Unpannonische Heizsaison 2016-2017

Die Siedler hatten den Bogen endgültig überspannt. Jahrelang wurde hier berichtet über Winter, die zu pannonisch waren oder nicht kanadisch genug waren. Irgendwie war das auch ein Ausdruck ihrer Frustration: Man musste zu drastischen Maßnahmen greifen, um einen echten Winter zu simulieren und endlich einen ordentlichen Eiswürfel zu erzeugen.

Und so haben die Siedler sie heraufbeschworen – die Heizsaison 2016 / 2017 mit dem kältesten Jänner (Januar) seit 30 Jahren. So sieht die Bilanz aus:

Der positive Rekord: 14m3 Eis ganz ohne Trickersei! Und das, obwohl das Obergeschoß wieder mit dem Holzofen beheizt wurde:

(Zu der eigenartigen ‚Schwingung auf dem Eisplateau‘ siehe die Geschichten von Blubber und Orkrakel.)

Die lange Periode von mittleren Außentemperaturen unter Null, ganz ohne Warmlufteinbruch lässt aber Schlimmes erahnen: Ein trauriger Rekord wurde erreicht – der grüne Balken der Monatsarbeitszahl hält sich im Jänner 2017 doch deutlich fern von der 4er-Marke:

In diesem Monat wurden über 3.000 kWh Heizenergie benötigt; im ganzen Jahr wurden ca. 16.600 kWh verbraucht inkl. Warmwasser – gleich wie wie in der vorigen Saison, in der die ganze Siedlerhütte mit der Wärmepumpe beheizt wurde. Zu beachten: Trotz heroischer punktueller Renovierungsmaßnahmen wird der Großteil der Heizenergie im Untergeschoß noch über Radiatoren verteilt – im Januar bei einer mittleren Heizkreis-Vorlauftemperatur von 37°C.

Der Kollektor konnte in diesen Wochen vergleichsweise wenig Energie liefern, während die fleißige Wärmepumpe täglich ca. 100 kWh Heizenergie ‚produzierte‘:

Damit konnte der Kollektor heuer auch seine übliche Kennzahl nicht ganz erreichen: Wie die Siedler und ihre Krake nicht müde werden zu betonen, liefert er ‚üblicherweise‘ in einer ‚typischen‘ Eisperiode über 75% der Umweltenergie für die Wärmepumpe.

In der letzten Saison folgte aber der kalte Rekord-Jänner auf einen ebenfalls schon kollektorunfreundlichen Dezember. Die Auftauphase im Februar folgt dann wieder dem üblichen Rekordernte-Muster.

Zu beachten ist aber, dass der Kollektor auch in dieser Saison wieder nur zu 50% genutzt wurde. Irgendwer wollte ja seine Forschungsschaltung ordentlich testen: Seit Herbst 2014 musste sich die Wärmepumpe mit 12 statt 24m2 Kollektorfläche begnügen – eine Fläche, die die Siedler angesichts des typischen Energiebedarfs ihrer historischen Siedlerhütte eigentlich als zu gering betrachten.

Etwas getröstet wurden die Siedler allerdings dann im heißen Sommer 2017 – durch Spielereien mit der passiven Kühlung. Sie konnten sich den Eiswürfel für Kühlzwecke zwar nicht lange aufheben, aber in diesem (Hitze-)Rekord-Sommer wurde die bis jetzt höchste Kühlenergie von insgesamt ca. 600kWh benötigt.

Der Kollektor kühlt in vergleichsweise kühlen Nächten den Eisspeichertank; der kalte Tank kühlt wiederum den Pufferspeicher – pro Tag werden von den ‚Heiz‘-Kreisen bis zu 30kWh Kühlenergie entnommen.

Nach dem Bericht über die Herausforderungen und das schwierige Umfeld kommt normalerweise der optimistische Blick in die Zukunft. Chief Engineer Somebody enthüllt die strategische hydraulische Weichenstellung für die eben gestartete Saison: Die zweite Hälfte des Kollektors wurde wieder zugeschaltet!

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Die Messdaten aller Jahre und weitere Details und technische Daten zum System sind wie immer zu finden in unserer Messdatendokumentation (PDF)

Bewusstseinsebenen einer Simulation

Kürzlich wurde hier eine Weissagung des Orkrakels präsentiert …

… mit einer eher spröden und trockenen Beschreibung technischer Fakten. Nachdem sich dieses Siedlerblog immer noch in der Sommerphase befindet, soll es jetzt um den philosophisch-spirituellen Überbau dazu gehen.

