Zur Heizleistung der Zuluft beim Einsatz von Erdwärmetauschern in Schweineställen Dr. F.-W. Venzlaff(LVLF)/Dr. H.-J. Müller(ATB) 15. Brandenburger Stallbautag Erneuerbare Energien aus der Landwirtschaft/Tierproduktion am 13. Mai 2009 in Seddiner See/Heimvolkshochschule
Problemstellung Bisher ging es bei der Anwendung von Erdwärmetauschern in der Schweinehaltung vor allem um die Nutzung der Kühleffekte in der warmen Jahreszeit sowie die Verringerung von Emissionen. Die vor allem in der kalten Jahreszeit bei Schweineställen mit Erdwärmetauschern auftretenden Anwärmeffekte der Zuluft wurden bisher offenbar als gering eingeordnet bzw. als eher bedeutungslose Nebeneffekte angesehen. Unter anderem deshalb wurden diese Effekte bisher auch bei entsprechenden Stallplanungen kaum bzw.eher nicht berücksichtigt. Technische Lösungen für das Erzielen von Heizeffekten ohne Brennstoffe,wie beim Anwärmen der Zuluft in Schweineställen mit Erdwärmetauschern, gewinnen bei hohen und tendenziell weiter steigenden Energiepreisen und Umweltbelastungen notwendigerweise an Bedeutung. Ob entsprechend lohnende Anwärmeffekte der Zuluft auftreten soll im folgenden auf der Basis von eigenen Messungen dargelegt werden.
1. Beispiel : Klassischer Erdwärmetauscher
Schnittdarstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Lüftung im Schweinestall Stallquerschnitt mit Klassischem konventioneller Erdwärmetauscher EWT
Flurneu ordnung 30 25 20 Temperatur [ C] 15 10 5 0-5 -10-15 03.02. 05.02. 07.02. 09.02. 11.02. 13.02. 15.02. 17.02. 19.02. 21.02. 23.02. 25.02. 27.02. Zeit Stall Zuluftkeller außen Verlauf der Außentemperatur, der im Zuluftkeller(nach Erdwärmetauscher) Beispiel für Temperaturverläufe bei konventionellem EWT und im Stall in einem ausgewählten Zeitabschnitt der Wintermessperiode
Beispiel für Verlauf von Aussentemperatur [ C] und Anwärmeffekt der Zuluft [K] bei einem Mastschweinestall mit "Klassischem Erdwärmetauscher" in der kalten Jahreszeit Aussentemperatur [ C] Anwärmeffekt [K] 12 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8-10 -12 Zeit Aussentemperatur Zulufterwärmung
Flurneu ordnung 14 Beispiel für den Anwärmeffekt der Zuluft [K] in Abhängigkeit von der Aussentemperatur [ C] bei einem Mastschweinestall mit "Klassischem Erdwärmetauscher" in der kalten Jahreszeit Anwärm effekt der Zuluft [K] 12 10 8 6 4 2 0-2 -4 y = -0,672x + 4,305 R 2 = 0,9322-12 -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 Aussentemperatur [ C] Werte des Anwärmeffektes bei verschiedenen Aussentemperaturen Linear (Werte des Anwärmeffektes bei verschiedenen Aussentemperaturen)
2. Beispiel : Erdwärmetauscher in der Ausführung als Unterflur-Zuluftführung
Winterbetrieb Schnittdarstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Lüftung im Schweinestall mit Erdwärmetauscher vom Typ Unterflur-Zuluftführung im Winterbetrieb
