Ermittlung der energetischen Effizienz eines isolierten Wasserkessels im Vergleich zu einem unisolierten Kessel

In diesem Experiment wird die thermische Effizienz eines herkömmlichen Wasserkessels unter Verwendung einer von mir entwickelten und 3D-gedruckten Isolationshaube mit 20 mm starken Armaflex-Isolierung untersucht. Hierzu wird Wasser zunächst von Raumtemperatur (16 °C) bis zum Sieden (100 °C) erhitzt und anschließend über definierte Zeitintervalle abkühlen gelassen. Die Temperaturverläufe sowie der theoretische Energiebedarf für das erneute Erhitzen werden sowohl für den unisolierten als auch den isolierten Kessel berechnet. Dabei zeigt sich, dass der isolierte Kessel für den erneuten Aufheizvorgang signifikant weniger Energie benötigt, insbesondere in den ersten 60 Minuten nach dem Erhitzen. Die prozentuale Energieeinsparung liegt während dieses Zeitraums zwischen rund 34 % und 46 %. Über längere Zeiträume nahm der Unterschied in den Abkühlkurven ab, jedoch blieb selbst nach mehreren Stunden noch ein messbarer Vorteil für den isolierten Kessel bestehen.

Null-Hypothese: Die Isolierung¹[einer äußeren Schicht zur Reduzierung von Wärmeverlusten] des Wasserkessels hat keinen Einfluss auf den Energiebedarf zum Erhitzen und Wiedererhitzen von Wasser.

1. Einleitung

Wärmeverluste²[Abgabe von thermischer Energie an die Umgebung, wodurch die Temperatur eines Systems absinkt] stellen in vielen Bereichen der Energietechnik einen entscheidenden Faktor bei der Effizienz von Erwärmungsprozessen³[Kennzeichnet das Verhältnis zwischen der tatsächlich für die Temperaturerhöhung genutzten Energie und der insgesamt aufgewendeten Energie] dar. Bei der Erhitzung von Wasser, etwa zum Kochen oder für die Lebensmittelzubereitung, geht ein Teil der zugeführten Energie an die Umgebung verloren. Eine Verminderung dieser Verluste kann über geeignete Isolierungslösungen erreicht werden. Das vorliegende Experiment dient dazu, die Auswirkung einer 20 mm starken Isolierung auf den Energiebedarf für das Erhitzen von 1 Liter Wasser zu ermitteln. Ferner wird untersucht, wie stark sich die Isolierung auf die Abkühlrate und damit auf den Energiebedarf eines erneuten Aufheizens auswirkt.

2. Material und Methoden

2. Material und Methoden

Weitere Details zur Konstruktion, Aufbau, sowie der Verweis zu den .Stl-Dateien zum selber nachdruckend finden sich hier:

Thermische Isolation für IKEA Wasserkessel

1. Versuchsmaterial
   • Zwei identische Wasserkessel (IKEA Metallisk)
   • 20 mm Armaflex-Isoliermaterial
   • 1 Liter Leitungswasser für jeden Kessel
   • Thermometer mit hinreichender Genauigkeit (Messunsicherheit ±1 K)
   • Stoppuhr zur Erfassung der Erhitzungszeit
2. Isolataion des Kessels
   • Ich habe für den IKEA Metallisk Wasserkessel ein aus dem hitzestabilen Kunststoff ASA eine äußere und leicht zu entferndene Hülle konstruiert und 3D-gedruckt
   • Innerhlab der Hülle ist die Armaflex-Isolation
3. Versuchsaufbau
   • Ein Wasserkessel wird zunächst unisoliert gelassen.
     • 1 Liter Wasser wird zum sieden gebracht und die Zeit protokolliert
     • Die Abkühlrate wird gemessen
   • Der Wasserkessel wird jetzt mit einer 20 mm dicken Schicht Armaflex vollständig ummantelt.
     • Experimente des unsisolierten Kessel werden wiederholt.
4. Durchführung
   1. Initiales Erhitzen
      • In beiden Kesseln wurde jeweils 1 Liter Wasser (16 °C) zum Sieden (100 °C) erhitzt.
      • Die Zeit zum Erreichen von 100 °C wird festgehalten:
        • Unisoliert: 4 Min 46 s
        • Isoliert: 4 Min 16 s
   2. Abschalten & Abkühlen
      • Direkt nach dem Erreichen des Siedepunkts wurde die Energiezufuhr unterbrochen.
      • In definierten Zeitabständen (10, 20, 30, 40, 50, 60, 90, 120, 330, 480 Minuten) wurde die Wassertemperatur in beiden Kesseln gemessen.
   3. Theoretische Berechnungen
      • Die spezifische Wärmekapazität⁴[Energie, die benötigt wird, um 1 g eines Stoffes um 1 K zu erwärmen] von Wasser wurde mit

angesetzt.

• Der Energiebedarf Q für das Erwärmen oder Wiedererhitzen des Wassers wird mit

berechnet.

