An der Kippe …

Die Zähl- und Messabenteuer der Siedler hatten zu folgendem Forschungsergebnis geführt:

Stromverbrauch in der Siederhuette, mit und ohne Lebensformen

Sommerlicher täglicher Stromverbrauch der Siedlerhütte – Haushalt, Warmwasser, Büro – mit und ohne Lebensformen, Letzteres blau markiert. In der lebensformenfreien Zeit war auch die Wärmepumpe (zur Warmwassererzeugung) nicht in Betrieb.

Die Siedlerhütte beherbergt zwei Personen und ein Kleinstunternehmen. Somit erscheinen rund 10kWh pro Tag nicht so hoch, verglichen mit dem statistischen Durchschnitt von ca. 3500kWh/Jahr für einen Haushalt (Quelle, ohne Raumheizung).

Allerdings benötigt die Siedlerhütte schon alleine zur Aufrechterhaltung ihrer eigenen Lebensfunktionen (in Abwesenheit stromverbrauchender Siedler) 4 kWh pro Tag: Das entspricht einer durchschnittlichen Leistung von ca. 167W. Die Wärmepumpe benötigt dagegen täglich nur 1,5kWh für das Aufheizen von Warmwasser.

Also machten sich die Siedler auf die Suche nach den Grundlastverbrauchern. Datenblätter und Richtwerte wurden gegoogelt, unzählige Schalter und Stecker betätigt, und der Verlauf der benötigten Leistung gemessen…

Smart Meter EM210: Waschmaschine

Verlauf des aktuellen Verbrauchs minus Photovoltaik-Erzeugung. Beispiel-Messung: Waschmaschine an einem regnerischen Tag (Zähler mit Logger und LAN/WLAN-Anschluss, EM210 von B-Control)

Dabei drangen sie in Galaxien vor, die noch nie ein Mensch zuvor gesehen hat…

abenteuer-kippschalter

Die Forschungen rückten liebgewordene, aber unaufdringliche Errungenschaften der Zivilisation wieder einmal in den Brennpunkt:

zahnbuerste-ohne-bluetooth Eine elektrische Zahlbürste benötigt dauerhaft 1,5 W – also immerhin 6% der Leistung dieses sehr offensichtlichen Verbrauchers:

kuehles-licht

Insgesamt konnten alle 160W gefunden werden:

Die unaufdringlichen Kleinverbraucher benötigen ca. 12W: Klingel, Bewegungsmelder, Wasserenthärter, Zahnbürste, Uhr am Herd, Standby Mikrowelle, Nachtverbrauch PV-Wechselrichter.

Diverse Telefone und Headsets: 9W.

Der schlichte Siedlerkühlschrank (…kein Eiswürfelspender, keine Nuklearsprengkopfsteuerungen…) benötigt ca. 27W im Schnitt, 0,65kWh pro Tag.

Überraschung 1: Das Druck-/Scan-/Fax-Multifunktionsgerät benötigt per ‚Softbutton‘ ausgeschaltet fast genau die gleichen 8W wie im ‚Standyby‘-Modus!

Überraschung 2: Es war doch nicht so eine gute Idee, die betagte USV – zusätzlich zur neuen – noch weiterzuverwenden, für ein einziges angeschlossenes Gerät: Dauerverbrauch 4W.

backup-ups-es-war-einmal

Historische USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung), angeschafft vor der Jahrtausendwende, als durch eine Unpässlichkeit des Pannonischen Stromnetzes ansonsten jeden Tag pünktlich um 16:00 der Computer ‚kalt gestartet‘ wurde.

Überraschung 3: Auch im Hibernate-Zustand braucht so ein kleiner Siedler-Server 4W.

Keine Überraschung: Wie wir aus der Quantenphysik wissen, beeinflusst der Beobachter die Messung. D.h. unsere eigene Mess-, Monitor- und Steuerwut trägt die Hauptschuld an der Grundlast.

Server-/Technikraum im Büro – 35W Dauerverbrauch durch: CMI und BL-NET (die Logger von UVR1611 bzw. UVR16x2), die neue USV, Switch, unseren Router + WLAN-Access-Point, Modem des Internetproviders, ISDN-Netzabschluss.

