Konzept einer Teichvereisungspumpe

Version 1.3, 16.06.2004

Hauke Laging, Grazer Platz 22, 12157 Berlin, Tel.: 030/32603660, mobil: 0172/7630883, E-Mail: hauke@laging.de

Übersicht

Ausgangslage – Problem des Kunden - Übersicht

Gerne würden Teichbesitzer - oder eher: ihre Kinder – ihre Wasserfläche im Winter betreten können (etwa zum Schlittschuhlaufen nutzen), scheitern aber daran, dass der typische deutsche Winter dafür nicht lange genug kalt genug ist, oder müssen im Erfolgsfall lange warten, bis ein sicheres Betreten der Eisflächen möglich ist. Dieser Vorschlag betrifft keine kleinen Zier- oder Folienteiche (außer eventuell wirklich großen) und nur eingeschränkt solche mit (bewusster) Fischhaltung.

Auch Kommunen (u.ä.) kämen als Kunden für ein derartiges Produkt in Frage, da sie die Besitzer öffentlich zugänglicher, größerer Gewässer sind. Anstatt ihre Polizei andauernd vor dem Betreten dieser Gewässer warnen zu lassen, würden sich viele Kommunalpolitiker sicher gerne in dem Erfolg sonnen, ihrer Bevölkerung schon nach wenigen Frosttagen die Möglichkeit gefahrlosen Schlittschuhlaufens bieten zu können - jedenfalls dann, wenn dies für notorisch klamme Kommunen erschwinglich wäre.

Ziel - Übersicht

Das Ziel des vorgeschlagenen Produktes ist es, Teichbesitzern die kostengünstige, unkomplizierte und schnelle Erzeugung einer begehbaren Eisfläche auf ruhigen Gewässern jeder Größe zu ermöglichen.

Ich denke, dass die von mir im folgenden skizzierte Lösung sowohl in Produktion als auch der Entwicklung günstig wäre, und das bereits bei kleinen Stückzahlen. Die erforderliche Technik ist unkompliziert, und die Entwicklung birgt kaum Unwägbarkeiten, sondern würde sich auf Aspekte der praktischen Handhabbarkeit konzentrieren.

Lösungsansatz - Übersicht

Das gravierende Problem bei der natürlichen Vereisungsgeschwindigkeit ist der immer größer werdende Isolationseffekt der bereits vorhandenen Eisschicht, untersützt von den zumindest tagsüber in Deutschland selten weit unter null Grad liegenden Temperaturen. Diesen Isolationseffekt sollte man dadurch umgehen können, dass man die Eisschicht nicht nach unten, sondern nach oben vergrößert: Eine Pumpe pumpt Teichwasser in geeigneter Weise auf die vorhandene Eisschicht, das ggf. (durch einen einfachen Eisring um die Pumpe herum) am Ablaufen zurück unter die Eisschicht gehindert wird (das Ablaufen muss vermutlich nicht verhindert werden, da es unproblematisch ist – es bliebe immer eine dünne Wasserschicht übrig, es liefe nie alles ab – es wäre aber so effizienter). Dieses Wasser hat nun bereits eine Temperatur von null bis ein Grad, nicht mehr ein sehr niedriges Temperaturgefälle zur kühlenden Luft (durch die isolierende Eisschicht hindurch), sondern ein annehmbar hohes. Außerdem wird die neue Wasserschicht von oben und unten gleichermaßen gekühlt, wird wegen ihrer geringen Dicke nicht durch makroskopische Bewegungen (Wellen) am Frieren gehindert und liegt an einer bereits vorhandenen Eisschicht an, an die sie unmittelbar anfrieren kann, ohne erst selber Eiskerne bilden zu müssen.

Pumpvorgang

Zunächst würde die Pumpe bzw. deren Schlauchausgang geeignet auf der Eisfläche positioniert (also möglichst zentral). Dann würde die Pumpe vom Benutzer gerade so lange angeschaltet, wie sie für die Benetzung der gesamten zu vereisenden Fläche benötigt. Diese Zeitspanne wurde in der Pumenansteuerung gespeichert. Das Wasser würde dabei einfach auf die Eisfläche gepumpt, sodass es sich von selbst gleichmäßig verteilt. Das brächte den angenehmen Nebeneffekt mit sich, dass die Oberfläche sehr eben wäre, weil die unvermeidlichen Verwerfungen der ersten Eisebene sich nicht verstärkten, sondern durch das sich in den Niederungen sammelnde Wasser ausgeglichen würden.

