T. EBNER, E. NAFTZ1 1.Hauptsatz der Thermodynamik Energie = Arbeit (Energie kann nicht vernichtet...

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T. EBNER, E. NAFTZ1

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Energie = Arbeit

(Energie kann nicht vernichtet werden)

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Energie ↔ Leistung

Energie (E) ≠ Leistung (P)

← Zeitt

EP

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EinheitenSI – Einheiten Abgeleitete Einheiten (aus Basiseinheiten)„historische Einheiten“ Länge Meter mMasse Kilogramm kgZeit Stunde SEl. Strom Ampere ATemperatur Kelvin KStoffmenge Mol molLichtstärke Candela cd

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Energie: thermisch: Joule (J, kJ, MJ, GJ)

WH (kWh, MWh, GWh)

alt: (kcal, Btu, …)

mechanisch: kWh

Nm

elektrisch: kWh

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Leistung: thermisch kJ/s = kW

kcal/h

mechanisch kW, MW, GW

PS ( 1 PS ≈ 0,735 kW)

elektrisch kW, MW, GW

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2. Hauptsatz der Thermodynamik

1. HS Energie = Arbeit → • gleiche Einheit • prinzipiell das gleiche 2. HS Jede Form der Arbeit bzw. Energie kann zu 100 % in Wärmeenergie umgewandelt werden aber nicht umgekehrt.

d.h. irgendwann wird sämtliche Energie in thermische Energie umgewandelt sein bzw. irgendwann wird jedes System den thermischen Tod“ sterben.

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Wirkungsgrad, Nutzungsgrad

Wirkungsgrad η < 1Nutzungsgrad ή < 1Viele gute Einzelwirkungsgrade ergeben einen schlechten GesamtwirkungsgradWirkungsgradkette ηges = η1*η2*η3*…ηn

Energie teaufgewende

eNutzenergiadNutzungsgr

Leistung teaufgewende

ngNutzleistuadWirkungsgr

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Beispiele für Wirkungsgrade

E-MotorOtto-MotorDieselmotorWasserkraftwerkeThermisches KraftwerkVentilatorGlühbirneLeuchtstoffröhreÖlheizungGasheizungE-RadiatorenPhotovoltaik

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Beispiel Mensch:geg: durchschnittliche Leistung des Menschen 100 Wges.: täglicher KalorienbedarfAnmerkung: Zusammenhang kJ ↔ kcal 1 kcal ≈ 4,18 kJ ↑

spez. Wärmekapazität Wasser 1 kcal ist jene Energiemenge um 1 kg Wasser um 1 °C zu erwärmenLösung:

kcalkcal

kJh

sh

s

kJ 2,4kWh

kWhhkWtPE

066.2][18.4

1640.8

640.8600.3*][4,2

4,2][24*][1,0.

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Beispiel Hometrainergeg.Trainingszeit 30 mineingestellte Last 200 WEnergieinhalt Extrawurst 300 kcal/100 g

ges:Wie viel Extrawurst darf ich nach dem Training essen, damit ich den nichtdicker als vor dem Training bin?Anmerkung: Abschätzung ohne Berücksichtigung von Wirkungsgraden

Lösung:0,2 kW * 0,5 h = 0,1 kWh ≈ 360 kJ ≈ 62 kcal→ erlaubt sind 21 g Extrawurst

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Bsp: Baden oder Duschen

geg: Badewasserbedarf 100 l bei 45 °C

Duschbedarf 30 l bei 45 °C

spez. Stromkosten 0,17 €ct/kWh

ges: Kosteneinsparung durch Duschen (365 Duschen/a)

Lösung:

ak

akWhE

kWhEE

Jahr

Jahr

DuscheBad

/€176

/6,036.136584,2

84,2600.3

13518,4)30100(

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Sensible Last vs latente Last