Das Orkrakel operiert auf unterschiedlichen Bewusstseinsebenen – und deren exponentiell ansteigende Komplexität müssen dem Simulator immer bewusst sein.

Auf der untersten Ebene geht um das, was die Siedler einmal gelernt haben: Physik. Hier werden Temperaturwellen im Boden berechnet und das Orkrakel führt penibel Buch über diverse Energieströme und Energiespeicher. Es geht also darum, wie ‚die Natur‘ in Folge unumstößlicher Gesetzmäßigkeiten reagiert: Temperaturdifferenzen erzeugen Wärmeströme, umverteilte Energien ändern Temperaturen im Tanks, und die Leistungszahl der Wärmepumpe folgt den Grundsätzen der Thermodynamik. Hier hat die Orakelkrake eigentlich alles unter Kontrolle – was uns gleich zur nächsten Ebene bringt …

… hat doch das Orkrakel auch die Aufgabe, dem Wirken der Universalregelung gerecht zu werden. Man könnte meinen, das sollte die Krake im kleinen Tentakel haben – ist ja eh alles Programm-Code. Was die theoretische Intention der Regelung betrifft, stimmt das auch irgendwie. Aber das Orkrakel muss Annahmen über diverse, scheinbar harmlose Regelparameter machen – deren kleinste Änderung sich fatal auswirken können. Um das mit einer lebensnahen Analogie zu verdeutlichen: Wie in den modernen Theorien der Grundlagenphysik hat man so viele Parameter, an denen man schrauben kann, so dass man praktisch alles erklären kann. Man braucht z.B. nur ein klein wenig an den Hystereseeinstellungen für das Aufheizen des Hygienespeichers zu drehen, um die Arbeitszahl auf eine Art zu beeinflussen, die Vieles in den Schatten stellt, was die Ebene ‚Physik‘ an unsicheren Parametern zu bieten hat.

Zusätzlich hat so eine Regelung ja selbst verschiedene Bewusstseinsebenen – oft Benutzer und Experte genannt. Letztere ist eine Art Pseudo-Schutz, der den Inhaber der Regelung mit komplexen Passwörtern wie 0000 zumindest vor sich selbst / vor den Konsequenzen des reflexartigen Irgendwo-Hinklickens schützt. Auf der Benutzerebene gibt es aber kein Halten: Hier darf man sich austoben, was beispielsweise die persönlichen Temperaturbedürfnisse betrifft – die das Orkrakel natürlich nicht vorausahnen kann, ebensowenig wie das vor allem in der Übergangszeit beliebte manuelle Hineinregeln.

[Lebensform in meinem Haus] stellt immer auf ‚Sonne‘. Können Sie was machen, dass sich dann gar nichts ändert?

Und damit sind wir eigentlich schon an der Spitze der Pyramide angelangt – beim heiligen Gral der Simulationskunst:

Es geht um die alte Frage: Wie nutzen (menschliche) Lebensformen ein Heizungssystem?

Duschen Sie beispielsweise auf elementare Art – auch um 03:00 früh? Und muss das elementare Duscherlebnis auch für 10 Gäste in Serie gewährleistet werden – am Morgen nach der kältesten Silvesternacht seit 100 Jahren? Ereignisse wie diese könnte man noch als ein klassisches und seltenes first world problem abtun – und natürlich werden die zukünftig so intelligenten smarten Systeme aufgrund der Facebook-Postings der Partygäste diesen Bedarf vorausahnen und entsprechend reagieren, den Speicher mittels Notheizung auf 90°C aufheizen und vorher per Smartphone-App über die drohende Arbeitszahl-Katastrophe informieren.

Interessanter sind da eigentlich die langfristigen Prognosen über das Siedlerverhalten. Kann die künstliche Intelligenz auch aufgrund genetischer Daten (aus der Cloud des Gesundheitsministeriums) ableiten, wie die Nachkommen die Siedlerhütte nutzen werden?

Angesichts von all dessen fühlt sich so ein kleines Orkrakel schnell überfordert. Es bleibt da doch lieber bei seinem konservativen Ansatz, prinzipiell einen Worst-Case-Winter zu simulieren und im Zweifelsfall dann auf die Intelligenz der Lebensformen zu setzen (im Sinne von Hausverstand) nach dem Motto: Wenn der Jahrhundertwinter kommt, dann warte ich vielleicht die 20 Minuten bis das Wasser wieder warm ist.

