Das Kollektor-Paradoxon

Kürzlich wurde hier das übliche Messdaten-Update abgefeiert. Die PDF-Messdatendokumentation enthält inzwischen schon fünf komplette Heizsaisonen:

Heizenergien (inkl. Warmwasser), elektrische Energien (inkl. Solepumpe) und die resultierende Arbeitszahl für die bisherigen Saisonen. Zu speziellen Experimenten in jedem Jahr siehe Text des Postings oder das oben verlinkte PDF.

Es wird Zeit, endlich die fundamentalen Fragen der Eisspeicher- und Kollektor-Forschung in Angriff zu nehmen.

Welchen Einfluss hat die Fläche des Kollektors auf die Performance der Anlage?

und

Wie stark ist der Kollektor?

Im Herbst 2014 hatte Chefingenieur dieses Forschungsprojekt gestartet und schnell einmal den Kollektor umgebaut. Nicht nur wegen der Ästhetik der Lärchenholzkonstruktion, sondern um die nutzbare Fläche umschalten zu können – von 12m2 auf 24m :

Kollektorschaltungen

OBEN: Voller Kollektor, Schaltung wie in den Heizsaisonen 2012, 2013 und 2017 (aktuell). UNTEN: Halber Kollektor, verwendet in den Saisonen 2014, 15, und 16.

Nun gilt es, Heizsaisonen zu finden, die sich (fast) nur durch die genutzte Kollektorfläche unterscheiden.

Die Saisonen 2014 und 2016 fallen einmal weg, da die Siedler hier versucht haben, einen riesigen Holzhaufen ökologisch sinnvoll wegzubringen … ein Problem mit dem ein renovierungswürtiger Siedler sich hin und wieder konfrontiert sieht:

Die Siedler vor über eine Dekade – zum Zeitpunkt der größten Zerstörung. Das Bild zeigt einen kleinen Teil des übrigen ‚Brennholzes‘.

So wurde in diesen Saisonen nur das Untergeschoß mit der Wärmepumpe beheizt. Aufgrund des atypischen Kollektorbetriebs während der Eisspeicher-Challenge muss man die Saison 2014 ohnehin aus der Wertung nehmen.

Dann sollte auch der Jahres-Energiebedarf vergleichbar sein: Die kalten Winter 2012 und 2016 fallen damit weg.

Es bleiben die eher wärmeren Saisonen 2013 (ganzer Kollektor) und 2015 (halber Kollektor): Das ganze Haus wurde mit der Wärmepumpe beheizt; Heizenergien und Entzugsenergien waren sehr ähnlich.

Aber der Blick auf die Jahresarbeitszahlen verursachte ein erstes Stirnrunzeln. Die waren praktisch identisch (!). Um eine Tendenz erkennen zu können, musste man tiefer graben und die Eisperioden (Dez/Jan/Feb) vergleichen. Dort erkennt man zwar einen Unterschied, der fällt aber weit geringer aus, als man ihn vielleicht erwarten würde

In der Eisperiode für den halben Kollektor war:

  • die Kollektorernte um ca. 10% niedriger
  • die Arbeitszahl um ca. 0,2 Punkte geringer
  • die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe um ca. 1,5K geringer
Halber-Kollektor-vereist

Der halbe Kollektor in Betrieb.

Die Siedler überprüften Ihre Datenkrake auf Bugs und versuchten alte handschriftliche Notizen zu entziffern. Kann das stimmen?

Aber eigentlich hätte sie es schon lange wissen müssen: Das Orkrakel – ihre Simulation des Wärmepumpensystems hatte diesen Trend vorhergesagt. Aber auch die ersten Berechnungen aus grauer Vorzeit liefern den Schlüssel zur Lösung des Rätsels. So hatten die Siedler doch tatsächlich verdrängt, dass sie sich vor Jahren – vor dem Bau von LEO_2 – schon theoretisch damit beschäftigt hatten, was eine Vergrößerung der Kollektorfläche bringen kann.

Schon damals war ihnen die Bedeutung der Serienschaltung des Kollektors mit dem Wärmetauscher im Eisspeicher bewußt gewesen.

