Natur und Technik. Wärmequellen und Lebensformen.

Wie jedes Jahr im Sommer muss der Technologiejournalismus kühnen literarischen Experimenten weichen. Aber auch die Avant-Garde-Kunst-Preis-verdächtigen Werke der Siedler werden motiviert durch bodenständiges Ingenieurshandwerk!

Nach einigen Jahren der intensiven Naturbeobachtung ist 2018 eine Retrospektive angebracht – wie interagieren Lebensformen mit Eisspeicher und Kollektor?

Bald nach Errichtung des Urkollektors war klar, dass dieser eine wichtige Funktion für unsere <Journalistensprache> gefiederten Freunde </> erfüllt:

Fasan auf Kollektor

Hier war offenbar ein inspirierender Co-Working-Space / Meeting-Raum für diverse Spezies geschaffen worden:

Die positive Wirkung des Kollektors ist aber nicht auf tierisches Leben beschränkt:

Einer wissenschaftlich höchst umstrittenen Theorie zufolge ist der Effekt dadurch zu erklären, dass der Kollektor selbst von wurmartigen Lebensformen  gebildet wird:

Solarrohr-Wasserspeiend

Auch die seltene Erscheinung eines weiteren Kollektor-Lebenwesens konnte beobachtet werden – der Solar-Skorpion!

Solar-Skorpion

Der Eisspeicher ist nicht minder interessant für technisch versiertes Getier:

Experte

Hin und wieder wird sogar die eine oder andere menschliche Lebensform im Eisspeicher gesichtet:

Irgendwer im Eisspeicher

Auf die pflanzlichen Lebensformen im Siedlergarten soll das Eisspeicherwasser eine ganz besondere Wirkung haben:

Belebtes Eisspeicherwasser

Aber wie alle Fans der einschläfernden Fernsehdokumentationen von Tieren in schönen Landschaften wissen: Die Natur ist gefährlich und unbarmherzig! So soll nicht verschwiegen werden, dass der Eisspeicher auch schon Todesopfer forderte:

Aber die Lebensformen schlagen zurück … auf die Wärmequelle: So einen aggressiven Baum sollte man zum Beispiel nicht unterschätzen:

Baum greift Kollektor an

Glücklicherweise sind die meisten Lebewesen friedlich; manche sind sogar besonders klug. So erhielt der Kollektor kürzlich eine ganz besondere Inspektion:

Kollektor-Inspektor

Kollektor-Inspektion

Jetzt haben die Siedler endlich verstanden, was mit diesem smarten Monitoring gemeint ist!

Smart

Aus BUSO wird LEO

Und so begab es sich, dass ein Siedler gedankenverloren seinen Blick über die schon in die Jahre gekommene Heizungsanlage schweifen ließ. Fast jede der Komponenten weckte eine kleine Erinnerung in ihm. Besonders diese große „Kiste“, wie er sie nannte, die in einer Ecke seines Kellers stand und zwei hervorragend gedämmte 1000-Liter Pufferspeicher verbarg.

BUSO-Kiste

Dazu gehörten ursprünglich 45m2BUSO-Solardach‚-Fläche auf seinem Schuppen, die er zusätzlich zu seiner ‚klassischen‘ Solaranlage vor mehr als einem Jahrzehnt montiert, aber inzwischen wieder stillgelegt hatte.

BUSO-Schuppen

Mit den Solaranlagen hatten sich auch schon einige Regelungen angesammelt: Neben einer UVR1611 aus BUSO-Zeiten, hing da auch noch eine RESOL-Regelung an der Wand. Und beide regelten ganz individuell ihren Teil der Anlage.

BUSO-Regelung-alt

Ja, und nicht zu vergessen: der Kombi-Speicher! Das war ein Husarenstück gewesen, ihn auf die Decke des Heizraums zu stellen. Alles sauber verrohrt und isoliert.

BUSO-Kombispeicher

Der alte Gaskessel mit seinen mehr als 25 Jahren auf dem Buckel tat zwar noch ganz brav seinen Dienst, aber wie lange wohl noch?

BUSO-Gaskessel

Längere Zeit hatte er schon hin- und her überlegt, wie er das Ganze konsolidieren und auf zukunftssichere Beine stellen konnte. Bis er in den Weiten des Internetz auf die pannonischen Tüftler und LEO_2 gestoßen war, und er sich an noch etwas erinnerte, das sich im hintersten Winkel seines Gartens befand:

BUSO-Becken

Das was vom Erfinder einmal als Schwimmbecken vorgesehen worden war, diente nun schon seit geraumer Zeit als Regenwasserspeicher. Aber was sprach eigentlich dagegen, es nun zum Eisspeicher umzubauen?

