Nutzung der Erdwärme: flächig verlegte Rohrschlangen in ca. 1m Tiefe heute auch Tiefenbohrungen mit Erdspießen bis ca m

Transkript

1 n Wärmequellen (heutige Verbreitung) Luft (10%) Erdreich (80%) Grundwasser (10%) Nutzung der Erdwärme: flächig verlegte Rohrschlangen in ca. 1m Tiefe heute auch Tiefenbohrungen mit Erdspießen bis ca m Thermodynamische Grundlagen (einfaches Anlagenschema): am Verdampfer: Kältemittelverdampfungstemperatur T 0 muß unter der der Wärmequelle liegen, z.b. unter 10 bei Grundwasser; p 0 richtet sich nach T 0 am Kondensator Kältemittelkondensationstemperatur T muß über gewünschter Heizwassertemperatur liegen, z.b. über 40 bei 40/30-FB-Heizung; p richtet sich nach T n (Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 1

2 Kreisprozess idealisiert im T,s-Diagramm (T 0 ªT amb ) Exergie: EQ S (T T0 ) zugeführt im Kompressor Anergie: BQ S (T0 0K) aus dem Erdreich entnommen Wärme: Q E Q + B Nutzen Q arnot-leistungsziffer für den idealisierten Prozess (Verhältnis von Leistungen) ε c Nutzen Aufwand Q& P ab el S T S (T T 0 ) T T T 0 exergetischer Gütegrad zur Bewertung des realen Prozesses ζ 0,2...0,5...0,7 Leistungsziffer für den realen Prozess (Verhältnis von Leistungen) ε real ε c ζ n (Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 2

3 wann wird ε real hoch? T niedrig Niedrigenergiehaus, Fußboden-Heizung T -T 0 niedrig höhere Temperatur des Wärmespendermediums (Winter -> Übergangsjahreszeit -> Sommer); günstig z.b. Tiefenbohrungen mit konstanter Temperatur um 12 als schwankende Lufttemperaturen Wie erfüllt die Anforderungen des Gebäudes? Q & Q & benötigt Q & WP für t 30 Q & WP für t 40 Q & WP für t 50 zu klein ausreichend t Bereich zu klein Bereich ausreichend - zusätzlicher WE nötig - Pumpe taktet Gegenläufige Verhältnisse bei Bedarf und Bedarfsdeckung: zum Winter hin wird eine höhere Vorlauftemperatur für die Heizung gebraucht, gerade dann sinkt die Leistung der WP durch geringere Außentemperaturen Arbeitszahl für den realen Prozess (Verhältnis von Energien) β Q P ab el n (Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 3

4 Anlagenschema mit innerem Wärmeübertrager: Linien im lgp,h-diagramm: n (Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 4

5 Prozess im lgp,h-diagramm (Labor): Aufbau des Expansionsventils: n (Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 5

6 Beispiel: Vergleich und Gas- Brennwertkessel a) Eine Außenluftwärmepumpe soll bei 3 Außenlufttemperatur eine Wasservorlauftemperatur von 35 erzeugen. Temperaturdifferenz in den Wärmeübertragern sei im Mittel 5K. Exergetischer Gütegrad der Anlage für diesen Fall sei 0,5. Gesucht ist die reale Leistungsziffer. T t Vorlauf,Heizung + t K 40 WÜT T t t 3 5K 2 O Außenluft WÜT T ( ,15)K ε real ζ ε ζ 0,5 3,7. T T (40 ( 2))K 0 b) Eine hat eine Arbeitszahl nach Herstellerangaben (Prüfstand) von β Test 4,7. Unter durchschnittlichen Bedingungen ergibt sich für das Jahresmittel aber eine Arbeitszahl von β Betrieb 3,4. Ein Gaskessel hat nach Herstellerangaben (Prüfstand) einen Jahresnutzungsgrad bezogen auf den Heizwert von η Test 1,08. Unter durchschnittlichen Bedingungen ergibt sich für das Jahresmittel aber ein Nutzungsgrad von η Betrieb 0,95. Berechnen Sie die nötigen Primärenergieeinsätze für die Versorgung eines Einfamilienhauses mit kwh/a Wärme. Beachten Sie die Primärenergiefaktoren. Führen sie die Rechnung jeweils mit β und η laut Hersteller und Realität durch. Gaskessel β4,7 (3,4) η1,08 (0,95) W QNutz 10000kWh / a β 4,7(3,4) 2100 (2900) kwh el /a el,zu Q QNutz 10000kWh / a η 1,05(0,95) 9300 (10500) kwh Gas /a F,zu p Primär,el 3,0 p Primär,Gas 1,07 Q W p Q Q Pr imär,zu el,zu Pr imär,el Pr imär,zu Pr imär,gas 6300 (8700) kwh/a (11200) kwh/a F,zu p n (Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 6

7 c) Für die beiden Varianten ist eine grobe Abschätzung der jährlichen Kosten zu machen (Investition, Betrieb, Wartung). Die Anschaffungskosten sollen bei der WP für Gerät und Tiefenbohrungen gelten. Annuität sei 8% pro Jahr. Für die Verbrauchskosten mit den realen Daten aus b) rechnen. K Invest DM K Invest,a a K Invest 8%/a 20000DM 1600 DM/a Preis für Elektroenergie: k el 0,15 DM/kWh el K Betrieb,a k el W el,zu 0,15 DM/kWh el 2900 kwh el /a 435 DM/a ca. 1% der Investitionskosten pro Jahr K Wartung,a 200 DM/a Gaskessel Investition K Invest 6000 DM K Invest,a a K Invest 8%/a 6000DM 480 DM/a Betrieb Preis für Energie aus Gas: k Gas 0,05 DM/kWh Gas K Betrieb,a k Gas Q F,zu 0,05 DM/kWh el kwh el /a 525 DM/a Wartung/Instandhaltung durch Wartungsvertrag K Wartung,a 200 DM/a K a K Invest,a +K Betrieb,a +K Wartung,a 2235 DM/a Gesamtkosten K a K Invest,a +K Betrieb,a +K Wartung,a 1205 DM/a Quelle: Datenpool des IfHK, Wolfenbüttel n (Weiterverwendung nur nach Absprache) Seite 7