Für the ‚theoretische Abhandlung von Wärmetauschern in Serie‘ muss man eigentlich nur zwei Dinge wissen:

  1. Die Leistung eines Wärmetauschers kann man auf zwei Arten darstellen: Einerseits als proportional zur Differenz der Soletemperaturen beim Ein- und Austritt – und andererseits als proportional zur mittleren Temperaturdifferenz zwischen Sole und dem umgebenden Medium (Luft oder Wasser im Tank).
  2. Wenn man Wärmetauscher in einem Kreis zusammenhängt, sind ihre Leistungen nicht unabhängig, da sie die Temperaturen an den Verbindungspunkten gemeinsam haben.

Wenn die Wärmepumpe nicht läuft, dann müssen Kollektor und Tankwärmetauscher beide genau die gleiche Leistung ‚tauschen‘. Kennt man Luft- und Tanktemperatur, Schlauchlängen und Übertragungsfaktoren – dann kann man die Wärmetauscherleistung ausrechnen.

Das Orkrakel kennt die Leistung der Wärmepumpe und deren Spreizung im Solekreis – und berechnet nach diesen Prinzipien so die Soletemperatur an den interessanten drei Verbindungspunkten im Solekreis:

3-Punkte-Methode - Wärmeaustauscher und Solekreis: Eisspeicher, Wärmepumpe, Kollektor.

Überblick über Wärmeaustauscher und Solekreis. Die drei ‚interessanten‘ Temperaturen im Solekreis, vor/nach Wärmepumpe, Kollektor und Tank können berechnet werden aus der aktuellen Wärmepumpenleistung, Außen- und Tanktemperatur.

Der entscheidende Punkt lässt sich schon erkennen, wenn man den ‚Regenerationsbetrieb‘ ohne Wärmepumpe betrachtet:

Die aktuelle Ernte-Leistung des Kollektors ist proportional zum Temperaturunterschied von Luft und Tank … nicht sehr überraschend! Je wärmer die Luft im Vergleich zum Tank, umso mehr kann man ernten.

Dann spielt die Kombination der Wärmeübertragungseigenschaften der beiden Wärmetauscher eine Rolle: Wie man – eigentlich auch wieder ohne Forschungsprojekt – erwarten hätte könne, ist die übertragene Leistung sehr klein, wenn einer der beiden Wärmetauscher sehr ’schlecht‘ ist im Vergleich zum anderern: Wenn z.B. der Schlauch im Tank unverhältnismäßig kurz wäre, oder wenn statt einem Schlauchkollektor (mit gutem Wärmeübergang durch Konvektion) ein Flachkollektor verwendet würde.

Wenn man in so einem suboptimalen Fall den ohnehin schon viel besseren Wärmetauscher noch besser macht, dann ändert sich nicht viel. Macht man stattdessen den schlechteren besser, sieht man – eh klar – eine deutliche Verbesserung. Haben beide Wärmetauscher Übertragungseigenschaften in der gleichen Größenordnung – wie das die typischer ‚Siedler-Dimensionierung‘ vorsieht, dann kann die Größe oder ‚Stärke‘ jedes Wärmetauschers vergleichsweise deutlich ändern, ohne drastische Auswirkung. Z.B. wird durch Vergrößerung der Kollektorfläche die Leistung besser, aber sie wächst weniger als linear.

Damit ist auch die Frage nach der Stärke des Kollektor beantwortet: Man kann nicht sagen, wieviel ein Kollektor in kW oder in kW pro Fläche bringt, wenn man nicht auch die Eigenschaften des dazugehörigen Wärmetauschers im Tank kennt.

Noch einen subtilen Effekt gilt es zu berücksichtigen: Der halbe Kollektor bringt nun fast die doppelte Leistung pro Fläche. Aber damit alles zusammenpasst, muss nach den genannten ‚Wärmetauschergrundsätzen‘ auch die mittlere Temperaturdifferenz zum umgebenden Medium größer werden: das Produkt aus Fläche und dieser Temperaturdifferenz darf sich ja fast nicht ändern.

Nachdem die Lufttemperatur vorgegeben ist, muss damit die mittlere Soletemperatur sinken und damit sinkt die Arbeitszahl etwas – genau der Effekt, den die Siedler in den Daten für die Eisperioden sehen.

