Forschungs- und Innovationsprojekt
Niedrigenergie-Gewächshaus mit konzeptioneller LED-Pflanzenbelichtung

Gewächshaus mit eingeschalteter LED-Belichtung
Im Verbund mit dem Staatlichen Bauamt Freising, einem Gewächshausplaner, einem Energieberater und einem Statiker hat die Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft ein Pilotprojekt nach ZINEG-Maßstäben realisiert, in dem effektive Lösungen für die energieeffiziente Sanierung der bestehenden Forschungsgewächshäuser erprobt werden können.
ZINEG, die "ZukunftsInitiative NiedrigEnergieGewächshaus", erhielt 2014 den deutschen Nachhaltigkeitspreis Forschung.
Darüberhinaus werden im Gewächshaus energieeffiziente Breitband-LEDs der neuesten Generation zur Pflanzenbelichtung getestet.
Der Standort des neuen Gewächshauses wurde innerhalb des Instituts für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung gewählt, da hier besonders hohe Anforderungen an den Wärmebedarf und Lichtbedarf (>10klx) der Kulturen bestehen und eine spätere Vergleichbarkeit gegeben ist.
Dieses erste Pilotprojekt wurde im September 2014 auf den Weg gebracht und Ende März 2015 fertiggestellt. Es liefert wichtige Erkenntnisse zu verbauten Materialien und ihren Eigenschaften, zur Abwicklung und Strategie der Umbaumaßnahmen und erste Energieeffizienz-Maßzahlen an Hand von Herstellerangaben.
Verbrauchsmessungen mit kalorischen und elektrischen Energiezählern sind für den laufenden Betrieb vorgesehen und liefern verlässliche Zahlen für vergleichende Berechnungen mit Bestands-Gewächshäusern.

Merkmale und energieeffiziente Baumaßnahmen

Abmessungen

Gewächshaus in Großraum-Bauweise, drei gleich große Abteilungen

  • Grundfläche gesamt: 284 m²
  • Nutzfläche gesamt: 255 m²
  • Unterteilung in drei getrennte (und getrennt steuerbare) Kulturräume
    • Kostengünstige Großraumaufteilung
    • In einer effizienzorientierten Züchtung bilden diese Kulturräume ein wichtiges Bindeglied zwischen Labor/Klimakammer und Feld
  • Firsthöhe: 7,20 m (inklusive Sockel)
  • Stehwandhöhe: 5 m
    • Durch die hohe Stehwand- und Firsthöhe eröffnen sich sehr gute Klimatisierungsmöglichkeiten im Pflanzenbereich
    • In diesen großzügigen licht- und luftdurchfluteten Räumen können realistische Bestandsbeobachtung für die Züchtungsforschung durchgeführt werden

Gewächshaushülle

Rundum isolierte Gewächshaushülle durch gedämmten Sockel, Doppelverglasung und thermisch getrennte Sprossenprofile

  • Sockel: Perimeterdämmung 80mm EPS (= Expandierter Polystyrol Hartschaum)
    • Wärmeleitgruppe (WLG): 035
  • Dacheindeckung: Isolierverglasung "Consafis ISO LE 9000"
    • Isolierscheibe (Aufbau: 4mm ESG extraweiß - 18mm Luft - 4mm ESG extraweiß)
    • Hochtransparentes, eisenfreies Weißglas
    • Transmissionsgrad Licht: 84%
    • Transmissionsgrad UV-Strahlung: 68%
    • Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert): 2,7
  • Stehwände Ost/West und Südgiebel: Wärmeschutzglas "Consafis neutral LE 9000"
    • Isolierscheibe (Aufbau: 4mm ESG edelmetallbeschichtet - 18mm Argon Füllung - 4mm ESG)
    • Transmissionsgrad Licht: 80%
    • Transmissionsgrad UV-Strahlung: 37%
    • Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert): 1,1
  • Nordgiebel: Isopaneel-Sandwichelementen "Kingspan KS1150 FR FireSafe®"
    • Mineralwolldämmkern, Dämmkerndicke 150mm
    • Transmissionsgrad Licht: 0%
    • Transmissionsgrad UV-Strahlung: 0%
    • Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert): 0,28
  • Sprossenprofil "Sapa Variolux Thermo 26"
    • Aluminium-Spezialprofil zur wärmebrückenfreien Gewächshausisolierung
    • Thermisch getrennt im Profilbereich durch Dämmprofil aus Spezial-Polyvinylchlorid (Hart-PVC)
    • Kittlose Verglasung (Trockenverglasung) mittels EPDM-Dichtungen
    • Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert): 3,2

