiesene Gebiet "Am Dernekamp" hat
eine Fläche von 110 ha. Es liegt am südlichen Stadtrand zwischen nördlich gele-
genen Gewerbeflächen, einer Kaserne und einem kleineren
Einfamilienhausgebiet zur Stadt hin und grenzt südlich an landwirtschaftliche
Flächen mit eingestreuten Hoflagen.
Thematisierung der städtebaulichen Dichte
Es wurde auf die heutige Nachfragesituation im Ort nach Wohnraum mit 10%
Mehrfamilienhäusern, 40% freistehenden Einfamilienhäusern, 30%
Doppelhaushälften und 20 % Reihenhäusern verwiesen. Dagegen wurde aber
auch auf die zukünftige Notwendigkeit von kompakteren Bauweisen im Rahmen
der Energieeffizienz hingewiesen, vor dessen Hintergrund eine Neubewertung
der heutigen Nachfragesituation notwendig ist.
In dem erstellten Beitrag wurde diese besondere Problematik in den Mittelpunkt
gestellt. Die geforderte Bruttogeschoßfläche wurde auf einer wesentlich kleineren
Grundstücksfläche in weitgehend kompakten Wohnquartieren realisiert.
166
6.8_ Lage des Wettbewerbsgebiets: Ausgehend vom nordwestlich gelegenen Stadtzentrum verringert sich der
Zusammenhalt der einzelnen, weiterhin kompakten Siedlungskörper bis zur Maßstäblichkeit der außerhalb der
Stadt gelegenen Hoflagen. Der Wettbewerbsentwurf vollzieht hierbei einen stufenlosen Übergang durch die
Streuung der einzelnen Baugruppen.
167
Nord
Übergeordnetes Konzept
Basis des Konzepts sind einzelne Bebauungsgruppen, die am bisherigen
Stadtrand eine kompakte Struktur bilden, zur Landschaft hin kleiner werden und
schließlich flächenmäßig die Dimensionierung der angrenzenden Hoflagen
annehmen. Das Zentrum des Gebiets bildet ein großer Landschaftsraum, der vom
nördlich angrenzenden Bestand aus als schmaler Korridor beginnt und sich
schließlich zur Landschaft hin öffnet. Dieser Bereich wird nicht zur
Wohngebietsfläche gerechnet, sondern soll vielmehr weiterhin landwirtschaftlich
genutzt werden.
Erschließung
Aufgrund der umliegenden Straßenführung erscheint eine netzartige
Erschließung nicht notwendig. Die einzelnen Baugruppen werden von außen über
Stichstraßen erschlossen. Auf diese Weise kann der innenliegende
Landschaftsraum vom Kfz-Verkehr freigehalten werden. Ein Wegenetz für
Fußgänger- und Radfahrer erschließt den Landschaftsraum und die
Zwischenräume der Baugruppen. Das Stadtzentrum, der Bahnhof sowie die im
nördlichen Wettbewerbsgebiet liegenden Infrastruktureinrichtungen wie Schule,
Kita und diverse Läden sind auf diese Weise gut und schnell erreichbar.
Die Baugruppen
Die Baugruppen umfassen die jeweilige Stichstraße, die Baugrundstücke mit
Gärten, eine autonome Fußgängererschließung mit Anschluss an das übergeord-
nete Wegenetz sowie die jeweils zugehörigen Gewächshausflächen. Die kom-
pakte Bauweise ermöglicht die Platzierung der Gebäude in einem großzügigen
Naturraum. Die Realisierung großer Geschoßflächenzahlen auf relativ kleinen
Grundstücken ermöglicht zudem kostengünstige Immobilienangebote. Die
Ausbildung der unterschiedlichen, verwendeten Gruppen wurde im Kapitel 5,
Anwendungsbeispiele/Wohngruppen beschrieben.
Wasserkonzept/Landschaftskonzept
Neben den erschließungstechnischen Lösungen bildet die landschaftliche
Vorgabe des Reliefs und des Wasserabflusses das zentrale Muster des städte-
baulichen Entwurfs. Es bestehen zwei verschiedene Abflussbereiche. Ein
kleineres Gebiet im Norden führt in Richtung Kaserne nach Westen. Eine
168
6.9_ Gesamptplan der Siedlungserweiterung: Die unterschiedlich dimensionierten Baugruppen umschließen
einen Landschaftsraum, der aus bewässerten Terrassenelementen besteht. Diese werden über zwischen den
Baugruppen verlaufenden, linearen Gräben mit überschüssigem Grauwasser versorgt. Durch ein von außen
angelegtes Erschließungssystem mit Sackgassen entsteht ein vom KFZ-Verkehr befreiter, zusammenhängender
Freiraum mit Übergang in die offene Landschaft.
169
170
6.10_ Detailausschnitt: Wohngruppen mit Gebäuden (schraffiert), Gewächshäusern (hellgrün) und Gärten
(dunkelgrün) umformen eine landschaftliche Mitte. Von den Gebäuden aus fließt Grauwasser über lineare,
offene Gräben (dunkelblau) in terrassierte Rückhalte- und Verdunstungsflächen (hell türkis).
größere, nach Südwesten führende Talmulde öffnet sich zur angrenzenden
Landschaft. Die hier gegenwärtig bestehenden Gräben werden so modifiziert,
dass ein von der Kanalisation völlig unabhängiges Entwässerungssystem ent-
steht.
Offene Gräben zwischen den Bebauungsgruppen führen das in den
Gewächshäusern vorgereinigte, aber nicht verdunstete Wasser ab. Zudem wird
Wasser von Straßen, Zuwegen und sonstigen, versiegelten Flächen über die
Gräben abgeleitet. Die Gräben sind ein wichtiges Element zur Gestaltung der
schmalen Freiräume zwischen den einzelnen Bebauungsgruppen. Sie führen
jeweils parallel zu den dort befindlichen Wegen und bilden die Begrenzung der
jeweils nördlich anschließenden Gärten. Durch diese Positionierung erhalten sie
genügend Sonnenlicht zur Bepflanzung der Grabenrandbereiche mit unter-
schiedlichen Wasserpflanzen.
Die Gräben führen entlang des natürlichen Gefälles in die beiden größeren
Landschaftsräume. Dort sind mehrere, an das Relief angepasste
Terrassenanlagen angeordnet, die das Wasser aufnehmen. Die jeweils ersten,
also höher liegenden Terrassen sind als mit Schilf bepflanzte Rückhaltebecken
ausgebildet. Sie können bis zu einer Wassertiefe von 1,5 - 2m geflutet werden.
Dies entspricht dem Schwankungsbereich, der beim Bewuchs mit Schilfpflanzen
maximal möglich ist. Die Funktion der Wasserrückhaltung gewährleistet eine
endgültige Reinigung des eingeleiteten Grau- und Oberflächenwassers. Zudem
wird die kontinuierliche Bewässerung der unteren Terrassenebenen auch in län-
geren, niederschlagsfreien Perioden möglich. Hierdurch können auf der
gesamten vorgesehenen Fläche feuchte bis sumpfige Vegetationsformen
realisiert werden, die bei den eingeführten Nährstoffgaben ein hohe
Bruttoprimärproduktion erreichen können. Bei einer Bewirtschaftung können
entsprechend hohe Erträge in Form von nachwachsenden Rohstoffen erzielt wer-
den. Zudem kann der durch das Gewächshaus/Kaminsystem nicht erfaßte
Erwärmungseffekt der Bebauung durch die hohe Verdunstungsrate der
Vegetation unmittelbar siedlungsnah ausgeglichen werden.
Beim Anbau von Schilf und von Gehölzen des Weichholzbereiches (Weiden,
Erlen, Pappeln), die temporär beschnitten werden, bilden sich niedrige
Wuchsformen heraus, die die geplanten räumlichen Weiten mit entsprechenden
Sichtbeziehungen im Siedlungsraum nachhaltig bewahren.
Durch den Bau von kleinen Pfaden auf den Terrassenzwischenräumen kann das
gesamte Gebiet für Spaziergänger und als Spielbereich für Kinder erschlossen
werden.
171
Wirtschaftlichkeitsaspekte
Vergleich mit vorhandenen
Wettbewerbstechnologien
Das System verfolgt die Zusammenlegung verschiedener, vorwiegend stadttech-
nischer Funktionen durch kurzgeschlossene Kreislaufprozesse auf der Gebäude-
oder Stadtteilebene, also direkt beim Verbraucher oder in dessen unmittelbarer
Nähe. Für eine Einschätzung der Wirtschaftlichkeit müssen somit verschiedene
Wettbewerbstechnologien herangezogen werden.
Existierende Systeme der Ver- und Entsorgung sind zumeist zentral organisierte
Anlagen wie Wasserwerk, Meerwasserentsalzungsanlage, Kraftwerk, Kläranlage
oder Müllverbrennung mit entsprechender Leitungs- bzw. Transportinfrastruktur,
also Wasser- Gas- und Stromleitungen, Tankwagen für Heizöl (z.T. auch für
Wasser), Kanalisation oder Müllabfuhr. Die Anlagen sind durch den Umsatz von
sehr großen Mengeneinheiten hoch produktiv. Der Aufbau und die Instandhaltung
der erforderlichen Transportinfrastruktur senkt die Produktivität wiederum.
Insbesondere dezentrale Siedlungsstrukturen erhöhen den Transportaufwand.
Die Durchmischung sehr unterschiedlicher Stofffraktionen bei Müll und Abwasser
minimieren die Möglichkeit der Verwertung.
Des weiteren kommen Energiekosten hinzu, die allerdings momentan noch keine
ausschlaggebende Größe darstellen. Dies könnte sich ändern. Neben
Energiekosten für Transportfahrzeuge und Pumpleistungen oder
Energieverlusten bei Stromleitungen wird auch beispielsweise der Energiegehalt
von Abfallstoffen, die durch das Kanalsystem abgeführt werden, auf dem Weg
zum Klärwerk nahezu vollständig aufgezehrt.
Die Versorgungsstrukturen werden vorwiegend von Monopolunternehmen
betrieben, eine Tatsache, die die Preissituation für den Endverbraucher nochmals
verschlechtert. Die erhöhten Kosten bei der konventionellen Ver- und Entsorgung,
die auf Monopolstrukturen oder Aufwendungen für notwendige Bürokratie zurück-
zuführen sind, begünstigen letztlich die Wirtschaftlichkeit eines konkurrierenden
Systems, da die Preise für die heutigen Leistungen bereits auf einem hohen
Niveau liegen.
Beim vorliegenden System ist die Kostenseite umgekehrt: Durch die radikale
Dezentralisierung der Anlagen bis auf die Einheit des Endverbrauchers entstehen
vergleichsweise hohe Bau- und Betriebskosten im Bereich der Anlagen.
Demgegenüber werden die Kosten für die Transportinfrastruktur minimiert.
(Kleinere Dimensionierung oder Wegfall von Transportleistungen oder
Leitungsnetzen bei Wasserleitungen, Kanalisation, Müllabfuhr, Pumpleistung,
Energieverluste).
Die gezielte energetische und stoffliche Nutzung von Reststoffen führt zu
Einnahmen, die den Kosten für die Anlagen entgegen gerechnet werden können.
Ein weiterer Punkt ist die Erhöhung der Wohnqualität durch die Angliederung
173
7_
eines Gewächshauses an das Wohnhaus. Neben Einnahmen durch den Anbau
von Lebensmitteln (wiederum gegenzurechnen mit Endverbrauchspreisen) kann
die Wohnqualität durch zusätzlich nutzbaren Wohnraum und die höhere
Umweltfreundlichkeit des Systems konkrete Vorteile bringen.
