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. In diesem Video von ECOP wird der Prozess im Detail erklärt.

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.

Die Energiegeschichte der Siedlerhütte

Auf der Seite Über die Siedler werden vollmundig Physik- und Energiegeschichten angekündigt. Deshalb ist eine Aufarbeitung dunkler Kapitel der Energiegeschichte der Siedlerhütte längst überfällig.

Das hierbei verwendete Datenmaterial stammt großteils noch nicht aus der Zählwerkstatt der Siedler, sondern aus kryptischen Postillen der Energieversorger aus der Zeit um die Jahrtausendwende. Insbesondere Ereignisse wie ein Wechsel des Abrechnungszeitraums stellen den Datenauswerter vor große Herausforderungen. Es sollen daher in erster Linie besondere Ereignisse anekdotisch-qualitativ beleuchtet werden.

Die Siedlerhütte ist ein typischer Pannonischer Streckhof, siehe dazu das folgende Video zum historischen Hintergrund dieser regionalen Baukultur. Wir hoffen, dass die Englischen Untertitel auch unseren überregionalen Lesern erlauben, dem Pannonischen O-Ton zu folgen:

Der Siedlerstreckhof durchlebte mehrere Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauches. Entsprechend dem Schlusssatz dieses Videos wurde versucht, ein harmonisches Gleichgewicht zwischen Alt und Neu zu schaffen durch einen behutsamen Umgang mit dem historischen Erbe. Dass die unreflektierte Erhaltung des Status Quo aber kein Ziel war, zeigen folgende Bilder aus der dramatischsten Epoche der Siedlerhütte:

Pannonischer Streckhof, vor Dachbodenausbau.

Der Pannonische Streckhof, Stand Anfang 2008. Schlichte Formgebung durch ein Satteldach, das durch industriell anmutendes Baumaterial des 20. Jahrhunderts überzeugt (‚Well-Eternit‘).

Pannonischer Streckhof, Dachbodenausbau.

März 2008: Kurz nach Beginn der Invasion der Aliens Zimmermänner ist der Punkt der maximalen Zerstörung erreicht.

Pannonischer Streckhof, renoviert, ausgebautes Mansardendach.

2009: Die Siedlerhütte nach abgeschlossener Metamorphose – mit ‚Open Office‘ im neuen Mansardendachgeschoß. Die patentwürdige Anbringung der Satellitenschüssel wurde ermöglicht durch nachhaltige Wiederverwertung historischen Baumaterials.

Obwohl die beheizte Nutzfläche durch diese Aktion von 75 m2 auf 185 m2 um mehr als das Doppelte wuchs, verringerte sich die absolut benötigte Heizenergie sogar beträchtlich.

Aber der Reihe nach. Lasst uns die Energiegeschichte anhand des folgenden Diagramms reflektieren…

Heizenergie pro Jahr 1999-2015

Gesamte Heizenergie inkl. WW-Bereitung ab der ersten vollen Heizperiode 1999/2000 (= ‚2000‘), berechnet aus Gas- und/oder Stromverbrauch. Erst mit Beginn der LEO_2-Ära (2012/2013) werden auch die WW-Energien aufgezeichnet.

1999 bis 2003 – Die Jahrtausendwende

Damals hatten die Siedler noch andere Prioritäten. Die alte Gastherme, die im Maschinenraum an der Wand hing, tat unbeachtet und verlässlich ihren Dienst. Obwohl so manche Dusche zur Kneipp-Kur geriet, weil das Warmwasser noch im Durchlauf durch die Gastherme erhitzt wurde. Abgesehen von einem extrem milden Winter 2000/2001 lag der Gesamtenergieverbrauch bei beachtlichen 25.000kWh pro Jahr.

2004 – Mr. Monk schießt sich ein Eigentor

In einem Anfall von Ordnungswahn beschlossen die Siedler, den Dachboden vom Vermächtnis der Vorbesitzer zu befreien: Ein Haufen von jahrzehntealtem Mais-Stroh und mehrere Schichten endgelagerter Teppiche und Bodenbeläge. Nachdem sich die Staubwolke der Aufräumungsarbeiten verzogen hatte, währte die Freude nur kurz.

