Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov

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Wärmepumpen in der Geothermie:Theoretische Grundlagen

Wärmepumpen in der Geothermie:Theoretische Grundlagen

Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov

'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!'

'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen'

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Gliederung :

1.Einführung – kurzer Einblick in Thermodynamik

2.Erde – Wärmequelle für die Wärmepumpen

3.Wärmepumpen3.1. Kältemittel3.2. Funktion3.2. Systematik3.3. Vergleich verschiedene Arten Wärmepumpensysteme

4. Rolle der Wärmepumpe in der Energieversorgung

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Erster Haupsatz der Thermodynamik:

Aussagen:

1)Perpetuum Mobile erster Art ist unmöglich Maschine mit Wirkungsgrad von über 100 Prozent die zu ihrem Betrieb notwendige Energie und zusätzlich Nutzenergie liefern würde

Zum Beispiel:Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben, ein Teil des Wassers fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an.Ein Akkumulator bringt eine Lampe zum Leuchten, das Licht erzeugt durch ein Fotoelement elektrischen Strom, der den Akkumulator wieder auflädt.

2)kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie

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Zweiter Haupsatz der Thermodynamik:Aussagen:

1)Perpetuum Mobile zweiter Art ist unmöglichArbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, mittels lokaler

Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in mechanische Arbeit zurück umsetzen. Die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme ist irreversibel

2)Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen

3)Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als der aus diesen Temperaturen gebildete Carnot-Wirkungsgrad

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Wärmeleitung (Konduktion)

Fouriersches Gesetz:

• q – Wärmestromdichte, W/m²• Q - übertragene Wärmelesitung, W• T1 - Temperatur der wärmeren Wandoberfläche , K• T2 - Temperatur der kälteren Wandoberfläche , K• A - Fläche, durch die die Wärme strömt , m²• λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK• δ - die Dicke der Wand, m • R – thermischer Widerstand, m²K/W

R

Tgradq

.

2121 ..1

.. TTAR

TTAQ

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i i

iR

2121 .... TTARTTAQi

ii i

i

Baustoffe

StoffWärmeleitfähigkeit λ[W / (m · K)]

Kupfer 401

Aluminium 237

Messing 120

Zink 110

Stahl unlegiert 50

Edelstahl 15

Blei 35

Granit 2,8

Beton 2,1

Glas 1,0

Kalkzement-Putz 1,0

Ziegelmauerwerk (Vollziegel)

0,5 - 1,4

Holz 0,13 - 0,18

Gummi 0,16

Poroton-Ziegelmauerwerk

0,09 - 0,45

Porenbeton-Mauerwerk 0,08 - 0,25

Schaumglas 0,040

Glaswolle 0,04 - 0,05

Polystyroldämmstoffe 0,035 - 0,050

Polyurethandämmstoffe 0,024 - 0,035

Luft 0,024

Wärmeleitung (Konduktion)

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Wärmeübergang

Newtonsches Gesetz:

wf TTAQ

..

• Q - übergebene Wärmelesitung, W• Tf - mittlere Temperatur des Fluides, K• Tw - mittlere Temperatur der Wand, K• A - Fläche, m²• α - Wärmeübergangskoeffizient, W/m²K• δ - die Dicke der Wand, m

α=f(λ,ρ,μ,cp….)

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Wärmedurchgang = Wärmeübergang + Wärmeleitung + Wärmeübergang

21.. ff TTAuQ

• Q - übergebene Wärmelesitung, W• Tf1 - Temperatur des warmen Fluides, K• Tf2 - Temperatur des kalten Fluides, K• A - Fläche, m²• u - Wärmedurchgangskoeffizient, W/m²K• δ - die Dicke der Wand, m • λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK

n

i i

i

u

21

111

21

111

u

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Physikalische Eigenschaften

Äquator – Poldurchmesser*

12.756 – 12.714 km

Masse 5,974 · 1024 kg

Mittlere Dichte 5,515 g/cm3

Hauptbestandteile

•Sauerstoff: 32,44 %•Eisen: 28,18 %•Silicium: 17,22 %•Magnesium: 15,87 %•Kalzium: 1,61 %•Nickel: 1,61 %•Aluminium: 1,51 %

Fallbeschleunigung* 9,807 m/s2

Fluchtgeschwindigkeit 11,186 km/s

Rotationsperiode 23 h 56 min 4 s

Neigung der Rotationsachse

23,44°

Albedo 0,367

* bezogen auf das Nullniveau des Planeten

Wärmestromdichte: Mittelwert0,063 W/m² (63 mW/m²)

In anomalen Gebieten, vulkanisch Vielfaches größer

vorwiegend zur dezentralen Nutzung

Wärmequelle

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Schalenaufbau der Erde

Dreidimensionale Darstellung

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Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschichten

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Wärmekraftmaschine – umwandelt Wärme in mechanische Energie in einem Kreisprozess

Kraftwärmemaschine – liefert Wärmeenergie unter Einsatz mechanischer Energie

Wärmepumpen

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Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als "Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen."

nach DIN 8960 Abs. 3.1 als "Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt."