„Das ist sicher eine treffliche Tüftelei für Irgendwen!“, dachte sich der Siedler als er frischen Mutes elektronische Post nach Pannonien schickte.

Seine Ideen wurden mit Irgendwessen Ratschlägen verfeinert und in ein Konzept gegossen. Und als sich dann auch noch ein Freund namens BAFA bereit erklärte, sein Vorhaben zu unterstützen, steckte er auch schon mitten in seinem LEO_2-Projekt …

Zuerst musste er dem Regenwasserbecken einen etwas stabileren Deckel verpassen, der auch in der Lage war, später den Auftrieb des Eises im gefrierenden Wasser aufzunehmen. Seine Wahl fiel auf eine Holzbalkendecke, die er einfach selbst zusammenzimmern konnte und die für diesen Fall die kostengünstigste Lösung war.

Den gesamten Innenraum legte er mit Teichfolie aus um jedes Risiko hinsichtlich Undichtigkeiten von vorne herein auszuschließen und das verfügbare Volumen zu maximieren.

Die ovale Beckenform war zwar eine kleine Herausforderung. Aber auch dafür hatte Irgendwer einen passenden Wärmetauscher samt Trägergestell ausgetüftelt. Dafür konnte sogar einen Haufen altes PVC-Rohr, der noch irgendwo herumlag,  wiederverwertet werden…

BUSO-PVC-Rohrmaterial

Nachdem er den Eisspeicherdeckel mit Rasensamen begrünt hatte, ließ nur noch der längliche Einstieg in der Mitte vermuten, dass sich da noch mehr darunter befand als nur Erde…

BUSO-Eisspeicher-Deckel

Eine Ecke im Schuppen wurde zum idealen Platz für den ‚Soleverteiler‘ …

BUSO-Soleverteiler

… und der alte BUSO-Kollektor wurde komplett auseinander genommen und neu, möglichst luftig auf dem Schuppendach arrangiert, um ihn LEO_2-tauglich zu machen.

BUSO-Kollektor

Dann wurden noch ‚einige‘ Meter Sole-Leitung verlegt und die Wärmepumpe angeschlossen.

BUSO-Wärmepumpe

Das Kommando über die Regelung übernahm fortan eine UVR16x2, die sich über den CAN-Bus vortrefflich mit der bestehenden UVR1611 und über ein CMI mit dem Internet unterhalten konnte.

BUSO-Regelung

Die UVR1611 behielt zwar ihren Platz auf dem Brettchen und ihre Ein- und Ausgänge, wurde aber fast sämtlicher ‚Intelligenz‘ beraubt, die sie an die UVR16x2 abgeben musste. Für die RESOL-Regelung war der letzte Weg alles Irdischen gekommen. Ihre überschaubare Regelungslogik fand ebenfalls in der UVR16x2 ihre neue Heimat.

Als LEO_2 dann seinen Betrieb aufnahm, war die Hydraulik auf der Heizungsseite noch nahezu unverändert. Wie sich später herausstellen sollte, waren aber auch dort Altlasten verborgen, die die Tüftler noch vor die eine oder andere Herausforderung stellen sollten.

Aber das ist eine andere Geschichte 😉 …

5 Jahre Tüftelei

Am dreiundzwanzigsten Dezember, Anno 2012 spitzte Irgendwer zum ersten Mal seinen virtuellen Federkiel und schrieb eine kleine Geschichte:

Doch dann hatte Irgendwer eine Idee ausgetüftelt, sich ans Reißbrett gesetzt, unzählige Entwürfe gezeichnet und wieder zerknüllt, nächtelang recherchiert und gegrübelt. Schließlich war ihm das Elkement mit seinem spitzen Rechenstift zu Hilfe gekommen und hatte theoretisch bestätigt, was er intuitiv vermutet hatte. Dann wurde in der Werkstatt gezimmert, geschraubt, geklebt, gepinselt und abgedichtet …

Zum ersten Mal wurde der Weltöffenlichkeit ein Blick auf den Kollektor 1.0 gewährt:

Der Urkollektor.

