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.

Jenseits von Pannonien (3)

oder

Die Krönung einer Garage

An jenem Tage musste Irgendwer getreu seinem Motto ‚Der frühe Vogel fängt den Wurm!‚ schon ziemlich früh aus den Federn …

Sonnenaufgang

Irgendwer sah gerade die Sonne über den Weiten der pannonischen Ebene aufgehen, als er sich wieder einmal ins Land des kahlköpfigen Herzogs aufmachte …

Denn es galt in der Hütte des unerschrockenen Siedlers am Wärmepumpensystem LEO_2 weiterzubauen. Dieses Mal stand der Kollektor auf dem Programm, der gleichzeitig als Geländer und Sichtschutz einer Terrasse dienen sollte. Dazu mussten die Solarschläuche des Kollektors an einer zaunartigen Trägerkonstruktion aus Lärchenholz montiert werden.

Terrasse-mit-Kollektorzaun-Skizze

Der Kollektor wurde als Geländer / Zaun rund um die Terrasse geführt, wobei er an einer Stelle durch einen Treppenaufgang unterbrochen wurde.

Schon während der Anfahrt hatte sich Irgendwer gedanklich auf das Arbeitspensum vorbereitet, das ihn erwartete. Da die Steher für den Zaun und die Querlatten schon vorbereitend montiert worden waren, galt es noch folgende Schritte zu bewältigen, die er – was die Solarschläuche betraf – noch lebhaft von der Montage des Wärmetauschers im Eisspeicher in Erinnerung hatte:

  • Clip-Leisten an die Latten schrauben
  • Außenlatten an die Querträger schrauben
  • Solarschläuche auf die nötige Länge zuschneiden
  • Solarschläuche in die Clip-Leisten einclipsen
  • Solarschlauchenden mit Solarrohrdichtungen auf das Sammelrohr aufstecken
  • Innenlatten an die Querträger schrauben und gleichzeitig die Solarschläuche einclipsen

Alles absolut keine schwierigen Tätigkeiten, die durch jeden halbwegs geübten Heimwerker leicht zu bewerkstelligen waren. Es war schlicht die große Anzahl der Wiederholungen, die Irgendwen schon erahnen ließen, dass das in einem Tag wohl nicht zu schaffen war…

Material-für-Kollektorzaun

Bei so einer Aufgabe wurde der Akku-Schrauber der unverzichtbare Helfer von Irgendwem. Exakt 1512 Schrauben waren zum Befestigen aller Clipleisten an den 84 Latten nötig. Die 168 Schrauben für die Befestigung der Zaunlatten an den Querträgern nahmen sich dagegen geradezu lächerlich aus …

Aber schon bald hatte Irgendwer beim Surren des Akku-Schraubers seinen Takt gefunden.

Zaunlatten-mit-Clip-Leisten

Zaunlatte um Zaunlatte, Clipleiste um Clipleiste. Nach einem halben Tag waren die ersten 1512 Schrauben verschraubt …

Und als die Sonne mit einem milden Lächeln am Horizont verschwand hatte Irgendwer mit der Hilfe des unerschrockenen Siedlers auch bereits die Außenlatten des Zaunes montiert und die zugeschnittenen Solarschläuche eingeclipst.

Nachdem der Löwenanteil erledigt war, war das ‚Finishing‘ am nächsten Tag fast nur noch Formsache.

Kollektor-Detail: Sammelrohr

Kollektor-Abschluss mit Sammelrohr

Gerade rechtzeitig bevor die unerschrockene Siedlerfamilie wieder auf die Baustelle kam, hatte Irgendwer das Werk vollendet.

Kollektorzaun-Terrasse-2

‚Ein Bild sagt mehr als tausend Worte‘, dachte sich Irgendwer und fing diesen erhebenden Moment für die Nachwelt ein.

Und zur Krönung des Tages hatte auch die Garage, auf deren Dach sich die Terrasse befand, eine hübsche Krone erhalten …

Kollektor-Garagendach-2

 

Ingenieurspoesie – Fehler in der Matrix

Eine wissenschaftliche Analyse ist überfällig: die Suchbegriffe, mit denen verwirrte Internet-Surfer auf punktwissen.wordpress.com gelangen, müssen penibel analysiert werden.

Die Hitliste der Begriffe wird eindeutig angeführt vom unschlagbaren Duo der Energiespeicher – dem Eisspeicher und dem Hygienespeicher.