Des weiteren würde die Pumpenansteuerung über einen Temperatursensor verfügen, der die Pumpintervalle festlegte: je kälter die Umgebungsluft ist, desto schneller ist eine Wasserschicht gefroren und desto früher kann die nächste Schicht folgen. Ich kann die realen Werte nur schätzen, gehe aber davon aus, dass sich auch bei nur fünf bis acht Grad unter Null auf diese Weise mehrere Zentimeter Eis pro Tag erzeugen lassen.

Es wäre ausreichend, einfach eine dünne Wasserschicht auf die Eisfläche zu pumpen. Bei minimaler Dicke liefe das Wasser nicht mehr ab. Dies muss sich nicht nachteilig auf die Wachstumsgeschwindigkeit der Eisschicht auswirken, denn bei einer minimalen Wasserschicht wären sowohl Pump- als auch Frierzeit minimal. Vermutlich wäre es also sogar kontraproduktiv, eine dickere Wasserschicht zu erzeugen.

Positionierung der Pumpe und ggf. des Schlauchs

Für die Positionierung der Pumpe gibt es zwei Möglichkeiten mit eigenen Vor- und Nachteilen:

Die Schläuche – alternativ das Stromkabel – müssten natürlich in einer gewissen Höhe über dem Eis entlanggeführt werden, um nicht festzufrieren. Dafür wäre eine Halterung vonnöten, die ebenfalls nicht festfrieren dürfte. Eine Lösungsmöglichkeit wäre, der Pumpe "Gefrierformen" beizulegen. In diesen könnte Wasser zu dünnen Schalen gefroren werden. Diese hätten einen so großen Durchmesser, dass das Gewicht der Halterung zu einem auch für dünne Eisflächen vertretbarem Druck würde, und eine Höhe von einigen Zentimetern. Denkbar ist aber auch, die entgegengerichteten Größen dahingehend zu vereinen, dass der eigentliche Zylinder auf einer breiteren Scheibe sitzt. Die Höhe wäre wohl nur durch das akzeptable Eigengewicht der Schalen und eventuell die Einführbarkeit der Halterung begrenzt (falls die Schalen zuerst auf das Eis gesetzt und dann erst die Halterung in diese hineingesetzt würde; alternativ könnten der "Zusammenbau" an Land bzw. am Rand der Eisdecke erfolgen und das gesamte Konstrukt dann geschoben werden).


Zwei Varianten von Schalen – die "normale"

und die gewichtsoptimierte (Eiszylinder gleicher Höhe mit kleinerem Durchmesser hat weniger Masse und damit weniger Gewicht)

Falls nichts gegen "hohe" Schalen spricht, reichte ein Satz für die gesamte Vereisungsaktion aus, was den Vorteil hätte, dass an dem noch sichtbaren Teil der Schalen unmittelbar die (minimale) Dicke der Eisdecke abgelesen werden könnte. Nach Erreichen der Wunschdicke sollten die Halterungen problemlos aus den Schalen genommen werden können. Schlimmstenfalls könnte tagsüber die unterste Schicht antauen, sodass die Halterung leicht angefroren wäre. Das sollte aber kein unüberwindliches Problem darstellen. Nach Entfernung der Halterung würden die Schalen mit Wasser aufgegossen und ebenfalls innerhalb kurzer Zeit zufrieren.


In der Schale würden beispielsweise vier Drähte in der skizzierten Weise befestigt, so dass man das Stromkabel nur in Richtung Schale schleudern müsste (wenn man nicht sowieso die Schale unter dem Kabel entlang übers Eis schiebt) und das Kabel dann in die gewünschte Position käme.

Die Schalen müssten so dicht stehen / so hoch sein, dass das Kabel nicht unter (merklichem) Zug stünde, weil ansonsten die Pumpe zur Seite kippte. Diesen Effekt könnte man, sollte er wirklich stören, auf Kosten der generellen vertikalen Stabilität der Pumpe (wegen der Schwerpunktverlagerung nach oben) dadurch (teil-)kompensieren, dass man auf der dem Stromanschluss gegenüberliegenden Seite der Pumpe ein Gegengewicht anbrächte.