Die Substituierung der thermischen Masse der Baumaterialien durch den
Wasserspeicher zur Gebäudebeheizung und -kühlung kann zudem die Baukosten
erheblich reduzieren, wenn das Bauen mit Beton, Ziegel oder Naturstein durch
Leichtbauweisen ersetzt werden kann.
Ein entscheidender Faktor für das gesamte Marktpotenzial des Systems ist in der
Logik des Dezentralen verankert: Wird es möglich, die gesamte Kostensituation
in die Nähe des vorhandenen Preisniveaus für den Endverbraucher zu bringen,
verteuert quasi jeder Verbraucher, der aus dem zentral organisierten System
aussteigt, die Kosten für die verbleibenden Verbraucher. Die vorhandenen
Fixkosten für die bestehenden Anlagen und die zugehörige Leitungsinfrastruktur
werden durch deren Ausstieg nicht verringert und entsprechend auf höherem
Niveau umverteilt. Es entsteht somit ein subversiver "point of no return", an dem
die Kostenspanne so weit ausschlägt, dass das alte System völlig unrentabel
wird, und dies unabhängig von der Gesamtproduktivität der beiden Systeme. Ein
vergleichbares Phänomen ist beispielsweise die Absenkung der Wirtschaftlichkeit
des Kabelfernsehnetzes durch die dezentrale Möglichkeit des
Satellitenempfangs.
Beispielhafte Kosten-Nutzen Bilanzierung
Für zwei verschiedene Anwendungen werden beispielhaft Überlegungen zur
Wirtschaftlichkeit in Bezug auf die entstehenden Kosten sowie die möglichen
Einnahme- und Einsparpotentiale angestellt.
Beispiel 1: Einfamilienhaus bei mittlerem Komfort:
Es wird von einem zweigeschossigen Wohnhaus mit vier Bewohnern (120 m2
Wohnfläche/ 60m2 Grundfläche) und einer bestrahlten Fassaden/Dachfläche von
90 qm sowie einem vorgelagerten Gewächshaus von 60 m2 ausgegangen.
Wasserversorgung
Durch das Gewächshaus wird die Dachfläche des Gesamtgebäudes deutlich ver-
größert, was auch die Möglichkeit der kontrollierbaren Regenwassernutzung
erheblich verbessert. Bei einem durchschnittlichen, jährlichen Regenfall von 600
mm muss rund ein Viertel der Wassermenge für Selbstreinigungszwecke und
Interzeption (Regenanteil, der auf dem Dach wieder verdunstet) abgezogen wer-
den. Bei einer Dachgröße von 120 m2 entsteht so bei einer jährlichen
Niederschlagsmenge von 600 mm ein nutzbares Volumen von 48 m3/a bzw. von
132 l/d.
Für die Funktion der Wasserrückgewinnung kann aufgrund der überschlägigen
Berechnungen ein durchschnittlicher Wert von 200 l/d angenommen werden.
174
Zusammen stehen also rund 330 l Wasser pro Tag zur Verfügung. Dies reicht bei
vier Personen für eine Versorgung von 83 l pro Bewohner. Bei der vorgesehenen
Einrichtung von Trockentoiletten und sonstigen, möglichen Vorkehrungen zum
Wasser sparen kann diese Menge bereits für eine autarke Versorgungssituation
ausreichen. (Heutiger Wasserverbrauch liegt bei 100 - 120 l/d/Person)
Wie aus der unten aufgestellten Liste der Einsparmöglichkeiten hervorgeht, bildet
die Bereitstellung von Brauchwasser aus Regenwasser und Wasserrück-
gewinnung einen zentralen Faktor zur Rentabilität, da auch das Abwasserauf-
kommen über die Frischwasserzufuhr abgerechnet wird. Eine getrennte
Abrechnung oder auch die Möglichkeit der dezentralen Gewinnung von
Brauchwasser aus Oberflächengewässern oder aus privaten Brunnen ist in der
heutigen rechtlichen Situation und bei der heutigen Zusammensetzung der
Marktakteure unwahrscheinlich. Grundsätzlich wäre eine solche Nutzung als
Ergänzung zur Regenwassernutzung und des Wasserrecyclings aber unbedingt
sinnvoll.
Wasserentsorgung
Durch die vorgesehenen Trockentoiletten und den Einbau eines Filters bei der
Küchenspüle und Spülmaschine entsteht ausschließlich gering verschmutztes
Grauwasser. Dies passiert die Vegetationsflächen im Gewächshaus. Da vor allem
im Winter nicht sämtliches Wasser verdunstet, müssen zumindest teilweise oder
saisonal Sumpflanzen eingesetzt werden. Das Wasser wird also zum Teil verdun-
stet und wiedergewonnen, zum Teil passiert es den Wasserkörper der
Sumpfbeete und verlässt das Gewächshaus nach Außen.
Im Außenbereich entstehen Kosten für den Bau von (je nach städtebaulicher
Situation) offenen oder verrohrten Gräben, sowie von bepflanzten
Rückhalteteichen, die auch zur Aufbereitung von Regenwasser aus den
Straßenbereichen genutzt werden. Diese Flächen können landwirtschaftlich
genutzt und/oder in vorhandene, städtische Freiflächen integriert werden. Die
Kosten für das Wassersystem außerhalb des Grabensystems kann somit u.U. für
den Verbraucher kostenfrei gebaut und betrieben werden.
Energieertrag
Grundlage der Berechnung bilden die Einstrahlflächen des Gewächshauses, der
Südfassade sowie 50% der vorhandenen Dachfläche. Zur Nutzung der einges-
trahlten Sonnenenergie und der entstehenden Kompostabwärme ist neben dem
Gewächshaussystem ein Wärmespeicher notwendig. Der Speicher wird mit
zunehmender Größe wirtschaftlicher. Ein Nahwärmesystem für rund 100
Haushalte ist um den Faktor 2 billiger als eine Einzelanlage (Fisch 1999).
Ausgehend von den Berechnungen kann von einem Energieertrag von 3500
kWh/a saisonal speicherbarer Solarwärme sowie einer Energiemenge von 2000
kWh, die über Tag/Nacht-Rückhaltung von Wärme in den Übergangsjahreszeiten
ausgegangen werden.
Müll
Die organischen Stoffanteile des Hausmülls und der Fäkalien können zerkleinert
175
Investitionskosten bei 25 Jahre Laufzeit, umgerechnet auf Kosten/Monat
€ €
Gewächshaus incl. Bewässerungssystem, 60 m2 10.000
Kamin einschl. Luftbefeuchter, 90m2 5.000
Rückführschacht (Nutzung als Heizkörper im Winter 2.500
Saisonspeicher (Teil einerr Gemeinschaftsanlage),
60m3 * 100 EUR 6.000
Automatisierungskomponenten 2.000
Zusatzkosten für Vacuum-Trockentoilettensystem 2.000
Behälter für Regenwasser und rückgewonnenes Wasser 3.000
Anlagen außerhalb des Grundstücks zur Verteilung, Filterung
undVerdunstung von vorgereinigtem Grauwasser (Teil einer
Gemeinschaftsanlage)
2.500
Zinsen (statistisch, 8%) 33.000
/2*25*8%
33.000
Verschleißmaterialien (Pumpen, Filter) (5*5 Jahre) 1.000*5 5.000
Zinsen (statistisch, 8%) 1000
/2*25*8%
1.000
Unterhaltungskosten (25*1 Jahr) 500 * 25 12.500
Zinsen (statistisch, 8%) 500/2*25*8% 500
Kosten für 25 Jahre 88.000
Investitionskosten, umgerechnet auf einen Monat /25/12 303,00
Einnahmen/Einsparungen pro Monat
Energie für Heizzwecke in den Übergangsmonaten
2.000 kWh * 0,06 EUR/kWh / 12 Monate 166 kWh
* 0,06 EUR/
12months 10
Energie für Heizzwecke im Winter (Saisonspeicher-Entladung)
3.500 kWh * 0,06 EUR/kWh / 12 Monate 291 kWh
* 0,06 EUR/
12months 17,5
Energie aus Kompostanlage zur Gewächshausheizung und zur
Vorwärmung von Außenluftzufuhr des Gebäudes
2.000 kWh * 0,04 EUR/kWh / 12 Monate
208 kWh
* 0,04 EUR/
12months 6,5
Wasserrecycling, 6 m3/ Monat, 1.5 EUR/m3 (2 kWh/m3) ?14 kWh
7 * 1,5 EUR 9
Regenwassersammlung (120 m2 * 0,4m / 12 Monate = 3,6 m3) (2
kWh/m3) ?7 kWh
4 * 1,5 EUR 6
Einsparung Wasserentsorgung, 10,6* 2,5 EUR / m3 (3 kWh/m3)
?32 kWh
10,6 * 2,5 EUR 26,5
Gewächshauspflanzenproduktion 12 kg/m2 * 1 EUR / 12
(0,5 kWh/kg) ? 30 kWh
60 *12 / 12 60
Gewächshaus als zusätzlicher Wohnbereich 1.5 EUR / m2 90
Einsparung durch ersetzte Bauelemente:
Erschließungskosten Kanalisation
(Energiegehalt von 2 t Beton = 2. *2.700kWh/25/12)
?18 kWh
5.000/25/12 17
Zinsen (statistisch, 8%) 5.000/2*25*8%
/25/12 17
Zentralheizungssystem
(Energiegehalt von 0,5Mg Stahl = 0,5*13.800kWh/25/12 ?23 kWh 10.000/25/12 34
Zinsen (statistisch, 8%) 10.000/2*25*8%
/25/12 34
Einnahmen/Einsparungen pro Monat 1113 kWh 327,50
176
und über Vakuumtechnik in einem Vorratstank getrocknet und gesammelt werden.
Der Abfall kann dann im Winter nach entsprechender Vorbehandlung als
Energiequelle in der Fermentationsanlage kompostiert werden. Ausgehend von
einer für das System geeigneten Größe und Kapazität des Kompostreaktors
wurde eine Heizleistung von 2000 kWh/Jahr errechnet. Die in der
Fermentationsanlage entstehende Wärme dient an strahlungsarmen Wintertagen
sowie in den Winternächten der Beheizung des Gewächshauses. Über die
Vorwärmung von Außenluft zur Gebäudelüftung im Gewächshaus dient das
Energiepotenzial auch indirekt der Gebäudebeheizung. Diese Wärmemenge wird
preislich geringer bewertet, da die Gewächshausbeheizung einen, im vergleich zu
konventionellen Gebäuden zusätzlichen Kostenfaktor darstellt.
Wohnraum
In Form von Wintergärten gibt es bereits einen Markt für an das Gebäude
angelehnte Gewächshäuser. Diese werden allerdings als Luxusobjekte vermark-
tet. Sie werden in aller Regel kaum in Form von standardisierten
Gewächshaussystemen aus dem Gartenbau, sondern als Einzelanfertigung
hergestellt. Sie sind entsprechend teurer. Die Qualität der Gewächshausanlage
als Teil des Wohnraums kann aus verschiedenen Sichtweisen gesehen werden:
Die Möglichkeit über die Vegetationsperiode hinaus Gartenbau zur
Selbstversorgung zu betreiben kann eine besondere Wohnqualität darstellen. Es
gibt allerdings den Konflikt mit der Intention der Wasserreinigung. Die hohe
Temperatur und Luftfeuchte stellt zunächst eine starke Einschränkung der
Nutzungsmöglichkeiten dar. Bei der Ausbildung einer entsprechenden
Gewächshaushöhe kann dieser Nachteil durch die dabei entstehende
Temperaturspreizung bei größerer Raumhöhe teilweise überwunden werden.