Maschinenraum und Zählerkasten im Untergeschoß: 12W für die UVR, 10W für die Wärmepumpen-interne Steuerung, 22W für drei verschiedene Stromzähler: Siemens-AMIS-Zähler (TD-3511) des Netzbetreibers, unser Smart Meter (EM210) und ein unscheinbarer Subzähler für die Wärmepumpe. Dass Letzterer ohne ‚Smart‘ und ohne Logger immerhin 8W braucht, war eigentlich Überraschung 4.

Testlabor-Sünden: Ein Router ‚zum Testen‘, der dann doch immer an war, der Leckstrom alter ‚Test-Notebooks‘ , Bildschirm auf Standby, ein alter Drucker ‚in Reserve‘ und auf Stand-By‘, eine Zeitschaltuhr die wahrscheinlich mehr verbraucht als sie mangels Smartness bringt: ca 11W.

Zum sinnlosesten Gadget wurde gewählt: Ein Radiowecker mit 5W.

Auf der Basis dieser Liste wurde ein Einsparungspotential von ca. 40W erkannt und kompromisslos umgesetzt. Die alte USV, der Radiowecker, einige Telefone und der alte Drucker wurden außer Betrieb genommen. Der Multifunktionsdrucker, der Server und die ‚Test‘-Netzwerk-Ausrüstung auf Kippschalter-Betrieb umgestellt.

Ein schönes Ritual am Ende des Arbeitstages! Die Strompolizei drängt darauf, Geräte nicht nur ausgeschaltet, sondern auch wirklich ge-kipp-schaltert werden.

Kippschalter im Auge behalten

Die durch das Kippschaltern eingesparten 40W Dauerleistung mögen auf den ersten Blick vielleicht lächerlich erscheinen, wenn man an eine entsprechende Glühbirne denkt, die gerne zum Vergleich herangezogen wird. Aufs Jahr gerechnet (24h am Tag, 365 Tage im Jahr) ergibt das aber beachtliche 350kWh, also ein Zehntel (!) des durchschnittlichen Stromverbrauchs eines österreichischen Haushaltes …

Damit die Siedler jetzt nicht ob ihrer spartanischen Kippschalter-Lebensweise bedauert werden, hier noch ein Bild eines echten Lifestyle-Gadgets. Unser R2D2 sorgt seit heuer für einen feuchtigsärmeren Sommeralltag … genau dann, wenn Photovoltaik-Strom zur Verfügung steht.

R2D2

Die Wiedergeburt des Ur-Kollektors

Der eine oder andere aufmerksame Leser dieses Blogs wird sich vielleicht gefragt haben, was aus dem Ur-Kollektor von LEO_2 geworden ist. War doch das Ur-Modell im letzten Sommer durch eine optisch noch ansprechendere Lärchenholz-Variante ersetzt worden…

Kollektor in der Frühlingssonne

Fast wehmütig erinnerte sich Irgendwer an den Ur-Kollektor von LEO_2 zurück …

Während die Kollektorschläuche sofort wieder verbaut worden waren, war die ursprüngliche Fichtenholz-Konstruktion zunächst irgendwie übrig geblieben …

Die, die aufgrund des Holz-Heiz-Experiments der Siedler in diesem Winter schon das Schlimmste befürchtet haben, kann Irgendwer beruhigen. Die Holzkonstruktion wurde natürlich nicht verheizt! – Sondern hatte in einem anderen Siedler-Projekt unerwartete Wiederverwendung gefunden …

Irgendwer-in-der-alten-Küche

Die alte Siedlerküche hatte wahrlich schon bessere Zeiten gesehen und verströmte den unwiderstehlichen Charme der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts.

Lange hatten sie es vor sich hergeschoben – die Renovierung der Küche. Und das nicht ohne Grund. Denn damit verknüpft war unter anderem auch die Wahl des zukünftigen Heizsystems des Erdgeschoßes, das ja noch immer von inzwischen in die Jahre gekommenen Flachheizkörpern (wie ganz rechts in obigem Bild ersichtlich) gewärmt wurde.

Nach einigem Tüfteln über die baulichen Gegebenheiten hatten sich die Siedler schließlich für eine Wandheizung im Trockenbau entschieden.

Wandheizung-im-Trockenbau

Welcher Kollektor möchte nicht als Wandheizung wiedergeboren werden? Für die Wandheizung im Trockenbau war eine Unterkonstruktion aus Holz erforderlich. Und dafür passten die ehemaligen Latten des Urkollektors perfekt …

Doch die Wiederverwendung der Holzkonstruktion des Ur-Kollektors war nicht der einzige Grund für diese Entscheidung:

Erstens versuchte Irgendwer, sogenannte ‚Baatz-Arbeiten‚ mit Mörtel, Beton & Co zu verhindern, wo immer es möglich war.

