Aus BUSO wird LEO: Hydraulik-Chirurgie

Es war keine ganz einfache Operation gewesen. Aber die Herztransplantation der Anlage war erfolgreich verlaufen. Der alte Gaskessel war herausgeschnitten und durch eine funkelnagelneue Sole-Wasser-Wärmepumpe ersetzt worden, die nun mit kräftigen Herzschlägen die Adern der Heizungsanlage mit warmem Wasser flutete.

Durch den gleichzeitig durchgeführten chirurgischem Eingriff im Regler-System liefen nun alle elektrischen Signale der Sensoreingänge und Schaltausgänge im CMI zusammen, wo sie im Minutentakt aufgezeichnet wurden und so ein Quasi-EKG der Anlage lieferten.

CMI (Control & Monitoring Interface): Die Logging-Zentrale ...

Das CMI (links oben) zeichnete alle Regelungssignale auf …

Und mit genau diesem EKG war Irgendwer noch nicht wirklich zufrieden. Die erhöhte Vorlauftemperatur der Wärmepumpe würde die Leistungsfähigkeit des Patienten nachhaltig gefährden.

BUSO-Log-2017-11-06

Die hohe Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (T.WP 1) bereitete Irgendwem noch etwas Kopfzerbrechen …

Irgendwie vertrug sich das neue Herz noch nicht ganz mit dem über Jahre und Jahrzehnte gewachsenen Organismus der bestehenden Anlagenhydraulik. Wieder und wieder hatte er das EKG studiert und jedes mal war er zum gleichen Schluss gekommen: Die Durchblutung des Kombispeichers war gestört, was wiederum eindeutig mit dessen Bauweise zusammenzuhängen schien.

BUSO-Kombispeicher

Der eingebaute Warmwasser-behälter schien die natürliche Konvektion im Kombispeicher empfindlich zu stören …

Gleichzeitig war dieses Organ stark belastet. Zwei Heizkreise wurden von ihm gespeist. Und als wäre das nicht genug gewesen, war es auch noch für die gesamte Warmwasserversorgung zuständig. Andererseits gab es da einen enormen Doppel-Pufferspeicher, der vor Langeweile Däumchen drehte.

BUSO-Hydraulikschema-vorher

Historisch gewachsene Anlagenhydraulik, in der der ehemalige Gaskessel durch eine Sole-Wasser-Wärmepumpe samt LEO_2-Wärmequelle ersetzt worden war …

Und während er das Hydraulikschema hin- und herwälzte, formierte sich die Lösung vor seinem geistigen Auge. Hier musste definitv ein Bypass gesetzt werden und dort eine Rückschlagklappe. Wenn man dann an dieser Stelle noch ein Ventil einbaute und diese beiden Anschlüsse ein wenig versetzte …

BUSO-Hydraulikschema-nachher

Und so sollte die Anlagenhydraulik nach dem chirurgischen Eingriff aussehen: Ein Bypass sollte die Durchblutung im oberen Bereich des Kombispeichers verbessern. Die Heizkreise sollten zur Entlastung an die Pufferspeicher gehängt werden. Und die Herzklappen V.Lad.PS und V.Lad.KS sollten zu einer abwechselnden Durchblutung von Puffer- und Kombispeicher führen …

Schon wurde der Operationssaal vorbereitet. Der Siedler und sein Kumpel sollten diesen Eingriff mit telemedizinischer Unterstützung vornehmen. Einen solche Operation hatte noch niemand vor ihnen versucht und würde ihnen sicherlich einen Vorschlag zum Nobelpreis einbringen!

Und tatsächlich! Als der Patient das zweite Mal aus dem Tiefschlaf erwachte, ging es ihm deutlich besser. Er sollte schon fast in häusliche Pflege entlassen werden, als bei einer Nachuntersuchung eine immer noch erhöhte Rücklauftemperatur der Wärmepumpe diagnostiziert wurde, die die Arbeitszahl in den Keller drückte.

