Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se
Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Miljö- och energisystem
Linda Nyberg
Energieffektivisering av växthus för skogsplantor
Byggnadsutformning och installationssystem
Energy Efficiency of Greenhouse for Forest Plants Building Design and Installation System
Examensarbete 30 hp
Civilingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik
26-06-2019
Handledare: Jens Beiron Examinator: Roger Renström
Abstract
Because of lack for energy resources, rising energy prices, environmental problems and climate change as global warming, energy saving has become more and more important. Energy-saving strategies are crucial for all types of areas, for the greenhouse sector, because today it has a central impact on total energy use. The need for energy in the greenhouse sector is becoming an increasingly important issue in order to be able to produce harvest under sustainable conditions. There are good opportunities to reduce the need for heating, cooling, ventilation and electricity in conventional greenhouses.
The purpose of this thesis was to study which factors related to building, ventilation and light that affect the energy efficiency of a greenhouse for forest plants and thereby gain an understanding of how energy, primary energy, costs and the environmental impact could be reduced. The project's goal was to provide answers to how a new greenhouse for forest plants should be built in order to be energy efficient when solutions to the building, ventilation and lighting are investigated. The environmental impact and the cost of the greenhouse operation were also calculated.
The study began with a literature review of the needs of forest plants. A calculation model was built for the greenhouse in the simulation program Simulik where energy balances and mass balances were set up. In the calculations, two cases were studied, cases TallMikro when cultivating of pine plants and micro-plants of spruce were made and cases MikroMikro which was only cultivation of micro-plants. The model took regards to temperature, humidity and light requirements. Calculations were made for today's arched greenhouses and a Multi-Span greenhouse. After studying the influenced factors on the Multi-Span greenhouse, an energy- efficient greenhouse was developed.
This study showed that there is a possibility of energy savings for today's greenhouses. The energy-efficient greenhouse reduces the primary energy consumption, the cost and the greenhouse gas emissions by about 70 % compared to today's arch-shaped greenhouses. It was in some cases advantageous to increase the need for cooling if the need for heat and electricity could be reduced. This is because cooling had a relatively low cost, primary energy factor and a small emission of carbon dioxide equivalents. In order to make a greenhouse more energy efficient, it turned out that it is beneficial to have good light irradiation to the plants while at the same time walls and ceilings should have high insulating capacity. The floor area and the ceiling height affected the energy efficiency of the Multi-Span greenhouse but played a minor role for the result as the greenhouse had good insulation ability. It is also desirable to have as large a temperature span as possible in order to reduce the energy consumption. Ventilation should be controlled according to the relative humidity to keep the desired humidity in the greenhouse.
Sammanfattning
Till följd av brist på energiresurser, stigande energipriser och miljöproblem samt klimatförändringar som global uppvärmning har energibesparing blivit allt mer betydelsefullt.
Energibesparande strategier är avgörande för alla typer av områden, för växthussektorn eftersom det idag har en central inverkan på den totala energianvändningen. Behovet av energi i växthussektorn blir en allt viktigare fråga för att kunna framställa skörd under hållbara villkor.
Det finns idag förutsättningar att minska behovet av värme, kyla, ventilation och el i konventionella växthus.
Syftet med detta examensarbete var att studera vilka faktorer gällnade byggnad, ventilation och ljus som påverkar energieffektiviteten i ett växthus för skogsplantor och genom detta få en förståelse för hur energi, primärenergi, kostnader samt miljöpåverkan kunde minskas.
Projektets mål var att ge svar på hur ett nytt växthus för skogsplantor skall byggas för att bli energieffektivt då lösningar på byggnaden, ventilationen och belysningen undersöks.
Miljöpåverkan och kostnaden för växthusets drift beräknades även.
Arbetet inleddes med en litteratursammanställning av skogsplantors behov. En beräkningsmodell byggdes sedan upp för växthuset i simuleringsprogrammet Simulink där energibalanser samt massbalanser ställdes upp. I beräkningarna studerades två fall, TallMikro då odling av tallplantor samt mikroplantor av gran gjordes och fall MikroMikro som enbart var odling av mikroplantor. Modellen tog hänsyn till temperatur, fuktighet samt ljusbehov.
Beräkningar gjordes för dagens bågformade växthus och ett blockväxthus. Efter att studerat påverkade faktorer på blockväxthuset togs ett energieffektivt växthus fram.
Denna studie påvisade att det finns möjlighet att energieffektivisera dagens växthus. För det energieffektiva växthuset minskade primärenergianvändningen, kostnaden samt utsläppet av växthusgaser med cirka 70 % jämfört med dagens bågformade växthus. Det var i vissa fall fördelaktigt att öka behovet av kyla om behovet av värme och el kunde minskas. Detta eftersom kyla hade en relativt låg kostnad, primärenergifaktor samt ett litet utsläpp av koldioxidekvivalenter. För att energieffektivisera ett växthus visade det sig att det är gynnsamt att ha god ljusinstrålning till plantorna samtidigt som väggar och tak bör ha hög isoleringsförmåga för att minska värmetransporten genom materialet samt reducera de konvektiva förlusterna. Golvets area samt takhöjden påverkade energieffektiviteten för blockväxthuset men spelade en mindre roll för resultatet då växthuset hade god isoleringsförmåga. Det var även önskvärt med ett brett temperaturspann för att minska energianvändningen samt att styra ventilationen efter den relativa fuktigheten för att hålla den önskade fukthalten inne i växthuset.
Förord
Denna studie är ett avslutande arbete för civilingenjörsexamen med inriktning energi och miljöteknik på Karlstads universitet. Detta inom fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap. Arbetet innefattar 30 hp och ägde rum under vårterminen 2019.
Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete.
Examensarbetet har tagits fram tillsammans med intressenten Svenska Skogsplantor AB som är landets ledande företag inom skogsföryngring. Jag är väldigt tacksam över förtroendet jag fått som gett mig möjlighet att forma mitt examensarbete efter min kompetens och mitt intresseområde. Jag vill tacka alla medarbetare på Svenska Skogsplantor AB som har hjälpt mig på vägen att skaffa den kunskap jag behövt för att förstå skogsplantornas behov. Jag vill även rikta ett extra stort tack till Niclas Noord som har varit min handledare på Svenska Skogsplantor AB och bidragit till både god kunskap och inspiration. Ett tack till Semcon Sweden AB som funnits där och kunnat svara på energitekniska frågor samt bidragit med dator för simulering.
Jag vill också rikta ett stort tack till min handledare på Karlstads Universitet, Jens Beiron som stöttat mig under hela arbetes gång. Han har bidragit med både god kunskap och erfarenhet till hur ett bra projekt bör genomföras. Han har lyft mig genom arbetet och hjälpt mig höja kvalitén på materialet.
Jag ville sist men inte mins tacka min familj och mina vänner som stöttat mig genom detta arbete och genom hela utbildningen. Tack!
Karlstad, 2019-06-11 Linda Nyberg
Nomenklatur
Förklaring av ord.
Lux Belysningsstyrkan, anger ljusflödet i W/m2
Skuggningskofficient Ett mått på mängden solenergi som släpps
igenom. Ett lägre tal innebär att skuggan blockerar mer värmeenergi.
U-värde
Fotosyntes
Värmegenomgångskoefficienten. Ett lågt u-värde medför en låg värmetransport.
Växten tar upp koldioxid, solljus och vatten som den omvandlar till syre och druvsocker.
Respiration Motsatsen till fotosyntes. Då plantorna andas går processen åt andra hållet och energi frigörs, en del av energin frigörs i form av värme.
Transpiration Växten kan reglera temperaturen med hjälp av transpirationen genom att vatten avdunstar från växten.
Nettofotosyntes Skillnaden mellan fotosyntesen och respirationen.
Fytokrom Plantorna känner ändringen av dagslängden med
hjälp fytokromer av som är en typ av proteiner i växten.
Irradians Instrålningstäthet
Mikroplantor En odlingsmetod då antalet plantor kan ökas per odlad yta. I detta fall mikroodling av gran.
Radiometris strålning Vid radiometris strålning mäts energin i ljuset i W/m2.
Fotometrisk strålning Fotometrisk strålning mäts energin i lux.
Direktstrålning Den direkta strålningen är den strålning som träffar ytan direkt från solen
Diffusstrålning Den diffusa strålningen utgörs av den övriga strålningen från himlavalvet. Solstrålningen som spridits i atmosfären av partiklar och molekyler eller reflekterats från moln.