Zweitens war es den Maurern in den Zwanzigern des vorigen Jahrhunderts (die Legende besagte, dass die Siedlerhütte damals erbaut wurde) ganz offensichtlich nicht gelungen, eine halbwegs gerade Wand hinzubekommen. Die langgezogenen Buckel konnten mit der Unterkonstruktion für die Wandheizung gut ausgeglichen werden.

Drittens konnte ein zusätzliche Isolationsschicht in der Unterkonstruktion untergebracht werden. Das würde wieder ein paar kWh Heizenergie einsparen.

Und Viertens erhoffte sich Irgendwer, durch die Flächenheizung die Heizkreis-Vorlauftemperatur im Vergleich zu den Flachheizkörpern senken und damit die Effizienz der Wärmepumpe erhöhen zu können …

Und Fünftens erhofften sich die Siedler natürlich Innovations- und Klimaschutzpreise zu gewinnen mit diesem vorbildlichem Lifecycle-Management von Biomasse!

Treppchen-Ur-Kollektor

Eine Rarität: Treppchen aus Ur-Kollektorholz.

Ja, und nicht zu vergessen: ein kleines Treppchen aus Ur-Kollektorholz war sich ganz nebenbei auch noch ausgegangen…

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.

Doppelt profitiert!

Jetzt war es amtlich. Was Irgendwer aufgrund der mageren Eisbilanz schon vermutet hatte, hatten die Wetterfrösche nun wissenschaftlich bestätigt: Pannonien hatte den zweitwärmsten Winter der fast 250jährigen Messgeschichte erlebt, wobei als ‚meteorologischer Winter‘ die Monate Dezember, Jänner und Februar zu verstehen waren.

Schneeglöckchen

Auch die Schneeglöckchen hatten den milden Winter für eine frühe Blüte genutzt…

Während der letzte Winter (2012/2013) als normal eingestuft werden konnte, lagen die Durchschnittstemperaturen in diesem Winter (2013/2014) ca. 2,5°C über dem langjährigen Mittelwert.

Das hatte sich natürlich auch auf die Heizkosten positiv ausgewirkt. Nach akribischer Durchsicht seiner Aufzeichnungen stellte Irgendwer fest, dass er diesen Winter um exakt 6,4 % weniger Heizenergie für seine Siedlerhütte benötigt hatte als letztes Jahr. – Er hatte sich aber 14 % seiner Heizkosten erspart!

Wie ging denn das?!

Gegenüberstellung Winter 2012/2013 und 2013/2014

Gegenüberstellung der Messwerte für den ’normalen‘ Winter 2012/2013 und den außergewöhnlich warmen Winter 2013/2014.

Was zuerst wie ein Widerspruch aussah, ließ sich bei genauerem Hinsehen aber rasch erklären. Für ein Wärmepumpensystem – wie LEO_2 – war ja auch wichtig, wie effizient es die Energie aus der Umwelt gewonnen hatte. Dafür spielten im wesentlichen zwei Parameter eine Rolle:

  • Die Heizungsvorlauftemperatur: Der Mittelwert war in diesem Winter um 1,5°C niedriger als 2012/2013. Das war eine unmittelbare Folge der höheren Außentemperaturen.
  • Die Soleeintrittstemperatur: Der Mittelwert lag in diesem Winter um 1,8°C höher als 2012/2013. Das war der ausgeklügelten Wärmequelle von LEO_2 zu verdanken, die über den Kollektor die höheren Außentemperaturen direkt nutzbar gemacht hatte.

Zusammen ergab das dann für 2013/2014 mit einem Wert von 4,4 eine um 10% bessere ‚Winterarbeitszahl‘ im Vergleich zu 2012/2013.

Das hieß in knallharten Zahlen: Innerhalb der 3 Wintermonate hatte Irgendwer 327 kWh weniger elektrische Energie ‚verheizt‘ und dadurch fast € 20,– pro Monat gespart!

