Wärmepumpen in der Geothermie: Theoretische Grundlagen

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2 Wärmepumpen in der Geothermie: Theoretische Grundlagen

3 'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!'
'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen'

4 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 Erster Haupsatz der Thermodynamik:
Aussagen: 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. kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie

6 Zweiter Haupsatz der Thermodynamik:
Aussagen: 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 Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen 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 Wärmeleitung (Konduktion)
Fouriersches Gesetz: q – Wärmestromdichte, W/m² Q - übertragene Wärmelesitung, W T1 - Temperatur der wärmeren Wandoberfläche , K T2 - 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 Wärmeleitung (Konduktion)
Baustoffe Stoff Wärmeleitfähigkeit λ [W / (m · K)] Kupfer 401 Aluminium 237 Messing 120 Zink 110 Stahl unlegiert 50 Edelstahl 15 Blei 35 Granit 2,8 Beton 2,1 Glas 1,0 Kalkzement-Putz Ziegelmauerwerk (Vollziegel) 0,5 - 1,4 Holz 0,13 - 0,18 Gummi 0,16 Poroton-Ziegelmauerwerk 0,09 - 0,45 Porenbeton-Mauerwerk 0,08 - 0,25 Schaumglas 0,040 Glaswolle 0,04 - 0,05 Polystyroldämmstoffe 0, ,050 Polyurethandämmstoffe 0, ,035 Luft 0,024 Wärmeleitung (Konduktion)

9 Wärmeübergang Newtonsches Gesetz: α=f(λ,ρ,μ,cp….)
Q - übergebene Wärmelesitung, W Tf - mittlere Temperatur des Fluides, K Tw - mittlere Temperatur der Wand, K A - Fläche, m² α - Wärmeübergangskoeffizient, W/m²K δ - die Dicke der Wand, m α=f(λ,ρ,μ,cp….)

10 Wärmedurchgang = Wärmeübergang + Wärmeleitung + Wärmeübergang
Q - übergebene Wärmelesitung, W Tf1 - Temperatur des warmen Fluides, K Tf2 - Temperatur des kalten Fluides, K A - Fläche, m² u - Wärmedurchgangskoeffizient, W/m²K δ - die Dicke der Wand, m λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK

11 Wärmequelle Wärmestromdichte: Mittelwert 0,063 W/m² (63 mW/m²)
Physikalische Eigenschaften Äquator – Poldurchmesser* –  km Masse 5,974 · 1024 kg Mittlere Dichte 5,515 g/cm3 Hauptbestandteile Sauerstoff: 32,44 % Eisen: 28,18 % Silicium: 17,22 % Magnesium: 15,87 % Kalzium: 1,61 % Nickel: 1,61 % Aluminium: 1,51 % Fallbeschleunigung* 9,807 m/s2 Fluchtgeschwindigkeit 11,186 km/s Rotationsperiode 23 h 56 min 4 s Neigung der Rotationsachse 23,44° Albedo 0,367 Wärmestromdichte: Mittelwert 0,063 W/m² (63 mW/m²) vorwiegend zur dezentralen Nutzung In anomalen Gebieten, vulkanisch Vielfaches größer * bezogen auf das Nullniveau des Planeten

12 Schalenaufbau der Erde
Dreidimensionale Darstellung

13 Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschichten

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15 Wärmepumpen Wärmekraftmaschine – umwandelt Wärme in mechanische Energie in einem Kreisprozess Kraftwärmemaschine – liefert Wärmeenergie unter Einsatz mechanischer Energie

16 Kältemittel 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."

17 Begriffsdefinition FCKW

18 Umweltrelevante Eigenschaften von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln

19 lg p h-Diagramm für Solkane 22

20 Funktion

21 p - v Diagramm

22 logp - h Diagramm

23 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 Für die beide Isobaren Prozesse 2-3 und 4-1 gilt : Wärmeleistung QWP = m.(h2-h3) Kälteleistung Q0 = m.(h1-h4) Verdichterleistung P = m.(h2-h1)

24 Wichtige Kennwerte von Wärmepumpe

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26 Leistungszahl (Coefficient Of Performance - COP)
-begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads -technisch realisierte Carnotwirkungsgrad ηcWP einer Wärmepumpe -praktische Carnotwirkungsgrade ηcWP um 0,45 technisch erreicht

27 Systematik von Wärmepumpen :
• Wärmequellen – Luft – Erdreich – Wasser – Abwärme • Erdreich – Erdsonde – Flächenverdampfer – Geothermische Quellen

28 Erdreichwärmepumpe mit Erdreichlanzen
Wärmestromdichte 50 bis 100 W/m Tiefe 30 bis 100 m

29 Erdreichwärmepumpe mit Flächenverdampfer

30 Erforderliche Erdreichfläche

31 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 Systematik von Wärmepumpen :
• Nach Energiebedarfsdeckung – Monovalente Wärmepumpe • Geringere mittlere Leistungszahl • Größerer Aufwand für Wärmeaufnehmendes System – Bivalente Wärmepumpe • Zusatzaufwand für Spitzenheizung • Hohe Leistungszahl • großer Einsatzbereich

33 Monovalente Wärmepumpe

34 Monovalente Wärmepumpe mit Speicher

35 Bivalente Wärmepumpe

36 Bivalente Wärmepumpe

37 Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

38 Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

39 Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland
Jahr Installierte Wärmepumpen 2007 55.000* 2006 44.000 2005 18.900 2004 12.900 2003 9.890 2002 8.300 2001 8.200 2000 5.700 1999 4.800 1998 4.400 1997 3.600 1996 2.300 1995 1.200 * = Prognose Quelle: Stiebel-Eltron

40 Quelle : Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau:
Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät

41 • 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 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 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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