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
T. EBNER, E. NAFTZ11
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(
T. EBNER, E. NAFTZ12
Sensible Last vs latente Last
Aufwärmen von 1 kg Wasser um 90 k
Q ≈ 370 kJ
Verdampfung von 1 kg Wasser
Q ≈ 2.400kJ
T. EBNER, E. NAFTZ13
Beispiele für Energiesparmaßnahmen
• Beleuchtung
• Wärmedämmung
• Heizung
• Kühlung
• Lüftung
• Klimatisierung
T. EBNER, E. NAFTZ14
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
T. EBNER, E. NAFTZ15
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.
T. EBNER, E. NAFTZ16
Beheizung von Objekten
Woraus setzt sich mein jährlicher Energiebedarf/Energiekosten
zusammen?
• Heizenergiebedarf
• Effizienz der Bereitstellung
• spez. Kosten der Energie
T. EBNER, E. NAFTZ17
Möglichkeiten der Wärmeerzeugung
• Elektro-Direkt-Heizung
• Heizkessel
• Fernwärme
• Wärmepumpe
• Solaranlage
T. EBNER, E. NAFTZ18
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)
T. EBNER, E. NAFTZ19
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
T. EBNER, E. NAFTZ24
Wärmepumpe:
+ Nutzung von Umgebungsenergie
+ Jahresnutzungsgrad bis ca. 400 %
+ hoher Gesamtenergienutzungsgrad bez. auf
Primärenergieeinsatz
- hohe Investkosten
- Niedertemperaturabnahmesystem erforderlich
T. EBNER, E. NAFTZ25
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
T. EBNER, E. NAFTZ26
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
T. EBNER, E. NAFTZ29
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
③
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