„Wenn Blätter von den Bäumen stürzen …

… die Tage täglich sich verkürzen.
Wenn Amsel, Drossel, Fink und Meisen
die Koffer packen und verreisen.
Wenn all die Maden, Motten, Mücken,
die wir vergaßen zu zerdrücken,
von selber sterben – glaube mir,
dann steht der Winter vor der Tür …“

So besang einst Heinz Erhardt den Herbst, der sich inzwischen auch wieder über z-village gelegt hatte.

Herbst über z-village

Der Herbst breitet sich über z-Village …

So, wie jedes Jahr verlor sie Sonne ihre wärmende Kraft, die Nächte wurden frischer, und die Schornsteine in der Nachbarschaft begannen wieder zu qualmen.

Qualmender Schornstein

Der Mann vom Energieversorger kam, um den noch immer unveränderten Gaszählerstand abzulesen. Und auch der Rauchfangkehrer musste nach einem kurzen, aber inzwischen wohlvertrauten Wortwechsel: „Kehr’n ma?“ – „Na, mia haum nix g’hazt“ – unverrichteter Dinge wieder abziehen.

Es war die Erfindung, die wohlige Wärme in der Siedlerhütte von Irgendwem verbreitete. Die Regelung hatte Irgendwer inzwischen so optimiert, dass nur in den kühlen Nacht- und Morgenstunden – dann wenn die Temperatur in der Hütte empfindlich absank – geheizt wurde. Wenn tagsüber zum Beispiel durch die hocheffektiven Solarkollektoren die Raumtemperatur über den Maximalwert stieg, wurde die Heizung automatisch deaktiviert.

Zugeführte Wärmeleistung Tank

Heizen in der Übergangszeit: Wenn in der Nacht und den kühlen Morgenstunden die Wärmepumpe in Betrieb ist, wird dem Wassertank Wärme entzogen (Entzugsleistung der Wärmepumpe). Dieser Verlust kann während des Tages durch den Kollektor wieder ausgeglichen werden, sodass die Temperatur im Tank und damit die Effizienz der Wärmepumpe hoch bleibt.

Was Irgendwen neben der komfortablen Regelung aber am meisten begeisterte, war die Effizienz – die Sparsamkeit – mit der die Erfindung gerade jetzt in der Übergangszeit arbeitete.

Soletemperatur und Arbeitszahl

Effizienz in der Übergangszeit: Durch die (noch) hohe Sole-Eintrittstemperatur und die vergleichsweise niedrige Wärmepumpen-Vorlauftemperatur erreicht die Erfindung (wie im Frühling) die höchsten Effizienzwerte.

Da der Wassertank immer noch eine Temperatur um die 15°C hatte, war auch die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe entsprechend hoch, was schon über längere Zeit eine respektable Tagesarbeitszahl deutlich jenseits von 5 zur Folge hatte. Das bedeutete: mehr als 80% der benötigten Heizenergie kam aus der Umwelt!

Im Geiste zitierte Irgendwer das Ende des Gedichtes von Heinz Erhardt (frei interpretiert):

… ich lass ihn nicht rein – ich spiel ihm einen Possen.
Die Erfindung ist bereit und angeschlossen.
Ha! Den hab ich schön angeschmiert.
Jetzt steht der Winter vor der Tür! – Und friert …“

Das Wärmequellen-Paradoxon

Manchmal fragte sich Irgendwer, warum sich eigentlich ein Großteil der Wärmepumpenbenutzer für eine Luft-Wasser Wärmepumpe entscheidet, obwohl das im Vergleich das ineffizienteste Wärmepumpensystem ist.

Wahrscheinlich, weil man sich einfach keine Gedanken über die Erschließung der Wärmequelle machen muss, und weil es prinzipiell ‚eh funktioniert‘. – Also die einfachste Lösung, wenn auch – auf Dauer gesehen – nicht die günstigste

Kostenentwicklung bei verschiedenen Jahresarbeitszahlen

Entwicklung der Betriebskosten mit der Zeit.
Die höhere Investition in ein effizientes Wärmepumpensystem mit einer ‚guten‘ Wärmequelle und damit einer höheren Jahresarbeitszahl (JAZ) wird auf Dauer durch die niedrigeren Betriebskosten mehr als ausgeglichen.
Eine JAZ = 2,8 entspricht der durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von Luftwärmepumpen, die in Feldtests ermittelt wurde. Mit einer guten Wärmequelle (z.B. LEO_2) lassen sich auch in der Praxis Jahresarbeitszahlen größer als 4 erreichen.