Energieschirme

Zwei unabhängig steuerbare, dichtschließende, hängende Energie-Schattier-Kombischirme in Traufhöhe zur Erzielung eines "Thermoskannen-Effekts"

  • Unterer Energieschirm (Tagesenergieschirm): "Svensson XLS 30 Harmony Revolux"
    • Schwer entflammbares (B1) Polyester-Schattier- und Energiespargewebe mit geschlossener Struktur und weißen Polyesterstreifen für gute Lichtstreuung am Tag
    • Lichtdurchlässigkeit 64% (diffuses Licht) bis 71% (direktes Licht)
  • Oberer Energieschirm: "Reimann PyroSilver ultra weiß"
    • Schwer entflammbares (B1), weißes Acryl-Schattier- und Energiespargewebe mit offener Struktur, dünnen Alustreifen und guter Lichtstreuung
    • Lichtdurchlässigkeit 32% (diffuses Licht) bis 40 % (direktes Licht)
  • Rollschirm Südseite: "Svensson ILS 50 Harmony Revolux"
    • Schwer entflammbares (B1) Polyester-Schattier- und Energiespargewebe mit geschlossener Struktur und weißen Polyesterstreifen für gute Lichtstreuung
    • Lichtdurchlässigkeit 46% (diffuses Licht) bis 51 % (direktes Licht)

Heizungsanlage

Fernwärme-Nutzung mittels Hocheffizienz-Umwälzpumpen für die angepasste Bereitstellung der Heizenergie

  • Pflanzennahe Unter-Tisch-Rohrheizung
  • Dachraum-Lufterhitzer "COSMO Classic 45" für die Klimatisierung im Dach
    • Außenläufer-Axialventilator mit EC-Motor (stufenlos regelbar) und hydraulischem Abgleich (max. Luftstrom: 3900 m3/h, Heizleistung: 33,4 kW, Leistungsaufnahme 170W)

Bewässerungs- und Düngetechnik

Tischbewässerung in allen Abteilungen über Ebbe-Flut-Bewässerung und Tröpfchen-Bewässerung möglich

  • Wasserversorgung erfolgt über eine vorhandene Wasserleitung
  • Nährstoffversorgung mittels mobilem Tandem-Düngerdosierwagen

Klimasteuerungs- und Messtechnik

  • Messfühler für Licht, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, 2 Klimazonen je Gewächshausabteilung
  • Stromzähler und Wärmemengenzähler für die genaue Auswertung des Energieverbrauchs
  • RAM-Klimacomputer für exakte Steuerung von Licht, Luft, Wärme, Wasser und Nährstoffen

LED-Arbeitsplatzbeleuchtung

Herstellerbezeichnung: Trilux Nextrema 4000 - 840 ET+LV TWW
Lampenart: LED-Feuchtraum-Deckenleuchte
Abmessungen: 1045 x 92 x 85 mm
Gewicht: 1,934 kg
Schutzart: IP 66
Kühlung: passiv
Leistungsaufnahme: max. 45 Watt
Farbtemperatur (CCT): 4000 Kelvin
Farbwiedergabeindex (CRI od. Ra): >80
Lichtstrom: 4500 Lumen

Weitere bauliche Merkmale

  • Kabeltrassen aufgeteilt in Tisch- und Traufhöhe für geringere Beschattung der Tische
  • Barrierefreie Ausführung von Türschwellen und Abflussrinnensystem für gute Befahrbarkeit des Gewächshauses
  • Pflasterung der Zufahrten mit Sickersteinen, für den Rückhalt von Oberflächenwasser
  • Ausstattung aller Abteilungen mit Roll-Tischen mit geringen Weganteilen
  • Breitband-LED-Pflanzenbelichtung der neuesten Generation

Einsparpotentiale im Vergleich zum Altbestand

Viel Licht, viel Luft und viel Freiraum für gesundes Wachstum und angenehmes Arbeiten. Energiesparen ohne Kompromisse? Die technische Datenlage zeigt sehr hohe Einsparpotentiale auf dem Weg zur CO2-neutralen Gewächshausproduktion. Wieviel von diesem technischen Potential im praktischen Betrieb umgesetzt werden kann, hängt stark von den Anforderungen der Kulturen in der Züchtung ab.
Grundsätzlich sollen Sollwertgrenzen eingehalten werden. Licht, Luft, Wärme, Wasser und Nährstoffe sollen dem natürlichen Anspruch der Kulturen und ihrem Entwicklungsfortschritt angepasst werden.

