DE3835284A1 - Vorrichtung zum beheizen eines gewaechshauses - Google Patents

Description

Gewächshäuser sind seit langer Zeit bekannt und auf der ganzen Erde im Einsatz. Sie dienen der Aufzucht jeder Art von Pflanzen. Zur richtigen und ausreichenden Temperierung müssen die Gewächshäuser an kalten Tagen und in der kälteren Jahreszeit beheizt werden. Die meisten Gewächshäuser sind daher in klimatisch weniger günstigen Gegenden im Winter nicht in Betrieb. Sie werden erst im Frühjahr in Betrieb genommen und bereits im Spätherbst wieder stillgelegt, wenn die Außentemperaturen noch oder schon zu tief für Anpflanzungen im Freien sind. Es ist unbefriedigend, ein Gewächshaus nur während eines Teils des Jahres nutzen zu können, da in der Zeit der Nichtbenutzung investiertes Kapital brach liegt. Bei ganzjähriger Nutzung ist aber bisher der Verbrauch an fossilen Energieträgern so hoch, daß eine solche Nutzung aus Kostengründen nicht sinnvoll und wegen der Umweltbelastung kaum zu verantworten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Gewächshaus nahezu unabhängig von fossilen Energieträgern ganzjährig beheizt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,

• - daß innerhalb und außerhalb des Gewächshauses ein von Wasser durchströmtes Rohrsystem angeordnet ist, das aus einem Wärme aufnehmenden Wärmekreis und einem Wärme speichernden Speicherkreis besteht, die in einem geschlossenen Kreislauf hintereinander angeordnet sind und zwischen denen mindestens eine Pumpe angebracht ist,
• - daß im Wärmekreis mindestens ein außerhalb des Gewächshauses, an einer für Sonnenstrahlen zugänglichen Stelle angeordneter erster Rohrverbund an das Rohrsystem angeschlossen ist,
• - daß im Speicherkreis mindestens ein im Erdboden unterhalb des Gewächshauses angeordneter zweiter Rohrverbund als Bodenspeicher und ein in mindestens einem innerhalb des Gewächshauses befindlichen Wasserbehälter angeordneter dritter Rohrverbund als Wasserspeicher an das Rohrsystem angeschlossen sind und
• - daß zwischen der Pumpe und dem Speicherkreis Ventile zum getrennten oder gemeinsamen Verbinden des Wasserspeichers und des Bodenspeichers mit dem Wärmekreis oder zum direkten Verbinden des Wasserspeichers mit dem Bodenspeicher im Rohrsystem angeordnet sind.

Mit diesem Verfahren läßt sich ohne den Einsatz von fossilen Energieträgern ein Gehäusehaus ganzjährig beheizen. Durch den ersten Rohrverbund wird bei Sonnenschein und in der warmen Jahreszeit ständig Wärme aufgenommen, die durch das zirkulierende Wasser dem Speicherkreis zugeführt und so bei Bedarf zur Erwärmung des Gewächshauses verwendet werden kann. Das geschieht über den Wasserspeicher, dessen Wasser ständig bis auf eine Temperatur von beispielsweise 23°C erwärmt wird und durch Wärmeabgabe den Innenraum des Gewächshauses beheizt.

Wenn die Erwärmung des Gewächshauses ausreicht, wird die vom ersten Rohrverbund weiter aufgenommene Wärme nur noch oder zumindest zum größten Teil dem Bodenspeicher zugeführt, der damit nach und nach auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird. Wärmeverluste können dabei kaum auftreten, da der Bodenspeicher unterhalb des zu erwärmenden Gewächshauses angebracht ist, so daß aus dem Bodenspeicher über den Erdboden austretende Wärme zur Erwärmung des Gewächshauses beiträgt.

Falls vom ersten Rohrverbund wegen zu niedriger Außentemperatur keine Wärme mehr abgegeben wird, kann derselbe abgeschaltet werden. Das Wasser des Wasserspeichers wird dann über den dritten Rohrverbund aus dem Bodenspeicher heraus erwärmt. Dazu wird warmes, aus dem Bodenspeicher kommendes Wasser in einem Kreislauf zum Wasserspeicher und zurück zum Bodenspeicher gepumpt. Bei richtiger Dimensionierung des Bodenspeichers kann damit das Gewächshaus auch in der kalten Jahreszeit ausreichend beheizt werden.

Im Wärmekreis kann als weitere Wärmequelle ein vierter Rohrverbund angeordnet werden, der im Innern des Gewächshauses in dessen Dachbereich installiert wird. Der vierte Rohrverbund wird parallel zum ersten Rohrverbund an das Rohrsystem angeschlossen. Er nimmt Wärme nicht nur durch Sonneneinstrahlung, sondern auch aus dem Gewächshaus auf (Wärmerückgewinn).