• Hierbei ist m die Masse (1 kg) des Wassers, c die spezifische Wärmekapazität⁵[Energie, die benötigt wird, um 1 g Wasser um 1 K zu erwärmen] und ΔT die Temperaturänderung. Für Wasser wurde c=4,2 Jg⋅Kc angesetzt.

4. Bestimmung der Energieersparnis:

• Für jeden Messzeitpunkt wird die noch vorhandene Wassertemperatur T_reading bestimmt.
• Das zur Rückerwärmung auf 100 °C benötigte Q berechnet sich aus

• Die prozentuale Einsparung durch Isolierung wird aus den Unterschieden im Energiebedarf der beiden Kessel bestimmt:

3. Ergebnisse

1. Erforderliche Energie für das initiale Erhitzen
   • Theoretisch (ohne Abstrahlverluste) ist die Energiemenge zum Erhitzen von 1 kg Wasser von 16 °C auf 100 °C:

• In der Praxis wirkte sich die Dämmung bereits auf die Aufheizzeit aus:
  • Unisoliert: 4:46 Min
  • Isoliert: 4:16 Min

2. Abkühlkurven

• Die nachfolgende Tabelle zeigt die Messwerte für die Temperatur in den beiden Kesseln zu den jeweiligen Zeitpunkten (in Minuten).

Zeit (min)	Unisoliert (°C)	Isoliert (°C)
10	87	93
20	80	89
30	74	85
40	68	81
50	63	77
60	59	73
90	50	66
120	42	60
330	21	33
480	17	24

• Zeit (min): Vergangene Zeit seit dem einmaligen Sieden des Wassers im Kessel
• Unisoliert (°C): Temperatur in °C des langsam abkühlenden Wassers im unisolierten Wasserkessel
• Isoliert (°C): Temperatur in °C des langsam abkühlenden Wassers im isolierten Wasserkessel

3. Theoretischer Energiebedarf zum Wiederaufheizen

• Nachfolgende Tabellen enthalten die auf Basis der Formel

berechneten Werte. Dabei werden zusätzlich die Joule-Angaben in kJ (Kilojoule) und Wh (Wattstunden) umgerechnet.

Unisolierter Wasserkessel:

Zeit (min)	Wassertemp. (°C)	ΔT (K)	Q (kJ)	Q (Wh)
10	87	13	54,6	15,17
20	80	20	84,0	23,3
30	74	26	109,2	30,3
40	68	32	134,4	37,3
50	63	37	155,4	43,2
60	59	41	172,2	47,8
90	50	50	210,0	58,3
120	42	58	243,6	67,7
330	21	79	331,8	92,2
480	17	83	348,6	96,8

Isolierter Wasserkessel:

Zeit (min)	Wassertemp. (°C)	ΔT (K)	Q (kJ)	Q (Wh)
10	93	7	29,4	8,2
20	89	11	46,2	12,8
30	85	15	63,0	17,5
40	81	19	79,8	22,2
50	77	23	96,6	26,8
60	73	27	113,4	31,5
90	66	34	142,8	39,7
120	60	40	168,0	46,7
330	33	67	281,4	78,2
480	24	76	319,2	88,7

• Zeit (min): Vergangene Zeit seit dem einmaligen Sieden des Wassers im Kessel
• Wassertemp. (°C): Temperatur in Grad Celcius des langsam abkühlenden Wassers im Wasserkessel
• ΔT (K): Temperaturdifferenz in Kelvin zwischen dem siedenen Wasser (100 °C) und dem Messwert zum entsprechenden Zeitpunkt
• Q (kJ): Der Energiebedarf Q in Kilojoul der nötig wäre um bei der aktuellen Wassertemperatur und des jeweiligen Messwertes das Wasser im Kessel wieder zum sieden zu bringen
• Q (Wh): Der Energiebedarf Q in Wattstunden der nötig wäre um bei der aktuellen Wassertemperatur und des jeweiligen Messwertes das Wasser im Kessel wieder zum sieden zu bringen

4. Prozentuale Energieersparnis

• Zur Darstellung der relativen Einsparung wurde die Differenz zwischen den beiden Energiebedarfen berechnet.

Prozentuale Energieersparnis (Isoliert vs. Unisoliert):

Zeit (min)	Qunisoliert (kJ)	Qisoliert (kJ)	Ersparnis (kJ)	Ersparnis (%)
10	54,6	29,4	25,2	46,15 %
20	84,0	46,2	37,8	45,00 %
30	109,2	63,0	46,2	42,31 %
40	134,4	79,8	54,6	40,63 %
50	155,4	96,6	58,8	37,86 %
60	172,2	113,4	58,8	34,15 %
90	210,0	142,8	67,2	32,00 %
120	243,6	168,0	75,6	31,05 %
330	331,8	281,4	50,4	15,19 %
480	348,6	319,2	29,4	8,43 %

• Zeit (min): Vergangene Zeit seit dem einmaligen Sieden des Wassers im Kessel
• Q_unisoliert (kJ): Der Energiebedarf Q in Kilojoul der nötig wäre um bei der aktuellen Wassertemperatur und des jeweiligen Messwertes das Wasser im unisolierten Kessel wieder zum sieden zu bringen
• Q_isoliert (kJ): Der Energiebedarf Q in Kilojoul der nötig wäre um bei der aktuellen Wassertemperatur und des jeweiligen Messwertes das Wasser im isolierten Kessel wieder zum sieden zu bringen
• Ersparnis (kJ): Differenz zwischen Q_unisoliert und Q_isoliert in Kilojoul.
• Ersparnis (%): Relative Ersparnis in Prozent durch die Isolation des Kessels.