BUSO-Log-2017-12-14

Besser, aber die Rücklauftemperatur der Wärmepumpe  (T.WP 2) war immer noch zu hoch …

Verflixt! Wo kam denn das schon wieder her! Aus dem Hydraulikschema war kein Hinweis darauf zu erkennen …

So musste die Anlage Rohr für Rohr und Ventil für Ventil untersucht und mögliche Abweichungen zum Hydraulikschema ausfindig gemacht werden. Und tatsächlich, nach einer Abenteuerreise durch den staubigen Heizungskeller und einem Tauchgang in der ‚Kiste‘ fand sich unter einem dicken Wulst aus Isoliermaterial der Übeltäter: Ein Vier-Wege-Mischer!

BUSO-4-Wege-Mischer

Unter der Isolierung befand sich – auf den ersten Blick nicht zu erkennen – der Missetäter: ein 4-Wege-Mischer …

Den hatte wohl in grauer Vorzeit jemand zur Rücklaufanhebung eingebaut, die aber heute in Verbindung mit einer Wärmepumpe vollständig kontraproduktiv war …

BUSO-3-4-Wege-Mischer

Statt des im Hydraulikschema vermuteten 3-Wege-Mischers fand sich tatsächlich ein 4-Wege-Mischer in der Anlage. Dieser bewirkt im Misch-Zustand die Anhebung der Rücklauftemperatur!

Dieses kleine Gebrechen mit großer Wirkung konnte aber in diesem Fall ambulant behoben werden. Kurze Zeit später verließ der Patient bei bester Gesundheit mit einer runderneuerten Hydraulik das Spital.

BUSO-Log-2018-03-14

Und das Hydraulik-EKG entsprach nun auch endlich Irgendwessen Ansprüchen…

5 Jahre Tüftelei

Am dreiundzwanzigsten Dezember, Anno 2012 spitzte Irgendwer zum ersten Mal seinen virtuellen Federkiel und schrieb eine kleine Geschichte:

Doch dann hatte Irgendwer eine Idee ausgetüftelt, sich ans Reißbrett gesetzt, unzählige Entwürfe gezeichnet und wieder zerknüllt, nächtelang recherchiert und gegrübelt. Schließlich war ihm das Elkement mit seinem spitzen Rechenstift zu Hilfe gekommen und hatte theoretisch bestätigt, was er intuitiv vermutet hatte. Dann wurde in der Werkstatt gezimmert, geschraubt, geklebt, gepinselt und abgedichtet …

Zum ersten Mal wurde der Weltöffenlichkeit ein Blick auf den Kollektor 1.0 gewährt:

Der Urkollektor.

Mittlerweile sind 5 Jahre in das idyllische Land gezogen und die Anlage von Irgendwem und dem Elkement erlebte unzählige Mutationen. Irgendwer musste viele Abenteuer bestehen, die ihn oft an seine mentalen und physischen Grenzen brachten. Vom White-Out…

White-Out

… bis zum Kampf mit gar unheimlichen Kreaturen:

Kampf mit der Flexschlauch-Anaconda

Irgendwer folgte seiner innerem Stimme, die ihm sagte, dass er mutig vorangehen musste.

Und jetzt Du!

Die sehr scheuen pannonischen Tüftler schreckten sich fast, als sie telegraphische Post von anderen Siedlern erhielten – die Irgendwessen Aufruf tatsächlich folgen wollten!!

Und so ritt Irgendwer an einem legendären Morgen im Februar 2014 in den Sonnenaufgang – bepackt mit den Bauteilen für einen Tank-Wärmetauscher:

PVC-Trägerkonstruktion: Transport

Auf dieser Baustelle kam auch Cutting Edge Technology zum Einsatz  …

Internet-of-Things und Basteln 4.0

… und die Siedler begannen intern zu scherzen als (Ex-)Computer-Fuzzis :

Irgendwann machen wir so ein Wärmepumpenprojekt komplett als Fernprojekt!

Und im Herbst 2014 kam sie dann, die Rohrpost vom anderen Ende des Kontinents – der Beginn eines außergewöhnlichen Projektes, das ob der großen Entfernung zwischen dem Hohen Norden und Pannonien alleine auf die Mittel der modernen Kommunikation angewiesen war.