mögliche Probleme - Übersicht

allgemeines Risiko

Auch eine Gefrierhilfe schützt nicht vor der Dummheit der Leute. Schlimmstenfalls trüge diese Technik dazu bei, dass das Gefahrenbewusstsein bei einigen Leuten nachlässt. Gerade vor dem Hintergund des Haftungsrisikos, wäre zu überlegen, wie das Unfallrisiko minimiert werden könnte (das objektiv rein gar nichts mit dem Produkt zu tun hätte). Denkbar wäre, der Pumpe entweder direkt oder als optionales Zubehör Geräte zur ausgefeilteren Eisdickenmessung als der auf Basis der Schaleneinfrierhöhe beizulegen. Zumindest müsste in der Beschreibung auf die Belastbarkeit verschieden dicker Eisdecken hingewiesen werden.

Teich soll teilweise eisfrei bleiben

Wenn in einem Teich Fische leben, ist es oftmals im Interesse des Teichbesitzers, den Teich gezielt eisfrei zu halten, was diesem Produktvorschlag natürlich widerspricht. Im wesentlichen werden solche Personen keine potentiellen Kunden sein, aber prinzipiell sollte es unproblematisch sein, das System zusammen mit Geräten einzusetzen, die Teile eines Teichs eisfrei halten sollen.

zufrierende Uferbepflanzung o.ä.

Gerade bei Gartenteichen mag es vorkommen, dass das Einfrieren des Uferbereichs zumindest teilweise unerwünscht ist. Dieses Problem ließe sich durch etwas optionale Technik lösen: An den fraglichen Stellen ließe sich am Ufer (oder alternativ an der Stelle auf dem Eis, sobald es die nötige Dicke erreicht hat) ein Gerät anbringen, das durch kleine Wellenbewegungen im Uferbereich die Entstehung einer Eisschicht verhindert.

Vermutlich wäre es ausreichend, die Eischicht erst einmal wachsen zu lassen, dann im fraglichen Uferbereich kaputtzuschlagen und den Wellenerzeuger einzusetzen. Sofern die Wellen nicht bis auf die Eisschicht schwappen (und das müssten sie ja nicht), sollten sie den Wuchs der Haupteisschicht nicht behindern.

Zufrieren der Pumpe

Natürlich darf die Pumpe bzw. das Überwasserrohr nicht zufrieren, was während der Untätigkeitsphasen durchaus passieren könnte. Bei der Lösung dieses Problems sind folgende Aspekte zu bedenken:

Lösungsansätze

  1. Heizung

    Das Rohr könnte von einem Heizdraht umwickelt werden, der vor jedem Pumpvorgang das Eis schmilzt.

  2. Wasserpegel absenken

    Am Ende des Pumpvorgangs könnte der Wasserspiegel im Rohr unter den Wasserspiegel des Teichs gepumpt werden. Dann wäre die Wasser-Luft-Grenzschicht an einem Punkt, an dem das Rohr von Wasser mit Plusgraden umgeben ist.

  3. Wasser in Bewegung halten

    Das Wasser könnte innerhalb des Rohrs in Bewegung gehalten werden, um zu verhindern, dass das Rohr zufriert. Das löste aber nicht das Problem der anfrierenden Restflüssigkeit im Rohr.

Aufliegen und Durchbiegen der Eisfläche

Zumindest denkbar ist folgendes Problem: Eine natürliche Eisschicht würde von oben nach unten wachsen, in diesem Szenario wächst sie aber von unten nach oben. Das macht so lange keinen Unterschied, wie die Eisdecke ungehindert nach unten rutschen kann. Dies kann aber theoretisch dadurch eingeschränkt werden, dass das Eis am Ufer bereits aufliegt. Da dies ein allmählicher Prozess wäre, vermute ich, dass die Eisdecke sich „zurechtböge“, aber zur Sicherheit könnte man das Eis am Ufer regelmäßig aufhacken, um z.B. eine mechanische Beschädigung der Ufervegetation zu verhindern (sofern die überhaupt zu befürchten wäre).

Stabilität

Es wäre zu prüfen, inwieweit das Risiko besteht, dass der Pumpvorgang an sich, eventuell noch unterstützt von Wind, die Pumpe in eine Schräglage versetzen könnte, die die Arbeitsweise erschwert. Grundsätzlich ist anzunehmen, dass das hochgepumpte Wasser sich immer annähernd gleich verteilen wird, unabhängig davon, wo es nun konkret auf der Eisfläche landet.

Die Stabilität der Pumpe stiege mit ihrer Länge an, aber die Länge verhindert einen Einsatz in flachem Wasser.

