Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Thema: Heizungstechnik a d a m Heizungstechnik 1

2 Außentemperatur-Häufigkeit in Essen in h/a Raumheizung in Abhängigkeit der Außentemperatur Heizlast = Heizleistung (in kw) bei T AL,Norm Norm-Auslegungstemperatur T AL,Norm, z.b. -10 C in Essen Basisdaten - Heizstunden pro Jahr von Essen Heizwärme (kwh/a) = Heizleistung (kw) x Häufigkeit (h/a) -9-7 Heizkurve Außentemperatur in C (angegebener Wert = unterer Wert der Klassenbreite) Benötigte Heizleistung in % 0 55 Heiznetz-Temperatur in C 20 Heizgrenze z.b. 16 C im Altbau Quelle: DIN 4710, Teil 1 a d a m Heizungstechnik 2

3 Möglichkeiten zur Bereitstellung von Wärme Wärmepumpe (Strom, Gas) Heizkessel (Öl, Gas) Heizkessel (Holz) Thermische Solaranlage Wärme Elektroheizung (Nachtspeicher, Direktheizung) Blockheizkraftwerk Stromerzeugende Heizung Brennstoffzelle Fern-/Nahwärme aus Kraftwerk, BHKW, Geothermischer Bohrung, etc. a d a m Heizungstechnik 3

4 Wärmeerzeuger-Absatz in Deutschland Quelle: www. solarwirtschaft.de, Energie&Management BHKW-Markt a d a m Solaranlagen, 2014: St., m² BHKW, 2011: ca St. Heizungstechnik 4

5 Wärmebereitstellungs-Kette in einer Heizungsanlage 5. Wärmeübergabe Heizung (Heizkörper) Wärmeverteilung Heizung (Rohrnetz) 4. Wärmeverteilung Warmwasser (Rohrnetz) 6. Wärmeübergabe Warmwasser (Zapfhahn) Regelungstechnik T 0. Bereitstellung Endenergieträger 1. Wärmeerzeugung (Heizgerät) M 2. Wärmespeicherung (Wasserspeicher) a d a m Heizungstechnik 5

6 Energieverluste in Heizungsanlagen - Übersicht Abgasverluste durch unvollständige Abkühlung des Abgases nicht bis auf 20 C wie bei Definition Heizwert (jährliche Messung durch Schornsteinfeger) Speicher- und Verteilverluste durch Wärmeverluste an warmen Speicherbehältern und Rohren Energiezufuhr Brennstoffe wie Gas, Öl, Holz, etc. 100% = Heizwert H u (per Konvention nicht Brennwert H o ) Heizgerät 10 % 1) 5 8 % 2) -5-9 % 3) Elektrische Hilfsenergie für Umwälzpumpen, Luft/Abgas- Ventilator, Regelung % 1) 1-5 % 2) 1 % 3) Abstrahlungs- und Bereitschaftsverluste an warmer äußerer Oberfläche und bei ausgeschaltetem Brenner durch Luftströmung vom Aufstellraum durch das Gerät in den Schornstein 2-20 % Heizkörper Übergabeverluste durch unnötige Übererwärmung der Räume ca. 10 % bei Heizkörpern ca. 25 % bei Fußbodenheizung typische Verlustwerte (Jahresmittelwerte) für 1) Alte Standard-Geräte 2) Niedertemperaturgeräte 3) Brennwertgeräte a d a m Heizungstechnik 6

7 Standard-Heizgeräte Abgastemperaturen bis über 200 C bei Ölkesseln wegen Versottungsgefahr alter Schornsteine bei zu niedrigen Abgastemperaturen Kesseltemperatur - konstant ca. 80 C - zur Vermeidung von Korrosion durch Abgaskondensation gleitende Heiznetz-Temperaturen - Realisierung durch Heizkreis- Mischer zur Beimischung von kühlem Rücklaufwasser zum konstant heißen Kesselwasser - hohe Geräteverluste unabhängig von der Heiznetztemperatur Brennerleistung nicht variabel (An/Aus-Regelung) Vorlauf Rücklauf Umwälz- Pumpe Heiznetz T Heizkreis- Mischer M 80 C bodenstehender Standard-Kessel mit Heizkreis-Mischer in der Regel stark überdimensioniert und schlecht wärmegedämmt Bildquelle: a d a m Heizungstechnik 7