Mittlerweile sind 5 Jahre in das idyllische Land gezogen und die Anlage von Irgendwem und dem Elkement erlebte unzählige Mutationen. Irgendwer musste viele Abenteuer bestehen, die ihn oft an seine mentalen und physischen Grenzen brachten. Vom White-Out…

White-Out

… bis zum Kampf mit gar unheimlichen Kreaturen:

Kampf mit der Flexschlauch-Anaconda

Irgendwer folgte seiner innerem Stimme, die ihm sagte, dass er mutig vorangehen musste.

Und jetzt Du!

Die sehr scheuen pannonischen Tüftler schreckten sich fast, als sie telegraphische Post von anderen Siedlern erhielten – die Irgendwessen Aufruf tatsächlich folgen wollten!!

Und so ritt Irgendwer an einem legendären Morgen im Februar 2014 in den Sonnenaufgang – bepackt mit den Bauteilen für einen Tank-Wärmetauscher:

PVC-Trägerkonstruktion: Transport

Auf dieser Baustelle kam auch Cutting Edge Technology zum Einsatz  …

Internet-of-Things und Basteln 4.0

… und die Siedler begannen intern zu scherzen als (Ex-)Computer-Fuzzis :

Irgendwann machen wir so ein Wärmepumpenprojekt komplett als Fernprojekt!

Und im Herbst 2014 kam sie dann, die Rohrpost vom anderen Ende des Kontinents – der Beginn eines außergewöhnlichen Projektes, das ob der großen Entfernung zwischen dem Hohen Norden und Pannonien alleine auf die Mittel der modernen Kommunikation angewiesen war.

Seitdem wurden Elkement und Irgendwer ordentlich gefordert. Es gab offenbar ein kleines aber feines Grüppchen unerschrockener, verwegener und manchmal sogar tollkühner Siedler, die ihre Begeisterung für Eisspeicher, Wärmepumpen, Selber-Bau und Regelungs-Tüfteleien teilten.

Zaghafte Ideen irgendetwas zu ’standardisieren‘ wurden glücklicherweise durch die Ideen dieser motivierten Siedler im Keim erstickt:

Siedler bauten ihre Eisspeicher-Keller neu

Wärmetauscher in neu gebauten 'Eisspeicher-Keller'

… oder sie nutzen vorhandene Hohlräume wie  Zisternen oder Senkgruben

Flexschläuche -Senkgrube als Eisspeicher

Ein cleverer Siedler adaptierte ein altes Schwimmbecken. Ein anderer griff zum Vorschlaghammer, um einen bereits vorhandenen Eisspeicher umzubauen!

Eisspeicher waren eckig oder rund

Zylindrischer Eisspeicher selbst gemauert

… oder gebräuchliche Betonzisternen – eine oder zwei …

… oder besonders futuristische Kunststofftanks:

NEO und QUADRO

Diese Speicher wurden verbunden mit Kollektoren aller Art: Der zeitlos-klassische Schlauchkollektor auf Lärchenholz kann zaunartig montiert werden…

Kollektor auf Garagendach

… oder auch kühn an die Wand eines Hochbunkers gelehnt werden:

Kollektor am Hochbunker

Innovative Siedler bauten solarthermische Kollektoren um oder installierten einen Kollektor als Kühlung für ihre PV-Module. Ein echter Pionier arbeitet mit dem, was da ist: Auch industrielle Stahlwärmetauscher die irgendwo übrig geblieben waren hatte ein Ingenieur-Siedler in Erwägung gezogen.

Aber die Kombiquelle Eisspeicher und Kollektor ist für manche Siedler nicht Herausforderung genug. So erhielten Frau El(k)ement und Herr Irgendwer eine Anfrage zu einer Tüftelei, die dieser Bezeichnung alle Ehre machte. Seitdem wurde auch die Eisspeicher-Brunnenquelle ins Programm aufgenommen.

Auch was Verteilung und Speicherung der Wärme in der Siedlerhütte betrifft, sind die Siedler-Erfinder kreativ. Vorhandene Speicher mit kryptischem hydraulischen Verhalten wurden erforscht und so manches Wochenende der Bastelei im Heizraum gewidmet. Speicher wurden über engste Kellerstiegen in Heizungsräume transportiert die so klein waren, dass es physikalisch zunächst unmöglich erschien, alle nötigen Anlagenkomponenten dort unterzubringen. – Aber wo ein Wille, da auch ein Weg!

Mit Irgendwem hatten die Siedler diverse hydraulische Schaltungen ausgetüftelt, um u.a. aktivierte Betonkerne einzubinden – oder Wärmetauscher für Kühlung bzw. Wärmerückgewinnung.

