Grundlagen Wärmepumpe

Präsentation zum Thema: "Grundlagen Wärmepumpe"—  Präsentation transkript:

1 Grundlagen Wärmepumpe
Prof. (FH) Dipl.-Ing Dr. Michael Graf

2 Lehr- und Studienprogramm Fachhochschulstudiengänge Burgenland
Bildungsgesellschaft – Eigentümer: Land Burgenland mit dem Ziel Führung von Fachhochschulstudiengängen (seit 1994) angewandte Forschung & Entwicklung zwei modern ausgestattete Fachhochschul- studienzentren in Eisenstadt und Pinkafeld Studiengänge in vier Kernkompetenzbereichen Studienprogramme bereits in die neue europäische Hochschularchitektur übergeführt (sechs 3jährige Bakkalaureats- und neun 2jährige Magisterstudiengänge bereits genehmigt) Rund Studierende Rund 100 Mitarbeiter und 300 Lektoren 1.410 AbsolventInnen Schwab-Matkovits

3 Studienangebot Fachhochschulstudiengänge Burgenland
Kernkompetenzbereich Energie-Umweltmanagement Masterstudien Energie- und Umweltmanagement 4 Semester vollzeit 24 Anfängerstudienplätze Gebäudetechnik und Gebäudemanagement 4 Semester berufsbegleitend 30 Anfängerstudienplätze Nachhaltige Energiesysteme 4 Semester berufsbegleitend 20 Anfängerstudienplätze Bachelorstudien Energie- und Umweltmanagement 6 Semester wahlweise vollzeit oder berufsbegleitend 90 Anfängerstudienplätze Guttmann

4 Praxisorientiertes Studium Vollzeit/berufsbegleitend
Energie- und Umweltmanagement Praxisorientiertes Studium Vollzeit/berufsbegleitend Umsetzungs- und Umformungs- technologien Wirtschaft, Recht und 2 Fremdsprachen Wahlmodule: Gebäudetechnik Prozessmanagement Projektmanagement Energie- und Umweltmanagement Berufsfelder: Planung, Bau- und Projektleitung, Betriebsing. Vertrieb, Schulung, Kunden-dienst und Verkauf Energie-, Umwelt- und Abfallbeauftragter Qualitäts-Manager (ISO 9000) Umweltmanager (ISO 14000) Baustellenkoordinator Stabstätigkeit Energie-Umwelt- management

5 Ziele für die nächste Stunde
Allgemeines Grundlagen Kennzahlen ein wenig rechnen…. Einflüsse auf ‚Wirkungsgrad‘ Arten von Kennzahlen

6 CO2-Problematik, Treibhauseffekt

7 Treibhausgase – Anteil am Treibhauseffekt

8 Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger

9 Umweltbelastung Heizungssysteme
Quelle: FWS / WWF 2005

10 Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger
EFH: 8.8 kW Heizenergie

11 Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger
EFH: 13 kW Heizenergie, Quelle: RWE

12 Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger
EFH: 13 kW Heizenergie, Quelle: RWE

13 Globale Prognose, Quelle: Shell, Uni Kassel

14 Treibhausgaskonzentrationen (ppm) 1900 –2000 (Bezug 1750)
EEA 2004

15 Temperaturverlauf Hansen, James et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences

16 Temperaturänderung 2001/05 gegenüber 1951/80
Hansen, James et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences

17 Alpenraum + 2°C ALP-IMP 2003

18 Starkniederschlag ~ +50 %
Häufigkeit von Niederschlägen > 20 mm/d & Jahressummen in Feldkirch, Vbg., und Wien Jahressumme ~ +20% Starkniederschlag ~ +50 % Formayer 2004

19 Energie –Situation in Österreich
7.915 Großtankwagen mit je Liter Quelle: Fanninger G.: Der Wärmepumpenmarkt in Österreich, Klagenfurt, März 2006 Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie, BMVIT

20 zurück zum Thema…

21 Wärmepumpe Luftpumpe erzeugt kein Luft

22 Wärmepumpe Abwärme = Kühlenergie + Antriebsenergie
Was passiert bei offenem Kühlschrank ???

23 Thermodynamik 1. Hauptsatz - einfach Energie kann nicht vernichtet werden nur Umwandlung, Verluste (Wärme) Systemgrenzen!! Zimmer mit Kühlschrank Abwärme = Kühlenergie + Antriebsenergie Zimmer wird wärmer, nur Zufuhr von Energie.