In der Siedlerküche kündigten plötzlich auftauchende Schimmelspuren an der Decke das Unheil schon lange vor der Gasrechnung mit einem traurigen High-Score von 30.000kWh pro Jahr an. Der ‚alte Dreck‘ war eine nicht ganz unwesentliche Dämmschicht gewesen …

2005 bis 2007 – Kontinuierliche Verbesserung

Angespornt von dieser Niederlage, war Irgendwer wild entschlossen, diese Scharte auszuwetzen: Dass der Energiebedarf bereits vor dem Umbau 2008 schon deutlich gesunken war, ist der Erneuerung von Fenstern und Außentüren sowie einer ersten Dämmung des ‚Mausbodens‚ mit Dämmwolle zu verdanken. Der Winter 2006/2007 war außerdem extrem warm.

Wie in späteren Siedlerprojekten, jagte schon in dieser Epoche eine Ad-Hoc-Innovation die andere:

Lastenaufzug im Selberbau

Irgendwessen Do-It-Youself-Lastenaufzug für Bauschutt.

2008 – DER Ausbau

Die Siedlerhütte durchlebte die oben schon dargestellte Metamorphose mit Dachgeschoßausbau und Anbringung einer Wärmeschutzfassade.

Auch zu diesem Zeitpunkt waren die Energievisionen der Siedler noch nicht vollständig ausgereift und angesichts der sonstigen großen Kommunkations- und Management-Herausforderungen in einem Bauvorhaben wurde dem Rat des Installateurs folgend ‚einfach‘ die vorhandene Gastherme gegen ein Gasbrennwert-Gerät getauscht.

Aus einem unscheinbaren ‚Nebenschauplatz‘ entwickelte sich ein einschneidendes Fundamentalerlebnis, das das Vertrauen zur Zunft der Rohrverleger grundlegend erschütterte und zusammen mit der Gaskrise 2009 die Entwicklung von LEO_2 einleitete.

2008 bis 2011 – Die Gas-Brennwert Jahre

Der Energieverbrauch war durch den Ausbau und die Brennwerttechnik trotz größerer Nutzfläche auf unter 18.000 kWh / Jahr gesunken.

Ab 2011 – Das LEO-Zeitalter

In der Saison 2011/12 wurde mit einer 3kW Mini-Brauchwasser-Wärmepumpe das LEO-Konzept (‚LEO_1‘) in der Praxis erstmals erprobt. Damals noch bivalent zusammen mit der Gasheizung. Schon in der darauffolgenden Heizperiode 2012/2013 ging LEO_2 als monovalentes Wärmepumpensystem für die Siedlerhütte in Betrieb. Ab diesem Zeitpunkt werden auch die Monitoring-Daten lückenlos erfasst.

Gleich die erste Saison 2012/2013 stellte LEO_2 mit einem außergewöhnlich langen und hartnäckigen Winter (was sich auch im Gesamtenergieverbrauch von fast 20.000 kWh auswirkte) auf eine harte Probe.

Heizenergie bezogen auf die beheizte Nutzfläche, 1999-2015

Gesamte von Gastherme und/oder Wärmepumpe benötigte Energie bezogen auf die beheizte Wohn- (und Arbeits-)Nutfläche, seit der Saison 2008/2009 (=’2009′) um einen Faktor 2,5 erhöht.

Die Siedler verbrauchten pro Quadratmeter in den Jahren 2009-2014 im Mittel ca. 92kWh inkl. Warmwasser – angesichts der 1920er Bodenplatte ein Wert, mit dem die Siedler sehr zufrieden sind – im Vergleich der Werte ohne Warmwasser typischer historischer Siedlerhütten.

2014/2015 beheizte die Wärmepumpe nur das Untergeschoß, im Obergeschoß kam der Bullerjan zum Einsatz. Dieses Holzheizexperiment hat gezeigt, dass der gute Wert durch die Kombination eines großen ‚Fast-Passiv-Dachgeschoßes‘ und eines Erdgeschoßes mit erbärmlicher Kennzahl zustande kommt: Bezieht man die gesamte Heizenergie für diese Saison nämlich nur auf die 75 m2 , erhält man 177 kWh/m2. Die Differenz der Gesamtenenergien für diese Saison und die ebenfalls milde Periode 2013/2014 betrug 4000 kWh – damit würde das 110 m2 Obergeschoß mit ca. 37 kWh/m2 beitragen.

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.

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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