Irgendwo im hohen Norden: Expedition Wärmepumpe

Irgendwer hatte sich schon Sorgen gemacht, ob der langen Sendepause vom unerschrockenen Siedler im hohen Norden. Aber er wusste ja, dass dieser mit jeder Sekunde seiner Zeit haushalten musste. Denn schließlich machte doch eine LEO_2 Wärmepumpenheizung nur dann richtig Spaß, wenn man auch eine Siedlerhütte zum Beheizen hatte – und die wollte erst gebaut werden …

So war es dann soweit, dass dieselbe Gestalt angenommen hatte, und angesichts der langsam hereinbrechenden kälteren Jahreszeit das Thema Heizung wieder an Bedeutung gewann.

Das Dasein der ‚Dummen Wärmepumpe‘ in ihrer Holzkiste hatte ein Ende und sie wurde an ihren endgültigen Aufstellungsplatz gebracht. Und nicht nur das. Nach Kiste und Schutzfolie wurden auch die Abdeckbleche entfernt, wodurch ein überraschend sauber verarbeitetes und aufgeräumtes Inneres offenbar wurde.

IIHN-Waermepumpe-Innereien

Eine spannende Expedition in diese weitgereiste exotische Maschine stand bevor, um ihr auch noch die letzten Geheimnisse zu entreißen, die das in etwas gewöhnungsbedürftigem Englisch verfasste Handbuch noch nicht preisgegeben hatte. Besonders diese kryptische Schatzkarte, die sie im Handbuch gefunden hatten, sollte dabei den Weg weisen:

IIHN-Schatzkarte

Der unerschrockene Siedler bewaffnete sich mit festem Schuhwerk, Stirnlampe, Schraubenzieher, Fotoapparat und ausreichend Proviant, bevor er sich auf den Weg machte, um akribisch jeden noch so entlegenen Winkel zu erforschen und zu dokumentieren.

IIHN-Waermepumpe-E-Anschluesse

Irgendwer war besonders  an den elektrischen Anschlüssen interessiert. War es doch der Plan, einige der eingebauten Komponenten – z.B. den elektrischen Heizstab – über die Universalregelung UVR16x2 anzusteuern. Denn die im Handbuch beschriebene Regelungslogik entsprach – wie von einer ‚Dummen Wärmepumpe‘ auch nicht anders zu erwarten – noch nicht ganz seinen Vorstellungen.

IIHN-Kabelbeschriftungen

Es war fast enttäuschend. Noch vor der ersten Übernachtung in der Wärmepumpe, ja sogar noch bevor das erste Proviant-Paket geknackt werden musste, war die Expedition auch schon wieder zu Ende. Alle offenen Rätsel waren gelöst. Denn sämtliche Kabel und Anschlüsse waren von einem Spielverderber mit Wegweisern beschriftet worden, die genau der Schatzkarte entsprachen.

Jetzt war Irgendwer wieder am Zug, um die ‚Dumme Wärmepumpe‘ in die Regelungslogik der UVR16x2 einzubinden. Aber auch das hatte er schon im Vorfeld ausgetüftelt und die Umsetzung war nur noch Formsache …

IIHN-UVR16x2-Regelungslogik

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!

____________________________________

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.

THEO 3 – Der Film

Wo waren die Zeiten!

Als der kleine Irgendwer an regnerischen Nachmittagen noch gebannt auf den Beginn des Ferienprogramms im Fernsehen gewartet hatte. Blockbuster wie „Dick & Doof“ oder „Charlie Chaplin“ waren auf dem Programm gestanden. Und trotz der recht simplen Handlung, die noch ohne Sprache auskamen, hatte er es genossen …

Doch dann kam THEO 3!

Kein LEO_2 Projekt war wie das andere. Jeder Siedler, mochte er unerschrocken, verwegen oder sogar tollkühn sein, drückte seinem Wärmepumpensystem einen individuellen Stempel auf. Und so war es auch dieses mal…

Aber ganz besonders war, dass dieser Siedler schon bevor er mit dem Bau begonnen hatte, ein schönes Spielzeug in Form einer Zeitraffer-Kamera besessen hatte.