Da ein Gewächshaus ständig gut belüftet werden muß, kann im Wärmekreis auch noch ein Wärmetauscher angeordnet werden, der parallel zum ersten und gegebenenfalls zum vierten Rohrverbund an das Rohrsystem angeschlossen wird. Er ist im Innern des Gewächshauses installiert und mit der Außenluft verbunden. Bei seinem Betrieb tritt die für das Gewächshaus wichtige Luftzirkulation in demselben ein.

Die drei Einheiten des Wärmekreises - erster und vierter Rohrverbund sowie Wärmetauscher - liegen parallel zueinander. Sie können jeweils über ein Ventil getrennt an den Wärmekreis angeschlossen sein. Jede Einheit kann daher ohne Beeinflussung der beiden anderen betätigt werden. Dazu braucht nur das zugehörige Ventil geöffnet oder geschlossen zu werden.

Zwischen Wärmekreis und Speicherkreis kann zusätzlich eine Wärmepumpe angeordnet werden, durch welche eine Überhitzung des Wasserspeichers bzw. des Gewächshauses vermieden werden kann. Das ist besonders dann von Vorteil, wenn der Wasserspeicher in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens als Fischteich zur Fischzucht verwendet wird. Für das Wohlbefinden und ein schnelles Wachstum der Fische ist die Einhaltung einer optimalen Wassertemperatur von großer Bedeutung. Die Wärmepumpe kann in sehr langen Kälteperioden aber auch zur besseren Ausnutzung des Bodenspeichers für die Beheizung des Gewächshauses verwendet werden.

Wenn an allen wichtigen Punkten des Gewächshauses Temperaturfühler angebracht und alle Ventile des Rohrsystems als elektrisch steuerbare Ventile ausgeführt werden, kann die Temperatur im Gewächshaus beispielsweise mittels eines Computers automatisch geregelt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Gewächshaus mit daran angebrachter Vorrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung.

Fig. 2 bis 4 unterschiedliche für die Vorrichtung verwendbare Rohrsysteme.

Der Ausdruck "Rohrsystem" soll nicht bedeuten, daß das Wasser unbedingt durch Rohre aus Metall oder Kunststoff gepumpt wird. Es können, insbesondere für den ersten und vierten Rohrverbund sowie für den dritten Rohrverbund des Wasserspeichers, mit Vorteil auch Schläuche eingesetzt werden, die beispielsweise aus Polyvinylchlorid bestehen.

Die Vorrichtung besteht aus einem Rohrsystem, in dem ein Wärmekreis 1 und ein Speicherkreis 2 angeordnet sind, die in Fig. 2 beide durch eine gestrichelte Linie angedeutet sind. Wärmekreis 1 und Speicherkreis 2 liegen in einem durch Rohre gebildeten Rohrsystem in einem geschlossenen Kreislauf. Zwischen beiden ist mindestens eine Pumpe 3 angeordnet, durch welche das im Rohrsystem befindliche Wasser umgewälzt wird. Zwischen der Pumpe 3 und dem Speicherkreis 2 befindet sich im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Dreiwegeventil 4.

Im Wärmekreis 1 liegt ein erster Rohrverbund 5 mit zugehörigem Ventil V 1. Er ist außerhalb eines Gewächshauses G so angebracht, daß er von der Sonne beschienen werden kann. Der Rohrverbund 5 ist vorzugsweise auf dem Dach und/oder an den Wänden des Gewächshauses G montiert. Er besteht beispielsweise aus einem mäanderförmig verlaufenden Rohr oder Schlauch. Es können hier auch mehrere, zu einem Rohrverbund gehörende Einheit aus Rohren eingesetzt werden.

Zum Speicherkreis 2 gehören ein zweiter, in einem Wasserbehälter 6 angeordneter Rohrverbund 7 und ein dritter Rohrverbund 8, der als Bodenspeicher 9 im Erdboden unterhalb des Gewächshauses G angeordnet ist. Der zweite Rohrverbund 7 und der Wasserbehälter 6 bilden einen Wasserspeicher 10, der ebenso wie der Bodenspeicher 9 über das Dreiwegeventil 4 mit dem Wärmekreis 1 verbindbar ist. Wenn der Wasserspeicher 10 aus dem Bodenspeicher 9 erwärmt werden soll, werden beide über einen Bypass 11 hintereinander geschaltet, der durch ein Ventil V 2 einschaltbar ist und vom Bodenspeicher 9 zu einer zwischen Wärmekreis 1 und Pumpe 3 liegenden Stelle 12 des Rohrsystems führt.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 arbeitet beispielsweise wie folgt:

Vom ersten Rohrverbund 5 aufgenommene Wärme wird durch das von der Pumpe 3 umgewälzte Wasser so lange zum Wasserspeicher 10 geleitet, bis dessen Wasser auf eine vorgegebene Temperatur von beispielsweise 23°C erwärmt ist. Danach wird das vom Rohrverbund 5 kommende erwärmte Wasser durch Umschaltung des Dreiwegeventils 4 zum Bodenspeicher 9 geführt, der dadurch nach und nach aufgeheizt wird.