Herbstliche Gewohnheiten (2)

Nachdem eine ungewöhnlich warme erste Septemberhälfte die Siedler mit sommerlichen Temperaturen verwöhnt hatte, begann nun unaufhaltsam der Herbst in Pannonien Einzug zu halten. Bald würde LEO_2 wieder aus seinem Sommerschlaf erwachen, um für die wohlige Temperierung der Siedlerhütte zu sorgen.

2015-2016-herbst

Es wurde herbstlich in z-village …

Alles war vorbereitet:

Routinemäßig hatte Irgendwer eine kleine Sole-Probe gezogen und mit dem Refraktometer den Frostschutz geprüft, der erwartungsgemäß unverändert bei einem Wert von ca. -25°C lag.

2015-2016-refraktometermessung-frostschutz

Der Frostschutz wurde mittels Refraktometer geprüft: OK.

Sicherheitshalber hatte er in diesem Zuge auch gleich ein paar Liter Sole nachgefüllt, denn mit dem Sinken der Temperatur im Solekreis würde auch der Soledruck im Winter wieder ein wenig zurückgehen.

Auch hatte er trotz der warmen September-Temperaturen den Kühlmodus wieder beendet. Aufgrund der kühlen Nächte war es auch nicht mehr notwendig, mit der passiven Kühlung nachzuhelfen. Viel wichtiger war es nun, den Eisspeicher im September auf Maximaltemperatur aufzuladen. – Denn im Herbst standen die ‚fetten‘ Monate mit den höchsten Arbeitszahlen des ganzen Jahres bevor, auf die sich Irgendwer schon insgeheim freute …

Zu Irgendwessen Herbst-Ritualen zählte auch der Rückblick auf das vergangene LEO_2-Jahr, der sich wie folgt darstellte.

Bis auf den Jänner mit zwei Kälteperioden war der Winter 2015/2016 ungewöhnlich mild verlaufen. Der Frühling war aber nur sehr stotternd in die Gänge gekommen.

2015-2016-temperaturen-und-eisbildung-leo_2

Erst im Jänner hatte sich mit einem Maximum von knapp 7m3 nennenswert Eis  im Eisspeicher gebildet, das aber Mitte Februar schon wieder vollständig geschmolzen war.

Das war auch der Grund, warum die Siedlerhütte nur einen vergleichsweise niedrigen Jahres-Gesamtwärmebedarf  von 16.725 kWh (inkl. Warmwasser) gehabt hatte. Bei einer Jahres-Arbeitszahl von knapp 4,6.

2015-2016-leistungsdaten-leo_2

Leistungsdaten 2015/2016 auf die Monate herunter gebrochen: Die höchsten Monats-Arbeitszahlen hatte es naturgemäß in den Herbstmonaten September bis November und dann wieder im Frühjahr (April und Mai) gegeben. Dann, wenn die Wärmequelle relativ warm und die mittlere Vorlauftemperatur der Wärmepumpe relativ niedrig sind …

Obwohl über die gesamte Heizperiode nur die halbe Kollektorfläche genutzt worden war, konnten trotzdem beachtliche 10.484 kWh über den Kollektor geerntet werden – und das vorwiegend in der kalten Jahreshälfte.

2015-2016-kollektorernte-und-heizwaermebedarf-leo_2

Der milde Wetterverlauf hatte sich auch positiv auf die Kollektorernte ausgewirkt …


Weitere Informationen: Details zu den Messdaten der LEO_2 Pilotanlage sind hier zu finden …

Das Eisspeicher-Orakel: Eine Niederlage!

Inzwischen hatte nun doch der Frühling Einzug gehalten…Frühling-2016

Mit ein paar sonnigen Tagen und einer kräftigen Süd-Strömung, die Temperaturen bis 25°C nach Pannonien gebracht hatte, wurde unter vorgehaltener Hand sogar schon vom ‚kleinen Sommer‘ gesprochen …

Damit war nun (endlich) auch die Eisspeichertemperatur rasch angestiegen und hatte damit den ‚Eisspeicher-Frühling‘ markiert. – Leider um etwa 3 Wochen später, als vom ‚Eisspeicher-Orakel‚ ursprünglich angekündigt…