Lichtkonzepte und Wellenlängenbereiche

Herkömmliche Pflanzenbelichtung mit Natriumdampf-Hochdrucklampen

Pflanzenbelichtung im Gewächshaus wird in der Regel als Ergänzung zum natürlichen Tageslicht eingesetzt, meist um bestimmte Tageslängen oder Lichtsummen zu erreichen. Dabei wurden bisher vor allem Natriumdampf-Hochdrucklampen verwendet. Das menschliche Auge empfindet ihr Spektrum als sehr hell, da Licht vor allem im mittleren Wellenlängenbereich zwischen 550 und 650 nm (gelb und hellrot) abgegeben wird und die Empfindlichkeit des menschlichen Auges in diesem Bereich am höchsten ist.
Pflanzen stellen jedoch andere Anforderungen an die Lichtqualität und nutzten Licht in einem wesentlich größeren Wellenlängenbereich für die Photosynthese (PAR = photosynthetic active radiation = 400-700 nm).

Konzeptionelle LED Pflanzenbelichtung

Steuerung der Pflanzenphysiologie und -morphologie durch das Lichtspektrum
Licht dient jedoch nicht nur als Energiequelle für die Photosynthese, sondern über unterschiedliche Photorezeptoren auch als Signalgeber für verschiedene physiologische und morphologische Prozesse. Die spektralen Anforderungen dieser Rezeptoren unterscheiden sich dabei zum Teil deutlich vom photosynthetisch wirksamen Lichtspektrum. Man spricht daher auch vom photobiologisch wirksamen Spektrum (PBAR =photobiologic active radiation = 280-800 nm).
Durch den Einsatz neuester Breitband-LED-Technik können unterschiedliche Photorezeptoren gezielt angesprochen werden und so morphologische und physiologische Prozesse durch die Auswahl des Lichtspektrums gesteuert werden.
Außerdem kann das Spektrum dem Entwicklungsstand der Pflanzen angepasst werden.
Verwendete Breitband-LED-Pflanzenlampen
Für die Pflanzenbelichtung in den drei Abteilungen des Niedrigenergie-Gewächshauses sorgen unterschiedliche Breitband-LEDs der finnischen und dänischen Hersteller "Valoya" und "Fionia Senmatic".
Die Lichtregime in den drei Gewächshausabteilungen sind dabei den pflanzlichen Entwicklungsstadien angepasst.
Während Natriumdampf-Hochdrucklampen viel der eingesetzten elektrischen Energie in hohe, aber schmalbandige Peaks im gelb bis hellroten Wellenlängenbereich investieren (siehe "Herkömmliche Pflanzenbelichtung mit Natriumdampf-Hochdrucklampen"), kommt es bei allen drei verwendeten LED-Spektren zu einer breitbandigen Verteilung des Photonenflusses über einen weiten Wellenlängenbereich. Daher die Bezeichnung "Breitband-LED-Lampen".
LED Valoya NS1
Das Spektrum der "Valoya NS1" ist aufgrund des hohen Anteils im grünen Spektralbereich (31 % der von der Lampe emittierten Photonen haben Wellenlängen zwischen 500 und 600 nm) besonders für die Keimung und Jugendentwicklung (juvenile Phase) geeignet.
Da die Empfindlichkeit des menschlichen Auges im mittleren Wellenlängenbereich am höchsten ist, hat das emittierte Licht für unser Empfinden einen hellen, weißen Farbton.
LED Fionia FL300 grow white
Das Spektrum der "Fionia FL300 grow white" eignet sich aufgrund des sehr hohen Rotanteils (50 % der emittierten Photonen im Bereich 600-700nm) bestens für das vegetative Wachstum vieler Pflanzenarten. Vor allem Bestockung und Verzweigung sollen von diesem Spektrum profitieren.
LED Valoya AP67
Der relativ hohe Dunkelrot-Anteil (15 % der Photonen zwischen 700 und 800nm) der "Valoya AP67" unterstützt bei vielen Arten die Blütenbildung, führt zu Streckungswachstum und fördert die Samenproduktion. Die spektrale Verteilung ist also vor allem für die generative Entwicklung sehr gut geeignet.
Technische Spezifikationen der verwendeten Breitband-LED-Pflanzenlampen
Herstellerbezeichnung: Valoya R300 NS1 Fionia Senmatic/DGT FL300 grow white Valoya R300 AP67
Spektrums-Bezeichnung: NS1 grow white AP67
Lampenart: Breitband-LED-Pflanzenlampe Breitband-LED-Pflanzenlampe Breitband-LED-Pflanzenlampe
Abmessungen: 340 x 400 x 167 mm 550 x 230 x 160 mm 340 x 400 x 167 mm
Gewicht: 14,5 kg 12,4 kg 14,5 kg
Schutzart: IP 55 IP 54 IP 55
LED-Lebensdauer: 35000-50000 Betriebsstunden 35000-50000 Betriebsstunden 35000-50000 Betriebsstunden
Kühlung: passiv, über Kühlrippen aktiv, über Ventilator passiv, über Kühlrippen
Leistungsaufnahme: 276 Watt variabel, 100-600 Watt 276 Watt
Lichtspektrum veränderbar: nein ja, Blauanteil variabel von 2-14 % nein
Farbtemperatur (CCT): 4800 Kelvin einstellungsabhängig 2500 Kelvin
Farbwiedergabeindex (CRI od. Ra): 80 einstellungsabhängig 70
PAR (photosynthetisch aktive Strahlung): 94 % einstellungsabhängig 83 %