Dank peniblester Dokumentation und ausführlichen Berichten der mutigen Siedler hatten die Pannonier immer das Gefühl, direkt in deren Werkstatt live dabei zu sein …

Siedlerwerkstatt: Kappsäge

Natürlich wurden auch unterschiedlichste Wärmepumpen ausprobiert – von den klassischen Fabrikaten aus Deutscher Ingenieurshand

Satelliten-Wärmepumpe

… bis zur berühmt-berüchtigten Chinesischen Wärmepumpe

Verwegen! (HISEER-Wärmepumpe)

Außerdem soll nicht unerwähnt bleiben, dass man gar keine Wärmepumpe haben muss, um ein Teil der Siedler-Tüftler-Community zu sein: Auch Solaranlagen geben Irgendwem immer wieder interessante Regelungsrätsel auf.

In diesem Sinne möchten sich die pannonischen Siedler nach 5 Jahren der abenteuerlichen Tüfteleien bei allen anderen Siedlern für ihren Mut bedanken!

__________________________________

Weiterführende Literatur: Die chronologische Liste aller veröffentlichten Geschichten anderer Siedler sind auf dieser Seite aufgelistet.

Irgendwo im hohen Norden: Der Große Tag!

Mit Hingabe und höchster Sorgfalt hatte der verwegene Siedler im hohen Norden oft noch zu später Stunde an der Fertigstellung der Anlage gearbeitet.

IIHN-Verwegen

Alle Warnungen hatte er in den Wind geschlagen und mutig die Herausforderungen angenommen.

Nach der erfolgreichen Wärmepumpenexpedition galt es jetzt noch, die letzten Rohre und Ventile in die Installation einzufügen.

IIHN-Hydraulik-1

Zu manch später Stunde saß der Siedler grübelnd über den Skizzen von Irgendwem, und übersetzte I-Diagramme in handfeste Installateurskunst …

Ja, und fast hätte er es vergessen, da fehlte ja auch noch dieses Außenteil – ‚Kollektor‘ nannte das Irgendwer. Lange hatte er es hinausgezögert, aber nun galt es auch diese letzte Hürde in Angriff zu nehmen und in die Wanten zu steigen …

IIHN-In-die-Wanten

‚In die Wanten!‘ – so mussten sich die Matrosen auf den Segelschiffen vergangener Jahrhunderte gefühlt haben …

Schließlich betrachtete er zufrieden sein Werk: ein durchaus attraktiver Blickfang – in massivem Lärchenholzdesign an seine Burgmauer gelehnt. Schön langsam entwickelte sich das Ganze zu einem Gesamtkunstwerk.

IIHN-Kollektor

Wurde auch Zeit. Denn erstens nahte der Winter und zweitens wollte auch der frisch gelegte Estrich ausgeheizt werden.

Wie schön war doch der Anblick, als sich die Adern des Solekreises endlich mit dem grünen Frostschutzgemisch füllten.

IIHN-Solefüllung

Und dann ging es an die letzten Prüfungen. Nachdem er gemeinsam mit Irgendwem die Checkliste des Inbetriebnahme-Protokolls durchgegangen war, war er letztendlich da, der große Moment!

Wie ein Film lief das ‚Abenteuer Eisspeicher‘ noch einmal vor seinem inneren Auge ab – mit all den Höhen und Tiefen, die er in den letzten Monaten durchlebt hatte. Nicht ohne Stolz ließ er seinen Blick noch einmal über die Installation schweifen, die er mit eignen Händen und etwas Hilfe von den pannonischen Siedlern geschaffen hatte.

Das Herz schlug ihm bis zum Hals, als er – der Kapitän auf der Brücke – an der Regelung den letzten Schalter umlegte und die Wärmepumpe damit ‚freigab‘:

‚Energie !‘

 

Die Wärmepumpe sprang an, und gespannt beobachtete er die Anzeigen an der Regelung und im Online-Schema. Alles innerhalb normaler Parameter. Bis nach exakt 3 Minuten die Wärmepumpe mit einem ‚Indoor Flow Alarm‘ trotzig ihren Dienst verweigerte.

IIHN-Durchflusswächter

Dieser eigenwillige Durchflusswächter im Herzen der exotischen Wärmepumpe signalisierte einen ‚Indoor Flow Alarm‘ …

Es wäre kein richtiges Abenteuer gewesen, wenn nicht im letzten Moment noch ein ‚Alarm‘ den Adrenalinspiegel an den Anschlag geführt hätte. Wie schon so oft, lag aber die Lösung in den schier unendlichen Tiefen des Wärmepumpen-Manuals verborgen, für das man ’nur‘ den passenden Universalübersetzer benötigte.

