Hauptversuch Basilikum

Versuchsplanung

Für den Versuch wurde sich für eine Basilikumpflanze (Lat. Ocimum basilicum) entschieden. Diese Pflanze braucht nach Aussage des Verkäufers sehr viel Wasser. Somit wird im Versuch auch mit vielen Bewässerungszyklen zur Auswertung gerechnet. Es wurden vier etwa gleich große Exemplare gekauft und zwei ins Gewächshaus eingebracht. Die anderen beiden Pflanzen werden neben dem Treibhaus aufgestellt und nach „gut Dünken“ bewässert. Somit können nun Vergleichswerte zwischen den beiden Bewässerungsmethoden (Bodenschalen und Ringtropf) als auch zwischen einer Hand- und automatisierten Bewässerung erfasst und ausgewertet werden. Die Dauer des Versuches ist auf zwei Wochen in den Schulferien festgelegt, damit das Laborgewächshaus mit seiner Automatisierung aus sicherheitstechnischen Gründen unter Beobachtung steht.

Energieverbräuche der Steuerung, Sensoren und Aktoren

Die unterschiedlichen Leistungsaufnahmen der einzelnen Aktoren und der Gesamtsteuerung wurden mit einem Verbrauchsmessgerät ermittelt und als Grundalge für die Kostenanalyse verwendet.

Geräte 230V AC
Lüfter1           7W
Heizung   1630W
UV-Lamoe   16W
IR-Lamoe     87W

Geräte 12V DC
Fenstermotor    16W
Lüfter2               2W
Lüfter3               3W
Pumpe              33W

Geräte 24V DC
Kleinsteuerung     13W

Erfassung von Vergleichswerten bei Bewässerung

Um die Messwerte zu erfassen, wurde das Standardprogramm um eine Betriebsdatenerfassung erweitert und folgende Register programmiert. Ebenso kommen neue Programmfunktionen zum Ablesen der Messwerte hinzu. Die Einstellung für Tag 13h und Nacht 11h angenommen und eingestellt:

Register für Tag	Register für Nacht
Zeitzähler Ring-Tropf-Bewässerung	Zeitzähler Ring-Tropf-Bewässerung
Zeitzähler Topfschalen-Bewässerung	Zeitzähler Topfschalen-Bewässerung
Zeitzähler Heizung	Zeitzähler Heizung
Zeitzähler UV-Licht	Zeitzähler UV-Licht
Zeitzähler IR-Licht	Zeitzähler IR-Licht

Die Kennzahlen werden täglich aufsummiert und in einen internem Speicher abgelegt. Diese werden dann jeweils am nächsten Tag abgelesen und in eine Excel-Tabelle eingetragen und ausgewertet. In der Nacht um 24:00 Uhr werden die aktuellen Betriebsdaten in den Speicher gelegt und den aktuellen Wert wieder auf null gesetzt. Die Daten von vorgestern werden von den Daten von gestern überschrieben.

Datenauswertung der Energieverbräuche

Folgende Auswertungen wurden über den zweiwöchigen Optimie-rungsversuch ermittelt. Die einzelnen Verbräuche der Aktoren werden mit einem Wert von 0,25€/kWh multipliziert. So können auch die Stromkosten ermittelt werden. Die Kosten für den Versuchszeitraum betragen somit gerade mal 1,15€. Da der Versuch in den Sommermonaten stattfand, sind entsprechend keine Kosten für Heizung angefallen. Diese würden natürlich in der Heizperiode deutlich höhere Kosten verursachen. Hier soll das Prinzip der Datenanalyse durch die Betriebsdatenerfassung verdeutlicht werden.

Datenauswertung der Wasserverbräuche für den Versuchszeitraum

Da die Fördermengen pro Sekunde der Pumpe durch Versuche ermittelt wurden, wird in der Berechnung nun das Spendevolumen mit der Zeit des Spendezykluses multipliziert und in die Tabelle eingetragen und in einem Diagramm zusammen mit dem Wetter dargestellt. 

Auswertung Bodenschalenbewässerung

Der Versuch hat zum einem gezeigt, das an wärmeren Tagen die Pflanze mehr Wasser verbraucht. Die Temperaturen lagen im Durchschnitt bei 21°C bis 26°C. Somit wurde 636 ml in 14 Tagen verbraucht bei einem Durchschnitt von ca. 23 ml pro Tag. Die Verdunstung in der Schale war überwiegend konstant anzusehen. Warum die Pflanze bei einigen Tagen nachts kein Wasser angefordert hat, ist noch nicht plausibel erklärbar. Die Temperatur sowie die unterschiedliche wetterabhängige Sonneneinstrahlung haben ggf. einen Einfluss auf die Fördermenge. Diese wiederum hat mit der von uns festgelegte Zuordnung des Zählrhythmuses für Tag und Nacht eine Auswirkung auf die Auswertungsmethode und somit auf die Auswertungsergebnisse.

