Willkommen. Welcome. Bienvenue. Raumlufttechnik Mehrfachfunktionen Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien

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1 Willkommen Bienvenue Welcome Raumlufttechnik ehrfachfunktionen Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup Dipl.-Ing. Christian Backes

2 Wärmerückgewinnungssysteme Wärmerückgewinnung Wärmerückgewinnung (WRG) ist ein Sammelbegriff für Verfahren zur Wiedernutzbarmachung von thermischer Energie in einem Prozess mit mindestens zwei assenströmen die unterschiedliche Temperaturniveaus besitzen. Ziel der Wärmerückgewinnung ist die inimierung des Primärenergiebedarfs. WRG ist die Wärmeübertragung von Fort- und Außenluftströmen in lüftungstechnischen Prozessen. Dabei wird die zurück gewonnene Wärme entweder dem Ursprungsprozess oder einem anderen Prozess zugeführt. Wärme kann dabei in den WRG Prozess ein- oder ausgekoppelt werden. Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup S 2

3 ehrfachfunktionale Systeme ehrfachfunktionale Wärmerückgewinnung auf Basis von Kreislaufverbundsysteme (KVS) Einfache Kreislaufverbundsysteme (KV-Systeme) werden üblicherweise als Wärmerückgewinnungs-Systeme (WRG) mit niedrigen Rückwärmzahlen bis ca. 50 % eingesetzt. Jedoch bei der Beachtung der konstruktiven Kriterien, wie der Geometrie, der Strömungsführung und des Wärmestromkapazitätenverhältnisses können KV-Systeme mit höheren Rückwärmzahlen (z. B. 80%) als mehrfachfunktionale Systeme eingesetzt werden. Neben der primären Funktion der WRG lassen sich dann auch zusätzliche thermodynamische Funktionen, wie beispielsweise Nacherwärmung und Kühlung innerhalb des WRG-Systems, realisieren. Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 3

4 Kreislaufverbundsysteme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 4

5 Kreislaufverbundsysteme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 5

6 Berippte Wärmeübertrager

7 Berippte Wärmeübertrager

8 Entwicklung Wärmeübertrager

9 Entwicklung Wärmeübertrager

10 Entwicklung Wärmeübertrager Hexaedergitters der strukturierter Lamelle

11 Entwicklung Wärmeübertrager

12 Entwicklung Wärmeübertrager

13 Entwicklungsergebnisse essung essung HTL Luzern 1998 essung TÜV Süd 2012 konv. Lamelle* LA 2,5 mm strukturierte Lamelle* LA 2,7 mm w Φ ΔP NTU Φ ΔP NTU NTU Faktor ΔP m/s Pa konv. Pa Struktur Faktor 1,5 0, ,348 0, ,673 1,10 0,75 2,5 0, ,571 0, ,167 1,23 0,76 3,5 0, ,333 0, ,759 1,18 0,77 * Systeme geometrisch baugleich (Rohrreihen, Rohrabstände, Lamellendicke, etc. identisch) essungen nach EN 308

14 Entwicklungsergebnisse essung essung HTL Luzern 1998 essung TÜV Süd 2012 konv. Lamelle* LA 2,5 mm strukturierte Lamelle* umgerechnet auf LA 2,5 mm w Φ ΔP NTU Φ ΔP NTU NTU Faktor ΔP m/s Pa konv. Pa Struktur Faktor 1,5 0, ,348 0, ,967 1,18 0,84 2,5 0, ,571 0, ,420 1,33 0,86 3,5 0, ,333 0, ,980 1,28 0,88 * Systeme geometrisch baugleich (Rohrreihen, Rohrabstände, Lamellendicke, etc. identisch) essungen nach EN 308

15 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager 2 2 NTU 2 Φ 22. W 2 Φ 21 U2 U2 U1 U1 NTU 1 Φ 12. W Φ 11 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 15

16 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Apparat 1. NTU 11 = (k A) 1 / W 1.. μ 11 = W 1 / W u Φ 11 = ( 1-1 ) / ( 1 - u1 ) Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 16