Positionierung auf einer großen Wasserfläche

Nicht trivial ist das Problem, die Pumpen auf einer großen (angefrorenen) Wasserfläche zu verteilen: Irgendwie müssen sie ja an ihren Einsatzort kommen. Erschwert wird dies noch dadurch, dass die Stromversorgung mit Hilfe der Schalen über Wasser gehalten werden muss.

Möglich wäre, ganz vorsichtig mit einem Boot durch die dünne Eisdecke zu fahren und die Pumpen vom Boot aus ins Eis zu werfen. Das kaputtgefahrene Eis wäre unproblematisch. Die Frage ist eher, ob die Wellen nicht auch den Rest der Eisfläche ruinieren. Für die Pumpen wäre auch das egal. Die Schalen würden wohl auch von einer brüchigen Eisdecke getragen (je nach eigenem Gewicht und Dicke der Eisdecke).

Zufrieren des Geräts von außen

Die Pumpe darf nicht von dem sie umgebenden Eis zusammengequetscht werden – falls das überhapt passieren kann. Mögliche Gegenmaßnahmen wären

Designüberlegungen

Pumpengröße

Es stellt sich die Frage, welche Größe eine Pumpe haben soll. Je stärker die Pumpleistung ist,

Grundsätzlich sind also kleinere Pumpen vorzuziehen. Sie schrecken weniger Käufer ab, und die Besitzer großer Eisflächen können mehrere Pumpen kaufen.

Größe des Arbeitsbereichs einer Pumpe

Im Prinzip kann man mit einer Pumpe einen beinahe beliebig großen Bereich bearbeiten: Wenn man mehr Wasser am Stück hochpumpt, verteilt sich dies über eine größere Fläche. Das Problem daran ist, dass die Frierzeiten erst beginnen, wenn kein Wasser mehr gepumpt wird und die neue Eisfläche zur Ruhe gekommen ist. Wenn man statt einer lange arbeitenden Pumpe zwei kurz arbeitende Pumpen nähme, könnte der nächste Anfriervorgang schon nach etwa der Hälfte der Zeit beginnen. Wie relevant dies ist, hängt wesentlich davon ab, wie lange eine Pumpphase für eine bestimmte Fläche dauert, wie leistungsstark also die Pumpe ist.

Marktchancen

Es hat sich gezeigt, dass bei Herstellern und Händlern die Ansicht verbreitet ist, dass dieses Produkt keinen großen Markt bei Privatleuten hätte. Ich schätze das zwar anders ein, kann dies aber natürlich nicht mit Marktforschung belegen.

Wenn das Produkt an Kommunen verkauft würde, erreichte man automatisch eine erhebliche Bekanntheit, so dass die Nachfrage im privaten Bereich sich trotz geringen Aufwands deutlich besser abschätzen ließe als jetzt. Gerade die Bekanntheit des Produkts erleichterte dann auch die Suche nach Händlern.

Kosten

Dass das Produkt im Prinzip funktioniert, steht außer Zweifel. Die Entwicklung hätte vor allem die Optimierung der praktischen Handhabung und der Herstellungskosten zur Aufgabe.

Das ganze Gerät besteht aus

Ich habe Derartiges nie gebaut, aber teuer kann es nicht sein.

Erweiterungen

Dieses System setzt eine dünne Eisschicht voraus. Wenn jemand nicht so lange abwarten will, etwa, weil sein Gewässer windbedingt immer einen gewissen Wellengang hat und daher sehr spät zufriert, könnte ihm durch ein Zusatzprodukt geholfen werden:

Die Luft über der Wasserfläche hätte ja schon Minusgrade. Es böte sich an, Oberflächenwasser anzusaugen und dann feinverteilt als Nebel über die Wasserfläche zu sprühen. Dafür benötigt man nur eine Pumpe mit Filter für Kleinteile im Wasser und einen geeigneten Sprühkopf.

Wenn die Wassertröpfchen hinreichend klein wären, würden sie auf dem Weg ins Wasser gefrieren und dort Gefrierkerne bilden. Natürlich würden die meisten Tröpfchen geschmolzen, das wäre also eine Frage der Masse und des Zeiteinsatzes. Beides kann ich nicht abschätzen, das müsste man ausprobieren.

Änderungen am Dokument - Übersicht

1.1

1.2

Nur Textüberarbeitungen.

1.3