Seitdem wurden Elkement und Irgendwer ordentlich gefordert. Es gab offenbar ein kleines aber feines Grüppchen unerschrockener, verwegener und manchmal sogar tollkühner Siedler, die ihre Begeisterung für Eisspeicher, Wärmepumpen, Selber-Bau und Regelungs-Tüfteleien teilten.

Zaghafte Ideen irgendetwas zu ’standardisieren‘ wurden glücklicherweise durch die Ideen dieser motivierten Siedler im Keim erstickt:

Siedler bauten ihre Eisspeicher-Keller neu

Wärmetauscher in neu gebauten 'Eisspeicher-Keller'

… oder sie nutzen vorhandene Hohlräume wie  Zisternen oder Senkgruben

Flexschläuche -Senkgrube als Eisspeicher

Ein cleverer Siedler adaptierte ein altes Schwimmbecken. Ein anderer griff zum Vorschlaghammer, um einen bereits vorhandenen Eisspeicher umzubauen!

Eisspeicher waren eckig oder rund

Zylindrischer Eisspeicher selbst gemauert

… oder gebräuchliche Betonzisternen – eine oder zwei …

… oder besonders futuristische Kunststofftanks:

NEO und QUADRO

Diese Speicher wurden verbunden mit Kollektoren aller Art: Der zeitlos-klassische Schlauchkollektor auf Lärchenholz kann zaunartig montiert werden…

Kollektor auf Garagendach

… oder auch kühn an die Wand eines Hochbunkers gelehnt werden:

Kollektor am Hochbunker

Innovative Siedler bauten solarthermische Kollektoren um oder installierten einen Kollektor als Kühlung für ihre PV-Module. Ein echter Pionier arbeitet mit dem, was da ist: Auch industrielle Stahlwärmetauscher die irgendwo übrig geblieben waren hatte ein Ingenieur-Siedler in Erwägung gezogen.

Aber die Kombiquelle Eisspeicher und Kollektor ist für manche Siedler nicht Herausforderung genug. So erhielten Frau El(k)ement und Herr Irgendwer eine Anfrage zu einer Tüftelei, die dieser Bezeichnung alle Ehre machte. Seitdem wurde auch die Eisspeicher-Brunnenquelle ins Programm aufgenommen.

Auch was Verteilung und Speicherung der Wärme in der Siedlerhütte betrifft, sind die Siedler-Erfinder kreativ. Vorhandene Speicher mit kryptischem hydraulischen Verhalten wurden erforscht und so manches Wochenende der Bastelei im Heizraum gewidmet. Speicher wurden über engste Kellerstiegen in Heizungsräume transportiert die so klein waren, dass es physikalisch zunächst unmöglich erschien, alle nötigen Anlagenkomponenten dort unterzubringen. – Aber wo ein Wille, da auch ein Weg!

Mit Irgendwem hatten die Siedler diverse hydraulische Schaltungen ausgetüftelt, um u.a. aktivierte Betonkerne einzubinden – oder Wärmetauscher für Kühlung bzw. Wärmerückgewinnung.

Dank peniblester Dokumentation und ausführlichen Berichten der mutigen Siedler hatten die Pannonier immer das Gefühl, direkt in deren Werkstatt live dabei zu sein …

Siedlerwerkstatt: Kappsäge

Natürlich wurden auch unterschiedlichste Wärmepumpen ausprobiert – von den klassischen Fabrikaten aus Deutscher Ingenieurshand

Satelliten-Wärmepumpe

… bis zur berühmt-berüchtigten Chinesischen Wärmepumpe

Verwegen! (HISEER-Wärmepumpe)

Außerdem soll nicht unerwähnt bleiben, dass man gar keine Wärmepumpe haben muss, um ein Teil der Siedler-Tüftler-Community zu sein: Auch Solaranlagen geben Irgendwem immer wieder interessante Regelungsrätsel auf.

