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!

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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!

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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 …

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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.

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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 …

Photovoltaik und Wärmepumpe: Tagesverläufe

… aber den Strom, den kann ich mir auch selber machen – im Gegensatz zu Pellets, Holz, Gas oder Öl  …

So ähnlich begründen viele Siedler und Wärmepumpenfreaks die Wahl ihrer PV-Anlage. Auch auf diesem Blog wurde zu diesem Thema schon berichtet und philosophiert – mit der gebotenen Vorsicht: Die täglichen Energiebilanzen zeigten, dass es ohne Batterie nur schwer gelingt, Eigenverbrauch und ‚Autarkie‘ deutlich zu steigern gegenüber einem Haushalt ohne Wärmepumpe – trotz des Energiehungers der Wärmepumpe, der Optimierung des Warmwasserprogrammes und der obsessiven Beschäftigung mit den Eigenheiten sämtlicher Stromverbraucher.

Die folgenden Bildchen aus dem ersten Betriebsjahr sollen das an einigen täglichen ‚Leistungskurven‘ im Lauf eines Jahres zeigen. Uhrzeiten werden ohne Berücksichtigung der Sommerzeit dargestellt.

Verglichen wird jeweils der tägliche Verlauf …

  • … der vom PV-Generator gelieferten elektrischen Leistung (Geloggt am Fronius-Symo-Wechselrichter)
  • … der benötigten Leistung für den Kompressor der Wärmepumpe (Gemessen mittels Energiezähler CAN-EZ an der Steuerung UVR1611)
  • … dem Nettostromverbrauch des gesamten Hauses inklusive Wärmepumpe, wobei die Überschusseinspeisung positiv gezählt wird (Smart Meter EM210, direkt hinter dem Siemens-AMIS-Zähler des Netzbetreibers angebracht).

Eine (nicht modulierende) Wärmepumpe liefert immer die nominelle Heizleistung und benötigt daher als Input ca. 1/4 dieser Energie. Die Siedler verwenden eine 7kW-Wärmepumpe. Damit muss der PV-Wechselrichter – je nach aktuell benötigter Heizungs- oder Warmwasservorlauftemperatur – zwischen 1,5 und 2,5kW liefern. Je mehr Heizenergie benötigt wird, umso länger / öfter läuft die Wärmepumpe. Der PV-Generator muss also genau zum richtigen Zeitpunkt eine relativ hohe Leistung zur Verfügung stellen.

Das bestmögliche Ergebnis im tiefsten Winter

An einem sonnigen Tag nahe der Wintersonnenwende kann im besten Fall zwischen 10:00 und 14:00 durch Sonnenenergie alleine geheizt werden:

2015-12-31: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Diese Tage sind aber selten und in der kalten und langen Nacht wird ein wesentlicher Teil der Heizenergie benötigt.

Sommerlicher Überschuss

Im Sommer liefert die PV-Anlage untertags genug Energie um den Haushaltsstrombedarf zu decken und sogar zweimal Warmwasser aufzuheizen – in der Früh und am Nachmittag:

2015-07-01: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Aber selbst wenn die Spitzen wolkenbedingt abgeschnitten würden, würde es an der gesamten Tagesbilanz gar nicht so viel ändern: Die Wärmepumpe benötigt im Sommer nur einen Bruchteil der gesamten verbrauchten Energie – 1-2kWh von 10-11kWh pro Tag.

Fette Ernte im Frühling

An einem ebenso schönen Frühlingstag ist der PV-Output aufgrund der geringeren Außentemperatur höher als an einem heißen Sommertag. Da noch geheizt wird, können neben der Warmwasserbereitung auch weitere Heizintervalle abgedeckt werden – die optimale Situation.

2016-04-29: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Die elektrischen Leistungen für den Kompressor der Wärmepumpe liegen in der gleichen Größenordnung wie die Leistungsspitzen von Haushaltsgeräten wie Herd oder Wasserkocher zum Erhitzen benötigt werden. Kochen während eines Heizintervalls könnte man ’stromautark‘ mit der 5kW-PV-Anlage der Siedler nur zu Mittag an solchen Tagen.

Der Normalfall: Schlechtes Timing

An einem typischen Tag in der Übergangszeit wechseln Wolken und Sonnenschein rasch ab. In diesem Beispiel passt das Timing der Warmwasserbereitung genau nicht zu den optimalen Ernteintervallen.

2016-03-29: Stromzeugung Photovoltaik, Energieverbrauch Komporessor waermepumpe, gesamter Stromverbrauch (Smart Meter)

Zu Mittag wurden an dem Tag mehr als 3,5kW verbraucht (negative blaue Spitze) – hier siegte das unkontrollierbare Bedürfnis nach Kaffee oder Tee über die Energiespar-Begeisterung. Auch die smarteste Regelung könnte diesen raschen Wechsel von Sonne und Wolken nicht vorhersehen (außer man verfolgt einzelne Wolken…). Aus diesem Grund sind die Siedler auch etwas skeptisch, was das Anfordern der Wärmepumpe durch ein Signal der PV-Anlage betrifft.

