Orkrakel und Peak Ice

Wenn der Blubber nicht mit der pannonischen Eisschmelze fertig wird – vielleicht dann das Orkrakel?

Die vom elkement in vielen Jahren liebevoll herangezüchtete Orakelkrake hat endlich ihren großen Einsatz: Wie hat der Verlauf des Eisvolumens mit der Zeit in diesem Winter mutmaßlich ausgesehen?

Die Orakelkrake ist genügsam: Sie ernährt sich primär von Messdaten für Außentemperatur und Strahlung. Füttert man ihr zusätzlich noch so genannte Systemparameter – wie die Heizkurve der Siedlerhütte – dann antwortet sie mit einer Simulation.

Die Sicht des Blubbers:

Die Sicht des Orkrakels:

2016-09 - 2017-03: Temperaturen und Eisvolumen - Simulation

Die Temperaturen im Diagramm sind tägliche Mittelwerte; das Eisvolumen jeweils der Wert am Ende des Tages. Simuliert wird aber in Minutenabständen. Die Temperaturen in allen Tanks und das Eisvolumen wird bestimmt dadurch, wieviel Energie die einzelnen Komponenten verbrauchen oder liefern: Die Wärmepumpe versorgt abwechselnd Puffertank und Hygienespeicher; die Heizkreise entziehen dem Puffer Wärme.

Die aktuelle Heizlast in Abhängigkeit von der Außentemperatur wurde aus den Messungen des monatlichen Energieverbrauchs ermittelt und linear angenähert (bis zur Heizgrenztemperatur). Der COP der Wärmepumpe wird nach den Datenblättern des Herstellers aus Soleeintrittstemperatur und der Vorlauftemperatur berechnet.

Wesentlich ist die Serienschaltung der drei Komponenten im Solekreis: Vedampfer der Wärmepumpe, Kollektor und der Wärmetauscher im Tank. Hier werden die Temperaturen an den Ein- und Austrittspunkten selbstkonsistent ‚im gleichen Moment‘ berechnet – aus Luft- und Tanktemperatur und der aktuellen Entzugsleistung.

Die Logik der Regelung(en) UVR1611 bzw. UVR16x2 und die ‚virtuellen Dreiwegeventile‘ für die Wärmepumpe und den Kollektor werden möglichst realistisch abgebildet: Warmwasserbereitung hat Priorität; der Kollektor wird zugeschaltet, wenn die Lufttemperatur ausreichend über der Soletemperatur liegt.

Der Wärmestrom aus dem / in den Boden wird aus dem Verlauf der Temperatur bis in 10m Tiefe ermittelt, durch Lösung der Wärmeleitungsgleichung. Die Temperatur in der Tiefe ist hier die vorgegebene Randbedingung.

Unter diesen Annahmen liefert das Orkrakel solide Ergebnisse, die der Realität sehr nahe kommen. Peak Ice wird aber um ca. 0,7m3 überschätzt, da die Soleeintrittstemperatur eher überschätzt wird. Das Orkrakel hat nämlich darauf verzichtet, den Wärmetransport im wachsenden Eis zu simulieren oder die Konvektion im Tank (‚4°C-See‘ aufgrund der Dichteanomalie des Wassers). Der Eisspeicher hat in der Simulation immer genau 0°C sobald etwas Eis gebildet wurde. Die Orakelkrake fühlt sich mit diesem gewagten Hüftschuss als Clint Eastwood der Eisspeicher-Simulation. Aber seriösere wissenschaftliche Publikationen zeigen, dass der Wärmetransport zum Eisspeicher-Wärmetauscher nicht wesentlich durch die wachsende Eisschicht beeinträchtigt wird (S.5 dieses Berichts, ‚Ice on Coil‘); somit sollte die Energiebilanz für den Tank halbwegs verlässlich sein.

Von Temperaturwellen und ihrer nicht bewiesenen Wirkung auf Murmeltiere

Irgendwer wollte uns im letzten Posting davon überzeugen, dass sein Eisspeicher ein besseres Orakel sei als ein Murmeltier.

Das elkement als Wissenschaftsoffizier fühlt sich herausgefordert – vor allem, da die wellenartige Änderung der Bodentemperatur eine Erinnerung weckt: Temperaturwellen – das kennen wir doch von irgendwo!

Temperaturwellen werden in jeder Einführung zu Wärmepumpen und oberflächennaher Geothermie gezeigt: In den ersten 10 Metern unter der Erdoberfläche schwingt die Temperatur im Lauf des Jahres hin und her – diese Schwingung klingt mit der Tiefe ab. Dann ist die Temperatur für einige Meter konstant und schließlich steigt sie in größerer Tiefe um ca. 3°C pro 100m an:

temperaturwelle-tiefe

Theoretische Berechnung des Temperaturverlaufs, nach einem einfachen Wärmeleitungsmodell. Für Details zur Rechnung siehe die zweite Hälfte dieses Postings.

Die Temperaturwelle ergibt sich aus der Annahme, dass:

  1. … die Temperatur an der Erdoberfläche sinuswellenartig im Jahresverlauf zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert schwankt.
  2. … zusätzlich ein – kleiner – ‚geothermischer Strom‘ aus dem Erdinneren an die Oberfläche fließt.
Geothermischer Wärmestrom - Earth heat flow

Geothermischer Wärmestrom in mW/m2, an der Erdoberfläche. (Wikimedia user Bkilli1) Der Mittelwert auf Kontinenten ist ca 65mW/m2 – was einer Änderung der Temperatur von 3°C pro 100 m entspricht.