In diesem Sinne möchten sich die pannonischen Siedler nach 5 Jahren der abenteuerlichen Tüfteleien bei allen anderen Siedlern für ihren Mut bedanken!

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Weiterführende Literatur: Die chronologische Liste aller veröffentlichten Geschichten anderer Siedler sind auf dieser Seite aufgelistet.

Irgendwo im hohen Norden: Der Große Tag!

Mit Hingabe und höchster Sorgfalt hatte der verwegene Siedler im hohen Norden oft noch zu später Stunde an der Fertigstellung der Anlage gearbeitet.

IIHN-Verwegen

Alle Warnungen hatte er in den Wind geschlagen und mutig die Herausforderungen angenommen.

Nach der erfolgreichen Wärmepumpenexpedition galt es jetzt noch, die letzten Rohre und Ventile in die Installation einzufügen.

IIHN-Hydraulik-1

Zu manch später Stunde saß der Siedler grübelnd über den Skizzen von Irgendwem, und übersetzte I-Diagramme in handfeste Installateurskunst …

Ja, und fast hätte er es vergessen, da fehlte ja auch noch dieses Außenteil – ‚Kollektor‘ nannte das Irgendwer. Lange hatte er es hinausgezögert, aber nun galt es auch diese letzte Hürde in Angriff zu nehmen und in die Wanten zu steigen …

IIHN-In-die-Wanten

‚In die Wanten!‘ – so mussten sich die Matrosen auf den Segelschiffen vergangener Jahrhunderte gefühlt haben …

Schließlich betrachtete er zufrieden sein Werk: ein durchaus attraktiver Blickfang – in massivem Lärchenholzdesign an seine Burgmauer gelehnt. Schön langsam entwickelte sich das Ganze zu einem Gesamtkunstwerk.

IIHN-Kollektor

Wurde auch Zeit. Denn erstens nahte der Winter und zweitens wollte auch der frisch gelegte Estrich ausgeheizt werden.

Wie schön war doch der Anblick, als sich die Adern des Solekreises endlich mit dem grünen Frostschutzgemisch füllten.

IIHN-Solefüllung

Und dann ging es an die letzten Prüfungen. Nachdem er gemeinsam mit Irgendwem die Checkliste des Inbetriebnahme-Protokolls durchgegangen war, war er letztendlich da, der große Moment!

Wie ein Film lief das ‚Abenteuer Eisspeicher‘ noch einmal vor seinem inneren Auge ab – mit all den Höhen und Tiefen, die er in den letzten Monaten durchlebt hatte. Nicht ohne Stolz ließ er seinen Blick noch einmal über die Installation schweifen, die er mit eignen Händen und etwas Hilfe von den pannonischen Siedlern geschaffen hatte.

Das Herz schlug ihm bis zum Hals, als er – der Kapitän auf der Brücke – an der Regelung den letzten Schalter umlegte und die Wärmepumpe damit ‚freigab‘:

‚Energie !‘

 

Die Wärmepumpe sprang an, und gespannt beobachtete er die Anzeigen an der Regelung und im Online-Schema. Alles innerhalb normaler Parameter. Bis nach exakt 3 Minuten die Wärmepumpe mit einem ‚Indoor Flow Alarm‘ trotzig ihren Dienst verweigerte.

IIHN-Durchflusswächter

Dieser eigenwillige Durchflusswächter im Herzen der exotischen Wärmepumpe signalisierte einen ‚Indoor Flow Alarm‘ …

Es wäre kein richtiges Abenteuer gewesen, wenn nicht im letzten Moment noch ein ‚Alarm‘ den Adrenalinspiegel an den Anschlag geführt hätte. Wie schon so oft, lag aber die Lösung in den schier unendlichen Tiefen des Wärmepumpen-Manuals verborgen, für das man ’nur‘ den passenden Universalübersetzer benötigte.

IIHN-Manual-1

Alles klar, oder? Diese  Zeilen enthielten für Irgendwen den entscheidenden Hinweis …

Ein Parameter der Wärmepumpenregelung wurde umgestellt. Die Wärmepumpe sprang wieder an und – lief durch!

