Das Besondere an LEO_2: (4) Ein Eldorado für Selbermacher

Irgendwer ärgerte sich lieber über seine eigenen Fehler, als über die von hochbezahlten Professionisten. Daher hatte er das Wärmepumpensystem LEO_2 auch so ausgetüftelt, dass er es mit seinem durchschnittlichen handwerklichen Geschick und der begrenzten Ausstattung seiner Erfinderwerkstatt soweit wie möglich selbst zusammenbauen konnte.

Die Kappsäge - unverzichtbares Werkzeug für jeden LEO_2 Bauer

Die Kappsäge – unverzichtbares Universal-Werkzeug in Irgendwessen Erfinderwerkstatt. Sei es zum Zuschneiden von Zaunlatten oder PVC-Rohren …

Und was waren das nun für Eigenschaften, die den Eigenbau vergleichsweise einfach machten?

Standardkomponenten. Alle Teile, die für LEO_2 benötigt werden, sind als bewährte Standardkomponenten am Markt erhältlich. Die meisten können sogar in Online-Shops über das Internet bestellt werden.

Standardwerkzeug. Man benötigt kein teures Spezialwerkzeug zum Bau von LEO_2. Wenn man nicht schon einen brauchbaren Hohlraum besitzt (alte Güllegrube, Zisterne, Erdkeller), ist die größte Herausforderung das Ausheben einer Grube und das Mauern des Eisspeichers. Der Rest lässt sich mit Werkzeug erledigen, das in jeder Heimwerkerwerkstatt zu finden ist. Die wichtigsten Freunde des LEO_2 Bauers sind Akkuschrauber, Rohrzange, Schlauchschere und Kappsäge.

Akkuschrauber und LEO_2

Der Akkuschrauber: bester Freund des Selbermachers, besonders wenn es um LEO_2 geht: besonders beim Kollektorbau sind einige Löcher zu bohren und Schrauben einzudrehen …

Materialien leicht zu bearbeiten. Die verwendeten (vorgeschlagenen) Materialien, wie Lärchenholz, PVC-Rohr und Kunststoff-Rippschläuche sind leicht zu bearbeiten. Der Solekreis kann z.B. mit kostengünstigen PVC-Komonenten, wie sie auch aus Teichbau und Pooltechnik bekannt sind, zusammengebaut werden. Ein paar wichtige Grundregeln für das Kleben von PVC-Vebindungen, die man auf keinen Fall missachten sollte, sind rasch erlernt.

Solekreis aus PVC- und Messingkomponenten

Der Solekreis kann durch Verkleben von PVC Komponenten und Eindichten von Gewindeverbindungen aufgebaut werden.

Flexibel. Die Dimensionen von Trägergestell und Wärmetauscher können sehr flexibel gestaltet werden, sodass praktisch jeder wasserdichte quaderförmige Hohlraum zum Eisspeicher umfunktioniert werden kann. Dasselbe gilt für den Kollektor, für den die unterschiedlichsten Montagevarianten denkbar sind. Für LEO_2 ist eine gute (beidseitige) Belüftung des Kollektors wichtig und eine möglichst senkrechte Montage (damit er im Winter nicht durch Schnee bedeckt wird).

Werkzeug für Kollektor und Wärmetauscher

Wärmetauscher und Kollektor können mit einfachem Werkzeug aufgebaut werden.

Genehmigungsfrei. In den Weltgegenden in und um z-village kann man beginnen, LEO_2 zu bauen, ohne spezielle Genehmigungen oder Gutachten einzuholen (wie diese etwa für Tiefenbohrungen oder Grundwassernutzung nötig sind).

Ungefährlich. Ein mit einigen Kubikmetern Wasser gefüllter Tank in der Erde kann nicht mehr Schaden anrichten als eine Zisterne oder ein Swimmingpool. Der Frostschutz in der Soleleitung (Ethylenglykol) ist ungefährlich. In Pannonien wurde in grauer Vorzeit sogar der Wein damit versetzt

Schritt für Schritt. Wer die Zeit hat oder braucht, kann LEO_2 schrittweise umsetzen und sich damit z.B. auf den Austausch eines bestehenden Heizsystems vorbereiten.

Und so kann Irgendwer jedem unerschrockenen Siedler, der sich mit dem Gedanken trägt, das Wärmepumpensystem LEO_2 im Eigenbau zu realisieren, nur Mut zusprechen. Allerdings unter Beachtung einer alten pannonischen Heimwerkerweisheit:

„Wenn man weiß, wie es geht, ist es immer einfach …“

Irgendwer wusste das inzwischen – nachdem der eine oder andere Heimwerkerfluch (glücklicherweise) ungehört in den Tiefen des Eisspeichers verklungen war.