Orkrakel und Peak Ice

Wenn der Blubber nicht mit der pannonischen Eisschmelze fertig wird – vielleicht dann das Orkrakel?

Die vom elkement in vielen Jahren liebevoll herangezüchtete Orakelkrake hat endlich ihren großen Einsatz: Wie hat der Verlauf des Eisvolumens mit der Zeit in diesem Winter mutmaßlich ausgesehen?

Die Orakelkrake ist genügsam: Sie ernährt sich primär von Messdaten für Außentemperatur und Strahlung. Füttert man ihr zusätzlich noch so genannte Systemparameter – wie die Heizkurve der Siedlerhütte – dann antwortet sie mit einer Simulation.

Die Sicht des Blubbers:

Die Sicht des Orkrakels:

2016-09 - 2017-03: Temperaturen und Eisvolumen - Simulation

Die Temperaturen im Diagramm sind tägliche Mittelwerte; das Eisvolumen jeweils der Wert am Ende des Tages. Simuliert wird aber in Minutenabständen. Die Temperaturen in allen Tanks und das Eisvolumen wird bestimmt dadurch, wieviel Energie die einzelnen Komponenten verbrauchen oder liefern: Die Wärmepumpe versorgt abwechselnd Puffertank und Hygienespeicher; die Heizkreise entziehen dem Puffer Wärme.

Die aktuelle Heizlast in Abhängigkeit von der Außentemperatur wurde aus den Messungen des monatlichen Energieverbrauchs ermittelt und linear angenähert (bis zur Heizgrenztemperatur). Der COP der Wärmepumpe wird nach den Datenblättern des Herstellers aus Soleeintrittstemperatur und der Vorlauftemperatur berechnet.

Wesentlich ist die Serienschaltung der drei Komponenten im Solekreis: Vedampfer der Wärmepumpe, Kollektor und der Wärmetauscher im Tank. Hier werden die Temperaturen an den Ein- und Austrittspunkten selbstkonsistent ‚im gleichen Moment‘ berechnet – aus Luft- und Tanktemperatur und der aktuellen Entzugsleistung.

Die Logik der Regelung(en) UVR1611 bzw. UVR16x2 und die ‚virtuellen Dreiwegeventile‘ für die Wärmepumpe und den Kollektor werden möglichst realistisch abgebildet: Warmwasserbereitung hat Priorität; der Kollektor wird zugeschaltet, wenn die Lufttemperatur ausreichend über der Soletemperatur liegt.

Der Wärmestrom aus dem / in den Boden wird aus dem Verlauf der Temperatur bis in 10m Tiefe ermittelt, durch Lösung der Wärmeleitungsgleichung. Die Temperatur in der Tiefe ist hier die vorgegebene Randbedingung.

Unter diesen Annahmen liefert das Orkrakel solide Ergebnisse, die der Realität sehr nahe kommen. Peak Ice wird aber um ca. 0,7m3 überschätzt, da die Soleeintrittstemperatur eher überschätzt wird. Das Orkrakel hat nämlich darauf verzichtet, den Wärmetransport im wachsenden Eis zu simulieren oder die Konvektion im Tank (‚4°C-See‘ aufgrund der Dichteanomalie des Wassers). Der Eisspeicher hat in der Simulation immer genau 0°C sobald etwas Eis gebildet wurde. Die Orakelkrake fühlt sich mit diesem gewagten Hüftschuss als Clint Eastwood der Eisspeicher-Simulation. Aber seriösere wissenschaftliche Publikationen zeigen, dass der Wärmetransport zum Eisspeicher-Wärmetauscher nicht wesentlich durch die wachsende Eisschicht beeinträchtigt wird (S.5 dieses Berichts, ‚Ice on Coil‘); somit sollte die Energiebilanz für den Tank halbwegs verlässlich sein.

