Energie-Effizienz-Prüfung für alle Arten von Einzelraumheizungen

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1 Energie-Effizienz-Prüfung für alle Arten von Einzelraumheizungen 2. Internationaler Workshop Infrarotheizung EU-Verordnungen und Europäische Infrarotheizungs-Allianz 23. Mai 2014 Dr.-Ing. Peter Kosack Technische Universität Kaiserslautern Inhalt 1 Begriffsbestimmungen, Beispiele für Energie-Effizienz-Nachweise 2 Energie-Effizienz von Einzelraumheizungen 3 Von der Thermischen Behaglichkeit zu einer Prüfmethode 4 Stand der Forschung Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 1 Diese Vortragsfolien wurden auf dem oben genannten Workshop präsenert. Falls Interesse an einem Vortrag vor Ort besteht, bite per unter kosack@rhrk.uni-kl.de an mich wenden. Bei der Zusammenstellung wurde bei allen Abbildungen streng darauf geachtet, dass diese frei verfügbar waren oder frei gegeben wurden. Falls das im Einzelfall entgegen meiner Kenntnis nicht der Fall sein sollte, bite ich um Nachricht. Dr.-Ing. Peter Kosack Diese PDF-Datei darf ausschließlich nur als Ganzes beliebig kopiert und weiter gegeben werden. Jede auszugsweise Weitergabe ist aus Gründen der inhaltlichen Verfälschung und zur Vorbeugung von Missverständnissen ausdrücklich untersagt.

2 Unterschied Leistung, Wirkungsgrad, Energie-Effizienz Leistung = umgesetzte Energie pro Zeitraum bei konstantem Systemzustand Angabe in W oder kw Normen (IR-Strahler): Normen zu elektrischen Heizgeräten (Strahlungs-) Wirkungsgrad = Verhältnis von zugeführter Leistung oder Energie zu abgegebener Leistung oder Energie bei konstantem Systemzustand Angabe in % Normen (IR-Strahler): DIN EN 416 / 419 für Hochtemperatur-Gasstrahler Energieeffizienz = Maß für den Energieaufwand zur Erreichung eines festgelegten Nutzens (Nutzenprofil oder Nutzungsprofil) Angabe in Wh oder kwh Normen (IR-Strahler): Keine Vergleich PKW: Angabe der Motorleistung in kw oder PS bei einer bestimmten Motordrehzahl Vergleich PKW: Verhältnis von zugeführter chemischer Energie (Benzin) zu abgegebener mechanischer Energie am Motor bei einer bestimmten Motordrehzahl Vergleich PKW: Angabe des Energieverbrauchs in Litern/100km z.b. beim Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 2 In vielen Veröfentlichungen zu Infrarotstrahlern werden die Begrife Leistung, Wirkungsgrad und Energie-E0zienz verwechselt oder völlig falsch verwendet. Insbesondere der für Infrarotstrahler wichge und kennzeichnende Begrif des Strahlungswirkungsgrades wird häufg falsch verwendet und mit dem elektrothermischen Wirkungsgrad oder der Energie-E0zienz verwechselt. Der elektro-thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von insgesamt abgegebener thermischer Leistung zur zugeführten elektrischen Leistung und liegt immer bei 100%. Der Strahlungswirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Strahlungs-Leistung zur zugeführten elektrischen Leistung und liegt bei Niedertemperatur-Infrarotstrahlern immer prinzipiell weit unter 100%. Bisher gemessene Werte liegen im Bereich zwischen 40% und 55%. Für die Energiee0zienz gibt es für Infrarotstrahler generell noch keine Defnion, da für die verschiedenen Anwendungszwecke wie z.b. Raumheizung noch kein Nutzen- oder Nutzungs-Profl wie bei anderen Produkten defniert wurde.

3 Beispiele für Energie-Effizienz-Nachweise Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 3 Für viele Haushaltsgeräte wie z.b. Waschmaschinen und Kühlschränke gibt es bereits Prüfmethoden, um den Jahresverbrauch für ein Gerät als E0zienzmaß zu ermiteln. Dabei wird ein defniertes Nutzenprofl, z.b. Anzahl und Art von Waschvorgängen pro Jahr oder Standardbeschickung mit Kühlgut unter defnierten Innen- und Außentemperaturen, unterstellt. Auch im Energieausweis für Gebäude wird ein Energieverbrauch pro Quadratmeter Wohnfäche und Jahr nach vorgegebenen Kriterien für das Nutzungsprofl und die technische Ausstatung des Gebäudes ermitelt.