8 Niedertemperatur-Heizgeräte stärkere Abkühlung der Abgase, jedoch nicht unter den Wasserdampf-Taupunkt Kesseltemperatur - gleitend von 20 C (30 C) 75 C (90 C) - alle Verluste am Gerät sinken mit sinkender mittlerer Heiznetz-Temperatur Wandheizgerät Umlaufwasserheizer, Gas-Etagenheizung, Therme kompakte Lamellenoder Rohrschlangen- Wärmeübertrager Brennerleistung teils modulierend (z.b %) oder zweistufig (z.b. 50 und 100%) Verringerung der Bereitschaftsverluste durch verringerte Brenner-Stillstandszeiten Verringerung der Abgasverluste bei λ = konstant (Regelung der Luftzufuhr) verringerter Abgasmassenstrom kann sich stärker abkühlen) als Wandheizgeräte und bodenstehende Kessel etwa seit 1985 am Markt Bildquellen: Vaillant, Bosch Thermotechnik bodenstehender Kessel großvolumige Wärmeübertrager aus Guß oder Stahl a d a m Heizungstechnik 8

9 Brennwert- Heizgeräte Abgas wird soweit abgekühlt, dass Wasser aus dem Abgas auskondensiert (größer dimensionierter Abgas-Wärmeübertrager) - Kondensationsbeginn für λ = 1,0 Erdgas: 47 C, Heizöl: 57 C ( bei λ > 1,0) - Verhältnis von Brennwert H o zu Heizwert H u Erdgas: 111 %, Heizöl: 106 % Abgas Luft kondensatbeständiges Abgasrohr Luftansaugung aus Aufstellraum oder über Luft/Abgas-Rohr-in-Rohr Ventilator (Luft-/Abgas-Förderung) Kesseltemperatur - gleitend von 20 C 75 C - alle Verluste am Gerät sinken mit sinkender Heiznetz-Rücklauftemperatur (Gegenstrom) Brennerleistung modulierend (z.b %) mit λ = konst. Bereitschafts- und Abgasverlust sinken direkte Kondensateinleitung ins häusliche Abwasser (außer bei Heizöl mit hohem Schwefelgehalt vorherige Neutralisation) als Wandheizgeräte und bodenstehende Kessel etwa seit 1995 am Markt Erdgas Abgas Kondensat Prinzipskizze Gas-Luft-Mischung Flächen-Brenner Heiznetz-Vorlauf Kondensat-beständiger Abgas-Wärmeübertrager Heiznetz-Rücklauf Unterdruckkammer (luftumspülter Gas/Abgas- Weg) Bildquelle: ASUE a d a m Heizungstechnik 9

10 Heizgeräte-Effizienz im Verlauf einer Heizperiode steigende Außenlufttemperatur abzugebende Heizleistung sinkt benötigte Heiznetz-Temperatur sinkt Betriebs-Schwerpunkt beim Heizen 1 4 C Außenlufttemperatur bzw % der Nennleistung Fazit: Wirkungsgrad bei Teillastbetrieb wichtiger als bei Nennbetrieb positiv wirken im Teillastbetrieb gleitende Kesseltemperatur modulierende Brennerleistung, möglichst mit λ = konstant Luft-/Abgasförderung durch Ventilator statt Schornstein ( kein Kaminzug bzw. Durchströmung bei Brennerstillstand) Bildquelle: Energie.Agentur NRW Wirkungsgrad η in % mittlere Leistung in % Niedertemperaturkessel Nenn- Betriebspunkt Teillast-Betriebspunkte des Heizgerätes 108 % 104 % 90 % 75 % Außenlufttemperatur in C Brennwertkessel (40/30 C bei -15 C) Brennwertkessel (70/50 C bei -15 C) Standardkessel a d a m Heizungstechnik 10