Allerdings finden sich unter den Suchbegriffen auch einige Fragen und Bemerkungen eher philosophischer Natur. Zur Freude der Siedler werden diese Fragen aber von anderen Suchern bereits beantwortet – und das noch dazu in quasi poetischer Form.

Zur Erstellung des folgenden Suchbegriffsgedichtes wurden folgende Regeln angewendet:

  • Alle Zeilen stammen aus der WordPress-Statistik der Suchbegriffe.
  • Es dürfen nur zusammenhängende Phrasen aus Suchbegriffen entnommen werden; die Begriffe dürfen nicht editiert werden – das gilt auch für Tippfehler.
  • Suchbegriffe dürfen nicht bereits im letzten derartigen Gedicht verwendet worden sein.

Im Sinne eines multimedialen Gesamtkunstwerks werden die Suchbegriffe mit kürzlich gefunden Fehlern in der Matrix verbrämt.

siedler gedicht
wärmequellen gedicht

jetzt du
kolektor zeichnung selbst gemacht
selbstgebaute warmwasserkollektor
was wären die großen erfolge ohne die kleinen

Symbiose
allen beifall gewinnt, wer das nützliche unter das angenehme mischt //
dadurch, dass er den leser ebenso erfreut wie ermahnt

Fehler in der Matrix: Tomate und Kollektor

Tomaten der überaus ertragreichen Sorte ‚Dattelwein‘ wurden in der Kollektor-Matrix gefangen. Die typische Form eines Ellipsoids mit birnenförmiger Ausbuchtung wird ergänzt um die ebenfalls typischen Abplattungen mit dem charakteristischen Muster der (Wärmeübergang verbessernden) Rillen des Kollektors. Zur Vorgeschichte – Wie kommt die Tomate in/auf den Kollektor?

was halten sie von luft wärmepumpe
elektrische föhnheizung
smartgrid thriller

wie wird das abtauen berücksichtigt
wärmepumpe durchlaufen lassen
heizspirale rohrschlange
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definition punktwissen
rastlose tüftler

regenwürmer gefährdung was tun
elektrischer regenwurm Sammler
leiseste Wärmepumpe
symbiose clownfisch
Training

energiespeicher letzte erfindung
wärmepumpe im erdkeller

was kann man für die wärmepumpe als hintergrund gestalten
tomaten am spalier

Fehler in der Matrix: Tomate und Kollektor

Auch die Tomaten der Sorte ‚Green Zebra‘ können der Anziehungskraft des Kollektors nicht entkommen. Zu beachten: Wenn der Tank während des Kühlbetriebs durch den Kollektor gekühlt wird, werden die Zwischen-Kollektor-Rohr-Tomaten beheizt, was sich wahrscheinlich positiv auf das Wachstum auswirkt.

optimaler ort zum siedeln nach horaz
strohhütte in sibirien
siedlern in den USA

warum keine solaranlage
unerwünschte konvektion
die auswirkungen des chinookwindes auf die natur

Fehler in der Matrix: Tomate und Kollektor

Wobei das ja nicht ganz stimmt – der Kollektor ist ja eine ‚Solaranlage‘. Werbepause nach dem Schock über eine gefangene Black-Plum-Tomate (Hier noch nicht ‚black‘): Wir empfehlen insbesondere die Variante ‚Grillplatzerl‘.

wie viel meter rohr kommt im eisspeicher?
rohrwärmetauscher berechnung selber bauen

wie funktioniert eine wärmekraftmaschine ??
begehbarer holzhaufen

frühling ist alle monty python

Fehler in der Matrix: Tomate und Kollektor

Fette Ernte (2)

Technische Innovationen sollen auch optisch ansprechend sein. Dies zeigt sowohl der futuristische Detektor des Large Hadron Collider (CERN) …

CMS-Detektor des LHC (Wikimedia)

CMS-Detektor des LHC (Wikimedia)

… als auch die Steampunk-Ästhetik von Edison’s Generator:

DMM 18326 Edison-Dynamomaschine

Von Thomas Edison 1879 gebauter Generator, er konnte ca. 80 Glühlampen versorgen. (Wikimedia)

Auch die stichprobenartigen Umfragen unter anderen Siedlern (SiedlerInnen) zeigten, dass die ästhetische Anmutung der Erfindung eine entscheidende Rolle spielt. Motiviert durch die Kommentare Kanadischer Siedlerfreunde (‚I think the solar collector has aesthetic appeal!‘) empfinden Irgendwer und Elkement die raffinierte Kombination von schlichtem Schlauchkollektor und wilder Natur als sehr stilvoll:

Kollektor und Tomaten

Die Abschirmung der Sonnenstrahlung stellt keinen Verlust dar, da im Sommer mehr als genug Energie allein durch die Umgebungsluft geliefert wird. Außerdem wird der Tank durch den umgebenden Boden erwärmt.

