Psychrometrie in der Landwirtschaft: Gewächshaus, Getreidelager, Trocknung

Jede landwirtschaftliche Entscheidung, die die Luft betrifft, ob es um die Lüftung des Gewächshauses, den Erntezeitpunkt, die Einstellung des Trockners oder die Bedingungen im Getreidesilo geht, hat eine psychrometrische Grundlage. Zu feuchte Luft verursacht Schimmel, zu trockene schadet den Pflanzen oder lässt das Produkt reißen. Der Unterschied zur Industrie liegt im Sorptionsverhalten biologischer Materialien, denn Getreide, Obst oder Holz nehmen Feuchte aktiv auf und geben sie wieder ab, je nach Gleichgewicht mit der umgebenden Luft.

Transpiration der Pflanzen und Feuchte im Gewächshaus

Pflanzen geben über die Blätter Wasserdampf durch den Prozess der Transpiration ab. Ihre Intensität hängt vom Sättigungsdefizit der Luft (VPD – Vapour Pressure Deficit) ab, also von der Differenz zwischen dem Sättigungsdampfdruck bei der Blatttemperatur und dem tatsächlichen Dampfpartialdruck in der Luft:

$$\text{VPD} = p_{ws}(T_{\text{Blatt}}) - p_w(\text{Luft})$$

Ein hohes VPD (trockene Luft) verursacht eine intensive Transpiration, das Schließen der Spaltöffnungen und Pflanzenstress. Ein niedriges VPD (feuchte Luft) begrenzt die Transpiration, fördert aber Pilzkrankheiten (Grauschimmel). Das Optimum des VPD für die meisten Gemüse und Blumen liegt bei etwa 0,5–1,3 kPa, also ungefähr 20–26 °C / 60–75 % r. F. Jedem VPD-Wert entspricht im h,x-Diagramm eine bestimmte Kombination aus Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit.

Gleichgewichtsfeuchte (EMC) und wann Getreide aufhört zu trocknen

Ein landwirtschaftliches Produkt tauscht Feuchte mit der Luft aus, bis es die Gleichgewichtsfeuchte (EMC – Equilibrium Moisture Content) erreicht – die Materialfeuchte, bei der der Dampfpartialdruck im Material gleich dem Druck in der Luft ist und der Austausch aufhört. Die EMC hängt von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit ab und wird durch Sorptionsisothermen beschrieben. Der Standard ASABE D245.6 enthält Isothermen für 40 Erzeugnisse. Beispiel für Weizen: Bei 20 °C und 65 % r. F. beträgt die EMC etwa 13 % (auf Feuchtbasis), was einer sicheren Lagerfeuchte entspricht.

Sichere Lagerfeuchte von Getreide

Getreide, das feuchter gelagert wird als die gegen mikrobielles Wachstum sichere Gleichgewichtsfeuchte, verdirbt schnell:

• Kurzzeitlagerung (bis 6 Monate): Weizen < 14 %, Mais < 14 %, Sonnenblumen < 9 % (wb)
• Langzeitlagerung (über den Winter): Weizen < 13 %, Mais < 13 % (wb)

Diese Werte entsprechen einer Luftfeuchtigkeit von etwa 60–65 % bei 15–20 °C. Moderne Silos sind daher mit einer geregelten Lüftung ausgestattet und gelüftet wird nur dann, wenn die Luft trockener als das Getreide ist, eine Entscheidung, die sich nur mit psychrometrischen Daten treffen lässt.

Nachernte-Trocknung von Getreide im h,x-Diagramm

Geernteter Mais hat eine Feuchte von 25–30 % (wb) und muss für die sichere Einlagerung auf 13–14 % sinken. Trocknungsluft: typischerweise 80–100 °C, r. F. am Eintritt < 5 %.

Menge des aus 1 t Mais zu verdunstenden Wassers (von 27 % auf 14 % wb):

$$m_{\text{Wasser}} = 1000 \cdot \frac{0{,}27 - 0{,}14}{1 - 0{,}14} \approx 151\ \text{kg Wasser/t}$$

Erforderliche Luftmenge bei $\Delta x = 18 - 2 = 16\ \text{g/kg}$:

$$m_{\text{Luft}} = \frac{151}{0{,}016} \approx 9\,440\ \text{kg Luft/t}$$

Leistung des Erhitzers bei 8-stündiger Trocknung und $\Delta h \approx 80\ \text{kJ/kg}$: $\Phi \approx 26\ \text{kW}$ je Tonne Mais und Stunde. (Die genauen Werte von EMC und $\Delta h$ hängen von der Sorte ab, prüfen Sie sie daher in ASABE D245.6 oder beim Hersteller des Trockners.) Die Prinzipien sind dieselben wie bei der industriellen Trocknung.

Gewächshaussysteme und ihre Lüftung vs. Kühlung

Im Gewächshaus erzeugt die Sonne enorme Wärmegewinne, weshalb die Temperatur im Sommer ohne Kühlung auf 50–60 °C steigen kann. Die natürliche Lüftung (Seiten- und Dachfenster) ist die günstigste Lösung, reicht aber bei einer Außentemperatur über 30 °C nicht aus. Die Verdunstungskühlung (poröses Paneel und Ventilator) ist für Gewächshäuser verbreitet. Im Prinzip verdunstet Wasser an einem Zellulosepaneel, die Luft kühlt sich ab und befeuchtet sich entlang der Isenthalpe. Wirksam in trockenem Klima, weniger im mitteleuropäischen Sommer mit höherer Eintritts-r. F. Ausführlich im Beitrag Verdunstungskühlung.

Häufige Fragen

Was ist das VPD und warum ist es für den Gärtner wichtiger als die relative Luftfeuchtigkeit? Das VPD ist die Differenz zwischen dem Sättigungs- und dem tatsächlichen Dampfdruck, also die „Saugkraft” der Luft für das Wasser aus den Blättern. Es steuert die Transpiration unmittelbar, während die relative Luftfeuchtigkeit ohne die Blatttemperatur mehrdeutig ist.

Woran erkenne ich, wann es sicher ist, ein Getreidelager zu lüften? Wenn die Außenluft (oder die eingeblasene Luft) im Gleichgewicht mit einer niedrigeren Feuchte als der des Getreides ist – wenn also ihre EMC niedriger als die aktuelle Kornfeuchte ist. Das ermittelt man aus Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit mithilfe der Sorptionsisothermen.

Unterscheidet sich die Getreidetrocknung von der industriellen Holztrocknung? Physikalisch nicht – es sind dieselben psychrometrischen Beziehungen. Es unterscheiden sich die Temperaturen, die Trocknungsgeschwindigkeit und die Empfindlichkeit des Produkts gegenüber Rissen oder dem Verlust der Keimfähigkeit.