Efficiency follows comfort

Obwohl sich der Mai mit ein paar kalten Tagen in sprichwörtlich erfrischender Weise vom durchwegs zu warmen Winter distanzierte, hatte sich LEO_2 inzwischen wieder in den Sommerschlaf begeben. Die Heizkreise standen (fast) still. Nur wenn Warmwasser benötigt wurde, gab LEO_2 mit einem kurzen Pulsschlag noch ein Lebenszeichen von sich.

Herzschlag-LEO_2-Warmwasser

LEO_2 im Sommerbetrieb (Warmwasserbereitung): Der Anstieg der Vorlauftemperatur (rot) zeigt an, wann die Wärmepumpe läuft. Die grün gepunktete Line ist die Temperatur im unteren Bereich des Hygienespeichers.

Genau genommen waren es eigentlich genau zwei Pulsschläge pro Tag, wobei der eine am Nachmittag noch ein wenig kräftiger ausfiel als jener am Vormittag. Und das war nicht zufällig so, sondern das Ergebnis langjähriger Warmwasser-Effizienz-Forschung in Abstimmung mit den Lebensgewohnheiten und Komfortbedürfnissen der Siedler. Immer unter strenger Berücksichtigung des Grundprinzips:

‚Efficiency follows comfort‘

das sich Irgendwer in Anlehnung an das Designprinzip ‚Form follows function‘ zu eigen gemacht hatte.

Denn Effizienz und Komfort mussten sich nicht unbedingt ausschließen. Wenn die Anforderungen an den Komfort einmal festgelegt waren, bot LEO_2 diverse Möglichkeiten, die notwendige Warmwassermenge und Temperatur in möglichst effizienter Weise bereitzustellen:

Warmwassertemperatur. Die Warmwassertemperatur hat bei jedem Wärmepumpensystem einen empfindlichen Einfluss auf die Leistungszahl der Wärmepumpe. Jedes Grad, das das Wasser über die nötige Temperatur hinaus erwärmt wird, senkt die Effizienz ohne zusätzlichen Komfortgewinn.

Temperaturen und Tagesarbeitszahl

Im reinen Warmwasserbetrieb (hellblauer Bereich) steigt die mittlere Vorlauftemperatur der Wärmepumpe auf ca. 47°C, die Soleeintrittstemperatur von ca. 8°C hängt mit der absichtlich begrenzten Eisspeichertemperatur zusammen. Zusammen ergibt das immer noch eine Arbeitszahl für die Warmwasserbereitung von ca. 4.

Eisspeichertemperatur. Neben der Warmwassertemperatur ist die Temperatur der Wärmequelle der zweite Parameter, der die Leistungszahl der Wärmepumpe direkt beeinflusst. Wenn der Kollektor permanent zugeschaltet gewesen wäre, hätte die Eisspeichertemperatur wahrscheinlich schon im April die maximale – nur durch die Einsatzgrenze der Wärmepumpe begrenzte – Marke von 20°C erreicht. Die Siedler setzten aber auf passive Kühlung im Sommer und hatten daher als Kompromiss zwischen Wärmepumpeneffizienz und Kühlvorrat die Temperatur des Eisspeichers mit 8°C begrenzt.

Die Wärmepumpe arbeitete so gesehen also gleichzeitig als Warmwasserbereiter und Eisspeicherkühlung.

Speicherverluste. Je höher die Temperatur des Warmwasserspeichers, umso höher der Verlust der erzeugten Wärme an die unmittelbare Umgebung. Warmes Wasser sollte also möglichst unmittelbar nach der Erzeugung verbraucht werden. Bei längeren Standzeiten ohne Warmwasserentnahme (z.B. über Nacht) sollte die Speichertemperatur nicht unnötig hoch gehalten werden. Daher ist auch das ‚Dahinwärmen‘ des Warmwassers bei einer hohen Speichertemperatur zweifach ineffizient: (1) höhere Speicherverluste und (2) geringere Leistungszahl der Wärmepumpe.

Hygienespeicher

Selbst bei guter Isolierung verliert der Hygienespeicher laufend Energie an die Umgebung: umso mehr, je höher die Warmwassertemperatur.

Photovoltaikstrom. Neuerdings galt es ja noch einen weiteren Aspekt zu berücksichtigen: die Photovoltaikanlage am Dach der Siedlerhütte. Von einem schnöden Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit betrachtet, war es nämlich besonders wichtig, möglichst viel von dem selbst erzeugten Strom auch selbst zu verbrauchen. Die Wärmepumpe sollte daher zu Tageszeiten laufen, zu denen genügend PV-Strom zur Verfügung stand.