Question Mark Cloud

Im Nachhinein betrachtet hätte Irgendwer auch gern Irgendwen gehabt: zur Beantwortung der tausend Detailfragen, die sich so im Laufe dieses Projektes ergeben:

  • Wie sollen der Kollektor, der Eisspeicher und der Wärmetauscher dimensioniert werden?
  • Wie verlegt man am besten den Wärmetauscher im Eisspeicher?
  • Wie verhindert man, dass der Eisspeicher durch das Gefrieren des Wassers gesprengt wird?
  • Welche Leitungen für Sole, Wasser, Sensoren und Elektrik müssen vorgesehen werden?
  • Welche Wärmepumpe ist wirklich nötig bzw. geeignet und welche Nennleistung wählt man am besten aus?
  • Wie stark muss die Solepumpe sein?
  • Was ist der beste Platz für den Kollektor? Kann er auch im Schatten liegen?
  • Welchen Sensoren müssen an welchen Stellen vorgesehen werden?
  • Wie wird das gesamte Wärmepumpensystem inklusive Heizkreise und Warmwasserbereitung geregelt?
  • Welche Sicherheitseinrichtungen sollte man vorsehen?
  • … (?) …

Aber wozu gibt es punktwisser. Irgendwer kann da sicher weiterhelfen!

Das Besondere an LEO_2: (3) Ein Multitalent

Als Irgendwer LEO_2 ausgetüftelt und weiter entwickelt hatte, war es ihm besonders wichtig gewesen, mehrfachen Nutzen aus der Anlage zu ziehen. Oder anders gesagt: möglichst viel für das investierte Geld zurückzubekommen …

Das Heizen der Siedelerhütte benötigt mit ca. 75% den Großteil der jährlichen Wärmeenergie. Diesen Wärmebedarf kann LEO_2 mit einer hohen Jahresarbeitszahl jenseits von 4 sehr effizient abdecken und damit die Heizkosten wesentlich senken.

LEO_2: Modus 'Heizen mit Kollektor'

LEO_2 im Heizmodus: Die Wärmepumpe (1) beheizt den Pufferspeicher (7), der seinerseits die Heizkreise versorgt. Als Wärmequelle werden Kollektor (4) und Wassertank / Eisspeicher (3) genutzt, die in Serie von der Sole durchlaufen werden. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen, kann mit dem automatischen Umschaltventil (5) der Kollektor weggeschaltet werden.

Auch die Warmwasserbereitung übernimmt LEO_2. Das Speichervolumen eines Hygienespeichers, das mit Heizungswasser gefüllt ist, wird direkt beheizt. Dadurch bleibt die Vorlauftemperatur mit ca. 50°C möglichst niedrig und die Wärmepumpe möglichst effizient. Da das Leitungswasser im Durchfluss erwärmt wird, ist eine energiefressende Legionellenbehandlung (Aufheizen auf ca. 70°C) nicht erforderlich.

LEO_2: Modus 'Warmwasser ohne Kollektor'

Zur Warmwasserbereitung wird der Wärmepumpenvorlauf über ein automatisches 3-Wege Ventil in den Hygienespeicher (6) umgeleitet. Das Leitungswasser durchfließt einen großflächigen Edelstahlwärmetauscher in diesem Speicher und wird dadurch effektiv und hygienisch erwärmt. Die Wärmequelle wird genauso genutzt, wie für die Heizung. Im Bild ist der Kollektor weggeschaltet.

Noch effizienter wird die Warmwasserbereitung im Sommer und in der Übergangszeit, weil dann bei einer hohen Wärmequellentemperatur (bis zu der von der Wärmepumpe bestimmten Einsatzgrenze von 20°C) die Arbeitszahl der Wärmepumpe auch im Warmwassermodus deutlich über 4 liegt.

Eine eigene Solaranlage für die Warmwasserbereitung wird dadurch überflüssig.

Während andere Heizungsanlagen im Sommer stillstehen, übernimmt LEO_2 in dieser Jahreszeit neben der Warmwasserbereitung auch das Kühlen.

LEO_2: Modus 'Kühlen mit gleichzeitiger Warmwasserbereitung'

Im Kühlmodus wird der Solekreis über ein automatisches 3-Wege Ventil (9) durch einen Wärmetauscher im Pufferspeicher (7) geleitet, der dadurch abkühlt. Der Heizkreis wird zum Kühlkreis. Wenn die Wärmepumpe (1) gleichzeitig läuft um Warmwasser zu erzeugen, wird die Sole zusätzlich abgekühlt und damit der Kühleffekt noch verstärkt.

Nach der Heizperiode ist der Wassertank / Eisspeicher kalt. Die Erwärmung des Eisspeichers über den Kollektor wird durch die Regelung so kontrolliert, dass die Wärmequellenentemperatur hoch genug für eine effiziente Warmwasserbereitung ist, aber trotzdem noch genügend Kühlreserve bleibt.

