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.

Wärmepumpen-Forensik – Teil 2: Mitloggen der Heizenergiewerte

Nachdem sich der neue CAN-Bus-Sniffer warmgeschnüffelt hatte mit nicht sehr spannenden Testwerten, wurde es Zeit für den Einsatz im Feld.

Der Raspberry Pi erhielt zunächst einmal einen würdigen Platz, um sich Überblick über den Heizraum zu verschaffen …

Raspberry Pi hat Alles im Blick

Eine typische provisorische Teststellung. Die einzige Stelle, an der am Beginn der Tests das WLAN-Signal halbwegs OK war. Ein ausgekreuztes Ethernet-Kabel gibt’s außerdem auch noch!

Das CAN-Bus-Kabel wurde entsprechend der Bedienungsanleitung an die Wärmepumpe angeklemmt:

Bedienungsanleitung Stiebel-Eltron WPF 7 basic, Abschnitt Kleinspannung

Abschnitt 12.2.3 – Kleinspannung, Bus-Leitung. Die optionale zusätzliche Stromversorgung („+“) wurde nicht verwendet.

Wie beim Testen mit UVR1611 wurde der ebenfalls kurze CAN-Bus nicht speziell terminiert:

Bedienungsanleitung Stiebel-Eltron WPF 7 basic, CAN-Bus angeschlossen

Stiebel-Eltron WPF 7 basic mit offenem Gehäuse – High (rot), Low (blau) und Ground (gelb) sind angeschlossen.

Damit konnten die elkementaren Tests beginnen …

Der beste Arbeitsplatz

(Für eine mögliche Einreichung bei Wettbewerben wie ‚Great place to work…‘)

… und die CAN-Schnittstelle wurde aktiviert, entsprechend der Anleitung von messpunkt.org mit einer Bitrate von 20kbit/s:

sudo ip link set can0 type can bitrate 20000
sudo ifconfig can0 up

Ohne aktive Kommunikation sind auf dem Bus mit Wireshark dann nur alle paar Minuten zwei Pakete zu sehen – die Wärmepumpe will also gefragt werden.

Besten Dank wieder an juerg5524.ch für die Bereitstellung von CAN-Tools und der Elster-Tabellen, die die diversen interessanten Parameter / ‚Indizes‘ enthalten!

Wir verschaffen uns zuerst einen Überblick darüber, welche CAN-IDs die Wärmepumpe überhaupt verwendet. Eine CAN-ID repräsentiert ein Set von Eigenschaften wie z.B. Ausgänge und kann auch Informationen über die Knoten-ID am CAN-Bus enthalten (Zu CAN-Grundlagen siehe z.B. dieses Dokument.)

Wird der CAN-Bus angefragt mit einer Sender-ID von 680 (siehe ) …

./can_scan can0 680

… erhält man folgende IDs …

elster-kromschroeder can-bus address scanner and test utility
copyright (c) 2014 Jürg Müller, CH-5524

scan on CAN-id: 680
list of valid can id's:

  000 (8000 = 325-07)
  180 (8000 = 325-07)
  301 (8000 = 325-07)
  480 (8000 = 325-07)
  601 (8000 = 325-07)

Fragt man gezielt nach jeder dieser IDs …

./can_scan can0 680 180

… sieht man die Liste der Elster-Indizes mit selbst erklärenden Namen der einzelnen Parameter. Die Siedler finden die interessanten (Logging-würdigen) Parameter alle ‚unter‘ der CAN-ID 180 – hier ein Auszug aus dem Output:

elster-kromschroeder can-bus address scanner and test utility
copyright (c) 2014 Jürg Müller, CH-5524

0001:  0000  (FEHLERMELDUNG  0)
0003:  019a  (SPEICHERSOLLTEMP  41.0)
0005:  00f0  (RAUMSOLLTEMP_I  24.0)
0006:  00c8  (RAUMSOLLTEMP_II  20.0)
0007:  00c8  (RAUMSOLLTEMP_III  20.0)
0008:  00a0  (RAUMSOLLTEMP_NACHT  16.0)
0009:  3a0e  (UHRZEIT  14:58)
000a:  1208  (DATUM  18.08.)
000c:  00e9  (AUSSENTEMP  23.3) 
000d:  ffe6  (SAMMLERISTTEMP  -2.6)
000e:  fe70  (SPEICHERISTTEMP  -40.0)
0010:  0050  (GERAETEKONFIGURATION  80)
0013:  01e0  (EINSTELL_SPEICHERSOLLTEMP  48.0)
0016:  0140  (RUECKLAUFISTTEMP  32.0) 
...
01d4:  00e2  (QUELLE_IST  22.6) 
...
092a:  030d  (WAERMEERTRAG_WW_TAG_WH  781)
092b:  0000  (WAERMEERTRAG_WW_TAG_KWH  0)
092c:  0155  (WAERMEERTRAG_WW_SUM_KWH  341)
092d:  001a  (WAERMEERTRAG_WW_SUM_MWH  26)
...
092e:  02db  (WAERMEERTRAG_HEIZ_TAG_WH  731)
092f:  0006  (WAERMEERTRAG_HEIZ_TAG_KWH  6)
0930:  0073  (WAERMEERTRAG_HEIZ_SUM_KWH  115)
0931:  0027  (WAERMEERTRAG_HEIZ_SUM_MWH  39)

Um z.B. den Stand der Raumheizungsenergie in MWh abzufragen, sendet man …

./can_scan can0 680 180.0931

… und der Output enthält gleich die Summe der MWh- und kWh- Angaben (Indices 0930, 0931):

elster-kromschroeder can-bus address scanner and test utility
copyright (c) 2014 Jürg Müller, CH-5524

value: 0027  (WAERMEERTRAG_HEIZ_SUM_MWH  39.115)

Beim Mitschnüffeln mit Wireshark sieht man die beiden Abfagen (Sender-ID 680) und Rückgabe der beiden Werte:

Mitsniffen am CAN-Bus: Wärmepumpe, Abfrage Heizenergie

Netzwerk-Pakete am CAN-Bus: Abfrage der Elster-Indices 0930 (kWh Heizenergie) und 0931 (MWh Heizenergie) mit can_scan. Die Bedeutung der einzelnen Bits wird im Englischen elkementaren Artikel zu diesem Thema beschrieben.

