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Projektbeispiel: WRG Stallgebäude
Energieeffizienz in Mastgeflügelställen
Motivation und Inhalt des Projekts
2014 erreichte das in der Schweiz produzierte Geflügelfleisch mit 51‘000 t Verkaufsgewicht einen neuen Rekord [1]. Um die tiergerechten Klimaanforderungen (25 – 32 °C) während der gesamten Mast gewährleisten zu können, weisen die Stallgebäude einen hohen Energiebedarf für Heizung und Lüftung auf. Bedingt durch die staubige Luft, werden die Stalllüftungen meistens ohne Wärmerückgewinnung (WRG) realisiert. Dadurch entstehen hohe Verluste (Gemäss Caenegem et al. macht dies 80 – 85 % der Wärmeverluste aus. [2]).
Obwohl es Technologien und Hersteller gibt, die Lüftungsanlagen mit WRG für Stallgebäude bereitstellen, bestehen in der Schweiz keine Richtlinien, wie eine energieeffiziente und bedarfsgerechte Lüftung nach dem heutigen Stand der Technik aussehen muss.
Um das Energiesparpotential und die Notwendigkeit für die Entwicklung einer Richtlinie für zukünftige Neu- und Umbauten von Stallgebäuden aufzuzeigen, hat die ZHAW in Zusammenarbeit mit Agroscope eine Lüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG) eines Mastgeflügelstalles untersucht. Die Analyse wurde in drei Gebiete unterteilt: die energetischen Analysen einer WRG während vier Masten, eine Strömungssimulation der Raumluft und die Untersuchung von möglichen Oberflächenbeschichtungen der Materialien der Wärmetauscherrohre.
Mastgeflügelstall mit WRG
Um Geflügelfleisch zu produzieren, werden frisch geschlüpfte Küken für 40 Tage in einem Mastgeflügelstall aufgezogen. Für das Wohl und die Gesundheit der Tiere ist es wichtig, dass ein ausreichend warmes Klima im Stall sichergestellt wird.
Den grössten Teil der benötigten Wärme produzieren die Hühner durch ihre Körperwärme selber (86 %) und der Rest (14 %) wird von einer Heizung erzeugt. Da die Stalltemperatur meistens höher als die Umgebungstemperatur ist, muss die Zuluft zusätzlich aufgeheizt werden. Ein moderner, energieeffizienter Mastgeflügelstall ist dazu mit einem oder mehreren Wärmetauschern ausgestattet, welche die kalte Zuluft aus der Umgebung mit Hilfe der warmen Abluft erwärmen. In Abbildung 1 ist eine solche WRG-Anlage dargestellt.
Die Ergebnisse aus den Volumenstrom- und Klimamessungen im Geflügelstall zeigen, dass durch die WRG-Anlage insgesamt 55.6 MWh Wärmeenergie zurückgewonnen und somit rund 54 % Gas eingespart werden kann. Die Anlage benötigte dazu rund 2.55 MWh elektrische Energie für die Ventilatoren der Lüftung. Die Ergebnisse beziehen sich auf Messwerte von lediglich vier Masten. Aussagen über das ganze Jahr können anhand der vorliegenden Daten nicht gemacht werden.
Strömungssimulation
Im Verlaufe des Projektes wurden zwei verschiedene CFD-Simulationen (CFD=Computational Fluid Dynamics) aufgesetzt.
In einem ersten Schritt wurde eine Referenzsimulation durchgeführt. Danach wurde eine Komplettsimulation erstellt, bei der die Bedingungen im Stall thermodynamisch sowie strömungstechnisch möglichst exakt abgebildet werden. In Abbildung 2 wird die CO2-Konzentrationen aus der Komplettsimulation illustriert. Dabei sind nur Konzentrationen über 2000 ppm dargestellt (ppm= parts per million, in diesem Fall: Wieviel CO2-Partikel auf 106 Luftpartikel vorhanden sind.). Erlaubt sind in der Nähe der Tiere maximal 3000 ppm.
Es ist zu erkennen, dass die höheren Konzentrationen jeweils am Dach oder in den Ecken des Stalles zu finden sind und nicht am Boden bei den Tieren. Der Grund dafür ist die schwache Luftzirkulation in den erwähnten Regionen.
Die Ergebnisse konnten anhand vor Ort aufgezeichneter Messwerte und mittels Strömungsvisualisierung mit Rauch überprüft werden (vgl. Abbildung 3). Die Validierung zeigt, dass die CFD-Simulationen im Anwendungsbereich von Stallraumströmungen einsetzbar sind und auch realitätsnahe Resultate liefern.
Untersuchung von möglichen Oberflächenbeschichtungen
Das Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) hat zuerst das Material der Rohre des Rohrbündelwärmetauschers untersucht. Weiter wurden verschiedene Technologien zur Beschichtung ermittelt und in einem einfachen Aufbau im Mastgeflügelstall getestet. Die Beschichtung sollte das Anhaften des Schmutzes innerhalb der Rohre des Wärmetauschers (WT) so gut wie möglich verhindern.
Die Ergebnisse aus den Untersuchungen des IMPE bestätigen, dass der WT, wie vom Hersteller angegeben, aus PVC besteht. Weiter wiesen alle Proben nach dem Versuch je nach Position verschiedene Verschmutzungsgrade auf. Es scheint jedoch, dass das Polyurethan ohne Additive etwas besser abschneidet als die anderen drei Oberflächen. Auch im anschliessenden Abwaschversuch liess sich diese Beschichtung am besten reinigen.
Grundsätzlich war die Wirkung der untersuchten Beschichtungen jedoch nicht befriedigend. Wenn eine einfachere Reinigung der Wärmetauscherrohre interessant ist, könnte eine Beschichtung auf der Basis eines Polyurethans hilfreich sein. PVC als Grundmaterial ist prinzipiell ungünstig gewählt, da die Wärmeleitfähigkeit sehr gering ist. Das IMPE schlägt vor, die Rohre aus Metall zu machen, da es neben der besseren Leitfähigkeit auch zusätzliche Möglichkeiten zur Beschichtung bietet.
Literaturquellen
[1] Agrarbericht 2014. Bundesamt für Landwirtschaft BLW. [2] Caenegem, L. v., Sax, M, Schick M., 2011 Wärmerückgewinnungsanlagen auch zum Kühlen, Eine theoretische Machbarkeitsstudie. Faktenblatt Juli 2011, Agroscope.
Auf einen Blick
Beteiligte Institute und Zentren:
- Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE)
- Institute of Materials and Process Engineering (IMPE)
- Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik (ZSN)
Projektpartner:
Projektstatus: beendet