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

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

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

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

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

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

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

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

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

Energieinhalt Extrawurst 300 kcal/100 g ges: 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 T. EBNER, E. NAFTZ

Bsp: Baden oder Duschen geg: Badewasserbedarf 100 l bei 45 °C Duschbedarf 30 l bei 45 °C spez. Stromkosten 0,17 €ct/kWh ges: Kosteneinsparung durch Duschen (365 Duschen/a) Lösung: T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

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 500 lx Anschlussleistung Glühbirne 100 W/m² Anschlussleistung Leuchtstoffröhre 20 W/m² Fläche 100 m² ED 8 h/d / 200 d/a ges: Vergleich jährl. Energieverbrauch Glühbirnen vs. Leuchtstoffr. EGB = 16.000 kWh/a ELR = 3.200 kWh/a T. EBNER, E. NAFTZ

Weitere Einsparmöglichkeit durch automatische Regelung mittels Helligkeitssensor – Einsparung ca. 25 % → EGBopt = 12.000 kWh/a ELRopt = 2.400 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

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

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

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

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

Fossiler Energieträger Ressourcen beschränkt Schwefelemissionen starke Preissteigerungen zu erwarten + mittlere bis hohe Nutzungsgrade (80 - 90 %) + ausgereifte Technologie + günstige Investition + geringe Schadstoffemissionen T. EBNER, E. NAFTZ

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

+ 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

+ 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

+ 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

+ 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

Lastkurve und Heizkurve: T. EBNER, E. NAFTZ

Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 1: T. EBNER, E. NAFTZ

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

Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 3: T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

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

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 32 °C ( → tC = 35 °C) ηex 0,5°C 2) Luft -5 °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

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

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

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

Freecooling Erzeugung von Kaltwasser oder Kaltluft ohne Kältemaschine bei niedriger Außentemperaturen. ta > 5° ta < 5°C 15 ° 9° 12° 6° Bsp. Serverkühlung Kältebedarf 500 kW Möglich. Freecoolingbetrieb 3.000 h/a COP KWS 4 El. Leistung Freecoolingeinheit 11 kW Spez. Stromkosten 10 ct/kWh T. EBNER, E. NAFTZ

Unterschied Stromkosten Freecooling gegen KWS- Aufgabe: Unterschied Stromkosten Freecooling gegen KWS- Betrieb, max. Investzusatzkosten bei 3 Jahre Amortisationszeit. Lösung: EKWS = 500 ‧ 3.000 ¼ = 375 MWh EFC = 11 ‧ 3.000 = 33 MWh Δk = (375 -33) ‧ 0,1 ‧ 1.000 = 34.200 €/a Δkmax. = 34.200 ‧ 3 = 102.600 € T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

h-x-Diagramm Feuchte Luft T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

Gliederung der Lufttechnik T. EBNER, E. NAFTZ

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

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 = 0.5 - 1.5 m/s sonst Zugbeschwerden J Messung in 1,5m Raummitte Die Luft muss die CO2, Wärme + Feuchteabfuhr gewährleisten. T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 = 25.20.300 = 150.000 kWh/a ≙ 18.000 €/a Esoll = 14.5.20.300 = 87.000 kWh/a ≙ 10.440 €/a T. EBNER, E. NAFTZ