IIHN-Manual-1

Alles klar, oder? Diese  Zeilen enthielten für Irgendwen den entscheidenden Hinweis …

Ein Parameter der Wärmepumpenregelung wurde umgestellt. Die Wärmepumpe sprang wieder an und – lief durch!

Nach anfänglichem ‚Herzflimmern‘ stellte sich nun ein ruhiger, regelmäßiger und kräftiger Herzschlag ein, der begann die Siedlerhütte im hohen Norden zu wärmen …

IIHN-Herzschlag

Das Kollektor-Paradoxon

Kürzlich wurde hier das übliche Messdaten-Update abgefeiert. Die PDF-Messdatendokumentation enthält inzwischen schon fünf komplette Heizsaisonen:

Heizenergien (inkl. Warmwasser), elektrische Energien (inkl. Solepumpe) und die resultierende Arbeitszahl für die bisherigen Saisonen. Zu speziellen Experimenten in jedem Jahr siehe Text des Postings oder das oben verlinkte PDF.

Es wird Zeit, endlich die fundamentalen Fragen der Eisspeicher- und Kollektor-Forschung in Angriff zu nehmen.

Welchen Einfluss hat die Fläche des Kollektors auf die Performance der Anlage?

und

Wie stark ist der Kollektor?

Im Herbst 2014 hatte Chefingenieur dieses Forschungsprojekt gestartet und schnell einmal den Kollektor umgebaut. Nicht nur wegen der Ästhetik der Lärchenholzkonstruktion, sondern um die nutzbare Fläche umschalten zu können – von 12m2 auf 24m :

Kollektorschaltungen

OBEN: Voller Kollektor, Schaltung wie in den Heizsaisonen 2012, 2013 und 2017 (aktuell). UNTEN: Halber Kollektor, verwendet in den Saisonen 2014, 15, und 16.

Nun gilt es, Heizsaisonen zu finden, die sich (fast) nur durch die genutzte Kollektorfläche unterscheiden.

Die Saisonen 2014 und 2016 fallen einmal weg, da die Siedler hier versucht haben, einen riesigen Holzhaufen ökologisch sinnvoll wegzubringen … ein Problem mit dem ein renovierungswürtiger Siedler sich hin und wieder konfrontiert sieht:

Die Siedler vor über eine Dekade – zum Zeitpunkt der größten Zerstörung. Das Bild zeigt einen kleinen Teil des übrigen ‚Brennholzes‘.

So wurde in diesen Saisonen nur das Untergeschoß mit der Wärmepumpe beheizt. Aufgrund des atypischen Kollektorbetriebs während der Eisspeicher-Challenge muss man die Saison 2014 ohnehin aus der Wertung nehmen.

Dann sollte auch der Jahres-Energiebedarf vergleichbar sein: Die kalten Winter 2012 und 2016 fallen damit weg.

Es bleiben die eher wärmeren Saisonen 2013 (ganzer Kollektor) und 2015 (halber Kollektor): Das ganze Haus wurde mit der Wärmepumpe beheizt; Heizenergien und Entzugsenergien waren sehr ähnlich.

Aber der Blick auf die Jahresarbeitszahlen verursachte ein erstes Stirnrunzeln. Die waren praktisch identisch (!). Um eine Tendenz erkennen zu können, musste man tiefer graben und die Eisperioden (Dez/Jan/Feb) vergleichen. Dort erkennt man zwar einen Unterschied, der fällt aber weit geringer aus, als man ihn vielleicht erwarten würde

In der Eisperiode für den halben Kollektor war:

  • die Kollektorernte um ca. 10% niedriger
  • die Arbeitszahl um ca. 0,2 Punkte geringer
  • die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe um ca. 1,5K geringer
Halber-Kollektor-vereist

Der halbe Kollektor in Betrieb.

Die Siedler überprüften Ihre Datenkrake auf Bugs und versuchten alte handschriftliche Notizen zu entziffern. Kann das stimmen?

Aber eigentlich hätte sie es schon lange wissen müssen: Das Orkrakel – ihre Simulation des Wärmepumpensystems hatte diesen Trend vorhergesagt. Aber auch die ersten Berechnungen aus grauer Vorzeit liefern den Schlüssel zur Lösung des Rätsels. So hatten die Siedler doch tatsächlich verdrängt, dass sie sich vor Jahren – vor dem Bau von LEO_2 – schon theoretisch damit beschäftigt hatten, was eine Vergrößerung der Kollektorfläche bringen kann.