Ansonsten ist die Aufteilung der, im Vergleich zu konventionellen Wintergärten
wesentlich größeren Gewächshäuser, in einen kleinen Aufenthaltsbereich und
einen großen (weil zur Verdunstung benötigten) Vegetationsbereich nutzung-
stechnisch kein Problem. Der Wert des Wohnraumes wird für die entstehende
Quadratmeterzahl als Mietpreis (bzw. equivalenter Nutzwert) angegeben, wobei
der relativ niedrig veranschlagte Preis die erwähnten Nachteile bei der Nutzung
berücksichtigt.
Der Selbstanbau von Lebensmitteln erscheint in der Quantität durch die geringe
Grundfläche als relativ geringe Position. Der Anbau wird als Hobby-Tätigkeit
angenommen. Die Arbeitszeit wurde nicht berechnet. Aufgrund der
Eigenbedarfserzeugung können Endverbrauchspreise berechnet werden, so daß
letztlich wiederum eine relevante Summe in der Bilanz erscheint.
Anwendungsbeispiel 2: Minimalausstattung zur Grundversorgung
Für dieses Beispiel wird von einem Wohnhaus gleicher Größe ausgegangen. Es
wird ein Standort am südlichen Mittelmeer angenommen. Bei einem bisher nicht
mit Leitungsnetz und Kanalisation ausgestatteten Standort, bei der Verwendung
von vorwiegend standortüblichen Bauweisen und Baumaterialien sowie einer
hohen Nutzerbeteiligung beim Bau und Betrieb der Anlage kann von erheblich
geringeren Kosten ausgegangen werden. Das System könnte somit auch gerade
für den Einsatz in Ländern der Dritten Welt attraktiv sein.
177
Wasserver- und -entsorgung
In der beispielhaften Berechnung in Kapitel 4 wurde ein Wasserertrag von rund
350 Liter Wasser pro Tag durch Destillation errechnet. Durch biologische
Aufbereitung im Vegetationsbereich kann darüber hinaus ein Volumen von min-
destens 150 Litern aufbereitet werden. Bei fehlendem, zusätzlichen
Regenwasser reicht dies je nach Standard für die Versorgung mit Brauchwasser
von bis zu 20 Personen bei einem Minimalstandard von 25 l /Person und Tag.
Dies ist ein ausreichendes Äquivalent zur betreffenden Wohnfläche auch bei sehr
hoher Einwohnerdichte. Bei steigendem Komfort sinkt die Bewohnerdichte wobei
der Wasserverbrauch entsprechend steigt, so dass die Ertragszahlen auch für
diesen Fall realistisch sind.
Der Hauptunterschied zum ersten Anwendungsbeispiel liegt im Wegfall der (nicht
benötigten) Gebäudeheizung. Die entstehende Wärme wird zur effizienten
178
Wasserversorgung bei Wärmespeicherung im Tag-Nachtzyklus zur fortlaufenden
Wasserverdampfung und -kondensation in der Nacht genutzt. Die Kühlung des
Gewächshauses am Tag und die Beheizung in der Nacht ist ein Nebeneffekt
dieses Prozesses, der zu höheren Erträgen in den wärmsten bzw. kältesten
Jahreszeiten führen kann. Dieser Effekt wurde bei der Berechnung des
Pflanzertrages berücksichtigt.
Fermentation: Die Fermentationsanlage wird schwerpunktmäßig nicht als
Wärmelieferant, sondern vorwiegend zur Nahrungsmittelproduktion (Pilzanbau,
Herstellung von Tempe) verwendet. Der Anteil der Einkünfte aus dem Bereich
Lebensmittel ist deshalb, dem Leitmotiv der Grundversorgung folgend, auch bei
der Annahme von sehr geringen Preisen vergleichsweise hoch.
Zielgruppen
Im folgenden soll der Weg , ausgehend von einem *noch ausstehenden(
Entwicklungsschritt( bis zur Umsetzung der Idee im vorhandenen Marktkontext
kurz skizziert werden. Im Mittelpunkt stehen dabei die Beschreibung möglicher
Zielgrupppen für unterschiedliche Phasen der Entwicklung sowie mögliche, auf
diese abgestimmte Marketinginstrumente.
Die Funktionalität des Produkts kann bereits in sehr einfacher Ausführung, z.B.
mit Folientunnel-Gewächshäusern erreicht werden. Andererseits können, durch
die Kombination mit Wohnräumen, viele Anwendungsfälle in sehr hochwertigen
Ausführungen erstellt werden. Im Hinblick auf zukünftige Nutzer und das
entsprechende Kundenspektrum ergibt sich somit eine sehr große Amplitude. Die
Hauptunterscheidung liegt in der Frage, ob das Produkt vorrangig als erweiterter
Wohnraum - quasi als eine Art Wintergarten genutzt wird (wobei die versor-
gungstechnischen Effekte im Hintergrund liegen oder sogar lediglich als ökolo-
gische Spielerei in der Vermarktung der Immobilien eine Rolle spielen) - oder ob
die Funktionalität direkt abgefragt wird und sich im Vergleich zu den
Wettbewerbern im Ver- und Entsorgungsbereich auch kostenmäßig voll rechnen
muss . Für die Startphase nach Fertigstellung eines Prototyps können vier ver-
schiedene Zielgruppen anvisiert werden. Die Gruppen können sich aber auch in
ihren Spezifizierungen überschneiden.
Zielgruppe Architekten
Der Architekt koordiniert verschiedene Ingenieurleistungen. In diesem Umfeld
können die Erkenntnisse aus einem Prototyp in Absprache mit weiteren
Fachleuten (Glasbau, Klimatechnik, Bauphysik) weiterentwickelt und angewandt
werden.
Größere Architekturbüros sind aufgrund des internen Wettbewerbs auf innovative
Verfahren und Gestaltungsmöglichkeiten angewiesen. Gerade das ressourcenef-
fektive Bauen steht dabei vielfach im Mittelpunkt des Interesses. Ein Gebäude mit
179
einem integrierten Wasserrückgewinnungs- und Energiegewinnungssystem auf
Basis regenerativer Energiequellen in einem begehbaren, ästhetisch wahrnehm-
baren Gebäudeteil könnte auf eine entsprechende Resonanz stoßen.
Bei repräsentativen Bauprojekten könnte vom jeweiligen Renommee der entste-
henden Einzelbauwerke als Multiplikatoreffekt profitiert werden. Die
Planungsleistungen können über die Honorarordnung für Architekten und
Ingenieure abgerechnet werden. In einer Frühphase kann so die technische
Ausreifung des Produkts anhand von konkreten Einzellösungen gefördert wer-
den.
Zielgruppe Bauherren oder Besitzer von luxuriösen Immobilien
Die Funktion der Klimatisierung und Bewässerung von Gewächshäusern an
trockenen und heißen Standorten. Im Gegensatz zum Außenklima kann ein tro-
pisch-feuchtes Klima mit vergleichsweise gemäßigten Temperaturen erzeugt wer-
den. Die Vegetation verstärkt den Kontrast mit üppig wucherndem Grün im
Gegensatz vielleicht zu einer Wüstenlandschaft in der Umgebung. Durch die
Entwicklung von Baukastensystemen kann für fast jede Architektur - auch
nachträglich - eine bautechnische Lösung zur Anordnung der verschiedenen
Komponenten gefunden werden. Der Aspekt der Wasserver- und -entsorgung tritt
zurück hinter die direkten (Wohn-)Nutzungsaspekte, bleibt aber essenziell im
Zusammenhang mit dem spezifischen Umweltimage des Produkts.
Ressourcenschonende Bauweisen haben einen hohen Imagewert, der in diesem
Fall im Mittelpunkt steht: Hohe Lebensqualität bei gleich-
zeitig positivem Effekt für die Umwelt.
Bau und Vertrieb der Anlage könnte durch Firmen aus dem Bereich
Fertighausbau oder durch kleinere Baufirmen als Franchise-System erfolgen.
Beim Vorhandensein eines guten Demonstrationsobjektes oder zumindest von
guten Photos einer Pilotenanlage kann das Produkt insbesondere in den Ländern,
die anwendungstechnisch besonders in Frage kommen (z.B. Südeuropa,
Golfstaaten, USA) über redaktionelle Artikel in Zeitungen des
Immobiliengewerbes, sowie in populären Zeitungen im Bereich Life-Style,
Architektur und Inneneinrichtung beworben werden. Durch die Ansprache von
Hotelketten oder größeren Einzelhotels über die Öffentlichkeits- und
Umweltabteilungen der einschlägigen Tourismus-Organisationen kann eine große
Zielgruppe im Tourismusbereich angesprochen werden, die vom Umweltimage
des Systems besonders profitieren würde.
Das System wird für diese Zielgruppe - ähnlich wie bei einem Wintergarten - als
eine Art Luxusobjekt angeboten und kann auch maßgeschneidert der jeweiligen
architektonischen Gestaltung angepasst werden. Die Einspareffekte - etwa durch
die Wassergewinnung - werden dabei zur Rechtfertigung des relativ hohen
Preises herangezogen. Die Preise sind dann so etwas wie "ökologischer Ablass".
180
Zielgruppe Gebäudever- und -entsorgung
In diesem Umfeld wird die unmittelbare Funktionalität der Anlage vermittelt. Sind
die beiden erstgenannten Gruppen besonders in der Anfangsphase wichtig, so
bildet diese Gruppe mittelfristig die größte und wachstumsmäßig interessanteste
Sparte: Durch das System kann Grauwasser entsorgt, Meerwasser entsalzt und
als Brauchwasser gewonnen werden. Zusätzlich kann organischer Müll entsorgt
und stofflich sowie energetisch verwertet werden. Solarenergie kann genutzt wer-
den. Diese Leistungen werden gegenwärtig vorwiegend von Versorgungs-
unternehmen der Energie- und Wasserbranche angeboten.
1. Versorgungsunternehmen
Die Anwendung kommt zunächst in Frage für Orte, die entweder noch nicht an ein
Ver- und Entsorgungsnetz angeschlossen sind oder an denen das Netz (ins-
besondere die Kanalisation) stark renovierungsbedürftig ist, so dass sich eine
alternative Technologie durch die vergleichbar niedrigeren Erschließungskosten
rechnet. Langfristig ist prinzipiell der Ersatz der gesamten Infrastruktur möglich,
da diese immer nur eine bestimmte Lebensdauer aufweist.
Ein technisch ausgereiftes System kann vorhandenen Versorgungsunternehmen
angeboten werden. Es können hierbei Nutzungslizenzen und technische
Beratungsleistungen bei der Erstellung der Anlagen angeboten werden. Die
Versorgungsunternehmen erstellen und betreiben die Anlagen.
Redaktionelle Beiträge und Anzeigen in Fachzeitungen sowie Messeauftritte im
Bereich der Ver- und Entsorgungsbranche sowie im Energiesektor kommen als
Werbemittel in Betracht. Die Kosten für den Bau und den Betrieb der Anlagen dür-
fen bei der Preisgestaltung nicht deutlich über den bisherigen Kosten der erstell-
ten Leistungen liegen. Allerdings kann ein höherer Preis mit der höheren
Ressourceneffektivität im Rahmen von entsprechenden Förderprogrammen
sowie von formellen oder informellen Umweltqualitätszielen (z.B.
Kreislaufwirtschaftsgesetz, CO2 Zertifikate) durchgesetzt werden.
2. Endverbraucher
Die Kosten für die Wasserver- und -entsorgung, die Energieversorgung sowie für
die Müllentsorgung für den privaten Endabnehmer sind erheblich. Prinzipiell
besteht eine Anschlusspflicht an das öffentliche Netz. Kann aber bewiesen wer-
den, dass zumindest die Entsorgung autonom erfolgt, ist dieser Status juristisch
kaum haltbar. Das System gerät durch diese Situation zum direkten
Konkurrenzprodukt zu den Angeboten der Versorgungsbetriebe. Wasser kann zu
einem großen Anteil aus dem Grauwasser wiedergewonnen werden. Durch den
sparsamen Verbrauch kann der verbleibende Anteil des Brauchwassers mitunter
sogar aus der Sammlung von Regenwasser gespeist werden, was zu einer völlig
autarken Situation führen würde. Organische Abfälle werden - im Gegensatz zu
181
einer zentralen Entsorgungsstruktur - durch die Trennung von industriellen
Abfallflüssen weitestgehend stofflich und energetisch nutzbar. Abwasser und
Abfälle sind kein zu entsorgendes Produkt, sondern Rohstoffe. Systeme zur
solaren Energiegewinnung stehen in Konkurrenz zu Versorgungsunternehmen
oder zur Mineralölwirtschaft.