Wenn vom Wärmekreis 1 keine Wärme mehr abgegeben wird, dann wird das Ventil V 1 geschlossen. Durch Öffnen des Ventils V 2 und Umschaltung des Dreiwegeventils 4 werden Wasserspeicher 10 und Bodenspeicher 9 dann über den Bypass 11 hintereinander geschaltet, so daß der Wasserspeicher 10 jetzt aus dem Bodenspeicher 9 mit Wärme versorgt wird.

Zum Wärmekreis 1 kann gemäß Fig. 3 auch ein vierter Rohrverbund 13 gehören, der grundsätzlich ebenso aufgebaut sein kann wie der Rohrverbund 5. Der Rohrverbund 13 ist im Innern des Gewächshauses G in dessen Wand- und/oder Dachbereich installiert, der lichtdurchlässig ist und daher das Sonnenlicht durchläßt. Er liegt parallel zum Rohrverund 5 und ist über ein Ventil V 3 an das Rohrsytem angeschlossen. Vom Rohrverbund 13 aufgenommene Wärme wird in gleicher Weise wie die des Rohrverbundes 5 geführt.

Parallel zum ersten Rohrverbund 5 und gegebenenfalls zum vierten Rohrverbund 13 kann über ein Ventil V 4 auch ein Wärmetauscher 14 an das Rohrsystem angeschlossen sein. Er ist im Gewächshaus G installiert und mit der Außenluft verbunden. Abgekühltes Wasser wird im Rohrsystem über den Wärmetauscher 14 geleitet und durch die im Gewächshaus G vorhandene Wärme erwärmt. Der Wärmetauscher 14 sorgt gleichzeitig für die Belüftung des Gewächshauses G. Das von ihm erwärmte Wasser wird ebenso wie das warme Wasser der Rohrverbunde 5 und 13 geführt.

Statt des Dreiwegeventils 4 können auch ein Mehrwegeventil oder Einzelventile eingesetzt werden, durch welche das vom Wärmekreis kommende erwärmte Wasser sinnvoll auf den Wasserspeicher 10 und den Bodenspeicher 9 aufgeteilt wird. So kann während der Aufheizphase des Wasserspeichers 10 das ganze erwärmte Wasser oder nur ein größerer Teil desselben zum Wasserspeicher 10 geleitet werden, während dann eine kleinere Menge erwärmten Wassers bereits zum Bodenspeicher 9 geführt wird. Wenn der Wasserspeicher 10 ausreichend erwärmt ist, reicht eine kleinere Menge erwärmten Wassers zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur aus. Die größere Menge erwärmten Wassers oder auch das ganze erwärmte Wasser wird dann zum Bodenspeicher 9 geleitet.

Die Ventile 4 und V 1 bis V 4 können grundsätzlich von Hand betätigbar sein. Sie können aber auch als elektrisch betätigbare Ventile ausgeführt sein, beispielsweise als Magnetventile. Insbesondere dann eignet sich das ganze System in Verbindung mit Temperaturfühlern zur automatischen Regelung mittels eines Computers.

Wie eine solche automatisch Regelung ablaufen kann, wird im folgenden an Hand von Fig. 4 beschrieben, in der zwischen Wärmekreis 1 und Speicherkreis 2 eine Wärmepumpe 15 angeordnet ist. Dabei ist der Wasserspeicher 10 aus zeichentechnischen Gründen neben den Rohrverbunden 5 und 13 dargestellt. Bei der Bezeichnung der Ventile wird der Einfachheit halber jeweils das Wort "Ventil" fortgelassen.

