In een kas bestaat op jaarbasis een warmteoverschot. In Nederland is er betrekkelijk weinig instraling van de zon. Toch bestaat er in Nederland van maart tot november zelfs op dagbasis (gemiddeld) restwarmte. De basis van het ontwerp van een HSH-Fiwihex® kas is derhalve dat tijdens instraling van de zon er warmte aan de kas onttrokken wordt door koeling en dat deze warmte ‘s nachts of ‘s winters teruggeleverd wordt. Voor warmteopslag wordt water als medium gebruikt. Water heeft een relatief grote warmtecapaciteit en is op grote schaal voorhanden. Warmteopslag op dagbasis vindt plaats in dagbuffers. Het benodigde volume is 800—1000 m³ per hectare. Warmteopslag op jaarbasis vindt plaats in waterhoudende grondlagen in de bodem (aquifers). In de zomer wordt restwarmte opgeslagen in de aquifer. Warmte is na opslag in de aquifer (’s winters) niet of onvoldoende beschikbaar op de gewenste temperatuur. Voor de productie van water van het gewenste temperatuurniveau wordt een warmtepomp ingezet. Restwarmte in een kas kunnen gebruikt worden voor de verwarming van conventionele kassen of bijvoorbeeld woningen of andere gebouwen. Hierbij wordt ook gebruik gemaakt van een warmtepomp. Om restwarmte uit de aquifer af te voeren wordt een koeltoren ingezet.
COMPONENTEN VAN EEN INSTALLATIE
Naast de HSH-Fiwihex® warmtewisselaars in de kas is de installatie meestal opgebouwd uit een systeem voor warmteopslag in de bodem en/of in een dagbuffer met warmtepomp voor de productie van koelwater en warm water. Restwarmtelevering is meestal mogelijk. Soms wordt een koeltoren toegepast om restwarmte af te voeren. Het geheel is gekoppeld via een leidingnet met circulatiepompen. Er worden scheidingswarmtewisselaars toegepast tussen grondwater en het circulatiewater in het systeem met HSH-Fiwihex® warmtewisselaars en een dagbuffer. De werking van het systeem wordt geregeld met een voor dit systeem ontwikkelde procesregeling.
ENERGIEBALANS OVER EEN HSH-FIWIHEX® KAS
De belangrijkste energiebron van een HSH-Fiwihex® kas is de zon. De instraling varieert in Nederland gemiddeld tussen 0,5kWh/m²/dag (1800 kJ/m²/dag) in december tot 3,7 kWh/m²/dag (13200kJ/m²/dag) in juni. In de kas is netto circa 65% van de instraling beschikbaar. Door reflectie van zonlicht naar buiten via het glasdek, via de beplanting of kasbodem gaat 35% van de stralingswarmte verloren. Meestal is het buiten de kas kouder dan in de kas. Er treedt warmteverlies op door straling en convectie. Het warmtetekort kan aangevuld worden via directe instraling van de zon, via warm water uit de dagbuffer of vanuit de aquifer (via een warmtepomp). Er is circa 1,0 GJ/m²/jaar) beschikbaar voor restwarmtelevering aan andere kassen of bijvoorbeeld woonhuizen. Eventueel moet de restwarmte via een koeltoren afgevoerd worden. Voor levering van 1 GJ warmte is normaal 31,6 m³ aardgas nodig
ENERGIEVERBRUIK VAN HSH-FIWHEX® INSTALLATIE
Het stroomverbruik van de warmtepomp hangt af van de efficiency. Meestal volstaat voor een HSH-Fiwihex® kas een watertemperatuur van 30°C voor verwarmen. Water uit de aquifer is beschikbaar bij circa 16°C en wordt afgekoeld naar circa 8°C. Voor deze condities zijn warmtepompen beschikbaar met een COP van 8—11 (zie warmtepomp). Het stroomverbruik van de warmtepomp is derhalve 1,1/9 = 0,12 GJ/m² of 35kWh/m². Het stroomverbruik van pompen en ventilatoren wordt op 20kWh/m² jaar geschat. Het totale stroomverbruik is derhalve circa 55kWh/m²/jaar. Bij een stroomprijs van € 0,08 is dit circa € 4,40/m²/jaar. Voor eventuele restwarmtelevering is extra elektriciteit nodig.
