Das Besondere an LEO_2: (1) Die 4 Elemente

„Was ist das Besondere an LEO_2 ?“

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

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

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

Das sorgt für hohe Wärmequellentemperaturen und damit hohe Arbeitszahlen.

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

Element Luft

Element Luft

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

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

Element Feuer

Element Feuer

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

Element Wasser

Element Wasser

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

Temperaturphasen im Eisspeicher

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

Die Erde umgibt den Eisspeicher ohne isolierende Zwischenschicht.

Element Erde

Element Erde

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

Zeitverlauf der Temperaturen im Erdreich

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

Von der gar schauderhaften Geschichte der Elemente und ihren tollkühnen Bezwingern

Die Siedler sind immer auf der Suche nach Inspiration durch Tüftler vergangener Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte.

Da die Beherrschung der vier bis fünf Elemente Erde, Feuer, Luft, Wasser und Eis eine wesentliche Rolle spielt, lag es nahe, eine autoritative Schrift zu konsultieren:

Physik
Eine gemeinverständliche Darstellung
der
physikalischen Erscheinungen
in Ihren Beziehungen
zum praktischen Leben
von
Dr. Alfred Ritter von Urbanitzky

A. Hartleben’s Verlag
1892

Physik, Urbanitzky, 1892

Wo wird das dramatische Wechselspiel der Elemente Feuer und Luft deutlicher als in den erfinderischen Luftfahrzeugen des 19. Jahrhunderts – wie jene der Gebrüder Tissandier?

Ballon der Gebrüder Tissandier

Der Ballon bestand aus gut gefirnißtem Perkal und faßte 1060 Kubikmeter Gas. … Außer dem Anker und dem Ballaste trug die Gondel auch noch einen Siemens’schen Motor, der mit Rücksicht auf seine Bestimmung möglichst leicht construiert war, und eine Chromsäuerebatterie zum Betrieb desselben.

Bei der ersten Fahrt dieses mit Wasserstoffgas gefüllten Ballons suchten die beiden Tissandier sich stets in geringer Höhe (400 bis 500 Meter) über der Erde zu halten, wo an dem betreffenden Tage eine Windgeschwindigkeit von drei Meter herrschte. Indem Sie durch den Elektromotor die Flügelschraube in Bewegung setzten, gelang es ihnen hierbei, dem Winde Stand zu halten, d.h. ein Forttreiben durch den Wind hintanzuhalten.
(S. 298)

Aber die Pioniere der Lüfte wurden nicht nur durch friedliche Motive angetrieben:

Weitaus die größte Anwendung fand der Luftballon, wie allgemein bekannt, während der Belagerung von Paris im deutsch-französischen Kriege 1870-1871. Mit Hilfe des Ballons und der Taubenpost gelang es den Parisern, den Briefwechsel nach außen aufrecht zu erhalten, was jedenfalls einen großen moralischen Erfolg erzielte und dadurch den Widerstand der Belagerten verstärkte.

Weniger erfolgreich waren die Ballons zu Recognoscirungszwecken:

Die Loire-Armee erhielt einen Ballon welcher in Orléans mit Leuchtgas gefüllt und dann an vier Tauen von 150 Mann etwa 10 Kilometer weit nach Saran bei Cercottes hinter die Front der Armee geführt wurde.
(S.302)

Aufklärungsballon nach Tissandier, Geschichte meiner LuftfahrtenSo wie heute geometrische Abmessungen in populärwissenschaftlichen Postillen verdeutlicht werden durch Badewannen oder Fußballfelder, wurden Höhen damals gemessen in Ballonfahrtrekorden oder in …

… der Höhe in welcher Glaisher das Bewustsein verlor
(5. Sept. 1862) – 8838m

Hoehen im VergleichAber noch fehlt die Demonstration der Wissenschaftspoesie on Dr. Ritter von Urbanitzky in ihrer erhebendsten Form. Dies ist auch gleichzeitig jenes Kapitel, in dem es um das Wechselspiel der Elemente Luft, Feuer und Wasser geht – und eventuell auch Eis, wenn man die soeben dokumentierten Eiswolken dazu nimmt.