Die Wärmepumpe 15 kann bei Bedarf zwischen Wärmekreis 1 und Speicherkreis 2 eingeschaltet werden, um die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Kreisen zu erhöhen. Die Arbeitsrichtung der Wärmepumpe 15 ist durch den Pfeil 16 angedeutet. Bei Betrieb der Wärmepumpe wird eine zweite Pumpe 17 aktiv, da zwei getrennte Wasserkreisläufe bestehen, die nur durch die Wärmepumpe 15 verbunden werden. Die einzelnen Ventile und Pumpen sind je nach Arbeitsweise des Gesamtsystems zu betätigen. Es ergeben sich verschiedene Teilkreisläufe, die je nach Temperaturverhältnissen und Vorgabewerten von der automatischen Steuerung aktiviert werden:

Teilkreislauf 1:
Der Wärmekreis 1 heizt den Wasserspeicher 10.

Je nach Wärmeangebot werden die Einheiten Rohrverbund 5 über V 1, Rohrverbund 13 über V 3 und Wärmetauscher 14 über V 4 parallel vom Wasser durchströmt, das dabei aufgeheizt wird. Das erwärmte Wasser wird in den Wasserspeicher 10 geleitet, wo es einen Teil seiner Wärme abgibt. Über V 5 gelangt es dann zur Pumpe 3 und über V 6 wieder zu den Rohrverbunden 5 und 13 sowie zum Wärmetauscher 14, womit sich der Kreislauf schließt. Alle nicht erwähnten Ventile sind geschlossen.

Teilkreislauf 2:
Der Wärmekreis 1 heizt den Bodenspeicher 9.

Je nach Temperaturangebot werden die Einheiten des Wärmekreises 1 aktiviert (siehe oben). V 5 ist geschlossen, so daß der Wasserspeicher 10 nicht durchströmt wird. V 7 ist geöffnet und V 6 geschlossen, so daß die Pumpe 3 auch auf den in der Zeichnung unteren Teil des Rohrsystems wirkt. Über V 8 strömt das Wasser durch den Bodenspeicher 9 und gelangt über V 9 und V 10 wieder in den Wärmekreis 1. Die Pumpe 17 ist nicht aktiv und alle nicht erwähnten Ventile sind geschlossen.

Teilkreislauf 3:
Der Wärmekreis 1 heizt den Bodenspeicher 9 über die Wärmepumpe 15.

Je nach Temperaturangebot werden die Einheiten des Wärmekreises 1 aktiviert (siehe oben). V 5 ist geschlossen, so daß der Wasserspeicher 10 nicht durchströmt wird. V 7 ist geöffnet und V 6 geschlossen, ebenso V 8, um einen zweiten seperaten Kreislauf zu ermöglichen. Das Wasser durchfließt den Wärmekreis 1 über V 1, V 3 und V 4 und gelangt über V 7 zur Pumpe 3. Dann fließt es über V 11 in den wärmeaufnehmenden Teil der Wärmepumpe 15 und über V 12 wieder in den Wärmekreis 1, womit der erste Kreislauf geschlossen ist. Aus dem wärmeabgebenden Teil der Wärmepumpe 15 fließt der zweite Kreislauf über V 13 und Pumpe 17 in den Bodenspeicher 9. Über V 9 wird der zweite Kreislauf geschlossen. Alle übrigen Ventile sind geschlossen. Dadurch sind zwei getrennte Kreisläufe mit unterschiedlichem Temperaturniveau ermöglicht.

Teilkreislauf 4:
Der Bodenspeicher 9 heizt den Wasserspeicher 10.

Das Wasser des Bodenspeichers 9 gelangt über V 9 und V 10 in den Wasserspeicher 10 und gibt dort seine Wärme an das Wasser ab. Über V 5 gelangt es zur Pumpe 3, die die Umwälzung des Wassers im Rohrsystem besorgt. Über V 8 gelangt das Wasser wieder in den Bodenspeicher 9, womit der Kreislauf geschlossen ist. Dort nimmt es wieder Wärme aus dem Boden auf. Pumpe 17 ist nicht aktiv, alle nicht erwähnten Ventile sind geschlossen.

Teilkreislauf 5:
Der Bodenspeicher 9 heizt den Wasserspeicher 10 über die Wasserpumpe 15.

Das Wasser des Bodenspeichers 9 gelangt über V 14 in den wärmeaufnehmenden Teil der Wärmepumpe 15 und gibt dort einen Teil seiner Wärme ab. Über V 15 gelangt es zur Pumpe 17, die für die Umwälzung in diesem ersten Kreislauf sorgt. Danach gelangt das Wasser wieder in den Bodenspeicher 9, wo es Wärme aus demselben aufnimmt. Der wärmeabgebende Teil der Wärmepumpe 15 heizt das Wasser im zweiten Kreislauf auf. Dieses gelangt über V 10 durch den Wasserspeicher 10, wo es einen Teil seiner Wärme an das Wasser abgibt. Über V 5 und Pumpe 3, die in diesem zweiten Kreislauf die Umwälzung besorgt, gelangt das Wasser über V 16 wieder in den wärmeabgebenden Teil der Wärmepumpe 15. Da alle nicht erwähnten Ventile geschlossen sind, bestehen in dieser Betriebsvariante wieder zwei getrennte Kreisläufe mit unterschiedlichem Temperaturniveau.

