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T. EBNER, E. NAFTZ1 1.Hauptsatz der Thermodynamik Energie = Arbeit (Energie kann nicht vernichtet werden)

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Präsentation zum Thema: "T. EBNER, E. NAFTZ1 1.Hauptsatz der Thermodynamik Energie = Arbeit (Energie kann nicht vernichtet werden)"—  Präsentation transkript:

1 T. EBNER, E. NAFTZ1 1.Hauptsatz der Thermodynamik Energie = Arbeit (Energie kann nicht vernichtet werden)

2 T. EBNER, E. NAFTZ2 Energie Leistung Energie (E) Leistung (P) Zeit

3 T. EBNER, E. NAFTZ3 Einheiten SI – Einheiten Abgeleitete Einheiten (aus Basiseinheiten) historische Einheiten LängeMeterm MasseKilogrammkg ZeitStunde S El. StromAmpereA TemperaturKelvinK StoffmengeMolmol LichtstärkeCandelacd

4 T. EBNER, E. NAFTZ4 Energie: thermisch: Joule (J, kJ, MJ, GJ) WH (kWh, MWh, GWh) alt: (kcal, Btu, …) mechanisch: kWh Nm elektrisch: kWh

5 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

6 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.

7 T. EBNER, E. NAFTZ7 Wirkungsgrad, Nutzungsgrad Wirkungsgrad η < 1 Nutzungsgrad ή < 1 Viele gute Einzelwirkungsgrade ergeben einen schlechten Gesamtwirkungsgrad Wirkungsgradkette η ges = η 1 *η 2 *η 3 *…η n

8 T. EBNER, E. NAFTZ8 Beispiele für Wirkungsgrade E-Motor Otto-Motor Dieselmotor Wasserkraftwerke Thermisches Kraftwerk Ventilator Glühbirne Leuchtstoffröhre Ölheizung Gasheizung E-Radiatoren Photovoltaik

9 T. EBNER, E. NAFTZ9 Beispiel Mensch: geg: durchschnittliche Leistung des Menschen 100 W ges.: täglicher Kalorienbedarf Anmerkung: Zusammenhang kJ kcal 1 kcal 4,18 kJ spez. Wärmekapazität Wasser 1 kcal ist jene Energiemenge um 1 kg Wasser um 1 °C zu erwärmen Lösung:

10 T. EBNER, E. NAFTZ10 Beispiel Hometrainer geg. Trainingszeit 30 min eingestellte Last 200 W Energieinhalt Extrawurst 300 kcal/100 g ges: Wie viel Extrawurst darf ich nach dem Training essen, damit ich den nicht dicker 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

11 T. EBNER, E. NAFTZ11 Bsp: Baden oder Duschen geg: Badewasserbedarf100 l bei 45 °C Duschbedarf 30 l bei 45 °C spez. Stromkosten0,17 ct/kWh ges: Kosteneinsparung durch Duschen (365 Duschen/a) Lösung:

12 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

13 T. EBNER, E. NAFTZ13 Beispiele für Energiesparmaßnahmen Beleuchtung Wärmedämmung Heizung Kühlung Lüftung Klimatisierung

14 T. EBNER, E. NAFTZ14 Beleuchtung: Lichtausbeute: Glühlampen 230 V14 lm/W Leuchtstofflampen Standard52 lm/W Leuchtstofflampen mit Vorschaltgerät95 lm/W Beispiel Büro: Erf. Beleuchtungsstärke500 lx Anschlussleistung Glühbirne100 W/m² Anschlussleistung Leuchtstoffröhre 20 W/m² Fläche100 m² ED8 h/d / 200 d/a ges: Vergleich jährl. Energieverbrauch Glühbirnen vs. Leuchtstoffr. E GB = kWh/a E LR = kWh/a

15 T. EBNER, E. NAFTZ15 Weitere Einsparmöglichkeit durch automatische Regelung mittels Helligkeitssensor – Einsparung ca. 25 % E GBopt = kWh/a E LRopt = kWh/a Anmerkung: Bei der Beleuchtung ist zu beachten, dass der Energiebedarf im Winter zu einer Verringerung des Heizenergiebedarfs führt, im Sommer aber zu einer Erhöhung des Kühlenergiebedarfes.