Independence Day

Es war am 26. Februar 2017, als jene historischen Worte unter dem Betreff ‚Independence Day‘ mittels elektronischer Post bis nach Pannonien gelangt waren:

„… Wir feiern den Anschluss der Hausheizung. Die Gasuhr steht 🙂 …“

‚Hinter den Deichen‘ war eine neue Ära angebrochen! Aber alles der Reihe nach. Eine Eisspeicher-Chronologie im Originalton:

07.01.2016: [Die Anfrage war schon einmal vielversprechend]:

„… Hallo Forscher im weiten pannonischen Süden. Irgendwas im hohen Norden hinter den Deichen, wo das Elend so groß ist, das selbst die Möwen rückwärts fliegen, damit sie das Elend nicht sehen müssen, sagt mir, dass ich von Irgendwem einmal Checklisten anfordern sollte …“

27.01.2016: [Bestandsaufnahme. Die Rüsselpest und ein Delirium bringen das Projekt fast zum Scheitern, bevor es begonnen hat]:

“ … Werde nun meine Hausaufgaben abarbeiten. Hier ist leider die Rüsselpest ausgebrochen. 1640, als die Pest nach London kam, hatte das ja den „Newton-Effekt“. Ein noch wenig erforschter Effekt, bei dem ein kluger Mensch von der Stadt aufs Land zieht um so wenig wie möglich anderen Menschen zu begegnen. In dem dann zwangsläufig entstehenden Kommunikationsvakuum steigt die Wahrscheinlichkeit sprunghaft, wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen …“

14.03.2016: [Detailplanung für den Eisspeicher]:

„… Den Tiefbauer für mein Mausoleum habe ich schon …“

21.03.2016: [Go!]:

„… Es geht in der letzten Aprilwoche los. In 3 Tagen will der Tiefbauer ca. 60 m³ Erde aus dem Garten schaffen … Nebenbei habe ich ein PV-Projekt angeschoben. Schließlich bin ich nun auf der Suche nach Strom …“

29.04.2016: [Es geht voran]:

“ … Die Solarmodule sind auf dem Dach. Der Eisspeicher ist immer noch virtuell. Dafür ist die Baugrube aber schon real. Anfang der Woche wird die Bodenplatte von uns gegossen. Danach geht es Stein für Stein in Richtung Sonne …“

ID-Bagger

23.05.2016: [Abenteuerurlaub]:

“ … Ich hatte Arbeitsurlaub 🙂 Der Speicher ist jetzt auf Sollhöhe 2.20 m.  Jetzt lassen wir das Ganze erst mal schön aushärten … „

08.06.2016: [Opa ist ein alter Fuchs im Baugewerbe]:

“ … Die Hohlkehle innen unten ist fertig. Jetzt kommt noch eine Zementschlämme mit Wasserglas und dann planen wir einen Bitumen-Kaltanstrich von innen, in der Hoffnung dass das Wasser auch da bleibt wo es sein soll …“

ID-Eisspeicher

22.08.2016: [Meilenstein Eisspeicher und erste Erfolge als Kraftwerksbauer]:

“ … Decke auf dem neuen Eisspeicher ist fertig und das Ganze ist jetzt schön ausgehärtet … Da kann ein Panzer drüber fahren … Seit die Photovoltaik-Anlage läuft sind wir stromautark. Na ja, im Sommer keine Kunst. Der Tesla-Speicher rettet uns locker über die Nacht …“

22.08.2016: [Ästhetik ist im Heizungskeller zweitrangig]:

„… Da der alte Kessel einfach dort stehen bleiben soll, wo er ist, wird das hinterher aussehen wie eine Molkerei (viele Rohre) 🙂 Aber ich wohne ja nicht im Keller …“

31.08.2016: [Beschaffung Wärmetauscher/Kollektor]:

„… die gemeine schwarze, von Luft und Sonne lebende, Zaunanakonda hat so ihre Tücken 😉 …“

14.09.2016: [Eine Herausforderung: Wie bringt man einen 1000 Liter Hygienespeicher in den Heizungskeller]:

“ … z.Z. prüfen wir gerade in einem interdisziplinären Arbeitskreis mit Hilfe einer aufwendigen 3D-Simulation, ob wir den Kessel nicht doch die Treppe runter und in den Keller bekommen (also kein Kellerwanddurchbruch). Motto in Deutschland: Wenn Du nicht mehr weiter weißt, bilde einen Arbeitskreis 😉 …“

[Ein Kindheitstraum wird wahr]:

„… Am Wochenende will ich den Graben vom Keller zum Eis-Speicher mit einem Minibagger ziehen, endlich kann ich auch mal Bagger fahren 😉 …“

[Aber bring bitte vorher deine Familie in Sicherheit!].