Die Wärmepumpe 15 ist grundsätzlich für den Betrieb der Vorrichtung nicht erforderlich. Sie ist nur als Notaggregat anzusehen, das eingesetzt wird, wenn eine Überhitzung des Wasserspeichers 10 oder des Gewächshauses G droht oder wenn in langen Kälteperioden die Wärme des Bodenspeichers 9 besser ausgenutzt werden soll.

Die richtige Temperierung des Wasserspeichers 10 ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der Wasserbehälter 6 als Fischbecken verwendet wird. In einem solchen sauberen und richtig temperierten Fischbecken können Fische kontinuierlich das ganze Jahr über aufgezogen werden. Die Fische wachsen in solchen Fischbecken sehr schnell ohne Gefährdung durch externe Belastungen der Wasserqualität.

Mit der beschriebenen Vorrichtung ist also ohne Einsatz fossiler Energieträger ein ganzjähriges Aufziehen von Pflanzen und Fischen möglich. Der Energiebedarf für Gewächshäuser und für Fischzuchtanlagen kann in der erläuterten Kombination wesentlich herabgesetzt werden. Es verbleibt nur der Stromverbrauch für die das Wasser umwälzende Pumpe sowie für den Wärmetauscher und die Steuerung der Ventile sowie gegebenenfalls für die Wärmepumpe.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Beheizung eines Gewächshauses, dadurch gekennzeichnet,

• - daß innerhalb und außerhalb des Gewächshauses (G) ein von Wasser durchströmtes Rohrsystem angeordnet ist, das aus einem Wärme aufnehmenden Wärmekreis (1) und einem Wärme speichernden Speicherkreis (2) besteht, die in einem geschlossenen Kreislauf hintereinander angeordnet sind und zwischen denen mindestens eine Pumpe (3) angebracht ist,
• - daß im Wärmekreis (1) mindestens ein außerhalb des Gewächshauses (G), an einer für Sonnenstrahlen zugänglichen Stelle angeordneter erster Rohrverbund (5) an das Rohrsystem angeschlossen ist,
• - daß im Speicherkreis (2) mindestens ein im Erdboden unterhalb des Gewächshauses (G) angeordneter zweiter Rohrverbund (8) als Bodenspeicher (9) und ein in mindestens einem innerhalb des Gewächshauses (G) befindlichen Wasserbehälter (6) angeordneter dritter Rohrverbund (7) als Wasserspeicher (10) an das Rohrsystem angeschlossen sind und
• - daß zwischen der Pumpe (3) und dem Speicherkreis (2) Ventile zum getrennten oder gemeinsamen Verbinden des Wasserspeichers (10) und des Bodenspeichers (9) mit dem Wärmekreis (1) oder zum direkten Verbinden des Wasserspeichers (10) mit dem Bodenspeicher (9) im Rohrsystem angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Rohrverbund (5) mindestens ein innerhalb des Gewächshauses (G) angeordneter, zum Wärmekreis (1) gehörender vierter Rohrverbund (13) an das Rohrsystem angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten Rohrverbund (5) mindestens ein innerhalb des Gewächshauses (G) angeordneter, zum Wärmekreis (1) gehörender und mit der Außenluft verbundener Wärmetauscher (14) an das Rohrsystem angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rohrverbund (5) außen auf dem Dach und/oder an den Wänden des Gewächshauses (G) angebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Rohrverbund (13) im Dachbereich des Gewächshauses (G) angebracht ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rohrverbund (5), der vierte Rohrverbund (13) und der Wärmetauscher (14) jeder für sich über ein Ventil (V 1, V 3, V 4) an das Rohrsystem angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vom Bodenspeicher (9) aus ein zu einer zwischen der Pumpe (3) und dem Wärmekreis (1) liegenden Stelle (12) führender, mit einem Ventil (V 2) ausgerüsteter Bypass (11) an das Rohrsystem angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wärmekreis (1) und Speicherkreis (2) eine Wärmepumpe (15) über Ventile angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ventile als elektrisch steuerbare Ventile ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserbehälter (6) als Fischbecken zur Aufzucht von Fischen ausgebildet ist.

11. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Ventile in Abhängigkeit von einer für das Gewächshaus (G) vorgebbaren Temperatur automatisch geregelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Wassers im Wasserbehälter (6) geregelt wird.