Ergebnisse aus Berlin
Das ZINEG-Solarkollektorgewächshaus als komplexes Wassermanagementsystem
Veranlasst durch die Klimaziele der Bundesregierung, die im engen Zusammenhang mit der Reduktion des Einsatzes fossiler Brennstoffe stehen, wird der Produzent herausgefordert Ressourcen einzusparen. Im Rahmen des Forschungsprojekts ZINEG an der Humboldt-Universität zu Berlin konnten bereits fundierte Aussagen zur Energieeinsparung durch den Einsatz eines Solarkollektorgewächshauses getroffen werden, wodurch die Energiekosten gesenkt werden können. Doch nicht nur die eingesetzten Energieträger gehören zu den kostenintensiven Quellen in der konventionellen Gewächshauproduktion, sondern auch der Wasserverbrauch für die Fertigation in hydroponischen Systemen. Deswegen wurden zielorientiert Paralleluntersuchungen unter der Einbindung hydroponisch kultivierter Tomatenpflanzen im Solarkollektorgewächshaus durchgeführt, um die Möglichkeiten einer Reduzierung des Trinkwasserverbrauchs für die Nährlösungsanmischung aufzuzeigen, ohne das Ertrags- und Qualitätsverluste auftreten.
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ZINEG-Solarkollektorgewächshaus: Entfeuchtungsstrategien im Contest
In geschlossen betriebenen Gewächshäusern kommt es in Abhängigkeit von der eingesetzten Pflanzenkultur infolge der geringeren Luftaustauschraten zu einer Erhöhung der relativen Luftfeuchte. Insbesondere im Gemüsebau mit Kulturen mit großen Blattflächen werden in Folge dessen oft phytosanitäre und pflanzenphysiologische Probleme, wie z.B. die Ausbreitung von Mehltau und die Hemmung der Fruchtausbildung, beobachtet. In diesem Zusammenhang wird häufig das energieaufwändige Trockenheizen eingesetzt, um die relative Luftfeuchte als vermeintliche Ursache für diese Pflanzenreaktionen zu reduzieren. Wissenschaftlich nachgewiesen ist jedoch, dass beim Trockenheizen die Wasserdampfkonzentrationsdifferenz vergrößert wird und dadurch die Transpiration der Pflanzen und die Nachlieferung von Wasserdampf ansteigen. Dagegen kann im geschlossenen System mit Hilfe einer kombinierten Anwendung von im Dachraum angeordneten Kühlrippenrohren und einer integrierten Wärmepumpe wirkungsvoll gekühlt und gleichzeitig entfeuchtet werden.
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Klimafreundlicher, gesunder Salat aus dem Niedrigenergiegewächshaus
Polyphenole sind vielen Menschen sympathisch: Sie bieten einen guten Grund sich regelmäßig ein Glas Rotwein zu gönnen. Salat hingegen erfreut sich geringerer Beliebtheit, obwohl auch er Polyphenole enthält. Besonders in roten Blattsalaten findet man mit Flavonoiden (Quercetin-, Luteolin und Cyanidinglykoside) und Phenolsäuren (Kaffeesäure-Verbindungen) Vertreter dieser gesundheitsförderlichen Substanzklasse. Die Konzentration an Polyphenolen ist im Salat geringer als beispielsweise in Zwiebeln, Grünkohl oder Rotwein. Allerdings wird er in Mitteleuropa meist roh und in großen Mengen verzehrt und ist dadurch eine sehr gute Quelle für bestimmte Phenolsäuren.
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Energetische und klimatische Bewertung der Luftentfeuchtung im geschlossenen Gewächshaus
In geschlossenen Gewächshäusern kommt es zu einer Anreicherung von Wasserdampf, der zu phytosanitären Problemen und zu einer hemmenden Fruchtausbildung führen kann. Es werden deshalb häufig Entfeuchtungsroutinen eingesetzt, um die relative Luftfeuchte zu senken. Bekannt ist, dass beim Versuch den Wasserdampf mit technischen Apparaten aus dem Gewächshaus zu entfernen, die Kulturen diesen Dampf durch erhöhte Transpiration nachliefern (Abb. 1). Mit Hilfe von Kühlsystemen mit Wärmepumpen können Gewächshäuser gekühlt und entfeuchtet werden. Durch Wärmerückführung entsteht ein geschlossener Stoff- und Energiekreislauf.
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Kann die Gewächshausgurke bei niedrigen Temperaturen kultiviert werden?