Die Wirtschaftlichkeit der Anlage wird weiter verbessert, wenn man die Anlagenkomponenten ‚Kollektor‚ und ‚Eisspeicher‚ nicht nur als Wärme- / Kältequelle sondern zusätzlich noch für andere Zwecke nutzt.

Länge und Breite sowie die Montageart des Kollektors  sind sehr flexibel wählbar, sodass er z.B. auch die Aufgabe eines Zauns, Geländers und/oder Sichtschutzes übernehmen kann.

Kollektor: Geländer und Sichtschutz

Mehrfachnutzen des Kollektors als Terrassengeländer / Sichtschutz.

Der Eisspeicher kann zusätzlich auch als Regenwasserspeicher genutzt werden. Umgekehrt können bestehende Hohlräume, wie alte Erdkeller oder Güllegruben zum Eisspeicher umgebaut werden.

Das Besondere an LEO_2: (2) Dumme Wärmepumpe – Schlaue Regelung

Es ist gar nicht so einfach, die optimale Wärmepumpe für das Wärmepumpensystem LEO_2 zu finden. Aber nicht deswegen, weil es für diese Wärmepumpe ungewöhnliche oder komplizierte Anforderungen gäbe. Nein, sondern weil die ‚dümmste‘ und einfachste – und damit günstigste – Sole/Wasser Wärmepumpe bereits alle Voraussetzungen erfüllt. Solche einfachen Wärmepumpen sind aber heutzutage kaum noch auf dem Markt zu finden.

Dumme Wärmepumpe

Die ‚dümmste‘ Sole-Wasser-Wärmepumpe mit minimalem Funktionsumfang ist für das Wärmepumpensystem LEO_2 bereits ausreichend.

Für LEO_2 kann jede Sole-/Wasser Wärmepumpe eingesetzt werden, die folgende Anforderungen erfüllt:

  1. Die gewünschte Heizkreis-Vorlauftemperatur soll auf einen Festwert einstellbar sein.
  2. Die Wärmepumpe soll über einen Schaltkontakt von einer externen Steuerung eingeschaltet (‚angefordert‘) werden können. Viele Wärmepumpen haben einen sogenannten EVU-Kontakt, der dafür verwendet werden kann.
  3. Die Wärmepumpe muss die Solepumpe über einen Schaltkontakt einschalten (‚anfordern‘), der von einer externen Steuerung abgegriffen werden kann.

Die (Jahres-)Arbeitszahl wird ohnehin nur zu einem geringen Anteil durch spezielle (aber teure) ‚Features‘ der Wärmepumpe bestimmt, sondern zum überwiegenden Anteil durch die Bauweise und Nutzung der Gesamtanlage sowie durch die Regelung.

Beim Wärmepumpensystem LEO_2 wird daher die in der Wärmepumpe eingebaute Regelung nur für die ‚grundlegenden Lebensfunktionen‘ der Wärmepumpe genutzt (Einschalten, Ausschalten, Überwachung/Regelung des Kältemittelkreises).

Die Steuerung der Gesamtanlage (Regelung der Wärmequelle, Heizungs- und Kühlregelung, Warmwasserbereitung) übernimmt die frei programmierbare Universalregelung UVR1611 in Kombination mit einem C.M.I. (Control and Monitoring Interface). Diese Kombination hat folgende Eigenschaften:

  1. Individuell nutzbare Sensor-Eingänge und Aktor-Ausgänge zum Ansteuern von Pumpen, automatischen Ventilen oder Mischern. Über Zusatzmodule ist die Anzahl der Ein-/Ausgänge erweiterbar.

    UVR1611-Ein-Ausgänge

    Skizze der UVR1611 Ein- / Ausgänge (vgl. Handbuch UVR1611 der Technischen Alternative)

  2. Die Steuerungslogik kann individuell auf die Erfordernisse des Projektes angepasst werden. Sie ist offen für die laufende Anlagenoptimierung und für eventuelle spätere Erweiterungen.

    UVR1611-Regelungslogik

    Die Regelungslogik kann in einem graphischen Tool (‚TAPPS‚) auf dem PC individuell programmiert und danach auf den Regler geladen werden.

  3. Der aktuelle Betriebszustand der Gesamtanlage kann in einer Online-Übersicht aller Messwerte dargestellt werden (‚Online-Schema‘)

    Onlineschema-LEO_2_Pilotanlage

    Das Onlineschema der Anlage wird individuell mit dem Programm TA-Designer erstellt. Es zeigt auf einen Blick die Übersicht über alle aktuellen Messwerte, sowie die Schaltzustände der Ausgänge.