LEO_2-Orakel-2016: Ist

Eine Niederlage für das Eisspeicher-Orakel: Zwischen vorausgesagtem (rot gepunktete Linie) und tatsächlichem (grün gepunktete Linie) ‚Eisspeicher-Frühling‘ lagen in diesem Jahr nun doch ca. 3 Wochen…

Irgendwer war versucht gewesen, dem ungewöhnlich kühl verlaufenen März die Schuld dafür zu geben, aber ein Blick auf die pannonischen Klimadaten belehrten ihn schnell eines Besseren! Denn der März war nach einem generell warmen Winter und einem extrem milden Februar einfach nur normal gewesen! Ohne große Abweichungen nach oben oder unten. Wie schnell sich doch die subjektive Empfindung von ’normal‘ ändert …

Wenn man einen Blick auf die Messdaten von LEO_2 warf, spiegelten diese den insgesamt zu milden Wetterverlauf der letzten Monate wider. Einzig der Jänner hatte mit seinen zwei Kälteperioden das Attribut ‚Winter‘ wirklich verdient und zu nennenswert Eis im Eisspeicher geführt. Die mittlere Außentemperatur und der Heizwärmebedarf im zu milden Februar und im normalen März waren praktisch identisch.

EO_2-Leistungsdaten-2015-2016

Leistungsdaten der LEO_2 Pilotanlage: Die Wärmeenergie für Heizung und Warmwasser (rot) waren im milden Februar und im normalen März praktisch identisch. Die Arbeitszahl (grün) war aufgrund der schon höheren Eisspeichertemperaturen im März höher.

Jenseits von Pannonien: Die Stunde des Wissenschaftsoffiziers

Wie schnell doch die Zeit vergeht! Ja, es war wirklich schon wieder über ein Jahr her, seit die Bewohner in die Siedlerhütte jenseits von Pannonien eingezogen waren und LEO_2 dort verlässlich für wohlige Wärme sorgte.

Jenseits von Pannonien - Kollektor

Seit über einem Jahr schon wärmte LEO_2 die Bewohner dieser Siedlerhütte jenseits von Pannonien…

Über den Fernwartungszugang hatte Irgendwer zwar immer wieder einen Blick auf den aktuellen Zustand des Wärmepumpensystems geworfen, aber abgesehen davon interessierte ihn inzwischen vielmehr die langfristige Performance der Anlage.

Das erforderte eine eingehende Analyse der laufend aufgezeichneten Monitoring-Daten, was ja prinzipiell keine unbekannte Aufgabe war. In diesem Fall hatte das aber den kleinen aber nicht unwesentlichen Haken, dass die manuelle Ablesung von Zählerständen aus der Entfernung nicht wirklich möglich war. Dadurch fehlten zwei entscheidende Messpunkte zur Bestimmung der Arbeitszahl, nämlich (1) die von der Wärmepumpe erzeugte Wärmeenergie (Ablesen des Wärmemengenzählers der Wärmepumpe) und (2) die von der Wärmepumpe benötigte elektrischen Energie (Ablesen des Stromzählers).

Wie konnte man aber trotzdem aus den automatisch erfassten Monitoring-Daten die Arbeitszahl der Wärmepumpe ermitteln? – Das war eindeutig ein Fall für das El(k)ement, das mit List und Heldenmut auch schon die scheinbar unbezwingbare hauseigene Datenkrake niedergerungen hatte.

JVP-Wärmepumpen-Temperaturen

Die Sole-Eintrittstemperatur und die Wärmepumpen-Vorlauftemperatur wurden jenseits von Pannonien in einem Intervall von ca. 1 Minute permanent aufgezeichnet. Aufgrund einer technischen Panne stehen für den Zeitraum zwischen Mitte August und Mitte Oktober 2015 leider keine Monitoring Daten zur Verfügung.