ID-I-Diagramm

21.09.2016: [Verrohrungsdetails Heizungskeller – ’spannende‘ I-Diagramme]:

“ … Ah spannend, Deine I-Diagramme sind echt gut. Hast Du Dir die Icon-Sprache schon patentieren lassen? …“

29.09.2016: [Fortschritte in der Schlangengrube]:

“ … Bin jetzt mit dem Wärmetauscher fast durch. Die Schläuche und Kabel sind vom Heizkeller zum Eisspeicher verlegt und der Graben ist wieder zu. Der Keller ist wieder zu gemauert (wir sind doch durch die Wand). Die WP und der Kessel sind im Keller …“

ID-Wärmetauscher

03.011.2016: [Die Arbeit hält einen von der Arbeit ab]:

“ … Ich brauche immer etwas länger. Muss ja nebenbei arbeiten gehen 😊. Aber der Bau vom Kollektor hat Spaß gemacht … Wir schließen jetzt die Außenarbeiten ab und basteln dann im Keller weiter 😊 …“

ID-Kollektor

30.11.2016: [Reglerkomponenten]:

„…Das Paket ist angekommen. Ist ein bisschen wie Weihnachten 😉 …“

[Die Weisheit des Alters kommt zu spät]:

„… BTW Opa meint, den 1. Eisspeicher baut man für seinen Feind, den 2. für seinen Freund und erst den 3. für sich selbst. Scheint so, dass er Recht hat … jedenfalls was die Erfahrung anbelangt …“

13.12.2016: [Beim Verkabeln der Regelung wird streng nach Norm vorgegangen]:

„… Habe erstmal nach der „strengen“ Industrienorm „Open Free Scale“ im Keller alles wild verdrahtet, um Ergebnisse zu haben. Winsol ist auch bereits am tun. Cool…“

ID-OpenFreeScale

[Unerklärliche (?) Temperaturabweichung der Eisspeichersensoren]:

„… Wir sind gerade beim Auffüllen des Eisspeichers (ca. bei 30 m³). Interessanterweise sind wir dabei auf eine alle 133,33 Jahre auftretende mysteriöse Temperaturanomalie gestoßen. Oder es haben sich ein paar Erdstrahlen verfangen …“

[Zeitgerechte Öffentlichkeitsarbeit]:

„… aber ich prahle hier schon mal mächtig vor den Kollegen 😉 …“

03.01.2017: [Letzte Vorbereitungen]:

„… Habe über Weihnachten den Keller aufgeräumt und die Anlage an ihren endgültigen Platz verbaut … Also eigentlich müsste ich am Start sein. 🙂 … Das Unternet will ich auch wieder einbinden …“

09.01.2017: [Wärmepumpen-Test]:

“ … so, gestern am 08.01.2017 haben wir unseren ersten Test der WP durchgeführt. Wir haben uns im Anschluss einen Whisky mehr gegönnt (als sonst). Schließlich haben wir vor 1 Jahr mit den Planungen angefangen …“

ID-ErsterWPTest

18.01.2017: [Rüsselpest & Delirium 2]:

“ … Ich pflege gerade meine alljährliche Rüsselpest (zu wenig Eisbaden, aber das kann ja noch kommen, ist ja jetzt gleich um die Ecke) … Habe dann versucht, Hausaufgaben zu machen. Nachdem ich jetzt den Grundkurs in Quantengravitation durch habe und im letzten Kapitel stand, Thermodynamik sei weitestgehend noch unverstanden, und im Grunde ist das relativ, bin ich wieder etwas ruhiger geworden … „

06.02.2017: [Schrittweiser Umstieg]:

„… Ich habe jetzt seit 2 Tagen das Hygienewasser am Laufen. Als nächstes gehen wir an die Einbindung der Heizung ran …“

15.02.2017: [Ein falsch konfigurierter Sensor wird entlarvt]:

„… Die aktuellen Messwerte bestätigen die Hypothese Deines Wissenschaftsoffiziers. Der Controller meldet jetzt ca. 3800 l/h … Aber cool, dass Ihr auf Eurem Holodeck so eine gute Arbeitsmoral habt …“

[Wenn die Sonne scheint]:

“ … Ansonsten sind wir hier gerade sehr zufrieden mit den energetischen Zuständen. 3 Tage Sonne satt, Strom umsonst für alles mit leichtem Überschuss, und der Eisspeicher ist auch wärmer als vorher. Ziemlich cool 😊 …“

26.02.2017: [Jener historische Moment]:

„… wir feiern den Anschluss der Hausheizung. Die Gasuhr steht 😊… Da wir ja nun im Hochenergie-Zeitalter angekommen sind, und daran denken, die Anlage auf eine Umlaufbahn zu schießen, hat Opa die WP schon mal Satelliten-startklar gemacht …“