16 T. EBNER, E. NAFTZ16 Beheizung von Objekten Woraus setzt sich mein jährlicher Energiebedarf/Energiekosten zusammen? Heizenergiebedarf Effizienz der Bereitstellung spez. Kosten der Energie

17 T. EBNER, E. NAFTZ17 Möglichkeiten der Wärmeerzeugung Elektro-Direkt-Heizung Heizkessel Fernwärme Wärmepumpe Solaranlage

18 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)

19 T. EBNER, E. NAFTZ19 Kesselanlagen Energieträger -Öl -Gas -Biomasse

20 T. EBNER, E. NAFTZ20 Öl: -Fossiler Energieträger -Ressourcen beschränkt -Schwefelemissionen -starke Preissteigerungen zu erwarten + mittlere bis hohe Nutzungsgrade ( %) + ausgereifte Technologie + günstige Investition + geringe Schadstoffemissionen

21 T. EBNER, E. NAFTZ21 Gas: -Fossiler Energieträger -Ressourcen beschränkt -Preissteigerungen zu erwarten + hohe Nutzungsgrade (bis > 100 %) + ausgereifte Technologie + günstige Investitionen + geringer Platzbedarf + minimale Emissionen

22 T. EBNER, E. NAFTZ22 Biomasse: + regenerierbare Energieform + lokale Wertschöpfung + mittlerweile ausgereifte Technologie + Unabhängigkeit von Gas- und Ölförderländer + CO 2 -neutral (nahezu) + pos. Image -hoher Platzbedarf -hohe Investition -Regelbarkeit -Teillastverhalten -hohe Emissionen -höherer Arbeitsaufwand -geringerer Nutzungsgrad

23 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

24 T. EBNER, E. NAFTZ24 Wärmepumpe: + Nutzung von Umgebungsenergie + Jahresnutzungsgrad bis ca. 400 % + hoher Gesamtenergienutzungsgrad bez. auf Primärenergieeinsatz -hohe Investkosten -Niedertemperaturabnahmesystem erforderlich

25 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

26 T. EBNER, E. NAFTZ26 Lastkurve und Heizkurve:

27 T. EBNER, E. NAFTZ27 Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 1:

28 T. EBNER, E. NAFTZ28 Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 2:

29 T. EBNER, E. NAFTZ29 Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 3:

30 T. EBNER, E. NAFTZ30 Kältetechnik – Wärmepumpentechnik Funktionsweise: P el Hauptkomponenten: Verdichter Kondensator Drosselorgan Verdampfer

31 T. EBNER, E. NAFTZ31 Leistungbilanz: Aufwand: P el Nutzen Kälteanlage: Nutzen Wärmepumpe: Leistungszahl (Wirkungsgrad) COP C = COP O + 1

32 T. EBNER, E. NAFTZ32 Wichtig: Der COP einer Kältemaschine ist abhängig vom Temperaturniveau der Wärmequelle + Wärmesenke und von der Güte des Systems. T O …… Verdampfuntstemperatur [k] T C …… Kondensationstemperatur [k] η ex …... exergetischer Gütegrad (= 0,3 ….. 0,65I)

33 T. EBNER, E. NAFTZ33 Merke: Die Effizienz einer Kältemaschine ist umso höher, je höher das Wärmequellenniveau und je niedriger das Wärmesenkenniveau ist. Bspw: Wärmepumpe 1) Wärmequelle Wasser10 °C ( t O = 5 °C) Wärmesenke FBH 32 °C ( t C = 35 °C) ηex 0,5°C 2) Luft -5 °C (t O = -10 °C) Mitteltemp.rad.50 °C (t C = 55 °C) Ges. COP für die beiden Varianten Jahresstromverbrauch bei Vollbenutzungsstunden.

