Effiziente Wärmeverteilung und Heizungshydraulik

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1 Effiziente Wärmeverteilung und Heizungshydraulik Dr. Hagen Hilse, GICON GmbH GICON

2 AGENDA Anforderungen an eine effiziente Heizwärmeversorgung Ausgangsbasis in den Betrieben Wärmeverteilung im Gewächshaus Wärmeverluste von Rohrleitungen Umwälzpumpen Auslegung und Betrieb Drehzahlregelung Effizienzverbesserung durch Pumpentausch GICON 2

3 Anforderungen an eine effiziente Heizwärmeversorgung Heizungsanlage Wärmeerzeuger angepasste Auslegung guter Wirkungs-und Nutzungsgrad intelligente Einbindung in die Klimaregelung Rohrleitungen und Armaturen geringe Druckverluste kurze Rohrleitungslängen geringe Wärmeverluste hydraulisch abgeglichene Unterverteilung pflanzennahe Wärmeabgabe Pumpen angepasste Auslegung hoher Gesamtwirkungsgrad bedarfsgerechte Fahrweise GICON 3

4 Bestandssituation Typische Ausgangsbasis in sächsischen Betrieben Heizkessel: häufig überdimensioniert Pumpen: häufig überdimensioniert i.d.r. ungeregelte Fahrweise Heizungstechnik in der Praxis häufig nicht optimal gestaltet und betrieben! Stand der Technik Rohrleitungen: in unbeheizten Verbindern häufig nicht wärmegedämmt Wärmedämmung z.t. defekt oder nicht Stand der Technik GICON 4

5 Heizungssysteme im Gewächshaus Vertikales Temperaturprofil / relativer Wärmeverbrauch typischer Heizungssysteme im Gewächshaus = Referenz (100 %) Wärme soll im Pflanzenbestand ankommen! Quelle: Schrader/ Dietrich: Gewächshäuser und Heizungsanlagen im Gartenbau. Ulmer Verlag, 2011 GICON 5

6 Heizungssysteme im Gewächshaus Relativer Wärmeverbrauch unterschiedlicher wasserbasierter Heizungssysteme im Gewächshausabteil (nach Tantau, 1983) Heizungssystem Spezifischer Wärmeverbrauch Kommentar Hohe Rohrheizung 100% Referenz Wandrohrheizung 99% Untertischheizung 90% häufig kombiniertmit Systemen oben Niedrige Rohr~, pflanzennahe Heizung 82% Hebe-Senkheizungen Vegetationsheizung 80% PE/ PP-Schläuche Deckenluftheizer (je nach Stufe) % zusätzl. Stromverbrauch Konvektoren 95% Luftheizer mit Folienschlauch 85% zusätzl. Stromverbrauch Quelle: Schrader/ Dietrich: Gewächshäuser und Heizungsanlagen im Gartenbau. Ulmer Verlag, 2011 BDEW (Hrsg): Erdgas in Gärtnereien, 2009 GICON 6

7 Heizungssysteme im Gewächshaus Horizontale Temperaturprofile im Gewächshaus Gründe für ungleiche Temperaturverteilung im Gewächshaus(abteil) bauliche Gegebenheiten (Verschattung, Windeinfluss, Außenwände, N-S- Ausrichtung etc.) Position oder Art des Temperatursensors Hydraulische Probleme Optimierungsansätze Verrohrung der Verbraucherkreise nach TICHELMANN Hydraulischer Abgleich der Verbraucherkreise mittige Speisung der Verbraucherkreise bei großen Abteilen Einsatz von Ventilatoren (Wirksamkeit überprüfen!) Mehrverbrauch durch Anhebung der Solltemperatur zur Erreichung des Mindestsollwertes am ungünstigsten Punkt im Raum. GICON 7

8 Wärmeverteilung Ist es wirtschaftlich, Verbindungsbauten durch Wärmeverluste ungedämmter Rohrleitungen zu beheizen? Komplexe wirtschaftliche Bewertung (Wärmepreis, Gewinn durch reduzierte Verluste benachbarter Abteile, Art der Nutzung, baulicher Zustand, Mindesttemperaturanforderung, Kulturparameter Abteile etc.) GICON 8

9 Wärmeverteilung Wärmeverluste ungedämmter Rohrleitungen (Beispiele) Wärmeverluste ungedämmtenarmaturen o.ä. entsprechen etwa 0,75 m Rohrleitung gleicher Nennweite. GICON 9

10 Wärmeverteilung Wärmeverluste in Abhängigkeit der Dämmstärke Beispiel: Rohrleitung DN100, Wärmedämmung 0,04 W/ (m K) GICON 10

11 Wärmeverteilung Wärmeverluste in Abhängigkeit der Dämmstärke Fiktive Beispielrechnung Kosten für Wärmeverluste Mittlere Außentemperatur in Heizperiode: 5 C Mittlere Temperatur VL/ RL in Heizperiode: 65 C Heizstunden: h/ a Wärmedämmung: 0,04 W/ (m K) RL-Länge DN 100 gedämmt: 2 x 300 m = 600 m Wärmepreis: 0,07 / kwh Dämmstärke 100 mm Dämmstärke 30 mm Wärmeverluste Kosten Wärmeverluste spezif. Kosten Wärmeverluste kwh/ a kwh/ a /a / a 4,7 /(m x a) 11,3 (m x a) GICON 11

12 Drehzahlregelung von Umwälzpumpen Pumpen- und Anlagenkennlinie H/ Dp Hydraulische Leistung = Q x Dp = Q x rx g x H Wirkungsgradkennlinie(Nenndrehzahl) Pumpenkennlinie (untere Drehzahlgrenze) Hauptarbeitsbereich Anlagenkennlinie Nennarbeitspunkt Pumpenkennlinie (Nenndrehzahl) GICON 12 Q

13 Auslegung und Betrieb von Kreiselpumpen Einfluss des Betriebspunktes auf die Lebensdauer einer Kreiselpumpe GICON 13

14 Drehzahlregelung von Umwälzpumpen Proportionalitätsgesetze in der Hydraulik = = = Beispiele: 50% Volumenstrom 12,5% Leistungsbedarf 30% Volumenstrom 2,7% Leistungsbedarf Leistungsbedarf P = hydraulische Leistung = Q x Dp elektrischeleistung P el = Leistungsbedarf P/ Gesamtwirkungsgrad h ges Gesamtwirkungsgrad h ges = h Pumpe x h Motor Q - Volumenstrom, Dp Druckverlust, n Drehzahl, P hydraulische Leistung GICON 14

15 Auslegung und Betrieb von Kreiselpumpen Drehzahlabhängigkeit des Gesamtwirkungsgrades von Kreiselpumpen (allgemeine Darstellung) Effizienz der Pumpe verschlechtert sich tendenziell mit abnehmender Drehzahl (verringert theoretischen Einspareffekt durch Drehzahlregelung!) GICON 15

16 Drehzahlregelung von Umwälzpumpen Vereinfachte Darstellung Heizlastkurve und Frequenzregelung Hauptpumpe ( Ringleitungspumpe ) eines Praxisbetriebes Betriebsstunden, Drehzahl Leistungsbedarf, mechanisch 100% 51% 22% 13% Quelle: Prof. L. Köhler, ergänzt GICON 16

17 Drehzahlregelung von Umwälzpumpen Mögliche Regelkonzepte (Auswahl) Anlagenkennlinien-Regelung : Anpassung des Arbeitspunktes an den realen Bedarf der Anlage (quadratische Abhängigkeit) Einsparpotenziale (qualitativ): Konstantdruck + Proportionaldruck ++ Anlagenkennlinie +++ Anwendbarkeit von konkreter Netzgestaltung abhängig GICON 17

18 Drehzahlregelung von Umwälzpumpen Beispiel: Drehzahlregelung marktüblicher Klimaregeltechnik Drehzahl in % Regelung über Außentemperatur Regelung über Außentemperatur mit Einstrahlungskorrektur Quelle: Prof. L. Köhler Außentemperatur in C GICON 18

19 Drehzahlregelung von Umwälzpumpen Wirtschaftlichkeit Messergebnisse aus einem sächsischen Praxisbetrieb*: Nachrüstung FU an vorhandene Trockenläuferpumpe (2.500 ) Drehzahlregelung über Außentemperatur mit Einstrahlungskorrektur Einsparung Elektroenergie: ca % Reduzierung Stromkosten: / a statische Amortisationszeit: < 1 Jahr Kosteneinsparung innerhalb von 6 Jahren: * Köhler, L (2014): Drehzahl regeln, Geld sparen. DEGA Gartenbau 9 (2014), Seiten GICON 19

20 Effizienzverbesserung durch Pumpentausch Typische Bestandssituation: Alte Umwälzpumpe, überdimensioniert, Fahrweise auf geringer Drehzahlstufe Ersatz durch angepasste Hocheffizienzpumpe wirtschaftlich? GICON 20

21 Effizienzverbesserung durch Pumpentausch Kennlinien Drehzahlstufe 2 Kennlinien des gleiches Modells, neuere Baureihe (etaetwas besser als Pumpe auf Folie 19!) Anlagenkennlinie Stufe 3: eta= 31,1% Arbeitspunkt Stufe 2: eta 8% (!) ca. 20 W el entspricht nur ca. 10% Einsparung bei Betrieb auf Stufe 2 Quelle: GICON 21

22 Effizienzverbesserung durch Pumpentausch Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Ansatz: Strompreis: 22 ct/ kwh Investitionskosten Hocheffizienzpumpe inkl. Einbau: 550 netto Bestandspumpe Hocheffizienzpumpe Einsparung Leistungsbedarf 220 W 47 W 173 W (79%) Betriebszeit 4000 h/a 4000 h/a - Stromverbrauch 889 kwh/ a 188 kwh/ a 701 kwh/a (79%) Stromkosten 196 / a 41 / a 154 / a (79%) Statische Amortisationszeit ohne Förderung 3,6 Jahre mit 30% Förderung 2,5 Jahre Wichtig: Kenntnis des realen Anforderungen an die Pumpe (Förderhöhe, Fördermenge) und angepasste Auslegung Ersatzpumpe trägt wesentlich zur Energieeinsparung bei. GICON 22

23 Zusammenfassung Energieeinsparungen (Strom, Heizwärme) sind möglich durch: Einsatz pflanzennaher Heizungssysteme gleichmäßige Temperaturverteilung im Gewächshaus Dämmung von Heizungsleitungen, Pumpen und Armaturen (Außenbereich, unbeheizten Gebäudeteile) Drehzahlregelung von Umwälzpumpen in den Hauptleitungen ( Ringleitungen ) Einsatz angepasster Hocheffizienzpumpen (auch für Abteilbeheizung) Aber: Kein Ersatz von Komponenten ohne Analyse der vorhandenen Situation und der realen Bedarfsanforderungen! GICON 23

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