KOELVERMOGEN VAN HSH-FIWIHEX® KAS
De maximum instraling van de zon is in Nederland zelden meer dan 1000W/m². In een kas reflecteert circa 30%. In de kas is de instraling dus maximaal 700W/m². Alleen rond het middaguur worden deze waarden bereikt. ’s Ochtends en later in de namiddag is de instraling al beduidend lager. De koelcapaciteit van de HSH-Fiwihex® installatie is niet op de maximum instraling ingesteld. Uit economische overwegingen wordt niet meer dan 300-400W/m² geïnstalleerd. Slechts gedurende enkele uren per etmaal is aanvullende koelcapaciteit nodig. Om een hoge CO²concentratie (bv 900ppm) in de kas te kunnen handhaven is het noodzakelijk om de kas zoveel mogelijk gesloten te houden. Dit is een voorwaarde om meerproductie te realiseren. Extra geïnstalleerd koelvermogen wordt te weinig gebruikt (alleen zomers en dan slechts gedurende enkele uren per dag) en vergt een onevenredig hoge investering. Via andere wegen wordt aanvullende koelcapaciteit gerealiseerd.
Extra koelcapaciteit kan verkregen worden op verschillende manieren:
via dakberegening (aanvullende koelcapaciteit circa 100W/m²)
via toepassing van stralingsschermen (instelbaar op gewenst niveau)
Voor onder andere kassen met tropische potplanten kunnen stralingsschermen worden toegepast.Voor b.v. tomaten is dit nauwelijks een optie, omdat dit een vermindering van de productiviteit tot gevolg heeft
via hoge druk waterverneveling in de kas (aanvullende capaciteit van 200-300W/m²).
Door vernevelen kan op twee manieren warmte afgevoerd worden: De relatieve vochtigheid in de kas neemt door vernevelen toe, waardoor tevens de koelcapaciteit van de HSH-fiwihex® installatie toeneemt. De kas blijft nog gesloten tot circa 80% relatieve vochtigheid. Bij teelt waarbij weinig verdamping optreedt is vernevelen vrijwel noodzakelijk. Indien de vochtigheid boven 80% stijgt kunnen de dakvensters enigszins geopend worden. Door afvoer van slechts geringe hoeveelheden (vochtige) lucht worden grote hoeveelheden warmte afgevoerd. De CO²verliezen zijn beperkt en de hoge CO²concentratie kan gemakkelijk gehandhaafd worden. Ook de relatieve vochtigheid blijft gehandhaafd op het hoge niveau.
WARMTEOPSLAG IN DAGBUFFER EN AQUIFER
De dagbuffer dient voor het opvangen van de schommelingen in de koud watervraag over het etmaal. De vraag naar koeling is vrijwel uitsluitend afhankelijk van de instraling van de zon. ’s Nachts is de vraag naar koeling vrijwel nihil. In juli neemt de koelwatervraag overdag toe van vrijwel nihil bij zonsopgang tot 250 m³/h/ha rond het middaguur (bij een koelcapaciteit van 350W/m²). Daarna neemt de vraag weer af tot vrijwel nul bij zonsondergang. Gemiddeld over een etmaal is de koud watervraag 100 m³/ha/uur. Door toepassing van een dagbuffer kan de circulatiecapaciteit van de aquifer beperkt blijven tot de gemiddelde vraag over het etmaal. Hierdoor wordt een aanzienlijke kostenbesparing gerealiseerd op de aanleg van de warmteopslagen in de aquifer.
Gedurende de maanden maart tot en met oktober bestaat er een netto warmteoverschot in de kas. In die periode wordt en geen (of nauwelijks) gebruik gemaakt van warm water uit de aquifer. In de warmtevraag wordt dan voorzien uit de dagbuffer. Overdag gewonnen warmte wordt gebruikt voor verwarming ’s nachts. Het benodigde volume van de dagbuffer is 800-1000 m³ per hectare.
