Chancen zur Steigerung der Energieeffizienz von zentralen RLT-Anlagen

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1 Chancen zur Steigerung der Energieeffizienz von zentralen RLT-Anlagen Potenziale der mehrfachfunktionalen Wärmerückgewinnung im Kontext zur Elektroenergieeinsparung Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup HOWATHERM Klimatechnik GmbH

2 Elektrische Leistung. P m = V Δp 1 / η P m. V Elektrische Leistung [KW] Volumenstrom [m³/s] Δp Differenzdruck der Anlage [Pa] η Gesamtwirkungsgrad des Systems η = η V η M η A η R Ventilator Motor Antrieb Regelung

3 Antriebstechnik Motor

4 Elektrische Leistung. P m = V Δp 1 / η P m. V Elektrische Leistung [KW] Volumenstrom [m³/s] Δp Differenzdruck der Anlage [Pa] η Gesamtwirkungsgrad des Systems η = η V η M η A η R Ventilator Motor Antrieb Regelung

5 Instationärer Betrieb instationär Stationärer Betrieb Vergleich Strömungsgeschwindigkeiten vertikal LWZ = 1

6 Instationärer Betrieb Stationärer Betrieb Vergleich Temperaturen vertikal LWZ = 1

7 Instationärer Betrieb Stationärer Betrieb Vergleich Tracer CO 2 vertikal LWZ = 1

8 Energieeffizienz Interne Druckverluste Bauteilauswahl (Beispiel hybrider Befeuchter) separater Verdunstungsbefeuchter Integrierter Kontaktbefeuchter (Hybridsystem)

9 Lüftung von Gebäuden DIN EN (02/2012) Leistungskenndaten für zentrale raumlufttechnische Geräte und deren Komponenten

10 DIN EN (02/2012) Wärmerückgewinnung Temperatur t ZUL - t AUL η t = Übertragungsgrad t ABL - t AUL =. Q WRG. Q Pot. Massenstromverhältnis 1:1.... Ф = Ф 1:1 (m 1 / m 2 ) 0,4 mit 0,8 < (m 1 / m 2 ) < 1,25 trocken

11 Wärmerückgewinnung DIN EN (02/2012) Elektrische Leistungsaufnahme. P el = q V Δp WRG 1 / η D + P el zul.. q V Δp WRG η D P el aux. Volumenstrom [m³/s] bei ρ = 1,2 kg/m³ Differenzdruck der WRG Zu- und Abluft [Pa] Gesamtwirkungsgrad des Antriebs zus. Hilfsenergien (z. B. Pumpen, etc.) [kw]

12 Wärmerückgewinnung DIN EN (02/2012) Klassen η e 1:1 [%] η t [%] ε P [Pa] H1 71 (75) x 280 H2 64 (67) x 230 H3 55 (57) x 170 H4 45 (47) x 125 H5 36 (37) x 100 H6 keine Anforderung Werte basieren auf EN 308 mit t 21 = + 5 C und t 11 = 25 C

13 Wärmerückgewinnung DIN EN (02/2012) Klassen η e 1:1 [%] η t [%] ε P [Pa] H1 71 (75) x 280 H2 64 (67) x 230 H3 55 (57) x 170 H4 45 (47) x 125 H5 36 (37) x 100 H6 keine Anforderung Werte basieren auf EN 308: t 21 = + 5 C und t 11 = 25 C

14 Energieeffizienzpotenzial in der RLT

15 Energieeffizienzpotenzial in der RLT

16 Messung HTL Luzern 1998 Messung 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) Messungen nach EN 308

17 Messung HTL Luzern 1998 Messung 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) Messungen nach EN 308

18 VDI 3803 Blatt 5 (04/2013) Vereinfachte Bilanzgrenze

19 VDI 3803 Blatt 5 (04/2013) Vereinfachte Bilanzgrenze

20 VDI 3803 Blatt 5 (04/2013) Gesamtbilanzgrenze RLT-Anlagen z. B.: Nacherwärmer, -Kühler Ventilatoren Filter, Befeuchter Kanalzusammenführung Heizanlagen z. B.: Kessel Verteilnetz Pumpen Kälteanlagen z. B.: Kältemaschine Rückkühlwerk Verteilnetze Pumpen Bautechnik z. B.: Anzahl und Größe der Technikzentralen Schächte Schornstein WRG z. B.: Wärmeübertrager Antriebe, Pumpe, Verdichter Luftklappen Energieversorgung z. B.: Fernwärme-, Gas-, Stromanschluss Öltank CO 2 -Reduzierung Prozesstechnik Wassererwärmung Elektro z. B.: Wärme- / Kältenutzung Wärmespeicherung z. B.: Vorerwärmung z. B.: Schaltanlagen Verkabelung MSR

21 VDI 3803 Blatt 5 (04/2013) Verdunstungskühlung Mehrfachfunktionale WRG auf Basis von Kreislaufverbundsystemen durch zusätzliche thermodynamische Funktionen

22 WRG mit indirekter Verdunstungskühlung

23 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Leistungen und Zustände von -12 C bis 32 C

24 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Summenhäufigkeiten nach VDI 4710 multipliziert mit Leistungen Ergebnis Arbeiten für Wärme und Kälte

25 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Ergebnisse JAZ bezogen auf Arbeiten 8,8 im Vergleich Leistungszahl 16,7