Nach anfänglichem ‚Herzflimmern‘ stellte sich nun ein ruhiger, regelmäßiger und kräftiger Herzschlag ein, der begann die Siedlerhütte im hohen Norden zu wärmen …

IIHN-Herzschlag

Das Kollektor-Paradoxon

Kürzlich wurde hier das übliche Messdaten-Update abgefeiert. Die PDF-Messdatendokumentation enthält inzwischen schon fünf komplette Heizsaisonen:

Heizenergien (inkl. Warmwasser), elektrische Energien (inkl. Solepumpe) und die resultierende Arbeitszahl für die bisherigen Saisonen. Zu speziellen Experimenten in jedem Jahr siehe Text des Postings oder das oben verlinkte PDF.

Es wird Zeit, endlich die fundamentalen Fragen der Eisspeicher- und Kollektor-Forschung in Angriff zu nehmen.

Welchen Einfluss hat die Fläche des Kollektors auf die Performance der Anlage?

und

Wie stark ist der Kollektor?

Im Herbst 2014 hatte Chefingenieur dieses Forschungsprojekt gestartet und schnell einmal den Kollektor umgebaut. Nicht nur wegen der Ästhetik der Lärchenholzkonstruktion, sondern um die nutzbare Fläche umschalten zu können – von 12m2 auf 24m :

Kollektorschaltungen

OBEN: Voller Kollektor, Schaltung wie in den Heizsaisonen 2012, 2013 und 2017 (aktuell). UNTEN: Halber Kollektor, verwendet in den Saisonen 2014, 15, und 16.

Nun gilt es, Heizsaisonen zu finden, die sich (fast) nur durch die genutzte Kollektorfläche unterscheiden.

Die Saisonen 2014 und 2016 fallen einmal weg, da die Siedler hier versucht haben, einen riesigen Holzhaufen ökologisch sinnvoll wegzubringen … ein Problem mit dem ein renovierungswürtiger Siedler sich hin und wieder konfrontiert sieht:

Die Siedler vor über eine Dekade – zum Zeitpunkt der größten Zerstörung. Das Bild zeigt einen kleinen Teil des übrigen ‚Brennholzes‘.

So wurde in diesen Saisonen nur das Untergeschoß mit der Wärmepumpe beheizt. Aufgrund des atypischen Kollektorbetriebs während der Eisspeicher-Challenge muss man die Saison 2014 ohnehin aus der Wertung nehmen.

Dann sollte auch der Jahres-Energiebedarf vergleichbar sein: Die kalten Winter 2012 und 2016 fallen damit weg.

Es bleiben die eher wärmeren Saisonen 2013 (ganzer Kollektor) und 2015 (halber Kollektor): Das ganze Haus wurde mit der Wärmepumpe beheizt; Heizenergien und Entzugsenergien waren sehr ähnlich.

Aber der Blick auf die Jahresarbeitszahlen verursachte ein erstes Stirnrunzeln. Die waren praktisch identisch (!). Um eine Tendenz erkennen zu können, musste man tiefer graben und die Eisperioden (Dez/Jan/Feb) vergleichen. Dort erkennt man zwar einen Unterschied, der fällt aber weit geringer aus, als man ihn vielleicht erwarten würde

In der Eisperiode für den halben Kollektor war:

  • die Kollektorernte um ca. 10% niedriger
  • die Arbeitszahl um ca. 0,2 Punkte geringer
  • die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe um ca. 1,5K geringer
Halber-Kollektor-vereist

Der halbe Kollektor in Betrieb.

Die Siedler überprüften Ihre Datenkrake auf Bugs und versuchten alte handschriftliche Notizen zu entziffern. Kann das stimmen?