11 Heizgeräte-Effizienz - Kennzahlen η = Nutzen = Aufwand Heizwärme - Output Endenergie -Input 30%-Teillast-Wirkungsgrad Wirkungsgrad bei einem für die Heizperiode charakteristischen Teillastbetriebspunkt von 30% (EU-Norm; Labormesswert) Normnutzungsgrad (siehe Bild, Labormesswert) Jahres-Nutzungsgrad Mittlerer Wirkungsgrad für ein Jahr Nennwirkungsgrad Wirkungsgrad bei stationärem Betrieb mit Nennleistung (Laborm.) Bereitschaftsverlust q B q B = Wärmeverlust / Nennleistung wenn das Heizgerät sich selbst nur warm hält, d.h. ohne Abgabe von Nutzwärme (Labormesswert) Relative Heizkessel-Auslastung in % Norm-Nutzungsgrad (DIN 4702 T8) Mittelung der η-messergebnisse an 5 charakteristischen Teillastbetriebspunkten 24,5 d Herleitung der 5 Betriebspunkte für Norm-Nutzungsgrad-Messungen 63% 32,2 d 48% 39,5 d 39% 50,5 d gleiche Energiemengen pro Betriebspunkt (63% x 24,5d = ) 30% 119,7 d 13% Heiztage Bildquelle: Außentemperatur in C a d a m Heizungstechnik

12 Heizgeräte-Nutzungsgrade bei Überdimensionierung am Beispiel von Niedertemperatur-Geräten mit 5 % Abgasverlust Bereitschaftsverlust 1 % 1 % 3 % 3 % = typisch für Ventilator-Geräte Kamin-Geräte q B (80 C) = Q& Verlust(80 C) Q& Nenn Heiznetz-Auslegung 40 C 75 C 40 C 75 C typisch für FBH HK FBH HK FBH: Fußbodenheizung HK: Heizkörper Jahres-Nutzungsgrad [%] Nennleistung Heizgerät = Gebäude-Heizlast 2. Gebäude-Heizlast 3. Gebäude-Heizlast 10. Gebäude-Heizlast Quelle: Plate, Adam, Borgmann Warmwasserbereiter und minimaler Heizwärmebedarf, Wärmetechnik, 11/ /1996 a d a m Heizungstechnik 12

13 Warmwasserbereitung mit Trinkwasserspeichern Indirekt beheizte Speicher - beheizt über innen liegenden Rohrschlangen-Wärmeübertrager - Durchmischung bei Speicherladung Heizgerät 80 C 10 C 35 C 60 C Warmwasser Kaltwasser Schichtenspeicher - beheizt über externen Platten- Wärmeübertrager - unmittelbar nach Ladebeginn steht heißes Wasser zur Verfügung gleicher Komfort mit kleineren Speichern - gleichbleibend kühles Rücklaufwasser zum Heizgerät größerer Wirkungsgrad - ebenfalls einzeln oder als Geräte-Unit mit Heizgerät erhältlich stehender Speicher Geräteunit aus Heizgerät und liegendem Speicher Heizgerät 80 C Platten- Wärmeübertrager 10 C 60 C 10 C 60 C Warmw. Kaltw. indirekt beheizte Wasserspeicher Bildquelle: a d a m Heizungstechnik 13