Und warum Wärmepumpen auch mit einer schlechten Wärmequelle ‚prinzipiell eh funktionieren‘ hängt mit dem Wärmequellen-Paradoxon zusammen, das man wie folgt formulieren kann:

„Je ineffizienter ein Wärmepumpensystem ist, umso unwichtiger ist eine gute Wärmequelle.“

Ein ineffizientes Wärmepumpensystem bedeutet, dass dessen Jahresarbeitszahl klein ist. Damit erntet (bzw. benötigt) die Wärmepumpe weniger Umweltenergie und es steigt der Anteil der elektrischen Energie an der von der Wärmepumpe abgegebenen Wärmeenergie.

Wenn also das Wärmepumpensystem nur ineffizient genug ist, braucht man sich um die Wärmequelle kaum noch Gedanken zu machen. Der ‚einzige Nachteil‘ ist eine hohe Stromrechnung.

Umgekehrt muss eine Wärmequelle für ein effizientes Wärmepumpensystem sehr viel (kostenlose) Umweltenergie liefern. Das macht die Auslegung etwas schwieriger und den Bau etwas aufwändiger.

Im Endeffekt passt sich eine Wärmepumpe – oft unbemerkt vom Betreiber –  aber immer sehr flexibel an die Wärmequelle an: Ist die Wärmequelle gut, braucht die Wärmepumpe wenig Strom, ist die Wärmequelle schlecht und liefert wenig Umweltenergie, verbraucht die Wärmepumpe umso mehr Strom.

Eine weitere Formulierung des Wärmequellen-Paradoxons lautet:

„Je schlechter die Wärmequelle, umso ’stärker‘ wird die Wärmepumpe ausgelegt.“

Eine schlechte Wärmequelle ist durch eine im Mittel niedrige Wärmequellentemperatur gekennzeichnet. Da die Heizleistung einer Wärmepumpe mit sinkender Wärmequellentemperatur stark sinkt, muss eine Wärmepumpe mit höherer Nennleistung gewählt werden, damit die benötigte Heizleistung auch noch bei einer niedrigen Wärmequellentemperatur erbracht werden kann.

Was bewirkt also das ‚Wärmequellen-Paradoxon‘:

  • Wärmepumpensysteme funktionieren prinzipiell auch mit einer schlechten Wärmequelle, wenn auch ineffizient und entsprechend überdimensioniert.
  • Eine vermeintlich günstigere Investition wird über die Jahre mit einer höheren Stromrechnung teuer bezahlt.

Schade, eigentlich …

Pannonische Luft: Die ideale Wärmequelle

Wärmepumpen hatten Irgendwen schon immer fasziniert. Aber noch viel  mehr faszinierte ihn die Vielfalt der Methoden, die Ingenieure und andere Tüftler ersonnen hatten, um die Umwelt als Wärmequelle für diese Wärmepumpen anzuzapfen.

Wärmequelle Luft

Die Wärmequelle Luft ist leicht zu erschließen, weil sie uns überall direkt umgibt. Da sie aber sehr wenig Energie speichern kann, müssen 1.000 m3 Luft um etwa 5°C abgekühlt werden, um nur 1kWh Umweltwärme zu gewinnen.

Ursprünglich hatte Irgendwer die Wärmequelle Luft  für das Beheizen seiner Siedlerhütte bereits ausgeschlossen. Oder genauer gesagt: eine spezielle Apparatur, mit der die Wärmequelle Luft genutzt wurde – die klassische Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Diese hatte nämlich zwei gravierende Nachteile:

  1. Die Wärmetauscherfläche mit der Luft ist vergleichsweise klein. Dadurch muss eine sehr große Luftmenge pro Zeit mittels Ventilatoren über diesen kleinen Wärmetauscher geleitet werden, was einerseits zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung und andererseits zu Kondensation und Gefrieren einer großen Menge von Luftfeuchtigkeit am Wärmetauscher führt.
  2. Genau dann, wenn die Luftwärmepumpe die meiste Umweltwärme benötigt, ist die Außentemperatur (= Wärmequellentemperatur) niedrig und die Vorlauftemperatur hoch. Damit wird ein großer Teil der Wärme bei kleinen Leistungszahlen (also mit geringer Effizienz) gewonnen.

Die Luft selbst ist für die klimatischen Bedingungen in Pannonien eine durchaus attraktive Wärmequelle, wenn man die durchschnittlichen Temperaturen im Jahresverlauf betrachtet.

