Wärmepumpen + Kälteanlagen Energiemanager IHK

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1 Wärmepumpen + Kälteanlagen Energiemanager IHK Dipl.-Ing. Hans-Joachim Lohr Dipl.-Ing. Markus Sommer Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 1

2 Geschichte der Wärmepumpe 1,86 MW 3-stufige Wärmepumpe in Zürich Hersteller: Sulzer Baujahr 1942 Vorlauf 70 C Wärmequelle: Wasser 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 2

3 Energieverbrauch im Haushalt 77% 11% 4% 1% 7% Heizung Elektrogeräte Beleuchtung Kochen Warmwasser 88% Heizung + Warmwasser 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 3

4 Primärenergiebedarf zur Kälteerzeugung 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 4

5 Primärenergie - Nutzenergie Endenergie Strom Bei Verbraucher 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 5

6 Energiefluß Vergleich Wärmepumpe - Kessel COP=4,0 (Erdreich) fp=2,7 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 6

7 Wärmepumpensysteme Sole-Wasser- Wärmepumpen mit Erdsonden Wasser-Wasser- Wärmepumpen mit Saugund Schluckbrunnen Sole-Wasser- Wärmepumpen mit Erdkollektor Luft-Wasser- Wärmepumpen für Außenaufstellung 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 7

8 Anteile nach Wärmequelle 2008 Kleinanlagen bis ca. 50 kw 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 8

9 Absatzzahlen 2003 bis 2008 Kleinanlagen bis ca. 50 kw 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 9

10 CO 2 -Vergleich Wärmepumpe-Kessel Wärmepumpen reduzieren Schadstoffemissionen im Bereich Raumheizung und Warmwasserbereitung Vergleich bei Jahresarbeitszahlen > März 2009 Hans-Joachim Lohr 10

11 Spezifische CO 2 -Emissionen Quelle: Umweltbundesamt Braunkohle Heizöl Erdgas Flüssiggas Strom 400 g/kwh 266 g/kwh 202 g/kwh 234 g/kwh 624 g/kwh 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 11

12 Entwichlung der spez. CO 2 Emissionen Spez. CO 2 Emmission 2008 ca. 580 g/ kwh 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 12

13 Vergleichsrechnung CO 2 -Emissionen Basis 2008 Gas-Kessel EWP Heizlast nach DIN EN kw 12,00 12,00 Vollbenutzungsstunden einschl. Warmwasserbereitung h/a Jahresheizwärmebedarf kwh Jahresnutzungsgrad / Arbeitszahl (B0/W35) 0,9 4,7 Endenergiebedarf kwh spezifische Emissionen (GEMIS- VDEW Stammdatensatz) g/k Wh Gesamtemissionen kg/a Emissionsreduzierung durch Elektro-Wärmepumpeneinsatz kg/a Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 13

14 EEWärmeG Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz EEWärmeG gültig ab 1. Januar 2009 bei der Nutzung von Geothermie und Umweltwärme ist ein Mindestanteil von 50 % vom Gebäudeeigentümer zu garantieren. JAZ = Jahresheizarbeit (kwh) Jahresstrombedarf* (kwh) * für Wärmepumpe mit Hilfsantrieben Bei Einsatz von Wärmepumpen ist Jahresarbeitszahl zu erreichen: Jahresarbeitszahl nach VDI 4650 Blatt 1 Einsatz Wärmepumpe JAZ Heizen Sole / Wasser 4,0 Wasser / Wasser 4,0 Luft / Wasser 3,5 Heizen + WW Sole / Wasser 3,8 Wasser / Wasser 3,8 Luft / Wasser 3,3 29. März 2009 Hans-Joachim Lohr 14

15 EnEV Energiesparverordnung Neue Perspektiven für die Wärmepumpe Primärenergiefaktor Strom für den Einsatz elektrisch betriebener Wärmepumpen f p = 2,7 (aktuell an 2007) bereits bei einer Jahresarbeitszahl > 2,7 (Verhältnis 1:1 Primärenergie zu Heizenergie) ergeben sich energetische Vorteile für die Wärmepumpe. 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 15

16 GUD-Kraftwerk GUD Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk Primärenergie- Faktor (ab 2007) f p = 2,7 Gesamtwirkungsgrad % 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 16

17 Kompensation von Kraftwerksverlusten Primärenergie- Faktor (ab 2007) f p = 2,7 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 17

18 EnEV Energiesparverordnung JAZ* β = 4 *Jahresarbeitszahl Anlagenaufwandzahl e p = 2,7 / 4 = 0, Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 18

19 Grundlagen Thermodynamik K Wärmepumpe +20 C 0 C C 0 C = 273 K Wärmefluß Durch den Einsatz von Arbeit W = P x t kann Wärme Q von kalt nach warm verschoben werden. 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 19