34 T. EBNER, E. NAFTZ34 COP – Erfahrungswerte Kühlung:TK0,7 ÷ 1,8 NK2 ÷ 2,8 Klima2,6 ÷ 6 Wärmepumpe:Erdreich/FBH3,5 ÷ 4,5 Luft/Wasser2 ÷ 3

35 T. EBNER, E. NAFTZ35 Komponenten Verdichter: Scroll, Kolben Kolben, Schrauben Schrauben, Turbo Wärmetauscher: Rohrbündel Platten Koaxial Expansionsorgane Kapillare Thermostat. Ex-Ventil Elektr. Ex-Ventil Drossel

36 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

37 T. EBNER, E. NAFTZ37 Freecooling Erzeugung von Kaltwasser oder Kaltluft ohne Kältemaschine bei niedriger Außentemperaturen. ta > 5° ta < 5°C 15 °9° 12° 6° Bsp. Serverkühlung Kältebedarf500 kW Möglich. Freecoolingbetrieb h/a COP KWS4 El. Leistung Freecoolingeinheit 11 kW Spez. Stromkosten 10 ct/kWh

38 T. EBNER, E. NAFTZ38 Aufgabe: Unterschied Stromkosten Freecooling gegen KWS- Betrieb, max. Investzusatzkosten bei 3 Jahre Amortisationszeit. Lösung: E KWS = ¼ = 375 MWh E FC = = 33 MWh Δk = ( ) 0, = /a Δk max. = =

39 T. EBNER, E. NAFTZ39 Lüftung + Klimatisierung Zweck der Klimatisierung: Die Klimatisierung hat die Aufgabe optimale Raumluft- zustände bezüglich Temperatur Feuchte Schadstoffe Hygiene zu gewährleisten

40 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

41 T. EBNER, E. NAFTZ41 h-x-Diagramm Feuchte Luft

42 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

43 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

44 T. EBNER, E. NAFTZ44 Gliederung der Lufttechnik

45 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

46 T. EBNER, E. NAFTZ46 Behaglichkeit + Hygiene Behaglichkeit für Bürotätigkeit : J Luft = 18°C - 24°C, Sommer 6 K < J Außen j = 30% - 70%(20% - 80%) <40% Zunahme von Erkältungen >70% schwül, schwitzen Luftgeschwindigkeit = m/s sonst Zugbeschwerden Die Luft muss die CO2, Wärme + Feuchteabfuhr gewährleisten. Messung in 1,5m Raummitte

47 T. EBNER, E. NAFTZ47 Bestimmen des Volumenstroms V´[m³/h] Nach der Luftwechselzahl LW V´= V Raum * LW Nach der Personeanzahl V´= Personen * V´ AU / Person Nach MAK [mg/h, cm³/h] Werten V´= 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 FO AB Raum Raumparameter : mittlere Feuchte mittlere Temperatur ZU Feuchte g/h Wärme kW Personen MAK

48 T. EBNER, E. NAFTZ48 RLT Symbole & Anlagentypen Ventilator Wärmeübertrager, Heizregister Kühlregister Befeuchter Luftfilter Schalldämpfer Mischer Frischluft-Anlage, heizen ZU AU Mischluft-Anlage, heizen UM AU ZU Klima-Anlage, heizen, kühlen, be- u. entfeuchten AU ZU

49 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.

50 T. EBNER, E. NAFTZ50 2. Verteilungsverluste minimieren : Druckverluste vermindern Rohrleitungen Wärmedämmen 3. Erzeugung optimieren : Ventilatoren + Pumpen Kältemaschine Wärme-/Kälte/Feuchte-Rückgewinnung Optimierungsschritte 1. Bedarf optimieren : Bedarfsgerechter Volumenstrom Behaglichkeitsbereich nutzen im Sommer Wärmeeintrag minimieren im Winter Wärmeverlust vermeiden

51 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

52 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 ZU AU

53 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

54 T. EBNER, E. NAFTZ54 1. Ventilator : Wirkungsgrad Drehzahlregelung Regelung Dimmensionierung ZU AU 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

55 T. EBNER, E. NAFTZ55 Wärmerückgewinnung Rekuperativ (nur Wärmeaustausch) Regenerativ (Wärme- und Feuchteaustausch)

56 T. EBNER, E. NAFTZ56 Neue Techniken: DEC-Systeme Solare-DEC-Systeme Erdreich-Luft-WÜ Betonkernaktivierung, Deckenkühlung

57 T. EBNER, E. NAFTZ57 Beispiel: Lüftungsanlage P el = 25 kW Betriebszeit 20 h/d, 300 d/a Stromkosten k E = 0,12 /kWh Ges. Jahresstrom und Kosteneinsparung bei Reduktion des Volumenstroms auf Sollmenge Lösung: E ist = = kWh/a /a E soll = = kWh/a /a


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