Hauptsatz der Thermodynamik

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

2 Energie (E) ≠ Leistung (P)
Energie ↔ Leistung Energie (E) ≠ Leistung (P) ← Zeit T. EBNER, E. NAFTZ

3 Einheiten SI – Einheiten Abgeleitete Einheiten (aus Basiseinheiten)
„historische Einheiten“ Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Stunde S El. Strom Ampere A Temperatur Kelvin K Stoffmenge Mol mol Lichtstärke Candela cd T. EBNER, E. NAFTZ

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

5 Leistung: thermisch kJ/s = kW kcal/h mechanisch kW, MW, GW
PS ( 1 PS ≈ 0,735 kW) elektrisch kW, MW, GW T. EBNER, E. NAFTZ

6 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. NAFTZ

7 Wirkungsgrad, Nutzungsgrad
Viele gute Einzelwirkungsgrade ergeben einen schlechten Gesamtwirkungsgrad Wirkungsgradkette ηges = η1*η2*η3*…ηn T. EBNER, E. NAFTZ

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

9 geg: durchschnittliche Leistung des Menschen 100 W
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: T. EBNER, E. NAFTZ

10 Energieinhalt Extrawurst 300 kcal/100 g ges:
Beispiel Hometrainer geg. Trainingszeit min eingestellte Last 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 T. EBNER, E. NAFTZ

11 Bsp: Baden oder Duschen geg: Badewasserbedarf 100 l bei 45 °C
Duschbedarf l bei 45 °C spez. Stromkosten 0,17 €ct/kWh ges: Kosteneinsparung durch Duschen (365 Duschen/a) Lösung: T. EBNER, E. NAFTZ

12 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. NAFTZ

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

14 Leuchtstofflampen Standard 52 lm/W
Beleuchtung: Lichtausbeute: Glühlampen 230 V 14 lm/W Leuchtstofflampen Standard 52 lm/W Leuchtstofflampen mit Vorschaltgerät 95 lm/W Beispiel Büro: Erf. Beleuchtungsstärke lx Anschlussleistung Glühbirne 100 W/m² Anschlussleistung Leuchtstoffröhre 20 W/m² Fläche m² ED h/d / 200 d/a ges: Vergleich jährl. Energieverbrauch Glühbirnen vs. Leuchtstoffr. EGB = kWh/a ELR = kWh/a T. EBNER, E. NAFTZ

15 Weitere Einsparmöglichkeit durch automatische Regelung
mittels Helligkeitssensor – Einsparung ca. 25 % → EGBopt = kWh/a ELRopt = 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. T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

18 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. NAFTZ

19 Kesselanlagen Energieträger Öl Gas Biomasse T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

22 + regenerierbare Energieform + lokale Wertschöpfung
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. NAFTZ

23 + geringer Platzbedarf + keine Emissionen vor Ort
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. NAFTZ

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

25 + Nutzung von gratis Sonnenergie + höchste Umweltfreundlichkeit
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. NAFTZ

26 Lastkurve und Heizkurve:
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27 Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 1:
T. EBNER, E. NAFTZ

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

29 Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 3:
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30 Kältetechnik – Wärmepumpentechnik
Funktionsweise: ② ① ⇐ Pel ③ Hauptkomponenten: ④ ① Verdichter ② Kondensator ③ Drosselorgan ④ Verdampfer T. EBNER, E. NAFTZ

31 Leistungbilanz: Aufwand: Pel Nutzen Kälteanlage: Nutzen Wärmepumpe:
Leistungszahl (Wirkungsgrad) COPC = COPO + 1 T. EBNER, E. NAFTZ

32 Der COP einer Kältemaschine ist abhängig vom Temperaturniveau
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) T. EBNER, E. NAFTZ

33 Die Effizienz einer Kältemaschine ist umso höher, je höher das
Merke: Die Effizienz einer Kältemaschine ist umso höher, je höher das Wärmequellenniveau und je niedriger das Wärmesenkenniveau ist. Bspw: Wärmepumpe 1) Wärmequelle Wasser 10 °C (→ tO = 5 °C) Wärmesenke FBH °C ( → tC = 35 °C) ηex ,5°C 2) Luft °C (→tO = -10 °C) Mitteltemp.rad. 50 °C (→tC = 55 °C) Ges. COP für die beiden Varianten Jahresstromverbrauch bei 2.000 Vollbenutzungsstunden. T. EBNER, E. NAFTZ

34 Wärmepumpe: Erdreich/FBH 3,5 ÷ 4,5 Luft/Wasser 2 ÷ 3
COP – Erfahrungswerte Kühlung: TK 0,7 ÷ 1,8 NK ÷ 2,8 Klima 2,6 ÷ 6 Wärmepumpe: Erdreich/FBH 3,5 ÷ 4,5 Luft/Wasser ÷ 3 T. EBNER, E. NAFTZ

