Verfahrenstechnische Bewertung konkurrierender Lösungen zur Nutzung regenerativer Energie zum Heizen und Kühlen von Stallanlagen

Abstract

In dem Projekt wurde der aktuelle Einsatz von Wärmerückgewinnung sowie regenerativen Energiequellen in der Praxis untersucht. Neben der Passfähigkeit der Systeme wurden auch unterschiedliche Dämmmaterialien unter Berücksichtigung der in der Landwirtschaft gestellten Anforderungen in einer Literaturanalyse vergleichend beschrieben und bewertet. Die Messung zur Wärmerückgewinnung (rekuperativer Luft-Luft-Wärmetauscher) erfolgte in einem Ferkelaufzuchtstall mit insgesamt 2.200 FP. Für die messtechnische Erfassung der wärmetechnischen Zusammenhänge innerhalb eines rekuperativen Luft-Luft-Wärmetauschers wurden kontinuierlich die Parameter Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Luftvolumenstrom sowie der elektrische Energieaufwand der WRG erfasst. Die Untersuchungen zur Unterflurzuluftführung wurden in einer Schweinmastanlage mit 5.160 Mastplätzen durchgeführt. Zur Bewertung des Zuluftkanals wurde ein Messprogramm durchgeführt, in dessen Verlauf Temperaturen, Volumenströme und Energieverbräuche sowie punktuell Druckdifferenzen und Ammoniakgehalte der Stallluft aufgezeichnet wurden. Die Messungen der Grundwasser-Wärmepumpen wurden in zwei wärmegedämmten, zwangsbelüfteten Schweineställen durchgeführt. Der Abferkelstall verfügt über 172 Abferkelplätze und ist in fünf Abteile gegliedert. Vier dieser Abteile bestehen aus 38 Buchten, das fünfte Abteil besteht aus 20 Buchten. Jede Bucht ist mit einer Warmwasser-Ferkelheizplatte ausgestattet. Der Ferkelaufzuchtstall gliedert sich in acht gleichgroße Abteile mit jeweils 500 Aufzuchtplätzen. Beheizt werden die Abteile durch vier an der Wand übereinander parallel verlaufende Stahlrohre. Zur Bereitstellung der Wärme für die beiden Heizkreisläufe wurden drei Wärmepumpen installiert. Eine der Wärmepumpen wurde in dem bereits genannten Abferkelstall eingebaut, die zwei anderen in dem Ferkelaufzuchtstall. Als Wärmequelle dient in beiden Heizkreisläufen Grundwasser mit einer Temperatur von ungefähr 10°C. Zur Bewertung der beiden WP-Systeme wurden kontinuierlich folgende Messparameter erfasst: Wärmemenge, Stromverbrauch, Betriebsstunden der Wärmepumpen, Außen- und Abteiltemperatur sowie Flüssiggasverbrauch. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz des rekuperativen Luft-Luft-Wärmetauschers, die unvermeidlichen Wärmeverluste die aufgrund der Lüftung auftreten, stark minimiert werden können. Etwa 142.000 kWhth wurden durch den rekuperativen Luft-Luft-Wärmetauscher in dem einjährigen Untersuchungszeitraum von der Abluft auf die Zuluft übertragen. Auch die Unterflurzuluftführung in der Schweinemast zeigt gute Effekte auf das Stallklima. Im Sommer konnte bei einer Umgebungstemperatur von ca. 30°C eine mittlere Abkühlung der Zuluft um 5,5 K und im Winter konnte bei einer Umgebungstemperatur von -10°C eine mittlere Vorwärmung um 5,8 K erreicht werden. Andere Ergebnisse liefern die Grundwasser-Wärmepumpen. Da es sich hier um ein Niedertemperaturheizsystem handelt ist besonders auf eine niedrige Vorlauftemperatur zu achten. Die Vorlauftemperaturen lagen im Abferkelbereich bei 45°C und in der Ferkelaufzucht bei 50°C. Aufgrund dieser erhöhten Vorlauftemperaturen waren negative Auswirkungen auf die COP der Wärmepumpenanlagen bereits im Vorfeld zu erwarten. Es wurden lediglich COP-Werte zwischen 2,5 und 3,4 erzielt.

In the project the current application of heat recovery as well as renewable energy sources in practice was investigated. The compatibility of the systems and even though the use of different insulation materials were assayed in literature analysis. Regarding the insulation materials there was a special focus on the requirements of agriculture. The measurement of heat recovery (recuperative air-to-air heat exchanger) was conducted in a piglet rearing barn including 2,200 piglets. For the metrological capture of the thermic interrelations in the recuperative air-to-air heat exchanger the parameters temperature, air humidity, air volume flow and the electrical energy demand have been documented continuously. The investigations concerning under floor ducting of fresh air were realized in a pig fattening barn with 5,160 feeding places. For the evaluation of the air supplying duct, a measuring program was used, including the measurement of temperature, air volume flow, electrical energy demand and punctual mensuration of pressure difference and ammonia content of the air inside the barn. The measurements of the groundwater heat pump were carried out in two forced-ventilated pig buildings. The farrowing barn consists of 172 places divided into five compartments. Four of the compartments are subdivided into 38 pens. The fifth compartment is subdivided into 20 pens. Each pen is equipped with a warm water piglet heater. The piglet rearing barn is divided into eight equal compartments, each has 500 breeding places. The compartments were heated by four parallel steel tubes. These tubes were mounted on the wall one above the other. For the delivery of heat for both circulation systems, three pumps have been installed. One of the pumps was installed in a farrowing barn, the other two in the piglet rearing barn. In both heating circulation systems, the source of heat was ground water with a temperature around 10°C. For the evaluation of both heat pump systems the following measuring parameters have been collected continuously: heat quantity, electrical energy demand, operating hours of the heat pumps, outside and inside temperature, as well as LPG consumption. The results show, that the use of the recuperative air-to-air heat exchanger minimizes the unpreventable heat losses occurring due to the ventilation system. Approximately 142,000 kWhth were transferred by the recuperative air-to-air heat exchanger form the exhaust air to the supply air in the experimental period of one year. Even though the under floor ducting of fresh air in the pig fatting shows positive effects on the climate inside the barn. In the summer at outside temperatures of about 30°C, there was a cooling effect of the supply air with a mean of 5.5K. In the winter at outside temperatures of about -10°C, there was a warming effect of the supply air with a mean of 5.8K. The groundwater heat pumps deliver different results. Handling with a low temperature heating system, attention should be payed to a minimal flow temperature. The flow temperature of the farrowing barn was 45°C and the flow temperature of the piglet rearing barn was 50°C. Because of these high flow temperatures negative effects of the heat pump system´s COP were expected already in the run-up phase. COP-values between 2.5 and 3.4 were reached.