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.

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.