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

T. EBNER, E. NAFTZ1

1. Hauptsatz der Thermodynamik

Energie = Arbeit

(Energie kann nicht vernichtet werden)

T. EBNER, E. NAFTZ2

Energie ↔ Leistung

Energie (E) ≠ Leistung (P)

← Zeitt

EP

T. EBNER, E. NAFTZ3

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

T. EBNER, E. NAFTZ4

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

WH (kWh, MWh, GWh)

alt: (kcal, Btu, …)

mechanisch: kWh

Nm

elektrisch: kWh

T. EBNER, E. NAFTZ5

Leistung: thermisch kJ/s = kW

kcal/h

mechanisch kW, MW, GW

PS ( 1 PS ≈ 0,735 kW)

elektrisch kW, MW, GW

T. EBNER, E. NAFTZ6

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.

T. EBNER, E. NAFTZ7

Wirkungsgrad, Nutzungsgrad

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

Energie teaufgewende

eNutzenergiadNutzungsgr

Leistung teaufgewende

ngNutzleistuadWirkungsgr

T. EBNER, E. NAFTZ8

Beispiele für Wirkungsgrade

E-MotorOtto-MotorDieselmotorWasserkraftwerkeThermisches KraftwerkVentilatorGlühbirneLeuchtstoffröhreÖlheizungGasheizungE-RadiatorenPhotovoltaik

T. EBNER, E. NAFTZ9

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.

T. EBNER, E. NAFTZ10

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


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(


Sensible Last vs latente Last

Aufwärmen von 1 kg Wasser um 90 k

Q ≈ 370 kJ

Verdampfung von 1 kg Wasser

Q ≈ 2.400kJ


Beispiele für Energiesparmaßnahmen

• Beleuchtung

• Wärmedämmung

• Heizung

• Kühlung

• Lüftung

• Klimatisierung


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


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.


Beheizung von Objekten

Woraus setzt sich mein jährlicher Energiebedarf/Energiekosten

zusammen?

• Heizenergiebedarf

• Effizienz der Bereitstellung

• spez. Kosten der Energie


Möglichkeiten der Wärmeerzeugung

• Elektro-Direkt-Heizung

• Heizkessel

• Fernwärme

• Wärmepumpe

• Solaranlage


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)


Kesselanlagen

Energieträger- Öl- Gas- Biomasse


Öl:

- Fossiler Energieträger

- Ressourcen beschränkt

- Schwefelemissionen

- starke Preissteigerungen zu erwarten

+ mittlere bis hohe Nutzungsgrade (80 - 90 %)

+ ausgereifte Technologie

+ günstige Investition

+ geringe Schadstoffemissionen


Gas:

- Fossiler Energieträger

- Ressourcen beschränkt

- Preissteigerungen zu erwarten

+ hohe Nutzungsgrade (bis > 100 %)

+ ausgereifte Technologie

+ günstige Investitionen

+ geringer Platzbedarf

+ minimale Emissionen


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


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


Wärmepumpe:

+ Nutzung von Umgebungsenergie

+ Jahresnutzungsgrad bis ca. 400 %

+ hoher Gesamtenergienutzungsgrad bez. auf

Primärenergieeinsatz

- hohe Investkosten

- Niedertemperaturabnahmesystem erforderlich


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


Lastkurve und Heizkurve:


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


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

Haus unisoliert (Baujahr 1960) 100 W/m²


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


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

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


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


Kältetechnik – Wärmepumpentechnik

Funktionsweise:

② ① ⇐ Pel

③

Hauptkomponenten: ④① Verdichter② Kondensator③ Drosselorgan④ Verdampfer

CQ.

.

OQ


Leistungbilanz:

Aufwand: Pel

Nutzen Kälteanlage:Nutzen Wärmepumpe:

Leistungszahl(Wirkungsgrad)

COPC = COPO + 1

CelO QPQ..

)(

.

ineKältemaschP

QCOP

el

OO

)(

.

WärmepumpeP

QCOP

el

CC

.

OQ.

CQ


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


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.


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


KomponentenVerdichter:

Scroll, Kolben

Kolben, Schrauben

Schrauben, Turbo

Wärmetauscher:

Rohrbündel

Platten

Koaxial

Expansionsorgane

Kapillare

Thermostat. Ex-Ventil

Elektr. Ex-Ventil

Drossel


Möglichkeiten zur energetischen Optimierung:

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

Kondensationsniveaus• Mehrstufige Anlage


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


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 €


Lüftung + Klimatisierung

Zweck der Klimatisierung:

Die Klimatisierung hat die Aufgabe optimale Raumluft-

zustände bezüglich• Temperatur• Feuchte• Schadstoffe• Hygiene

zu gewährleisten


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


h-x-Diagramm Feuchte Luft


Heiz- und Kühllast

• Heizlast– Ermittlung für den Winterauslegungspunkt– Berechnungsverfahren

• Vereinfacht ÖNORM B 8135• Raumweise ÖNORM M 7500

• Kühllast– ÖNORM H6040– instationäre Berechnung mittels Software


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


Gliederung der Lufttechnik


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


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


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


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


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


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


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


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


Verteilungsverluste: Wärmedämmung

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


• 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


Wärmerückgewinnung

• Rekuperativ

(nur Wärmeaustausch)• Regenerativ

(Wärme- und Feuchteaustausch)


Neue Techniken:

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


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

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