Aufwärmen von 1 kg Wasser um 90 k

Q ≈ 370 kJ

Verdampfung von 1 kg Wasser

Q ≈ 2.400kJ

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Beispiele für Energiesparmaßnahmen

• Beleuchtung

• Wärmedämmung

• Heizung

• Kühlung

• Lüftung

• Klimatisierung

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Beleuchtung:Lichtausbeute: Glühlampen 230 V 14 lm/WLeuchtstofflampen Standard 52 lm/WLeuchtstofflampen mit Vorschaltgerät 95 lm/W

Beispiel Büro:Erf. Beleuchtungsstärke 500 lxAnschlussleistung Glühbirne 100 W/m²Anschlussleistung Leuchtstoffröhre 20 W/m²Fläche 100 m²ED 8 h/d / 200 d/ages: Vergleich jährl. Energieverbrauch Glühbirnen vs. Leuchtstoffr.EGB = 16.000 kWh/aELR = 3.200 kWh/a

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Weitere Einsparmöglichkeit durch automatische Regelung mittels Helligkeitssensor – Einsparung ca. 25 %

→ EGBopt = 12.000 kWh/a

ELRopt = 2.400 kWh/a

Anmerkung: Bei der Beleuchtung ist zu beachten, dass der Energiebedarf imWinter zu einer Verringerung des Heizenergiebedarfs führt, imSommer aber zu einer Erhöhung des Kühlenergiebedarfes.

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Beheizung von Objekten

Woraus setzt sich mein jährlicher Energiebedarf/Energiekosten

zusammen?

• Heizenergiebedarf

• Effizienz der Bereitstellung

• spez. Kosten der Energie

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Möglichkeiten der Wärmeerzeugung

• Elektro-Direkt-Heizung

• Heizkessel

• Fernwärme

• Wärmepumpe

• Solaranlage

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Elektrodirektheizung

+ einfache Installation + kostengünstige Investition + einfache raumweise Regelung möglich

- hohe spez. Energiekosten → hohe Heizkosten- ökologisch bedenklich (Verwendung von hochexergetischer Energie für niedrigenergetische Anwendung- niedr. Gesamtwirkungsgrad bezogen auf Primärener- gieeinsatz (bei Erzeugung aus therm. Kraftwerken)

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Kesselanlagen

Energieträger- Öl- Gas- Biomasse

T. EBNER, E. NAFTZ20

Öl:

- Fossiler Energieträger

- Ressourcen beschränkt

- Schwefelemissionen

- starke Preissteigerungen zu erwarten

+ mittlere bis hohe Nutzungsgrade (80 - 90 %)

+ ausgereifte Technologie

+ günstige Investition

+ geringe Schadstoffemissionen

T. EBNER, E. NAFTZ21

Gas:

- Fossiler Energieträger

- Ressourcen beschränkt

- Preissteigerungen zu erwarten

+ hohe Nutzungsgrade (bis > 100 %)

+ ausgereifte Technologie

+ günstige Investitionen

+ geringer Platzbedarf

+ minimale Emissionen

T. EBNER, E. NAFTZ22

Biomasse:+ regenerierbare Energieform+ lokale Wertschöpfung+ mittlerweile ausgereifte Technologie+ Unabhängigkeit von Gas- und Ölförderländer

+ CO2-neutral (nahezu)+ pos. Image- hoher Platzbedarf- hohe Investition- Regelbarkeit- Teillastverhalten- hohe Emissionen- höherer Arbeitsaufwand- geringerer Nutzungsgrad

T. EBNER, E. NAFTZ23

Fernwärme:+ geringer Platzbedarf+ keine Emissionen vor Ort+ einfacher und problemloser Betrieb+ geringe Investkosten- relativ hohe Energiekosten- gewisse Anforderungen an Abnahmesystem

(Rücklauftemperaturbegrenzung) - teilweise keine Brauchwasserbereitung im Sommer

möglich

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Wärmepumpe:

+ Nutzung von Umgebungsenergie

+ Jahresnutzungsgrad bis ca. 400 %

+ hoher Gesamtenergienutzungsgrad bez. auf

Primärenergieeinsatz

- hohe Investkosten

- Niedertemperaturabnahmesystem erforderlich

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Solaranlagen:+ Nutzung von gratis Sonnenergie + höchste Umweltfreundlichkeit+ keine Emissionen+ positives Image- monovalenter Heizbetrieb kaum realisierbar (zusätzl.

