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!

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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 …

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 …

Autarkie einmal anders

Nach dem eher durchwachsenen Bericht über die Stromautarkie wollen die Siedler einmal auch mit ihren Erfolgen prahlen. Diese Sommerausgabe unserer Internet-Postille widmet sich bisher unbeleuchteten Aspekten des Themas ‚Autarkie‘. Wir entschuldigen uns, wenn der übliche knallharte investigative Technologie-Journalismus dabei etwas zu kurz kommt.

Kann man ein Ziel nicht erreichen, ändert man die Definition der Kennzahl: Ja, wir werden heuer autark sein – nicht bezüglich Heizenergie, aber immerhin was die Versorgung mit Kräutertee betrifft:

Tee, Schafgarbe

Bei der Produktion dieser ausgesuchten Mischung aus weißer und gelber Schafgarbe spielt auch die Energie-Infrastruktur eine wichtige Rolle. Der Schlauchkollektor aus vitalisierten Ripprohren bündelt ja bekanntlich die kosmische freie Energie besonders gut und leitet diese um in diverse Lebensformen:

Schafgarbe und Mohn am Kollektor

Leider wirkt sich der Kollektor-Boost auf alle Elemente der Nahrungskette aus:

Schleimig Aliens beim Kollektor

Wie Beobachtungen zeigen, sind aber diese – immerhin geschützten und essbaren – Aliens bedeutend harmloser als ihre Artgenossen, die ohne mittransportierte SiedlerAlienhütte auskommen.

Eine gut organisierte aber perfide schleimige Armee versucht – weitab vom schützenden Kollektor – die Kohlehydrat-Autarkie-Versuche der Siedler zu vereiteln:

Gefräßige Aliens, koordinate Attacke auf unschuldige Kartoffelpflanzen

Aber die Siedler arbeiten ja insgeheim an ihrer von der Außenwelt hermetisch abgeriegelten und autarken Biosphäre. Als erster Schritt wurde daher versucht, diese Nahrungskette mit einer passenden – und etwas sympathischeren – Lebensform zu ergänzen:

Igel im KartoffelbeetGenerell gelingt es den Siedlern ja sehr gut, die Lebensformen in und rund um ihre Siedlerhütte auf ihre Philosophie einzuschwören und deren Begeisterung für Energietechnik zu wecken:

Junge Amsel, Luftpumpe

Dass sich diese junge Amsel gerade vor der Luftsprudelpumpe besonders wohl fühlt, kann kein Zufall sein – wurde diese doch installiert als Teil eines anderen biologischen Experiments.

Generell schrecken die Siedler vor riskanten sozialen und agrarwissenschaftlichen Experimenten nicht zurück:

Hier findet man offenkundig genmanipuliertes Gemüse in esoterischen Farbtönen …

Gartenmelde

… sowie außerirdische Sonden, die unsere Kultur, Lebensweise und Methoden der Energiegewinnung genauer untersuchen …

Raumkapsel, Sonde

… als auch Aliens, die sich einfach nützlich machen und in unsere Gesellschaft eingliedern wollen …

Alien mit dem Gartenschlauch

… wie wir das aus Dokumentationen ja kennen:

Man kann es als IT-Fuzzi eigentlich nicht anders sagen: Diese Biospähre hat einen gewaltigen Bug!Dieser Garten hat einen Bug

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.

 

Die Wiedergeburt des Ur-Kollektors

Der eine oder andere aufmerksame Leser dieses Blogs wird sich vielleicht gefragt haben, was aus dem Ur-Kollektor von LEO_2 geworden ist. War doch das Ur-Modell im letzten Sommer durch eine optisch noch ansprechendere Lärchenholz-Variante ersetzt worden…

Kollektor in der Frühlingssonne

Fast wehmütig erinnerte sich Irgendwer an den Ur-Kollektor von LEO_2 zurück …

Während die Kollektorschläuche sofort wieder verbaut worden waren, war die ursprüngliche Fichtenholz-Konstruktion zunächst irgendwie übrig geblieben …

Die, die aufgrund des Holz-Heiz-Experiments der Siedler in diesem Winter schon das Schlimmste befürchtet haben, kann Irgendwer beruhigen. Die Holzkonstruktion wurde natürlich nicht verheizt! – Sondern hatte in einem anderen Siedler-Projekt unerwartete Wiederverwendung gefunden …

Irgendwer-in-der-alten-Küche

Die alte Siedlerküche hatte wahrlich schon bessere Zeiten gesehen und verströmte den unwiderstehlichen Charme der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts.

Lange hatten sie es vor sich hergeschoben – die Renovierung der Küche. Und das nicht ohne Grund. Denn damit verknüpft war unter anderem auch die Wahl des zukünftigen Heizsystems des Erdgeschoßes, das ja noch immer von inzwischen in die Jahre gekommenen Flachheizkörpern (wie ganz rechts in obigem Bild ersichtlich) gewärmt wurde.

Nach einigem Tüfteln über die baulichen Gegebenheiten hatten sich die Siedler schließlich für eine Wandheizung im Trockenbau entschieden.

Wandheizung-im-Trockenbau

Welcher Kollektor möchte nicht als Wandheizung wiedergeboren werden? Für die Wandheizung im Trockenbau war eine Unterkonstruktion aus Holz erforderlich. Und dafür passten die ehemaligen Latten des Urkollektors perfekt …

Doch die Wiederverwendung der Holzkonstruktion des Ur-Kollektors war nicht der einzige Grund für diese Entscheidung:

Erstens versuchte Irgendwer, sogenannte ‚Baatz-Arbeiten‚ mit Mörtel, Beton & Co zu verhindern, wo immer es möglich war.