ID-SatellitenWärmepumpe

27.02.2017: [Ein edler Tropfen zu einem würdigen Anlass]:

„… ein großes Dankeschön für die beste Projektleitung ever. 😊 Ich weiß nicht, welche Whisky-Sorte Du trinkst. Das ist jedenfalls ein Single Malt Speyside …“

ID-SigleMaltSpeyside

Die Bedürfnispyramide des Eisspeichers

Die Datenkrake hat eine ältere Schwester, der bisher noch nicht gefeatured wurde in unseren Internet-Postillen. Bevor die Siedler sich daran wagten, ihren Erdkeller in einen Eisspeicher umzufunktionieren, haben sie eine Orakelkrake gezüchtet – das Orkrakel: eine Simulation des zukünftigen Wärmepumpensystems. Das Orkrakel mutierte mehrfach: Heute ernährt es sich von realen Wetterdaten, ahmt die schlaue Regelung und die dumme Wärmepumpe nach, löst die Wärmeleitungsgleichung für den Boden und führt penibel – in 1-Minuten-Schritten – Buch über den Energieinhalt aller Tanks .

Als echter Geek und Theoretiker kann sich das Elkement hier in Details verlieren. Bei jeder Änderung der Eingangsparameter steigt der Adrenalinspiegel: Wie hoch wird Peak Ice sein? Reicht die Größe des geplanten Tanks aus?

Besonders spannend ist die ‚Sensitivitätsanalyse‘: Worauf reagiert die Orakelkrake besonders heftig? Ihr Energiestoffwechsel scheint tatsächlich filigran zu sein: Kaum dreht man ‚ein bisschen‘ an der Schraube der thermischen Eigenschaften des Bodens oder an der Kollektor-‚Stärke‘ wächst das Eis scheinbar unverhältnismäßig. Wie immer ist es gut, dann einen Schritt zurückzutreten: Tatsächlich lässt sich dies mit Volksschulmathematik auch schon zeigen, ganz ohne Differenzialgleichungen.

Der Beitrag von Kollektor und Boden hängt allerdings u.a. ab von der Steuerungslogik, der Hydraulik, der Form des Tanks und den Wärmeübertragungseigenschaften von Kollektors und Boden. Was man daher wissen muss für den Buchhalter-Ansatz, ist die mittlere Energieausbeute des Kollektors und des Bodens – aus Simulationen oder durch belastbares Zahlenmaterial aus Messungen.

Wie die Siedler nicht müde werden zu betonen, liefert der Kollektor den Löwenanteil der Entzugsenergie der Wärmepumpe – auch in den Eismonaten Dez/Jan/Feb. Der Rest kommt aus dem Boden oder wird dem gefrierenden Wasser im Tank entzogen.

Dann lässt sich so ein Bildchen zeichnen:

Eisspeiche: Bedürfnispyramide - Umweltenergie in den Eismonaten

(Geistreiche Analogien zur Psychologie bitte hier einsetzen)

Am Beispiel einiger typischer Zahlen lässt sich das Eiswachstum illustrieren:

  • Ein quaderförmiger Tank fasst 23 m3
  • Benötigte Umweltenergie für Dez/Jan/Feb: ~7000kWh
    (Das entspricht ca. 9330kWh Heizenergie bei einer Arbeitszahl von 4)
  • ‚Standard‘ Szenario: Der Kollektor liefert 75% der Umweltenergie, die Erde ca. 18%.
  • Schlechtere‘ Szenarien: Kollektorenergie oder Erdenergie oder beide werden um 25% gegenüber dem Standardwert verringert.

Die drei Quellen – Luft/Sonne, Boden und Eis – müssen zusammen die Umweltenergie bereitstellen:

Beiträge zur Umweltenergie in den Eismonaten - Szenarien

Die Energie, die im Eis steckt ist nur der Lückenfüller: Je schlechter Boden und Kollektor ‚performen‘ umso mehr Wasser muss gefroren werden. Liefert der Kollektor ’nur ein bisschen‘ weniger Energie als ’normal‘, ist dieses bisschen von z.B. wenigen 100 kWh nicht vernächlassigbar gegenüber dem Energieinhalt des Eisspeichers.

Das Eis ist nur die Spitze des Energieeisberges!

… in diesem Luft-Erd-Eis-Wärmepumpensystem.

Erde, Luft, Wasser und Eis – wozu das alles?

Jahrelang kämpften die Siedler mit der einen großen Herausforderung des Eisspeicher-Journalismus. Wie stellt man am besten dar, wie das Zusammenspiel von Kollektor und Eisspeicher funktioniert? Wie beantwortet man solche Fragen:

Was bringt der Kollektor eigentlich?

oder

Wozu braucht man den Kollektor überhaupt, wenn die Arbeitszahl während einer Eisspeicher-Challenge ohne Kollektor eh nicht so stark absinkt?

und vor allem

Wie groß ist eigentlich der Beitrag der Erde?

Kann hier die Datenkrake helfen, besser darzustellen, was im Lauf einer Heizsaison passiert?

Aus dem Eisvolumen und der aktuellen Tanktemperatur wird der Energievorrat im Tank berechnet. Die Energie im Tank ändert sich vor allem dadurch …

  1. dass aus dem Tank laufend Energie durch den Wärmetauscher entnommen (Wärmepumpenbetrieb) oder zugeführt (Kollektor) wird.
  2. und dass über die Wand und den Boden des Tanks Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird.

Der Beitrag der Erde kann aus Eisvolumen, Tanktemperatur und der gemessenen Wärmetauscher-Energie berechnet werden. Ergo:

Vorratsänderung (Eis, Wasser) = Energie Tankwärmetauscher + Energie Erde

In stundenlangen Sitzungen von Forschungs- und Ingenieursabteilungen wurden dabei folgende Definitionen für die Vorzeichen dieser Beiträge festgelegt:

Energiequellen, -austausch, -vorrat - Vorzeichenfestlegungen

Wenn der Kollektor aktiv ist, sind drei Wärmetauscher in Serie geschaltet: Der Kollektor, der Wärmetauscher im Tank und der Verdampfer der Wärmepumpe. Die Wärmepumpe entnimmt ihre Entzugsenergie entweder nur aus dem Eisspeicher (wenn der Kollektor weggeschaltet ist) oder aus der kombinierten Quelle gebildet aus Kollektor und Tank.

In den folgenden Diagrammen für die ‚Eisspeicher-Challenge-Saison‘ 2014-2015 werden Entzugsenergie, Kollektorernte, Energiefluss über den Tank-Wärmetauscher, Beitrag der Erde und die Änderung des Eis-/Wasser-Energievorrats gegenübergestellt.

Saison 2014-2015: Monatsbilanzen: Energiequellen, -austausch, -vorrat

Von September bis Jänner steigt die benötigte Entzugsenergie – aber auch der Kollektorbeitrag! Je länger die Wärmepumpe gleichzeitig mit dem Kollektor läuft und je kälter der Tank im Vergleich zur Luft ist, umso mehr Energie kann geerntet werden. In einer typischen Saison deckt der Kollektor in den Eismonaten Dez / Jan / Feb ca. 75% der benötigten Entzugsenergie ab – aber nur in Zusammenspiel mit dem Eisspeicher!

Am Anfang der Saison 2014/15 – solange sich noch kein Eis gebildet hat – folgen die Tanktemperatur und die Soleeintrittstemperatur ungefähr der Außentemperatur. Ende November ist die Außentemperatur aber schnell gesunken – damit kann über den Kollektor aus der vergleichsweise kalten Luft wenig in den noch warmen Tank geerntet werden. Daher wird der Eis-Wasser-Vorrat angezapft und die Erde beginnt zu liefern.

2014-09-01 - 2015-05-15: Temperaturen und Eisbildung

2014-09-01 - 2015-05-15: Tagesbilanzen: Energiequellen, -austausch, -vorrat Am 10.1.2015 konnte dank des Wintersturms Felix extrem viel Kollektorenergie geerntet werden.

Erst nach Abschalten des Kollektors mit Anfang Februar (‚Eisspeicher-Challenge‚), ändert sich der Vorrat beim Vereisen deutlich.

Da der Kollektorbeitrag im Februar gleich Null ist, entspricht der Energieaustausch über den Tank-Wärmetauscher genau der Entzugsenergie. Die Erde liefert dann ca. ein Drittel der Entzugsenergie.

Mitte März startet der Auftauvorgang: Der Kollektor kann aufgrund der konstant auf 0°C bleibenden Tanktemperatur viel ernten und der Tankvorrat wird schlagartig wieder aufgepumpt. Der Energieaustausch mit der Erde ist sehr klein, während der Wärmefluss über den Tankwärmetauscher fast gleich der Vorratsänderung ist.