14 Wärmeverluste an Warmwasserspeichern U-Werte ~ 0,4 W/m²K (Speicheroberfläche) in realen Einbausituationen teils deutliche Erhöhung der Wärmeverluste durch Einrohrzirkulation (+ ca. 10 % pro Rohranschluss) Umlaufzirkulation (kann drastisch sein) Speicher wählen so klein wie vom Komfort her sinnvoll mit guter Dämmung (auch am Boden) mit wenigen Anschlüssen und reduzierter Einrohr/Umlauf-Zirkulation Quelle: Produktunterlagen Fa. Vaillant, Viessmann (2014) a d a m Heizungstechnik 14

15 Warmwasser-Speichersysteme: Sommer-Nutzungsgrad schlechte Anlage gute Anlage Warmwasserverbrauch (70l/d, 60 C) 100 l/d, 45 C 100 l/d, 45 C Nutzenergie (T-Kaltwasser = 10 C) 4,0 kwh/d 4,0 kwh/d Wärmeverluste am Speicherbehälter 2,0 kwh/d 1,0 kwh/d (200 l, indirekt beheizt, (100 l, nur mäßig gedämmt) Schichtenspeicher) Wärmeverluste an der Zirkulationsleitung 4,0 kwh/d 0,5 kwh/d (0,2 W/mK, 40 K, 12h/d) (40 m) (5 m) Thermische Masse Heizgerät 200 kj/k (Ölkessel) 20 kj/k (Gaswandheizg.) Aufheizvorgang ( ϑ = 75 C - 20 C) 3,0 kwh 0,3 kwh Anzahl Aufheizungen 2/d 2/d Wärmeverluste durch Aufheizung Heizgerät 6,0 kwh/d 0,6 kwh/d Wärmebedarf für Warmwasser, gesamt 16,0 kwh/d 6,1 kwh/d Nutzungsgrad Heizgerät 85 % (NT-Kessel) 100 % (Brennwert-Gerät) Energiebedarf für Warmwasser gesamt 18,8 kwh/d 6,1 kwh/d Nutzungsgrad Warmwasserbereitung 21 % 66 % a d a m Heizungstechnik 15

16 Speicher- und Durchlaufsysteme im Energie-Vergleich Elektro-Durchlauferhitzer - Verluste* ) = 0 kwh/d - η Durchlauferhitzer = 97% Verluste* ) = 6 kwh/d (befriedigend) 10 kwh/d - η Kraftwerk = 38% Gas-Wandheizgerät + Warmwasserspeicher Primärenergiebedarf 6 kwh/d 2 kwh/d Fazit mit η Heizgerät = 100 % Verluste* ) = 1,5 kwh/d (sehr gut) Speichersysteme primärenergetisch vorteilhaft bei geringen Verlusten und normal großem Warmwasserverbrauch ansonsten: Elektro-Durchlauferhitzer 0 l/d Warmwasserverbrauch, 45 C 100 l/d * ) : Wärmeverluste am Speicher, am Heizgerät, auf dem Weg zur Zapfstelle a d a m Heizungstechnik 16

17 Stromeinsparung bei Wärmeverteilung Hocheffiziente Umwälzpumpen Erheblicher Technologiesprung in 2001 Wirkungsgradsteigerungen bei kleinen Pumpen (bis 100 W): 5 25 % bei größeren Pumpen (bis 500 W): % ECM-Antriebsmotoren mit hohem Wirkungsgrad (electronic-comutated-motor) optimierte Laufrad-/Gehäuse-Geometrie automatische Drehzahlregelung weitere Einsparung durch Anpassung an realen Bedarf Wilo Stratos PICO Grundfos MAGNA 3 Hydraulischer Abgleich des Rohrnetzes Problem: vom Heizgerät weit entfernte Heizkörper mit langer Rohranbindung bekommen zu wenig Wasser, kurze Rohrkreise zu viel schlechte Lösung: Pumpendrehzahl erhöhen gute Lösung: zusätzlicher Druckverlust in kurzen Kreisen Quellen: Wilo, Grundfos a d a m Heizungstechnik 17