Eine andere Pflanze wurde parallel vor dem Gewächshaus herkömmlich mit einer Gießkanne nach „Gutdünken“ durch eine andere Person gegossen und ebenfalls die Mengen notiert. Diese Gießkannenmethode verbrauchte für den gleichen Zeitraum bei gleichen Licht- und Temperaturenverhältnissen 950 ml. Das bedeutet eine Einsparung von Wasser von ca. 30% durch die Automatisierung.

Auswertung Ringtropfbewässerung

In diesem Versuch wurden die Sensorelektroden (vergoldete Kupferelektrode) waagerecht durch den Blumentopf von außen in die Erde gesteckt. Die Auswertung in Bezug auf die Regelbarkeit lieferte leider nicht so gute Ergebnisse. Nach sieben Tagen ist das Elektrodenpaar oxidiert bzw. begann sich aufzulösen (ebenso wie zuvor die original mitgelieferten Zinn-Kupfer-Elektroden.

Im Blumentopf befand sich im Wurzelbereich schon beim Kauf Düngergranulat. Durch die Feuchtigkeit und den sich auflösenden Salzen im Dünger veränderte sich der elektrische Leitwiderstand der Pflanzerde. Durch den sich ständig variierenden Widerstand der Erde konnte mit einem fest eingestellten Schwellwert in der Platinenschaltung nicht mehr eine stabile Regelung sichergestellt werden. Ebenso wurde durch den ständigen Stromfluss der elektrochemische Prozess der Pflanze selbst beeinflusst und ggf. gestört. Durch Strom, Salze und Wasser entstand ein galvanischer Prozess, der die Metallelektroden entsprechend auflöste. Es wird auch angenommen, dass Kupferelektroden selbst zwischen den Polen durch den Wurzelbund wanderten und die Pflanze somit schädigten. Dieses zeigte sich durch das fast komplette Auflösen einer Elektrodenseite. Die Elektroden wurden dann gegen ein neues Paar ausgetauscht, die ebenfalls nach kurzer Zeit begannen sich aufzulösen, und so wieder keine befriedigenden Regelergebnisse lieferten. Auch der Austausch nach 5 Tagen durch Lötstifte (CuZn verzinnt) haben leider die letzten drei Tage ebenfalls keine Ergebnisse geliefert. Auch die Zinn-Schicht begann sich leicht zu lösen.

Eine andere Pflanze wurde ebenfalls parallel vor dem Gewächshaus herkömmlich mit einer Gießkanne nach „Gutdünken“ durch eine andere Person gegossen und ebenfalls die Mengen notiert. Diese Gießkannenmethode verbrauchte für den gleichen Zeitraum bei gleichen Licht- und Temperaturenverhältnissen 1140 ml. Der ausgewertete automatisierte Wasserverbrauch liegt hingegen bei 667 ml. Da der Versuch durch den Austausch der Elektroden nicht valide genug ist, kann entsprechend kein Einsparpotential angegeben werden. Der Teilversuch muss unter ähnlichen Bedingungen wiederholt werden.

Diskussion

Bei der Bodenschalenbewässerung ist anzumerken, dass diese Regelungsmethode recht stabil funktioniert. Viele Hobbygärtner bestätigen, da sie am häufigsten von unten gießen und damit gute Ergebnisse erzielen. Um die Verdunstungsmenge weiter zu minimieren, wäre hier noch eine zusätzliche Manschette zwischen Topf und Schale als Verbesserung anzubringen.

Bei der Ringtropfbewässerung ist dringend anzumerken, dass Versuche mit anderen Elektrodenmaterialien eingehender angestellt werden müssen. Das Mineral Grafit könnte eine gute Lösung sein. Da Versuche mit Pflanzen stattfinden, dauern diese naturgemäß entsprechend länger und könnten in einen eigenen Jugendforscht-Projekt im nächsten Jahr durchgeführt werden. Ein anderes Projekt könnte die Entwicklung einer indirekten Feuchtigkeitsmessung für die Pflanzerde sein, um das Problem des elektrochemischen Prozesses der Pflanze zu umgehen. Als erste Reaktion auf diese Probleme bei der Feuchtigkeitsmessung der Blumenerde ist das Programm auf eine Intervallmessung umgestellt worden. In einem Intervall von 10 Minuten wird jeweils nur für 5 Sekunden der Sensor aktiv geschaltet. Dadurch ist eine Dauerbestromung der Pflanze vermieden und die Elektrode hat auch eine erheblich höhere Lebensdauer.