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Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov. Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wärmepumpen in der Geothermie: Theoretische Grundlagen.

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Präsentation zum Thema: "Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov. Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wärmepumpen in der Geothermie: Theoretische Grundlagen."—  Präsentation transkript:

1 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov

2 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wärmepumpen in der Geothermie: Theoretische Grundlagen

3 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov 'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!' 'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen'

4 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Gliederung : 1.Einführung – kurzer Einblick in Thermodynamik 2.Erde – Wärmequelle für die Wärmepumpen 3.Wärmepumpen 3.1. Kältemittel 3.2. Funktion 3.2. Systematik 3.3. Vergleich verschiedene Arten Wärmepumpensysteme 4. Rolle der Wärmepumpe in der Energieversorgung

5 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Erster Haupsatz der Thermodynamik: Aussagen: 1)Perpetuum Mobile erster Art ist unmöglich Maschine mit Wirkungsgrad von über 100 Prozent die zu ihrem Betrieb notwendige Energie und zusätzlich Nutzenergie liefern würde Zum Beispiel: Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben, ein Teil des Wassers fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an. Ein Akkumulator bringt eine Lampe zum Leuchten, das Licht erzeugt durch ein Fotoelement elektrischen Strom, der den Akkumulator wieder auflädt. 2)kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie

6 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Zweiter Haupsatz der Thermodynamik: Aussagen: 1)Perpetuum Mobile zweiter Art ist unmöglich Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, mittels lokaler Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in mechanische Arbeit zurück umsetzen. Die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme ist irreversibel 2)Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen 3)Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als der aus diesen Temperaturen gebildete Carnot-Wirkungsgrad

7 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wärmeleitung (Konduktion) Fouriersches Gesetz: q – Wärmestromdichte, W/m² Q - übertragene Wärmelesitung, W T 1 - Temperatur der wärmeren Wandoberfläche, K T 2 - Temperatur der kälteren Wandoberfläche, K A - Fläche, durch die die Wärme strömt, m² λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK δ - die Dicke der Wand, m R – thermischer Widerstand, m²K/W

8 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Baustoffe Stoff Wärmeleitfähigkeit λ [W / (m · K)] Kupfer401 Aluminium237 Messing120 Zink110 StahlStahl unlegiert50 Edelstahl15 Blei35 Granit2,8 Beton2,1 Glas1,0 Kalkzement-PutzPutz1,0 Ziegelmauerwerk Ziegelmauerwerk (Vollziegel)Vollziegel 0,5 - 1,4 Holz0,13 - 0,18 Gummi0,16 Poroton- Ziegelmauerwerk 0,09 - 0,45 PorenbetonPorenbeton-Mauerwerk0,08 - 0,25 Schaumglas0,040 Glaswolle0,04 - 0,05 Polystyroldämmstoffe0, ,050 Polyurethandämmstoffe0, ,035 Luft0,024 Wärmeleitung (Konduktion)

9 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wärmeübergang Newtonsches Gesetz: Q - übergebene Wärmelesitung, W T f - mittlere Temperatur des Fluides, K T w - mittlere Temperatur der Wand, K A - Fläche, m² α - Wärmeübergangskoeffizient, W/m²K δ - die Dicke der Wand, m α=f(λ,ρ,μ,c p ….)

10 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wärmedurchgang = Wärmeübergang + Wärmeleitung + Wärmeübergang Q - übergebene Wärmelesitung, W T f1 - Temperatur des warmen Fluides, K T f2 - Temperatur des kalten Fluides, K A - Fläche, m² u - Wärmedurchgangskoeffizient, W/m²K δ - die Dicke der Wand, m λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK

11 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Physikalische Eigenschaften Äquator – Poldurchmesser Äquator – Poldurchmesser * – km Masse5,974 · kg Mittlere DichteDichte5,515 g/cm 3 Hauptbestandteile Sauerstoff: 32,44 %Sauerstoff Eisen: 28,18 %Eisen Silicium: 17,22 %Silicium Magnesium: 15,87 %Magnesium Kalzium: 1,61 %Kalzium Nickel: 1,61 %Nickel Aluminium: 1,51 %Aluminium Fallbeschleunigung * 9,807 m/s 2 Fluchtgeschwindigkeit11,186 km/s Rotationsperiode23 h 56 min 4 s Neigung der Rotationsachse Rotationsachse 23,44° Albedo0,367 * bezogen auf das Nullniveau des PlanetenNullniveau Wärmestromdichte: Mittelwert 0,063 W/m² (63 mW/m²) In anomalen Gebieten, vulkanisch Vielfaches größer vorwiegend zur dezentralen Nutzung Wärmequelle