Nachdem sich das El(k)ement versichert hatte, dass die Messpunkte ‚Wärmepumpen-Vorlauftemperatur‚ und ‚Sole-Eintrittstemperatur‚ in den Monitoring Daten vorhanden waren, verschwand es siegessicher hinter seinem Bildschirm. Dann hörte Irgendwer nur noch das Klappern der Tastatur, gemischt mit einem unverständlichen Programmier-Kauderwelsch und schließlich ein triumphierendes Ha!. – Das untrügliche Zeichen, dass der Wissenschaftsoffizier wieder eines seiner berühmt-berüchtigten ‚Excel-Tools‘ vollendet hatte …

‚Schau her! Ganz einfach …‘

wurde Irgendwem erklärt,

‚Durch einen Polynom-Fit der technischen Daten der Wärmepumpe aus dem Handbuch habe ich die Wärmeleistung, die elektrische Leistungsaufnahme und die Leistungszahl der Wärmepumpe als Funktion der Sole-Eintrittstemperatur und der Wärmepumpen-Vorlauftemperatur ermittelt …‘

Die weiteren Details, die sich Irgendwer geduldig und anerkennend anhörte, sollen dem Leser an dieser Stelle erspart bleiben …

Technische Daten Wärmepumpe

Im Handbuch der Sole-Wasser Wärmepumpe fand das El(k)ement diese technischen Daten in Abhängigkeit von der Sole-Eintrittstemperatur: Die elektrische Leistungsaufnahme (P.EL), die Heizleistung (P.HZ) und die Leistungszahl (LZ). Die Farben kennzeichnen unterschiedliche Wärmepumpen-Vorlauftemperaturen.

Was Irgendwen aber letztlich vollständig von den theoretischen Berechnungen überzeugte, war die überraschend gute Übereinstimmung mit den praktischen Messungen, die das El(k)ement kurzerhand schon an den eigenen Messdaten verifiziert hatte.

Und so konnte Irgendwer schließlich zufrieden auf die Performance-Daten von LEO_2 (‚Jenseits von Pannonien‘) blicken:

JVP-Leistungsdaten-LEO_2

Theoretisch berechnete Leistungsdaten aus tatsächlich gemessenen Temperaturen (Sole-Eintrittstemperatur, Wärmepumpen-Vorlauftemperatur).  Aufgrund der Lücke in den Messdaten-Aufzeichnungen fehlt der September 2015 vollständig. Die Werte für August und Oktober wurden beruhend auf den teilweise vorhandenen Daten ermittelt.

Hundstage

Jetzt war es amtlich. Pannonien und Umgebung hatte soeben den wärmsten Juli der Messgeschichte erlebt. Eine besondere Herausforderung waren die teilweise extrem warmen Nächte gewesen, in denen die Temperaturen kaum unter 25°C gesunken waren.

Hundstage

Hundstage …

Bei diesen tropischen Bedingungen, war es eine Wohltat auf die passive Kühlung von LEO_2 zurückgreifen zu können. Nur so war es Irgendwem gelungen, die Raumtemperatur in der Siedlerhütte auf einem erträglichen Niveau zu halten.

Mit den Erfahrungen der letzten Jahre hatte Irgendwer seine Kühlstrategie weiter verfeinert:

Eisspeichertemperatur. Dieses Jahr hatte er die Erwärmung des Eisspeichers nach der Eisperiode bereits Anfang April bei 8°C gestoppt. Seit Anfang Mai war der Kollektor praktisch arbeitslos und wurde fallweise nur noch zur Kühlung des Eisspeichers eingesetzt – sofern die Außentemperaturen niedrig genug dafür waren.

Hundstage: Temperaturen & Arbeitszahl

Obwohl Irgendwer die Temperatur des Eisspeichers nach der Eisperiode auf 8°C bergrenzt hatte (roter Pfeil), war der Kühlvorrat nach 3 Hitzeperioden (grüne Pfeile) nun fast erschöpft. Dafür war aber – mit der schrittweisen Erwärmung des Eisspeichers – auch die Arbeitszahl wieder gestiegen.

Sein Kummer über die dadurch etwas geringere Arbeitszahl bei der Warmwasserbereitung war mit dem Fortschreiten des Jahres sehr rasch der Freude über den größeren Kühlvorrat gewichen. – Mehr noch, er hatte sich für das nächste Jahr schon vorgenommen, die Erwärmung des Eisspeichers nach dem Winter noch früher zu stoppen oder sogar etwas Eis übrig zu lassen …

Raumtemperatur. Da die Siedler sommerliche Raumtemperaturen bis zu 25°C noch als durchaus akzeptabel empfinden, hatten sie in der Regelung festgelegt, dass die Kühlung erst ab einer Raumtemperatur von 24°C aktiviert wurde. Das verhinderte einen unnötigen Verbrauch des Kühlvorrates, der dann dafür für die wirklich heißen Tage zur Verfügung stand.