Das System kann in Lizenz beispielsweise durch eine Fertighausbaufirma gebaut
und vertreiben werden. Möglich sind sowohl Typen, bei denen über Verträge die
Wartung über eine dann zu gründende Betreibergesellschaft erfolgt, wie auch ein-
fache Typen, etwa für Einfamilienhäuser, die von den Besitzern weitgehend
selbst betrieben und gewartet werden können.
Eine direkte Ansprache der vergleichsweise wenigen Fertighausproduzenten
genügt zur Bewerbung des Produkts. Die Werbung für die Endverbraucher kann
dann über diese Firmen laufen. Die Preise richten sich nach den
Verbraucherpreisen für die Ver- und Entsorgung. Da diese Kosten (bedingt durch
einen in der Regel nicht existierenden Wettbewerb in diesem Sektor) für
Endverbraucher wesentlich höher liegen als die Kosten für das
Versorgungsunternehmen, ist diese Zielgruppe mitunter wesentlich interessanter
als die vorher genannte. Durch die mögliche Nutzung der Gewächshäuser als
Aufenthaltsbereich kann ein wiederum höherer Preis erlangt werden. Das Produkt
kann so über verschiedene Ausführungsmodelle entsprechend variiert werden.
3. Industrie
Zahlreiche Abwässer und Abfälle der Industrie sind ebenfalls - mitunter als
Teilelement einer mehrstufigen Reinigungsanlage - über das System entsorgbar.
Insbesondere Abwässer und Abfälle mit hohen organischen Fraktionen aus dem
Bereich der Lebensmittelindustrie, der Holz- und Textilindustrie und Teile der
chemischen Industrie kommen in Betracht. Durch die dezentrale Entsorgung wird
die präzise Trennung von verwertbaren und nicht verwertbaren Abfallstoffen
möglich. Im Gegensatz zu Pflanzenkläranlagen garantieren Gewächshäuser
einen ganzjährigen Betrieb und erleichtern durch die geschlossene Bauform ord-
nungsrechtliche und hygienische Belange. Industrieunternehmen verfügen meist
über sehr hohe, bisher ungenutzte Flächenpotenziale im Bereich der Fassaden,
der Dächer sowie der daran angrenzenden Freiräume. Besonders interessant in
diesem Bereich sind Flughäfen. Sie haben einen hohen Wasserbedarf, weisen
große Flächen auf Parkplätzen, Parkhäusern oder Funktionsgebäuden auf und
können die Anlage zur Schaffung von stressfreien Ruhezonen für Reisende und
zur Verbesserung ihres Umweltimages verwerten.
Werbemittel und Preisgestaltung entsprechen in etwa den Angaben bei den
Versorgungsunternehmen, wobei Wettbewerbsverzerrungen auch teilweise zwis-
chen Industrie und Versorgungsunternehmen bestehen, die zu höher erzielbaren
Preisen führen.
182
Zielgruppe "Low-Budged"
Das System lässt sich auch in einer "Low-Budged-Variante" realisieren. Durch die
Verwendung von Foliengewächshäusern und Wärmespeichern aus Teichfolie im
Selbstbau können die Kosten erheblich reduziert werden. Es verbleiben letztlich
lediglich höhere Kosten für die Wärmetauscher und die Pumpen des darin fließen-
den Wasserkreislaufes. Ein solches Produkt könnte zum Selbstläufer in den
Großstädten der 3. Welt werden, zumal die Funktionen der Ver- und Entsorgung
direkt mit Formen der Lebensmittelerzeugung im Gewächshaus sowie in der
Fermentationsanlage (Pilzerzeugnisse) gekoppelt werden können. Es könnten
zunächst Prototypen in Zusammenarbeit mit Entwicklungsorganisationen entste-
hen, die zu Aufträgen im kleineren Maßstab führen, in denen aber wesentliche
Erkenntnisse in der Entwicklung der Technologie gewonnen werden könnten.
Durch die Mitarbeit in solchen Projekten kann bei entsprechender, massenhafter
Anwendung ein erheblicher Erfahrungsschatz außerhalb eigener
Forschungsanstrengungen gesammelt werden. Da die Entwicklung der Anlage
insbesondere bei der Fermentationskomponente letztlich vielfach durch "Trial and
Error-Verfahren” vorangehen muss, ist dieses Vorgehen von elementarer
Bedeutung.
Fazit
In der vorliegenden Arbeit sind die Funktionen und potentiellen
Anwendungsmöglichkeiten eines neuartigen, geschlossenen Gewächshaussys-
tems dargelegt. Die zugrundeliegende Idee wurde aus Funktionszusammenhän-
gen des Naturhaushalts abgeleitet. Im Kern geht es um einen rein thermisch, über
Erwärmung und Abkühlung von Luft angetriebenen Strömungskreislauf. Dieser
wird zur Überführung von Wärme aus einem Gewächshaus, einem solaren
Luftkollektor und einer Fermentationsanlage an einen Wärmetauscher genutzt.
Durch Verdampfungs- und Kondensationsprozesse wird dabei Energie zwi-
schengespeichert, was zu niedrigen Wärmeverlusten an den Außenwänden führt.
Bei der Kondensation auf einem kühleren Wärmetauscher wird die gespeicherte
Energie freigesetzt und kann dabei mit hohen Übergangswerten in ein
Speichermedium transferiert werden. Über diesen Prozessablauf kann zudem
Wasser ohne zusätzlichen Energieverbrauch über die Gewächshausvegetation
und über zusätzliche Luftbefeuchter verdampft und anschließend zurückgewon-
nen bzw. aufbereitet werden.
Die Funktionsfähigkeit des Systems wurde in Berechnungen und Simulationen
veranschaulicht. Mögliche Steuerungskomponenten wurden aufgezeigt. Für einen
potentiellen Prototyp wurden erreichbare Werte für Wasser- und Energieertrag
sowie für die Größe eines benötigten Wasserspeichers zur Wärme- bzw.
Kältebevorratung berechnet. Ein rein thermisch angetriebener Luftkreislauf ist
nach den erzielten Ergebnissen zur Klimatisierung der Anlagenteile und für den
erforderlichen Energietransfer ausreichend. Die Abfolge von Lufterwärmung und
183
Luftabkühlung führt zu einem ausreichenden Luftwechsel der Anlagenteile. Die
berechneten Werte für den Energie- und Wasserertrag sprechen für einen
wirtschaftlichen Einsatz der Anlage, da diese Erträge zusätzlich zur Leistung der
Klimatisierung des Gewächshauses und der Fermentationsanlage erzielt werden.
Für den Einsatz des Systems wurden städtebauliche Beispiele auf verschiedenen
Maßstabsebenen, von einem Einfamilienhaus bis hin zu einem ganzen
Stadtquartier aufgeführt. Daneben wurden Ansätze für flächenhafte
Produktionsgewächshäuser sowie für unterschiedliche Sonderlösungen
vorgestellt. Die Möglichkeit der Substitution von thermischer Masse im
Baumaterial durch separate Wärmespeicher im Rahmen von Leichtbau- und
Zeltkonstruktionen fand dabei eine besondere Beachtung.
Das System wurde im Zusammenhang mit der Gesamtfunktionalität einer dezen-
tral organisierten Stadt dargestellt. Hierbei wurde insbesondere ein
Flächenmanagement verfolgt, dass für den städtischen Kontext die Vermeidung
zusätzlicher Bodenversiegelungen anstrebt und die hohen Grundstückspreise
von Bebauungsgebieten berücksichtigt. Die Möglichkeit der Nutzung des solaren
Inputs auf einem größtmöglichen Teil der bebauten Fläche über Fassaden- und
Dachebenen sowie über horizontal angeordnete Gewächshauseinheiten stand
neben den räumlichen Nutzungsmöglichkeiten von Gewächshäusern im
Wohnumfeld im Vordergrund. Eine gesonderte Betrachtung fand die Einbettung in
ein mögliches, übergeordnetes System der dezentralen, schwemmkanalisations-
freien Wasserver- und -entsorgung.
Eine Perspektive für den wirtschaftlichen Einsatz des Systems wird vor dem
Hintergrund der Überlagerung mehrerer Nutzungsmöglichkeiten auf einem einzel-
nen Flächensegment abgeleitet. Folgende Eigenschaften erhöhen additiv die
Wirtschaftlichkeit:
-Die Gewinnung von Solarwärme mit hohem Wirkungsgrad aufgrund
der Zwischenspeicherung von Energie über Verdunstungs- und
Kondensationsvorgänge.
-Die abwechselnde Nutzung eines einzigen, preisgünstigen (Kunststoff-)
Wärmetauscher zur Überführung von Solarwärme in einen Speicher sowie
zur Gebäudeheizung bei Speicherentladung führt zu signifikanten
Kostenreduzierungen im Vergleich zu bestehenden Lösungen mit
getrennten Solarpanelen auf Dächern und im Gebäude installierten
Heizkörpern.
·Die Rückgewinnung von Gießwasser, bzw. - bei Integration von
kommunalen Wasserkreisläufen - von Grauwasser aus Wohngebäuden
führt zu Kosteneinsparungen in der Wasserver- und -entsorgung. .
·Die Möglichkeit der Entsalzung von Meer- oder Brackwasser bildet eine
zusätzliche Komponente für Regionen mit hoher Wasserknappheit.
- Die Kühlung und Beheizung von Gewächshäusern durch die Be- und Ent
ladung des unteren Temperatursegmentes (5 - 40° C) von Saisonwärme-
speichern im Rahmen von städtischen Nahwärmeversorgungssystemen
führt zu einer besseren Auslastung der Speicher.
184
·Die Nutzung des Luftkreislaufs zur Temperierung und Befeuchtung von
Prozessabläufen der Solid-State-Fermentation zur Rohstoffaufbereitung
bei Nutzung der dabei entstehenden Abwärme als zusätzliche
Energiequelle .
·Die Integration von Gewächshäusern zur dezentralen, städtischen
Lebensmittelherstellung mit dem Potential der Direktvermarktung.
·Die Nutzung von bepflanzten und klimatisierten Gewächshäusern
als zusätzlichen, städtischen Lebensraum.
Darüber hinaus entstehen langfristig Zusatznutzen durch die Substituierung heute
üblicher, zentraler Versorgungsstrukturen und Bauverfahren:
·Städtische Systeme zur Wasserver- und Entsorgung, insbeson-
dere zentral organisierte Großkläranlagen und Kanalisationsnetze
können zu Gunsten von oberflächennahen und dezentralen
Entsorgungsstrukturen entfallen. Diese werden möglich durch die
trockene Entsorgung von Fäkalien sowie durch die Reinigung
bzw. Verdunstung von Grauwasser in Gewächshäusern und in der
stadtnahen Landschaft.
·Nahenergiesysteme können einerseits die Fülle von Einzel-
feuerungsanlagen in den Haushalten ersetzen. Andererseits wird
auch die Abhängigkeit von überregionalen Energieversorgungs-
unternehmen und zentral organisierten Netzstrukturen verringert.
·Die starke Verbreitung von Leichtbauweisen im Wohnungsbau bzw.
das Bauen mit Kunststoffmembranen in Zeltbauweise könnte
erhebliche Kosten- und Verfahrensvorteile im gesamten Bauwesen mit
sich bringen. Zudem entsteht die Perspektive von mobilen Gebäuden.