18 Auslegung und Wirkungsgrad von Umwälzpumpen hydraulischer Wirkungsgrad am größten etwa in Kennfeldmitte Anlagenkennlinie konstant Pumpenauslegung im Optimum Anlagenkennlinie variabel Auslegungsbetriebspunkt etwas rechts vom Optimum Überdimensionierung Stromverbrauch steigt, Drosselung durch Thermostatventile nächst kleinere Pumpe einer Reihe wählen, da durch 10% geringeren Volumenstrom nur 2% geringere Wärmeabgabe am Heizkörper p p Auslegung Druckdifferenz p H = 6 m ACM-FU Volumenstrom Pumpenkennlinie ACM-PWM V & Auslegung 60% ECM-FU 30% 0% Auslegungs-Betriebspunkt Gesamt-Wirkungsgrad η gesamt Bildquelle unten: Neuhaus-Melsheimer/Wilo Anlagenkennlinie Hydraul. Pumpen-Wirkungsgrad V& p ηhydraul = P V & ηgesamt mech ηhydraul ηmotor, elektrisch a d a m Heizungstechnik 18 = Drehzahlregelung der Pumpe durch FU: Frequenzumrichtung PWM: Pulsweitenmodulation

19 Automatische Drehzahlregelung von Umwälzpumpen Anlagenkennlinie bei schließenden Thermostatventilen Druckdifferenz p Ausleg. p-c-drehzahlregelung Anlagenkennlinie ( p = Druckverlust in der Anlage) Auslegungs-Betriebspunkt Pumpenkennlinie ( p = Förderhöhe der Pumpe) p Ausleg. 2 V & Auslegung Volumenstrom analog: automatische Drehzahlreduzierung bei reduzierten Heizmitteltemperaturen z.b. nachts Vermeidung unveränderten Weiterheizens bei zu hoch eingestellter Tag-Heizkurve (reduzierte Heizmitteltemperatur wird durch sich öffnende Thermostatventile und dadurch steigenden Durchfluss ausgeglichen) Halbierung des Jahres-Stromverbrauchs (laut Neuhaus-Melsheimer / Fa. Wilo) a d a m Heizungstechnik 19

20 Übung - Energieeinsparung durch neues Heizgerät Analysieren Sie den Austausch eines alten Gas-Kessels in einem Altbau unter folgenden Randbedingungen: mittlerer Gasverbrauch der letzten Jahre = 4000 m³ pro Jahr (Heizwert = 10 kwh/m³) geschätzter Jahresnutzungsgrad des vorhandenen alten Standardkessels = 70 % zu erwartender Jahresnutzungsgrad eines neuen Niedertemperaturgerätes = 90 % zu erwartender Jahresnutzungsgrad eines neuen Brennwertgerätes = 102 % Gaspreis = 7 ct pro kwh Ho (Brennwert) Strompreis = 25 ct pro kwh 1. Wie groß ist der jährliche Wärmebedarf des Gebäudes (inklusive Wärmeverteil- und Wärmeübergabeverlusten)? 2. Wie viel Energie spart man pro Jahr durch den Austausch des alten Standardkessels durch ein Niedertemperatur- bzw. ein Brennwertgerät? 3. Welcher Einsparung an Energiekosten entspricht dies pro Jahr? 4. Wie teuer dürfen die beiden Geräte jeweils sein, wenn sie sich im Laufe ihrer erwarteten Lebensdauer von 20 Jahren amortisieren sollen (ohne Berücksichtigung von Zinseffekten)? 5. In welcher Zeit amortisiert sich der Austausch der alten Umwälzpumpe mit 50 W Leistung, wenn die neue drehzahlgeregelte Pumpe eine mittlere Leistung im Verlauf der Heizperiode von 7 W besitzt und ihr Einbau 250 Euro kostet (Länge der Heizperiode = 260 Tage)? Lösungen: kwh/a kwh/a, kwh/a 691 /a, 975 /a , ,7 a a d a m Heizungstechnik 20