Im Winter ist das Angebot an Strahlung gering; im Sommer wird das Angebot nicht ausgenutzt, d.h. die Sole-Umwälzpumpe wird abgeschaltet, weil der Tank bereits warm genug ist. Die Sonnenstrahlung liefert somit – unter typischen Bedingungen – (nur) ca. 1/8 der Kollektor-Energieernte. Der Rest wird durch Konvektion aus der Umgebungsluft entnommen. Dies wurde durch Simulationsrechnungen des Elkements bestätigt (die mit einer Software durchgeführt wurden, die zu Unrecht den Ruf eines Tortendiagramm-Erzeugungs-Tools für Controller hat).

Steht weniger oder keine Strahlung zur Verfügung – z.B. aufgrund von Verschattung – muss die gesamte Energie durch Konvektion geerntet werden und die Solepumpe läuft daher länger. Insgesamt wird pro Jahr fast die gleiche Energie aus dem Kollektor gewonnen.

Nur in extremen Kälteperioden muss die fehlende Strahlung durch vermehrte Eisbildung kompensiert werden – das maximal erreichte Eisvolumen wäre daher ohne Strahlung etwas größer.

Kollektor und Tomaten

Irgendwers üppig wuchernde Tomaten stellen auch einen Härtetest für die statische Belastung des Kollektors dar – und demonstrieren den Zusatznutzen des Kollektors als Tomatenspalier.

Glücklicherweise dürften auch hohen Dosen von Tomaten nicht schädlich, sondern eher sehr gesundheitsfördernd sein. Sonst wäre die insgesamt zu erwartende Ernte besorgniserregend:

Tomaten und Kollektor

Dieses Bild zeigt auch, dass:

  • im Siedlergarten in vorbildlicher Weise ökologisch gewirtschaftet wird und kein Trinkwasser ver(sch)wendet wird.
  • die mögliche Nutzung des Tanks als Regenwasser-Zisterne hier noch nicht zur Anwendung gekommen ist.

Die Solar-Wärmepumpe: (Fast) eine Erfindung aus dem 19. Jahrhundert

Mit gutem Grund bezeichnen die Siedler Ihre Erfindung als ‚Erfindung‘. Ohne dass es Ihnen bewusst war, stehen sie auf den Schultern von Giganten – von findigen Ingenieuren wie Edwin Harrison McHenry.

McHenry war Manager und Chefingenieur bei verschiedenen Eisenbahnunternehmen, u.a. der Canadian Pacific Railway. Offenbar auch ein Quereinsteiger in die Solartechnik – oder Ingenieure waren damals prinzipiell sehr vielseitig [1]: Er reichte 1879 das US-Amerikanische Patent Nr. 0659450 ein mit dem Titel:

Apparatus for Obtaining Power From Solar Heat

Die Erfindung beschreibt, wie Energie aus einer Wärmequelle genutzt wird, die wir heute als Solarkollektor bezeichnen würden.

    Erfindung von Edwin H. McHenry, eingereicht 1879: Apparatur for Obtaining Power from Solar Heat. (Bildquelle: US-Patentdatenbank, siehe auch [2])

Erfinding von Edwin H. McHenry, eingereicht 1879: Apparatur for Obtaining Power from Solar Heat. (Bildquelle: US-Patentdatenbank, siehe auch [2])

Zu Recht kann man die handgezeichneten Grafiken der Patente dieser Zeit als Kunst bezeichnen. So wie der Solarkollektor eine alte Erfindung ist, hatte auch schon jemand die Geschäftsidee, diese Bilder in hoher Qualität nachzudrucken und zu verkaufen [3].

Ist das eine Wärmepumpe?

Der Solarkollektor gewinnt die Energie aus Strahlung oder der Umgebungsluft – hier wurde intuitiv die Bedeutung der winterlichen Wärmeübertragung durch Konvektion erkannt. Ebenso wird betont, dass Wärme nur bei niedriger Temperatur zur Verfügung gestellt werden muss.