In Gewächshäusern mit Wärmegewinnung aus der Sonnenstrahlung am Tage, Zwischenspeicherungund Nutzung der gespeicherten Wärme für die Gewächshausbeheizung in der Nacht bzw. an strahlungsarmen Tagen ist die verfügbare Wärmemenge im Frühjahr, Herbst und Winter oft begrenzt.Deshalb ist die Kultivierung der Pflanzen bei möglichst niedrigen Sollwerten für die Heizung hier von großem Interesse. Aber auch in konventionellen Gewächshäusern kann damit eine deutlicheVerringerung der Heizkosten erreicht werden.
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Transparente Tagesenergieschirme sind in Niedrigenergigewächshäusern beim Anbau von Gurke sinnvoll
Der Einsatz von Energieschirmen in der Nacht ist heute in vielen Gewächshäusern bereits Standard und ermöglicht über eine Vegetationsperiode eine Energieeinsparung von ungefähr 30 %. Mit weiter steigenden Kosten für Heizmaterialien und der Verfügbarkeit von transparenten Energieschirmen wird die Nutzung von Schirmen auch am Tage interessant. Während sich die Energieeinsparung leicht abschätzen und messen lässt, gibt es für die Wirkung der damit verbundenen Lichtminderung kaum verlässliche Daten. Eine wiederholt für die Gewächshausgurke und andere Kulturen aufgestellte Faustregel besagt, dass eine Verringerung der auf den Pflanzenbestand auftreffenden Sonnenstrahlung um ein Prozent zu einem Ertragsverlust von einem Prozent führt. In einer niederländischen Studie (Literaturstudie und Befragung von Gärtnern) wurde für die Gurke ein Bereich von 0,6-1,2 % Ertragsverlust je 1 % Lichtminderung ermittelt. Die größeren Verluste traten bei geringer Sonnenstrahlung im Winterhalbjahr und die geringsten im Sommer bzw. in der vegetativen Wachstumsphase auf. Wann ist es dann sinnvoll, den Energieschirm auch am Tage zu nutzen?
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Fruchtsensor
Das Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim (ATB) ist in mehreren Forschungsthemen in der Sensorentwicklung und Signalauswertung von physiologischen Kenngrößen tätig. In diesem Rahmen erarbeitet das ATB Grundlagen für technische Verfahren im Bereich der Qualitätssicherung von Gemüse und Obst von der Produktion bis zum Verbraucher. Ein Schwerpunkt ist die zerstörungsfreie optische Analyse von Produkteigenschaften (Inhaltsstoffe und Textur). Kommerzialisierte Systeme zum zerstörungsfreien Fruchtmonitoring am Baum auf der Basis der Spektroskopie konnten bereits in das Versuchswesen des Erwerbsobstbaus eingeführt werden.
Was wird gemessen?
Im Verbundprojekt ZINEG wird die multispektrale Information automatisiert an der Frucht gemessen. An den spezifischen Wellenlängen wird die Pigmentabsorption ausgewertet. Die reifebedingte Abnahme des Chlorophyll-Gehaltes bzw. die Zunahme der Carotinoid-Gehalte sind hiermit mit hoher Genauigkeit messbar - auch in solchen Produkten bzw. Produktreifestufen, in denen das Chlorophyll durch rote Pigmente maskiert und somit visuell oder über Farbanalysen nicht erfassbar ist (beispielsweise bei Paprika und Tomaten). Mit dem Funktionsmuster (ATB-Entwicklung, 2010) des Sensors konnte bereits Lykopin zerstörungsfrei erfasst werden.
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Gewächshaussteuerung durch die Tomate?
Der Frage nach der Produktqualität in den neuen Niedrigenergie-Gewächshäusern wird an allen Standorten nachgegangen. Inwieweit man die Reaktion von Tomatenfrüchten in die Gewächshausregelung einbinden kann, untersucht eine Arbeitsgruppe am Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim (ATB). Hier wird derzeit ein Fruchtsensor entwickelt, der online Daten zu Veränderungen in der Ausfärbung der Tomaten erfasst. Erste Labormessungen mit den Prototypen liegen ausgewertet vor und ein Funktionstest wurde im Gewächshaus bereits erfolgreich abgeschlossen. Derzeit erfolgt die Entwicklung des erweiterten Prototypen (Multisensor-System), mit dem dann die online Erfassung an mehreren Tomatenfrüchten ermöglicht wird.
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Hohe Luftfeuchtigkeit verhindert den Fruchtansatz bei Tomaten im Gewächshausanbau
Im ZINEG-Verbundprojekt werden Gewächshäuser mit dem Ziel eines niedrigen Verbrauchs an fossilen Energieträgern entwickelt und getestet. Dazu wird die durch solare Strahlung im Gewächshaus entstehende sensible und latente Wärmeenergie gewonnen, in Wasserspeichern mittelfristig zwischengespeichert und zur Gewächshausheizung in der Nacht und an kühlen, trüben Tagen genutzt. Je länger dann die Gewächshauslüftung geschlossen bleiben kann, desto mehr Wärmenergie kann infolge der hohen Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus ausgekoppelt und gespeichert werden. Gleichzeitig können dabei hohe CO2-Konzentrationen eingestellt werden. Der Kultivierung von Tomate sind jedoch bei hohen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten Grenzen gesetzt.