Die Möglichkeit der Verlagerung thermischer Gebäudemasse aus
dem Baumaterial in den Wärmespeicher könnte das Marktpotential dieser
Bauformen erheblich erhöhen.
Die Arbeit insgesamt sieht sich als Studie im Rahmen der hier ge-
nannten Anwendungs- und Nutzungsmöglichkeiten. Eine Weiterentwicklung der
geschilderten Ideen wird von Seiten des Autors angestrebt. Der nächste Schritt
liegt dabei in der Entwicklung eines Prototypen.
Zu Beginn soll eine Anlage mit dem Schwerpunkt der Wassergewinnung für heiße
und trockene Klimaregionen entstehen. Für diese Anwendungsform sprechen
mehrere Vorteile: Die Möglichkeit der Nutzung eines hohen solaren
Strahlungsangebots, die einfachere Bauweise ohne wärmedämmende
Abdeckungen mit einem kleinen Tag-Nacht-Wärmespeicher und das insgesamt
hohe Anwendungspotential in Städten mit limitierten Wasserressourcen. Für die
weitere Forschungsarbeit sind in diesem Rahmen folgende Schritte vorgesehen:
1. Weiterentwicklung der Strömungssimulation
Im Mittelpunkt steht die Detaillierung der in dieser Arbeit begonnenen Simulation.
Dies beinhaltet die Miteinbeziehung folgender Punkte:
185
- Die Verdunstung von Wasser im Vegetationsbereich und im
Luftbefeuchter sowie der Kondensation am Wärmetauscher zur reelleren
Abbildung der Kühleffekte und des Energietransfers.
- Die Einbeziehung eines Wärmetauschers: Bisher wurde als
Randbedingung nur abstrakt die Abführung einer definierten
Energiemenge vorgegeben.
- Der Luftwiderstand der Vegetation unter Berücksichtigung von bekannten
Widerstandswerten aus der Klimatechnik im Gewächshausbau.
- Die Regulierungsmöglichkeiten durch den variablen Einsatz von
Beschattungselementen.
- Die Abbildung von Wärmeverlusten über die Außenwände.
- Die Erweiterung der Simulation für andere klimatische
Ausgangssituationen, bezogen auf unterschiedliche, regionale Standorte
sowie für unterschiedliche Zeitpunkte im Verlauf eines Tages und eines
Jahres.
Ausgehend von einer so präzisierten Grundkonstellation sollen unterschiedliche
architektonische Layouts, insbesondere mit dem Ziel eines optimierten
Verhältnisses von Gewächshaus- und Kamingröße verglichen werden. Im
Hinblick auf die Anwendbarkeit an 2-3-geschossigen Gebäuden soll der Einsatz
von Kaminen auf der geneigten Dachfläche als zusätzliches Einstrahlpotential
eruiert werden.
2. Detailplanung der unterschiedlichen Komponenten
Die vorgesehenen Anlagenkomponenten existieren bereits ausnahmslos in Form
von marktüblichen Produkten. Diese müssen für ihren Einsatz im Rahmen des
Gesamtsystems ausgelegt und teilweise modifiziert werden. Zu nennen sind in
diesem Zusammenhang insbesondere folgende Elemente:
- Fertigbausysteme für Gewächshäuser im Erwerbsgartenbau
-Bewässerungssysteme
-Solare Luftkollektoren
- Solare Plattenkollektoren zur Brauchwassererwärmung
-Kapilarwärmetauscher aus Kunststoff aus dem Anwendungsgebiet von
Wand- und Fußbodenheizsystemen
-Füllkörper für Trennprozesse aus der chemischen Industrie als
luftwiderstandsarme Befeuchtungselemente
-Rührtrommel-Reaktoren zur Solid-State-Fermentation auf mittlerer
Maßstabsebene.
Einen eigenständigen Bereich bildet der Aufbau eines Steuerungssystems. In der
Anlage müssen hierfür an geeigneten Stellen Sensoren für “Luftfeuchte”,
“Temperatur”, “CO2-Gehalt der Luft” und “Strömungsgeschwindigkeit der Luft“
vorgesehen werden. Folgende Anlagenteile müssen als Regelelemente über das
Steuersystem angesprochen werden: Die Umlaufpumpe des Kühlsystems, die
186
Bewässerungsanlage im Gewächshaus und im Luftbefeuchter, der Antrieb der
Beschattungsanlage und das Ventil zur Drosselung des gesamten Luftkreislaufs.
Die zentrale Aufgabe zur Steuerung liegt in der Erstellung der Software, in der die
Input- und Outputwerte koordiniert werden, und die während der
Erprobungsphase an die angestrebten Zielwerte angepasst werden kann.
Für sämtliche Komponenten muss zunächst die Angebotssituation auf dem Markt
ermittelt werden. Aufbauend auf den technischen Daten der Komponenten und
der durch die Simulation vorgegebenen, architektonischen Grundform muss
sodann die Detailplanung der Anlage erfolgen. Eine Zusammenarbeit mit den
Herstellern der Einzelkomponenten wird dabei angestrebt.
3. Bau eines Prototypen
Aufbauend auf die Simulation und die Detailplanung wird ein Prototyp erstellt, der
von seiner Dimensionierung bereits sehr nah an einer ersten, kommerziell
anwendbaren Serie orientiert ist. Die Verortung des Prototypen richtet sich nach
der Konstellation der bis dahin beteiligten Partner. Angestrebt wird ein Standort im
mediterranen, küstennahen Bereich, an dem limitierte Bedingungen in der
Wasserversorgung vorherrschen (z.B. Süd-Spanien, Kanarische Inseln,
Griechische Inseln, Ägypten). Hierfür spricht das solare Angebot und der beson-
dere Nutzwert der Anlage.
Auch eine Platzierung in Deutschland ist denkbar. Hierbei könnten eine oder
mehrere Vegetationsperioden (von Frühjahr bis Herbst) zur Durchführung der
Testläufe verwandt werden. Für diesen Standort spricht die Nähe zu den bisheri-
gen, potentiellen Kooperanden. Zudem könnten Richtwerte für den möglichen
Einsatz im Rahmen von Nahwärme-Versorgungssystemen abgeleitet werden. Ein
weiterer, direkt anwendbarer Nutzen könnte im Zusammenhang mit der
Beheizung von Freibädern entstehen. Hierbei könnte der Wärmespeicher als
Kostenfaktor entfallen. Im Freibad könnte durch die große, offene
Wasseroberfläche zudem eine ausreichende Abkühlung der thermischen Masse
über Nacht ohne zusätzliche Kühlmechanismen erreicht werden.
4. Durchführung von Testläufen
Im Mittelpunkt der Testphase steht der thermodynamische Gesamtprozess. Die
in der Simulation ermittelten Steuerungsmechanismen müssen an die tatsächlich
sich einstellenden Rahmenbedingungen angepasst werden. Das primäre Ziel
dabei ist die ausreichende Klimatisierung des Gewächshauses. Davon abgeleitet
wird die Optimierung des Energieertrags zur Speichererwärmung und die
Wasserrückgewinnung. Zur Verringerung der Komplexität wird die integrierte
Fermentationskomponente als einfache Kompostierungsanlage ausgelegt, die in
ihrer Funktion als CO2Produzent jederzeit über zusätzliche CO2Vorräte aus
Gasflaschen ersetzt werden kann.
187
Neben der Erprobung von Funktionen des Energie- und Wasserhaushalts steht
der Einsatz unterschiedlicher Vegetationsformen im Mittelpunkt möglicher
Testläufe. Ausgehend von Pflanzengesellschaften mit hoher Toleranz im Hinblick
auf Wärme und Feuchtigkeit wird der Einsatz von gartenbaulich nutzbaren
Pflanzen angestrebt. Einen weiteren Aspekt bildet der Einsatz von Pflanzen als
Klimatisierungs- und Gestaltungselement innerhalb von bewohnten Räumen. Das
Hauptproblem dieser unterschiedlichen Anwendungsformen ist der hohe
Feuchtegehalt der Luft, der bei den Testläufen durch die gezielte Verwirbelung
von kühleren, wassergesättigten Luftschichten mit bereits erwärmten
Luftschichten im Gewächshaus erreicht werden soll.
188
Zusammenfassung
In Gewächshäusern kann Wärme und Feuchtigkeit über einen geschlossenen
Luftkreislauf nutzbar gemacht werden. Zusätzlich zur gärtnerischen Funktion
kann also Energie produziert und Wasser aufbereitet werden.
Pflanzenverfügbares CO2in dem geschlossenen System wird über
Fermentationsprozesse erzeugt. Über die Abführung von Wärme durch den
Luftkreislauf können Prozessvariablen der Fermentation wie Temperatur,
Feuchtigkeit und Sauerstoffzufuhr geregelt werden. Darüber hinaus kann die
Prozesswärme als zusätzliche, regenerative Energiequelle genutzt werden.
Bei der Kopplung mit benachbarten Wohngebäuden können über
Grauwasserkreisläufe extrem wassereffiziente Gebäudemodule entstehen. Die
integrierte Funktion der Meerwasserentsalzung erlaubt die Erwirtschaftung von
Wasserüberschüssen und ermöglicht, in Kombination mit den
Produktionseinheiten der Gewächshaus- und Fermentationsanlagen die
Urbanisierung von bisher unbewohnbaren Trockengebieten.
Funktion:
Eine wirtschaftliche Nutzung von Wärme und Feuchtigkeit aus Gewächshäusern
wurde bisher durch folgende Probleme behindert:
·Pflanzenverträgliche Lufttemperaturen sind zu niedrig um sinnvolle
Vorlauftemperaturen zur Wärmespeicherung zu erzielen.
·Bei nötiger Lüftung des Gewächshauses zur Kühlung, zur
Abführung von Luftfeuchtigkeit und zur CO2 - Anreicherung der
Raumluft als Pflanzennährstoff geht ein Großteil der eingestrahlten
Energie verloren. Bis zu 80% der eingestrahlten Energie wird in
der Wasserverdampfung umgesetzt und wird über die Lüftung mit
entsprechendem Wasserverlust abgeführt.
·Die benötigte Fremdenergie für Ventilatoren zum Transport der
Gewächshausluft an die Oberflächen eines Wärmetauschers zur
Abführung von Wärme und zur Kondensation von Wasser ist dem
Wärmeertrag entsprechend gegenzurechnen und führte bislang zu
einer nicht wirtschaftlichen Bilanz.
Die Anlage besteht im wesentlichen aus vier Hauptelementen: Ein konven-
tionelles Gewächshaus ist verbunden mit einem Solarkamin. Dieser besteht aus
Luftröhren, die auf der sonnenexponierten Seite mit Glas bedeckt sind. In einem
Rückführschacht ist ein großer Luft-Wasser Wärmetauscher installiert, der mit
einem Wärmespeicher verbunden ist. Im Weiteren verläuft der Luftkanal durch
einen Reaktor zur Solid-State-Fermentation, indem Biomassensubstrate durch
Pilze modifiziert werden. Gewächshauspflanzen und Mikroorganismen der
189
Fermentationsanlage sorgen für die gegenseitige Versorgung mit Sauerstoff und
Kohlendioxid in dem weitgehend geschlossenen System.
Im Gewächshaus wird einfallende Sonnenenergie vorwiegend durch
Wasserverdunstung der Vegetation umgesetzt. Die Luft erwärmt sich im Vergleich
zu einer versiegelten Fläche sehr langsam. Energie wird in der feuchten Luft
gespeichert. Im Solarkamin wird die Luft direkt erwärmt und steigt nach oben. Die
Gewächshausluft wird nachgezogen. An der Oberseite des Kamins wird die stark
erhitzte Luft nachbefeuchtet. Sie kühlt wieder etwas ab. An dieser Stelle können
über die Verdampfung von Meer- oder Brackwasser zusätzliche Wassermengen
in das System eingeführt werden.