Land esamt für 30 25 20 15 Temperatur [ C] 10 5 0-5 -10-15 Stalltemperatur Temperatur OK Spaltenboden Abteilgang Aussentemperatur 24.01 26.01 28.01 30.01 01.02 03.02 05.02 07.02 09.02 11.02 Zeit Verlauf der Außentemperatur, der Temperatur bei Lufteintritt in das Stallabteil (OK Spaltenboden) und im Stallabteil in einem ausgewählten Zeitabschnitt der Wintermessperiode beim EWT Typ Unterflur-Zuluftführung
Beispiel für Verlauf von Außentemperatur[ C] und Anwärmeffekt der Zuluft [K] bei einem Mastschweinestall mit Unterflur-Zuluftführung in der kalten Jahreszeit Aussentemperatur [ C]; Anwärmeffekt [K] 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0-2,0-4,0-6,0-8,0-10,0-12,0 1d Zeit Aussentemperatur Zulufterwärmung
Flurneu ordnung Beispiel für den Anwärmeffekt der Zuluft [K] in Abhängigkeit von der Außentemperatur [ C] bei einem Mastschweinestall mit Unterflur- Zuluftführung in der kalten Jahreszeit Anwämeffekt der Zuluft [K] 12 10 8 6 4 2 0 y = -0,3828x + 4,7656 R 2 = 0,8626-12,0-10,0-8,0-6,0-4,0-2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Aussentemperatur [ C] Werte des Anwärmeffektes bei verschiedenen Aussentemperaturen Linear (Werte des Anwärmeffektes bei verschiedenen Aussentemperaturen)
Berechnen der Heizleistung vom - Klassischen Erdwärmetauscher (Beispiel 1) und - Unterflur-Zuluftführung (Beispiel 2)
Parameter zum Berechnen des Ø Heizleistung der Zuluft bei klassischem EWT (~2,5 m Tiefe) Abteil 6, (Ø Tierlebendmasse 45 kg) Ø Abluftvolumenstrom : 23,9 m³/h*tier Ø Anwärmeffekt der Zuluft : 4,5 K Abteil 7, (Ø Tierlebendmasse 85 kg) Ø Abluftvolumenstrom : 40,0 m³/h*tier Ø Anwärmeffekt der Zuluft : 3,55 K Insgesamt ergibt sich daraus als Berechnungsansatz für den klassischen EWT : Ø 32,0 m³/h*tierplatz für den Abluftvolumenstrom und Ø 4,03 K für den Anwärmeffekt der Zuluft Parameter zum Berechnen des Ø Heizleistung der Zuluft bei Unterflur-Zuluftführung (~0,9 m Tiefe) Abteil 1, (Tierlebendmasse 76 kg) Ø Abluftvolumenstrom : 22,4 m³/h*tier Ø Anwärmeffekt der Zuluft : 2,87 K Abteil 2, (Tierlebendmasse 86 kg) Ø Abluftvolumenstrom : 21,8 m³/h*tier Ø Anwärmeffekt der Zuluft : 3,56 K Insgesamt ergibt sich daraus als Berechnungsansatz für die Unterflur Zuluftführung : Ø 22,1 m³/h*tierplatz für den Abluftvolumenstrom und Ø 3,22 K für den Anwärmeffekt der Zuluft
Land esamt für Land wirtsc haft und Parameter entsprechend Messergebnissen und Erfahrungen Geschätzte Anzahl der Tage pro Jahr mit Anwärmeffekt ~ 120 d = 2880 h Ø spez. Abluftvolumenstrom lt. Messung 32,0 m³/h*tier, bei 2880 h und 1000 Tieren = 92.160.000 m³ Errechneter Ø Anwärmeffekt der Zuluft 4,03 K Q = m * cp * Δt = 119.162.880 * 0,00028 * 4,03 = 134.463 kwh Legende und Hilfszahlen Q : benötigte Wärmeenergie in kwh m : Masse in kg = 92.160.000 m³ * 1,293 kg/m³ = 119.162.880 Cp: spezifische Wärmekapazität(hier für Luft) in kwh/kg*k = 0,00028 Δt : Temperaturerhöhung in K = 4,03 Masse von Luft unter Normalbedingungen : 1,293 kg/m³[wikipedia, net] Für einen Mastschweinestall mit 1000 Plätzen und Klassischem-EWT ergibt sich somit eine Anwärmenergie in der Größenordnung von ~ 134.000 kwh/a oder auch ~ 134 kwh/mastplatz*a Als Heizleistung des Zuluftsystems ergeben sich 134.000.000 Wh : (2880 h x 1000 Mastplätze) = 46,5 W/Mastplatz Beispiel 1 : Berechnung der Größenordnung der Anwärmenergie der Zuluft für einen 1000-er Schweinemaststall mit Klassischem EWT