So entstand dieser packende Do-it-yourself Thriller, der seinen 100 Jahre alten Vorbildern um nichts nachstand!

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.

LEO, NEO & QUADRO

Wie schön doch das Geräusch einer Wärmepumpe sein konnte! Besonders jetzt, da sie das erste Mal nach dem Bau seiner neuen LEO_2-Anlage angesprungen war und beruhigend vor sich hin brummte!

162tage-waermepumpe-2

Wie schön doch das Brummen der Wärmepumpe sein konnte …

Irgendwo weit, weit weg von Pannonien fiel einem verwegenen Siedler, der über den Sommer seine Heizung umgebaut hatte, ein großer Stein vom Herzen. Nicht auszumalen, was passiert wäre, wenn er die Anlage nicht rechtzeitig zum Laufen gebracht hätte! Nachdem ihm der sommerliche September noch etwas Aufschub gewährt hatte, war dann doch schön langsam die Kälte in seine Siedlerhütte gekrochen und hätte binnen kürzester Zeit zu einer Meuterei seiner ‚Mannschaft‘ geführt. Aber diese Gefahr war nun definitiv abgewendet!

162tage-ol-schema-jpg

Mit dem Online-Schema hatte er die ganze Anlage im Überblick und konnte sich damit rasch von deren korrektion Funktion überzeugen …

Während er gespannt auf die Anzeigen der Sensorwerte blickte, fiel langsam die Spannung des vergangenen halben Jahres von ihm ab. Er hatte nicht damit gerechnet, wie intensiv diese Zeit werden würde, nachdem er damals die Tüftler aus dem fernen Pannonien kontaktiert hatte…

Aber er hatte ja nicht nur in Rekordzeit ‚irgendein LEO_2‘ gebaut, sondern auch seine eigenen ganz speziellen Ideen verwirklicht, die er in vielen E-Mails und Online-Sitzungen mit Irgendwem diskutiert und verfeinert hatte.

So hatte er zusätzlich zur bestehenden Regenwasserzisterne einen weiteren Eisspeicher verbuddelt. Aber nicht irgendeinen, sondern den Fetten Blauen Ring-Wurm, wie ihn Irgendwer bezeichnete (was der immer mit seinem Gewürm hatte …). Aufgrund des hohen Grundwasserspiegels und der Zugänglichkeit seines Grundstückes hatte es aber nicht wirklich eine bessere Alternative gegeben.
Es war zwar nicht ganz einfach gewesen, das Trägergestell und den Wärmetauscher einzubauen, aber schließlich hatte er gemeinsam mit Irgendwem doch noch eine Lösung ausgetüftelt. Nach ‚einigen‘ unvergesslichen Stunden im Inneren von ‚NEO‘ hatte er sogar noch das alte ‚Quadro‘-Kinderspielzeug wiederverwertet, das ohnehin nur im Keller verstaubt war …

162tage-innereien-von-neo

Die perfekt ausgetüftelte Lösung: Wiederverwertung des ausgedienten Kinderspielzeugs ‚Quadro‘ für ein Trägergestell im NEO-Eisspeicher …

Auf den Schlauchkollektor hatte er zunächst verzichtet. Stattdessen hatte er seine Photovoltaik-Module an der Rückseite mit einem Wärmetauscher versehen, der statt dem Schlauchkollektor in den Solekreis eingebunden war. Damit wollte er einerseits Umweltenergie aus Luft und Sonne für LEO_2 sammeln, und andererseits die PV-Module kühlen und damit deren Effizienz steigern. Ob dieses Kalkül aufging, würde er dann spätestens nächstes Frühjahr wissen …

162tage-pv-kollektor

Der kommende Winter wurde spannend: Konnten die Wärmetauscher auf der Rückseite seiner Photovoltaik-Module den Schlauchkollektor wirklich vollständig ersetzen …?