In einem Rückführschacht wird die Luft über einen großen Wärmetauscher stark
abgekühlt. Die Luft fällt nach unten. Das zuvor verdunstete Gießwasser aus dem
Gewächshaus und das Meer- oder Brackwasser aus dem Luftbefeuchter kon-
densieren unter Abgabe von Wärmeenergie. Die abgekühlte Luft kann bei
Rückführung in das Gewächshaus wieder erwärmt werden und somit neue
Feuchtigkeit der transpirierenden Vegetation aufnehmen und transportieren.
Optimierung zur Wasserproduktion
Während das tagsüber im Gewächshaus und im Luftbefeuchter verdunstende
Wasser an den Oberflächen des Wärmetauschers kondensiert und somit wieder
verfügbar wird, lässt sich der Mechanismus für die Nachtstunden umkehren: Die
tagsüber abgeführte Wärme wird gespeichert und nachts wieder dem
Wärmetauscher zugeführt. Die Luft bewegt sich nun in entgegengesetzter
Richtung. Im Luftbefeuchter wird wiederum Meer- oder Brackwasser verdampft.
Der Dampf kondensiert nun an den kühlen Außenflächen von Kamin und
Gewächshaus. Der Speicher bevorratet abgekühltes Wasser für den nächsten
Tageszyklus. Wüsten oder wüstenähnlichen Klimabedingungen mit starken
Tag/Nacht-Schwankungen der Temperatur begünstigen diesen Prozessablauf.
Orte mit besonders schlechten Wachstumsbedingungen der Biosphäre werden zu
Orten von besonders vorteilhaften Bedingungen für das klimatische Mikrosystem.
In einem Gebäude-Gewächshaus-System bestehen vier verschiedene
Wasserfraktionen: Grauwasser aus einem Wohngebäude wird zur Bewässerung
ins Gewächshaus geleitet und wird dort über die Vegetation verdampft. Aus
Kondensation gewonnenes Brauchwasser wird im Gebäude wieder verwendet.
Als letzte Fraktion kann optional auch Salz- oder Schmutzwasser aus dem Meer,
aus versalzten oder verschmutzten Grundwasserquellen oder aus
Oberflächengewässern eingeführt werden. Durch die Zuführung von Wasser ist
es möglich, aufgrund der hohen Recyclingrate einen Wasserüberschuss zu pro-
duzieren. Es können also über das System zusätzliche Gebäude mit Wasser ver-
sorgt werden. Das abzuführende Grauwasser aus diesen Gebäuden kann
wiederum zur Bewässerung im Freiraum verwandt werden.
190
Optimierung zur Wärmegewinnung
In gemäßigten Klimazonen macht es mitunter mehr Sinn, das System zur
Energiegewinnung für die Nahwärmeversorgung zu optimieren. Die erforderliche
Temperaturdifferenz wird von einem tageszeitlichen auf einen jahreszeitlichen
Zyklus gestreckt. Im Sommer wird also Wärme abgeführt, die einen
Langzeitwärmespeicher belädt. Im Winter wird die Wärme zur Gebäudeheizung
verwandt. Gleichzeitig wird im Speicher Kälte für die Kühlung des
Wämetauschers im Sommer zurückgehalten.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Be- und Entladevorgang des Speichers
zu optimieren. Das einfachste Modell ist eine Heizkaskade vom Wohngebäude
zum Gewächshaus: Der Heizungsrücklauf aus den Wohngebäuden von ca.. 20°C
wird zur Beheizung des Gewächshauses verwandt, in dem Temperaturen zwis-
chen 1° (für frostfreie Verhältnisse) und ca 15°C (für die laufende Produktion)
benötigt werden. Eine weitere, mögliche Energiequelle zur Gewächshausheizung
ist die Kompostierung von über das Jahr gesammelter, organischer Abfälle in der
Fermentationsanlage.
Zur weiteren Optimierung kann ein modifiziertes Wärmepumpenprinzip herange-
führt werden: Der Speicher ist mit einem Wasser-Ammoniak-Gemisch gefüllt.
Über die Passage des Wärmetauschers und einer weiteren Erhitzung in
Solarkollektoren wird das Ammoniak aufgrund des niedrigeren Siedepunkts aus-
getrieben, also vom Wasser getrennt, kondensiert und gespeichert. Das Wasser
wird weiter erhitzt und dem thermischen Speicher zugeführt. Bei der Entladung
entzieht das Ammoniak durch Verdampfung Wärme aus dem Heizungsrücklauf
und aus der Fermentationsabwärme. Im Absorber kann die Temperatur des
Heizungsvorlaufes durch Wiedervereinigung von Ammoniakdampf und Wasser
nach dem Prinzip der Absorptionswärmepumpe erhitzt werden. Der thermische
Speicher kann die stark abgekühlte Lösung aus dem Heizungsrücklauf für den
Sommerbetrieb vorhalten.
Wasserreinigung
Im gemäßigten Klima - vor allem im Winter - wird nur ein Bruchteil des einge-
führten Grauwassers innerhalb des Gewächshauses verdampft. Durch die
Passage im Gewächshaus können bereits sehr hohe Reinigungseffekte erzielt
werden, so dass das Wasser anschließend oberflächlich in offenen Gräben weit-
ergeleitet werden kann. Kanalisationssysteme entfallen. Die Erschließung von
Wohngebieten wird erheblich billiger. Dies hat vor allem hygienische und ord-
nungsrechtliche Bedeutung, da beispielsweise in Deutschland kein Grauwasser
ohne Vorklärung oberirdisch abgeführt werden darf.
Das Wasser kann anschließend auf offene Feuchtgebiete, also etwa auf
Schilfröhrichte, Feuchtwiesen und Feuchtwälder geleitet werden. Die hier durch
hohe Wasser und Nährstoffgaben schnell aufwachsenden Pflanzen können
anschließend in der Fermentationsanlage stofflich und energetisch verwertet wer-
191
den. Die Kontrollmechanismen bei der Produktion und Verwertung nachwach-
sender Rohstoffe werden in dem vorliegenden Ansatz vollkommen verändert. An
die Stelle von Bodenbearbeitung, Aussaat, Pflanzenschutz, Düngung treten
wesentlich einfachere und billigere Mechanismen der Einflussnahme: Die
Terrassierung und Bewässerung des Geländes und die Beerntung von sich natür-
lich ausbildenden, schnellwüchsigen Pflanzengesellschaften. Die hochwertige
Verarbeitung und Nutzung dieser Rohstoffe wird durch die Fermentationskompo-
nente erst möglich!
English Abstract
Until now, economical use of heat and vapour from greenhouse air has been hin-
dered by the following problems: The heat resistance of plants is too low to allow
acceptable flow temperatures for heat accumulation (Meyer et al., 1989). In open
systems, air exchange for cooling, vapour removal, and CO2accumulation results
in high energy and water losses. In closed systems, heat exchangers fed by elec-
tric fans have a negative impact on the overall energy balance. (Bredenbeck
1992)
The system consists of an air circuit, formed by four main items. A conventional
greenhouse is connected with vertical, glass-covered air tubes functioning as a
solar chimney. In the feedback duct, a large air-water heat exchanger is installed
and connected with a heat accumulator. The air then passes into a reactor for
solid state fermentation. Within this essentially closed system, greenhouse plants
and fermentation micro organisms supply each other with oxygen and carbon
dioxide.
In the greenhouse, incident solar power is predominantly converted by water tran-
spiration of plants. Since air warms up very slowly compared with a sealed sur-
face, energy is stored in the damp air. In the solar chimney, air warms up directly
and rises, drawing air upwards out of the greenhouse. At the top of the chimney,
the strongly heated air passes a humidifier, initiating a first step of cooling. In the
feedback duct, air is strongly cooled by a large heat exchanger, causing it to fall.
The water vapor from the greenhouse and from the humidifier condenses,
releasing thermal energy. The air then passes into a reactor for solid state fer-
mentation. Here, plant or waste biomass substrates are modified by special fungi.
Within this essentially closed system, greenhouse plants and fermentation micro
organisms supply each other with oxygen and carbon dioxide. Finally, the cooled
air rises back into the greenhouse by warming up in the fermentation device and
by the lift suction from greenhouse and chimney, thus closing the cycle. Air circu-
lation in the system is driven by the temperature-related pressure drop between
the top of the chimney and the bottom of the heat exchanger. Energy transfer in
the heat exchanger and the process of evapotranspiration are strongly supported
by the induced kinetic energy of moving air.
Solid State Fermentation (SSF) refers to the growth of micro organisms on solid
192
substrates without the presence of free liquid between substrate particles. It is of
particular interest where natural materials are used, such as wood, agricultural
byproducts or foodstuffs. The raw materials act as the main source of nutrients
and the organisms release enzymes which break down and modify the solid mate-
rials. Substrates serve as a nutrient source for the microorganisms, as a CO2-
source for the greenhouse plants and - by releasing process heat - as an energy
source. Simple applications include the production of composts or the decontam-
ination of soil. More sophisticated alternatives include the production of tropical
mushrooms or tempe-like foods and the protein-enrichment of potatoes (Senez
et al.,1977; Steinkraus 1982) Bautista et al.,1989). Methods for delignifying woody
particles in paper/textile production using white-rot fungi are still at the research
stage (Valmaseda et al.,1991, Saucedo-Castaneda et al. 1990). Applications of
this latter type are of particular interest, since most of the planet's vegetable bio-
mass takes the form of lignocelluloses.
The air cycle brings oxygen from the greenhouse and removes process heat and
CO2. The heat and CO2/O2 exchange processes involved in solid state fermen-
tation are optimised by channelling air through stacked trays, so-called tray biore-
actors, or through a mixing device, a rotating drum bioreactor. (Rehm/Reed 1987).
The high air humidity helps prevent the substrate from drying out, which is impor-
tant due to the relative complexity of achieving uniform irrigation/re-hydration of
substrates (Sangsurasak et al., 1995).
The system most used at present, submerged fermentation in sterile, sugar-based
nutrient solutions, causes high energy costs for sterilization, climate control, oxy-
gen support and mixing. Sugar as the main substrate is another cost factor. This
system is therefore only suitable for high-grade products. In SSF, on the other
hand, low cost materials like wood-chips, reed-straw or agricultural by-products
can be processed. Energy costs can be minimized by the described climatisation
technology. If exothermic processes are harnessed, it is even possible to achieve
a positive energy balance. By controlling the process with different parameters
like enlarging the spore inoculation and optimising climate, substrate humidity or
pH-value, certain microbes can be grown under non-sterile conditions. Besides
the resulting limitation to relatively few suitable micro organisms, a major disad-
vantage of this system is the extreme slowness of the process. Decentralized pro-
duction in very simple, high capacity models within greenhouses overcomes this
problem to a certain extent.
Optimisation for Water Treatment
The mechanism of energy flow can be reversed for night operation. The daytime
heat output is stored and returned at night via the heat
exchanger, with the air now moving in the opposite direction. The air humidifier
can be operated 24 hours. At night, steam condenses on the cool exterior sur-
faces of chimney and greenhouse. The heat accumulator stores chilled water to
run the cooling function the following day. Desert or near-desert climate conditions
193
with strong day/night fluctuations of temperature favour this type of process.
Greywater from a residential building can be used for irrigation in the greenhouse.
Water from condensation can be returned to the building for reuse. Additionally,
salt or brackish water or contaminated ground or surface water can be fed into the
system via the air humidifier. Due to the high recycling rate, a water surplus can
be achieved, allowing additional buildings to be supplied with water. Greywater
from these buildings can then be used to irrigate surrounding vegetation.