Schon damals war ihnen die Bedeutung der Serienschaltung des Kollektors mit dem Wärmetauscher im Eisspeicher bewußt gewesen.

Für the ‚theoretische Abhandlung von Wärmetauschern in Serie‘ muss man eigentlich nur zwei Dinge wissen:

  1. Die Leistung eines Wärmetauschers kann man auf zwei Arten darstellen: Einerseits als proportional zur Differenz der Soletemperaturen beim Ein- und Austritt – und andererseits als proportional zur mittleren Temperaturdifferenz zwischen Sole und dem umgebenden Medium (Luft oder Wasser im Tank).
  2. Wenn man Wärmetauscher in einem Kreis zusammenhängt, sind ihre Leistungen nicht unabhängig, da sie die Temperaturen an den Verbindungspunkten gemeinsam haben.

Wenn die Wärmepumpe nicht läuft, dann müssen Kollektor und Tankwärmetauscher beide genau die gleiche Leistung ‚tauschen‘. Kennt man Luft- und Tanktemperatur, Schlauchlängen und Übertragungsfaktoren – dann kann man die Wärmetauscherleistung ausrechnen.

Das Orkrakel kennt die Leistung der Wärmepumpe und deren Spreizung im Solekreis – und berechnet nach diesen Prinzipien so die Soletemperatur an den interessanten drei Verbindungspunkten im Solekreis:

3-Punkte-Methode - Wärmeaustauscher und Solekreis: Eisspeicher, Wärmepumpe, Kollektor.

Überblick über Wärmeaustauscher und Solekreis. Die drei ‚interessanten‘ Temperaturen im Solekreis, vor/nach Wärmepumpe, Kollektor und Tank können berechnet werden aus der aktuellen Wärmepumpenleistung, Außen- und Tanktemperatur.

Der entscheidende Punkt lässt sich schon erkennen, wenn man den ‚Regenerationsbetrieb‘ ohne Wärmepumpe betrachtet:

Die aktuelle Ernte-Leistung des Kollektors ist proportional zum Temperaturunterschied von Luft und Tank … nicht sehr überraschend! Je wärmer die Luft im Vergleich zum Tank, umso mehr kann man ernten.

Dann spielt die Kombination der Wärmeübertragungseigenschaften der beiden Wärmetauscher eine Rolle: Wie man – eigentlich auch wieder ohne Forschungsprojekt – erwarten hätte könne, ist die übertragene Leistung sehr klein, wenn einer der beiden Wärmetauscher sehr ’schlecht‘ ist im Vergleich zum anderern: Wenn z.B. der Schlauch im Tank unverhältnismäßig kurz wäre, oder wenn statt einem Schlauchkollektor (mit gutem Wärmeübergang durch Konvektion) ein Flachkollektor verwendet würde.

Wenn man in so einem suboptimalen Fall den ohnehin schon viel besseren Wärmetauscher noch besser macht, dann ändert sich nicht viel. Macht man stattdessen den schlechteren besser, sieht man – eh klar – eine deutliche Verbesserung. Haben beide Wärmetauscher Übertragungseigenschaften in der gleichen Größenordnung – wie das die typischer ‚Siedler-Dimensionierung‘ vorsieht, dann kann die Größe oder ‚Stärke‘ jedes Wärmetauschers vergleichsweise deutlich ändern, ohne drastische Auswirkung. Z.B. wird durch Vergrößerung der Kollektorfläche die Leistung besser, aber sie wächst weniger als linear.

Damit ist auch die Frage nach der Stärke des Kollektor beantwortet: Man kann nicht sagen, wieviel ein Kollektor in kW oder in kW pro Fläche bringt, wenn man nicht auch die Eigenschaften des dazugehörigen Wärmetauschers im Tank kennt.

Noch einen subtilen Effekt gilt es zu berücksichtigen: Der halbe Kollektor bringt nun fast die doppelte Leistung pro Fläche. Aber damit alles zusammenpasst, muss nach den genannten ‚Wärmetauschergrundsätzen‘ auch die mittlere Temperaturdifferenz zum umgebenden Medium größer werden: das Produkt aus Fläche und dieser Temperaturdifferenz darf sich ja fast nicht ändern.

Nachdem die Lufttemperatur vorgegeben ist, muss damit die mittlere Soletemperatur sinken und damit sinkt die Arbeitszahl etwas – genau der Effekt, den die Siedler in den Daten für die Eisperioden sehen.

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.