Anfang Mai startet der Sommerbetrieb: der Kollektor ist aus, um den Tank solange wie möglich auf 8°C zu halten – was zu einem kleinen Wärmefluss der schon warmen Erde in den Tank führt.

Wärmepumpe einmal anders

Die Siedler arbeiten mit recht schlichten Sole-Wasser-Wärmepumpen. In der in diesem Blog dokumentierten Siedlerforschung wird deren Innenleben in der Berichterstattung sträflich vernachlässigt und als Black Box betrachtet. Doch wenn die Abende im Herbst länger werden, dann beginnen sie so manche Internet-Recherche, um grundsätzliche Fragen zu beantworten.

Könnte man eine Wärmepumpe nicht komplett anders bauen?

Und tatsächlich findet man eine verwegene Truppe aus dem Land der Siedler, die genau das gemacht hat: Die so genannte Rotationswärmepumpe verwendet keinen ‚klassischen‘ Kompressor und hier wird auch nicht verflüssigt und verdampft.

Der Druckunterschied wird durch die Zentrifugalkraft der gemeinsamen Rotation der beiden Wärmetauscher auf der Quellen (Niederdruck)- und der Heizungs- (Hochdruck) Seite erzeugt! Der Niederdruckwärmetauscher befindet sich näher an der Achse. Quelle und Senke werden durch die Achse angekoppelt. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt bis zu 1800 Umdrehungen pro Minute.

Das Kältemittel – ein Gemisch aus Edelgasen – wird mit einem Ventilator im Kreis gepumpt und entsprechend einem ‚umgekehrten‘ Joule-Prozess genutzt: Gas wird komprimiert, dadurch erhitzt und dann bei konstantem Druck abgekühlt – hier wird Heizenergie frei. Im nächsten Schritt expandiert das Gas und wird dann bei konstantem (niedrigerem) Druck erhitzt – hier wird der Quelle Energie entzogen.

In der Lehrbuchversion dieses Prozesses sitzt eine (durch Expansion angetriebene) Turbine auf der gleichen Welle wie der Kompressor: Die Kompressionsarbeit ist in der gleichen Größenordnung wie die an der Turbine frei werdende Energie und beide Energien sind relativ hoch im Vergleich zur Differenz – der Nettoantriebsenergie.

Im Gegensatz dazu verwendet man in einer Heizungswärmepumpe zur Expansion des Gases keine Miniturbine, sondern ein Expansionsventil: Hier würde sich die Energierückgewinnung nicht auszahlen. Im Joule-Prozess ist sie unbedingt erforderlich.

Das erklärt, warum die Effizienz des Kompressionsprozesses in der Rotationswärmepumpe sehr hoch sein muss im Vergleich zu den Anforderungen an 0815-Scrollkompressoren in Heizungswärmepumpen: Wenn die Differenz zwischen Kompressionsleistung und Expansionsleistung im Idealfall 100kW beträgt und die Effizienz des Kompressionsprozesses von 100% auf 80% sinkt, ändert sich die Leistungszahl drastisch –  siehe das Zahlenbeispiel auf S. 10 in dieser Veröffentlichung: Im Idealfall werden 100kW benötigt, um die Differenz zwischen 1200kW gewonnener Expansionsleistung und 1300kW absoluter Kompressionsleistung abzudecken. Bei einer Effizienz der Kompression von 80% müssen bei gleich bleibender Expansionsleistung für die Kompression ~1600kW aufgebraucht werden. Die Nettoleistung beträgt dann 500kW – das Fünffache im Vergleich zum perfekten Prozess. Der COP sinkt von 10 auf 2,3.

Diese Anforderungen an die Effizienz erklären wahrscheinlich, warum Rotationswärmepumpen ‚groß gebaut‘ werden und einmal für den industriellen Einsatz gedacht sind. Ein weiterer Vorteil des Prozesses ohne Phasenübergang ist, dass man sich sozusagen ein beliebiges Plätzchen im Zustandsdiagramm aussuchen kann: Die Wärmepumpe kann damit flexibel zwischen sehr unterschiedlichen – und auch Siedlerhütten-untypischen – Temperaturen betreiben werden.

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Den wahnsinnig kreativen Titel zu diesem Posting haben wir uns tatsächlich selbst ausgedacht – wobei wir gerne auf dieses unabsichtliche Plagiat hinweisen.