Optimisation for Solar Heating
In colder climate zones, it may make more sense to optimise the system for local
heat supply. The necessary temperature difference has to be stretched from a
day/night cycle to a seasonal one. Summer heat is used to load a long-term sea-
sonal heat accumulator. During winter, this warmth is used to run a heating sys-
tem in a building. At the same time, the accumulator stores cold water to provide
the cooling function for the air circuit during summer.
There are various options for optimiing the charge/discharge process of the heat
accumulator. A heating cascade from the residential building to the greenhouse
provides low temperate heat for a greenhouse temperature of 1-15°C and a sim-
ilar storage temperature for the cooling functions in summer. The main energy
source for greenhouse heating is the composting of organic waste in the fermen-
tation unit. A modified absorption heat pump may be added for further optimisa-
tion. For this, the accumulator is filled with a mixture of water and ammonia. By
passing the heat exchanger and a further, conventional solar heat collector,
ammonia becomes separated due to its lower boiling point. It can be condensed
and stored under normal pressure. (Holldorff, 1981) The water is heated further
and fed into the heat accumulator. In the discharge phase (in winter) ammonia
evaporates at the radiator outlet of the heating system, cooling it down from about
25°C to 5°C. During sunny winter days, the cooling function of the air circuit can
be driven by releasing additional ammonia to exploit energy from low temperature
solar and composting sources. In the absorber, ammonia vapour and water
become reunified, releasing high temperature heat according to the principle of an
absorption heat pump.
Water Purification
In temperate climates - especially in winter - only a small part of the produced
greywater can be evaporated in the greenhouse. By passing the greenhouse,
considerable levels of purification can be achieved, allowing the resulting water to
be channelled above ground into open ditches, thus reducing pressure on sewage
systems. This could also substantially reduce the cost of developing urban areas.
The water can be channeled into natural wetlands like reed-fields, wet meadows
or damp forests. Here, plants grow rapidly due to high water and nutrient levels
and can be used in the fermentation reactors as a source of energy and raw mate -
rials. Using this approach, the agricultural control mechanisms for growing and
194
processing regenerative raw materials could be radically changed. Functions like
plowing, sowing, plant protection or fertilization could be partially replaced by sim-
pler, cheaper mechanisms like terracing, greywater irrigation and compost fertil-
ization and by periodically harvesting the fast growing plant matter. High quality
processing results and use of this kind of raw materials are only made possible by
the fermentation component.
195
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201
202
Anhang
Die im Kapitel 4 aufgestellte Berechnung des Wasser- und Energieertrags
beruht auf Rechenvorgängen von jeweils einer Stunde mit unterschiedlichen
Werten für die solare Grundstrahlung, für verschiedene Sonnenstände und
unterschiedliche Außentemperaturen im Laufe eines Tages.
In den Abbildungen 4.3 und 4.4 (Seite 104 und 105) wurde das Rechenblatt für
die Mittagszeit zwischen 11 und 12 bzw. 12 und 13 Uhr dargestellt. Zudem sind
in einer Tabelle die Ergebnisse für die Berechnung der anderen Tageszeiten und
eine daraus resultierende Tagesmenge für Wasser und Energie zusammenge-
fasst.
Im Anhang sind nun die Rechenblätter für diese Tageszeiten, jeweils für den
Zeitraum einer Stunde aufgeführt. Die Abbildungen A1-A6 zeigen die Variante
mit dem Schwerpunkt Wasseraufbereitung, A7-A12 die Variante mit dem
Schwerpunkt der Wärmegewinnung.
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37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
18 1900 0.8 70 20 70 140 30 0.50 0.50 0.349066
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 1.22173 0.940 2.443461 0.64 0.523599 0.47 0.32 0.342
5 5 25.17 153.3 24.83 66.9
Temp °C: 20 Luftf. % 100 feuchte g 14.76 enthalp. kJ/kg 57.48
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 8 19.84 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.175 23.312343 11.32
49.60 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
244 11408 43.22 263.96 0.002682 0.06 2.70
Temp °C:
24.4
Luftf. %
90
feuchte g/kg
17.44
enthalp. kJ/kg
68.81
68.85
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 10 204.16 151.98 1.153 235.36 16.61
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 80.00 27.36 0 1520 16421 4.2 3909.77 0.004234 1.00 4.19
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 42
300 49.60 27.36
Temp °C:
30.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
21.67
enthalpie
85.42
85.49
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 96.8 1.124 25.18 38.49
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 40.75 0.00 1520 37102 38.28 969.22
Summe: 40.75
Temp °C: 67 Luftf. % 12.39 feuchte g/kg 21.67 enthalpie 123.91 124.16
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 34.5 Luftf. % 100 feuchte g/kg 35.71 enthalpie 123.91 126.18 0.01403 0.35 13.52 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 47 in kWh 13 72.3
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 18 in kWh 5 27.7
Summe 65 18
Kondensation Grauwasser l/h 7Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 14 0.56
Summe 20
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wasseraufbereitung. Berechnung für den Zeitraum von 8-9 Uhr
1
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37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
22 2200 0.8 59 31 70 129 45 0.71 0.71 0.541052
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 1.029744 0.857 2.251475 0.78 0.785398 0.61 0.55 0.515
5 5 34.88 92.7 38.15 52.0
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 8 19.84 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 22.728419 14.35
49.60 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
295 11408 34.99 326.06 0.003598 0.08 2.86
Temp °C:
29.5
Luftf. %
90
feuchte g/kg
23.77
enthalp. kJ/kg
90.78
90.32
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 10 204.16 151.98 1.122 229.12 48.31
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 80.00 41.20 0 1760 37637 3.4 11069.69 0.014934 3.42 11.63
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 34
400 49.60 41.20
Temp °C:
40.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
38.70
enthalpie
139.09
139.79
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 96.8 1.060 23.75 99.69
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 63.36 0.00 1760 73359 30.99 2367.28
Summe: 63.36
Temp °C: 132 Luftf. % 2.07 feuchte g/kg 38.70 enthalpie 238.78 238.86
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 47.8 Luftf. % 100 feuchte g/kg 76.65 enthalpie 238.78 246.45 0.037944 0.90 27.92 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 98 in kWh 27 79.7
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 25 in kWh 7 20.3
Summe 122 34
Kondensation Grauwasser l/h 14 Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 28 0.63
Summe 42
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wasseraufbereitung. Berechnung für den Zeitraum von 9-10 Uhr
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37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
26 2600 0.8 50 40 70 120 60 0.87 0.87 0.698132
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 0.872665 0.766 2.094395 0.87 1.047198 0.66 0.75 0.643
5 5 19.28 34.7 44.03 28.0
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 8 19.84 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 22.728419 10.60
49.60 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
288 11408 47.34 241.00 0.00262 0.06 2.82
Temp °C:
28.8
Luftf. %
90
feuchte g/kg
22.79
enthalp. kJ/kg
87.04
87.09
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 10 204.16 127.51 1.127 230.00 52.54
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 80.00 51.42 30 2080 55593 4.6 12085.33 0.015911 3.66 16.83
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 46
400 49.60 36.00
Temp °C:
40.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
38.70
enthalpie
139.58
139.79
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 121.3 1.060 23.75 157.70
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 81.23 15.43 2080 157010 41.93 3744.95
Summe: 96.66
Temp °C: 186 Luftf. % 0.52 feuchte g/kg 38.70 enthalpie 297.28 297.00
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 52.3 Luftf. % 100 feuchte g/kg 99.20 enthalpie 297.28 310.26 0.060493 1.44 60.23 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 184 in kWh 51 82.0
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 40 in kWh 11 18.0
Summe 224 62
Kondensation Grauwasser l/h 20 Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 60 0.78
Summe 80
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wasseraufbereitung. Berechnung für den Zeitraum von 10-11 Uhr
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36
37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
32 2600 0.8 45 45 70 115 60 0.87 0.87 0.785398
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 0.785398 0.707 2.007129 0.91 1.047198 0.61 0.78 0.707
5 5 11.82 20.1 43.13 24.6
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 8 19.84 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 22.728419 16.26
49.60 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
300 11408 30.87 369.54 0.004319 0.10 3.03
Temp °C:
30.0
Luftf. %
90
feuchte g/kg
24.49
enthalp. kJ/kg
92.69
92.69
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 10 204.16 119.35 1.119 228.49 85.75
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 80.00 56.57 40 2080 58782 3.0 19593.94 0.026764 6.12 18.35
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 30
450 49.60 33.94
Temp °C:
45.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
51.26
enthalpie
178.45
177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 129.4 1.024 22.94 279.49
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 82.39 22.63 2080 175301 27.34 6411.20
Summe: 105.01
Temp °C: 209 Luftf. % N/A feuchte g/kg 51.26 enthalpie 457.94 358.03
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 56.0 Luftf. % 94 feuchte g/kg 113.57 enthalpie 457.94 352.09 0.062319 1.43 39.09 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 139 in kWh 39 56.6
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 106 in kWh 30 43.4
Summe 245 68
Kondensation Grauwasser l/h 21 Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 39 0.82
Summe 60
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wasseraufbereitung. Berechnung für den Zeitraum von 13-14 Uhr
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35
36
37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
30 2200 0.8 54 36 70 124 45 0.71 0.71 0.628319
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 0.942478 0.809 2.164208 0.83 0.785398 0.57 0.59 0.588
5 5 16.11 42.7 48.51 50.9
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 8 19.84 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 22.728419 23.23
49.60 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
295 11408 21.61 527.91 0.003598 0.08 1.77
Temp °C:
29.5
Luftf. %
90
feuchte g/kg
23.77
enthalp. kJ/kg
99.66
90.32
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 10 204.16 123.43 1.122 229.12 78.32
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 80.00 47.02 35 1760 37687 2.1 17945.96 0.027486 6.30 13.22
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 21
450 49.60 30.56
Temp °C:
45.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
51.26
enthalpie
177.98
177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 125.4 1.024 22.94 216.88
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 65.20 16.46 1760 95219 19.14 4974.86
Summe: 81.66
Temp °C: 242 Luftf. % N/A feuchte g/kg 51.26 enthalpie 394.86 394.34
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 58.0 Luftf. % 100 feuchte g/kg 136.81 enthalpie 394.86 415.11 0.085559 1.96 37.56 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 121 in kWh 34 83.8
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 23 in kWh 7 16.2
Summe 144 40
Kondensation Grauwasser l/h 15 Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 38 0.69
Summe
53
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wasseraufbereitung. Berechnung für den Zeitraum von 14-15 Uhr
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A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad Sonne: son.std. Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl. Kamn.skrKamn.schGewächshaus
28 1900 0.8 64 26 70 134 30 0.50 0.500.453786
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GHin % Thm.Vlst.Kamin in MJin % 1.117011 0.8992.338741 0.720.523599 0.45 0.36 0.438
5 5 31.46 144.0 34.34 109.8
