Einer der Vorteile des Heizens mit Holz ist, dass ein einziger Ofen für alle Bedürfnisse ausreicht. Holzöfen wärmen uns nicht nur, sondern können auch Mahlzeiten zubereiten, Wäsche trocknen und kalte Füße wärmen. Wäre es nicht fantastisch, wenn man mit diesem schwarzen Kasten auch heiß duschen könnte?
Tatsächlich sind mit Brennholz betriebene Warmwasserbereiter für den Hausgebrauch nichts Neues… schon vor über einem Jahrhundert hatten viele Öfen einen Wassertankaufsatz. Die Entwicklung von geschlossenen Holzöfen und Druckwassersystemen hat jedoch die meisten alten Techniken der diskontinuierlichen Erwärmung in den Hintergrund gedrängt, und es wurden neue Methoden auf Basis geschlossener Kreisläufe entwickelt.
Die meisten Warmwasserbereiter verwenden Wärmetauscher, die im Feuerraum oder im Schornstein installiert werden. Das beste Beispiel für diese Methode ist ein kommerzielles System, das sehr gut funktioniert. Läuft die Heizung den Großteil des Tages, kann es das gesamte Haus mit Warmwasser versorgen. Aus Sicherheitsgründen bestehen diese Geräte jedoch häufig aus Edelstahl (einem teuren Material) und müssen Druckprüfungen unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie den sehr hohen Temperaturen im Heizsystem standhalten. Daher ist ein guter interner Wärmetauscher recht teuer. Selbstgebaute interne Wärmetauscher hingegen sind berüchtigt für die Gefahr von Verbrühungen durch Dampfexplosionen.
Die Wärmeentnahme aus dem Feuerraum oder dem Schornstein eines Holzofens kann einen unerwünschten Nebeneffekt haben: Die direkte Wärmeentnahme aus dem Feuer (mittels eines Feuerraumwärmetauschers) verringert die Verbrennungseffizienz. Werden die Produkte unvollständiger Verbrennung unter ihre Kondensationstemperatur abgekühlt (sei es durch die Brennkammer oder einen Schornsteinwärmetauscher), kann es zu einer starken Kreosotablagerung kommen. Die Kombination aus Schornsteinbrand und einem wassergefüllten Wärmetauscher kann verheerende Folgen haben.
Da wir wissen, dass es kein unbezahltes Mittagessen gibt, haben wir bei der Entwicklung unseres eigenen Wassererhitzers für den Holzofen einen konservativen Ansatz gewählt. Anstatt einen Wärmetauscher im Ofen oder Schornstein zu installieren, haben wir ihn außen am Feuerraum angebracht. Dadurch konnten wir größere Änderungen am Ofen vermeiden, der weiterhin die UL-Zertifizierung besitzt. Wichtiger noch: Mehrere der bereits erwähnten Sicherheitskriterien werden erfüllt: Die Temperatur außerhalb des Ofengehäuses lässt das Wasser nicht kochen (solange die Flüssigkeit zirkuliert), und die zum Erhitzen des Wassers benötigte Wärme wird ohnehin vom Ofen abgestrahlt, sodass keine überschüssige Wärme aus dem Feuerraum entweicht.
Unser Warmwasserbereiter besteht aus nur etwa 15 Metern Kupferrohr (6,35 mm Durchmesser), das in eine mit Gipsspachtelmasse gefüllte Gipskartonplatte gewickelt ist. Das gipsbasierte Material sorgt für eine gleichmäßige Wärmeverteilung und ermöglicht den direkten Kontakt des Wärmetauschers mit dem Ofenkörper, ohne dass dieser überhitzt. (Vielen Dank an Ed Walkinstik für diesen Vorschlag.) Die Vorrichtung wird an einer Seite des Heizgeräts angeschraubt und an einen recycelten 159-Liter-Warmwasserspeicher angeschlossen (wir verwendeten einen Speicher mit durchbrennbarem Heizelement und schallgedämmtem Gehäuse). Funktioniert wie ein Solarvorwärmer.
Eine am Abfluss des Heizgeräts montierte Pumpe mit einer Förderleistung von 10 Gallonen pro Minute zirkuliert Wasser durch die Heizschlange und zurück zum T-Stück direkt unterhalb des Sicherheitsventils oben am Tank (dieses Ventil dient als Sicherheitsvorkehrung). Kaltes Wasser gelangt durch den normalen Zulauf in den Behälter, und mit Holz erhitztes Wasser tritt durch den Standard-Wärmeauslass in die herkömmliche elektrische Heizung ein. Alle Kabel sind mit 1 Zoll dickem, hochdichtem Schaumstoff isoliert.
