Zunahme des Stromverbrauchs von Haushaltskältegeräten ... · Universität Paderborn, Andreas...

Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013

Zunahme des Stromverbrauchs von Haushaltskältegeräten durch

Alterung

Prof. Dr.-Ing. habil. Jadran VrabecTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK ThEt

Universität PaderbornFakultät für MaschinenbauLehrstuhl Thermodynamik und Energietechnik

Andreas Elsner, Andreas Paul, Michael Müller, Jadran Vrabec


Einleitung

Labor zur Untersuchungen vonHaushalts-Kühl- und Gefriergeräten

2

• seit 1982

• Leistungs- und Performance-Messungen

• Kühlgerätehersteller / Verbraucherorganisationen

• Normmessungen / Berücksichtigung des Verbrauchers

• DKE-Normungsgremiums GUK 513.6


Einleitung

• 1994: vergleichende Untersuchung R134a / R600a

• Geräte blieben am Lehrstuhl

• Zwischenmessung 1997

• 2012 doppelte Studienarbeit:

Anstieg der Energieaufnahme

Historie der Messtechnik/Fehlerbetrachtung

3


Einleitung

Das Energielabel• 1994 eingeführt (EU Richtlinie 94/2/EG)

• mehrmals angepasst (Aktuell: Verordnung 1060/2010)

• Klassifizierung von Elektrogeräten nachjährlichen Energieverbrauch

• Gerätespezifische Informationen

• Ermittlung der Leistung mittels • Normenergieverbrauchmessung

• Gerätetest im Neuzustand

4


Grundlagen

Einflussfaktoren → Alterung

• Alterung der Isolierung

• Kondensatorverschmutzung

• Alterung der Türdichtung

• Alterung des Kompressors

• Menge/Zusammensetzung des Kältemittels

• weitere

5


Grundlagen

Einflussfaktoren → Alterung• Alterung der Isolierung

WILKES et al. [1997 - 2003] :Wärmeleitfähigkeit steigt an (nach 2 bzw. 4 Jahren): Kühlschrank: um 15 % bzw. 21 % Gefriergerät: um 12 % bzw. 16 %

JOHNSON [2004]:numerisches Modell / Kühlgerät: Energieaufnahme kann nach 3 Jahren um 8 % und nach 15

bis 18 Jahren um ca. 20 % ansteigen.

6


Grundlagen

Einflussfaktoren → Alterung• Kondensatorverschmutzung

LITT et al. [1993]:Untersuchung von 16 Jahre alten Geräten Einfluss auf die Energieaufnahme relativ gering ist

HEINEN [2012]:neues Gerät mit künstlich verschmutztem KondensatorEnergieverbrauchszunahme weniger als 1 %

7


Grundlagen

Einflussfaktoren → Alterung• Alterung der Türdichtung

LITT et al. [1993]:24 verschiedene Geräte, 16 Jahre altAlte Türdichtungen wurden durch neue ersetztStromverbrauch vorher und nachher kein Einfluss festgestellt

AFONSO et al. [2010]:Luftaustauschrate zwischen Innenraum und UmgebungKühl-GefrierkombinationAustausch neue gegen gealterte Dichtungen Anstieg der Luftaustauschrate

8


Grundlagen

Einflussfaktoren → Alterung• Alterung des Kompressors

CIANTAR et al. [1999 - 2004]:Verschleiß von Hermetik-Kompressorenverschiedene Einflussfaktoren (Reibung, Öl, Kältemittel)

GARLAND et al. [2005]:Tribologische Untersuchungen / Dauerprüfungen / R600a / R134aHochrechnung auf Nutzungsdauer von 15 JahrenAnstieg der Energieaufnahme ca. 30 – 40 %

9


Grundlagen

Einflussfaktoren → Alterung• Menge/Zusammensetzung des Kältemittels

keine Studien gefunden

Vermutungen:

→ Hermetisches System → Kältmittelmenge sollte konstant bleiben

→ Zusammensetzung bleibt erhalten, evtl. Abriebteilchen

Aber:Mikrobeschädigungen möglich schleichender Kältemittelverlust

10


Grundlagen

Einflussfaktoren → Alterung• weitere Einflussgrößen

Beschädigungen

Konstruktive Schwachstellen

Verarbeitungsqualität

11


DurchführungDie untersuchten Geräte

K1 K2 G1 G2 G3Produktions-

jahr 1994 1995 1994 1994 1994

Gerätetyp

Kühlgeräte mit 3-Sternefach; baugleich bis

auf Kältemittel und Kompressor

Gefriergeräte; baugleich bis auf Kältemittel und

KompressorGefriergerät

Kältemittel R134a R600a R134a R600aR290/R600a (50:50)

Treibmittel Pentan Pentan Pentan Pentan Pentan

Wandstärke 30 mm 70 – 74 mm 61 mm

Gerätehöhe 85 cm 85 cm 113 cm 113 cm 85 cm

Nutzinhalt 137 Liter 137 Liter 125 Liter 125 Liter 91 Liter

12


DurchführungNutzung der Geräte

13

EIN

AUS

EIN

AUS

1994 1997 2000 2010 2012

1994 1997 2000 2010 2012

Kühlgeräte

Gefriergeräte


DurchführungNutzung der Geräte

14

EIN

AUS

EIN

AUS

1994 1997 2000 2010 2012

1994 1997 2000 2010 2012

Kühlgeräte

Gefriergeräte

16 Jahre (effektiv)

14 Jahre (effektiv)


Durchführung

Ermittlung der Energieaufnahme• nach DIN EN ISO 15502 bzw. Vorgängernormen• Messungen unabhängig von Klimaklasse bei 16 °C / 25 °C / 32 °C• Kühlschrank leer, 3

Messstellen

• Gefrierfächer beladen, Testpakete + Einschübe

• Netzspannung einheitlich 230 V

• alle Messungen im gleichen Prüfraum

15


Durchführung

Ermittlung der Energieaufnahme• Interpolation der Energieaufnahme Zieltemperatur:

Kühlfächer +5 °C Mittelwert aus T1, T2, T3

Gefrierfächer -18 °C wärmste Messstelle

16


Durchführung

Ermittlung der Energieaufnahme• Interpolation des Energieverbrauchs auf Zieltemperatur +5 °C bzw. -18 CBeispiel: Einfacher Kühlschrank

Zwei Messungen:

1. Messung: Tm > +5 °C

2. Messung: Tm < +5 °CInterpolation auf +5 °C

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DurchführungFehlerbetrachtungTemperatur- und Energiemesstechnik im Laufe der Jahre erneuert

• Temperaturmessfehler (1994/97: ± 0,3 K / 2012: ± 0,1 K)

• Energiemessfehler (1994/97: ± 1 % / 2012: ± 0,5 %)

• Folgefehler aus Interpolation der Energieaufnahme (± 1 % ~ ± 2 %)

• Einfluss des Personals (Wiederholbarkeit)

Positionierung der Temperaturmessstellen (Kühlfächer)

Testpakete-Beladung / M-Pakete (Gefrierfächer)

1994/97: ± 0,4 K ~ ± 0,8 K / 2012: ± 0,4 K ~ ± 0,6 K

• Testpakete: regelmäßige Kontrolle und Pflege

18


Durchführung

Fehlerbetrachtung

1994: ±6 % v.M. ~ ±10 % v.M.

1997: ±7 % v.M. ~ ±10 % v.M.

2012: ±4 % v.M. ~ ± 6% v.M.

19

Interpolierte Energieaufnahme:Individueller Messfehler der einzelnen Prüflinge


ErgebnisseErgebnisse der Energie-aufnahme-messungen

20

1994 1997 2012200

300

400

500


ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahme-messungen 1994 1997 2012

0

100

200

300

400

500

600

700

1994 1997 20120

100

200

300

400

500

600

700

1994 1997 20120

100

200

300

400

500

600

700

UT = 16 °C

Ene

rgie

aufn

ahm

e [k

Wh/

Jahr

]

G3 G1 K1 G2 K2

UT = 32 °C

UT = 25 °C

Ene

rgie

aufn

ahm

e [k

Wh/

Jahr

]E

nerg

ieau

fnah

me

[kW

h/Ja

hr]