De aquifer wordt gebruikt voor seizoenopslag van warmte uit de kas. De warmteopslag in de aquifer is doorgaans opgebouwd uit twee delen, een warme en koude opslag. De natuurlijke grondwatertemperatuur in Nederland is 10—11°C. De warme opslag is doorgans niet warmer dan 16—18°C, de koude opslag is minimaal 6—8°C. Warmte mag bij maximaal 25°-30°C in de bodem geïnjecteerd worden. Door diffusie en door stroming wordt het temperatuur verschil tussen de warme en koude bron minder groot. Er gaat in principe geen warmte verloren. Het is van belang de aquifer in balans te houden. De Nederlandse bodem is opgebouwd uit lagen zand en klei. Zand is permeabel, klei niet. In geschikte zandlagen kunnen grote hoeveelheden water onttrokken en geïnjecteerd worden (enkele honderden kubieke meter per uur). Een geschikte zandlaag is voldoende permeabel en is ingesloten tussen twee kleilagen om diffusie te beperken. Vrijwel overal in Nederland is de bodem geschikt voor warmteopslag.
WARMTEPOMP
Bij een grote rozenkas met een HSH-Fiwihex® installatie staat een warmtepomp opgesteld die werkt bij een COP van 8—11. Het grote voordeel van HSH-Fiwihex® warmtewisselaars is dat met geringe temperatuurverschillen tussen lucht en water warmte overgedragen kan worden. Dit maakt de inzet van een warmtepomp mogelijk met een dergelijk hoge COP. Deze warmtepomp levert doorgaans voor verwarming water van 30°C. De COP is de verhouding tussen geleverde warmte en benodigde kracht, een warmtepomp met een hoge COP is gunstig. De kosten van stroom c.a. 2,5* hoger dan van warmte. Bij een COP van 3,75 zijn de stroomkosten 2,5/3,75=0,66 of 66% van de normale verwarmingskostenmet gas. Bij een COP van 10, zijn de stroomkosten gedaald tot 25% van gas. Doorgaans worden in gesloten kassen warmtepompen ingezet met een zuigercompressor. Deze hebben een COP van 4—5. Deze warmtepompen produceren water van 50°C of warmer. Er wordt in dit type gesloten kassen slechts een energie besparing gerealiseerd van maximaal 30%. De warmtepomp is de grootste energieverbruiker van een gesloten kas met een warmteopslag. Voor de levering van 1,4GJ/m² of het equivalent van 45 m³ aardgas verbruikt deze warmtepomp 1,4/4= 0,375 GJ of 107 KWh/m² elektriciteit. Circulatiepompen en ventilatoren verbruiken 30kWh/m². Het totale verbruik is circa 137 kWh/m²/jaar. De kosten zijn € 11/m². In een HSH-Fiwihex kas wordt een energiebesparing verwacht van circa 70%. Het elektriciteitsverbruik is circa 55kWh/m²/jaar. De kosten zijn € 4,40/m²/jaar. De belangrijkste reden van het lage energieverbruik van een HSH-Fiwihex® kas is het hoge elektrische rendement van de warmtepomp. In een HSH-Fiwihex® installatie kan een warmtepomp met een centrifugaal compressor toegepast worden. Het lagere stroomverbruik van de centrifugaal warmtepomp wordt veroorzaakt door twee duidelijke verschillen met een zuigercompressor:
Het stroomverbruik neemt (iets) meer dan evenredig af met een kleiner temperatuur verschil tussen warmtebron en de verbruikstemperatuur. In een HSH-Fiwihex® kas wordt doorgaans verwarmd met water van 30°C. In andere systemen is minstens 50°C nodig. Dit betekent minstens een halvering van het stroomverbruik ten opzichte van vergelijkbare systemen met conventionele warmtewisselaars.
Het elektrisch rendement van een centrifugaal pomp is circa 70%. Van een zuigercompressor is dit 50—55%. Dit betekent een aanvullende vermindering van het stroomverbruik van 30-40%.
Centrifugaal compressoren kunnen alleen toegepast worden bij kleinere temperatuurverschillen (tot circa 20°C) tussen warmtebron en de benodigde temperatuur voor verwarmen.
SCHEIDINGSWARMTEWISSELAAR
Er wordt een scheidingswarmtewisselaar toegepast tussen water uit de aquifer en de water circulatie over de HSH-Fiwihex® installatie. Deze wisselaar wordt toegepast om verstopping van de aquifer te vermijden. De vloeistof circulatie van HSH-Fiwihex® installatie is niet volledig dicht voor lucht. Vanwege kosten worden PVC leidingen toegepast voor het deel van de installatie dat in de kas aangelegd wordt. Door deze leidingen vindt enige zuurstofdiffusie plaats. Ook vindt er in de koeltoren beluchting plaats. Water uit de aquifer is vrij van zuurstof. Door beluchting van dit water treedt een chemische verandering op waardoor opgelost ijzer dat vrijwel altijd aanwezig is in het bronwater neerslaat als ijzerhydroxide. IJzerhydroxide is aanleiding tot verstopping van de aquifer rondom de bron. Ook wordt in voorkomende situaties afzetting van kalk vermeden.