Klimadaten Eisenstadt

Typische pannonische Klimadaten: Das langjährige Mittel der Außentemperatur sinkt auch im Winter nur wenig unter den Gefrierpunkt. Allerdings sind minimale Außentemperaturen von -20°C möglich. Besonders interessant ist aber die Tatsache, dass auch sehr hohe winterliche Außentemperaturen bis zu 20°C auftreten (Tauwetterperioden).

Man musste es nur richtig anstellen, sie nutzbar zu machen. Und darüber hatte sich Irgendwer lange Zeit den Kopf zerbrochen, bis er mit der Erfindung einen Weg gefunden hatte, die Nachteile der Luft-Wasser-Wärmepumpe auszugleichen:

  1. Der Kollektor – der Wärmetauscher mit der Luft – hat eine große Fläche, sodaß  natürliche Luftbewegungen (Wind und Konvektion) die Ventilatoren ersetzen. Auch das Abtauen des Kollektors übernimmt die Natur (Tauwetterperioden, Sonnenschein). Als ‚Nebeneffekt‘ kann zusätzlich die Sonnenstrahlung auf den Kollektor zur Energiegewinnung genutzt werden.
  2. Durch den Wassertank (Eisspeicher) werden Angebot und Nachfrage für die Umweltenergie aus Luft entkoppelt.
    Bei niedrigen Außentemperaturen springt der Tank als Wärmequelle ein. Damit wird die Wärmequellentemperatur nach unten begrenzt, weil während des Gefrierens die Wassertemperatur bei 0°C konstant bleibt.
    Eine hohe Außentemperatur erhöht dagegen direkt die Wärmequellentemperatur für die Wärmepumpe. Und mit überschüssiger Umweltenergie, die während warmer Wetterphasen nicht für das Heizen benötigt wird, wird der Tank wieder aufgeladen (Eis schmilzt und Tanktemperatur steigt).
Zeitlicher Verlauf der Sole-Eintrittstemperatur

Zeitlicher Verlauf der Sole Eintrittstemperatur für das Wärmepumpensystem LEO_2 im Vergleich zur maximalen, mittleren und minimalen Außentemperatur. Der Mittelwert der Sole-Eintrittstemperatur über die gesamte Heizperiode 2012 / 2013 lag bei ca. 2,5°C

In der Praxis bedeutete das z.B. für den vergangenen Winter (2012/2013), dass die mittlere Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe nur selten und nur wenig unter 0°C sank. Trotzdem wurden mehr als 75% der benötigten Umweltenergie über die Wärmequelle Luft gewonnen.

Kleine Wärmepumpenkunde: JAZ & COP

Irgendwer schüttelte ungläubig den Kopf, nachdem er in einer Pannonischen Postille folgende, etwas dreiste Werbebotschaft für eine Wärmepumpe gelesen hatte:

„… die leiseste Luft-Wasser Wärmepumpe mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) > 4 … „

Stihl kettensaegeStarker Tobak. Ganz abgesehen davon, dass auch die ‚leiseste‘ Motorsäge noch immer ziemlichen Lärm verursachen konnte, war er doch etwas verwundert, dass dieser Wärmepumpen-Verkäufer eine Behauptung über eine (für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe nicht zu kleine!) Jahresarbeitszahl aufstellte …

Zum Hintergund:

Eine mit Strom betriebene Wärmepumpe entzieht einer Wärmequelle bei niedriger Temperatur Wärmeenergie und gibt diese bei hoher Temperatur wieder an das Heizsystem ab.

Prinzip Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe muss immer im Zusammenhang mit der Wärmequelle und dem Wärmeabgabesystem betrachtet werden.
Entscheidende Größen für ihre Effizienz sind: Eintrittstemperatur der Wärmequelle in die Wärmepumpe (T.WQ.EIN), Vorlauftemperatur des Heizkreises (T.HZG.VL) und der damit verbundene Temperaturhub (ΔT).

Dabei steigt sowohl die Heizleistung als auch die Effizenz der Wärmepumpe mit

  • steigender Eintrittstemperatur der Wärmequelle in die Wärmepumpe (T.WQ.EIN)
  • sinkender Vorlauftemperatur auf der Heizungsseite (T.HZG.VL)

Seriöse Leistungsangaben einer Wärmepumpe müssen sich daher immer auf diese beiden Temperaturen beziehen.