Wirkung einzelner Wellenlängenbereiche auf Pflanzenphysiologie und -morphologie

Ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Photorezeptoren sorgt für unterschiedliche morphologische und physiologische Pflanzenreaktionen auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche.
Die im Folgenden beschriebenen Pflanzenreaktionen auf die einzelnen Wellenlängenbereiche besitzen jedoch keine allgemeine Gültigkeit, da sich die beteiligten Photorezeptoren, deren Absorptionsspektren und die ausgelösten Reaktionen zwischen verschiedenen Pflanzenarten stark unterscheiden können. Eine Vorhersage der Reaktionen unterschiedlicher Pflanzenarten auf die drei eingesetzten LED-Spektren ist daher nur sehr eingeschränkt möglich.
UV (<400 nm)
Wirkt in hohen Dosen DNS-schädigend, in geringen Dosen verbessert UV-Licht die Stresstoleranz, führt zu dicken Blättern und kurzen Internodien. Photorezeptor UVR8 reagiert spezifisch auf UV-B (290-320 nm). Weitere beteiligte Photorezeptoren bei der Wahrnehmung von UV-Licht sind Cryptochrome, Phototropine und ZEITLUPE, aber auch Phytochrome absorbieren Licht im UV-Bereich.
Blau (400-500 nm)
Öffnung der Stomata (Zeaxanthin, Phototropine), dadurch effektive Transpiration, niedrige Blatttemperatur und effiziente Photosynthese. Phototropine sorgen, je nach Bestrahlungsstärke, für die richtige Ausrichtung der Chloroplasten zum einfallenden Licht.
Das Zusammenspiel von Cryptochromen, Phototropinen und Phytochromen verhindert Streckungswachstum und sorgt für kurze Internodien.
Grün (500-600 nm)
Wirkt den Effekten von blauem Licht entgegen, indem Cryptochrome und Phototropine in die inaktive Form umgewandelt werden. Führt zu längeren Internodien sowie höheren Blatttemperaturen durch teilweise Schließung der Stomata (Zeaxanthin).
Rot (600-700 nm)
Wird vor allem vom Phytochromsystem registriert. Die inaktive Form von Phytochrom wird als Pr bezeichnet und hat ein Absorptionsmaximum bei 660 nm.
Bestrahlung im roten Wellenlängenbereich führt zur Umwandlung von Pr in die physiologisch aktive Form Pfr. Letztere wandelt sich, entweder bei Dunkelheit (langsame Reaktion) oder durch Bestrahlung im dunkelroten Wellenlängenbereich (schnellere Reaktion), wieder zurück in Pr. Dieses Phänomen wird auch als Photoreversibilität bezeichnet. Das Absorptionsmaximum von Pfr liegt dabei bei 730 nm.
Rotes Licht im Bereich von 600-700 nm verhindert Streckungswachstum des Hypokotyls und führt zu kompaktem Wuchs mit kurzen Internodien.
Dunkelrot (700-800 nm)
Wirkt den Effekten von rotem Licht entgegen indem die Pfr Form des Phytochroms wieder zurück in die inaktive Pr Form umgewandelt wird (siehe oben).
Führt zu verlängerten Blattstielen, langen Internodien, verstärktem Streckungswachstum und vorzeitiger Blüte. Diese Wirkungen von dunkelrotem Licht werden unter dem Begriff "shade avoidance symptoms" zusammengefasst.
Rot/Dunkelrot Verhältnis
Das Rot/Dunkelrot Verhältnis wirkt sich auf das Verhältnis von inaktivem Phytochrom Pr und aktivem Phytochrom Pfr aus (siehe oben). In direktem Sonnenlicht herrscht ein Rot/Dunkelrot Verhältnis von ca. 1,2. Unter dichtem Blätterdach hingegen, bedingt durch die Beschattung durch andere Pflanzen, sinkt das Verhältnis auf bis zu 0,1.
Bei Bestrahlung mit hohem Rot/Dunkelrot Verhältnis überwiegen daher die Reaktionen auf rotes Licht (kurze Internodien, kompakter Wuchs). Umgekehrt führt ein niedriges Rot/Dunkelrot Verhältnis zu den oben beschriebenen "shade avoidance symptoms".
Blau/Grün Verhältnis
Da grünes Licht den Effekten von blauem Licht entgegen wirkt, gibt das Blau/Grün Verhältnis eines Spektrums Auskunft über die zu erwartende Intensität der Blaulichtreaktion. Ein hohes Blau/Grün Verhältnis führt im allgemeinen zu kurzen Internodien und Blattstielen. Mit steigendem Grünanteil werden diese Pflanzenreaktionen abgeschwächt.