RESTWARMTELEVERING EN KOELTOREN
Voor Nederlandse condities wordt een restwarmte van een circa 1,0 GJ/m²/jaar of het equivalent van ongeveer 32m³ aardgas verwacht. Voor belichtte kassen is dit overschot groter. Opslag van restwarmte in de aquifer is ongewenst en in Nederland niet toegestaan. Restwarmtelevering aan een niet belichtte kas of aan bijvoorbeeld woningen kan de rentabiliteit van de HSH-Fiwihex® installatie verbeteren. Indien dit niet mogelijk is dan is het noodzakelijk om restwarmte af te voeren. Een koeltoren is dan noodzakelijk. Een koeltoren kan ook ingezet worden om ‘s winters koud water te produceren voor gebruik zomers. Koud water wordt dan opgeslagen in de aquifer.
REGELSYSTEEM
Regeling van de installatie vindt plaats met een speciaal ontwikkelt besturingsprogramma. Voor warmtetransport tussen HSH-Fiwihex® kas, dagbuffer en aquifer bestaan vrij grote waterstromen. Circulatiepompen zijn frequentie gestuurd. Er bestaan verschillende bedrijfstoestanden (verwarmen, koelen, circuleren alleen vanuit dagbuffer, circuleren vanuit aquifer met of zonder gebruik van warmtepomp enz.). Deze worden aangestuurd via het regelsysteem. Verder worden ook het toerental van de ventilator, het vernevelingsysteem en de dakvensters vanuit dit systeem aangestuurd.
WKK- INSTALLATIES IN COMBINATIE MET HSH-FIWIHEX®
In Nederland wordt een kas meestal gecombineerd met een WKK - installatie. Het rendement van de kas wordt verbeterd. In een WKK wordt het aardgas omgezet in elektriciteit, hitte en CO2.CO2 wordt gebruikt voor bemesting van de kas. Met de warmte wordt de kas verwarmd. De elektriciteit wordt verkocht aan het openbare net of wordt gebruikt voor kunstmatige belichting.
De exploitatie van een WKK is aantrekkelijk: Het inkomen uit de stroomproductie is duidelijk voldoende om de investeringskosten van de WKK en de extra kosten voor aardgas te dekken. Momenteel is het gebruikelijk om per hectare kas een WKK te instaleren met een vermogen van 600 kW. Het verbruik van aardgas is vrij hoog (90m3/m² /jaar), elektriciteit wordt verkocht aan het openbare net (360 KWH/m²/jaar). De rentabiliteit van een WKK hangt sterk af van de prijsverhouding tussen aardgas en elektriciteit. Een eventuele daling van de prijsratio tussen gas en elektriciteit kan de rentabiliteit van de WKK sterk beïnvloeden.
Een HSH-Fiwihex® installatie kan met een relatief kleine WKK (150 KW/ha kasoppervlak) worden gecombineerd. In de vraag naar bemesting met CO2 van de kas kan worden voorzien. Ook kan met deze WKK vrijwel in de vraag naar elektriciteit van de HSH-Fiwihex® installatie voorzien worden. Er wordt in de elektriciteitsvraag van warmtepompen, ventilatoren en omlooppompen voorzien. De consumptie van aardgas is 16-20m³/m²/jaar. Er is bijna geen verbinding met het openbare net. De toepassing van een relatief kleine WKK installatie in combinatie met een HSH-Fiwihex® installatie maakt dat de rentabiliteit van de kas onafhankelijk wordt van de verkoop van elektriciteit aan het openbare net. Over het algemeen wordt een daling van de verkoopprijs van elektriciteit aan het openbare net verwacht. (Daling van de prijsverhouding elektriciteit/gas).
SUBSIDIE OP INSTALLATIES HSH-FIWIHEX ® In Nederland, subsidieert de overheid HSH-Fiwihex® installaties door de daling van het gebruik van fossiele brandstof. Vaak is 40% de subsidie op de investering (MEI-subsidie). Met subsidie is een HSH-Fiwihex® kas reeds aantrekkelijker dan een traditionele kas met een WKK.