Global strålning Den totala strålningen av den direkta strålningen och den diffusa strålningen.
Kompensationspunkt Då fotosyntesen är lika stor som respirationen Korttidsbehandling Plantorna korttidsbehandlas innan lagring för att
initiera att plantorna skall invintra.
Transmission
Kutikula
Genomsläpp av strålning, beräknat från hela ljusspannet (även UV och IR).
Skyddande vaxartat lager.
Avdunstningshämmande samt fungerar som ett skydd mot uttorkning.
Förklaring av beteckningar med enhet samt beskrivning.
Beteckning Enhet Beskrivning
A m2 Area
𝜶 - Absorption
𝜷 K-1 1 dividerat med
medeltemperaturen.
C - Formfaktor
𝑪𝒑 J/kgK Specifik värmekapacitet
d m Tjocklek
g m2/s Jordacceleration
h kJ/kg Entalpi
𝜺 - Emission
𝝀 nm Våglängd
T ℃ Temperatur
𝑸̇ W Effekt
𝒎̇ kg/s Massflöde
P Pa Tryck
V m3 Volym
Ra m3/s Volymflöde
h m Höjd
v m/s Hastighet
𝝆 kg/m3 Densitet
𝝁 kg/ms Dynamisk viskositet
k - Reglerkonstant
x kgvattenånga/kgluft Koncentration fukt
RF % Relativfuktighet
𝒉𝒎 m/s Masskonvektionskoefficient
∅ % Relativ fuktighet
k W/mK Konduktivitet
𝝂 m2/s Kinematiks viskositet
h W/m2K Konvekrionskofficient
𝑽̇ m3/s Volymflödet
𝑮̇ W Effekt strålning
L m Längd
Nu - Nusseltalet
𝝈 W/m2K4 Stefan-Boltzmanns konstant
Ra - Rayleigh-tal
Pr - Prandtls tal
U W/m2K Värmemotstånd
Q J Energi
𝜼 % Verkningsgrad
PEF - Primärenergifaktor
P W Effekt
X - Antal
k m2K/W Värmeövergångsmotståndet
𝝀 W/mK Värmeledningsförmågan
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Global uppvärmning ... 1
1.2 Klimatförändringar i Sveriges skogar ... 1
1.3 Energianvändning i växthus ... 2
1.4 Fördelar med odling i växthus ... 4
1.5 Skogsplantors behov... 4
1.5.1 Ljus och belysning ... 5
1.5.2 Termiskenergi ... 8
1.5.3 Ventilation och läckage ... 9
1.6 Väderklimat ... 11
1.7 System för att tillgodose behov ... 13
1.7.1 Ljus och belysning ... 13
1.7.2 Termiskenergi ... 15
1.7.3 Ventilation ... 17
1.8 Värdering av primärenergi, driftkostnad samt koldioxidekvivalenter ... 17
1.8.1 Primärenergi ... 17
1.8.2 Driftkostnad ... 18
1.8.3 Utsläpp ... 18
1.9 Koldioxidhalten i växthuset ... 18
1.10 Om Svenska Skogsplantor AB samt dess behov av en energieffektivisering ... 18
1.11 Syfte ... 19
1.12 Mål ... 19
2 Metod ... 20
2.1 Övergripande metod ... 20
2.1.1 Förklaring av fall TallMikro och fall MikroMikro samt temperatur i växthuset .... 20
2.1.2 Relativ fuktighet ... 22
2.1.3 Ljus och belysning ... 22
2.2 Beräkningsmodell ... 23
2.2.1 Energibalans för luften i växthuset ... 23
2.2.2 Massa och fuktbalans för luften i växthuset ... 26
2.2.3 Energibalans för väggar ... 28
2.2.4 Energibalans för tak ... 31
2.2.5 Energibalans för plantorna och golvet ... 32
2.2.6 Generella regleringar ... 35
2.3 Värderingsmodell ... 36
2.3.1 Beräkning av energi ... 36
2.3.2 Primärenergi ... 36
2.3.3 Kostnad ... 37
2.3.4 Koldioxidekvivalenter ... 38
2.4 Alternativa beräkningsfall ... 38
2.4.1 Dagens växthus ... 38
2.4.2 Blockväxthus/ Multi-Span ... 41
2.4.3 För att hitta det energieffektiva växthuset ... 43
3 Resultat ... 47
3.1 Dagens växthus ... 47
3.2 Blockväxthuset samt reglering av ventilation ... 49
3.3 Påverkande faktorer ... 52
3.3.1 Golvytans påverkan ... 52
3.3.2 Höjd ... 53
3.3.3 Fasadmaterial ... 55
3.3.4 Behovet av ljus till plantorna ... 56
3.3.5 Installation vävar ... 57
3.3.6 Reglering temperaturspann ... 58
3.3.7 Konvektiva värmeövergångstalet ... 59
3.3.8 Analys av faktorer med liten påverkan för resultatet ... 60
3.4 Det energieffektiva växthuset ... 60
3.5 Odling hela året ... 63
4 Diskussion ... 66
4.1 Besparingar för Svenska Skogsplantor AB ... 66
4.2 Odling året om ... 67
4.3 Ljus och belysning ... 67
4.4 Vävar ... 67
4.5 Reglering temperaturspann ... 68
4.6 Studier med mindre påverkan ... 68
4.7 Takhöjdens inverkan ... 68
4.8 Förändring av golvets area... 69
4.9 Värmeövergångstal ... 69
4.10 Fasadmaterial ... 70
4.11 Reglering av ventilation ... 70
4.12 Energieffektivt växthus... 70
5 Slutsats ... 72
6 Ytterligare studier ... 73
7 Referenser ... 74
1
1 Introduktion
1.1 Global uppvärmning
En förstärkt global uppvärmning är idag ett problem som främst beror på en ökad halt CO2-ekv i atmosfären och bidrar till växthuseffekten (Mundaca et. al 2018; Bengtsson & Eikevik 2016).
Fossila bränslen anses stå för större utsläpp av växthusgaser än förnybara resurser (Bengtsson
& Eikevik 2016, Cuce et. al 2016).
Klimatförändringarnas negativa effekt är något som påverkar alla (IPCC 2014). På grund av brist på energiresurser, stigande energipriser, miljöproblem samt klimatförändringar som global uppvärmning och uttunning av ozonlagret har energibesparing blivit allt mer betydelsefullt (Cuce et. al 2016).
I Paris under december 2015 kom 195 länder överens om ett globalt klimatavtal. Som huvudmål sattes att den globala uppvärmningen till år 2100 ska begränsas till under 2 °C från den förindustriella nivån, vilket innebär att temperaturökningen från år 2010 begränsas till 1,5
°C. Ett delmål fram till år 2030 är att EU ska minska sina utsläpp från växthusgaser med minst 40 % jämfört med 1990. (European Commission 2016) År 2016 offentliggjorde Förenta Nationerna (FN) 17 globala mål som ska bekämpa mondiala utmaningar inom de efterföljande 15 åren. Där finns mål som handlar om rent pålitlig energianvändning och ökad andel förnybara källor, samt bekämpande av klimatförändringar och förhindrande av naturkatastrofer. (United Nations 2016)
1.2 Klimatförändringar i Sveriges skogar
I Sverige utgörs ca 50 % av landarealen av skog och har en central inverkan på den nationella kolbalaansen. Sveriges barrskogar som är del av det nordliga barrskogsbältet, Taiguan. Det är viktigt att ta med i beräkningarna hur framtida klimatförändringar påverkar skogens förmåga att ta upp och koldioxid och lagra kol samt hur tillgången på biomassa förändras. (Bergh et. al 2000a)
I Sverige bidrar den ökade temperaturen med mildare vintrar vilket förlänger växtsäsongen och resulterar i snabbare tillväxt (Skogsstyrelsen 2015). Ökad temperatur medför också att risken för skadliga insekter samt sjukdomar sprids. Det hotar både skörden och skogen. (Bergh et. al 2000a; Taki et. al 2016; Skogsstyrelsen 2015; Naturvårdsverket 2008) I framförallt södra Sverige kommer den ökade temperaturen medföra ökad risk för torka. För skogsplantor kan det ge torkstress så att plantorna i värsta fall inte överlever. På grund av klimatförändringarna tros även stormoväder att öka vilket medför stora förluster av skog. (Skogsstyrelsen 2015)
2 På grund av den ökade temperaturen som är en effekt av klimatförändringarna kommer växtsäsongen bli upp till 2 månader längre i Sverige enligt SWECLIMs klimatscenarier. Risken för frostskador ökar i plant -och ungskog om granen och tallen skjuter skott tidigare på året.
Då plantan utsätts för en tidig och kraftig vårfrost under flera år kan den till slut dö. Att växtsäsongen blir längre skulle innebära att fotosyntesen ökar. I söndra Sverige beräknas fotosyntesen öka med 9-12% och i norra Sverige med 15-18 %. Träden i de svenska skogarna skulle där igenom kunna öka upptaget av kol med ca 40 % vilket medför en kolfixering på 4-5 miljoner ton/år. (Bergh et. al 2000a)
1.3 Energianvändning i växthus
Energibesparande strategier är avgörande för alla typer av områden, för växthussektorn eftersom det idag har en central inverkan på den totala energianvändningen. Behovet av energi i växthussektorn blir en allt viktigare fråga för att kunna framställa skörd under hållbara förutsättningar. (Harjunowibowo et. al 2016; Cuce et. al 2016) År 2016 använde majoriteten av alla växthusodlare i värden konventionella material på fasaden samt äldre och traditionella tekniker för uppvärmning, kylning, ventilation, belysning, luftkonditionering vilket medför en hög energiåtgång samt konstruktion- och driftkostnad (Cuce et. al 2016).
År 1960 ökade bönders intresse av att energieffektivisera växthusen på grund av de ökade bränslepriserna (Taki et. al 2016). Energikostnaden har sedan dess ökat på grund av allt högre pris på energin. För växthusodlare är energikostnaden den tredje största kostnaden efter arbetskraft och växtmaterial. (Sanford 2011) I de norra regionerna där klimatet är kallare är uppvärmningen av växthuset det som kräver mest energi (El-Maghlany et. al 2015; Skogforsk 2015). Då värmen är begränsad har det en negativ effekt på tiden det går att bruka, kvalitet samt produktivitet (El-Maghlany et. al 2015). År 2011 i Wisconsin, USA beräknades värmeenergi stå för 70-80 % av den totala energikostnaden, el stod för 10-15 %, resterande energikostnad kom från bränslet för traktorer, lastbilar och andra fordon (Sanford 2011).
Växthusen har stora volymer som enbart är luft och uppvärmning med fossila bränslen för dessa volymer är relativt dyrt. Användning av värmesystem med låg kostnad och förnybarenergi under de kalla månaderna är därför att föredra. (El-Maghlany et. al 2015) Det finns idag goda förutsättningar att minska behovet av värme, kyla, ventilation och el samt använda förnybar energiteknik i konventionella växthus. Användningen av förnybar energi i växthus har stora möjligheter att minska driftkostnaden och koldioxidutsläppen. (Cuce et.al 2016)
En livscykelanalys i slutet av 1990-talet visade att en producerad skogsplanta bidrar till 47-132 gram koldioxidutsläpp. Hur skogsplantorna odlades, odlingslängden, storleken och när under året plantorna stod i växthuset spelar en avgörande roll för total energianvändning. (skogforsk 2015) Den totala energianvändningen i svenska växthus har minskat markant från år 1999, se figur 1, men fortfarande används fossila bränslen i många svenska växthus. Från år 1999 till
3 2011 reducerades användningen av olja till en fjärdedel. År 2011 kom 41 % av den totala energin från fossila bränslen (olja, kol, naturgas, gasol, koks). Allt mer förnyelsebara bränslen börjar fasas in i växthusodling. Från år 2005-2011 ökade energiförbrukningen av biobränslen med 20 %. Biobränslen tillsammans med övriga förnybara energikällor utgjorde 37 % av den totala energiproduktionen 2011 i svenska växthus. (SLU 2013)
Figur 1. Energianvändning i svenska växthus mellan åren 1999 till 2011. Data hämtat från SLU (2013).
Energianvändningen i växthuset beror på det yttre klimatet. Växthusets tekniska utformning samt utrustning har också en påverkan på energianvändningen. Det innefattar både växthusets täthet från oönskad ventilation och användning av isoleringsmaterial. (Christensen 2010) Skogsplantor kräver en tillgång på ljus för tillväxt (Lindström 2007; SLU 2014). För att uppnå det används ofta fasadmaterial med god ljusgenomsläpplighet. Nackdelen med det är att byggnaden får en sämre isoleringsförmåga. (Christensen 2010)
Värmeförlusterna i växthus är stora. En studie av SLU (2013) påvisar att de mesta av värmeförlusterna sker genom växthusets tak. En stor del av värmen försvinner också ut genom väggar samt via läckage (ofrivillig ventilation), se figur 2.
0 200 400 600 800 1000 1200
År 1999 År 2002 År 2005 År 2008 År 2011
Energianvändning [GWh]
EO 1 EO övrig Kol och koks Gasol
Naturgas Fjärrvärme Elektricitet Torv
Bark, flis och spån Ved Biogas Pellets och breketter Halm Övriga biobränslen Övriga energikällor
4
Figur 2. Värmeförlust i växthus vid dimensionerad utetemperatur på -34 ℃. Växthuset är 50x16 m. Grunden är isolerad och väggar samt tak består av 2-skiktd akrylplattor. Data hämtad från SLU (2013).
Nya växthustekniker utvecklas ständigt för att minska energianvändningen i växthusen.
Tillexempel energismart belysning, reglering av ventilation samt fasadmaterial med bättre isolerings egenskaper och god ljusgenomsläpplighet. Se kapitel 1.7 system för att tillgodose behov.
1.4 Fördelar med odling i växthus
I växthus finns goda förutsättningar för att plantan skall växa sig stark och skydda mot extrem solstrålning, regn och starka vindar (Shamshiri et. al 2018; Taki et. al 2018). Det finns även möjlighet att styra plantans tillväxt i växthuset (Lindström 2007). I växthuset kan odling bedrivas under en längre växtsäsong och där genom kan fler plantor produceras (Christensen 2010).
Kommersiella växthus är en av de mest odlingseffektiva metoderna för grödor med hänsyn till odlad gröda per kvadratmeter. På samma odlingsområde kan upp till 10 gånger mer av odlingen fås jämfört med fri markodling. (Taki et. al 2016; Taki et. al 2018)
1.5 Skogsplantors behov
För att få en god avkastning samt kvalité i växthusmiljö skall klimatförhållandena vara anpassade efter växtens behov (Shamshiri et. al 2018; SLU 2013). De viktigaste faktorerna för god tillväxt gällande skogsplantor är ljus, vatten, koldioxid, näring, temperatur samt luftfuktighet, se figur 3 (Cuce et. al 2016; Lindström 2007; Shamshiri et. al 2018; SLU 2014).
53%
23%
8%
1% 15%
Tak Väggar Golv Isolerad grund Läckage
5
Figur 3. Avgörande parametrar för god tillväxt (Skogskunskap 2016). Bilden har tillåtelse att användas.
1.5.1 Ljus och belysning
Ljus en är en primär faktor som växten behöver för dess tillväxt och utveckling (He et. al 2018;
Wojciechowska et. al 2015; Lindström 2007; SLU 2014). På nordliga breddgrader är ljuset oftast begränsat och därför tillförs artificiellt ljus till växterna i växthuset (SLU 2014;
Wojciechowska et. al 2015). Om platan växer under dåliga ljusförhållanden blir den lång och ranglig och saknar ofta normal grenbildning. Detta kan inträffa om plantan odlas för tidigt eller försent i växthusen eller om fasadmaterialet har dålig ljusgenomsläpplighet. Under groningsfasen är det fördelaktigt med låg ljusintensitet då växten är känslig. När växten blir större behövs högre tillgång på ljus tillföras. (Lindström 2007) För gran krävs ingen belysning de första dagarna under groningsfasen sedan krävs tillgång på ljus för att fotosyntesen ska kunna fortgå. Tall kräver belysning under både groningsfasen och tillväxtfasen. (Mattsson 1982) Om tillgången på ljus är begränsad kommer inte plantorna att växa lika snabbt, de blir även hög med högt placerade hjärtblad (SLU 2014; Lindström 2007). En ökad ljusintensitet medför en snabb ökning av fotosyntesen till dess att ljusmättad nås, se figur 4. När ljusmättnaden nås varierar på olika delar av plantan, vilket typ av planta spelar också roll. Då ljuset är som intensivast på året kan plantorna inte tillgodogöra sig allt solljus, och måste då skyddas för att inte drabbas av ljuschock. (Lindström 2007; Wetterskog 2018)
6
Figur 4. Fotosynteshastigheten beroende av ljusintensiteten för gran. Data hämtad från Nordborg & Bergh (2006).
Fotosyntesen påverkas av ljusintensiteten (Wetterskog 2018). Ljus kan mätas på olika sätt, så som i radiometrisk strålning och fotometrisk strålning. Vid radiometisk strålning mäts energin i ljuset i W/m2 och vid fotometrisk strålning mäts energin i lux. Den radiometiska strålningen tar hänsyn till ögats känslighet för olika våglängder och mäter det synliga ljuset. (Möller 2007;
Wetterskog 2018) När det gäller växthus är det grundläggande att veta hur mycket ljus plantorna kan nyttja till fotosyntesen. Det är fotonerna som gör det mjöligt för växterna att binda koldioxid därför mäts antalet fotoner av det synliga ljuset i µmol/m2s inom PAR (Photosynthetically Active Radiation). (Borg 2015) Att mäta strålningen i Lux kan vara missvisade eftersom en växts känslighet för synligt ljus skiljer sig från det mänskliga ögats (Möller 2007; Borg 2015). PAR-strålning är den del av strålningsspektrum som bidrar till fotosyntesen och ligger i våglängdsområdet mellan 400-700 nm (Borg 2015; Wetterskog 2018). Översättning mellan olika ljusmått är komplext men schablonmässigt är 1 µmol/m2s jämförbart med 51 lux (Lindström 2007).
Då nettofotosyntesen är låg är respirationen större än fotosyntesen (Valoczi 2007; Nordborg &
Bergh 2006 ). Den punkt då fotosyntesen och respirationen är lika stor kallas för kompensationspunkt vilket inträffar mellan 10-30 µmol/m2. En sorlig sommardag kan ljusintensiteten ligga på 2000 µmol /m2. (Wetterskog 2018) Daily Light Intergral, DLI integrerar ljusintensiteten under 24 timmar och mäts i mol/dag (Spectrum Technologies u.å;
Faust 2002). DLI har en stor inverkan på växtens totala tillväxt och kvalité (Faust 2002). Se tabell 1 för hur tillväxten påverkas av DLI och ljus intensiteten. (Spectrum Technologies u.å;
Faust 2002)
7
Tabell 1. Ljusintensitetens påverkan samt DLI för plantans tillväxt (Spectrum Technologies u.å).
Ljusnivå DLI [mol/dag] Ljusintensitet [µmol /m2s]
Plantans växtrespons
Väldigt låg 2-5 100-200 Dålig tillväxt
Låg 5-10 200-400 Minimum acceptabel
nivå
Medium 10-20 400-800 God tillväxt
Hög 20-30 800-1200 Väldigt bra tillväxt
Väldigt hög 30-60 1200-2000 Väldigt bra tillväxt
Tilläggsbelysning behövs för att odla gran på plantskolan i Sverige tidigt på våren eller på sensommaren. För att förhindra knoppsättning behöver dagen förlängas med 300 lux för fast belysning och med 1000 lux för rörlig belysning. Den rörliga belysningen kräver högre strålningsintensitet på grund av tidsaspekten. För tall behövs inget tilläggsljus för att förhindra knoppsättning dock påverkas höjdtillväxten positivt av tilläggsbelysning. (Lindström 2007) Låga ljusintensiteter påverkar barren och ger dem en tunn kutikula och därefter får växten svårt att reglera vattenavgivningen vid torka (Johansson & Welande 2006).
Plantorna korttidsbehandlas innan lagring för att initiera att plantorna skall invintra. Plantan sätter då knopp och blir temperaturhärdig för lagring. Korttidsbehandligen sker genom att plantorna belyses 8-10 timmar om dagen och därefter är det natt i 14-16 timmar. (Johansson
& Welande 2006) Att plantans tillväxt avslutas och knoppsättning sker är väsentlig för att plantan ska kunna tåla frost när klimatet blir kallare och för att plantan ska få en normal skottutveckling följande vår. Det är först och främst nattlängden som avgör när plantan avslutar sin tillväxt. (Clapham et. al 1995)
Våglängden är avgörande för plantans tillväxt. Våglängder mellan 400-700 nm är det som är mest intressant för växthusodlare och den fotosyntetiska aktiviteten är som störst mellan 600- 690 nm för skogsplantor. Det är viktigt att tänka på våglängden när växthuslampor väljs, se figur 5 och tabell 2 för optimal fotosyntes vid varierade våglängder. Saknas till exempel blått ljus blir växten ranglig och lång. (Lindström 2007) Vid fotosyntesprocessen är det framförallt blått och rött ljus som växten drar nytta av vid fotosyntesen (Valoczi 2007).
8
Figur 5. Fotosynisk aktivitet för skogsplantor inom olika våglängdsområden samt våglängd som uppfattas som synligt ljus av det mänskliga ögat (Lindström 2007). Bilden har tillåtelse att användas.
Tabell 2. Plantans tillväxt i olika våglängdsintervall (Mattsson 1982).
Våglängd [nm] Effekt på plantan
280-310 Strålning inom detta intervall är skadligt för plantorna.
315-400 Barren blir tjockare och plantan kortare
400-510 Stor fotosyntetisk effekt hos plantan och
stor växtaktivitet
510-610 Låg fotosyntetisk effekt samt låg
växtaktivitet
610-700 Plantorna absorberar som mest klorofyll
inom detta område samt har starkast fotosyntetisk effekt.
700-1000 Ingen sträckningseffekt för plattan
1.5.2 Termiskenergi
En avgörande faktor för de metaboliska processerna är temperaturen (Valoczi 2007).
Det krävs att temperaturen inte är för låg både på dagen och på natten för att fotosyntesen skall fungera optimalt. På dagtid behövs värmeenergi för att assimilationen ska fungera och på kvällstid behövs värmeenergi för att assimilerad energi ska kunna syntetisera i växten. (SLU 2014) Optimala temperaturer för tall och gran vid groningsfasen är 20-25°C (Lindström 2007).
En groningstemperatur under 15°C och över 30°C hämmar tillväxten för plantorna (Mattsson 1982). Under tillväxtfasen är den optimala temperaturen runt 25°C på dagen och 10-15°C på natten för tall och 20-25°C på dagen och 20°C på natten för gran. (Lindström 2007)
9 Fotosynteshastigheten är beroende av temperaturen. Både fotosyntesen och respirationen ökar vid ökad temperatur. Eftersom respirationen ökar snabbare än fotosyntesen medför det att nettofotosyntesen sjunker vid högre temperaturen är 20°C, se figur 6. (Lindström 2007;
Nordborg & Bergh 2006; Borg 2015) Växten kan reglera temperaturen genom transpirationen som innebär att vatten avdunstar från växten (Borg 2015). På sommaren får den maximala temperaturen inte överskrida 32°C i luften i växthuset. Om temperaturen blir högre än 35°C blir respirationen större än fotosyntesen och plantan riskerar att dö på grund av näringsbrist1.
Figur 6. Fotosynteshastigheten för gran beroende av temperaturen. Mätningen gäller för en CO2-halt på 350 ppm och en luftfuktighet på 100 %. Total fotosyntes och respiration hos en planta beroende av temperaturen.
Nettofotosyntesen är skillnaden mellan totala fotosyntesen och respirationen och är det som återstår för plantans tillväxt Pilarna påvisar att kurvan kan förskjutas åt både höger och växter. Data hämtad från Nordborg & Bergh (2006).
1.5.3 Ventilation och läckage
Hur stort luftutbytet är i växthuset beror på dess täthet och ventilation. Bra växthus i stilla väder kan ha ett läckage på 0,2-0,4 gånger luftutbyte per timme. Otäta växthus med blåsigt väder kan ha ett luftutbyte på 2-4 gånger per timme. I allmänhet brukar luftutbytet på grund av otätheter beräknas på 0,5-1 gånger luftutbytet per timme. (SLU 1986)
Ventilationssystem ska inte skapa för stora tryckdifferenser på grund av att det blir problem med att öppna och stänga dörrar och fönster. Systemen dimensioneras vanligen med ett undertryck på maximalt 10-20 Pa2.
1 Borgen, E. (2019). Urklipp ur SSP;s odlingsanvisningar: Kompendium.
2 Beiron, J (u.å). Effekt- och energibehov för byggnadsuppvärmning: Kompendium.
10 1.5.3.1 Koldioxid
Vid fotosyntesen omvandlar växten koldioxid till glykos vilket gör att det behöver vara en balans mellan koldioxiden och tillgång på ljus för att kunna optimera tillgången av ljuset (SLU 2014). Mängden koldioxid i växthuset varierar beroende på tid på dygnet. Under dagen upptar växten den CO2 som finns tillgänglig, och på natten avges koldioxid. Vanligen trivs plantorna bäst på en CO2 halt runt 400-600ppm. (SLU 1986) Uteluften innehåller cirka 350-400ppm CO2
(Warfvinge & Dahlbom 2010; Nordborg & Bergh 2006).
Under skogens första år, plantskog samt halva delen av ungskogs stadium har kolbalansen en negativ nettobalans. Detta beror på att fotosyntesen är låg samtidigt som markrespirationen är hög och avger koldioxid. När träden är små finns inte tillräckligt stor växtmassa för att skugga marken vilket resulterar in att marktemperaturen blir hög och en stor markrespirationen. När träden blir äldre och får större bladyta som driver fotosyntesen samt att träden skuggar marken medför det att fotosyntesen ökar och markrespirationen minskar. Detta genererar till en positiv nettofotosyntesen, se figur 7. (Valoczi 2007; Bergh et. al 2000b)
Figur 7. Påvisar kolbalansen av skogen från plantering till slutavverkning. Data hämtad från Bergh (2000b).
Barrens fotosyntes är beroende av omgivningens koldioxidkoncentration, ljusets intensitet, barrens ålder, markens temperatur, barrensnäringsstatus och tillgängligheten av vatten (Nordborg & Bergh 2006; Valoczi 2007). Granens fotosyntes ökar med ökat halt CO2-halt i luften upp till 1200ppm, se figur 8. Yngre barr har en snabbare fotosynteshastighet än äldre barr. (Nordborg & Bergh 2006)
11
Figur 8. Koldioxidhaltens inverkan på fotosynteshastigheten för gran. Data hämtad från Nordborg & Bergh (2006).
1.5.3.2 Fukt
Balansen mellan tillgång på vatten samt den relativa fuktigheten i luften spelar en viktig roll för plantans tillväxt. Den relativa fuktigheten för optimal tillväxt visas i tabell 3. Vid en för låg relativ fuktighet kan torrstress uppstå och vid för hög relativ fuktighet finns större risk för svampangrepp. Vid en hög relativ fuktighet minskar växtens transport av vatten och näringsämnen på grund av det lilla ångtrycket mellan växten och omgivningen. (SLU 2014;
SLU 2013; Teitel et. al 2004)
Tabell 3. Rekommenderad luftfuktighet i växthus för skogsplantor. (Mattsson 1982; Wennström et.al 2008).
Växtfas Relativ luftfuktighet
Optimal [%]
Relativ fuktighet Tillåtelse intervall [%]
Groning 80 60-90
Övrig odlingstid 60 50-80
Luftfuktigheten påverkas av både plantans transpiration och evaporationen från odlingssubstratet. Genom transpirationen tar plantan upp vatten via klyvöppningarna till fotosyntesen. För att få en hög fotosyntes skall klyvöppningarna vara öppna så länge och mycket som möjligt. (Wennström et.al 2008)
1.6 Väderklimat
Sverige har ett tempererat fuktigt klimat, i söder är det varmtempererat och norr om Mälardalen är det kalltempererat (Nationalencyklopedin 2018). Närheten till Norra Atlanten och de
12 dominerande vindriktningarna ger för latituden ett milt klimat under vinterhalvåret (SMHI 2017). Data för utomhus temperatur i Hallsberg visas i figur 9 (Sveby 2019).
Figur 9. Utomhustemperaturen i Hallsberg 2017. Data hämtad från Sveby (2019).
Den årliga variationen av strålning och soltimmar begränsas av hur solhöjden och dagslängden varierar över året, se figur 10. På vintern är dagarna korta och solen står då lågt. (SMHI 2017b)
Figur 10. Årstidsvariation av soltimmar uppmätt i Karlstad 1983-2014. Grå punkter visar dygnsvärden (ackumulerade) för respektive dagar under perioden, blå kurva visar medelvärden för varje dag på året över samtliga år, röd och grön kurva visar max respektive min värden för varje dag på året över samtliga år. (SMHI 2018) Bilden har tillåtelse att användas.
13 Solenns totala strålning är den globala strålning, se figur 11. Globalstrålning är summan av den direkta strålningen och den diffusa strålningen från solen som träffar en horisontell yta. Den direkta strålningen är den strålning som träffar ytan direkt från solen. Diffusa strålningen utgörs av den övriga strålningen från himlavalvet som spridits i atmosfären av partiklar och molekyler.
(SMHI 2019)
Figur 11. Årstidsvariation av direkt strålning uppmätt i Karlstad 1983-2014. Grå punkter visar dygnsvärden (ackumulerade) för respektive dagar under perioden, blå kurva visar medelvärden för varje dag på året över samtliga år, röd och grön kurva visar max respektive min värden för varje dag på året över samtliga år (SMHI 2018). Bilden har tillåtelse att användas.
1.7 System för att tillgodose behov
Temperatur, luftfuktighet, vind och solljus är något som varierar beroende på vilken zon växthusen och plantorna befinner sig i, därför är tekniken som används i olika regioner också annorlunda. Vid odling på norra regioner krävs högre krav på isolering av växthuset samt värmesystem medan odling på sydliga breddgrader behöver tekniker för att kyla växthuset effektivt. Tillgången på ljus varierar också beroende på vart växthuset är positionerat och kräver därför olika behov av tilläggsbelysning. (Qoaider & Steinbrecht 2010; Curce et. al 2016)
1.7.1 Ljus och belysning
Ljuset påverkar tillväxten, utvecklingen samt utseendet hos plantorna. Det är därför viktigt att veta hur fasadmaterialet påverkar ljussamansättningen. Täckmaterialet kan påverka mängden inkommande solljus och vilket ljusspektra som tränger igenom. (Karlsson et. al 2014; Cruce et. al 2016) Det är viktigt att täckmaterial som används som värmeisolering och stommar inte blockerar ljuset. Om växten skuggas minskar kvalité och tillväxt. (Cruce et. al 2016; Kadowaki
14 et. al 2012) Det är därför viktigt att kontrollera plantresponsen vid kombination av olika beläggningar (Karlsson et. al 2014).
Ljusgenomsläppligheten för glas ligger på runt 90 %. Akrylen har en ljusgenomsläpplighet på 80 % och ljusgenomsläppligheten för polykarbonater ligger på 80 %. Vissa fabrikat kan ha högre genomsläppsförmåga. Ljusgenomsläppligheten kan påverkas då materialet åldras lika så genomsläppligheten av olika våglängder av ljus. (Borg 2015)
Akryl är ett material som används som täckmaterial i form av kanalplattor. Materialet är hållbart och ljusgenomsläppförmågan är god samt förändras inte när det åldras. Akryl har även en god isoleringsförmåga. (Borg 2015)
Plastfolie kan användas i en eller två skit med luftspalt vilket gör att isoleringsförmågan blir bättre. Den merkostnad som det kostar med dubbelplastfolie lönar sig snabbt genom bättre kvalité på plantorna samt lägre energianvändning. Från år 2007 användes en inblandning av etenvinylacetat (EVA) i polyetenen i de flesta plastfolierna. Med denna tillsats får plastfolien en bättre UV-beständighet och ljusgenomsläpplighet på 85-90%. Ljusgenomsläppligheten sjunker sedan till 80 % efter 5 år. (Borg 2015)
Isolerade väggar bör användas där det inte finns behov av solljus som tillexempel för norrväggen. Detta eftersom solljuset är relativt litet genom norrväggen. På de isolerade väggarna skulle det vara fördelaktigt att använda vita släta ytor som är lätt att rengöring och har hög reflektionsförmåga. (Borg 2015)
De vanligaste ljuskällorna år 2018 som används i moderna växthus var glödlampor/
halogenlampor, urladdningslampor (t ex fluorescerande ljusrör, metallhalogen och högtrycksnatriumlampor) och lysdioderna (LED) (Shamshiri et. al 2018). Forskning på LED för växthus började redan på 1980-talet men blev inte ekonomiskt genomförbart förens efter 2000-talet för storskalig produktion (Shamshiri et. al 2018). LED-lampor är effektiva eftersom de genererar lite värme (Cuce et. al 2016; Poulet et. Al 2014; Shamshiri et. al 2018). Detta gör att kylbehovet minskar på varma dagar men värmebehovet kan öka för kalla perioder (Shamshiri et. al 2018). LED lampor kan öka produktiviteten i växthus (Kitazaki et. Al 2015).
LED-lamporna är dessutom billiga, hållbara och tillgängliga i många färger (Kitazaki et. Al 2015; Shamshiri et. al 2018; Johkan et. Al 2012).
Då LED lampor jämförs med HPS-ljuskällor kunde 75 % av energin som åtgick till belysning årligen sparas genom att använda LED lampor (Cuce et.al 2016). Jämfört med HSP-lampor har LED-lampor blivit mycket lovande ljuskälla på grund av utveckling av nya LED-tekniker som förmåga att styra spektra kompositionen, hög ljusutgång med låg strålningsvärmeeffekt (Wojciechowska et. al 2015). Wojciechowska et. al (2015) menar att många frågor fortfarande är öppna och mer kunskap måste inhämtas om effekterna av LED-ljus på olika arter och sorter för storskalig produktion i växthus.
15 I ett experiment av He et. al (2019) påvisades att användningen av LED-armaturer för ljusfyllning av växterna kunde tillgodose behovet bättre samt sparade pengar för användarna.
Med hjälp av LED-armaturen tändes lamporna då ett behov uppstod. LED-ljusuppsättningen gav experimentellt en energibesparing på 54,2% jämfört med glödlampor och en besparing på 82,6% jämfört med fluorescerande lampor. (He et. al 2019)
1.7.2 Termiskenergi
Värme kan tillföras till växthuset på flera olika sätt. De vanligaste är att värme tillförs via vattenledningar som avger värmen eller varmluft som blåses in i växthuset. Värme tillförs även via solinstrålning. Oavsett vilket värmesystem som används är det nödvändigt att projekteringen noggrant studeras eftersom ett dåligt planerat värmesystem kan medföra onödig stor energianvändning och ett ojämnt klimat. (Jordbruksverket 2008; Möller 2007)
Rörbunden värme behöver ofta kompletteras med cirkulationsfläktar för att jämna ut skillnad i temperatur och luftfuktighet. Då pannan ger en lägsta temperatur på 65°C och temperaturen som efterfrågas i värmeslingorna vanligtvis ligger mellan 30-50°C är det nödvändigt att blanda det varma vattnet i huvudmatningen till lägre temperatur. Att ha en temperatur i huvudmatningen som är högre än den önskade framledningstemperaturen medför en värmeförlust. Luftburenvärme kan fördelas jämnare än vattenburenvärme samt ge snabbare klimatväxlingar. (Jordbruksverket 2008)
Länder som har fyra årstider har oftast ett värmebehov större delen av året och där föredras värmesystem som ligger under jorden. Energin lagras oftast i jord eller vatten och används sedan då ett värmebehov uppstår. (Curce et. al 2016; Panwar Kaushik & Kothari 2011) Sol är en energikälla som är gratis och är även den källa som ger mest energi till växthus.
Problemet i Sverige är att solen är för skarp på sommaren och för svag på vintern och nätterna.
(Jordbruksverket 2008; SLU 2014) Det är möjligt att lagra energi i form av överskottsvärme från solen i tillexempel marken eller i en ackumulatortank (Jordbruksverket 2008).
Frånsett åtgärderna som effektiviserar energiutbytet från uppvärmningskällan är det även möjligt att minska den totala energianvändningen i växthuset (SLU 2013; Jordbruksverket 2008). Enligt Jordbruksverket (2008) är en av de mest effektiva åtgärderna är att installera vävar. Väven kan ge en effektbesparing på 20-75 % beroende på vävtyp (SLU 2013;
Jordbruksverket 2008; Taki et. al 2016). Vävarna förhindrar luften att komma i kontakt med de kalla väggarna och där igenom minskar värmekonvektionen samt att värmestrålningen från växter och inredning reflekteras tillbaka in i växthuset (Jordbruksverket 2008). Nackdelen med fast installation av vävar är att de ger en viss skuggning när de är fråndragna vilket medför en sänkning av ljusinstrålningen som tar bort en del av besparingseffekten (SLU 2013).
Val av täckmaterial för ett växthus beror på dess tillämpning, vilken typ av gröda som ska odlas och klimatförhållandet i regionen (Shamshiri et. al 2018). Material och konstruktion avgör hur
16 växthuset kommer att fungera när det gäller interna transporter, energianvändning och arbetsmiljö. Konstruktionen bestämmer hur länge det går att bruka i växthuset och materialet avgör om odling är möjlig under vinterhalvåret. (Möller 2007) Det är nödvändigt att ha material av hög transmissionsförmåga på väggar och tak samt lågt U-värde (Taki et. Al 2016).
El-Maghlany et. al (2015) och Cude et. al (2016) menar att konventionella fasadmaterial som används i växthuskonstruktioner för närvarande har dåliga värmeisolerade egenskaper och 20- 40% av energin avges från fasaden. Fasadmaterial som oftast använd i växthus är glas, polyeten, halvstyv plast samt plastfilm. Då en stor mängd värme släpps igenom fasaden medför det en hög energiåtgång och uppvärmningsefterfrågan. Fasadmaterialet har också en hög skuggningskoefficient på sommaren vilket innebär ett ökat kylbehov. På grund av den höga energiåtgången blir därför isolerings teknik i väggarna och tak av växthus den viktigaste faktorn som bestämmer dess kostnad och energi för att kontrollerna makroklimatförhållandena.
(Cuce et. al 2016)
Polykarbonatplaster är att föredra i växthusapplikationer. De kan ge energibesparing i upp till 30 % jämfört med glasväxthus på grund av dess goda isoleringsförmåga. Detta utan att minska mängden inkommande solljus. (Fabrizio 2012; Cuce et.al 2016) Polykarbonaterna väger lite samt är lätta att installera och ger ett naturligt ljusgenomsläpp. Då polykarbonater har ett lågt U-värde samt uppfyller kraven i den europeiska lagsstiftningen om energieffektiva byggnader med låg självkostnad och lätt installation. (Cuce et.al 2016) På grund av dess värmeeffekt och höga diffusion av naturligt solljus menar Cuce et.al (2016) att dubbelspaltiga polykarbonatväggar sannolikt är en produkt som kommer att väljas.
Vacuumglas kan användas för att reducera värmebehovet. Vacuumglas har ett lågt U-värde på ca 0,4 W/m2K vilket kan minimera energiförlusten. Värmeisolerande glas kan även användas som fasadmaterial i växthus. Det har en självrengörande funktion genom en speciell beläggning. Det lägsta experimentella U-värdet för glaset är 1.10 W/m2K vilket är jämförbart med argonfyllda dubbelglas och trippelglas med lågt e-värde. (Cuce et.al 2016)
Ett rektangulärt växthus släpper in mer ljus vid långsidan än vid kortsidan (Möller 2007). I en studie av El-Maghlany et. al (2015) där växthus på de nordliga breddgraderna studerades från första november till slutet av april kunde energi för uppvärmning minska genom fördelaktig orientering av växthuset. Den upptagna värmeenergin från solen används för att minska behovet av växthusets värmesystem och där igenom att minimera driftkostnaden. Växthusets optimala orientering skall vara riktat mot söder för att nyttja maximala infångad värmeenergi för en latitudvinkel över 24°. (El-Maghlany et. al 2015) För latitudvinkel under 24° fås maximal värmeenergi då växthusen är orienterat i östlig eller västlig riktning (El-Maghlany et.
al 2015; Möller 2007).
17 1.7.3 Ventilation
Temperatur och luftfuktighet är parametrar som påverkas mest av ventilation och har ett viktigt inflytande på tillväxt, utbyte av luft och sjukdomsutveckling (Teitel et. al 2004; Cuce et. al 2016). Det är även viktigt att tänka på låg värmeåtgång då ventilation väljs (Shamshiri et. al 2018).