Aufgaben

  • Ökologische und ökonomische Bewertung der durchgeführten Maßnahmen
  • Identifikation der Kostenverursacher und Einsparpotentiale
  • Ökobilanzen (Life Cycle Assessments)
  • Konzeptioneller Einsatz energieeffizienter LED-Belichtungssysteme in der Pflanzenzüchtung
  • Untersuchungen zur Photomorphogenese (Pflanzenreaktionen auf Licht) an Neuzüchtungen
  • Reduktion der Wartungskosten bei der Pflanzenbelichtung

Offene Fragen

  • Stehen die Maßnahmen im Einklang mit den Züchtungsarbeiten und Wachstumserfolgen am Institut?
  • Lassen sich die baulichen Maßnahmen auf andere Forschungsgewächshäuser übertragen?
  • Welche Prioritäten ergeben sich für die Zukunft?
  • Schadet eine zu hohe Luftfeuchte Elitepflanzen?
  • Können neue Regelstrategien die Luftfeuchtigkeit sinnvoll reduzieren?
  • Überlegungen zur CO2-Bilanz von Gewächshäusern

Die Zukunft

Hochdichte Räume können eventuell zu unerwünscht hohen Luftfeuchtezuständen führen. Kluge Strategien sind dann gefragt, wenn Pflanzen unter diesen Bedingungen weniger transpirieren und deshalb weniger Wasser und Dünger aufnehmen. Wasser und Dünger sollten dann angepasst, der Stoffwechsel mit Ventilatoren angeregt und die Raumfeuchte durch gezielte Lüftung vor der Nacht, mit oder ohne Energieschirm, abgelassen werden.
Das neue Modellvorhaben liefert nicht nur wichtige Details für zukünftige Gewächshaus-Sanierungsprojekte, sondern greift auch die noch offenen Fragen aus den ZINEG-Projekten auf, wie z.B. den klimabasierten Einsatz hocheffizienter Vollspektrum-LED-Leuchten in neuen „Lichtkonzepten“ oder den Einsatz intelligenter Entfeuchtungsstrategien.
Neue Kenntnisse und Erfahrungswerte aus dem Modellvorhaben werden unser Wissen über Pflanzen und ihre Photomorphogenese (Pflanzenreaktionen auf Licht) erweitern und die Züchtungsforschung in die Zukunft führen.

Niedrigenergie-Gewächshaus Südseite nachts

Impressionen aus dem laufenden Gewächshausbetrieb

Soja Sorte "ES Mentor" unter verschiedenen Lichtregimen

Kulturverlauf unter LED Valoya NS1
Kulturverlauf unter LED Fionia FL300 grow white
Kulturverlauf unter LED Valoya AP67
Projektinformation
Projektleitung: Dr. Peter Doleschel
Projektbearbeitung: Rudolf Rinder, Maximilian Neumair
Laufzeit: 01.10.2013 - 31.07.2018
Finanzierung: Bay. Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Projektpartner: Staatliches Hochbauamt Freising Weihenstephan
Förderkennzeichen: EW/13/64