Dynamische exergetische Bewertungsverfahren

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1 Dynamische exergetische Bewertungsverfahren Dr.-Ing. Joachim Seifert Professur für Heiz- und Raumlufttechnik, TU Dresden Dipl.-Ing. Alexander Hoh EBC Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik

2 Zielgrößen Bewertungskriterien Einhaltung definierter wärmephysiologischer Zustände in den beheizten Räumen Wärmephysiologische Bewertung PMV, PPD, ϑ op, ϑ L, Δϑ S,DR Effiziente Nutzung der Energieressourcen Energetische Bewertung Endenergieaufwand, Heizzahl (ξ), Kennzahlen (β i,β a,β sys ) Alternative Bewertung exergetischer Nutzungsgrad (ζ) primärenergetische Betrachtung Folie 2

3 Energetische Bewertung detaillierte Bewertung für jedes Glied der Prozesskette. Q. V Q T Raum. Q h Q h,ce.. Q S + Q I.... Q h,d Q h,s Q h,g. Q Z. Q h,f. Q p Primärenergiefaktor f P Heizzahl: ξ = m& Q& dt B h H U dt Wärme - übergabe Wärme - verteilung Wärme - speicherung Wärme - erzeugung Heizenergiebedarf Primärenergiebedarf Integrale Größen (z.b. Heizzahl) ξ = η ξ h, g ηh, s ηh, d = βwp ηh, s ηh, d ηv, el η KW (kon. Wärmeerzeuger) (Wärmepumpe) Folie 3

4 Energie- und Exergieflüsse durch ein Gebäude Energieverbrauch im Gebäude Exergieverbrauch in Gebäude Ausschließlich Beschränkung des Energieflusses! Heute: Primärenergiebewertung auf Basis fester Kennzahlen Beschränkung des Gesamtaufwands: Produktions-, Transport- und Umwandlungsprozesses Folie 4

5 Exergiebedarf eines Gebäudes (Transmission) Betrag des Exergieanteils am Energiestrom 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 E& Raum Umgebung Umgebung: 1 Q& = -10 C Raum TRaum Exergieanteil des Energiestroms: 10 % Raumtemperatur: 20 C Umgebungstemperatur, C T Die Größe des Exergieflusses hängt von der Umgebungstemperatur ab Die Größe des Exergieflusses steigt mit der Höhe der Temperaturdifferenz Selbst unter extremen Umgebungsbedingungen beträgt der Exergieanteil des Energiestroms weniger als 15 % Folie 5

6 Stationäre Betrachtung der Heizaufgabe Für die Dauer der Heizperiode gilt: η C E = Q Bedarf Bedarf = T Raum,mittel T T Raum,mittel Umgebung,mittel Dieser mittlere Carnot-Faktor der Heizaufgabe hängt nur von den den klimatischen Bedingungen und vom gewünschten Heizkomfort (Raumtemperatur, Heizgrenztemperatur) ab Folie 6

7 Kopplung exergetischer Nutzungsgrad und Heizzahl Exergetischer Nutzungsgrad Heizzahl ς = ' Eh m e B B ξ = ' Qh m H B u ς = ξ η c H e B u Direkte Umrechnung energetischer Kriterien in einen exergetischen Gesamtbewertungsmaßstab Folie 7

8 Exergiebedarfsberechnung Statisches Verfahren: E = η C Q Bedarf Dynamisches Verfahren: E = TRaum TUmgebung Q& TRaum dt Folie 8

9 Stationäre Betrachtung der Heizaufgabe Abschätzung des Exergiebedarfs unter Berücksichtigung klimatischer Randbedingungen E = η C Q Eindeutiger Zusammenhang zwischen Carnot-Faktor und Heizleistung entscheidend für die Genauigkeit des Verfahrens Varianz interner und solarer Lasten sowie der Raumlufttemperatur führt zu Abweichungen gegenüber integralem Verfahren Folie 9

10 Carnot-Faktor vs. Heizleistung Ideales Heizsystem, keine inneren Lasten, konst. Raumlufttemperatur und Luftwechsel Abweichung Exergiebedarf: -16,0 % (Nord) -16,2 % (Süd) Folie 10

11 Carnot-Faktor vs. Heizleistung Ideales Heizsystem, Typ. Büroprofil der inneren Lasten, Raumlufttemperatur und Luftwechsel Abweichung Exergiebedarf: -13,1 % (Nord) -13,1 % (Süd) Folie 11

12 Exergiebilanz für die dynamische Berechnung E & V,Erzeugung Transmission Q & Transmission E & V,Übergabe E & Bedarf Transmission m& Lüftung E & Bedarf E & Bedarf LowEx Annex 37 Lüftung E & V,Verteilung E & Brennstoff Transmission Folie 12

13 Beispiel Heizfall statistisches Einfamilienhaus (A N =160m²) Gebäude: Heizsystem: freie Heizflächen BW-Gerät EnEV04 (5,8 kw) Anlagentemperaturniveau Innere Randbedingungen: Äußere Randbedingungen: J V /J R /J i = 70/55/20 C J V /J R /J i = 55/45/20 C zeitabhängige Gewinne zeitabhängiger Luftwechsel Wetter TRY-04 (Potsdam) Schematische Darstellung des statistischen Einfamilienhauses Folie 13