Dieser Wärmestrom stammt teils von radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinneren und  teils von jener Energie, die bei der Bildung der Erde aus Staubwolken und kleineren Himmelskörpern frei wurde. Die Erde kühlt durch diesen Strom aber aufgrund ihrer enormen Masse um weniger als ein Millionstel Grad pro Jahr aus.

temperaturwelle-oberflaeche

Berechnete Temperatur im Erdboden, zu verschiedenen Zeiten des Jahres -Das Maximum oder Minimum in einer bestimmten Tiefe entsteht durch den langsamen, verzögerten Transport der Energie, die an Erdoberfläche absorbiert wurde.

In den ersten 10 Metern Tiefe schwankt die Temperatur um den Wert von 10°C – was auch dem Mittelwert an der Erdoberfläche entspricht bzw. entsprechen muss! Die so genannte oberflächennahe Geothermie nutzt saisonal zwischengespeicherte Sonnenenergie. Der geothermische Strom von 0,065W/m2  ist klein gegen die mittlere Leistung der Sonneneinstrahlung pro Fläche: ca. 144W/m2 bei 1000kWh Globalstrahlungssumme pro Jahr.

Irgendwer berief sich in seinem Orakel-Posting aber nicht auf die Schwingung mit der Tiefe, sondern die langsame zeitliche Änderung der Temperatur in einer bestimmten Tiefe. Nach dem einfachen Modell sieht das in etwa so aus:

temperaturwelle-zeitlich

Temperatur in unterschiedlichen Tiefen in der Erde in Abhängigkeit von der Zeit nach dem gleichen theoretischen Modell wie die vorigen Grafiken. Die jahreszeitlichen Schwankungen werden mit größerer Tiefe schwächer, weil die örtliche Welle abklingt.

Die Siedler-Datenkrake wird regelmäßig mit dem Temperaturwerten im (vom Eisspeicher) ungestörten Boden in 0,3m und in 1m Tiefe gefüttert. Die beiden Wellen sind ca. 10-15 Tage zeitverschoben:

temperaturwelle-boden-messung

Gemessene Temperatur in verschiedenen Tiefen (Logging durch UVR1611 / CMI). Die senkrechten, strichlierten Linien deuten die ungefähre Verzögerung der Temperaturwelle in größerer Tiefe an. Der absolute Wert der Temperaturen in 1m Tiefe ist etwas höher als in der berechneten Kurve für ein ‚typisches‘ Jahr oben.

Vor der Automatisierung wurden Messungen der Erdtemperatur zum Teil unter unmenschlichen Bedingungen manuell durchgeführt. Die Verzögerung zwischen den Punkten in 1m Tiefe und 1,88m liegt in einer ähnlichen Größenordnung:

temperaturwelle-boden-manuell

Manuell gemessene Temperaturen im unbelasteten Boden in unterschiedlichen Tiefen. Der Abstand der strichlierten Linien entspricht ca. 15 Tagen.

Das theoretische Modell benötigt folgende Eingangsparameter:

  • Maximale und minimale Temperatur an der Erdoberfläche: Damit können die zeitlichen Wellen vertikal verschoben und an das lokale Klima angepasst werden.
  • Thermische Eigenschaften des Bodens: Diese – alleine – bestimmen die Zeitverschiebung in unterschiedlichen Tiefen.

Alle Wellen arbeiten sich mit der gleichen Geschwindigkeit im Boden vor: Die Geschwindigkeit ist gleich der Wellenlänge durch die Periodendauer von einem Jahr. Wie man an den ersten Diagrammen sieht, ist die Welle stark gedämpft, d.h. die Wellenlänge ist deutlich länger als die Abklinglänge.

Beide Längen hängen nur von der thermischen Diffusivität ab, die aus drei Eigenschaften berechnet wird. Für die theoretisch berechneten Diagramme wurden folgende Werte verwendet, die sich auch in anderen elkementaren Simulationen zu LEO_2 bewährt haben:

  • Wärmeleitfähigkeit κ = 0,0019 kW/mK
  • Dichte ρ = 2000 kg/m3
  • Spezifische Wärme cp = 1,3 kJ/kgK

Die Diffusivität D ist \frac{\kappa }{\varrho \, c_{p} } und damit 0,0026 m2/h, die Wellenlänge gleich \lambda = \sqrt{4\pi D\tau } = 17m. Die Abklinglänge ist immer um einen Faktor 2π kleiner.

Für 70cm Tiefenunterschied ist die erwartete Verzögerung:

Zeitverschiebung = 8760h * 0,7m / 17m = 360 h = 15 Tage

… was größenordnungsmäßig übereinstimmt mit der in den Messungen sichtbaren Verzögerungen. D.h. die in diesem Artikel präsentierte Methode ist eine Art Orakel zur Bestimmung der thermischen Diffusivität des Erdbodens.

Diverse Legenden zu den Murmeltieren lassen sich möglicherweise auch mit den sich ständig ändernden Temperaturkurven in Zusammenhang bringen. Lernen wir doch, dass die pelzigen Nager diverse Arten von Bauen in unterschiedlichen Tiefen zu unterschiedlichen Zeiten nutzen: ‚Kühle‘ Sommerbaue nahe der Oberfläche, tiefer liegende Nestkammern – und dann noch Höhlen, die ganzjährig zum Absetzen von Exkrementen genutzt werden.

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Wer’s genauer wissen will (die Physik, nicht die Zoologie) und mehr Formeln sehen will:
Siehe einen längeren Artikel dazu auf elkemental Force.

Quelle zur Differenzialgleichung und der Lösung für die Temperaturwellen:
Thermodynamik und Statistik von Wilhelm Macke.