24 Thermodynamik 2. Hauptsatz vereinfacht Wärme strömt nur bei Temperaturgefälle. Wärme strömt von der höheren Temperatur zur niedrigeren. (vgl. Wasser)

25 Effizienz einer Wärmepumpe
Wasserversorgung Berg - hoch Berghütte nieder DH2 DH1 Bergsee

26 Funktionsprinzip Wärmepumpe
8 kW Heizung 2 kW Pumpenergie der Wärmepumpe 6 kW gespeicherte Sonnenwärme Luft Wasser Erdreich

27 log p, h Diagramm + Prozesse

28 Wärmequellen Boden

29 log p , h Diagramm vereinfacht

30 Von Umwelt aufgenommene Energie: Fläche a
Carnot Prozess 4 - 1: verdampfen 1 - 2: verdichten (Temperaturhub) 2 - 3: kondensieren 3 - 4: expandieren Von Umwelt aufgenommene Energie: Fläche a Antriebsenergie Kompressor: Fläche b Gesamte abgegebene Energie: Fläche a + b Wann ist b klein / a groß? Was ist ideal? an der tafel: diagramme, erklären, warum t – differenz wichtig

31 Carnot Prozess 4 - 1: verdampfen 1 - 2: verdichten (Temperaturhub) 2 - 3: kondensieren 3 - 4: expandieren Carnot Leistungszahl ε über die Temperaturdifferenz Wärmequelle (Verdampfer) und Wärmenutzungsanlage (Kondensator) ε = T / (T - Tu) an der tafel: diagramme, erklären, warum t – differenz wichtig

32 Carnot Prozess 4 - 1: verdampfen 1 - 2: verdichten (Temperaturhub)
2 - 3: kondensieren 3 - 4: expandieren an der tafel: diagramme, erklären, warum t – differenz wichtig TU = 0°C = 273,15 K T = 50°C = 323,15 K

33 Fazit Carnot theoretische Effizienz abhängig NUR von Temperaturhub/ Temperaturdifferenz unabhängig von absoluten Temperaturen Wahl der T-Niveaus? Arbeitmittel CW = idealer Wert praktisch nicht erreichbar Reibung, Wirkungsgrade etc.

34 Theorie, Leistungszahl COP
Leistungszahl COP (Coefficient of performance) Effizienz COP = Heizleistung elektrische Leistungsaufnahme an der tafel: diagramme, erklären, warum t – differenz wichtig

35 Funktionsprinzip Wärmepumpe
Leistungszahl ε oder COP (Momentanwert) COP = Nutzleistung / Aufwand daher COP = Heizleistung / Strom COP von 5 bedeutet: 5 – fache Heizleistung des Stromeinsatzes Beispiel: aus 1 kW Strom, 5 kW Heizleistung somit 4 kW von der Umgebungswärme

36 CW = idealer Wert  = realer Wert Theorie, Gütegrad [ - ]
Abweichung realer Wärmepumpenprozesses vom Carnot-Prozess Gütegrad (Leistungszahl des realen Prozesses/Carnot-Prozess) Gütegrad: [ - ] an der tafel: diagramme, erklären, warum t – differenz wichtig

37 Jahresarbeitszahl JAZ
Ausschlaggebend für die Effizienz der Gesamtanlage JAZ = Wärmemengenzähler / Stromzähler vergleichbar Jahreswirkungsgrad einer Heizungsanlage

38 welche Kennzahl ist ‚gut‘?
theoretische: ε cw reale: ε oder COP Gütegrad η Jahresarbeitszahl Entscheidet die PS/kw Zahl eines Autos über Verbrauch? Wie wichtig sind Randbedingungen? Welchen Einfluss hat der User/Kunde?

39 alles klar, oder? aber jetzt…….

40 Vergleich von Wärmepumpen
Kennzahlen ACHTUNG 2 Normen EN 255 EN 14511 Beide finden sich in aktuellen Unterlagen

41 Unterschiede EN 255, EN 14511 Änderung der Betriebspunkte bei Leistungsbestimmung Verringerung der Spreizung von 10 K auf 5 K Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf Effekt: geringerer COP Wieso ?????

42  halbe Differenz = doppelter Durchfluss !!!  mehr Pump-/Hilfsenergie
Unterschiede EN 255, EN 14511 geringerer COP Wieso ????? COP = ? Q = m . c . DiffT  halbe Differenz = doppelter Durchfluss !!!  mehr Pump-/Hilfsenergie

43 Betriebsweise von WP

44 Betriebsarten WP WP für Heizung + WW

45 Betriebsarten WP WP für Heizung + WW
Elektro-Zusatzheizung für Spitzenlast

46 Betriebsarten WP WP für Heizung + WW ab Bivalenzpunkt:
alternative Wärmeerzeugung WP deckt ~70% des Jahres

47 Betriebsarten WP WP für Heizung + WW ab Bivalenzpunkt:
WP + alternative Wärmeerzeugung

48 Theorie - Fazit Wärmepumpen kombinieren mit NT Heizsystem
Grund: Thermodynamik höhere Effizienz Eventuell bivalentes System bei höheren T-Niveau an der tafel: diagramme, erklären, warum t – differenz wichtig

49 Quellen Glen Dimplex Deutschland Frimenunterlagen Fa. Danfoss/ Supper
Firmenunterlagen Fa. Vaillant Firmenunterlagen Fa. Ochsner