Wärmeerzeugung notwendig)- hohe Investkosten (besonders bei hohen

Deckungsgraden)- hohe Amortisationszeiten- Niedertemperaturabgabesystem erforderlich

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Lastkurve und Heizkurve:

T. EBNER, E. NAFTZ27

Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 1:Variante 1: Vollwärmedämmung, alter Kessel

Haus unisoliert (Baujahr 1960) 100 W/m²Haus isoliert (Baujahr 1990) 50 W/m²

Wohnfläche 140 m²Vollaststunden 2.000 h

alt neuEnergiebedarf Haus kWh/a 28.000 14.000Kesselwirkungsgrad % 65 65Brennstoffbedarf kWh/a 43.077 21.538

Heizwert Heizöl EL MJ/kg 42,50Dichte Heizöl kg/l 0,8450Heizwert Heizöl EL kWh/l 9,98Preis Heizöl EL €/l 0,5980

Brennstoffbedarf l 4.318 2.159jährliche Energiekosten €/a 2.582 1.291

Kosten Vollwärmedämmung €/m² 55Vollwärmedämmuung m² 300

Investitionskosten Dämmung € 16.500

Amortisationszeit a 12,78

T. EBNER, E. NAFTZ28

Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 2:Variante 2: neuer Kessel, keine Wärmedämmung

Haus unisoliert (Baujahr 1960) 100 W/m²

Wohnfläche 140 m²Vollaststunden 2.000 h

Heizwert Heizöl EL MJ/kg 42,50Dichte Heizöl kg/l 0,8450Preis Heizöl EL €/l 0,5980

Kessel alt Kessel neuJahresnutzungsgrad % 65 90

Energiebedarf Haus kWh/a 28.000 28.000Brennstoffbedarf kWh/a 43.077 31.111

jährlicher Brennstoffbedarf l/a 4.318 3.119Brennstoffkosten €/a 2.582 1.865

Heizkesseltausch (Brenner, Regelung, Kessel, Inbetriebnahme)

€ 5.000

Amortisationszeit a 6,97

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Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 3:Variante 3: neuer Kessel, Wärmedämmung Haus

Haus unisoliert (Baujahr 1960) 100 W/m²Haus isoliert (Baujahr 1990) 50 W/m²

Wohnfläche 140 m²Vollaststunden 2.000 h

ohne M. mit M.Jahresnutzungsgrad Kessel 65 90

Energiebedarf Haus kWh/a 28.000 14.000Brennstoffbedarf kWh/a 43.077 15.556

Heizwert Heizöl EL MJ/kg 42,50Dichte Heizöl kg/l 0,8450Heizwert Heizöl EL kWh/l 9,98Preis Heizöl EL €/l 0,5980

Brennstoffbedarf l 4.318 1.559jährliche Brennstoffkosten €/a 2.582 932

Investition neuer Kessel € 5.000Vollwärmedämmung €/m² 55Vollwärmedämmung m² 300Investition Vollwärmedämmung € 16.500

Amortisationsdauer a 13,03

T. EBNER, E. NAFTZ30

Kältetechnik – Wärmepumpentechnik

Funktionsweise:

② ① ⇐ Pel

Hauptkomponenten: ④① Verdichter② Kondensator③ Drosselorgan④ Verdampfer

CQ.

.

OQ

T. EBNER, E. NAFTZ31

Leistungbilanz:

Aufwand: Pel

Nutzen Kälteanlage:Nutzen Wärmepumpe:

Leistungszahl(Wirkungsgrad)

COPC = COPO + 1

CelO QPQ..

)(

.

ineKältemaschP

QCOP

el

OO

)(

.

WärmepumpeP

QCOP

el

CC

.

OQ.

CQ

T. EBNER, E. NAFTZ32

Wichtig:

Der COP einer Kältemaschine ist abhängig vom Temperaturniveau

der Wärmequelle + Wärmesenke und von der Güte des Systems.

TO …… Verdampfuntstemperatur [k]

TC …… Kondensationstemperatur [k]

ηex …... exergetischer Gütegrad (= 0,3 ….. 0,65I)

)(

)(

WärmepumpeTT

T

ineKältemaschTT

T

COPCOP

exOC

C

exOC

O

exCannot

T. EBNER, E. NAFTZ33

Merke: Die Effizienz einer Kältemaschine ist umso höher, je höher dasWärmequellenniveau und je niedriger das Wärmesenkenniveau ist.

Bspw: Wärmepumpe

1) Wärmequelle Wasser 10 °C (→ tO = 5 °C)

Wärmesenke FBH 32 °C ( → tC = 35 °C) ηex 0,5°C

2) Luft -5 °C (→tO = -10 °C)

Mitteltemp.rad. 50 °C (→tC = 55 °C)

Ges. COP für die beiden Varianten Jahresstromverbrauch bei 2.000Vollbenutzungsstunden.

T. EBNER, E. NAFTZ34

COP – Erfahrungswerte

Kühlung: TK 0,7 ÷ 1,8

NK 2 ÷ 2,8

Klima 2,6 ÷ 6

Wärmepumpe: Erdreich/FBH 3,5 ÷ 4,5

Luft/Wasser 2 ÷ 3

T. EBNER, E. NAFTZ35

KomponentenVerdichter:

Scroll, Kolben

Kolben, Schrauben

Schrauben, Turbo

Wärmetauscher:

Rohrbündel

Platten

Koaxial

Expansionsorgane

Kapillare

Thermostat. Ex-Ventil

Elektr. Ex-Ventil

Drossel

T. EBNER, E. NAFTZ36

Möglichkeiten zur energetischen Optimierung:

• Verwendung hochwertiger Komponenten• Optimierung des Teillastverhaltens • Lastabhängige Erhöhung des Wärmequellenniveaus• Großzügige Wärmetauscherflächen• Außentemp. abhängige Gleichung des

Kondensationsniveaus• Mehrstufige Anlage

T. EBNER, E. NAFTZ37

FreecoolingErzeugung von Kaltwasser oder Kaltluft ohne

Kältemaschine bei niedriger Außentemperaturen.

ta > 5° ta < 5°C

15 ° 9°

12° 6°

Bsp. Serverkühlung Kältebedarf 500 kW

Möglich. Freecoolingbetrieb 3.000 h/a

COP KWS 4

El. Leistung Freecoolingeinheit 11 kW

Spez. Stromkosten 10 ct/kWh

T. EBNER, E. NAFTZ38

Aufgabe:

Unterschied Stromkosten Freecooling gegen KWS-

Betrieb, max. Investzusatzkosten bei 3 Jahre

Amortisationszeit.

Lösung:

EKWS = 500 ‧ 3.000 ¼ = 375 MWh

EFC = 11 ‧ 3.000 = 33 MWh

Δk = (375 -33) ‧ 0,1 ‧ 1.000 = 34.200 €/a

Δkmax. = 34.200 ‧ 3 = 102.600 €

T. EBNER, E. NAFTZ39

Lüftung + Klimatisierung

Zweck der Klimatisierung:

Die Klimatisierung hat die Aufgabe optimale Raumluft-

zustände bezüglich• Temperatur• Feuchte• Schadstoffe• Hygiene

zu gewährleisten

T. EBNER, E. NAFTZ40

Zustandsänderungen “Feuchte Luft“

• Mischen von zwei Feuchtluftströmen• Heizen

– Heizregister– Ventilator

• Kühlen ohne Entfeuchten• Kühlen und Entfeuchten• Ermittlung der Kühleraustrittszustandes mit der

effektiven Oberflächentemperatur• Befeuchten

– Wasser– Dampf

T. EBNER, E. NAFTZ41

h-x-Diagramm Feuchte Luft

T. EBNER, E. NAFTZ42

Heiz- und Kühllast

• Heizlast– Ermittlung für den Winterauslegungspunkt– Berechnungsverfahren

• Vereinfacht ÖNORM B 8135• Raumweise ÖNORM M 7500

• Kühllast– ÖNORM H6040– instationäre Berechnung mittels Software

T. EBNER, E. NAFTZ43

Trockene/feuchte bzw. sensible/latente Last

• trockene Last– beeinflusst nur die Temperatur

• feuchte Last– verändert die Feuchte sowie meistens auch die Temperatur

• sensible (fühlbare) Last– Temperaturänderung

• latente Last– Änderung der absoluten Feuchte

T. EBNER, E. NAFTZ44

Gliederung der Lufttechnik

T. EBNER, E. NAFTZ45

Klassifizierung der Anlagen

• Lüftungsanlage– Lüftungsfunktion– mit oder ohne Luftbehandlungsfunktion

• Teilklimaanlage– Lüftungsfunktion– 2 oder 3 thermodynamische Luftbehandlungsfunktionen z.B. H+K oder

H+B• Vollklimaanlage

– Lüftungsfunktion– 4 Luftbehandlungsfunktionen H+K+B+E

T. EBNER, E. NAFTZ46

Behaglichkeit + HygieneBehaglichkeit für Bürotätigkeit : J Luft = 18°C - 24°C, Sommer 6 K < J Außen j = 30% - 70% (20% - 80%)<40% Zunahme von Erkältungen>70% schwül, schwitzenLuftgeschwindigkeit = 0.5 - 1.5 m/ssonst Zugbeschwerden

KonvektionAbstrahlung

Verdunstung

Die Luft muss die CO2, Wärme + Feuchteabfuhr

gewährleisten.

Messung in1,5m Raummitte

T. EBNER, E. NAFTZ47

Bestimmen des Volumenstroms V´[m³/h]

Nach der Luftwechselzahl LW

V´= V Raum * LW

Nach der PersoneanzahlV´= Personen * V´AU / Person

Nach MAK [mg/h, cm³/h] WertenV´= M Eintrag / ( k MAK - k ZU )

Nach Feuchteeintrag G [g/h] V´= G Wassereintrag / ( x AB - x ZU ) *

Nach Wärmeeintrag Q´ [kW]V´= Q´*3.600 / ( AB - ZU ) * c Luft

UM AU

FOAB Raum

Raumparameter :mittlere Feuchtemittlere Temperatur

ZU

Feuchte g/hWärme kWPersonenMAK

T. EBNER, E. NAFTZ48

RLT Symbole & Anlagentypen

• Ventilator

• Wärmeübertrager,• Heizregister• Kühlregister• • Befeuchter

• Luftfilter

• Schalldämpfer

• Mischer

Frischluft-Anlage , heizen

ZUAU

Mischluft-Anlage , heizenUM

AU ZU

Klima-Anlage , heizen, kühlen, be- u. entfeuchten

AU ZU

T. EBNER, E. NAFTZ49

Anlagen mit variablen Volumenstrom

1. Proportionalitätsgesetz• Die Luftmenge eines Ventilators

ändert sich proportional mit der Drehzahl

2. Proportionalitätsgesetz• Sämtlich Drücke ändern sich

quadratisch mit der Drehzahl bzw. mit dem Volumenstrom

3. Proportionalitätsgesetz• Der Leistungsbedarf ist

proportional dem Kubus der Drehzahl bzw. des Volumenstroms.

nn

VV

2

1

2

1

2

2

1

2

1

VV

pp

3

2

1

2

1

VV

PP

T. EBNER, E. NAFTZ50

2. Verteilungsverluste minimieren :• Druckverluste vermindern• Rohrleitungen Wärmedämmen

3. Erzeugung optimieren :• Ventilatoren + Pumpen• Kältemaschine• Wärme-/Kälte/Feuchte-Rückgewinnung

Op

tim

ieru

ng

ss

ch

ritt

e

1. Bedarf optimieren :• Bedarfsgerechter Volumenstrom• Behaglichkeitsbereich nutzen • im Sommer Wärmeeintrag minimieren• im Winter Wärmeverlust vermeiden

T. EBNER, E. NAFTZ51

1. Bedarf optimieren

Geräte

1. Äußere Lasten :Sonnenstrahlung + Außentemperatur•Beschattung •Verglasung•Wärmedämmung

2. Innere Lasten : Geräteabwärme•Geräte mit weniger Abwärme einsetzen (TFT statt Monitor / Beleuchtung)•Abwärme abführen und nutzen •Geräte mit Abwärme dämmen oder außerhalb der Kühlzone plazieren•Mit Nachtlüftung abführen

3. Volumenstrom :nach Bedarf •Personenzahl•Betriebsstunden •Luftqualität messen•Kühllasten direkt am Erzeuger abführen

T. EBNER, E. NAFTZ52

2. Betrieb :Regelmäßige Wartung :•Filter •Wärmeübertrager

1. Planung :•Bauteile p [Pa] = Bauteile •Volumenstrom P ~ (V´ / V´100%)³•Rohrdurchmesser P ~ (d H 100% / d H)5

Verteilungsverluste: Druckverluste

ZUAU

T. EBNER, E. NAFTZ53

Verteilungsverluste: Wärmedämmung

Wärmedämmung :•vermeiden von Wärme- / Kälteverlusten •Unterschiedliche Materialien für Wärme-/ Kältedämmung•Kondenswasserschäden <10°C•Alle Bauteile, Ventile, Flansche, Filter,... dämmen

T. EBNER, E. NAFTZ54

• 1. Ventilator :• Wirkungsgrad • Drehzahlregelung• Regelung • Dimmensionierung

ZUAU

2. Pumpen :•Wirkungsgrad •Drehzahlregelung•P ~ (V´ / V´100%)³•Regelung•Dimensionierung•ggf Strahlpumpen

3. Kältemaschine :•COP •Aufstellung Kühlturm•Regelung•Dimensionierung•Temperaturen o, c•Abwärmenutzung•ggf thermische KM

Stromverbrauch

T. EBNER, E. NAFTZ55

Wärmerückgewinnung

• Rekuperativ

(nur Wärmeaustausch)• Regenerativ

(Wärme- und Feuchteaustausch)

T. EBNER, E. NAFTZ56

Neue Techniken:

• DEC-Systeme• Solare-DEC-Systeme• Erdreich-Luft-WÜ• Betonkernaktivierung, Deckenkühlung

T. EBNER, E. NAFTZ57

Beispiel: Lüftungsanlage

Pel = 25 kWBetriebszeit 20 h/d, 300 d/a

Stromkosten kE = 0,12 €/kWhGes. Jahresstrom und Kosteneinsparung bei Reduktion des Volumenstroms auf SollmengeLösung:

Eist = 25.20.300 = 150.000 kWh/a ≙ 18.000 €/a

Esoll = 14.5.20.300 = 87.000 kWh/a ≙ 10.440 €/a

kWV

VPP

Ist

SollIstSoll 5,14

3

.

.

hcmV

hcmV

Ist

Soll

/³000.60

/³000.50