17 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Apparat 2. NTU 22 = (k A) 2 / W 2.. μ 22 = W 2 / W u Φ 22 = ( 2-2 ) / ( u2-2 ) Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 17

18 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Für das Gesamtsystem gilt: Φ 2ges = ( 2-2 ) / ( 1-2 ).. μ 2ges = W 2 / W 1 = 1 / μ 1ges Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 18

19 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Dimensionslose Temperaturänderung des Gesamtsystems 1 / Φ 2ges = 1 / Φ / Φ 11 μ 2ges μ 22 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 19

20 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Optimaler umlaufender Wärmekapazitätsstrom.. 1 / W sopt = (k A) 1 / [ (k A) 1 + (k A) 2 ] / W 1 +. (k A) 2 / [ (k A) 1 + (k A) 2 ] / W 2.. µ 22 = W 2 / W u.. µ 11 = W 1 / W u Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 20

21 Wärmekapazitätenströme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 21

22 Wärmekapazitätenströme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 22

23 Wärmekapazitätenströme Temperaturdiagramm bei ETA = ,0 Temperatur in C 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 Zuluft -10,0 15,0 W1/W2 = 1.0-7,5 17,5 Abluft -5,0 20,0 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 23

24 Wärmekapazitätenströme Temperaturdiagramm bei ETA = ,0 Temperatur in C 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 Zuluft -10,0 15,0 W1/W2 = 1.5-3,3 13,3 Abluft -5,0 20,0 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 24

25 Wärmekapazitätenströme Temperaturdiagramm bei ETA = ,0 Temperatur in C 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 Zuluft -10,0 8,0 W1/W2 = 1.5-1,0 11,0 Abluft 2,0 20,0 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 25

26 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Wenn optimaler Umlaufstrom erfüllt: 1 / (k A) eff = 1 / (k A) / (k A) 2 Bei gleichen Luftmengen gilt:.. μ 2ges = W 1 / W 2 = 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 26

27 Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager damit: μ 11 = μ 22 = 1 Gesamtübertragungsgrad 1 / Φ 2ges = 1 / Φ / Φ 11 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 27

28 Schaltungen im Wärmeübertrager DE Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 28

29 ehrfachfunktionalitäten Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 29

30 Winterbetrieb 20 Abluft 0 Fortluft 15 Zuluft -5 Außenluft 30

31 Übergangsbetrieb 20 Abluft 18 Fortluft + Vereisungsschutz 17 Zuluft 15 Außenluft 31

32 Vereisungsschutz 20 Abluft 0 Fortluft + Vereisungsschutz 5 Zuluft -15 Außenluft 32

33 Nacherwärmung 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft 33

34 NE & Vereisungsschutz 20 Abluft 0 Fortluft + Vereisungsschutz 20 Zuluft -15 Außenluft 34

35 Hybride Befeuchtung 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft 35

36 Freie Kälte 20 Abluft 9 Fortluft Zuluft 3 Außenluft 36

37 Brauchwasservorerwärmung 30 Abluft 0 Fortluft Zuluft 0 Außenluft 37

38 Übergangsbetrieb 22 Abluft 22 Fortluft 19 Zuluft 19 Außenluft 38

39 Sommerbetrieb 26 Abluft 31 Fortluft 27 Zuluft 32 Außenluft 39

40 Indirekte hybride Befeuchtung 26 Abluft 30 Fortluft 23 Zuluft 32 Außenluft 40

41 ehrstufige Befeuchtung 26 Abluft 26 Fortluft 21 Zuluft 32 Außenluft 41

42 ehrstufige Befeuchtung 26 Abluft 25 Fortluft 20 Zuluft 32 Außenluft 42

43 Kältemaschinenbetrieb 26 Abluft 31 Fortluft Nachkälte Indirekte Einspeisung 18 Zuluft 32 Außenluft 43

44 Wärmepumpenbetrieb Entzug Wärme Wärmequelle 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft 44

45 Wärmepumpenbetrieb COP = f(pel) COP 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 WRG solo WRG & WP Vollast WRG & WP Teillast WP solo 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Pel Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 45