Und ein paar weitere Ideen hatte er noch im Hinterkopf, die er aufgrund der begrenzten Zeit im ersten Anlauf noch nicht in die Tat umsetzen konnte. Im Gesamtkonzept waren sie bereits vorgesehen, mussten aber noch ein wenig auf ihre Realisierung warten …

Herbstliche Gewohnheiten (2)

Nachdem eine ungewöhnlich warme erste Septemberhälfte die Siedler mit sommerlichen Temperaturen verwöhnt hatte, begann nun unaufhaltsam der Herbst in Pannonien Einzug zu halten. Bald würde LEO_2 wieder aus seinem Sommerschlaf erwachen, um für die wohlige Temperierung der Siedlerhütte zu sorgen.

2015-2016-herbst

Es wurde herbstlich in z-village …

Alles war vorbereitet:

Routinemäßig hatte Irgendwer eine kleine Sole-Probe gezogen und mit dem Refraktometer den Frostschutz geprüft, der erwartungsgemäß unverändert bei einem Wert von ca. -25°C lag.

2015-2016-refraktometermessung-frostschutz

Der Frostschutz wurde mittels Refraktometer geprüft: OK.

Sicherheitshalber hatte er in diesem Zuge auch gleich ein paar Liter Sole nachgefüllt, denn mit dem Sinken der Temperatur im Solekreis würde auch der Soledruck im Winter wieder ein wenig zurückgehen.

Auch hatte er trotz der warmen September-Temperaturen den Kühlmodus wieder beendet. Aufgrund der kühlen Nächte war es auch nicht mehr notwendig, mit der passiven Kühlung nachzuhelfen. Viel wichtiger war es nun, den Eisspeicher im September auf Maximaltemperatur aufzuladen. – Denn im Herbst standen die ‚fetten‘ Monate mit den höchsten Arbeitszahlen des ganzen Jahres bevor, auf die sich Irgendwer schon insgeheim freute …

Zu Irgendwessen Herbst-Ritualen zählte auch der Rückblick auf das vergangene LEO_2-Jahr, der sich wie folgt darstellte.

Bis auf den Jänner mit zwei Kälteperioden war der Winter 2015/2016 ungewöhnlich mild verlaufen. Der Frühling war aber nur sehr stotternd in die Gänge gekommen.

2015-2016-temperaturen-und-eisbildung-leo_2

Erst im Jänner hatte sich mit einem Maximum von knapp 7m3 nennenswert Eis  im Eisspeicher gebildet, das aber Mitte Februar schon wieder vollständig geschmolzen war.

Das war auch der Grund, warum die Siedlerhütte nur einen vergleichsweise niedrigen Jahres-Gesamtwärmebedarf  von 16.725 kWh (inkl. Warmwasser) gehabt hatte. Bei einer Jahres-Arbeitszahl von knapp 4,6.

2015-2016-leistungsdaten-leo_2

Leistungsdaten 2015/2016 auf die Monate herunter gebrochen: Die höchsten Monats-Arbeitszahlen hatte es naturgemäß in den Herbstmonaten September bis November und dann wieder im Frühjahr (April und Mai) gegeben. Dann, wenn die Wärmequelle relativ warm und die mittlere Vorlauftemperatur der Wärmepumpe relativ niedrig sind …

Obwohl über die gesamte Heizperiode nur die halbe Kollektorfläche genutzt worden war, konnten trotzdem beachtliche 10.484 kWh über den Kollektor geerntet werden – und das vorwiegend in der kalten Jahreshälfte.

2015-2016-kollektorernte-und-heizwaermebedarf-leo_2

Der milde Wetterverlauf hatte sich auch positiv auf die Kollektorernte ausgewirkt …


Weitere Informationen: Details zu den Messdaten der LEO_2 Pilotanlage sind hier zu finden …