20 Grundlagen Thermodynamik Wärmepumpe Q o P Q c Q o [kw o ] + P [kw el ] = Q c [kw th ] Um die Wärme auf ein höheres Niveau zu heben muss Arbeit in der Maschine geleistet werden 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 20

21 Wärmepumpensysteme 1 Verdampfer 3 Kondensator 2 Verdichter 4 Expansionsventil 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 21

22 Theorie der Wärmepumpe Zustandsänderungen h, lg p Diagramm (Carnot Prozess) Idealer Kreisprozess Realer Kreisprozess Bestimmung der Leistungszahl Bestimmung der Arbeitszahl 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 22

23 Kältekreislauf mit den wesentlichen Komponenten 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 23

24 Kältekreislauf p o p p c Gas Liquid Q o P Q c Gas Liquid Evaporator Verdampfer p o p c p Chiller Verdichter Condenser Verflüssiger 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 24

25 Heizleistung der Wärmepumpe Definition der Heizleistung einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe Q h = Q o + P e HEIZLEISTUNG KÄLTELEISTUNG LEISTUNGSAUFNAHME (Entzugsleistung) (elektrische Antriebsleistung) 29. März 2009 Hans-Joachim Lohr 25

26 Leistungszahl der Wärmepumpe Definition der Leistungszahl COP (ε) = Q h / P e Bei erdgekoppelten Anlagen 4,5 5,0 je nach Betriebsbedingungen (Warmwasserbereitung beachten!) 29. März 2009 Hans-Joachim Lohr 26

27 Bilanzgrenzen LA21: Lokale Agenda 21 Falk Auer 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 27

28 Bestimmung der Arbeitszahl 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 28

29 Jahresarbeitszahlen 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 29

30 Feldtest Elektrowärmepumpen 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 30

31 bar Grundlagen Kältemittel p C T Das Bild zeigt den Verlauf der Siedetemperatur eines Kältemittels. Bei einem Druck von ca.2,5bar hat dieses eine Siedetemperatur von 20 C. Wird der Druck auf ca.15 bar erhöht, so steigt die Siedetemperatur auf 40 C. Als Kältemittel sind alle flüssigen Stoffe geeignet, die sich beliebig oft kochen und wieder kondensieren lassen, ohne sich dabei chemisch zu zersetzen. Dabei nutzt man die Abhängigkeit der Siedetemperatur T [ C] vom Umgebungsdruck p [bar bzw. MPa]. Wird der Umgebungsdruck erhöht, erhöht sich die Siedetemperatur und umgekehrt! 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 31

32 log p h - Diagramm 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 32

33 log p h - Diagramm Grundbegriffe der Thermodynamik Isothermen sind Linien gleicher Temperatur Isobaren sind Linien gleichen Druckes Isentropen sind Linien gleicher Entropie Isochore Zustandsänderung eines Gases bei gleichem Volumen Enthalpie ist ein Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 33

34 log p h - Diagramm 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 34

35 log p h Diagramm R 410a Enthalpie h [kj / kg] 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 35

36 log p h Diagramm R 407 c 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 36

37 Optimierung durch Wärmetauscher Kreislauf ohne internen Wärmetauscher Kreislauf mit internen Wärmetauscher 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 37

38 log p h - Diagramm 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 38

39 Leistungszahl ε Carnot Prozess (theoretisch) Berechnung: ε = T / T-To (T = 0 C = 273 K) aus h, lg p Diagramm ε = h 2 h 3 / h 2 h 1 Gemessen: ε = Q h / P e 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 39

40 Temperaturhub Optimierung der Leistungszahl t c Kondensator t v 2 K Qualität der Wärmetauscher (Kältekreislauf) t R Temperaturdifferenz Wärmequelle / Wärmesenke z. B B0/W35 te t o Verdampfer ta 2 K 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 40

41 Leistungszahl ε 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 41

42 Sole-Wasser-Wärmepumpen 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 42

43 Kältekreislauf einer Kleinwärmepumpe 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 43

44 Scroll-Wärmepumpen-Verdichter Standzeiten von Scrollverdichtern ca Betriebsstunden 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 44

45 Funktion des Scrollverdichters 1 ansaugen 2 verdichten 3 verdichten 4 verdichten 5 verdichten 6 ausstoßen 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 45

46 Plattenverdampfer + Expansionsventil Plattenverdampfer in gelöteter Ausführung 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 46

47 Plattenwärmetauscher Verdampfer / Kondensator Geprägte Einzelplatten von geschraubten Wärmetauschern U-Werte > W/m²K Plattenwärmetauscher 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 47

48 Plattenwärmetauscher für Wärmepumpen Optimierung von Plattenverdampfern durch Kältemittelverteiler 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 48