26 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Optimum der WRG

27 VDI 3803 Blatt 5 (04/2013) Mehrfachfunktionale WRG auf Basis von Kreislaufverbundsystemen durch zusätzliche thermodynamische Funktionen

28 Winterbetrieb mit Nacherwärmung 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft

29 Wärmepumpenbetrieb Entzug Wärme Wärmequelle 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft M 29

30 Wärmepumpenbetrieb COP = f(pel) 20,00 18,00 WRG solo 16,00 14,00 COP 12,00 10,00 8,00 WRG & WP Teillast WRG & WP Vollast 6,00 4,00 2,00 WP solo 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Pel

31 Freie Kälte Energieeffizienzpotenzial in der RLT 20 Abluft 9 Fortluft Zuluft 3 Außenluft

32 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Leistungen und Zustände von -12 C bis 32 C mit Auskopplung Q Freie Kälte mit Einspeisung Q Nacherwärmung Q Nachkühlung

33 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Summenhäufigkeiten nach VDI 4710 multipliziert mit Leistungen

34 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf

35 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Optimum der WRG

36 Sommerbetrieb 26 Abluft 31 Fortluft 27 Zuluft 32 Außenluft

37 Indirekte Verdunstungskühlung mit 2 Befeuchtungstufen 26 Abluft 26 Fortluft 21 Zuluft 32 Außenluft

38 Brauchwasservorerwärmung 30 Abluft 22 Fortluft Zuluft 18 Außenluft

39 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Leistungen und Zustände von -12 C bis 32 C mit Auskopplung Q Brauchwasser mit Einspeisung Q Nacherwärmung Q Nachkühlung

40 Wärmerückgewinnung im Jahresverlauf Summenhäufigkeiten nach VDI 4710 multipliziert mit Leistungen

41 WRG Bilanz Wärme Kälte (indirekte Befeuchtung) kwh/a kwh/a Freie Kälte Brauchwassererwärmung kwh/a kwh/a WRG kwh/a

42 Entfeuchtungskälterückgewinnung 26 Abluft 31 Fortluft 17 Zuluft 10 g g 32 Außenluft 12 g

43 Entfeuchtungskälterückgewinnung Kühlleistung indirekte Verdunstung Kälterückgewinnung Entfeuchtung Resteinspeisung Kältemaschine Volumenstrom 35.7 kw 17.0 kw 35.5 kw m³/h

44 Entfeuchtungskälterückgewinnung % Kühlung durch WRG % Verdunstungskühlung % Kälterückgewinnung % mechanische Kühlung 100 % ( Kälteleistung) % Wärmerückgewinnung

45 C / g/kg 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 36,5 52,3 35,5 37,6 47,0 50,8 51,4 Einsparung der Kühlleistungen durch Entfeuchtung in kw am Beispiel bei m³/h 34,5 36,3 45,6 0,0 49,8 47,5 33,5 35,1 44,2 48,0 48,2 45,9 43,5 32,5 33,8 42,7 46,5 46,6 44,3 42,0 31,5 32,5 41,4 45,1 45,1 42,7 40,5 38,2 30,5 31,2 40,0 42,1 42,2 41,2 38,9 36,7 34,5 32,0 29,5 30,0 38,6 38,7 38,7 38,8 37,4 35,1 28,5 28,8 35,4 35,4 35,4 35,4 35,5 33,6 27,5 27,5 32,0 32,0 32,0 32,1 32,1 32,0 29,6 29,3 26,5 26,3 28,7 28,7 28,7 28,7 28,7 28,7 28,7 28,7 25,5 25,1 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 25,4 24,5 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 22,0 23,5 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 18,7 22,5 15,3 15,3 15,3 15,3 15,3 15,4 15,4 15,4 21,5 11,9 11,9 11,9 11,9 12,0 12,0 12,0 20,5 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 8,6 19,5 5,2 5,2 5,2 5,2 5,3 5,3 18,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,6

46 C / g/kg 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 Summe h 36,5 1 0,10 35, ,50 Stundenhäufigkeiten Frankfurt am Main Entfeuchtungszustände 34, ,90 33, ,90 32, ,30 31, ,30 30, ,70 29, ,90 28, ,50 27, ,60 26, ,30 25, ,60 24, ,90 23, ,00 22, ,20 21, ,80 20, ,00 19, ,90 18, ,30

47 C / g/kg 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 Summe kwh/a 36,5 5 5,2 35, ,5 Einsparung der Kühlenergien durch Entfeuchtung in kwh/a im 24 h-betrieb 34, ,4 33, ,6 32, ,7 31, ,9 30, ,7 29, ,0 28, ,4 27, ,2 26, ,3 25, ,1 24, ,3 23, ,9 22, ,4 21, ,4 20, ,8 19, ,4 18, ,3

48 WRG Bilanz Wärme Kälte (indirekte Befeuchtung) Freie Kälte Brauchwassererwärmung kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a WRG kwh/a

49 WRG Bilanz Wärme Kälte (indirekte Befeuchtung) Freie Kälte Brauchwassererwärmung Entfeuchtungskälterückgewinnung WRG kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a kwh/a

50 Winterbetrieb mit Zuluftbefeuchtung 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung + Vereisungsschutz Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft

51 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup HOWATHERM Klimatechnik GmbH Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit