WAT IS DE BESTE REGELING VOOR groeikamers?

 

Het is een hele uitdaging om het klimaat in een gesloten omgeving voor groententeelt te regelen. Het Kenniscentrum (KCE) van Thomas More ging daarom op zoek naar de beste methode om de temperatuur, luchtvochtigheid en CO₂-concentratie in deze kweekkamers te regelen. Het regelen via een koelbatterij met mengregeling levert bij kleine greenboxen zeer goede resultaten op. Het is bij het uitwerken van de regelstrategie wel belangrijk om te regelen naar de juiste parameters.

VEREISTEN BIJ INDOOR FARMING

Bij ‘indoor farming’ worden planten geteeld in gesloten klimaatcellen in volledig gecontroleerde omstandigheden. Qua klimaat wil dat zeggen dat de luchtvochtigheid en temperatuur nauwkeurig geregeld moeten worden, alsook de CO₂-concentratie om de fotosynthese te stimuleren. Naast de klimaatparameters wordt ook het licht qua sterkte en spectrum gestuurd, en wordt de plantenvoeding nauwkeurig gedoseerd.

Dergelijke klimaatkamers moeten zowel kunnen verwarmen (tot een celtemperatuur van +-25 °C), koelen (celtemperatuur van 12 °C), bevochtigen in het begin van de plantontwikkeling en ontvochtigen wanneer de plant bijna volgroeid is (en dus zelf een aanzienlijke hoeveelheid water verdampt).

OP ZOEK NAAR DE BESTE REGELING VOOR GREENBOXEN

Testopstelling

Het Kenniscentrum energie (KCE) van Thomas More bouwde twee klimaatcellen met een zeer klein volume (+- 3 m³). Voor beide cellen werd gebruik gemaakt van een indirecte koelinstallatie. Er werd bij het ontwerp dus voor gekozen om de lucht buiten de cel te behandelen en zo volledig geconditioneerd de cel in te sturen.

Op die manier kan de luchtstroom in de cel constant gehouden worden, ongeacht of men wil koelen of verwarmen. Daarnaast kunnen er, indien nodig, op deze manier ook gemakkelijker aanpassingen gebeuren aan de verschillende onderdelen. Het gebruik van indirecte koelsystemen maakt het daarnaast mogelijk om de koelmiddelinhoud te beperken, en de veiligheid te garanderen, wat tegemoet komt aan de huidige Europese regelgeving rond koelmiddelen.

• De verwarming gebeurt met een elektrische verwarmingsbatterij die via een pulsregeling kan moduleren.
• De bevochtiging gebeurt door een zelfgebouwde bevochtigingsunit met drie ultrasone bevochtigers om in drie stappen te kunnen sturen.
• De koeling en ontvochtiging gebeuren door een koelbatterij in het ventilatiekanaal, en gecombineerd met een chiller. Een chiller biedt de mogelijkheid om – met de beperkte koellast – het vermogen van de koelbatterij gemakkelijk te regelen.

De geschikte regeling kiezen

Het vermogen van een toestel dat warmte of koude afgeeft aan een ruimte of proces kan over het algemeen op twee manieren geregeld worden: ofwel wordt het (glycol)debiet aangepast, waardoor er minder vermogen toegevoerd wordt aan het afgifte-element, ofwel wordt de temperatuur van de glycol verhoogd of verlaagd, waardoor de temperatuur van het afgifte-element wijzigt.

GREENBOX 1: DEBIETSREGELING

Debietsturing

Bij koelinstallaties wordt vaak gekozen voor een debietsturing. De geleverde koude uit de chiller wordt door middel van een driewegklep verdeeld: het ene deel over het afgifte-element, het andere deel direct in de retourleiding. Door het variërende debiet in het warmteafgifte-element zal het vermogen ook sterk variëren, wat ervoor zorgt dat de temperatuur in de ruimte minder eenvoudig onder controle te houden is. Het voordeel bij deze installatie is dat er geen temperatuur ‘verloren gaat’ door bijmengen van retourwater, zoals bij een mengregeling het geval is. Hierdoor kan de koude efficiënter opgewekt worden. Een bijkomend voordeel is dat de temperatuur van de koeler tijdens het koelen constanter blijft, waardoor ook de voelbare warmtefactor van de koeler min of meer gelijk blijft. Hierdoor kan de koeler zowel gebruikt worden voor temperatuurverlaging als voor ontvochtiging. Omdat de koelbatterij van de greenbox zowel moet ontvochtigen als de temperatuur moet verlagen, kozen we in de eerste opstelling (greenbox I) voor een debietsregeling door middel van een smoorregeling. Dat zorgde ervoor dat de inblaastemperatuur in de cel zeer sterk varieerde. In combinatie met het kleine volume van de cel konden we de celtemperatuur niet binnen 1 °C regelen. Ook was de inblaastemperatuur laag, waardoor de lucht ook zeer snel verzadigd was. Het was dan ook niet mogelijk om voldoende vocht in te brengen om de gewenste relatieve vochtigheid in de ruimte te behalen.

Programmatie van een debietregeling

Doordat de oorspronkelijke debietsregeling, die werd gestuurd via een standaard PI-regeling, bovenstaande problemen opleverde met de sturing, werd in een tweede fase gekozen om te werken met een master/slave-regeling op de temperatuur. Hierdoor kan de inblaastemperatuur nooit meer dan 3 °C onder de gewenste temperatuur in de cel komen. Voor ontvochtigen wordt niet met een master/slave-regeling gewerkt omdat het hier net de bedoeling is om snel naar een lage koelertemperatuur te gaan, waardoor het te veel aan vocht condenseert in de koelbatterij. Met deze regelstrategie kunnen we de temperatuur en vochtigheid in deze cel binnen de vooropgestelde grenzen houden. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat een master/slave-regeling in deze opstelling mogelijk is omdat de koelbatterij zich buiten de cel in de ventilatiekanalen bevindt en dat we hier een slave-regelkring kunnen implementeren omdat we ook de ingeblazen temperatuur meten. Indien de koeler rechtstreeks in de ruimte zou hangen, is het praktisch niet mogelijk om de slave-regelkring op deze manier te implementeren. Een mogelijke oplossing zou hier dan wel kunnen zijn om een regeling op de ventilatorsnelheid toe te passen om op die manier het vermogen van het afgifte-element te regelen.

GREENBOX 2: MENGREGELING

Temperatuursturing

In de tweede greenbox werd het vermogen geregeld met een drieweg-mengventiel zodat de glycoltemperatuur geregeld kan worden. Een temperatuursturing zien we vaak terugkomen in verwarmingssystemen voor gebouwen. In het algemeen zorgt dit type regeling voor een hoog comfort in de ruimte. Door het constante debiet door het afgifte-element blijft de afgegeven warmte of koude vrij constant. Als er een hoger of lager vermogen nodig is kan de temperatuur bijgeregeld worden. Bij het regelen van het vermogen van de koelbatterij door middel van een mengregeling die de glycoltemperatuur door de koelbatterij nauwkeurig regelt, is het grootste probleem dat de ontvochtiging te traag ging, en de gewenste relatieve vochtigheid dus moeilijk behaald kon worden.

Programmatie van een mengregeling

Als oplossing werd er een PI-regeling geprogrammeerd met een master/slave-regelkring. In deze opstelling bepaalt de slave-regeling de temperatuur van de glycol door de koelbatterij. Bij een gemeten luchttemperatuur lager of gelijk aan de gewenste luchttemperatuur geeft de master regeling een output van 0%, wat overeenkomt met een glycoltemperatuur van 20 °C. Een output van 100% komt overeen met een gewenste glycoltemperatuur van 5 °C. De output van de slave-regeling wordt vervolgens bepaald op basis van deze gewenste glycoltemperatuur en de werkelijk gemeten glycoltemperatuur. Een output van 0% betekent 0V op de driewegklep, dus wordt er geen koude toegevoerd aan de koelbatterij. Een output van 100% komt overeen met een stuursignaal van 10V op de klep, de koude glycol van de chiller wordt dus rechtstreeks naar de koelbatterij gestuurd, zonder dat er glycol uit de retour van de koelbatterij wordt bijgemengd. De regeling voor de ontvochtiging werkt eveneens met een master/slave-regeling, met dit verschil dat een output van 0% uit de master-regeling niet overeen komt met de gewenste waarde van de luchttemperatuur, maar wel met de dauwpunttemperatuur die bepaald wordt via de gewenste relatieve vochtigheid en temperatuur. Hierdoor reageert de ontvochtiging sneller. De uiteindelijke klepstand wordt bepaald door de grootste output‑waarde van de slave-regeling voor ontvochtigen en koeling te nemen. Door gebruik te maken van deze regeling kunnen we in deze situatie perfect, met een mengregeling, naast de ruimte-temperatuur ook de relatieve vochtigheid nauwkeurig regelen.

BESLUIT

Het regelen van de ontvochtiging via een koelbatterij met mengregeling levert bij de kleine greenbox zeer goede resultaten qua stabiliteit. Het is bij het uitwerken van de regelstrategie wel zeer belangrijk om te regelen naar de juiste parameters. Bij ontvochtiging is het belangrijk om rekening te houden met de dauwpunttemperatuur om de glycoltemperatuur te regelen. Deze dauwpunttemperatuur moet door de regeling berekend worden uit de gewenste temperatuur en relatieve vochtigheid.

(Indirecte) koeling wordt ook in woon- en kantoorgebouwen steeds belangrijker. Daarom wordt bij VLAIO het TETRA-project ‘Koeling 2.0’ aangevraagd. Met dit onderzoeksproject willen we installateurs, en andere bedrijven die actief zijn in HVAC en klimaatregeling ondersteunen door hen informatie en tools te verschaffen over koellastberekeningen en systeemontwerp.

Meer info: bert.deschutter@thomasmore.be