Um das Monitoring dieser Werte zu automatisieren, wird can_scan alle paar Minuten für die interessanten Parameter ausgeführt und der Zahlenwert aus dem Output in eine CSV-Datei geschrieben. Eine andere Option wäre, nur die Abfrage mit can_scan zu starten und den Output dann mit can_logger einzusammeln.

Die CSV-Datei wird dann per FTP an den Server geschickt, der als Datenkrake sämtliche Logfiles aus unterschiedlichen Quellen (UVR1611 / 16×2, PV-Wechselrichter, Smart Meter) zusammenfasst.

Das komplette Skript – wie auch noch etwas mehr Details zur CAN-Forschung – findet man wie immer auf dem elkementaren Blog.

Natürlich muss der neue Logger auch das Professionalitäts-Level des UVR16x2 einhalten, was die Montage betrifft: Deshalb sind im Routinebetrieb nun beide friedlich auf ihrem Holzbrettchen vereint zu finden (und nach einer Restrukturierung der Netzwerk-Architektur gibt es im Heizraum auch verlässliches LAN und WLAN):

Raspberry Pi mit PiCAN-Board von SK Pang, neben UVR16x2

Raspberry Pi mit PiCAN-Board von SK Pang neben UVR16x2 auf ökologischem Brettchen.

Wie der aufmerksame Leser sieht, wurde auch das CAN-Board getauscht – eine serielle Schnittstelle eröffnet Perspektiven für zukünftige Forschungsprojekte. Danke an SK Pang für ein eigentlich gar nicht mehr verfügbares Board!!

Autarkie einmal anders

Nach dem eher durchwachsenen Bericht über die Stromautarkie wollen die Siedler einmal auch mit ihren Erfolgen prahlen. Diese Sommerausgabe unserer Internet-Postille widmet sich bisher unbeleuchteten Aspekten des Themas ‚Autarkie‘. Wir entschuldigen uns, wenn der übliche knallharte investigative Technologie-Journalismus dabei etwas zu kurz kommt.

Kann man ein Ziel nicht erreichen, ändert man die Definition der Kennzahl: Ja, wir werden heuer autark sein – nicht bezüglich Heizenergie, aber immerhin was die Versorgung mit Kräutertee betrifft:

Tee, Schafgarbe

Bei der Produktion dieser ausgesuchten Mischung aus weißer und gelber Schafgarbe spielt auch die Energie-Infrastruktur eine wichtige Rolle. Der Schlauchkollektor aus vitalisierten Ripprohren bündelt ja bekanntlich die kosmische freie Energie besonders gut und leitet diese um in diverse Lebensformen:

Schafgarbe und Mohn am Kollektor

Leider wirkt sich der Kollektor-Boost auf alle Elemente der Nahrungskette aus:

Schleimig Aliens beim Kollektor

Wie Beobachtungen zeigen, sind aber diese – immerhin geschützten und essbaren – Aliens bedeutend harmloser als ihre Artgenossen, die ohne mittransportierte SiedlerAlienhütte auskommen.

Eine gut organisierte aber perfide schleimige Armee versucht – weitab vom schützenden Kollektor – die Kohlehydrat-Autarkie-Versuche der Siedler zu vereiteln:

Gefräßige Aliens, koordinate Attacke auf unschuldige Kartoffelpflanzen

Aber die Siedler arbeiten ja insgeheim an ihrer von der Außenwelt hermetisch abgeriegelten und autarken Biosphäre. Als erster Schritt wurde daher versucht, diese Nahrungskette mit einer passenden – und etwas sympathischeren – Lebensform zu ergänzen:

Igel im KartoffelbeetGenerell gelingt es den Siedlern ja sehr gut, die Lebensformen in und rund um ihre Siedlerhütte auf ihre Philosophie einzuschwören und deren Begeisterung für Energietechnik zu wecken:

Junge Amsel, Luftpumpe

Dass sich diese junge Amsel gerade vor der Luftsprudelpumpe besonders wohl fühlt, kann kein Zufall sein – wurde diese doch installiert als Teil eines anderen biologischen Experiments.

Generell schrecken die Siedler vor riskanten sozialen und agrarwissenschaftlichen Experimenten nicht zurück:

Hier findet man offenkundig genmanipuliertes Gemüse in esoterischen Farbtönen …

Gartenmelde

… sowie außerirdische Sonden, die unsere Kultur, Lebensweise und Methoden der Energiegewinnung genauer untersuchen …

Raumkapsel, Sonde

… als auch Aliens, die sich einfach nützlich machen und in unsere Gesellschaft eingliedern wollen …

Alien mit dem Gartenschlauch

… wie wir das aus Dokumentationen ja kennen:

Man kann es als IT-Fuzzi eigentlich nicht anders sagen: Diese Biospähre hat einen gewaltigen Bug!Dieser Garten hat einen Bug