4. Diskussion

Das Experiment belegt eindrücklich, dass während der Abkühlphase eine deutliche Energieersparnis durch Isolierung erzielt werden kann. Das Wasser im isolierten Kessel behält, insbesondere in den ersten 120 Minuten, einen deutlich höheren Temperaturmittelwert als im unisolierten Kessel. Dadurch werden beim erneuten Erhitzen mit zunehmender Abkühlzeit zwar in beiden Fällen größere Energiemengen benötigt, jedoch liegt das Q_insulated​ stets signifikant unter Q_uninsulated.

Physikalische Begründung

• Die Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt überwiegend über Konvektion⁶[Wärmeübertragung in strömenden Fluiden] und Wärmeleitung⁷[Energietransport durch Molekülstöße] durch die Kesselwand sowie Wärmeabstrahlung⁸[Abgabe von Energie in Form von Infrarotstrahlung].
• Armaflex reduziert die Wärmeleitfähigkeit⁹[Fähigkeit eines Materials, thermische Energie in Form von Molekülstößen oder Phononen durchzuleiten] zwischen dem heißen Wasser im Kesselinneren und der umgebenden Luft, sodass der Temperaturgradient¹⁰[Unterschied im Temperaturfeld pro Weglängeneinheit] an der Außenoberfläche geringer ausfällt und somit weniger Energie in Form von Wärme entweicht.
• Da in den ersten Minuten nach dem Abschalten die Temperaturdifferenz zur Umgebung am größten ist, wirkt sich die Isolierung dort besonders stark aus. Dies erklärt die hohe Ersparnis von bis zu etwa 46 % nach 10 Minuten.
• Mit zunehmender Abkühlzeit nähern sich die Temperaturen im isolierten und unisolierten Kessel an, da sämtliche Wärmespeicherreserven¹¹[die Fähigkeit eines Körpers oder Materials, thermische Energie aufzunehmen und über einen gewissen Zeitraum zu halten] allmählich an die Umgebung abgegeben werden. Dieser Effekt führt dazu, dass die prozentuale Einsparung nach mehreren Stunden (z. B. 480 Minuten) noch immer vorhanden ist, aber nur noch etwa 8 % beträgt.

Relevanz für den Alltag
Wird Wasser häufig in kürzeren Abständen aufgekocht (z. B. für Tee oder beim Kochen), kann eine wärmetechnische Isolation die erforderliche Heizenergie dauerhaft senken. Bereits eine 20 mm starke Armaflex-Schicht zeigt in diesem Versuch ein beachtliches Einsparpotenzial. Für weitere Optimierungen könnten auch speziell gefertigte Isolierungen oder Vakuumpaneele infrage kommen.

Da hier keine chemischen Reaktionen durchgeführt werden, entfallen reaktionschemische Betrachtungen. Die Effekte beruhen rein auf physikalischen Prinzipien der Wärmeübertragung. Das Ergebnis ist eine insgesamt klar nachvollziehbare Senkung der nötigen Energie für den wiederholten Aufheizprozess, was die Null-Hypothese eindeutig widerlegt.

• 1
  [einer äußeren Schicht zur Reduzierung von Wärmeverlusten]
• 2
  [Abgabe von thermischer Energie an die Umgebung, wodurch die Temperatur eines Systems absinkt]
• 3
  [Kennzeichnet das Verhältnis zwischen der tatsächlich für die Temperaturerhöhung genutzten Energie und der insgesamt aufgewendeten Energie]
• 4
  [Energie, die benötigt wird, um 1 g eines Stoffes um 1 K zu erwärmen]
• 5
  [Energie, die benötigt wird, um 1 g Wasser um 1 K zu erwärmen]
• 6
  [Wärmeübertragung in strömenden Fluiden]
• 7
  [Energietransport durch Molekülstöße]
• 8
  [Abgabe von Energie in Form von Infrarotstrahlung]
• 9
  [Fähigkeit eines Materials, thermische Energie in Form von Molekülstößen oder Phononen durchzuleiten]
• 10
  [Unterschied im Temperaturfeld pro Weglängeneinheit]
• 11
  [die Fähigkeit eines Körpers oder Materials, thermische Energie aufzunehmen und über einen gewissen Zeitraum zu halten]