PV-Anlage-Leistung-Tageszeit

PV-Leistung an einem sonnigen Tag im Mai. Für die Warmwasserbereitung benötigt die Wärmepumpe der Siedler etwas mehr als 2 kW. Daraus ergibt sich das eingezeichnete Zeitfenster für den Betrieb der Wärmepumpe.

Zeitprogramm. Aus diesen Überlegungen hatte sich das folgende recht einfache Zeitprogramm für die Warmwasserbereitung ergeben, das den sommerlichen Pulsschlag von LEO_2 erklärte:

  • 09:00 – 10:00: Zeitfenster für Aufheizen auf 47°C (reduzierter Warmwasserbedarf über den Tag)
  • 16:00 – 17:00: Zeitfenster für Aufheizen auf 50°C (Vorbereitung für eine genussvolle Siedlerdusche nach vollbrachtem Tagwerk)

Und für Abweichungen vom geregelten Siedler-Alltag gab es – Danke, UVR1611! – ja immer noch einen Knopf in der Regelung ‚Einmaliges Laden starten‚, mit dem der Hygienespeicher jederzeit kurzfristig auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden konnte …

UVR1611-Einmaliges Laden

Wenn alle Stricke reißen: Einmaliges Laden starten.

Die Eisspeicher-Challenge: Tag 46

Geduld alleine war offensichtlich nicht genug gewesen…

Denn vor einigen Tagen hatte der Eiswürfel im Eisspeicher scheinbar beschlossen, nicht mehr zu wachsen! Und das, obwohl die Siedlerhütte unverändert beheizt wurde und sich immer noch flüssiges Wasser im Eisspeicher befand!

Füllstandsmesser

Über diesen einfachen, aber robusten und hinreichend genauen Füllstandsmesser bestimmte Irgendwer den Wasserstand im Eisspeicher.

Stirnrunzelnd hatte Irgendwer die Füllstandsanzeige immer und immer wieder kontrolliert. Denn diese war der Indikator für die Eismenge, die sich im Eisspeicher gebildet hatte. Eis hat ein um ca. 10% größeres Volumen, als die entsprechende Wassermenge. Da das Eis rund um die fixierten Wärmetauscherrohre wächst und nicht ’schwimmt‘, wurde beim Gefrieren das noch flüssige Wasser über die eisfreien Bereiche nach oben verdrängt und ließ den Wasserspiegel im Eisspeicher proportional zur Zunahme des Eisvolumens steigen.

Eisspeicher-Challenge: Stagnation der Eisbildung

Über mehrere Tage hinweg hatte Irgendwer den Wasserstand im Eisspeicher immer wieder überprüft. Kein Zweifel: Eiswachstum und Soletemperatur stagnierten …

Da die Wärmepumpe unbeeindruckt von den Ereignissen im Eisspeicher mit etwa dem gleichen mittleren Energiebedarf weitergelaufen war, musste die Umweltenergie ja von irgendwo her gekommen sein:

  • jedenfalls nicht aus dem Kollektor: der war ja immer noch abgeschaltet
  • auch nicht aus dem Gefrieren von Eis im Eisspeicher: da hätte der Wasserspiegel steigen müssen
  • blieb nach dem Ausschlussprinzip nur noch das Erdreich, das den Eisspeicher umgab

Aber auch bei letzterem musste sich etwas geändert haben, denn der Wärmestrom aus dem Erdreich musste – im Vergleich zu der Situation vor der Stagnation der Eisbildung – zugenommen haben.

Eisspeicher-Challenge: Bodentemperaturen

Während im unbelasteten Boden (weit genug vom Eisspeicher entfernt) die Bodentemperaturen seit Mitte Februar bereits wieder im Steigen begriffen waren, sank die Temperatur in unmittelbare Nähe des Eisspeichers weiter ab…

Hier musste Irgendwer mit dem Wissenschaftsoffizier – dem Elkement – Rücksprache halten. Bis spät in die Nacht wurde über ‚Bodentemperaturen‘, ‚Temperaturgradienten‘, ‚Thermische Diffusivität‘, ‚Latente Wärme‘ und ‚Wärmeleitfähigkeit‘ diskutiert, bis die Tüftler schließlich folgende Theorie entwickelt hatten:

Das Eis um die Wärmetauscherschläuche war inzwischen zu einem kompakten Eisblock – dem lang ersehnten Eiswürfel – zusammengewachsen, der direkten Kontakt zum Boden und zu zwei Wänden des Eisspeichers hatte.

  • Durch das Zusammenwachsen hatte sich die Oberfläche zwischen Eis und Wasser verkleinert. Damit musste die gleiche Entzugsenergie durch eine geringere Oberfläche transportiert werden. Das war nur möglich, wenn die Soletemperatur sank – was auch in den Messdaten erkennbar war.
  • Sobald der wachsende Eiswürfel die Eisspeicherwand berührte, begann auch dort die Temperatur zu sinken. Dadurch entstand eine größere Temperaturdifferenz zum umgebenden Erdboden – wodurch der Wärmetransport von der Erde in den Eisspeicher dort effizienter ablief.
  • Dadurch musste es auch außerhalb des Eisspeichers zu einer Vereisung des Wassers im Bodens gekommen sein – wodurch zusätzliche latente Wärme genutzt wurde.

Zusammengefasst wurde der Eisspeicher um einen Eisbereich im umgebenden Erdboden erweitert. Und momentan war es offensichtlich effizienter, die notwendige Entzugsenergie von dort zu beziehen.

So schwierig hatte sich Irgendwer das auch nicht vorgestellt, einen einfachen Eiswürfel zu produzieren. Vor allem hatte er nicht damit gerechnet, dass sich der Eisspeicher zuerst durch den Selbstschutz-Mechanismus und dann auch noch durch den zusätzlichen Energiegewinn aus der Umgebung so tapfer zur Wehr setzte.

Wie auch immer, 15m3 Eisvolumen war ab jetzt seine persönliche Bestmarke. Die musste ihm in Pannonien erst einmal jemand nachmachen!

Und weil Irgendwer wenig Lust hatte, jeden Tag denselben Wasserstand abzulesen, entschloss er sich nach 46 Tagen ohne Kollektorernte am 18.03.2015 um 23:50 die letzte Phase der Eisspeicher-Challenge einzuleiten: das Wiederauftauen

Fortsetzung folgt …

Das Besondere an LEO_2: (3) Ein Multitalent

Als Irgendwer LEO_2 ausgetüftelt und weiter entwickelt hatte, war es ihm besonders wichtig gewesen, mehrfachen Nutzen aus der Anlage zu ziehen. Oder anders gesagt: möglichst viel für das investierte Geld zurückzubekommen …

Das Heizen der Siedelerhütte benötigt mit ca. 75% den Großteil der jährlichen Wärmeenergie. Diesen Wärmebedarf kann LEO_2 mit einer hohen Jahresarbeitszahl jenseits von 4 sehr effizient abdecken und damit die Heizkosten wesentlich senken.

LEO_2: Modus 'Heizen mit Kollektor'

LEO_2 im Heizmodus: Die Wärmepumpe (1) beheizt den Pufferspeicher (7), der seinerseits die Heizkreise versorgt. Als Wärmequelle werden Kollektor (4) und Wassertank / Eisspeicher (3) genutzt, die in Serie von der Sole durchlaufen werden. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen, kann mit dem automatischen Umschaltventil (5) der Kollektor weggeschaltet werden.

Auch die Warmwasserbereitung übernimmt LEO_2. Das Speichervolumen eines Hygienespeichers, das mit Heizungswasser gefüllt ist, wird direkt beheizt. Dadurch bleibt die Vorlauftemperatur mit ca. 50°C möglichst niedrig und die Wärmepumpe möglichst effizient. Da das Leitungswasser im Durchfluss erwärmt wird, ist eine energiefressende Legionellenbehandlung (Aufheizen auf ca. 70°C) nicht erforderlich.

LEO_2: Modus 'Warmwasser ohne Kollektor'

Zur Warmwasserbereitung wird der Wärmepumpenvorlauf über ein automatisches 3-Wege Ventil in den Hygienespeicher (6) umgeleitet. Das Leitungswasser durchfließt einen großflächigen Edelstahlwärmetauscher in diesem Speicher und wird dadurch effektiv und hygienisch erwärmt. Die Wärmequelle wird genauso genutzt, wie für die Heizung. Im Bild ist der Kollektor weggeschaltet.

Noch effizienter wird die Warmwasserbereitung im Sommer und in der Übergangszeit, weil dann bei einer hohen Wärmequellentemperatur (bis zu der von der Wärmepumpe bestimmten Einsatzgrenze von 20°C) die Arbeitszahl der Wärmepumpe auch im Warmwassermodus deutlich über 4 liegt.

Eine eigene Solaranlage für die Warmwasserbereitung wird dadurch überflüssig.

Während andere Heizungsanlagen im Sommer stillstehen, übernimmt LEO_2 in dieser Jahreszeit neben der Warmwasserbereitung auch das Kühlen.

LEO_2: Modus 'Kühlen mit gleichzeitiger Warmwasserbereitung'

Im Kühlmodus wird der Solekreis über ein automatisches 3-Wege Ventil (9) durch einen Wärmetauscher im Pufferspeicher (7) geleitet, der dadurch abkühlt. Der Heizkreis wird zum Kühlkreis. Wenn die Wärmepumpe (1) gleichzeitig läuft um Warmwasser zu erzeugen, wird die Sole zusätzlich abgekühlt und damit der Kühleffekt noch verstärkt.

Nach der Heizperiode ist der Wassertank / Eisspeicher kalt. Die Erwärmung des Eisspeichers über den Kollektor wird durch die Regelung so kontrolliert, dass die Wärmequellenentemperatur hoch genug für eine effiziente Warmwasserbereitung ist, aber trotzdem noch genügend Kühlreserve bleibt.

Die Wirtschaftlichkeit der Anlage wird weiter verbessert, wenn man die Anlagenkomponenten ‚Kollektor‚ und ‚Eisspeicher‚ nicht nur als Wärme- / Kältequelle sondern zusätzlich noch für andere Zwecke nutzt.

Länge und Breite sowie die Montageart des Kollektors sind sehr flexibel wählbar, sodass er z.B. auch die Aufgabe eines Zauns, Geländers und/oder Sichtschutzes übernehmen kann.

Kollektor: Geländer und Sichtschutz

Mehrfachnutzen des Kollektors als Terrassengeländer / Sichtschutz.

Der Eisspeicher kann zusätzlich auch als Regenwasserspeicher genutzt werden. Umgekehrt können bestehende Hohlräume, wie alte Erdkeller oder Güllegruben zum Eisspeicher umgebaut werden.

Jenseits von Pannonien (5)

oder

Gleich zu Beginn eine Herausforderung …

Der große Tag war gekommen. Das Wärmepumpensystem LEO_2 in der Hütte des unerschrockenen Siedlers war fertiggestellt!

Irgendwer war gerade noch damit beschäftigt, das Inbetriebnahmeprotokoll sorgfältig Schritt für Schritt durchzugehen:

Inbetriebnahmeprotokoll für die Wärmepumpenanlage LEO_2

  • Solekreis gefüllt und entlüftet, Fülldruck OK ? … Check!
  • Heizkreis gefüllt und entlüftet, Fülldruck OK ? … Check!
  • Alle Fühler korrekt verdrahtet, Anzeige OK? … Check!
  • Pumpen, Mischer, automatische 3-Wege-Ventile korrekt angeschlossen und funktionsbereit ? … Check!
  • Regelparameter auf die korrekten Sollwerte eingestellt? … Check!

Alles bereit, um den Schalter umzulegen… – Wirklich alles …?

Na ja, eine klitzekleine Kleinigkeit fehlte noch: Der zukünftige Eisspeicher, der auch als Zisterne dienen würde, war – statt mit Wasser – derzeit immer noch mit Luft gefüllt …

Ebbe im Eisspeicher

Ebbe im Eisspeicher …

Trotzdem sollte möglichst rasch mit dem Heizen begonnen werden. Denn der Estrich musste mit einem zweiwöchigen Heizprogramm getrocknet werden, bevor das Verlegen von Fußböden möglich war.

„Heizen mit leerem Eisspeicher. – Geht das … ?!“

Noch dazu mit der energieaufwändigen Herausforderung der Estrichtrocknung?!

Doch bei den frühlingshaften Temperaturen stand alleine über den Kollektor mehr als ausreichend Umweltenergie für die Wärmequelle zur Verfügung. Das einzige Problem, das Irgendwer erkennen konnte, war, dass die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe an warmen, sonnigen Tagen zu hoch werden könnte. Laut Spezifikation des Wärmepumpenherstellers durfte nämlich die Wärmequellentemperatur die Einsatzgrenze von 20°C nicht überschreiten …

UVR1611-Regelungslogik

Bevor Irgendwer eine endgültige Entscheidung traf, prüfte er noch einmal kurz die Regelungslogik und kam zum Schluss, dass das Heizen mit leerem Eisspeicher möglich war! Es waren lediglich zwei Regelungsparameter temporär zu ändern …

Nach eingehender Prüfung aller Voraussetzungen beschlossen der unerschrockene Siedler und Irgendwer es zu versuchen. Auch mit einem Blick auf die eher regnerischen Wettervorhersagen für die nächsten Tage – mit Höchsttemperaturen unter 20°C.

Zur Sicherheit hatten sie eine provisorische Fernwartung der Anlage eingerichtet, mit der sie sämtliche Sensorenwerte überwachen, Reglerparameter ändern und – im schlimmsten Fall – die Anlage abschalten konnten.

Fernwartung-Provisorisch

Auf einer Baustelle muss man manchmal etwas improvisieren. Aber Strom und Netzwerk waren bereits in der nötigen Ausbaustufe vorhanden. Das CMI – Control and Monitoring Interface – wurde über ein Netzwerkkabel mit einem Mobilfunkrouter verbunden. Damit war die Fernüberwachung und Fernwartung während des Anlagenstarts gesichert.

Gesagt, getan! Wenig später hörte man schon das zufriedene Brummen der Wärmepumpe. Nach einer kurzen Probephase, in der alle Messwerte noch einmal genau überwacht und geprüft wurden, wurde das Estrichtrocknungsprogramm gestartet.

Und dank CMI war auch aus der Ferne alles unter Kontrolle …

Onlineschema-LEO_2

Das Online-Schema der Anlage, das laufend alle kritischen Messwerte anzeigte, war über das Internet abrufbar …

Jenseits von Pannonien (2)

… und so begab es sich, dass sich Irgendwer wieder in das Land des kahlköpfigen Herzogs aufmachte, um in der Hütte des unerschrockenen Siedlers an LEO_2 weiterzubauen.

Dieses Mal galt es, den Wärmetauscher im zukünftigen Eisspeicher zu montieren, was mit folgenden recht einfachen Mitteln zu bewerkstelligen war:

Komponenten und Werkzeug für Wärmetauschermontage

Werkzeug und Komponenten für die Montage des Wärmetauschers im Eisspeicher

  • zwei Verteiler-/ Sammelrohre als Bindeglied zwischen Soleleitung und Wärmetauscher. Diese wurden vom Hersteller bereits maßgefertigt mit der nötigen Anzahl der Abgänge geliefert.
  • ‚einige‘ Meter Kunststoff-Rippschlauch – dem eigentlichen Wärmetauscher. Die benötigten Längen hatte Irgendwer im Zuge der Anlagendimensionierung exakt berechnet.
  • ein Maßstab zum Abmessen des Rippschlauches
  • eine Schlauchschere zum Abschneiden des Rippschlauches auf die gewünschte Länge
  • Spezielle Gummidichtungen, mit denen der Rippschlauch an den Sammelrohren durch einfaches ‚Aufstecken‘ befestigt wurde
  • etwas Vaseline zum Einfetten der Gummidichtungen (nach dem Motto: ‚Wer gut schmiert, der fährt gut!‘)
  • ein ‚paar‘ Kabelbinder zum Befestigen der Rippschläuche an der Trägerkonstruktion.
  • ein Seitenschneider zum Abknipsen der überstehenden Enden der Kabelbinder (technisch nicht nötig aber ein ästhetischer Gewinn!)

Und was auf keinen Fall fehlen durfte, der eine oder andere JOKER:

Joker

Der ‚Joker‘ für den Aufbau des Wärmetauschers im Eisspeicher. Im Fachjargon auch als ‚Reparaturset‘ oder ‚Verlängerungsset‘ bezeichnet.

Denn in der Hitze des Gefechtes konnte es schon einmal passieren, dass der Maßstab falsch angelegt wurde oder eine kleine Kopfrechnung nur das zweitbeste Ergebnis lieferte. Das war dann der Moment für den Joker, mit dem man einen zu kurz geratenen Schlauch rasch und unkompliziert auf die richtige Länge anstückeln konnte.

Mit diesen Werkzeugen bestens ausgestattet machte sich Irgendwer gemeinsam mit dem unerschrockenen Siedler an die Arbeit, um Schlauch für Schlauch

  • auf die richtige Länge abzuschneiden (es wurde nur 1 Joker benötigt!)
  • in den Eisspeicher einzuziehen
  • mit der ersten Gummidichtung aufs Verteilerrohr aufzustecken
  • mit den Kabelbindern an der Trägerkonstrution zu befestigen
  • mit der zweiten Gummidichtung aufs Sammelrohr aufzustecken.

Bald entwickelten die beiden eine gewisse Routine, sodass sie schließlich alle nötigen Arbeitsschritte pro Schlauch innerhalb von 15 Minuten erledigen konnten.

Gerade als es anfing, richtig Spaß zu machen, war der letzte Handgriff auch schon wieder getan und sie betrachteten erschöpft aber zufrieden ihr Werk:

Wärmetauscher im Eisspeicher

Wärmetauscher aus Kunststoff-Ripprohr im Eisspeicher

 Fortsetzung folgt …

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 technisches 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‘.

„Wenn Blätter von den Bäumen stürzen …

… die Tage täglich sich verkürzen.
Wenn Amsel, Drossel, Fink und Meisen
die Koffer packen und verreisen.
Wenn all die Maden, Motten, Mücken,
die wir vergaßen zu zerdrücken,
von selber sterben – glaube mir,
dann steht der Winter vor der Tür …“

So besang einst Heinz Erhardt den Herbst, der sich inzwischen auch wieder über z-village gelegt hatte.

Herbst über z-village

Der Herbst breitet sich über z-Village …

So, wie jedes Jahr verlor sie Sonne ihre wärmende Kraft, die Nächte wurden frischer, und die Schornsteine in der Nachbarschaft begannen wieder zu qualmen.

Qualmender Schornstein

Der Mann vom Energieversorger kam, um den noch immer unveränderten Gaszählerstand abzulesen. Und auch der Rauchfangkehrer musste nach einem kurzen, aber inzwischen wohlvertrauten Wortwechsel: „Kehr’n ma?“ – „Na, mia haum nix g’hazt“ – unverrichteter Dinge wieder abziehen.

Es war die Erfindung, die wohlige Wärme in der Siedlerhütte von Irgendwem verbreitete. Die Regelung hatte Irgendwer inzwischen so optimiert, dass nur in den kühlen Nacht- und Morgenstunden – dann wenn die Temperatur in der Hütte empfindlich absank – geheizt wurde. Wenn tagsüber zum Beispiel durch die hocheffektiven Solarkollektoren die Raumtemperatur über den Maximalwert stieg, wurde die Heizung automatisch deaktiviert.

Zugeführte Wärmeleistung Tank

Heizen in der Übergangszeit: Wenn in der Nacht und den kühlen Morgenstunden die Wärmepumpe in Betrieb ist, wird dem Wassertank Wärme entzogen (Entzugsleistung der Wärmepumpe). Dieser Verlust kann während des Tages durch den Kollektor wieder ausgeglichen werden, sodass die Temperatur im Tank und damit die Effizienz der Wärmepumpe hoch bleibt.

Was Irgendwen neben der komfortablen Regelung aber am meisten begeisterte, war die Effizienz – die Sparsamkeit – mit der die Erfindung gerade jetzt in der Übergangszeit arbeitete.

Soletemperatur und Arbeitszahl

Effizienz in der Übergangszeit: Durch die (noch) hohe Sole-Eintrittstemperatur und die vergleichsweise niedrige Wärmepumpen-Vorlauftemperatur erreicht die Erfindung (wie im Frühling) die höchsten Effizienzwerte.

Da der Wassertank immer noch eine Temperatur um die 15°C hatte, war auch die Sole-Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe entsprechend hoch, was schon über längere Zeit eine respektable Tagesarbeitszahl deutlich jenseits von 5 zur Folge hatte. Das bedeutete: mehr als 80% der benötigten Heizenergie kam aus der Umwelt!

Im Geiste zitierte Irgendwer das Ende des Gedichtes von Heinz Erhardt (frei interpretiert):

… ich lass ihn nicht rein – ich spiel ihm einen Possen.
Die Erfindung ist bereit und angeschlossen.
Ha! Den hab ich schön angeschmiert.
Jetzt steht der Winter vor der Tür! – Und friert …“

Plötzlich Sommer!

Der Frühling war dieses Jahr wirklich eine Memme! Hatte er lange Zeit mit dem Winter gekämpft, so war er nun – wahrscheinlich noch von den zermürbenden Scharmützeln mit dem Frost geschwächt – beinahe vom pannonischen Sommer überrollt worden.

Sonnenuntergang z-village

Sonnenuntergang über z-village: Ein Gruß vom Sommer.

Seit dem letzten Schnee waren die Temperaturen innerhalb von drei Wochen kontinuierlich gestiegen und hatten vor wenigen Tagen sogar den 30er geknackt!

Damit war nach einer außerordentlich kurzen Übergangszeit auch die Heizsaison Geschichte. Die ‚Erfindung‚ war praktisch in den Sommerbetrieb übergegangen, der sich wie folgt darstellte:

Nachdem der Energiespeicher wieder voll aufgeladen war, waren sowohl Wärmepumpe als auch Kollektor nur noch während der Warmwasserbereitung aktiv.

Temperatur und Eis im Wassertank

Nachdem das letzte Eis geschmolzen war, war die Temperatur im Wassertank (‚Eisspeicher‘) aufgrund der frühsommerlichen Witterung innerhalb von guten 2 Wochen auf die mit 14°C begrenzte Maximaltemperatur angestiegen.

Hätte Irgendwer – oder die von ihm programmierte Regelung – dem Kollektor nicht Einhalt geboten, hätte dieser die nun im Überfluss vorhandene Umweltenergie unentwegt in den Tank gepumpt und diesen wohl innerhalb weniger Tage auf Temperaturen über 20°C erwärmt. Das sollte aber aus zwei Gründen nicht geschehen:

  • Die Wärmepumpe durfte nicht mit Sole-Eintrittstemperaturen über 20°C betrieben werden.
  • Es würde die Zeit kommen, zu der ein kühler Tank für die passive Kühlung der Siedlerhütte noch sehr wertvoll sein würde.

Derzeit war diese Tanktemperatur aber ein guter Kompromiss zwischen ’nicht zu warm‘ und ‚möglichst hohe Soleeintrittstemperatur für eine effektive Warmwasserbereitung‘.

Arbeitszahl Wärmepumpe

Mit den hohen Temperaturen der Wärmequelle war auch die Arbeitszahl der Wärmepumpe rasant angestiegen. Sogar im reinen Warmwasserbetrieb lag sie inzwischen deutlich über 4 (die aktuelle Arbeitszahl wurde über ein Messintervall von 1 bis 2 Tagen ermittelt).

Irgendwer plante, die Tanktemperatur gegen Sommer wieder langsam absinken zu lassen, damit die Erfindung dann auch ihre Kühlaufgabe besser erfüllen konnte.

Ach ja, und irgendwelche Winterschuhe konnten nun auch endgültig im Kasten verstaut werden. Dazu war in der Kürze der Zeit noch gar keine Gelegenheit gewesen …

Winterschuhe - Ab in den Kasten!

Winterschuhe – Ab in den Kasten!

Die perfekte Symbiose

Symbiose ist die Vergesellschaftung von Individuen unterschiedlicher Arten, die für beide Partner vorteilhaft ist. Zum Beispiel leben der Clownfisch und die Seeanemone in einer Symbiose. Sie beschützen sich gegenseitig davor, gefressen zu werden…

Symbiose: Clownfisch und Seeanemone

Symbiose: Clownfisch und Seeanemone

Ein weiteres Beispiel wird seit kurzem in z-village (Pannonien) beobachtet. Dort leben ein Wassertank (von der Art ‚Eisspeicher‘)

Wassertank (Eisspeicher)

und ein Schlauchkollektor (von der Art ‚Wärmetauscher‘)

Schlauchkollektor

in symbiotischer Eintracht zusammen. Und Irgendwem war es erstmals gelungen, diese Symbiose wissenschaftlich zu untersuchen und zu dokumentieren:

Wassertank und Kollektor leben im Ökosystem der Erfindung und haben einen gemeinsamen Feind: die Wärmepumpe (von der Art ‚Sole-Wasser‘)

Wärmepumpe

mit einem schier unstillbaren Hunger nach Umweltenergie.

Keiner der beiden Symbionten wäre alleine in der Lage, diese Energie in ausreichender Menge bereitzustellen. Der Tank alleine würde innerhalb weniger Wochen immer weiter abgekühlen und letztendlich vollständig gefrieren. Der Kollektor alleine könnte nur bei ausreichend hohen Außentemperaturen die gesamte benötigte Umweltenergie bereitstellen – ohne die Möglichkeit, die überschüssige Energie warmer und sonniger Tage für schlechte Zeiten zu speichern.

Doch zusammen können beide ihre Stärken voll ausspielen:

Beiträge Umweltenergie

Zusammenspiel von Tank und Kollektor bei der Bereitstellung der Umweltenergie: Wenn an ’schlechten Tagen‘ der Kollektor (grün) nicht die gesamte nötige Umweltenergie liefern kann, wird der Fehlbetrag vom Tank ergänzt. Wenn der Kollektor an ‚guten Tagen‘ (auch im Winter!) das zwei- bis dreifache der notwendigen Energie sammelt, kann der Überschuss praktisch vollständig vom Tank (orange) aufgenommen und für ’schlechte Zeiten‘ gespeichert werden (Tankbeitrag < 0).

Der Kollektor kann mit Hilfe des Tanks tagein tagaus unermüdlich Energie sammeln – unabhängig vom Bedarf, alles was er kriegen kann. Denn der Tank steht bereit um große Mengen überschüssiger Energie aufzunehmen und zu speichern.

Der Tank muss mit Hilfe des Kollektors immer nur einen Teil der Umweltenergie liefern und seine Vorräte werden (auch im Winter!) durch den Kollektor immer wieder ergänzt.

Und zusammen sind Tank und Kollektor bestens gerüstet, ihrem Feind – der Wärmepumpe – die Stirn zu bieten, wenn diese unbarmherzig wie ein Schuldeneintreiber unablässig Umweltenergie von ihnen einfordert …

Pannonischer ‚Frühling‘

Sonntag, 24.März 2013: Frühtemperatur: -4°C, leichter Schneefall (Schneeschaufel griffbereit, Lebensmittelvorräte für eine Woche eingelagert):

Pannonien darf nicht Saskatchewan werden!

Der Frühling schlich sich, von allen unbemerkt, wie ein getretener Hund nach z-village. Er hatte ganz offensichtlich sein Selbstvertrauen verloren, als ihm der Winter nach seinem ersten Anlauf einen derben Streich versetzt hatte.

Aber dennoch, seine Zeit war bereits gekommen, es gab nämlich untrügliche Zeichen, dass er nicht mehr aufzuhalten war …

Wetterfrosch

Ein untrügliches Zeichen, dass der Frühling in z-village auf dem Vormarsch war: sogar der Wetterfrosch war schon wieder aus seiner Winterstarre erwacht … (Bildquelle: Die Siedler)

Trotzdem leistete der Winter noch hartnäckigen Widerstand und versuchte mit allen Mitteln den Frühling auf seinem Weg nach Pannonien aufzuhalten. Aber wenn er nicht bald freiwillig wich, würde ihn wohl dasselbe Schicksal ereilen, wie den schwarzen Ritter

Auch wenn sich der Frühling gut versteckte, Irgendwer hatte über die in der Erfindung eingebauten Sensoren eine Methode gefunden, ihn zu detektieren, noch bevor er für das menschliche Auge wahrnehmbar wurde…

Das ließ sich nämlich ganz deutlich aus den Messdaten ablesen, die Irgendwer vom Wassertank aufgezeichnet hatte, der als Energiespeicher und Wärmequelle für die Erfindung diente.

Durch die zermürbenden Scharmützel, die sich Herbst, Winter und Frühling in den letzten Monaten geliefert hatten, war der Energiespeicher abwechselnd immer wieder entladen (Kälteperioden) und beladen (Tauwetterperioden) worden.

Energievorrat Wassertank

Verlauf des Energieinhaltes des Wassertanks über die Heizsaison 2012 / 2013. Wenn der Wassertank vor dem Beginn der Heizsaison ‚voll geladen‘ ist, fasst er ca. 2.700kWh Wärmeenergie. Beim Entladen wird zunächst das Wasser von 15 auf 0°C abgekühlt bevor es gefriert. Beim Abkühlen werden 1,16 kWh pro m3 und °C frei, beim Gefrieren 92,7 kWh pro m3.

Trotz Auf-und-Ab zeigte der Trend für den Energievorrat im Wassertank eindeutig nach oben, die ‚Eisgrenze‘ (Eis im Tank vollständig geschmolzen) war schon vor fast 3 Wochen (ziemlich genau zum meteorologischen Frühlingsbeginn) durchbrochen worden.

Auch der Verlauf von Temperatur und Eisvolumen im Tank war ein Spiegelbild des Kampfs der Jahreszeiten. Und dieses Spiegelbild zeigte eindeutig an: Der Frühling war zwar im Vormarsch, aber es wurde ihm definitiv nicht leicht gemacht.

Spiegelbild des Wetterverlaufs

Das Ende des Eises im Wassertank (05.03.2013) und die steigenden Tanktemperaturen waren ein untrügliches Zeichen für die Kraft des Frühlings. Die heimtückischen Guerilla-Atacken des Winters waren am Auf und Ab des Temperaturverlaufs im März aber deutlich zu erkennen.

Rückblick: In einem außergewöhlich milden November waren die Temperaturen im Wassertank nie unter 7°C gesunken. Erst Anfang Dezember hatte der Winter seine Zähne gezeigt, sodass sich am 07.12.2012 erstmals Eis im Tank gebildet hatte. Nach einem sehr milden Start in den Jänner, war das Eis kurzfristig sogar wieder vollständig geschmolzen.

Das maximale Eisvolumen wurde dann nach der härtesten Kälteperiode dieses Winters am 29.01.2013 mit ca. 5m3 erreicht. Der Februar hatte wieder mild begonnen, war dann aber winterlich kalt und schneereich verlaufen. Nachdem der Frühling Anfang März mit einer sonnigen und sehr milden Woche ein kräftiges Lebenszeichen von sich gegeben hatte, war das letzte Eis für diese Heizperiode am 05.03.2013 geschmolzen. Damit waren zwischen dem ersten und dem letzten Eis ziemlich genau 3 Monate (88 Tage) vergangen.