LV L F Land esamt für Verbrauc herschutz, Land wirtsc haft und Flurneu ordnung Parameter entsprechend Messergebnissen und Erfahrungen Geschätzte Anzahl der Tage pro Jahr mit Anwärmeffekt ~ 120 d = 2880 h Ø spez. Abluftvolumenstrom lt. Messung 22,1 m³/h*tier, bei 2880 h und 1000 Tieren = 63.648.000 m³ Errechneter Ø Anwärmeffekt der Zuluft 3,22 K Q = m * cp * Δt = 82.296.864 * 0,00028 * 3,22 = 74.198 kwh Legende und Hilfszahlen Q : benötigte Wärmeenergie in kwh m : Masse in kg = 63.648.000 m³ * 1,293 kg/m³ = 82.296.864 Cp: spezifische Wärmekapazität(hier für Luft) in kwh/kg*k = 0,00028 Δt : Temperaturerhöhung in K = 3,22 Masse von Luft unter Normalbedingungen : 1,293 kg/m³[wikipedia, net] Für einen Mastschweinestall mit 1000 Plätzen und Unterflur-Zuluftführung ergibt sich somit eine Anwärmenergie in der Größenordnung von ~ 74.000 kwh/a oder auch ~ 74 kwh/mastplatz*a Als Heizleistung des Zuluftsystems ergeben sich 74.000.000 Wh : (2880 h x 1000 Mastplätze) = 25,7 W/Mastplatz Beispiel 2 : Berechnung der Größenordnung der Anwärmenergie der Zuluft für einen 1000-er Schweinemaststall mit Unterflur-Zuluftführung
Flurneu ordnung Energieinhalt ausgewählter Brennstoffe Erdgas Heizöl Biogas Holzpellets ~ 10 kwh/m³ ~ 10 kwh/l ~ 6 kwh/m³ ~ 4,9 kwh/kg Bei einem ermittelten Anwärmeffekt von ~ 134.000 (74.000) kwh/a für den 1000-er Maststall ergibt sich ein Heizöläquivalent von ~ 13.400 (7.400) l/a. Das entspricht ~ 13,4 (7,4) l Heizöl pro Tierplatz und Jahr, bei 70,- C/l Heizöl sind das ~ 9,4 (5,2) /Tp.*a Nur zum Vergleich : Der Mehr-Investitionsaufwand für den Klassischen Erdwärmetauscher liegt für einen 1000er Maststall in der Größenordnung von 40 /Tierplatz Der Mehr-Investitionsaufwand für die Unterflur-Zuluftführung ist ~ 0,00 /Tierplatz. Zuordnung des ermittelten Anwärmeffektes zu Energieinhalten und Verbrauch von Brennstoffen
Landwirtsc haft und Flurneu ordnung Über Heizleistungen von Erdwärmetauschern in Schweineställen ist in der Literatur aus den eingangs genannten Gründen wenig zu finden. Für einen nach dem Erdwärmetauscherprinzip arbeitenden Opti-Klima-Maststall mit ca. 2000 Plätzen wurden bei Messungen an einem Wintertag und darauf aufbauenden Berechnungen 57 kw als Heizleistung zum Messzeitpunkt genannt [Niklaus, 2008], was 28,5 W/Mastplatz entspricht. Das ergibt eine Heizenergie durch die Zulufterwärmung von 164.160 kwh für diesen Stall. Die Ansaugtiefe lag hier 25 cm unter der Güllewanne, geschätzt ca. 0,9 m unter Oberkante Fußboden. Für einen 16-er Abferkelstall mit Zuluftansaugung aus einem Hohlraum unter dem Stall wurde für die kalte Jahreszeit eine Heizenenergie von 8400 kwh, also 525 kwh/abferkelplatz bzw. eine Heizleistung von 182 W/Abferkelplatz ermittelt [Van Caenegem 2007]. Daraus abgeleitet : 5 ~ 36 W/Mastplatz.(Ansaugtiefe nach Foto auf ca. 0,8 m geschätzt ähnlich Unterflur-Zuluftführung). Einordnung der Ergebnisse (1)