Temp °C: 25Luftf. % 100feuchte g 20.17enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 8 19.84 Dichte kg/cbmGew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qmkJ/qm Vegetation /h 1.14622.728419 32.52
49.60 230 kJ/h gesamtLuftwechsel Energie/LW Ertrg g/kg Ertrag insgErtrag/LWVerdpf l/h GRAUWASSER
340 11408 15.44 739.08 0.010851 0.25 3.81
Temp °C: 34.0Luftf. % 90feuchte g/kg 31.02enthalp. kJ/kg 108.95 113.64
Gewächshaus
Höhe Breite HausparallelLänge Volumen Außenflche Dichte kg/cbmGew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 10 204.16 151.98 1.094 223.26 65.23
Dachfirst GrundflächeBestrahlt wird versch. in %Strahlg/qm Strahlg.gesLuftwechsel Energie/LW Ertrg g/kg Ertrag insgErtrag/LWVerdpf l/h GRAUWASSER
2 1 80.00 35.07 0 1520 21845 1.5 14563.45 0.020232 4.52 6.78
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 15
450 49.60 35.07
Temp °C: 45.0Luftf. % 80feuchte g/kg 51.26enthalpie 174.18 177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 96.8 1.024 22.94 99.68
Höhe Dachschräge Fläch.snkrFläch. SchrgBestrlt. wird + Verschattg.Strahlg/qm Strahlg.gesLuftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 43.15 0.00 1520 31259 13.67 2286.47
Summe: 43.15
Temp °C: 132Luftf. % 2.69feuchte g/kg 51.26enthalpie 273.86 273.33
Luftbefeuchter Ertrg g/kg Ertrag insgErtrag/LWVerdpf l/hErtrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 50.4Luftf. % 100feuchte g/kg 88.91enthalpie 273.86 281.27 0.037656 0.86 11.81 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 52 in kWh 14 79.8
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 13 in kWh 4 20.2
Summe 65 18
Kondensation Grauwasser l/h 11 Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 12 0.50
Summe 22
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wasseraufbereitung. Berechnung für den Zeitraum von 15-16 Uhr
1
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36
37
A B C D EFGHIJKLMNOPQR
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad Sonne: son.std. Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl. Kamn.skr Kamn.sch
Gewächshaus
18 1900 0.75 70 20 70 140 30 0.50 0.50 0.349066
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 1.22173 0.940 2.443461 0.64 0.523599 0.47 0.32 0.342
2.8 2.8 15.36 6593.6 31.70 120.2
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 49.92 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 11.36421 62.49
24.80 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
380 5704 8.03 710.14 0.018956 0.22 1.73
Temp °C:
38.0
Luftf. %
90
feuchte g/kg
39.13
enthalp. kJ/kg
138.92
138.73
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 4 79.68 72.58 1.066 84.96 2.74
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 32.00 10.94 0 1425 233 1.0 233.00 -0.000425 -0.04 -0.04
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 10
400 24.80 10.94
Temp °C:
40.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
38.70
enthalpie
141.66
139.79
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 96.8 1.060 23.75 312.14
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 40.75 0.00 1425 26367 3.56 7412.42
Summe: 40.75
Temp °C: 332 Luftf. % N/A feuchte g/kg 38.70 enthalpie 453.80 454.21
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 61.0 Luftf. % 95 feuchte g/kg 152.31 enthalpie 453.80 459.36 0.113604 2.70 9.60 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 26 in kWh 780.4
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 6in kWh 219.6
Summe 32 9
Kondensation Grauwasser l/h 2Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 10 0.41
Summe 11
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wärmegewinnung. Berechnung für den Zeitraum von 8-9 Uhr
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34
35
36
37
A B C D EFGHIJKLMNOPQR
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad Sonne: son.std. Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl. Kamn.skr Kamn.sch
Gewächshaus
22 2200 0.75 59 31 70 129 45 0.71 0.71 0.541052
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 1.029744 0.857 2.251475 0.78 0.785398 0.61 0.55 0.515
2.8 2.8 12.14 80.7 32.22 44.5
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 49.92 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 11.36421 27.17
24.80 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
322 5704 18.47 308.76 0.007736 0.09 1.62
Temp °C:
32.2
Luftf. %
90
feuchte g/kg
27.91
enthalp. kJ/kg
103.60
103.75
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 4 79.68 72.58 1.105 88.07 74.30
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 32.00 16.48 0 1650 15050 2.3 6543.40 0.023347 2.06 4.73
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 23
450 24.80 16.48
Temp °C:
45.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
51.26
enthalpie
177.90
177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 96.8 1.024 22.94 385.38
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 63.36 0.00 1650 72324 8.18 8839.99
Summe: 63.36 rrr5
Temp °C: 396 Luftf. % N/A feuchte g/kg 51.26 enthalpie 563.28 563.76
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 65.0 Luftf. % 95 feuchte g/kg 192.72 enthalpie 563.28 570.54 0.14146 3.24 26.55 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 76 in kWh 21 81.3
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 17 in kWh 518.7
Summe 93 26
Kondensation Grauwasser l/h 6Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 27 0.68
Summe 33
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wärmegewinnung. Berechnung für den Zeitraum von 9-10 Uhr
1
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3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
26 2600 0.75 50 40 70 120 60 0.87 0.87 0.698132
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 0.872665 0.766 2.094395 0.87 1.047198 0.66 0.75 0.643
2.8 2.8 7.05 41.4 36.69 26.6
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 4 9.92 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 11.36421 25.00
24.80 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
310 5704 20.08 284.05 0.005821 0.07 1.33
Temp °C:
31.0
Luftf. %
90
feuchte g/kg
25.99
enthalp. kJ/kg
101.43
97.58
Vor dem Ablesen f9 eintragen
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 4 79.68 58.27 1.113 88.68 76.76
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 32.00 20.57 40 1950 17018 2.5 6807.23 0.025262 2.24 5.60
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 25
450 24.80 12.34
Temp °C:
45.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
51.26
enthalpie
178.19
177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 111.1 1.024 22.94 675.27
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 81.23 8.23 1950 137748 8.89 15489.74
Summe: 89.46
Temp °C: 659 Luftf. % N/A feuchte g/kg 51.26 enthalpie 853.46 853.09
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 72.5 Luftf. % 100 feuchte g/kg 327.91 enthalpie 853.46 937.09 0.276655 6.35 56.43 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 146 in kWh 40 90.8
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 15 in kWh 49.2
Summe 160 45
Kondensation Grauwasser l/h 7Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 56 0.79
Summe 63
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wärmegewinnung. Berechnung für den Zeitraum von 10-11 Uhr
1
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5
6
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9
10
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28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
32 2600 0.75 45 45 70 115 60 0.87 0.87 0.785398
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 0.785398 0.707 2.007129 0.91 1.047198 0.61 0.78 0.707
2.8 2.8 3.20 16.9 31.09 20.5
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 4 9.92 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 11.36421 23.14
24.80 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
306 5704 21.69 263.01 0.005211 0.06 1.28
Temp °C:
30.6
Luftf. %
90
feuchte g/kg
25.38
enthalp. kJ/kg
99.58
95.60
Vor dem Ablesen f9 eintragen
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 4 79.68 54.69 1.115 88.88 78.61
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 32.00 22.63 50 1950 18864 2.7 6986.82 0.025873 2.30 6.21
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 27
450 24.80 11.31
Temp °C:
45.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
51.26
enthalpie
178.19
177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 114.7 1.024 22.94 688.25
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 82.39 11.31 1950 151627 9.60 15787.44
Summe: 93.70
Temp °C: 671 Luftf. % N/A feuchte g/kg 51.26 enthalpie 866.44 866.29
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 72.8 Luftf. % 94 feuchte g/kg 303.74 enthalpie 866.44 873.79 0.252483 5.79 55.62 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 145 in kWh 40 82.4
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 31 in kWh 9 17.6
Summe 176 49
Kondensation Grauwasser l/h 7Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 56 0.84
Summe 63
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wärmegewinnung. Berechnung für den Zeitraum von 13-14 Uhr
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
30 2200 0.75 54 36 70 124 45 0.71 0.71 0.628319
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 0.942478 0.809 2.164208 0.83 0.785398 0.57 0.59 0.588
2.8 2.8 4.90 40.2 31.20 34.5
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 4 9.92 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 11.36421 31.24
24.80 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
322 5704 16.06 355.07 0.007736 0.09 1.41
Temp °C:
32.2
Luftf. %
90
feuchte g/kg
27.91
enthalp. kJ/kg
107.68
103.75
Vor dem Ablesen f9 eintragen
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 4 79.68 56.48 1.105 88.07 69.11
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 32.00 18.81 45 1650 12173 2.0 6086.69 0.023347 2.06 4.11
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 20
450 24.80 10.35
Temp °C:
45.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
51.26
enthalpie
176.79
177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 112.9 1.024 22.94 553.66
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 65.20 8.46 1650 90353 7.11 12700.19
Summe: 73.67
Temp °C: 548 Luftf. % N/A feuchte g/kg 51.26 enthalpie 730.45 730.97
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 69.8 Luftf. % 100 feuchte g/kg 276.21 enthalpie 730.45 796.74 0.22496 5.16 36.71 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 97 in kWh 27 89.8
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 11 in kWh 3 10.2
Summe 108 30
Kondensation Grauwasser l/h 6Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 37 0.75
Summe
42
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wärmegewinnung. Berechnung für den Zeitraum von 14-15 Uhr
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
A B C D E F GH I JKLM N OPQR S
Temp. Außen: Sol.Einstrahlg. kJ/h*qm Opt. Wirkungsgrad
Sonne
: son.std.
Kamin Kamin, geneigt x° std.wnkl.
Kamn.skr
Kamn.sch
Gewächshaus
28 1900 0.75 64 26 70 134 30 0.50 0.50 0.453786
K-Wrt GH K-Wrt. Kam Thm.Vlst.GH in %
Thm.Vlst.Kamin in MJ
in % 1.117011 0.899 2.338741 0.72 0.523599 0.45 0.36 0.438
2.8 2.8 7.32 84.4 26.59 68.3
Temp °C: 25 Luftf. % 100 feuchte g 20.17 enthalp. kJ/kg 76.43
Fermentation
Höhe Breite Länge Volumen
0.4 6.2 4 9.92 Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
Fläche Fermentation qm kJ/qm Vegetation /h 1.146 11.36421 39.06
24.80 230 kJ/h gesamt Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
332 5704 12.85 443.84 0.009429 0.11 1.38
Temp °C:
33.2
Luftf. %
90
feuchte g/kg
29.60
enthalp. kJ/kg
115.49
109.14
Vor dem Ablesen f9 eintragen
Gewächshaus
Höhe
Breite Hausparallel
Länge Volumen Außenflche Dichte kg/cbm Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
1.8 8 4 79.68 65.42 1.099 87.55 61.90
Dachfirst Grundfläche
Bestrahlt wird
versch. in % Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energie/LW
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h GRAUWASSER
2 1 32.00 14.03 20 1425 8672 1.6 5419.92 0.021654 1.90 3.03
Pflanzfläche Gewh. bestrahlt 16
450 24.80 11.22
Temp °C:
45.0
Luftf. %
80
feuchte g/kg
51.26
enthalpie
177.39
177.62
Kamin
Höhe Breite Länge Volumen Außenflche
Dichte kg/cbm
Gew.kg/vol Energiezunahme/kg
4 8 0.2 22.40 104.0 1.024 22.94 298.00
Höhe Dachschräge Fläch.snkr Fläch. Schrg Bestrlt. wird + Verschattg. Strahlg/qm Strahlg.ges Luftwechsel Energ./LW
10 32.00 80 43.15 2.81 1425 38905 5.69 6835.77
Summe: 45.96
Temp °C: 316 Luftf. % N/A feuchte g/kg 51.26 enthalpie 475.40 475.75
Luftbefeuchter
Ertrg g/kg Ertrag insg
Ertrag/LW Verdpf l/h Ertrag/d SALZWASSER
Befeuchtg. 61.7 Luftf. % 100 feuchte g/kg 169.92 enthalpie 475.40 506.42 0.118661 2.72 15.49 in Prozent
Wärmetsch. Kondensation MJ/h 46 in kWh 13 85.9
Wärmetsch Abkühlung MJ/h 8in kWh 2 14.1
Summe 53 15
Kondensation Grauwasser l/h 4Therm. Wirkungsgrad
Kondensation Salzwasser l/h 15 0.61
Summe
20
Anhang zu Kapitel 4, Programm zur Berechnung des Wasser- und Energieertrags, Variante Wärmegewinnung. Berechnung für den Zeitraum von 15-16 Uhr