14 Raumseitige Wärme- und Exergieströme Wärme- / Exergiestrom [W] Wärmestrom Exergiestrom (ϑ F - ϑ a ) Exergiestrom (ϑ i - ϑ a ) Wärme- / Exergiestrom [W] Wärmestrom Exergiestrom (ϑ F - ϑ a ) Exergiestrom (ϑ i - ϑ a ) Zeit [h] Zeit [h] Wärme- und Exergieströme in einem repräsentativen Einfamilienhaus (linke Seite: Wohnraum / rechte Seite: Bad ) Folie 14

15 Betrachtung der Wärmeerzeugung Exergiestrom des zugeführten Brennstoffes sowie des Heizmediums [W] Brennstoff- Exergiestrom Heizmedium- Exergiestrom 0 22,0 22,5 23,0 23,5 24,0 Zeit [h] Exergiestrom des zugeführten Brennstoffes sowie des Heizmediums für ein repräsentatives Einfamilienhaus (BW-Gerät / 30% Modulationsgrenze ) Folie 15

16 Exergiebilanz für die dynamische Berechnung Folie 16

17 Exergetische Kennzahlen E & = E& + E& + E& + Bedarf V,Verteilung V,Übergabe E& V,Erzeugung Gebäude Wärmetransfer Erzeugung E & Bedarf E& V,Verteilung + E& E& Bedarf V,Übergabe E& V,Erzeugung E& Bedarf κ T κ E exergetische Aufwandszahlen Folie 17

18 Neuformulierung der Exergiebilanz E & = E & Bedarf 1 ( + κ + κ ) T E Gebäude Wärmetransfer Erzeugung E & Bedarf ( 1 + κ + κ ) T E - Kennzahl für das Gebäude - Kennzahl für das Versorgungssystem Folie 18

19 Beispiel für eine dynamische Exergieanalyse Randbedingungen: Raum 16 m² (Südaußenwand, Fenster 3 m², Innenwände adiabat) Monate Januar-März, Testreferenzjahr Potsdam Wärmeversorgung mit Standard-Heizkörper Typ 22 Einfaches Heizsystem: Pumpe und Wärmeerzeuger (Gas-Brennwert-Kessel) Regelung der Vorlauftemperatur und der Pumpenleistung Einsatz eines Thermostatventils am Heizkörper Exergiebedarf des Raumes folgt aus idealer Betrachtung: Berechnung der Exergieströme durch die Außenwand (Transmission und Lüftung) bei konstanter Raumlufttemperatur von 21 C Folie 19

20 Beispiel für eine dynamische Exergieanalyse Exergiebedarf des Raumes 94,8 kwh / 90 Tage entsprechen durchschnittlich 44 W oder 2,75 W/m² Exergetische Aufwandszahl der Wärmeerzeugung κ E 1011,5 kwh = 94,8 kwh Erzeugung E = = EBedarf 10,67 Exergetische Aufwandszahl der für den Wärmetransfer κ E = + E 19,2 kwh + 106,6 kwh = 94,8 kwh Verteilung Übergabe E = EBedarf 1,33 Folie 20

21 Exergetische Bewertung des Kühlfalls Stärkerer Einfluss innerer und solarer Wärmelasten Carnot-Faktor und Kühllast weniger voneinander abhängig Solare Lasten Transmission Innere Lasten Lüftung Folie 21

22 Carnot-Faktor vs. Kühlleistung (Sommerperiode) Ideales Kühlsystem, Typ. Büroprofil der inneren Lasten, Raumlufttemperatur und Luftwechsel Folie 22

23 Carnot-Faktor vs. Kühlleistung (Jahresperiode) Ideales Kühlsystem, Typ. Büroprofil der inneren Lasten, Raumlufttemperatur und Luftwechsel Folie 23

24 Negativer Exergiebedarf im Kühlfall Negativer Exergiebedarf wenn : TRaum > T und Q& Umgebung Bedarf < 0 kw Solare Lasten Transmission Innere Lasten Lüftung Folie 24

25 Carnot-Faktor vs. Kühlleistung Ideales Kühlsystem, Typ. Büroprofil der inneren Lasten, Raumlufttemperatur und Luftwechsel Abweichung Exergiebedarf: 1481 % (Nord) 595 % (Süd) Folie 25

26 Zusammenfassung Exergieanalyse erlaubt thermodynamisch objektive Bewertung von Gebäude und Versorgungsstruktur Dynamische Verfahren erlauben eine detaillierte Auswertung der Einzelverluste unter wechselnden Randbedingungen Insbesondere die Erzeugungs- und Übergabeverluste unterscheiden sich von den analogen Werten einer energetischen Analyse Einheitliches Berechnungs- und Bewertungsverfahren für den Heiz-, Kühl- und Klimatisierungsfall ist zu entwickeln Folie 26

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