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

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 1.400 Studierende Rund 100 Mitarbeiter und 300 Lektoren 1.410 AbsolventInnen Schwab-Matkovits

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

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

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

CO2-Problematik, Treibhauseffekt

Treibhausgase – Anteil am Treibhauseffekt

Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger

Umweltbelastung Heizungssysteme Quelle: FWS / WWF 2005

Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger EFH: 8.8 kW Heizenergie

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

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

Globale Prognose, Quelle: Shell, Uni Kassel

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

Temperaturverlauf 1880-2004 1951-1980 Hansen, James et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 14288-14293 Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences

Temperaturänderung 2001/05 gegenüber 1951/80 Hansen, James et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 14288-14293 Copyright ©2006 by the National Academy of Sciences

Alpenraum 1760 - 2000 + 2°C ALP-IMP 2003

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

Energie –Situation in Österreich 7.915 Großtankwagen mit je 30.000 Liter Quelle: Fanninger G.: Der Wärmepumpenmarkt in Österreich, Klagenfurt, März 2006 Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie, BMVIT

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Wärmepumpe Luftpumpe erzeugt kein Luft

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

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.

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

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

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

log p, h Diagramm + Prozesse

Wärmequellen Boden

log p , h Diagramm vereinfacht

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

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

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

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.

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

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

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

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

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?

alles klar, oder? aber jetzt…….

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

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 ?????

 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

Betriebsweise von WP

Betriebsarten WP WP für Heizung + WW

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

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

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

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

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