12 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Schalenaufbau der Erde Dreidimensionale Darstellung

13 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschichten

14 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov

15 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wärmekraftmaschine – umwandelt Wärme in mechanische Energie in einem Kreisprozess Kraftwärmemaschine – liefert Wärmeenergie unter Einsatz mechanischer Energie Wärmepumpen

16 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Nach DIN EN Abs ist das Kältemittel definiert als "Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen." nach DIN 8960 Abs. 3.1 als "Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt." Kältemittel

17 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Begriffsdefinition FCKW

18 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Umweltrelevante Eigenschaften von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln

19 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov lg p h-Diagramm für Solkane 22

20 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Funktion

21 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov p - v Diagramm

22 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov logp - h Diagramm

23 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Für die beide Isobaren Prozesse 2-3 und 4-1 gilt : Bei Kenntnis der Temperaturen und Absolutdrücke sind die spezifischen Wärmemengen q1 und q2, sowie die spezifische Arbeit w unmittelbar zu entnehmen Wärmeleistung Q WP = m.(h 2 -h 3 ) Kälteleistung Q 0 = m.(h 1 -h 4 ) Verdichterleistung P = m.(h 2 -h 1 )

24 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Wichtige Kennwerte von Wärmepumpe

25 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov

26 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Leistungszahl (Coefficient Of Performance - COP) -begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads -technisch realisierte Carnotwirkungsgrad η cWP einer Wärmepumpe -praktische Carnotwirkungsgrade η cWP um 0,45 technisch erreicht

27 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Erdreich – Erdsonde – Flächenverdampfer – Geothermische Quellen Wärmequellen – Luft – Erdreich – Wasser – Abwärme Systematik von Wärmepumpen :

28 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Erdreichwärmepumpe mit Erdreichlanzen Wärmestromdichte 50 bis 100 W/m Tiefe 30 bis 100 m

29 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Erdreichwärmepumpe mit Flächenverdampfer

30 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Erforderliche Erdreichfläche

31 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Systematik von Wärmepumpen : Wärmequelle/Wärmeträger Luft/Wasser- Wärmepumpe Luft/Luft- Wärmepumpe Wasser/Wasser-Wärmepumpe Wasser/Luft- Wärmepumpe Sole/Wasser-Wärmepumpe Sole/Luft-Wärmepumpe Bezeichnungen: Wärmequelle: · B (BIRNE): Soleleitungen in Erdboden · W (WATER): Wasser (Grundwasser) · A (AIR): Umgebungsluft als Wärmequelle Wärmeträger (im Heizungssystem) · W: Wasser (Heizungswasser) · A: Wärmeeintrag über Lüftungssystem B0/W35 Wärmequelle bis 0 °C Heizungsvorlauft 35 °C

32 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Nach Energiebedarfsdeckung – Monovalente Wärmepumpe Geringere mittlere Leistungszahl Größerer Aufwand für Wärmeaufnehmendes System – Bivalente Wärmepumpe Zusatzaufwand für Spitzenheizung Hohe Leistungszahl großer Einsatzbereich Systematik von Wärmepumpen :

33 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Monovalente Wärmepumpe

34 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Monovalente Wärmepumpe mit Speicher

35 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Bivalente Wärmepumpe

36 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Bivalente Wärmepumpe

37 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

38 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

39 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov JahrInstallierte Wärmepumpen * * = Prognose Quelle: Stiebel-Eltron Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland

40 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Quelle : Vortrag Energieversorgung im Niedrigstenergiebau: Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät

41 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Umweltfreundlich (5 Einheiten Wärme werden zu 4 Teilen aus der Sonne und zu 1 Teil aus Elektrizität gewonnen) Emissionsfrei im Gegensatz zu Verbrennungsheizungen Schadstoffemissionen sparen, besseren Luftqualität beitragen Komfortabel keinen eigenen Aufstell- oder Lagerraum vielseitig einsetzbar mit einer Wärmepumpe heizen, kühlen, lüften und Warmwasser bereiten

42 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Quellen : 1. Wärmepumpen von Burkhard Sanner 2. Grundlagen zur Nutzung Regenerativer Energien, Fachhochschule Köln Institut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien 3. Wärmepumpen, BINE 4. Laborscript, Otto von Guericke Unversität 5.Vortrag Energieversorgung im Niedrigstenergiebau: Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät Dr.-Ing. Andreas Bühring, Dr. Angelika Heinzel, Prof. Joachim Luther Ing. VDI Hans-Lorenz Fritz 6.

43 Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! © ® 2007


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