Die Zeichnung kann als Darstellung des Funktionsprinzips einer Wärmepumpe interpretiert werden:

Das Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck (D3 –> D2), wird verdichtet (E) und gibt Wärme beim Kondensieren bei hoher Temperatur und hohem Druck ab (F2 –> F3). Dann wird das flüssige Kältemittel entspannt und gibt Arbeit ab, indem ein Kolben bewegt wird (G).

Der Verdichter wird als Motor (Engine) bezeichnet und ist ist – im Gegensatz zu modernen Scrollverdichtern – als Kolbenverdichter eingezeichnet.

In einer modernen Wärmepumpe würde zur Entspannung ein Expansionsventil verwendet – man verzichtet auf die geringen Energiegewinne durch einen Motor oder eine Turbine.

Als Kältemittel werden Ammoniak und Kohlendioxid vorgeschlagen – letzteres wurde 1999 von einem Österreichischen Erfinder verwendet als Kältemittel in der CO2-Tiefensonde.

Oder ist es durch ein Kraftwerk?

Allerdings erläutert McHenry, es würde im Verdichter-Motor (E) Energie abgegeben und es müsste in der ‚Pumpe‘ (G) Energie aufgewendet werden. Über Drücke und Temperaturen werden keine Angaben gemacht.

Würde tatsächlich Energie an einen Motor E angegeben durch Entspannung von heißem Dampf unter hohem Druck, dann wäre das wieder die Umkehrung der Wärmepumpe als Kraftwerk. In diesem Fall sind Temperatur und Druck im Kondensator (‚Conde…‘) niedriger als im Verdampfer.

Solarkraftwerk goettelborn

Solarthermisches Kraftwerk

McHenry hatte wahrscheinlich eher die Erfindung eines Solar-Dampfkraftwerks im Sinn – vielleicht als alternative Antriebe für seine Züge.
Niedertemperatur-Dampfkraftwerke werden heute mit Thermoölen als Arbeitsmittel realisiert (OCR-Prozess).

War die Zeit reif für die Wärmepumpe?

Wie ein Blick in eine umfassende Geschichte der Entwicklung von Wärmepumpen [4] zeigt, war McHenry nahe dran und die Zeit um die Jahrhundertwende reif für die Entwicklung von Wärmepumpen für die Heizung von Haushalten:

  • Um 1850 entwickelte der Österreischische Pionier Peter von Rittinger seine als die erste Wärmepumpe bezeichnete Dampfpumpe, die aber nicht stabil funktionierte [5].
  • Ca. ein halbes Jahrhundert später… litt die Schweiz während und nach dem ersten Weltkrieg an einer grossen Brennstoffknappheit. Gleichzeitig bestand das Potenzial für einen Ausbau der Wasserkraft. Not macht erfinderisch. So begannen um 1918 ernsthafte Diskussionen über die Aussichten einer Raumheizung mit Wärmepumpen [4, S.24].

Und sonst:

Das Lesen der Patentschrift von McHenry bietet auch interessante Einblicke in die Entwicklung der Englischen Sprache – wir würden diese Texte gerne von John Cleese gelesen als Audio-Buch kaufen. Ist das eine neue Geschäftsidee?

My invention relates to improvements in means for developing power from solar heat or other sources of heat of low degree, and particularly within the range of ordinary atmospheric temperatures, its object being to render available that potential latent energy from such sources of heat which has not heretofore been commercially utilized.

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[1] Diese Sammlung von McHenrys Dokumenten der Arizona State University belegt, dass der Eisenbahningenieur tatsächlich identisch ist mit dem Solar-Forscher – außer es gab um 1900 zwei Chefingenieure bei genannten Eisenbahnlinien, die sich mit ‚Solarmotoren‘ beschäftigt hatten.
[2] Das Bild wurde verwendet, da Bilder in Amerikanischen Patentschriften im Allgemeinen keinem Copyright unterliegen.
[3] Bezugsquelle for hochwertigen Nachdruck dieses Kunstwerks.
[4] Martin Zogg: Geschichte der Wärmepumpe.
[5] Originalpublikation von 1855: Ueber ein neues Abdampfverfahren mittelst einer und derselben Wärmemenge, welche durch Wasserkraft in ununterbrochenen Kreislauf versetzt wird; vom Oberbergrath Rittinger in Wien.