Warmwasserbereitung. Die Zeitintervalle für die Warmwasserbereitung hatte Irgendwer inzwischen auf Zeiten mit ausreichender Sonnenstrahlung gelegt, womit er zwei Fliegen mit einer Klappe erschlug: (1) konnte der Photovoltaikstrom optimal ausgenutzt werden und (2) fiel die zusätzliche Kühlung durch die Wärmepumpe dann in die warme Tageszeit (genau dort wo sie auch gebraucht wurde).

Kühlstrategie

Die blaue Linie zeigt, mit welcher Leistung der Pufferspeicher (aus dem der Heiz-/Kühlkreis gespeist wird) gekühlt wird. Die passive Kühlung lieferte bei den Bedingungen am 21./22.07.2015 ca. 1 kW Kühlleistung wodurch der Anstieg der Raumtemperatur gebremst (aber nicht gestoppt) wurde. Wenn die Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung lief (blaue Pfeile) stieg die Kühlleistung auf ca. 4 kW. Für das tatsächliche Absenken der Raumtemperatur war das nächtliche Lüften zusätzlich zur passiven Kühlung aber unerlässlich.

Lüftung. Die nächtliche Lüftung war ein wesentlicher Bestandteil der Kühlstrategie. Sie entlastete die LEO_2-Kühlung, die während der Nacht per Zeitschaltuhr deaktiviert war, und schonte damit den Kühlvorrat.

Lüften während der Nacht

Kurz vor Sonnenaufgang war die Luft am kühlsten. Gleich nach dem Aufstehen wurden die Fenster geschlossen. Denn bereits um 8 Uhr betrug die Außentemperatur an manchen dieser Hundstage schon wieder um die 30°C.

Und die bei Tag aktivierten Schutzschilde waren ohnehin selbstverständlich …

Sonnenschutz bei Tag

Sonnenstrahlung: Was für die Photovoltaikanlage ein Segen war, war für das angenehme Raumklima im Sommer absolut kontraproduktiv. Daher war es unverzichtbar, die Schutzschilde (wie die Markisetten von den Siedlern genannt wurden) auszufahren.

Efficiency follows comfort

Obwohl sich der Mai mit ein paar kalten Tagen in sprichwörtlich erfrischender Weise vom durchwegs zu warmen Winter distanzierte, hatte sich LEO_2 inzwischen wieder in den Sommerschlaf begeben. Die Heizkreise standen (fast) still. Nur wenn Warmwasser benötigt wurde, gab LEO_2 mit einem kurzen Pulsschlag noch ein Lebenszeichen von sich.

Herzschlag-LEO_2-Warmwasser

LEO_2 im Sommerbetrieb (Warmwasserbereitung): Der Anstieg der Vorlauftemperatur (rot) zeigt an, wann die Wärmepumpe läuft. Die grün gepunktete Line ist die Temperatur im unteren Bereich des Hygienespeichers.

Genau genommen waren es eigentlich genau zwei Pulsschläge pro Tag, wobei der eine am Nachmittag noch ein wenig kräftiger ausfiel als jener am Vormittag. Und das war nicht zufällig so, sondern das Ergebnis langjähriger Warmwasser-Effizienz-Forschung in Abstimmung mit den Lebensgewohnheiten und Komfortbedürfnissen der Siedler. Immer unter strenger Berücksichtigung des Grundprinzips:

‚Efficiency follows comfort‘

das sich Irgendwer in Anlehnung an das Designprinzip ‚Form follows function‘ zu eigen gemacht hatte.

Denn Effizienz und Komfort mussten sich nicht unbedingt ausschließen. Wenn die Anforderungen an den Komfort einmal festgelegt waren, bot LEO_2 diverse Möglichkeiten, die notwendige Warmwassermenge und Temperatur in möglichst effizienter Weise bereitzustellen:

Warmwassertemperatur. Die Warmwassertemperatur hat bei jedem Wärmepumpensystem einen empfindlichen Einfluss auf die Leistungszahl der Wärmepumpe. Jedes Grad, das das Wasser über die nötige Temperatur hinaus erwärmt wird, senkt die Effizienz ohne zusätzlichen Komfortgewinn.