Landwirtsc haft und Flurneu ordnung Die eigenen Ergebnisse liegen mit 46,7 W/Mastplatz beim Klassischen EWT mit 2,5 m Rohrtiefe und 25,4 W/Mastplatz bei Unterflur-Zuluftsystem mit 0,9 m Kanaltiefe in der Größenordnung der bisherigen wenigen (Vergleichs)Werte. Bei flacherer Zuluftführung liegt die Wärmeleistung offensichtlich und logischerweise unter der Wärmeleistung bei tieferer Zuluftführung. vgl. a. Klassischer EWT zu EWT Typ Unterflur-Zuluftführung Einordnung der Ergebnisse (2)
Maststall (2,5 2,7 Durchgänge/a) 70 90 kwh/platz*a Für einen Maststall mit 2.000 Plätzen ~ 160.000 kwh/a Heizenergie ~ 80 kwh/a*platz Abferkelstall 850 1.100 kwh/platz*a dav. Ferkelnestheizung 670 850 - - dav. Raumheizung 180 250 - - Größenordnung des Wärmeenergieverbrauches für Schweineställe (Auswahl) [u. V. Feller 2008, Koch 2008] Selbst ermittelt: pro Mastplatz pro Abferkelplatz(abgeleitet) Klassischer EWT 134 kwh/a ~ x 5 = 670 kwh/a Unterflur-Zuluftführung 74 kwh/a ~ x 5 = 370 kwh/a Einordnung der Ergebnisse (3)
Land esamt für Verbrauc herschutz, Land wirtsc haft und Flurneu ordnung Fazit Als Heizleistung ergaben sich beim Klassischen EWT 46,5 W/Mastplatz bzw. bei der Unterflur-Zuluftführung 25,7 W/Mastplatz bezogen auf 120 Anwärmtage/a. Als Heizenergie über die kalte Jahresperiode von 120 Tagen wurden 134 (74) kwh/mastplatz*a errechnet. Das Übertragen der Ergebnisse auf den Abferkelbereich ergab eine Größenordnung der so erzeugten Heizenergie von 670 (370) kwh/abferkelplatz*a. Dabei ergibt sich offensichtlich vor allem durch die größere Ansaugtiefe der Zuluft beim Klassischen EWT eine höhere Heizleistung als bei geringerer Ansaugtiefe, wie beispielsweise dem EWT- Typ Unterflur-Zuluftführung Wie die Ergebnisse zeigen, ist die Leistungsfähigkeit des Systems Erdwärmetauscher so groß, dass mindestens ein wesentlicher Teil des Wärmebedarfes von Schweineställen hierdurch gedeckt werden kann. Bei einem Investitionsmehraufwand von 40 /Mastplatz (Klassischer EWT) bzw.0,00 (Unterflur-Zuluftführung) ist die betriebswirtschaftliche und auch die umweltmäßige Einordnung bereits allein aus dem Sachverhalt Anwärmeffekt klar positiv zu beantworten.
Gesamt - Fazit zum Erdwärmetauscher Die Anwendung des Erdwärmetauschers in Schweineställen bietet also insgesamt drei wesentliche Vorteile: 1. Senkung der Stalltemperaturen, insbesondere der Temperaturspitzen, in der warmen Jahreszeit in Verbindung mit einem gleichmäßigeren Tagestemperaturverlauf. 2. Verringerung der Ammoniakemissionen um mindestens 25 % gegenüber konventioneller Stalllüftung. 3. Realisierung einer mittleren Heizleistung zwischen 25 und 46 W/Mastplatz, je nach Bauart, bezogen auf 120 Anwärmtage.