Luftens kvalitet styrs av faktorer som luft- och rotzonens temperatur, fuktighet, koldioxid, luftrörelse, damm, lukt och sjukdomsrisk (Shamshiri et. al 2018). Benni et. al (2016) påvisar att genom att ha ta med vindriktningen i ventilations kontrollsystem kan luftutbytets kvalité förbättras.
Naturlig ventilation är ett effektivt sätt att upprätthålla ett gott mikroklimat i växthus och ett sätt att minska energianvändningen som krävs för mekanisk ventilation. Naturligventilation kan separeras i vinddriven och flytdrivande ventilation, båda typerna är beroende av yttre vindhastighet, temperatur, riktning och växthusets utformning och öppningarnas storlek för ventilationen i växthuset. (Chu et. al 2017)
Ventilation i form av naturlig ventilation används oftast i traditionella växthus och är oftast placerad vid taknocken, fuktig och varm luft ventileras ut för att hålla ett växthusklimat som gynnar plantan. Den varma luften stiger på grund av densitetsskillnader och lämnar växthuset.
Enklare bågväxthus ventileras ofta enbart vid gavlarna som då hålls öppna men ibland kompletteras detta med anordning som gör det möjligt att dra isär plastfolien i bågväxthusets topp. (SLU 2013) Att nyttja sidventiler i kombination med takventiler minskar temperaturskillnaden mellan växthusluftens temperatur och utomhustemperaturen samt ger en mer enhetlig klimatfördelning i växthuset än att enbart använda takventiler. (Aich 2018) En grundregel är att storlek av luckor för ventilationen skall motsvara 10-20% av växthusets golvyta. Storleken kan dock variera beroende på behovet som påverkas av hur odlingen brukas, typ av gröda och hur soligt läge växthuset befinner sig i. (Grohus 2018)
Chu et. al (2017) konstaterar att kyleffekten av den naturliga ventilationen behöver utvärderas innan den mekaniska ventilationen konstrueras. Mekanisk ventilation kan komplettera eller ersätta ventilationsluckorna med fläktar som möjliggör en mer precises reglering av luften. Vid mindre ventilationsbehov används fläktarna medan taköppningarna används vid ett högre behov för att erhålla ett jämnare klimat. (SLU 2013)
1.8 Värdering av primärenergi, driftkostnad samt koldioxidekvivalenter
1.8.1 Primärenergi
Primärenergi beskriver hur mycket primära resurser som krävs under livscykeln från källa till nyttjande. Primärenergi är den energi som inte genomgått någon omvandling så som kol, råolja eller biobränslen. Vid produktion av el och fjärrvärme blir primärenergin högre på grund av förluster på vägen för bland annat transport av energi i elnätet och distribution av fjärrvärme.
18 (Gode 2011) De primära energiresurserna är grunden för samhällets energitillförsel (Stattin 2014). Primärenergifaktor (PEF) är ett mått på primärenergianvändningen och anges som den totalt tillförda primärenergin dividerat med den nyttiggjorda energin. En hög PEF innebär större förluster. Systemgränser kan skiljas åt mellan olika PEF från olika källor. (Gode et. al 2011)
1.8.2 Driftkostnad
Att bygga växthus innebär stora investeringar. Utformning och material för växthuset bestämmer hur stor driftkostnaden blir. (Jordbruksverket 2018) I driftkostnader ingår bland annat kostnad för att hålla ett gynnsamt klimat i växthuset (värme, kyla) samt andra produktionskostnader som elanvändning (Håkansson et.al 2018).
1.8.3 Utsläpp
Växthusgaser bidrar till en förstärkt växthuseffekt. Det finns fler växthusgaser än koldioxid som bidrar till växthuseffekten, t.ex. metan, lustgas och florerande gaser. Vid beräkning av växthusgaser för bränslen används vanligen koldioxidekvivalenter, CO2-ekv/MJbränsle. (Gode et.al 2011)
1.9 Koldioxidhalten i växthuset
Efter litteraturstudien som gjordes visade det sig att vid odling av skogsplantor är koldioxidhalten inne i växthusen inte ett problem. Risken att koldioxidhalten blir får låg är liten. Det är mer troligt att man får en hög koldioxidhalt inne i växthusen på grund av att torvens markresperation är hög. En hög halt koldioxid gynnar skogsplantans fotosyntes. Slutsatsen kan dras efter denna litteraturstudie att för odling av skogsplantor är koldioxidhalten inget problem även om växthusen skulle vara relativt täta.
1.10 Om Svenska Skogsplantor AB samt dess behov av en energieffektivisering Företaget Svenska Skogsplantor AB är ledande i Sverige inom plantor och skogsföryngring.
Skogsplantornas fröer odlas i kassetter på tidig vår och placeras i växthuset i cirka 8 veckor innan plantorna ställs ut på friland (Svenska skogsplantor u.å). Odlingskassetterna för mikroplantor av gran är 2cm3/cell och har en yta på 1x1 cm. Tall har en odlingskassett på 90cm3/cell och en yta på 2,6x2,6 cm per cell. Dagens växthus som studeras på Vibytorp är bågformade med måtten, 100 m långa, 25 m breda samt 9 meter höga och består av en trästomme med dubbelspaltig växthusfolie. Planttäthet för tall är 547 st/m2 och för micoplantor av gran är planttätheten 3312 st/m2. Uppvärmningsalternativen ser olika ut beroende på plantskola. På Vibytorps plantskola sker uppvärmningen av växthusen med hjälp av ett friblåsande värmesystem där pelletspannor används som uppvärmningskälla. Nya växthus behöver nu byggas då de gamla börjar bli slitna samt att produktionen behöver utökas. Frågan
19 kvarstår hur de nya växthusen skall byggas för att bli energieffektiva på ett ekonomiskt och miljömässigt sätt. Det studerade växthuset är lokaliserat i Hallsberg på Vibytorps plantskola.
Idag har Svenska Skogsplantor AB 26 växthus som har måtten 25x100m och 4 stycken växthus som är 16x100m samt sex stycken som är 12x100 vilket ger en total växthusyta på 78 600m2. Företaget tros behöva ytterligare 20-25% större växthusyta att odla på inom de närmast 5-7 åren vilket gör att en energieffektivisering av växthusen blir allt viktigare.
1.11 Syfte
Syftet med detta examensarbete är att studera vilka faktorer gällnade byggnad, ventilation och ljus som påverkar energieffektiviteten i ett växthus anpassat för skogsplantor och där igenom få förståelse för hur energi, primärenergi, kostnader samt miljöpåverkan kan minskas.
1.12 Mål
Projektet har till mål att besvara hur ett nytt växthus för skogsplantor skall byggas för att minimera tillförseln av energi då lösningar på byggnaden, ventilationen och belysningen undersöks. Hur stor miljöpåverkan blir av driften i det nya växthuset samt driftkostnaden ska även kalkyleras. Nyckeltal för beräkningarna är kWh/m2 för energi, g CO2-ekv/m2 för miljöpåverkan samt kr/m2 för driftkostnaden. Detta gäller för kvadratmeter golvyta.
20
2 Metod
2.1 Övergripande metod
Arbetet inleddes med en litteratursammanställning av skogsplantors behov samt systemlösningar för att tillgodose behoven. En beräkningsmodell byggdes upp i simuleringsprogrammet Simulik för att först kunna studera dagens växthus. Balanser ställdes upp för energi och massa. Ett resultat ficks för hur mycket energi, primärenergi, samt driftkostnad och koldioxidutsläpp dagens växthus krävde utifrån beräkningsmodellen.
Beräkningsmodellen tog hänsyn till temperatur, fuktighet samt ljusbehov. Påverkade faktorer studerades sedan på ett blockväxthus eftersom dessa växthus är lättare att variera i storlek än bågformade växthus. Då blockväxthuset byggts upp i Simulink och simulerats togs blockväxthusets värden som referensvärden. Ett antal simuleringar gjordes sedan där olika faktorer varierades. Detta för att få en förståelse för vad som hade störst påverkan gällande energianvändningen, primärenergin, driftkostnaden samt utsläppen av koldioxidekvivalenter.
Efter att ha fått en förståelse om hur faktorer påverkar energianvändningen byggdes det energieffektiva växthuset upp utifrån de studerade fallen. Perioden för de studerade fallen är mellan vecka 12 till 49 då skogsplantorna befinner sig i växthuset. Det gjordes även en undersökning där plantor odlas året om i växthusen för att se om det kunde vara lönsamt.