Temperaturen und Tagesarbeitszahl

Im reinen Warmwasserbetrieb (hellblauer Bereich) steigt die mittlere Vorlauftemperatur der Wärmepumpe auf ca. 47°C, die Soleeintrittstemperatur von ca. 8°C hängt mit der absichtlich begrenzten Eisspeichertemperatur zusammen. Zusammen ergibt das immer noch eine Arbeitszahl für die Warmwasserbereitung von ca. 4.

Eisspeichertemperatur. Neben der Warmwassertemperatur ist die Temperatur der Wärmequelle der zweite Parameter, der die Leistungszahl der Wärmepumpe direkt beeinflusst. Wenn der Kollektor permanent zugeschaltet gewesen wäre, hätte die Eisspeichertemperatur wahrscheinlich schon im April die maximale – nur durch die Einsatzgrenze der Wärmepumpe begrenzte – Marke von 20°C erreicht. Die Siedler setzten aber auf passive Kühlung im Sommer und hatten daher als Kompromiss zwischen Wärmepumpeneffizienz und Kühlvorrat die Temperatur des Eisspeichers mit 8°C begrenzt.

Die Wärmepumpe arbeitete so gesehen also gleichzeitig als Warmwasserbereiter und Eisspeicherkühlung.

Speicherverluste. Je höher die Temperatur des Warmwasserspeichers, umso höher der Verlust der erzeugten Wärme an die unmittelbare Umgebung. Warmes Wasser sollte also möglichst unmittelbar nach der Erzeugung verbraucht werden. Bei längeren Standzeiten ohne Warmwasserentnahme (z.B. über Nacht) sollte die Speichertemperatur nicht unnötig hoch gehalten werden. Daher ist auch das ‚Dahinwärmen‘ des Warmwassers bei einer hohen Speichertemperatur zweifach ineffizient: (1) höhere Speicherverluste und (2) geringere Leistungszahl der Wärmepumpe.

Hygienespeicher

Selbst bei guter Isolierung verliert der Hygienespeicher laufend Energie an die Umgebung: umso mehr, je höher die Warmwassertemperatur.

Photovoltaikstrom. Neuerdings galt es ja noch einen weiteren Aspekt zu berücksichtigen: die Photovoltaikanlage am Dach der Siedlerhütte. Von einem schnöden Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit betrachtet, war es nämlich besonders wichtig, möglichst viel von dem selbst erzeugten Strom auch selbst zu verbrauchen. Die Wärmepumpe sollte daher zu Tageszeiten laufen, zu denen genügend PV-Strom zur Verfügung stand.

PV-Anlage-Leistung-Tageszeit

PV-Leistung an einem sonnigen Tag im Mai. Für die Warmwasserbereitung benötigt die Wärmepumpe der Siedler etwas mehr als 2 kW. Daraus ergibt sich das eingezeichnete Zeitfenster für den Betrieb der Wärmepumpe.

Zeitprogramm. Aus diesen Überlegungen hatte sich das folgende recht einfache Zeitprogramm für die Warmwasserbereitung ergeben, das den sommerlichen Pulsschlag von LEO_2 erklärte:

  • 09:00 – 10:00: Zeitfenster für Aufheizen auf 47°C (reduzierter Warmwasserbedarf über den Tag)
  • 16:00 – 17:00: Zeitfenster für Aufheizen auf 50°C (Vorbereitung für eine genussvolle Siedlerdusche nach vollbrachtem Tagwerk)

Und für Abweichungen vom geregelten Siedler-Alltag gab es – Danke, UVR1611! – ja immer noch einen Knopf in der Regelung ‚Einmaliges Laden starten‚, mit dem der Hygienespeicher jederzeit kurzfristig auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden konnte …

UVR1611-Einmaliges Laden

Wenn alle Stricke reißen: Einmaliges Laden starten.

Die Eisspeicher-Challenge: Tag 68

„Wie gewonnen so zerronnen…“

Im wahrsten Sinne des Wortes war der Eiswürfel inzwischen wieder vollständig dahingeschmolzen. Wobei – genau genommen – das Auftauen nur etwa halb soviel Zeit wie das Gefrieren in Anspruch genommen hatte.