Aber eigentlich hätte sie es schon lange wissen müssen: Das Orkrakel – ihre Simulation des Wärmepumpensystems hatte diesen Trend vorhergesagt. Aber auch die ersten Berechnungen aus grauer Vorzeit liefern den Schlüssel zur Lösung des Rätsels. So hatten die Siedler doch tatsächlich verdrängt, dass sie sich vor Jahren – vor dem Bau von LEO_2 – schon theoretisch damit beschäftigt hatten, was eine Vergrößerung der Kollektorfläche bringen kann.

Schon damals war ihnen die Bedeutung der Serienschaltung des Kollektors mit dem Wärmetauscher im Eisspeicher bewußt gewesen.

Für the ‚theoretische Abhandlung von Wärmetauschern in Serie‘ muss man eigentlich nur zwei Dinge wissen:

  1. Die Leistung eines Wärmetauschers kann man auf zwei Arten darstellen: Einerseits als proportional zur Differenz der Soletemperaturen beim Ein- und Austritt – und andererseits als proportional zur mittleren Temperaturdifferenz zwischen Sole und dem umgebenden Medium (Luft oder Wasser im Tank).
  2. Wenn man Wärmetauscher in einem Kreis zusammenhängt, sind ihre Leistungen nicht unabhängig, da sie die Temperaturen an den Verbindungspunkten gemeinsam haben.

Wenn die Wärmepumpe nicht läuft, dann müssen Kollektor und Tankwärmetauscher beide genau die gleiche Leistung ‚tauschen‘. Kennt man Luft- und Tanktemperatur, Schlauchlängen und Übertragungsfaktoren – dann kann man die Wärmetauscherleistung ausrechnen.

Das Orkrakel kennt die Leistung der Wärmepumpe und deren Spreizung im Solekreis – und berechnet nach diesen Prinzipien so die Soletemperatur an den interessanten drei Verbindungspunkten im Solekreis:

3-Punkte-Methode - Wärmeaustauscher und Solekreis: Eisspeicher, Wärmepumpe, Kollektor.

Überblick über Wärmeaustauscher und Solekreis. Die drei ‚interessanten‘ Temperaturen im Solekreis, vor/nach Wärmepumpe, Kollektor und Tank können berechnet werden aus der aktuellen Wärmepumpenleistung, Außen- und Tanktemperatur.

Der entscheidende Punkt lässt sich schon erkennen, wenn man den ‚Regenerationsbetrieb‘ ohne Wärmepumpe betrachtet:

Die aktuelle Ernte-Leistung des Kollektors ist proportional zum Temperaturunterschied von Luft und Tank … nicht sehr überraschend! Je wärmer die Luft im Vergleich zum Tank, umso mehr kann man ernten.

Dann spielt die Kombination der Wärmeübertragungseigenschaften der beiden Wärmetauscher eine Rolle: Wie man – eigentlich auch wieder ohne Forschungsprojekt – erwarten hätte könne, ist die übertragene Leistung sehr klein, wenn einer der beiden Wärmetauscher sehr ’schlecht‘ ist im Vergleich zum anderern: Wenn z.B. der Schlauch im Tank unverhältnismäßig kurz wäre, oder wenn statt einem Schlauchkollektor (mit gutem Wärmeübergang durch Konvektion) ein Flachkollektor verwendet würde.

Wenn man in so einem suboptimalen Fall den ohnehin schon viel besseren Wärmetauscher noch besser macht, dann ändert sich nicht viel. Macht man stattdessen den schlechteren besser, sieht man – eh klar – eine deutliche Verbesserung. Haben beide Wärmetauscher Übertragungseigenschaften in der gleichen Größenordnung – wie das die typischer ‚Siedler-Dimensionierung‘ vorsieht, dann kann die Größe oder ‚Stärke‘ jedes Wärmetauschers vergleichsweise deutlich ändern, ohne drastische Auswirkung. Z.B. wird durch Vergrößerung der Kollektorfläche die Leistung besser, aber sie wächst weniger als linear.

Damit ist auch die Frage nach der Stärke des Kollektor beantwortet: Man kann nicht sagen, wieviel ein Kollektor in kW oder in kW pro Fläche bringt, wenn man nicht auch die Eigenschaften des dazugehörigen Wärmetauschers im Tank kennt.

