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Hauptsatz der Thermodynamik Energie = Arbeit (Energie kann nicht vernichtet werden)

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Hauptsatz der Thermodynamik Energie = Arbeit (Energie kann nicht vernichtet werden). Energie ↔ Leistung Energie (E) ≠ Leistung (P) ← Zeit. Einheiten SI – Einheiten Abgeleitete Einheiten (aus Basiseinheiten) „historische Einheiten“ Länge Meter m Masse Kilogramm kg

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Hauptsatz der Thermodynamik Energie = Arbeit (Energie kann nicht vernichtet werden)


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

    2. 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 Wirkungsgrad η < 1 Nutzungsgrad ή < 1 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. 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. 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

    11. 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

    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. 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

    15. 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

    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. Öl: • 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

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

    25. 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: T. EBNER, E. NAFTZ

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

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

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

    30. Kältetechnik – Wärmepumpentechnik Funktionsweise: ②① ⇐ 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. 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. 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

    34. 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

    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° 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

    38. 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

    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 T. EBNER, E. NAFTZ

    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 T. EBNER, E. NAFTZ

    45. 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 T. EBNER, E. NAFTZ

    46. J 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 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 ZU AB 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 MAK Nach Wärmeeintrag Q´ [kW] V´= Q´*3.600 / ( JAB - JZU ) * r * c Luft T. EBNER, E. NAFTZ

    48. AU ZU RLT Symbole & Anlagentypen Frischluft-Anlage , heizen • Ventilator • Wärmeübertrager, • Heizregister • Kühlregister • Befeuchter • Luftfilter • Schalldämpfer • Mischer 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 • Proportionalitätsgesetz • Sämtlich Drücke ändern sich quadratisch mit der Drehzahl bzw. mit dem Volumenstrom • Proportionalitätsgesetz • Der Leistungsbedarf ist proportional dem Kubus der Drehzahl bzw. des Volumenstroms. T. EBNER, E. NAFTZ

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