Eisspeicher-Challenge: Eisvolumen und Energievorrat

Zeitlicher Verlauf des Eisvolumes und des entsprechenden verbleibenden Energievorrates im Eisspeicher.

Kaum hatte Irgendwer den Kollektor wieder zugeschaltet, war die Solepumpe fast pausenlos gelaufen, um Umweltenergie über den Kollektor in den Eisspeicher zu pumpen. Während durch das Schmelzen von Eis zu Wasser der Wasserspiegel in den eisfreien Bereichen rasch wieder sank, wurde der obere Teil des ‚Eiswürfels‘ sichtbar und erhob sich wie eine Klippe über das Eismeer.

Eisklippe-im-Eisspeicher

Der Eiswürfel war nicht wirklich ein Würfel, sondern ein bizarres Gebilde, das durch den Verlauf der Wärmetauscherschläuche im Eisspeicher bestimmt war. Nur das oberste Ende wurde durch den sinkenden Wasserspiegel erkennbar …

Obwohl zu dieser Jahreszeit immer noch Umweltenergie für das Heizen der Siedlerhütte benötigt wurde, blieb von der Kollektorernte trotzdem mehr als genug, um das Eis rasch wieder aufzutauen.

Eisspeicher-Challenge: Kollektorernte und Heizwärmebedarf

Beim Auftauen des vereisten Eisspeichers arbeitete der Kollektor besonders effektiv: (1) konnte der Eisspeicher durch das schmelzende Eis extrem viel Energie aufnehmen und (2) war die Soletemperatur ausreichend gering, sodass auch bei niedrigen Außentemperaturen viel Umweltenergie geerntet werden konnte.

Was Irgendwen zusätzlich begeisterte, war die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe. Diese war während der Gefrier-Phase kontinuierlich gesunken, aber mit dem Zuschalten des Kollektors sofort wieder sprunghaft angestiegen – und damit die Arbeitszahl der Wärmepumpe.

Eisspeicher-Challenge: Soletemperatur und Arbeitszahl

Mit dem Beginn der Auftauphase stieg die Eintrittstemperatur der Sole in die Wärmepumpe (und damit die Arbeitszahl) sprunghaft an, obwohl der Eisspeicher noch zu einem großen Teil vereist war.

Denn der besondere Verlauf des Solekreises von LEO_2, der vom Kollektor zuerst in den Eisspeicher und dann in die Wärmepumpe führte, nutzte die Umweltenergie optimal aus:

  • mit erster Priorität wurde durch das Schmelzen des Eises der Energievorrat und damit die Reichweite des Eisspeichers erhöht
  • danach war die Sole immer noch ‚warm‘ genug, um die Arbeitszahl der Wärmepumpe deutlich zu erhöhen.
Packeis im Eisspeicher

Eisspeicher-on-the-Rocks: Während der letzten Eistage trieben Eisschollen und Eisberge im Eisspeicher. Pinguine oder Eisbären wurden aber keine gesichtet …

Die Eisspeicher-Challenge in Zahlen:

  • Kollektor AUS (Beginn ‚Eiswürfelbildung‘): 01.02.2015
  • Dauer ‚Eiswürfelbildung‘: 46 Tage
  • Entzugsenergie während der ‚Eiswürfelbildung‘: ca. 2.860 kWh, davon
    • ca. 1.400 kWh aus dem Gefrieren von ca.15 m3 Wasser (latente Wärme)
    • ca. 1.460 kWh aus Abkühlung / Gefrieren der Eisspeicherumgebung
  • Maximales Eisvolumen: 16,5 m3 (entspricht 15 m3 Wasser)
  • Beginn ‚Auftauen‘: 19.03.2015
  • Dauer ‚Auftauen‘: 22 Tage
  • Kollektorernte während ‚Auftauen‘: ca. 2.685 kWh, davon:
    • ca. 1.125 kWh direkt verheizt (= Entzugsenergie während ‚Auftauen‘):
    • ca. 1.400 kWh zum Schmelzen des Eiswürfels (latente Wärme)
    • ca. 160 kWh zur Erwärmung von Eisspeicher (+ Umgebung)
  • Ende ‚Auftauen‘: 09.04.2015

— ENDE —