Kältemittel

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Begriffsdefinition FCKW

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Umweltrelevante Eigenschaften von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln

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lg p h-Diagramm für Solkane 22

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Funktion

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p - v Diagramm

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logp - h Diagramm

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322 hhq

Für die beide Isobaren Prozesse 2-3 und 4-1 gilt :

311 hhq 12 hhqw

Bei Kenntnis der Temperaturen und Absolutdrücke sind die spezifischen Wärmemengen q1 und q2 , sowie die spezifische Arbeit w unmittelbar zu entnehmen

Wärmeleistung QWP = m.(h2-h3)

Kälteleistung Q0 = m.(h1-h4)

Verdichterleistung P = m.(h2-h1)

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Wichtige Kennwerte von Wärmepumpe

12

2

0. TT

T

QQ

Q

P

Q

Leistungaufgewend

ngNutzleistu

WP

WP

el

WP

1

2

T

Tf

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Leistungszahl (Coefficient Of Performance - COP)

-begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads

-technisch realisierte Carnotwirkungsgrad ηcWP einer Wärmepumpe

kaltwarm

warm

c TT

T

1

el

WP

kaltwarm

warmcWP P

Q

TT

Tc ..

-praktische Carnotwirkungsgrade ηcWP um 0,45 technisch erreicht

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• Erdreich

– Erdsonde– Flächenverdampfer– Geothermische Quellen

• Wärmequellen

– Luft– Erdreich– Wasser– Abwärme

Systematik von Wärmepumpen :

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Erdreichwärmepumpe mit Erdreichlanzen

Wärmestromdichte50 bis 100 W/m

Tiefe 30 bis100 m

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Erdreichwärmepumpe mit Flächenverdampfer

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Erforderliche Erdreichfläche

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Systematik von Wärmepumpen :

• Wärmequelle/Wärmeträger

Luft/Wasser- WärmepumpeLuft/Luft- WärmepumpeWasser/Wasser-WärmepumpeWasser/Luft- WärmepumpeSole/Wasser-WärmepumpeSole/Luft-Wärmepumpe

Bezeichnungen:Wärmequelle:

· B (BIRNE): Soleleitungen in Erdboden· W (WATER): Wasser (Grundwasser)· A (AIR): Umgebungsluft als Wärmequelle

Wärmeträger (im Heizungssystem)· W: Wasser (Heizungswasser)· A: Wärmeeintrag über Lüftungssystem

B0/W35 Wärmequelle bis 0 °C Heizungsvorlauft 35 °C

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• Nach Energiebedarfsdeckung

– Monovalente Wärmepumpe• Geringere mittlere Leistungszahl• Größerer Aufwand für Wärmeaufnehmendes System

– Bivalente Wärmepumpe• Zusatzaufwand für Spitzenheizung• Hohe Leistungszahl• großer Einsatzbereich

Systematik von Wärmepumpen :

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Monovalente Wärmepumpe

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Monovalente Wärmepumpe mit Speicher

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Bivalente Wärmepumpe

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Bivalente Wärmepumpe

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Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

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Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

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Jahr Installierte Wärmepumpen

2007 55.000*

2006 44.000

2005 18.900

2004 12.900

2003 9.890

2002 8.300

2001 8.200

2000 5.700

1999 4.800

1998 4.400

1997 3.600

1996 2.300

1995 1.200

* = Prognose Quelle: Stiebel-Eltron

Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland

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Quelle : Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau:Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät

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• Umweltfreundlich (5 Einheiten Wärme werden zu 4 Teilen aus der Sonne und zu 1 Teil aus Elektrizität gewonnen)

• Emissionsfrei im Gegensatz zu Verbrennungsheizungen Schadstoffemissionen sparen,besseren Luftqualität beitragen

• Komfortabel keinen eigenen Aufstell- oder Lagerraum

• vielseitig einsetzbar mit einer Wärmepumpe heizen, kühlen, lüften und Warmwasser bereiten

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Quellen :

1. „Wärmepumpen“ von Burkhard Sanner2. Grundlagen zur Nutzung Regenerativer Energien, Fachhochschule KölnInstitut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien3. Wärmepumpen, BINE4. Laborscript, Otto von Guericke Unversität5.Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau:Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zumBrennstoffzellen-Heizgerät“Dr.-Ing. Andreas Bühring, Dr. Angelika Heinzel, Prof. Joachim LutherIng. VDI Hans-Lorenz Fritz6. http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmepumpe

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