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

36 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. NAFTZ

37 Freecooling Erzeugung von Kaltwasser oder Kaltluft ohne
Kältemaschine bei niedriger Außentemperaturen. ta > 5° ta < 5°C 15 ° 9° 12° ° Bsp. Serverkühlung Kältebedarf 500 kW Möglich. Freecoolingbetrieb h/a COP KWS 4 El. Leistung Freecoolingeinheit 11 kW Spez. Stromkosten ct/kWh T. EBNER, E. NAFTZ

38 Unterschied Stromkosten Freecooling gegen KWS-
Aufgabe: Unterschied Stromkosten Freecooling gegen KWS- Betrieb, max. Investzusatzkosten bei 3 Jahre Amortisationszeit. Lösung: EKWS = 500 ‧ ¼ = 375 MWh EFC = 11 ‧ = 33 MWh Δk = ( ) ‧ 0,1 ‧ = €/a Δkmax. = ‧ 3 = € T. EBNER, E. NAFTZ

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

40 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. NAFTZ

41 h-x-Diagramm Feuchte Luft
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42 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. NAFTZ

43 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. NAFTZ

44 Gliederung der Lufttechnik
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45 Klassifizierung der Anlagen
Lüftungsanlage Lüftungsfunktion mit oder ohne Luftbehandlungsfunktion Teilklimaanlage 2 oder 3 thermodynamische Luftbehandlungsfunktionen z.B. H+K oder H+B Vollklimaanlage 4 Luftbehandlungsfunktionen H+K+B+E T. EBNER, E. NAFTZ

46 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 J Messung in 1,5m Raummitte Die Luft muss die CO2, Wärme + Feuchteabfuhr gewährleisten. T. EBNER, E. NAFTZ

47 Bestimmen des Volumenstroms V´[m³/h]
AU UM Nach der Luftwechselzahl LW V´= V Raum * LW Raum AB ZU Nach der Personeanzahl V´= Personen * V´AU / Person FO Raumparameter : mittlere Feuchte mittlere Temperatur Nach MAK [mg/h, cm³/h] Werten V´= M Eintrag / ( k MAK - k ZU ) Feuchte g/h Nach Feuchteeintrag G [g/h] V´= G Wassereintrag / ( x AB - x ZU ) * r Wärme kW Personen Nach Wärmeeintrag Q´ [kW] V´= Q´*3.600 / ( J AB - J ZU ) * r * c Luft MAK T. EBNER, E. NAFTZ

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

49 Anlagen mit variablen Volumenstrom
Proportionalitätsgesetz Die Luftmenge eines Ventilators ändert sich proportional mit der Drehzahl Sämtlich Drücke ändern sich quadratisch mit der Drehzahl bzw. mit dem Volumenstrom Der Leistungsbedarf ist proportional dem Kubus der Drehzahl bzw. des Volumenstroms. T. EBNER, E. NAFTZ

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

51 Sonnenstrahlung + Außentemperatur Beschattung Verglasung Wärmedämmung
Geräte 1. Bedarf optimieren 1. Äußere Lasten : Sonnenstrahlung + Außentemperatur Beschattung Verglasung Wärmedämmung 3. Volumenstrom : nach Bedarf Personenzahl Betriebsstunden Luftqualität messen Kühllasten direkt am Erzeuger abführen 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 T. EBNER, E. NAFTZ

52 Bauteile D p [Pa] = S Bauteile z Volumenstrom P ~ (V´ / V´100%)³
ZU AU 1. Planung : Bauteile D p [Pa] = S Bauteile z Volumenstrom P ~ (V´ / V´100%)³ Rohrdurchmesser P ~ (d H 100% / d H)5 2. Betrieb : Regelmäßige Wartung : Filter Wärmeübertrager Verteilungsverluste: Druckverluste T. EBNER, E. NAFTZ

53 Verteilungsverluste: Wärmedämmung
vermeiden von Wärme- / Kälteverlusten Unterschiedliche Materialien für Wärme-/ Kältedämmung Kondenswasserschäden <10°C Alle Bauteile, Ventile, Flansche, Filter,... dämmen T. EBNER, E. NAFTZ

54 3. Kältemaschine : COP Aufstellung Kühlturm Regelung 2. Pumpen :
1. Ventilator : Wirkungsgrad Drehzahlregelung Regelung Dimmensionierung ZU AU 3. Kältemaschine : COP Aufstellung Kühlturm Regelung Dimensionierung Temperaturen J o, J c Abwärmenutzung ggf thermische KM 2. Pumpen : Wirkungsgrad Drehzahlregelung P ~ (V´ / V´100%)³ Regelung Dimensionierung ggf Strahlpumpen Stromverbrauch T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

57 Beispiel: Lüftungsanlage
Pel = 25 kW Betriebszeit 20 h/d, 300 d/a Stromkosten kE = 0,12 €/kWh Ges. Jahresstrom und Kosteneinsparung bei Reduktion des Volumenstroms auf Sollmenge Lösung: Eist = = kWh/a ≙ €/a Esoll = = kWh/a ≙ €/a T. EBNER, E. NAFTZ