Jahre 21


ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahmemessungen

UT

Zeitpunkt der

Messung

K1 K2 G1 G2 G3

kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

%

16 °C

94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -

1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30

2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41

25 °C

94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -

1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23

2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33

32 °C

94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -

1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32

2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32

22



UT

Zeitpunkt der

Messung

K1 K2 G1 G2 G3

kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

%

16 °C

94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -

1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30

2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41

25 °C

94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -

1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23

2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33

32 °C

94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -

1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32

2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32

23



UT

Zeitpunkt der

Messung

K1 K2 G1 G2 G3

kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

%

16 °C

94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -

1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30

2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41

25 °C

94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -

1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23

2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33

32 °C

94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -

1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32

2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32

24



UT

Zeitpunkt der

Messung

K1 K2 G1 G2 G3

kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

%

16 °C

94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -

1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30

2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41

25 °C

94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -

1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23

2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33

32 °C

94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -

1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32

2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32

25

R600a



UT

Zeitpunkt der

Messung

K1 K2 G1 G2 G3

kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

% kWh/Jahr

%

16 °C

94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -

1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30

2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41

25 °C

94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -

1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23

2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33

32 °C

94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -

1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32

2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32

26

R600a


Ergebnisse

Schaumalterung

27

• CO2 diffundiert aus Schaum

• wird ersetzt durch Luft + Wasserdampf

• Pentan bleibt

• Metall diffusionsdicht

• Polystyrol nicht dicht

• Nicht verkleideter SchaumDiffusionsrate am größten

Metall PSSchaum

CO2

Luft


DiskussionVergleich mit Studie zur Schaumalterung

28

Wärmeleitfähigkeit steigt an: nach 2 Jahren 2 % bis 20 %


Diskussion

Zeit (Jahre)

Rel.

Ans

tieg

der

Ener

giea

ufna

hme

(%)

29


Diskussion

Zeit (Jahre)

Rel.

Ans

tieg

der

Ener

giea

ufna

hme

(%)

30

Kühlschrank K1


Diskussion

Zeit (Jahre)

Rel.

Ans

tieg

der

Ener

giea

ufna

hme

(%)

31

Gefrierschrank G3


Diskussion

Zeit (Jahre)

Rel.

Ans

tieg

der

Ener

giea

ufna

hme

(%)

32


Diskussion

33

JahrK1 K2 G1 G2 G3

EEI EEK EEI EEK EEI EEK EEI EEK EEI EEK

1994/95 79,3 C 78,1 C 84,0 C 75,1 C 97,4 D

2012 104,9 E 99,0 D 103,4 E 96,9 D 129,2 G

Abstieg 2 Klassen 1 Klasse 2 Klassen 1 Klasse 3 Klassen

Energieeffizienz nach Richtlinie 94/2/EWG

(EEI = Energieeffizienzindex, EEK = Energieeffizienzklasse)


DiskussionNutzungskostenabschätzungEntwicklung des Strompreises für deutsche Haushalte(Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie)

Entwicklung des Strompreises für deutsche Haushalte

34


DiskussionNutzungskostenabschätzung


35

Fall: 1 2 3

GerätAlterung: NEIN NEIN JA

Strompreisänderung: NEIN JA JA

G2Betriebs-

dauer

10 Jahre 502 Euro -3 % 9 %

15 Jahre 753 Euro 5 % 21 %

nur Kosten der kumulierten Kilowattstundenkeine Fixkosten (Grundpreis)


DiskussionNutzungskostenabschätzung


36

1994 2004 20090

200

400

600

800

1000

1200

Ges

amtn

utzu

ngsk

oste

n[E

uro]

Jahre

mit Strompreisanstieg und Alterung mit Strompreisanstieg, aber ohne Alterung mit konstantem Strompreis von 1994


Zusammenfassung und Ausblick

37

• Alterung der Kühl- und Gefriergeräte

deutliche Zunahme des Stromverbrauchs

nach 3 Jahre > +10 %

nach 18 Jahren +20 % ~ +30 %

• Anstieg der Wärmeleitfähigkeit des Schaums:

in den ersten Jahren wg. Diffusionsprozessen

wichtig: Beschädigungen bzw. Verarbeitungsqualität


Zusammenfassung und Ausblick

38

• weitere Einflussfaktoren

Kompressor und Türdichtung

• Zukünftig

Messmethodik: z.B. keine Testpakete

Bestimmung COP

Reverse-Heat-Leak – Messung (k x A)


39

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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