46 Kältemaschinenbetrieb (hybrid) 26 Abluft 31 Fortluft Nachkälte Indirekte Einspeisung 18 Zuluft 32 Außenluft 46

47 Abluftauskopplung 26 Abluft 26 Fortluft Nachkälte Indirekte Einspeisung 14 Zuluft 20 Außenluft 47

48 Kältemaschinenbetrieb 26 Abluft 31 Fortluft 18 Zuluft 32 Außenluft 48

49 Entfeuchtungsschaltung 26 Abluft 31 Fortluft 17 Zuluft 10 g g 32 Außenluft 12 g 49

50 Entfeuchtungsschaltung Kühlleistung indirekte Verdunstung Kälterückgewinnung Entfeuchtung Resteinspeisung Kältemaschine Volumenstrom 35.7 kw 17.0 kw 35.5 kw m³/h 50

51 Entfeuchtungsschaltung 26 Abluft 27 Fortluft 17 Zuluft 11 g g 32 Außenluft 12 g 51

52 Alle Funktionen 26 Abluft 27 Fortluft 17 Zuluft 9 g 12 9 g 32 Außenluft 12 g 52

53 Wärmeübertrager Einfluss Vorlauf Δ 2 Φ 22 ZL Φ 21 AL Δ U2 Q Δ U2 RL Φ 12 FO Φ 11 Δ 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 53

54 Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Temperaturänderung im Umlaufstrom: Δ U2 = Δ 2 / Φ 22 Δ 2 gewünschte Lufterwärmung [K] Δ U2 benötigte Temp.änderung am Eintritt [K] Φ 22 luftseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 54

55 Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Temperaturänderung des Umlaufstroms: Δ U2 = Δ 2 (1 / Φ 21-1) Δ U2 Temperaturänderung am Austritt [K] Φ 21 medienseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 55

56 Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Einfluss auf die Fortlufttemperatur mit: Δ 1 = Δ U2 Φ 11 Δ 1 Temperaturänderung der Fortluft [K] Φ 11 luftseitiger Übertragungsgrad App. 1 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 56

57 Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Zusammengesetzte Änderungsgleichung Δ 1 = Δ 2 (1 / Φ 21-1) Φ 11 Temperaturübertragungsgrades ΔΦ 2ges mit Beeinflussung ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 ΔΦ Korr Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 57

58 Wärmeübertrager Änderung Vorlauf ΔΦ Korr =Δ 1 / ( 1-2 ) / μ 2ges ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 Δ 1 / ( 1-2 ) / μ 2ges Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 58

59 Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Einfluss nach Jüttemann Δ U2 = Δ U2 (1 -Φ 22 ) / Φ 22 / (2 Φ 22 ).. gilt mit μ 2ges = W 1 / W 2 = 1 und μ 11 = μ 22 = 1 und Φ 22 = Φ 11 = Φ 21 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 59

60 Wärmeübertrager Einfluss Rücklauf Δ 2 Φ 22 ZL Φ 21 AL Δ U2 Δ U2 Q RL Φ 12 FO Φ 11 Δ 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 60

61 Wärmeübertrager Änderung Rücklauf Temperaturänderung im Umlaufstrom: Δ U2 = Δ 1 (1 / Φ 12-1) Δ U2 benötigte Temp.änderung am Eintritt [K] Φ 12 medienseitiger Übertragungsgrad App. 1 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 61

62 Wärmeübertrager Änderung Rücklauf Einfluss auf die Zulufttemperatur Δ 2 = Δ U2 Φ 22 Δ 2 Temperaturänderung der Zuluft [K] Φ 22 luftseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 62

63 Wärmeübertrager Änderung Rücklauf Zusammengesetzte Änderungsgleichung Δ 2 = Δ 1 (1 / Φ 12-1) Φ 22 Temperaturübertragungsgrades ΔΦ 2ges mit Beeinflussung ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 ΔΦ Korr Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 63

64 Wärmeübertrager Änderung Rücklauf ΔΦ Korr =Δ 2 / ( 1-2 ) ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 Δ 2 / ( 1-2 ) Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 64

65 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Raumlufttechnik ehrfachfunktionen Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup Dipl.-Ing. Christian Backes

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