  4. Der zeitliche Verlauf von Messwerten und Schaltausgängen kann mit Hilfe des C.M.I. in einem Logfile aufgezeichnet werden. Dieses kann zur Anlagenoptimierung oder Fehleranalyse verwendet werden.

    Zeitverlauf Messwerte Winsol

    Der Zeitverlauf aller aufgezeichneten Messwerte wird mit dem Programm ‚Winsol‚ dargestellt. Für die individuelle Weiterverarbeitung der Messwerte ist ein Export in das *.csv Format möglich.

  5. Über das C.M.I. ist der Fernzugriff – über ein lokales Netzwerk oder das Internet – auf die Regelung, das Onlineschema und die Monitoring-Daten möglich (Fernwartung).

    CMI-Onlineportal

    Auf alle Funktionen und Konfigurationsmöglichkeiten, die für Betrieb und Wartung der Anlage nötig sind, kann über das C.M.I. zugegriffen werden.

  6. Die Software zur Programmierung der Regelung, zur Erstellung des Online-Schemas und zum Datenmonitoring wird von der Technischen Alternative kostenlos zum Download bereitgestellt.

Das Besondere an LEO_2: (1) Die 4 Elemente

„Was ist das Besondere an LEO_2 ?“

wurde Irgendwer oft gefragt. Es war nicht leicht, auf diese Frage eine kurze und vor allem für den technischen Laien verständliche Antwort zu geben. Zu groß war die Gefahr, in nichtssagende Schlagworte oder technischen Kauderwelsch zu verfallen.

So hatte Irgendwer beschlossen, das Besondere an LEO_2 in leicht verdauliche Häppchen zu unterteilen. Und hier ist das erste …

(1)  LEO_2 nutzt alle vier Elemente als Wärmequelle: Luft, Erde, Wasser und Feuer (Sonne).

Das sorgt für hohe Wärmequellentemperaturen und damit hohe Arbeitszahlen.

Den größten Anteil der Umweltenergie gewinnt LEO_2 aus der Wärmequelle Luft.

Element Luft

Element Luft

In Pannonien sinkt die durchschnittliche Lufttemperatur auch im Winter nicht wesentlich unter 0°C. LEO_2 nutzt vor allem die winterlichen Maximaltemperaturen, die in Tauwetterphasen bis zu 20°C erreichen können.

Bei dem großflächigen Kollektor reichen natürliche Luftbewegungen (Wind, Konvektion) zum Entzug großer Energiemengen aus der Umwelt. Je niedriger die Außentemperaturen umso geringer wird der Beitrag dieser Wärmequelle. Nur bei sehr tiefen Außentemperaturen unter ca. -5°C liefert die Luft gar keinen Beitrag mehr und LEO_2 greift auf andere Elemente zurück.

Element Feuer

Element Feuer

Im Winter spielt die Sonne (Feuer) keine wesentliche Rolle als direkte Wärmequelle. Die Tage sind kurz und in der pannonischen Tiefebene häufig nebelig und trüb. Aber im Herbst sorgt sie dafür, dass das Wasser im Eisspeicher länger warm bzw. eisfrei bleibt. Und im Frühling schmilzt mit Hilfe der Sonne das Eis frührer. Das führt zu ausgesprochen guten Arbeitszahlen der Wärmepumpe in der Übergangszeit.

Element Wasser

Element Wasser

Das Wasser mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften ist das Schlüsselelement für LEO_2, obwohl es streng genommen nicht als Wärmequelle sondern ’nur‘ als Wärmespeicher dient. Es hat schon im flüssigen Zustand ein hohes Speichervermögen für Wärmeenergie (Wärmekapazität 1,163 kWh pro m3 und °C), aber beim Gefrieren zu Eis bei 0°C wird zusätzlich die Schmelzwärme von 92,7 kWh pro m3 frei.

Temperaturphasen im Eisspeicher

Ein Wassertank mit 25 m3 und einer Temperatur von 20°C kann fast 3.000 kWh für eine Wärmepumpe bereitstellen. Und das bei einer Wärmequellentemperatur, die 0°C nicht unterschreitet!

Die Erde umgibt den Eisspeicher ohne isolierende Zwischenschicht.

Element Erde

Element Erde

Das vereinfacht nicht nur die Errichtung des Tanks, sondern fördert in den Wintermonaten auch das Einsickern der Wärme in den Eisspeicher. Insgesamt liefert die Erde ca. 10 bis 15 % des Gesamtenergiebedarfes.

Zeitverlauf der Temperaturen im Erdreich

In den Wintermonaten liegt die Temperatur im umgebenden Erdreich oberhalb der Temperatur im Eisspeicher. Damit gibt die Erde Wärmeenergie an den Tank ab. Im Sommer wird die Erde über direkte Sonneneinstrahlung bzw. über die höhere Temperatur im Wassertank wieder ‚aufgeladen‘.