Wenn das Wasser ständig zirkuliert, kann natürlich Wärme an den Ofen verloren gehen, wenn kein Feuer brennt. Um dies zu verhindern, hat der Forscher Dennis Burkholder einen automatischen Ein-/Ausschalter an einem netzspannungsbetriebenen Klimaanlagenthermostat angebracht, der mit dem Stromkabel der Pumpe verbunden ist. (Alternativ kann man auch einen gängigeren Kombiregler für Heizung und Klimaanlage verwenden und diesen auf Kühlbetrieb einstellen.) Der Thermostat ist an einer Wand in etwa einem Meter Entfernung vom Heizgerät und ca. 30 cm unterhalb dessen Oberkante montiert. Sobald die Lufttemperatur 27 °C erreicht, schaltet der 120-Volt-Regler die Pumpe ein und das Wasser beginnt sich zu erwärmen. Sinkt die Temperatur auf 24 °C, schaltet der eingebaute Differenzialschalter die Umwälzpumpe wieder ab.
Die Komponenten des Wärmetauschersystems sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Selbstverständlich erfordert jede Installation Anpassungen der Grundmaße. Ist Ihr Heizkessel beispielsweise größer als unserer, können Sie die Abdeckung so weit vergrößern, dass eine 18 Meter lange Spirale aus 6,35 mm (1/4 Zoll) weichem Kupferrohr in den größeren Wärmetauscherrahmen passt. Bei kleineren Heizkesseln muss die Verkabelung entsprechend reduziert werden.
Am einfachsten lässt sich der Schlauch in der für den Transport aufgerollten Form verwenden. Wir legen den gecrimpten Draht einfach in den Rahmen und biegen das Rohr vorsichtig, um das Rechteck auszufüllen. Das flexible Material lässt sich ohne Knicke bis zu einem Radius von etwa 3,8 cm biegen, sodass es sich problemlos in potenzielle „heiße Stellen“ einpassen lässt. Wir arbeiten uns von außen nach innen vor und befestigen die Spulen dabei an der Rückwand. (Ohne die Drähte zur Sicherung des äußeren Rohrrings wäre das Ganze aus dem Rahmen gerutscht.)
Nachdem die Kupferrohre gleichmäßig im Rahmen verteilt sind, rühren Sie eine dünne Schicht Gips an und gießen Sie die Mischung in den Rahmen. Glätten Sie die Oberfläche, indem Sie ein Lineal über das Winkelprofil legen, und lassen Sie das Material einige Tage trocknen. Anschließend kann die Platte an der Seite des Ofens befestigt und die 1/4-Zoll-Leitung mit dem 1/2-Zoll-Rohr des Vorwärmerbehälters verbunden werden.
Wir führten umfangreiche Tests durch, um die effizienteste Konfiguration des Schalters zu ermitteln und uns von der sicheren Funktion der Anlage zu überzeugen. Um beispielsweise zu testen, was bei einem Stromausfall und dem damit verbundenen Pumpenausfall passiert, dichteten wir das Rohr am Vorwärmerbehälter ab und installierten ein Manometer am Sicherheitsventil. Der höchste im System erreichbare Druck betrug 3 PSI – und das, nachdem unser Katalysator von Atlanta Stove Works den Durchfluss 8 Stunden lang bei maximaler Verbrennungsrate unterbrochen hatte!
Um festzustellen, ob der Wärmeaustausch durch Wärmeleitung über die Ofenwände ein gesundheitsschädliches Maß erreichte, untersuchten wir täglich das Innere des Feuerraums des Holzofens auf vermehrte Kreosotablagerungen. Wir stellten keine Unterschiede im Aussehen oder in der Tiefe der Ablagerungen an den vier Wänden fest, was darauf hindeutet, dass die Wärmetauscher hauptsächlich Strahlungsenergie von den äußeren Ofenwänden aufnahmen. (Die Keramik könnte eine gewisse isolierende Wirkung gehabt und die erhöhte Wärmeleitfähigkeit ausgeglichen haben.)
Wie viel Warmwasser produziert der Wärmetauscher? In einem typischen 7-Stunden-Zyklus würden wir 25 bis 27 kg Holz in den Atlanta-Katalysator geben, wodurch der Inhalt des 159-Liter-Tanks auf fast 60 °C erhitzt würde. Diese Verbrennungsrate von 3,6 kg pro Stunde ist wahrscheinlich etwas höher als der übliche Verbrauch, sodass Sie mit einem ähnlichen Gerät möglicherweise etwas weniger Warmwasser erhalten. Wenn Sie jedoch den ganzen Tag über intensiv heizen, sollten Sie in 24 Stunden immer noch über 379 Liter Warmwasser pro Tag produzieren. Selbst wenn Sie Ihren Ofen häufig ausgeschaltet lassen, wird dieses System Ihre Energiekosten deutlich senken.
Je nach Haushaltsgröße und Wasserverbrauch kann dieses System Ihre Warmwasserkosten im Winter komplett eliminieren. Wenn Sie Holz deutlich günstiger als die entsprechende Menge Strom oder Gas beziehen können, lohnt sich die Investition in die Energie, die Sie zum Erhitzen des Wassers mit Ihrem Holzofen benötigen (abgesehen vom Platzbedarf und der Wärmeabgabe des Ofens). Außerdem werden Sie sich freuen zu wissen, dass Sie einen weiteren Schritt zur Ablösung nicht erneuerbarer Energiequellen unternommen haben.
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