49 Platten-Wärmetauscher Gegenstromprinzip 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 49

50 Rohrbündel-Wärmetauscher Kreuzstromprinzip 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 50

51 Kältekreislaufkomponenten Thermostatische Expansionsventil Expansionsventil ohne Druckausgleich 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 51

52 Kältekreislaufkomponenten Druckausgleich Thermostatisches Expansionsventil 07. Mai 2010 Hans-Joachim Lohr 52

53 Kältekreislaufkomponenten Kältemitteltrockner Trockenmaterial (Silikagel) 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 53

54 Kältekreislaufkomonenten Indikator zur Bestimmung der Feuchtigkeit Schauglas mit Indikator 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 54

55 Wärmepumpe und Solaranlage 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 55

56 Synergie Wärmepumpe-Solar 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 56

57 Kombination WP-Solar (Heizen Kühlen) 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 57

58 System Heizen-Kühlen 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 58

59 System Heizen-Kühlen Sole-Wasser-Wärmepumpe Warmwasserspeicher Pufferspeicher Wärmepumpe 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 59

60 Temperaturmessung im Erdreich Anordnung der PT-1000 Messfühler Fühler 1-30,0 m Fühler 2-50,0 m Fühler 3-70,0 m Fühler 4-90,0 m 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 60

61 Temperaturfühler PT März 2009 Hans-Joachim Lohr 61

62 Wärmeeintrag Freie Kühlung 2 x 90 m Sonden Wärmeeintrag 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 62

63 Wärmeentzug Heizbetrieb 2 x 90 m Sonden Fühler 4 (-90 m) Fühler 3 (-70 m) Fühler 2 (-50 m) 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 63

64 Luft-Wasser-Wärmepumpe für Innenaufstellung 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 64

65 Arbeitszahlen vom Luft-Wasser-WP 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 65

66 Aufstellungsplan einer Luft-Wasser-WP 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 66

67 Luft-Wasser-Wärmepumpe 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 67

68 Heißgas-Bypass-Abtauung 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 68

69 Wärmepumpensysteme im Vergleich HD AUSTREIBER HD KONDENSATOR KONDENSATOR DROSSEL DROSSEL PUMPE DROSSEL ABSORBER VERDAMPFER VERDAMPFER ND ND KOMPRESSION ABSORPTION 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 69

70 Gas-Absorptions-Wärmepumpe 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 70

71 Gasabsorptionswärmepumpe 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 71

72 Zeolith-Gas-Wärmepumpe System Vaillant Gasbetrieb Solarbetrieb 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 72

73 Vergleich von Verdichterbauarten 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 73

74 Druck-Hubvolumen-Vergleich Einsatzgebiete von Verdichtern unterschiedlicher Konstruktion 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 74

75 Baugrößen von Wärmepumpenanlagen Die Heizleistung ist etwa Das 3 bis 4-fache der Antriebsleistung 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 75

76 Kolben- und Schraubenverdichter Kolbenverdichter Schraubenverdichter 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 76

77 Radial-Turboverdichter 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 77

78 Axial-Turboverdichter (ölfrei) Heizleistung ca kw 2 Verdichter á 500 kw Hersteller: opk 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 78

79 Schraubenverdichter-Wärmepumpe Hersteller: opk Heizleistung 500 kw 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 79

80 Vergleich GWP zu EWP Gasmotorantrieb gegenüber Elektromotorantrieb 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 80

81 Gas-Motor-Wärmepumpe 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 81

82 Gas-Motor-Wärmepumpe Heizleistungen > 500 kw 6-Zylinder-Gasmotor Schraubenverdichter 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 82

83 Gasmotor-Wärmepumpe 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 83

84 Copyright by LOHRconsult GmbH, Nachdruck und Weitergabe an Dritte, auch auszugsweise, nur nach schriftlicher Zustimmung Input 145 kw 80 kw 30 kpa KÜHLWASSER WÄRMETAUSCHER 550 C Rapsölmotor-Wärmepumpe C 52 m³/h 40 kpa C Qhges = 530 kw bei V 52/47 und K 60/78,5 58,5...78,5 C 20 kw VERDAMPFER* 300 kw (to= +44 C) Abgaswärmetauscher 15 kpa Abgas 120 C m³/h Abgasgendruck max 5 kpa Intern-WT Schraube R 227 VERDICHTER Pm = 62 kw min-1 Getriebe RAPSÖL-MOTOR Pm = 66 kw be = 220 g/kwh 1500 min-1 90 C 57,8...77,8 C Rapsöl 10,6 kwh/kg 85 C KONDENSATOR* 330 kw (tc=78 C) 30 kpa 43,5...63,5 C C C ÖLKÜHLER 100 kw 35 kpa C 24,7 m³/h * tomax = + 47 C tcmax = + 80 C ENTWURF V.30 Rapsöl Wärmepumpen Modul Solare Nahwärmeversorgung Crailsheim 01. April März 2009 Hans-Joachim Lohr 84