Efter litteraturstudien framgår det att koldioxidhalten inte är ett problem för plantornas tillväxt.
Koldioxiden som torven och plantan avger är större än vad plantan tar upp. Från figur 7 framgår det att en ökad koldioxidhalt gynnar växtens fotosyntes. Koldioxidhalten inne i växthuset har inte valt att fortsatta studeras.
2.1.1 Förklaring av fall TallMikro och fall MikroMikro samt temperatur i växthuset
I samtliga resultat studerades två fall, fall TallMikro som visas i figur 12 där först odling av tall sker i växthuset och sedan odlas mikroplantor av gran. I fall MikroMikro sker enbart mikroodling av gran i växthuset enligt figur 13. Temperaturen för de olika faserna i växthuset för fall TallMikro och fall MikroMikro visas i figur 12 och 13.
21
Figur 12. Tidslinje och önskad temperatur för fall TallMikro, odling av tall- och mikroplantor.
Figur 13. Tidslinje samt önskad temperatur för fall MikroMikro. Enbart odling av mikroplantor.
Det studerades även att odla enligt fall TallMikro och fall MikroMikro över hela året. Den önskade temperaturen i växthuset under hela året visas i figur 12 och 13. Mellan vecka 50-11 är den optimala temperaturen 22 ℃ och spannet låg mellan 20-25 ℃ för de båda fallen.
Utomhustemperaturen för år 2017 gällande Vibytorps plantskola i Hallsberg hämtas från Sveby (2019).
Groning tallplantor 22°C (20-25°C)
V.12-14
Odling tallplantor Dag (upp till) 28°C optimal 25 °C Natt (ner till) 13°C
optimal 15°C V.15-20
Långnattning & utkörning Dag (upp till) 28°C
optimal 25 °C Natt (ner till) 13°C
optimal 15°C V.21-28.
Groning & odling mikroplantor 22°C (20-25°C)
V.29-38
Korttidsbehandling för lagring Sänks mot 5°C
(3-10°C) V. 39-49
Groning & odlin mikroplantor 22°C (20-25°C)
V.12-16
Transplantering 22°C (20-25°C)
V.17-28
Groning & odling mikroplantor 22°C (20-25°C)
V.29-38.
Korttidsbehandling för lagring
(3-10°C) V. 39-49
22 2.1.2 Relativ fuktighet
Figur 14 visar den önskade relativa fuktigheten i samtliga fall. Detta gäller för både fall TallMikro och fall MikroMikro samt odling året om. Den relativa fuktigheten eftersträvas att vara 80 % under groningsfasen och 60 % under växtfasen.
Figur 14. Önskad relativ fuktighet i luften inne i växthuset vid odling av fall TallMikro och fall MikroMikro.
Den relativa fuktigheten för utomhusluften för år 2017 gällande Vibytorps plantskola i Hallsberg hämtas från Sveby (2019).
2.1.3 Ljus och belysning
Strålningsdata hämtades från Sveby (2019) för solens diffusa och direkta strålning. Baserat på inhämtade klimatdata för direkt och diffus strålning beräknades solstrålningens intensitet mot vägg och takytor enligt ekvationerna i kapitel 4 Heating and Cooling of Buildings (Kreider et.
Al 2009). Mängden transmitterad solinstrålning genom tak och väggar beror på byggnadsmaterialens transmissivitet. Ekvationerna från Heating and Cooling of Buildings användes för att beräkna det synliga ljuset till plantorna. Det antogs att det synligt ljus som transmitterades genom fasaden och träffar en horisontell yta (golvet) kunde plantorna ta tillvara på. DLI sattes till 7mol/dag mellan vecka 12-38 och 3mol/dag mellan vecka 39-49. Detta gäller för samtliga fall. Vid odling av året om var behovet av ljus 7 mol/dag under vecka 50-11.
Då strålningen från solen inte räckte för att täcka ljusbehovet användes tilläggsbelysning för att uppnå önskat DLI. Lamporna som användes var FL100 sunlight fixture. Dessa lampor gav upp till 1,3 µmol/s per Watt. (Senmatic u.å)
23 För att konvertera dagsljus inom spannet för synligt ljus från W/m2 till µmol/m2s divideras inkommande strålningen med 4,6. Detta gäller för våglängderna synligt ljus 400-760nm (Sky u.å).
Den diffusa och direkta strålningen uppmätts i W/m2 och gäller för den totala strålningen inom alla strålningsintervall. Andelen synligt ljus i det totala strålningsintervallet står för 43 % (Cengel, Y. 2014).
2.2 Beräkningsmodell
2.2.1 Energibalans för luften i växthuset
För att luften i växthuset ska upprätthålla den önskade temperaturen enligt figur 12-13 görs en energibalans. Energiflödena för luften visas i figur 15. Omblandningen av luften i växthuset anses som god och luften betraktas som homogen.
Figur 15. Energibalans för växthuset.
Energibalansen för luftens temperatur beskrivs i differentialekvationen (1).
24
𝛿𝑇inne
𝛿𝑡 =
Q̇𝑘𝑜𝑛𝑣,𝑔𝑜𝑙𝑣+ 𝐺̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔,𝑔𝑜𝑙𝑣+𝑄̇𝑚𝑎𝑠𝑠𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡+𝑄̇𝑘𝑜𝑛𝑣𝑛,𝑣ä𝑔𝑔+𝑄̇𝑘𝑜𝑛𝑣,𝑡𝑎𝑘+𝑄̇𝑣𝑒𝑛𝑡+𝑄̇𝑣𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑒𝑘+𝑄̇𝑙ä𝑐𝑘+𝑄̇𝑎𝑣𝑓𝑢𝑘+𝑄̇𝑣,𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣+𝑄̇𝑘,𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣
m𝑙𝑢𝑓𝑡𝐶𝑝𝑙𝑢𝑓𝑡
(1)
Konvektionen, Q̇𝑘𝑜𝑛𝑣,𝑔𝑜𝑙𝑣 och strålningen 𝐺̇𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟å𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔,𝑔𝑜𝑙𝑣 samt masstransporten, 𝑄̇𝑚𝑎𝑠𝑠𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡 från golvet till luften beskrivs i ekvation (53)-(56) och (64). Konvektionen från väggarna, 𝑄̇𝑘𝑜𝑛𝑣,ä𝑔𝑔 och konvektionen från taket, 𝑄̇𝑘𝑜𝑛𝑣,𝑡𝑎𝑘 beskrivs i (25). Ventilationen för luft in och ut i växthuset via ventilationsluckor, 𝑄̇𝑣𝑒𝑛𝑡 beräknas genom (2). Den mekaniska ventilationen som cirkulerar luften i växthuset, 𝑄̇𝑣𝑒𝑛𝑡,𝑚𝑒𝑘 beskrivs genom (3). Då det blir för fuktigt i växthuset finns avfuktare att tillgå (förutom i det bågformade växthuset). Dess effekt beskrivs genom 𝑄̇𝑎𝑣𝑓𝑢𝑘𝑡 i (8). För att hålla den önskade temperaturen inne i växthuset tillförs värme och kyla vilket definieras av 𝑄̇𝑣,𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 𝑜𝑐ℎ 𝑄̇𝑘,𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 i (9)-(10).
Ventilationen för luften in och ut ur växthuset beskrivs enligt (2) och beror av temperaturskillnaden (T) för inomhus och utomhusluften. 𝐶𝑝 anger luftens specifika värmekapacitet. Massflödet för ventilationen definieras, 𝑚̇𝑣𝑒𝑛𝑡.
𝑄̇𝑣𝑒𝑛𝑡 = 𝑚̇𝑣𝑒𝑛𝑡𝐶𝑝(𝑇𝑖𝑛𝑛𝑒− 𝑇𝑢𝑡𝑒) (2)
Den mekaniska ventilationen som cirkulerar runt luften i växthusen är alltid påslagen under odlingsperiod. Idag har Svenska Skogsplantor AB 6 stycken fläktar för 2500 m2 och vardera fläkt kräver en effekt på 250 W. Antalet fläktar antas öka linjärt i växthuset enligt figur 16.
Effekten för fläktarna beräknas genom (3).
Figur 16. Antalet fläktar i växthuset beroende av golvarean.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Antal fläktar
Golvets area (m2)