Zweitens war es den Maurern in den Zwanzigern des vorigen Jahrhunderts (die Legende besagte, dass die Siedlerhütte damals erbaut wurde) ganz offensichtlich nicht gelungen, eine halbwegs gerade Wand hinzubekommen. Die langgezogenen Buckel konnten mit der Unterkonstruktion für die Wandheizung gut ausgeglichen werden.

Drittens konnte ein zusätzliche Isolationsschicht in der Unterkonstruktion untergebracht werden. Das würde wieder ein paar kWh Heizenergie einsparen.

Und Viertens erhoffte sich Irgendwer, durch die Flächenheizung die Heizkreis-Vorlauftemperatur im Vergleich zu den Flachheizkörpern senken und damit die Effizienz der Wärmepumpe erhöhen zu können …

Und Fünftens erhofften sich die Siedler natürlich Innovations- und Klimaschutzpreise zu gewinnen mit diesem vorbildlichem Lifecycle-Management von Biomasse!

Treppchen-Ur-Kollektor

Eine Rarität: Treppchen aus Ur-Kollektorholz.

Ja, und nicht zu vergessen: ein kleines Treppchen aus Ur-Kollektorholz war sich ganz nebenbei auch noch ausgegangen…

Die Eisspeicher-Challenge: Tag 68

„Wie gewonnen so zerronnen…“

Im wahrsten Sinne des Wortes war der Eiswürfel inzwischen wieder vollständig dahingeschmolzen. Wobei – genau genommen – das Auftauen nur etwa halb soviel Zeit wie das Gefrieren in Anspruch genommen hatte.

Eisspeicher-Challenge: Eisvolumen und Energievorrat

Zeitlicher Verlauf des Eisvolumes und des entsprechenden verbleibenden Energievorrates im Eisspeicher.

Kaum hatte Irgendwer den Kollektor wieder zugeschaltet, war die Solepumpe fast pausenlos gelaufen, um Umweltenergie über den Kollektor in den Eisspeicher zu pumpen. Während durch das Schmelzen von Eis zu Wasser der Wasserspiegel in den eisfreien Bereichen rasch wieder sank, wurde der obere Teil des ‚Eiswürfels‘ sichtbar und erhob sich wie eine Klippe über das Eismeer.

Eisklippe-im-Eisspeicher

Der Eiswürfel war nicht wirklich ein Würfel, sondern ein bizarres Gebilde, das durch den Verlauf der Wärmetauscherschläuche im Eisspeicher bestimmt war. Nur das oberste Ende wurde durch den sinkenden Wasserspiegel erkennbar …

Obwohl zu dieser Jahreszeit immer noch Umweltenergie für das Heizen der Siedlerhütte benötigt wurde, blieb von der Kollektorernte trotzdem mehr als genug, um das Eis rasch wieder aufzutauen.

Eisspeicher-Challenge: Kollektorernte und Heizwärmebedarf

Beim Auftauen des vereisten Eisspeichers arbeitete der Kollektor besonders effektiv: (1) konnte der Eisspeicher durch das schmelzende Eis extrem viel Energie aufnehmen und (2) war die Soletemperatur ausreichend gering, sodass auch bei niedrigen Außentemperaturen viel Umweltenergie geerntet werden konnte.

Was Irgendwen zusätzlich begeisterte, war die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe. Diese war während der Gefrier-Phase kontinuierlich gesunken, aber mit dem Zuschalten des Kollektors sofort wieder sprunghaft angestiegen – und damit die Arbeitszahl der Wärmepumpe.

Eisspeicher-Challenge: Soletemperatur und Arbeitszahl

Mit dem Beginn der Auftauphase stieg die Eintrittstemperatur der Sole in die Wärmepumpe (und damit die Arbeitszahl) sprunghaft an, obwohl der Eisspeicher noch zu einem großen Teil vereist war.

Denn der besondere Verlauf des Solekreises von LEO_2, der vom Kollektor zuerst in den Eisspeicher und dann in die Wärmepumpe führte, nutzte die Umweltenergie optimal aus:

  • mit erster Priorität wurde durch das Schmelzen des Eises der Energievorrat und damit die Reichweite des Eisspeichers erhöht
  • danach war die Sole immer noch ‚warm‘ genug, um die Arbeitszahl der Wärmepumpe deutlich zu erhöhen.
Packeis im Eisspeicher

Eisspeicher-on-the-Rocks: Während der letzten Eistage trieben Eisschollen und Eisberge im Eisspeicher. Pinguine oder Eisbären wurden aber keine gesichtet …

Die Eisspeicher-Challenge in Zahlen:

  • Kollektor AUS (Beginn ‚Eiswürfelbildung‘): 01.02.2015
  • Dauer ‚Eiswürfelbildung‘: 46 Tage
  • Entzugsenergie während der ‚Eiswürfelbildung‘: ca. 2.860 kWh, davon
    • ca. 1.400 kWh aus dem Gefrieren von ca.15 m3 Wasser (latente Wärme)
    • ca. 1.460 kWh aus Abkühlung / Gefrieren der Eisspeicherumgebung
  • Maximales Eisvolumen: 16,5 m3 (entspricht 15 m3 Wasser)
  • Beginn ‚Auftauen‘: 19.03.2015
  • Dauer ‚Auftauen‘: 22 Tage
  • Kollektorernte während ‚Auftauen‘: ca. 2.685 kWh, davon:
    • ca. 1.125 kWh direkt verheizt (= Entzugsenergie während ‚Auftauen‘):
    • ca. 1.400 kWh zum Schmelzen des Eiswürfels (latente Wärme)
    • ca. 160 kWh zur Erwärmung von Eisspeicher (+ Umgebung)
  • Ende ‚Auftauen‘: 09.04.2015

— ENDE —