Um Wärmepumpen verschiedener Hersteller vergleichen zu können, verwendet man die Leistungszahl (= Coefficient Of Performance = COP). Dabei wird bei genau definierten Laborbedingungen das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung gemessen:

COP = Wärmeleistung / Elektrische Leistung (bei Normbedingungen)

Unter realen Betriebsbedingungen ändern sich Wärmequellentemperatur und Heizungsvorlauftemperatur und damit die Leistungsdaten der Wärmepumpe ständig. Das ist von vielen Faktoren der Gesamtanlage abhängig, wie z.B.:

  • Dimensionierung und Zustand der Wärmequelle
  • Wärmeabgabesystem (Fußbodenheizung, Radiatoren, Warmwasserspeicher)
  • Nutzungsverhalten (Raum- und Warmwassertemperatur)
  • Regelung (Heizkurve, Positionierung von Temperatursensoren, Abschaltbedingungen)
  • Art und Größe der verwendeten Pufferspeicher und Warmwasserspeicher
  • etc …

Um die Qualität der Gesamtanlage im Realbetrieb beurteilen zu können, verwendet man daher die Jahresarbeitszahl (JAZ). Es wird die gesamte in einem Jahr von der Wärmepumpe gelieferte Wärmeenergie ins Verhältnis zur gesamten eingesetzten elektrischen Energie gesetzt:

JAZ = Gewonnene Wärmeenergie pro Jahr / Eingesetzte elektrische Energie pro Jahr

Dabei werden bei der elektrischen Energie auch Zusatzaggregate (Ventilatoren, Solepumpe, Ladepumpe), sowie der Bedarf für elektrische Notheizung und Abtauen berücksichtigt.

Für die Effizienz und damit die Sparsamkeit einer Wärmepumpenanlage ist die Jahresarbeitszahl die entscheidende Größe. Sie muss für jede Gesamtanlage individuell bestimmt werden und kann niemals die Eigenschaft einer Wärmepumpe alleine sein.

Und wie eine Reihe von Feldstudien zeigt, ist es (besonders für Luft-Wasser-Wärmepumpen) in der Praxis absolut nicht einfach, eine Jahresarbeitszahl > 4 zu erreichen …

Weiterführende Links:

Plötzlich Sommer!

Der Frühling war dieses Jahr wirklich eine Memme! Hatte er lange Zeit mit dem Winter gekämpft, so war er nun – wahrscheinlich noch von den zermürbenden Scharmützeln mit dem Frost geschwächt – beinahe vom pannonischen Sommer überrollt worden.

Sonnenuntergang z-village

Sonnenuntergang über z-village: Ein Gruß vom Sommer.

Seit dem letzten Schnee waren die Temperaturen innerhalb von drei Wochen kontinuierlich gestiegen und hatten vor wenigen Tagen sogar den 30er geknackt!

Damit war nach einer außerordentlich kurzen Übergangszeit auch die Heizsaison Geschichte. Die ‚Erfindung‚ war praktisch in den Sommerbetrieb übergegangen, der sich wie folgt darstellte:

Nachdem der Energiespeicher wieder voll aufgeladen war, waren sowohl Wärmepumpe als auch Kollektor nur noch während der Warmwasserbereitung aktiv.

Temperatur und Eis im Wassertank

Nachdem das letzte Eis geschmolzen war, war die Temperatur im Wassertank (‚Eisspeicher‘) aufgrund der frühsommerlichen Witterung innerhalb von guten 2 Wochen auf die mit 14°C begrenzte Maximaltemperatur angestiegen.

Hätte Irgendwer – oder die von ihm programmierte Regelung – dem Kollektor nicht Einhalt geboten, hätte dieser die nun im Überfluss vorhandene Umweltenergie unentwegt in den Tank gepumpt und diesen wohl innerhalb weniger Tage auf Temperaturen über 20°C erwärmt. Das sollte aber aus zwei Gründen nicht geschehen:

  • Die Wärmepumpe durfte nicht mit Sole-Eintrittstemperaturen über 20°C betrieben werden.
  • Es würde die Zeit kommen, zu der ein kühler Tank für die passive Kühlung der Siedlerhütte noch sehr wertvoll sein würde.

Derzeit war diese Tanktemperatur aber ein guter Kompromiss zwischen ’nicht zu warm‘ und ‚möglichst hohe Soleeintrittstemperatur für eine effektive Warmwasserbereitung‘.

