Heizen und Kühlen mit geringem Exergieeinsatz - neue Komponenten und Systeme der Versorgungstechnik - RWTH Aachen E.ON ERC Prof. Dr.-Ing.

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1 Heizen und Kühlen mit geringem xergieeinsatz - neue Komponenten und Systeme der Versorgungstechnik - RWTH Aachen.ON RC Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller

2 Stadtgebiete, Gebäude, Räume, Menschen

3 Auswirkung der Bewertungsmethoden nergie Dämmung und Abdichtung der Gebäudehülle. Primärenergie Verbesserung der Anlagentechnik, Verringerung der CO 2 missionen, insatz von Biomasse als nergieträger. xergie Thermodynamische Systembewertung, Optimierung der Wirkungskette eines nergiestroms.

4 xergiebedarf eines Gebäudes Transmissionsverluste Betrag des xergieanteils am nergiestrom 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 Raum Umgebung Umgebung: 1 Q = -10 C Raum T Raum xergieanteil des nergiestroms: 10 % T Raumtemperatur: 20 C Die Größe des xergieflusses hängt von der Umgebungstemperatur ab Die Größe des xergieflusses steigt mit der Höhe der Temperaturdifferenz Selbst unter extremen Umgebungsbedingungen beträgt der xergieanteil des nergiestroms weniger als 15 % Umgebungstemperatur, C

5 Stationäre Betrachtung der Heizaufgabe Für die Dauer der Heizperiode gilt: (nach Baehr: Thermodynamik) Dieser mittlere Carnot-Faktor der Heizaufgabe hängt nur von den klimatischen Ortsbedingungen und vom gewünschten Heizkomfort (Raumtemperatur, Heizgrenztemperatur) ab

6 Stationäre Betrachtung der Heizaufgabe Somit lässt sich der xergiebedarf einer Heizaufgabe unter Berücksichtigung klimatischer Randbedingungen abschätzen ine analoge Abschätzung kann für den xergiebedarf einer Kühlaufgabe durchgeführt werden Sommer C % r. F. Winter C % r. F. Tabelle: Bereiche gewünschter Raumluftzustände

7 Statische und dynamische xergiebedarfsberechnungen Berechnungsmöglichkeiten für die xergie einer Heiz- oder Kühlaufgabe: mit oder

8 Statische und dynamische Verfahren - Auswirkung des Berechnungsansatzes - Heizfall, TRY Berlin (Winterperiode), 1000 W Heizlast Methode mit gemitteltem Carnot-Faktor liefert einen um 7 % zu niedrigen xergiewert gegenüber der integralen Auswertung Kühlfall, TRY Berlin (Sommerperiode), 1000 W Kühllast Methode mit gemitteltem Carnot-Faktor liefert einen um 57 % zu niedrigen xergiewert gegenüber der integralen Auswertung Dynamische Verfahren erlauben eine detaillierte Auswertung der inzelverluste!

9 xergiebilanz für die dynamische Berechnung V,rzeugung Transmission Q Transmission V,Übergabe Bedarf Transmission m Lüftung Bedarf Bedarf Lowx Annex 37 Lüftung V,Verteilung Brennstoff Transmission

10 V,rzeugung V,Übergabe V,Verteilung Bedarf = V,Verteilung V,Übergabe Bedarf t Brennstoff Nutzen t Brennstoff V,rzeugung w w + = + = Bedarf Übergabe,Übergabe V = t c,verteilung V w Q + η = xergiebilanz für die dynamische Berechnung

11 xergetische Kennzahlen = Bedarf V,Verteilung V,Übergabe V,rzeugung Gebäude Wärmetransfer rzeugung Bedarf V,Verteilung + Bedarf V,Übergabe V,rzeugung Bedarf κ T κ exergetische Aufwandszahlen

12 Neuformulierung der xergiebilanz = Bedarf 1 ( + κ + κ ) T Gebäude Wärmetransfer rzeugung Bedarf ( 1 + κ + κ ) T - Kennzahl für das Gebäude - Kennzahl für das Versorgungssystem

13 Beispiel für eine dynamische xergieanalyse Randbedingungen: Raum 16 m² (Südaußenwand, Fenster 3 m², Innenwände adiabat) Monate Januar-März, Testreferenzjahr Potsdam Wärmeversorgung mit Standard-Heizkörper Typ 22 infaches Heizsystem: Pumpe und Wärmeerzeuger Regelung der Vorlauftemperatur und der Pumpenleistung insatz eines Thermostatventils am Heizkörper xergiebedarf des Raumes folgt aus idealer Betrachtung: Berechnung der xergieströme durch die Außenwand (Transmission und Lüftung) bei konstanter Raumlufttemperatur von 21 C

14 Temperaturverläufe: Raum/Umgebung

15 Vergleich der xergieströme: Bedarf und Übergabe

16 xergetische Kennwerte für den Gas-Brennwertkessel xergiebedarf des Raumes 94,8 kwh / 90 Tage entsprechen durchschnittlich 44 W oder 2,75 W/m² xergetische Aufwandszahl der Wärmeerzeugung κ 1011,5kWh 94,8kWh V,rzeugung = = = Bedarf 10,67 xergetische Aufwandszahl der für den Wärmetransfer κ + 19,2kWh + 106,6 kwh 94,8kWh V, Verteilung V,Übergabe T = = = Bedarf 1,33

17 xergoökonomie für Gebäude und Städte Die Verbesserungen dürfen nicht isoliert für eine Komponente bewertet werden Der exergetischen Transfer- und rzeugungsverlust können nicht als unabhängige Größen betrachtet werden Ziel ist die Minimierung des xergieeinsatzes bei gegebenen wirtschaftlichen Randbedingungen

18 Komponenten und Systeme Heiz- und Kühlflächen Latentwärmespeicher Gesamtsystem

19 Argumente für xergieanalysen Alle nergiequellen sind limitiert! nergieströme sollten effizient genutzt werden Fossile und regenerative nergiequellen sollten effizient verwertet werden Die Beschränkung von CO 2 -missionen nimmt keinen direkten influss auf die Verwertungskette eines nergiestroms Künstliche Gewichtungen, z. B. Primärenergiefaktoren, werden nicht allen technischen Lösungen gerecht Das xergiekonzept stellt eine thermodynamisch gesicherte Bewertungsmethode für die gesamte nergiekette dar! Das xergiekonzept führt zu geringen Temperaturdifferenzen: Der insatz regenerativer nergiequellen wird erleichtert!

20 Zusammenfassung Mit einer dynamischen xergieberechnung können Kennzahlen für die Heiz-, Kühl- und Klimatisierungsfall berechnet werden Insbesondere die rzeugungs- und Übergabeverluste unterscheiden sich von den analogen Werten einer energetischen Analyse Niedrigexergiesysteme nutzen: Geringe Temperaturdifferenzen Latentwärmespeichertechnik Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung xergiebetrachtungen erlauben eine geschlossene Bewertung von Gebäude und Versorgungsstruktur