Ein Jahr mit LEO_2

Irgendwer hatte ihn oft erlebt diesen Augenblick. Wenn wieder einmal jemand den Fehler gemacht hatte, ihn so etwas ähnliches zu fragen wie:

„Was ist das, dieses LEO_2? Wie funktioniert denn das genau …?“

Wenn er dann begonnen hatte, voller Begeisterung über seine Erfindung zu erzählen, merkte er genau, wie die interessierten Rückfragen recht rasch in einem regelmäßigen

„Mhm. Jo. Mhm … Jo. Jo … Eh …“

verebbten. Und wenn ihn dann die leeren Blicke des Gegenüber mit dieser Mischung aus Langeweile und Unverständinis durchbohrten, wusste Irgendwer genau: da war er wieder dieser Augenblick. Der Moment, besser das Thema zu wechseln, obwohl er gerade erst einmal erklärt hatte, wie eine Wärmepumpe funktionierte und was eine Wärmequelle war.

Aber letztlich hatten ihn gerade solche Momente  zu einem – ja, man konnte durchaus sagen: ‚Kunstwerk‚ – inspiriert.

„Ein Bild sagt mehr als tausend Worte…“

Welch tiefe Weisheit steckte doch in diesem platten Spruch! Aber so sehr sich Irgendwer auch bemüht hatte, es war ihm nicht gelungen, die vielen Gesichter, die LEO_2 im Laufe eines Jahres zeigte, in nur ein Bild zu bannen.

Und so entstand in liebevoller Kleinarbeit ein ganzer Zyklus ‚Die 13 Gesichter von LEO_2‚. Möge er zum Verständnis von LEO_2 beitragen …

Ein Klick auf irgendeines der folgenden Bilder öffnet eine ‚durchklickbare Slide-Show‘ des gesamten Zyklus.

 

Herbstliche Gewohnheiten

Ein außergewöhnlicher Sommer ging zu Ende und der Herbst begann, seine Finger nach z-village auszustrecken.

z-village-herbst

Und jeder begann sich auf seine Weise auf den Winter vorzubereiten. Während die einen ausreichend Holz oder andere Brennstoffe einlagerten …

holzhaufen

… musste Irgendwer LEO_2 fit für den Winter machen.

LEO_2 war ja den ganzen Sommer über für die Warmwasserbereitung und den passiven Kühlbetrieb gelaufen und damit praktisch einsatzbereit. Die ‚jährliche Wartung‘ war daher schnell erledigt. Er prüfte nur

  • den Soledruck
  • den Wasserstand im Eisspeicher
LEO_2-Online-Schema

Ein Blick auf das Online-Schema reichte, um den Soledruck zu prüfen. Auch ein Niveau-Sensor, den Irgendwer inzwischen in den Eisspeicher eingebaut hatte, zeigte ihm an, ob der minimale bzw. maximale Wasserstand im Eisspeicher erreicht waren.

Obwohl irgendwer viele Messwerte inzwischen am Bildschirm ablesen konnte, genehmigte er sich trotzdem einen kleinen Rundgang und warf einen Blick auf den Kollektor, einen weiteren in den Eisspeicher und schaute, ob sonst mit LEO_2 alles in Ordnung war…

Den Sole-Frostschutz hatte er erst voriges Jahr mit dem Refraktometer gemessen, das konnte er sich heuer getrost sparen.

Dann machte er sich, wie es ihm Anfang September inzwischen zur Gewohnheit geworden war, an die Umstellung auf ‚Winterbetrieb‘. Dazu musste er ganze zwei Regelparameter umstellen:

  • Maximale Eisspeichertemperatur: diese hatte er für den Kühlbetrieb im Sommer auf einen niedrigen Wert belassen, damit bei niedrigen Außentemperaturen der Tank über den Kollektor gekühlt wurde. Nun stellte er diesen Wert wieder auf den maximalen (durch die Einsatzgrenze der Wärmepumpe limitierten) Wert von 20°C. Damit sollte der Eisspeicher und das umgebende Erdreich durch die Herbstsonne noch einmal richtig auf Temperatur gebracht – also ‚aufgeladen‘ – werden.
  • Grenztemperatur für die passive Kühlung: Diese hatte er im Sommer so eingestellt, dass ab 24°C Raumtemperatur die passive Raumkühlung einsetzte. Da er nicht wollte, dass auch im Winter gekühlt wurde, wenn er hin- und wieder einmal den Bullerjan anfeuerte, stellte er diesen Parameter auf einen hohen Wert.

Damit waren seine Heizungs-Vorbereitungen für den Winter erledigt und es blieb ihm genügend Zeit um einer weiteren liebgewordenen Gewohnheit nachzugehen, bevor die neue Heizsaison richtig begann: nämlich der Jahresauswertung der Anlagendaten…

2015-09-20-Leistungsdaten_LEO_2

Weitere Informationen: Messdaten LEO_2: Jahres- und Monatsübersichten für die Periode 2014/2015.