Noch einen subtilen Effekt gilt es zu berücksichtigen: Der halbe Kollektor bringt nun fast die doppelte Leistung pro Fläche. Aber damit alles zusammenpasst, muss nach den genannten ‚Wärmetauschergrundsätzen‘ auch die mittlere Temperaturdifferenz zum umgebenden Medium größer werden: das Produkt aus Fläche und dieser Temperaturdifferenz darf sich ja fast nicht ändern.

Nachdem die Lufttemperatur vorgegeben ist, muss damit die mittlere Soletemperatur sinken und damit sinkt die Arbeitszahl etwas – genau der Effekt, den die Siedler in den Daten für die Eisperioden sehen.

Irgendwo im hohen Norden: Expedition Wärmepumpe

Irgendwer hatte sich schon Sorgen gemacht, ob der langen Sendepause vom unerschrockenen Siedler im hohen Norden. Aber er wusste ja, dass dieser mit jeder Sekunde seiner Zeit haushalten musste. Denn schließlich machte doch eine LEO_2 Wärmepumpenheizung nur dann richtig Spaß, wenn man auch eine Siedlerhütte zum Beheizen hatte – und die wollte erst gebaut werden …

So war es dann soweit, dass dieselbe Gestalt angenommen hatte, und angesichts der langsam hereinbrechenden kälteren Jahreszeit das Thema Heizung wieder an Bedeutung gewann.

Das Dasein der ‚Dummen Wärmepumpe‘ in ihrer Holzkiste hatte ein Ende und sie wurde an ihren endgültigen Aufstellungsplatz gebracht. Und nicht nur das. Nach Kiste und Schutzfolie wurden auch die Abdeckbleche entfernt, wodurch ein überraschend sauber verarbeitetes und aufgeräumtes Inneres offenbar wurde.

IIHN-Waermepumpe-Innereien

Eine spannende Expedition in diese weitgereiste exotische Maschine stand bevor, um ihr auch noch die letzten Geheimnisse zu entreißen, die das in etwas gewöhnungsbedürftigem Englisch verfasste Handbuch noch nicht preisgegeben hatte. Besonders diese kryptische Schatzkarte, die sie im Handbuch gefunden hatten, sollte dabei den Weg weisen:

IIHN-Schatzkarte

Der unerschrockene Siedler bewaffnete sich mit festem Schuhwerk, Stirnlampe, Schraubenzieher, Fotoapparat und ausreichend Proviant, bevor er sich auf den Weg machte, um akribisch jeden noch so entlegenen Winkel zu erforschen und zu dokumentieren.

IIHN-Waermepumpe-E-Anschluesse

Irgendwer war besonders  an den elektrischen Anschlüssen interessiert. War es doch der Plan, einige der eingebauten Komponenten – z.B. den elektrischen Heizstab – über die Universalregelung UVR16x2 anzusteuern. Denn die im Handbuch beschriebene Regelungslogik entsprach – wie von einer ‚Dummen Wärmepumpe‘ auch nicht anders zu erwarten – noch nicht ganz seinen Vorstellungen.

IIHN-Kabelbeschriftungen

Es war fast enttäuschend. Noch vor der ersten Übernachtung in der Wärmepumpe, ja sogar noch bevor das erste Proviant-Paket geknackt werden musste, war die Expedition auch schon wieder zu Ende. Alle offenen Rätsel waren gelöst. Denn sämtliche Kabel und Anschlüsse waren von einem Spielverderber mit Wegweisern beschriftet worden, die genau der Schatzkarte entsprachen.

Jetzt war Irgendwer wieder am Zug, um die ‚Dumme Wärmepumpe‘ in die Regelungslogik der UVR16x2 einzubinden. Aber auch das hatte er schon im Vorfeld ausgetüftelt und die Umsetzung war nur noch Formsache …

IIHN-UVR16x2-Regelungslogik

Unpannonische Heizsaison 2016-2017

Die Siedler hatten den Bogen endgültig überspannt. Jahrelang wurde hier berichtet über Winter, die zu pannonisch waren oder nicht kanadisch genug waren. Irgendwie war das auch ein Ausdruck ihrer Frustration: Man musste zu drastischen Maßnahmen greifen, um einen echten Winter zu simulieren und endlich einen ordentlichen Eiswürfel zu erzeugen.