Arbeitszahl Wärmepumpe

Mit den hohen Temperaturen der Wärmequelle war auch die Arbeitszahl der Wärmepumpe rasant angestiegen. Sogar im reinen Warmwasserbetrieb lag sie inzwischen deutlich über 4 (die aktuelle Arbeitszahl wurde über ein Messintervall von 1 bis 2 Tagen ermittelt).

Irgendwer plante, die Tanktemperatur gegen Sommer wieder langsam absinken zu lassen, damit die Erfindung dann auch ihre Kühlaufgabe besser erfüllen konnte.

Ach ja, und irgendwelche Winterschuhe konnten nun auch endgültig im Kasten verstaut werden. Dazu war in der Kürze der Zeit noch gar keine Gelegenheit gewesen …

Winterschuhe - Ab in den Kasten!

Winterschuhe – Ab in den Kasten!

Der effektivste Solarkollektor

Irgendwer hatte damals lange hin-und-her überlegt. Damals, als das Dach der Siedlerhütte schon so arg mitgenommen war, dass es grundlegend erneuert werden musste. Was konnte er im Zuge einer Dach-Erneuerung für die Optimierung seines Energiehaushaltes tun?

Dachstuhl der Siedlerhütte

Das Dach der Siedlerhütte war grundlegend erneuert worden …

Gut isolieren. – Klar! Aber konnte er die Dachfläche nicht zusätzlich auch für eine Solaranlage oder Photovoltaik nutzen?

Solarkollektor und Fenster in einem

8 Stück dieser hocheffektiven, multifunktionalen Solarkollektoren hatte Irgendwer in das neue Dach eingebaut. Durch das Aufziehen von Schutzschilden (Markisen) – s. mittlerer Kollektor – konnte der Wirkungsgrad / Energieertrag stufenlos variiert werden.

Schließlich hatte er sich für diese hocheffektiven, multifunktionalen Solarkollektoren entschieden. Schnell waren 8 Stück mit einer effektiven Kollektorfläche von jeweils 0,56m2 (also insgesamt 4,5m2) in das Dach eingebaut. Davon waren 2 nach Nord-Osten, 3 nach Süd-Osten und 3 nach Süd-Westen ausgerichtet.

Und er hatte seine Entscheidung bis heute nicht bereut. Denn gerade jetzt, während des beginnenden Frühlings war die Jahreszeit gekommen zu der er mit dieser relativ geringen Kollektorfläche das gesamte 110m2 große Dachgeschoß ausschließlich mit Solarenergie heizen konnte.

Heizen mit direkter Sonneneinstrahlung

Bei den aktuellen aprilhaften Wetterbedingungen reichte die direkte Sonneneinstrahlung bereits aus, um das Dachgeschoß mit 110m2 zu beheizen. Während des Tages stieg die Raumtemperatur auf gute 22°C und während der Nacht kühlte der Raum nicht unter 21°C ab. Während des dargestellten Zeitraumes war die Fußbodenheizung außer Betrieb. Die Globalstrahlung zeigt die Solarenergie senkrecht auf die nach SO ausgerichteten Kollektoren.

Was war nun das besondere an diesen Kollektoren?

  • Formschön
  • Multifunktional: Solarkollektor und Fenster in einem.
  • Hocheffektiv: Bis auf die Reflexionsverluste an der Oberfläche wird die gesamte auftreffende Sonnenenergie direkt in den Raum geleitet
  • Steiler Neigungswinkel: Energieertrag für Winter / Übergangszeit optimiert
  • Keinerlei Verrohrungsaufwand: Kollektor in die Dachfäche einbauen – fertig.
  • Variable Kollektorfläche / variabler Wirkungsgrad durch ‚Schutzschilde‘ (Markisen) und Lüftungsfunktion
  • Geringster Wartungsaufwand (ab und zu putzen …)
Dachflächenfenster: Formschön und multifunktional

Innenansicht des hocheffektiven, multifunktionalen und formschönen Solarkollektors, auch ‚Dachflächenfenster‘ genannt…

Aber Irgendwer wusste auch, dass die Schutzschilde nicht mehr ausreichen würden, um unter der brennenden pannonischen Sommersonne überflüssige Solarenergie vom Dachgeschoß fernzuhalten. Das würde dann die nächste Bewährungsprobe für seine Erfindung werden …