85 Schnittstelle 80 C 75 C 27 C 31 C 16 C 19 C 70 C 50 C 40 C 30 C Schnittstelle 16 C 19 C Kraft-Wärme-Kältekopplung Kälte VERBRAUCHER Netz kwh Bezug kwh Rückspeisung BHKW Q H = 30 kw P E = 15 kw P5 Wärme VERBRAUCHER Schnittstelle Input 30 kw th Schaltschrank ABSORPTIONS- KÄLTEMASCHINE Q O = 20,1 kw P6 P1 17 C kwh Input Erdgas 50 kw 70 C* 50 C* P3 P7 40 C** 54,0 kw Wärmetauscher Kühlung 14 C HYDRAULIK-MODUL kalt 2-stufig WÄRMEPUMPEN-KÄLTEMASCHINE Winter 14/10 C Q H = 62,6 kw - Q O = 49,5 kw - P E = 13,1 kw Sommer 17/14 C Q H = 64,6 kw - Q O = 54,0 kw - P E = 10,6 kw P4 30 C** HYDRAULIK-MODUL warm 4-stufig *Sommer 80/75 C ** Rückkühlbetrieb 30/25 C P9 Schnittstelle P2 P8 Wasser-Glykol 25 Vol.% 107,3 kw Wärmetauscher Rückkühlung HEIZLEISTUNG ges. 92,6 kw Heizzahl 1,852 KÄLTELEISTUNG ges. 74,1 kw Kältezahl 1,482 2StoreSystemGas SYSTEM HEIZEN-KÜHLEN (vereinfachte Systemzeichnung) Design by Vellmar, 25. August 2009 Abwasserkanal mit Wärmetauscher Wärmeeintrag 107,3 kw - Wärmeentzug 49,6 kw FUNKTION heizen 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 85

86 Wärmepumpe mit Nutzung der Überhitzungswärme Wärmetauscher Freie Kühlung warm Enthitzer kalt Erdsonden AD Gefäss Wärmepumpe mit Enthitzer für WWB Warmwasser Speicher Hydraulik Modul AD Gefäss Nutzung der Überhitzungswärme zur vorrangigen Brauchwassererwärmung 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 86

87 Reversible Wärmepumpe Heizen-Kühlen 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 87

88 Prozeßumkehr Heizen-Kühlen 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 88

89 Systeme zum Heizen und Kühlen KALT VERBRAUCHER WARM VERBRAUCHER Rückkühler 20 C 55 C 17 C 45 C 14 C 35 C 8 C Wärmetauscher Rückkühlung HYDRAULIK MODUL kalt Wärmetauscher Aktive Kühlung WÄRMEPUMPEN 30 C HYDRAULIK MODUL warm Wärmetauscher Freie Kühlung ERDSONDEN 2storeSystem SYSTEM HEIZEN-KÜHLEN (vereinfachte Systemzeichnung) FUNKTION HEIZEN 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 89

90 Kältemittelvergleich 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 90

91 Kältemittelvergleich 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 91

92 ODP Ozone Depletion Potential Ozon Abbau Potential CO 2 / NH 3 / R290 Natürliche Kältemittel 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 92

93 Kältemittel 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 93

94 Bestimmung TEWI Gesamt Treibhausbelastung - CO 2 bezogener Vergleichswert- TEWI = (m KMK x GWP KMK ) + (α x E a x L a ) m E a α L a KMK = Masse [kg] = jährlicher Energiebedarf [kwh/a] = Umrechnungsfaktor [kg CO 2 / kwh] = erwartete Lebensdauer [a] = Kältemittel im Kreislauf 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 94

95 CO2-Emissionen der Klimakälteerzeugung 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 95

96 Heizleistungen im Vergleich Heizleistung in % 153 R22 R290 R407C R410A Basis der Gegenüberstellung ist ein konstantes Verdichterhubvolumen 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 96

97 Volumetrische Kälteleistung im Vergleich vol. Kälteleistung in % R22 R290 R407C R410A Volumetrische Kälteleitung in kj /m³ 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 97

98 LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE ISBN: (Auflage 2008) ISBN: (Auflage 1999) 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 98

99 LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE ISBN: (Auflage 2009) VBI-Leitfaden (1. Auflage Oktober 2008) 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 99

100 LITERATUR ZU DEN THEMEN WÄRMEPUMPEN + GEOTHEMIE ISBN: (9. Auflage) Handbuch Wärmepumpen 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 100

101 LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE ISBN: ISBN: (2. Auflage) 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 101

102 LITERATUR ZUM THEMA GEOTHERMIE ISBN: (2. Auflage) ISBN: (SIA D 0190) 28. März 2009 Hans-Joachim Lohr 102

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