Notwendige Physik-Vorkenntnisse, um sich im Folgenden nur auf den literarischen Wert konzentrieren zu können: Wie entsteht eine Fata Morgana?

Man kann diese Erscheinungen nämlich …

… z.B. in Aegypten und Ungarn häufig beobachten.

Also hoffen wir natürlich in Pannonien auf dramatische Effekte!

Auch über dem Meere können zuweilen durch eine eigenthümliche Wärmevertheilung so abnorme Dichteverhältnisse in den unteren Luftschichten entstehen, daß vermöge der Luftspiegelung doppelt oder mehrfache Bilder von Schiffen, in der Luft schwebend wahrgenommen werden, und zwar zu einer Zeit wo jene Fahrzeuge des Wassers so sehr entfernt sind, daß sie selbst wegen der Krümmung der Erde noch lange nicht gesehen werden können.
(S. 473/474)

Spiegelung (Totalreflexion) an dichteren Luftschichten

Die alten Sagen von Gespensterschiffen, vom „fliegenden Holländer“, sowie die prophetische Voranzeige von noch nicht in Sicht befindlichen Schiffen durch den früher so sehr bewunderten Leuchtturmhüter auf Isle de France u. dergl. m. finden hierdurch ihre Erklärung.

(S.474)

Und wie phantasiebegabt mussten die Leser damals gewesen sein, um ohne 3D-Animation und HD in folgendem Bild …

Ballon und Schiff im … diese Phänomene zu erkennen:

Als Tissandier im August 1868 von Calais in seinem Ballon aufstieg, sah er unter sich das Meer; die Scene war durch zahlreiche Wolken und Wölkchen begrenzt, die anscheinend auf ebener Fläche zogen, von der einen Seite des Horizontes aufsteigend und sich auf der anderen zerstreuend. Oberhalb der Ballons schwebten in das Violette spielende Massen, welche theils langsam weiter zogen, theils stille zu stehen schienen. Als nun Tissandier den Strand von Dover suchte, der ja nahe genug sein musste, fand er denselben durch einen Vorhang bleifarbener Dünste verhüllt. Die ganze nordwestliche Seite des Horizontes lag als dämmergraues Chaos dar. Ueber sich aber gewahrte er eine weit gedehnte grünliche Dunstschichte – eine Art See in den Wolken.
(S.475)

Jetzt wissen wir, woher die Macher von Pirates of the Carribbean ihre Ideen hatten:

Bald darauf sah er einen kleinen Punkt sich auf dieser Fläche bewegen, und erkannte in demselben dann ein Schiff, so groß wie eine Nußschale, welches umgekehrt auf diesem umgekehrten Meere dahinzog, die Masten wiesen nach unten, der Kiel war nach oben gerichtet. Kurze Zeit später wurde das Spiegelbild des Postdampfers, welcher von Calais nach England steuerte, wahrgenommen, von welchem mit dem Fernrohre selbst der dem Kamine entströmende Rauch zu erkennen war.

Licht aus! Die Märchenstunde für heute ist vorbei!

The Flying Dutchman by Charles Temple Dix

Pannonische Luft: Die ideale Wärmequelle

Wärmepumpen hatten Irgendwen schon immer fasziniert. Aber noch viel  mehr faszinierte ihn die Vielfalt der Methoden, die Ingenieure und andere Tüftler ersonnen hatten, um die Umwelt als Wärmequelle für diese Wärmepumpen anzuzapfen.

Wärmequelle Luft

Die Wärmequelle Luft ist leicht zu erschließen, weil sie uns überall direkt umgibt. Da sie aber sehr wenig Energie speichern kann, müssen 1.000 m3 Luft um etwa 5°C abgekühlt werden, um nur 1kWh Umweltwärme zu gewinnen.