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Kollektorgewächshäuser sparen Ressourcen und fördern das Wachstum
Veranlasst durch die Klimaziele der Bundesregierung und die ansteigenden Preise der fossilen Brennstoffe wird der Produzent herausgefordert Ressourcen einzusparen. Zielorientiert werden im Rahmen des Forschungsprojekts ZINEG an der Humboldt-Universität zu Berlin Versuche mit Tomatenpflanzen durchgeführt, um den Energie- und Wasserverbrauch zu reduzieren, ohne dass Ertrags- und Qualitätsverluste auftreten. Im Jahr 2011 liegt der Fokus der Untersuchungen auf der Optimierung der technischen Neuheiten. Mit der Klimaführung im geschlossenen Betrieb werden mit Hilfe von Kühlrohren im Dachbereich die sensible Wärme der Globalstrahlung sowie die konvertierte thermische Energie des Wasserdampfes in einem Regenwassertank gespeichert, um diese bei Bedarf für Heizzwecke zu verwenden. Dadurch wurde im Kollektorhaus eine konstant höhere relative Luftfeuchtigkeit gegenüber dem praxisüblichen Gewächshaus erzielt, wodurch die Transpiration reduziert und der Nährlösungsverbrauch des Pflanzenbestandes um bis zu 50 % verringert wurde.
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Das geschlossene Solarkollektorgewächshaus - Anlagenkonzept und energetische Untersuchungen zum Wärmeenergiegewinn im Sommer 2010
Die untersuchten Kühl- und Entfeuchtungssysteme sind geeignet, den geschlossenen Betrieb des Solarkollektorgewächshauses zu realisieren, wobei die Rippenrohrkühlung im Dachbereich besonders effizient arbeitet. Die pflanzliche Transpiration trägt zur Erreichung eines hohen Kollektorwirkungsgrades der Anlage bei. Im Versuchsjahr 2011 werden die energetischen Untersuchungen wiederholt und auf eine Ganzjahreskultur ausgedehnt. Das System wird im Bezug auf einen Kompromiss zwischen maximalen Wärmeentzug unter möglichst geringen Primärenergieaufwendungen (Pumpenregelung) und Ertragsbildung bei CO2-Anreicherung zu optimieren sein. Außerdem wird der Einfluss der pflanzlichen Latentkühlung auf den Wärmebedarf von Gewächshäusern untersucht.
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Schuch, I., D. Dannehl, T. Rocksch, R. S. Moreno, A. R. Aguilar und U. Schmidt 2011: Das geschlossene Solarkollektorgewächshaus - Anlagenkonzept und energetische Untersuchungen zum Wärmeenergiegewinn im Sommer 2010; DGG-Proceedings, Vol. 1, No. 10, 1-5. DOI: 10.5288/dgg-pr-01-10-is-2011.
Anlaufphase ZINEG - Auswirkungen von einem geschlossenen Gewächshaus auf das Pflanzenwachstum und die Fruchtqualität von Tomaten
Die ersten Ergebnisse verdeutlichen, dass durch den Einfluss des Kollektorhauses der Gesamtertrag der vermarktungsfähigen Tomaten gesteigert und die Qualität der Früchte verbessert werden konnte. Durch die zukünftige CO2-Anreicherung und der Reduzierung der CO2-Verluste im geschlossenen Kollektorhaus wird darüber hinaus ein Mehrertrag von 20 % gegenüber dem Referenzhaus erwartet (Reinert et al., 1997). In Anlehnung an den ersten Ergebnissen der Pflanzen- und Ertragsentwicklung konzentrieren sich die Folgeversuche auf die Optimierung des Mikroklimas im Kollektorhaus, um den ernährungsphysiologischen Wert der Früchte um ein Vielfaches zu erhöhen sowie die Vitalität der Tomatenpflanzen nochmals zu verbessern.
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Dannehl, D., I. Schuch, T. Rocksch, S. Huyskens-Keil, A. Rojano Aguilar und U. Schmidt 2011: Anlaufphase ZINEG - Auswirkungen von einem geschlossenen Gewächshaus auf das Pflanzenwachstum und die Fruchtqualität von Tomaten; DGG-Proceedings, Vol. 1, No. 9, 1-5. DOI: 10.5288/dgg-pr-01-09-dd-2011.