Und so haben die Siedler sie heraufbeschworen – die Heizsaison 2016 / 2017 mit dem kältesten Jänner (Januar) seit 30 Jahren. So sieht die Bilanz aus:

Der positive Rekord: 14m3 Eis ganz ohne Trickersei! Und das, obwohl das Obergeschoß wieder mit dem Holzofen beheizt wurde:

(Zu der eigenartigen ‚Schwingung auf dem Eisplateau‘ siehe die Geschichten von Blubber und Orkrakel.)

Die lange Periode von mittleren Außentemperaturen unter Null, ganz ohne Warmlufteinbruch lässt aber Schlimmes erahnen: Ein trauriger Rekord wurde erreicht – der grüne Balken der Monatsarbeitszahl hält sich im Jänner 2017 doch deutlich fern von der 4er-Marke:

In diesem Monat wurden über 3.000 kWh Heizenergie benötigt; im ganzen Jahr wurden ca. 16.600 kWh verbraucht inkl. Warmwasser – gleich wie wie in der vorigen Saison, in der die ganze Siedlerhütte mit der Wärmepumpe beheizt wurde. Zu beachten: Trotz heroischer punktueller Renovierungsmaßnahmen wird der Großteil der Heizenergie im Untergeschoß noch über Radiatoren verteilt – im Januar bei einer mittleren Heizkreis-Vorlauftemperatur von 37°C.

Der Kollektor konnte in diesen Wochen vergleichsweise wenig Energie liefern, während die fleißige Wärmepumpe täglich ca. 100 kWh Heizenergie ‚produzierte‘:

Damit konnte der Kollektor heuer auch seine übliche Kennzahl nicht ganz erreichen: Wie die Siedler und ihre Krake nicht müde werden zu betonen, liefert er ‚üblicherweise‘ in einer ‚typischen‘ Eisperiode über 75% der Umweltenergie für die Wärmepumpe.

In der letzten Saison folgte aber der kalte Rekord-Jänner auf einen ebenfalls schon kollektorunfreundlichen Dezember. Die Auftauphase im Februar folgt dann wieder dem üblichen Rekordernte-Muster.

Zu beachten ist aber, dass der Kollektor auch in dieser Saison wieder nur zu 50% genutzt wurde. Irgendwer wollte ja seine Forschungsschaltung ordentlich testen: Seit Herbst 2014 musste sich die Wärmepumpe mit 12 statt 24m2 Kollektorfläche begnügen – eine Fläche, die die Siedler angesichts des typischen Energiebedarfs ihrer historischen Siedlerhütte eigentlich als zu gering betrachten.

Etwas getröstet wurden die Siedler allerdings dann im heißen Sommer 2017 – durch Spielereien mit der passiven Kühlung. Sie konnten sich den Eiswürfel für Kühlzwecke zwar nicht lange aufheben, aber in diesem (Hitze-)Rekord-Sommer wurde die bis jetzt höchste Kühlenergie von insgesamt ca. 600kWh benötigt.

Der Kollektor kühlt in vergleichsweise kühlen Nächten den Eisspeichertank; der kalte Tank kühlt wiederum den Pufferspeicher – pro Tag werden von den ‚Heiz‘-Kreisen bis zu 30kWh Kühlenergie entnommen.

Nach dem Bericht über die Herausforderungen und das schwierige Umfeld kommt normalerweise der optimistische Blick in die Zukunft. Chief Engineer Somebody enthüllt die strategische hydraulische Weichenstellung für die eben gestartete Saison: Die zweite Hälfte des Kollektors wurde wieder zugeschaltet!

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Die Messdaten aller Jahre und weitere Details und technische Daten zum System sind wie immer zu finden in unserer Messdatendokumentation (PDF)

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.