Ursprünglich hatte Irgendwer die Wärmequelle Luft  für das Beheizen seiner Siedlerhütte bereits ausgeschlossen. Oder genauer gesagt: eine spezielle Apparatur, mit der die Wärmequelle Luft genutzt wurde – die klassische Luft-Wasser-Wärmepumpe.

Diese hatte nämlich zwei gravierende Nachteile:

  1. Die Wärmetauscherfläche mit der Luft ist vergleichsweise klein. Dadurch muss eine sehr große Luftmenge pro Zeit mittels Ventilatoren über diesen kleinen Wärmetauscher geleitet werden, was einerseits zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung und andererseits zu Kondensation und Gefrieren einer großen Menge von Luftfeuchtigkeit am Wärmetauscher führt.
  2. Genau dann, wenn die Luftwärmepumpe die meiste Umweltwärme benötigt, ist die Außentemperatur (= Wärmequellentemperatur) niedrig und die Vorlauftemperatur hoch. Damit wird ein großer Teil der Wärme bei kleinen Leistungszahlen (also mit geringer Effizienz) gewonnen.

Die Luft selbst ist für die klimatischen Bedingungen in Pannonien eine durchaus attraktive Wärmequelle, wenn man die durchschnittlichen Temperaturen im Jahresverlauf betrachtet.

Klimadaten Eisenstadt

Typische pannonische Klimadaten: Das langjährige Mittel der Außentemperatur sinkt auch im Winter nur wenig unter den Gefrierpunkt. Allerdings sind minimale Außentemperaturen von -20°C möglich. Besonders interessant ist aber die Tatsache, dass auch sehr hohe winterliche Außentemperaturen bis zu 20°C auftreten (Tauwetterperioden).

Man musste es nur richtig anstellen, sie nutzbar zu machen. Und darüber hatte sich Irgendwer lange Zeit den Kopf zerbrochen, bis er mit der Erfindung einen Weg gefunden hatte, die Nachteile der Luft-Wasser-Wärmepumpe auszugleichen:

  1. Der Kollektor – der Wärmetauscher mit der Luft – hat eine große Fläche, sodaß  natürliche Luftbewegungen (Wind und Konvektion) die Ventilatoren ersetzen. Auch das Abtauen des Kollektors übernimmt die Natur (Tauwetterperioden, Sonnenschein). Als ‚Nebeneffekt‘ kann zusätzlich die Sonnenstrahlung auf den Kollektor zur Energiegewinnung genutzt werden.
  2. Durch den Wassertank (Eisspeicher) werden Angebot und Nachfrage für die Umweltenergie aus Luft entkoppelt.
    Bei niedrigen Außentemperaturen springt der Tank als Wärmequelle ein. Damit wird die Wärmequellentemperatur nach unten begrenzt, weil während des Gefrierens die Wassertemperatur bei 0°C konstant bleibt.
    Eine hohe Außentemperatur erhöht dagegen direkt die Wärmequellentemperatur für die Wärmepumpe. Und mit überschüssiger Umweltenergie, die während warmer Wetterphasen nicht für das Heizen benötigt wird, wird der Tank wieder aufgeladen (Eis schmilzt und Tanktemperatur steigt).
Zeitlicher Verlauf der Sole-Eintrittstemperatur

Zeitlicher Verlauf der Sole Eintrittstemperatur für das Wärmepumpensystem LEO_2 im Vergleich zur maximalen, mittleren und minimalen Außentemperatur. Der Mittelwert der Sole-Eintrittstemperatur über die gesamte Heizperiode 2012 / 2013 lag bei ca. 2,5°C

In der Praxis bedeutete das z.B. für den vergangenen Winter (2012/2013), dass die mittlere Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe nur selten und nur wenig unter 0°C sank. Trotzdem wurden mehr als 75% der benötigten Umweltenergie über die Wärmequelle Luft gewonnen.