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.

Das Besondere an LEO_2: (1) Die 4 Elemente

„Was ist das Besondere an LEO_2 ?“

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

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

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

Das sorgt für hohe Wärmequellentemperaturen und damit hohe Arbeitszahlen.

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

Element Luft

Element Luft

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

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

Element Feuer

Element Feuer

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

Element Wasser

Element Wasser

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

Temperaturphasen im Eisspeicher

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

Die Erde umgibt den Eisspeicher ohne isolierende Zwischenschicht.

Element Erde

Element Erde

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

Zeitverlauf der Temperaturen im Erdreich

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