4 Energie-Effizienz von Einzelraumheizungen Die - Energie-Effizienz ist ein Maß für den benötigten - Energiebedarf, um ein - bestimmtes Raumvolumen über eine - bestimmte Zeit und unter - wechselnden Umgebungsbedingungen auf einem - bestimmten Behaglichkeitsniveau zu halten. Gebraucht wird dazu die Definition des Nutzenprofils. Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 4 Die oben gegebene Definition für die Effizienz von Einzelraumheizungen wurde im Forschungsprojekt "Messtechnische und theoretische Spezifizierung von Niedertemperatur-Infrarot-Strahlungsheizungen und der dazu notwendigen Messkammer" an der TU Kaiserslautern aus den allgemeinen Effizienz-Definitionen abgeleitet. Durch Festlegung des Raumvolumens, des zu betrachtenden Zeitraums, der zeitvarianten Umgebungsbedingungen und des einzuhaltenden Behaglichkeitsniveaus wird das Nutzenprofil definiert. Einen Vorschlag für die Festlegung zeigen die folgenden Folien.

5 Thermische Behaglichkeit Thermische Behaglichkeit ist definiert als das Gefühl, das Zufriedenheit mit dem Umgebungsklima ausdrückt. [DIN EN 7730] Eine für den Menschen behagliche Raumtemperatur hängt ebenfalls von der Wärmeabgabe der Person ab. Die Wärmeabgabe unterteilt sich etwa folgendermaßen: 43% durch Strahlung 31% durch Konvektion 22% durch Verdunstung 4% durch Atmung Die Einflussgrößen: - Umschließungsflächentemperatur - Lufttemperatur - Luftfeuchtigkeit - Luftgeschwindigkeit - Bekleidungszustand - Aktivitätszustand Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 5 Die thermische Behaglichkeit und die zugehörigen Einfussgrößen sind in DIN EN 7730 defniert. Es bietet sich an, diese Defnion, die allgemein anerkannt und in der Klimatechnik seit langem eingeführt ist, bei der Festlegung des Behaglichkeitsniveaus für die Energie- E0zienz-Messung zugrunde zu legen. Allerdings sollte man sich zweckmäßigerweise auf den in der Praxis am häufgsten anzutrefenden Fall der Kombinaon der Einfussgrößen beschränken (siehe nächste Folie).

6 Bei - relativer Luftfeuchte von 30 bis 70%, - Luftbewegung bis 20 cm/s und - weitgehender Temperaturgleichheit der Raumoberflächen hängt die Wärme-Empfindung nur noch von der Kombination aus Lufttemperatur und der durchschnittlichen Strahlungswärme der umgebenden Oberflächen ab. Behaglichkeit erreicht man sowohl durch warme Luft / kalte Wände als auch durch kühle Luft / warme Wände. Von der Thermischen Behaglichkeit zur Operativen Temperatur Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 6 In einem weiten Bereich für die relave Luffeuchte, die Geschwindigkeit der Lufbewegung und die Gleichmäßigkeit der Temperatur der Raumoberfächen, wie sie in den meisten Räumen in der überwiegenden Nutzungszeit anzutrefen ist, kann man die thermische Behaglichkeit auf die Betrachtung der operaven Temperatur reduzieren. Die operave Temperatur ist die Durchschnitstemperatur zwischen Luftemperatur und Raumumschließungstemperatur. Das Diagramm veranschaulicht den Zusammenhang von Luftemperatur und Raumumschließungstemperatur und der dazu empfundenen thermischen Behaglichkeit.

7 Zum Unterschied zwischen Strahlungswirkungsgrad und Energie-Effizienz Strahlungswirkungsgrad = Strahlungsanteil im Verhältnis zur zugeführten elektrischen Leistung Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 7 Die wesentlichen Unterschiede zwischen Besmmung des Strahlungswirkungsgrads und der Besmmung der Energie-E0zienz wird auf dieser und der nächsten Folie erläutert. Aus der zugeführten elektrischen Energie oder Leistung entsteht im Heizgerät die thermische Energie oder Leistung, die an die Umgebung des Heizgeräts abgegeben wird. Diese Umwandlung geschieht zu praksch 100%, wenn man elektrische und elektromagnesche Verluste, die sicher weit unter einem Prozent liegen, vernachlässigt. Die aus der Umwandlung gewonnene thermische Energie oder Leistung gliedert sich in den Konvekonsanteil, den Wärmeleitungsanteil und den Strahlungsanteil. Entscheidend für den Strahlungswirkungsgrad ist nur der Strahlungsanteil im Verhältnis zur zugeführten elektrischen Energie oder Leistung.

8 Zum Unterschied zwischen Strahlungswirkungsgrad und Energie-Effizienz Energie-Effizienz = Zugeführte elektrische Energie pro Mess-Zyklus Die zugeführte elektrische Energie entspricht der abgeführten Energie pro Mess-Zyklus!! Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 8 Bei der Energie-E0zienz geht es um die Besmmung der zugeführten elektrischen Energie pro Mess-Zyklus. Der Mess-Zyklus wird durch das Nutzenprofl besmmt. Das dabei zu haltende Behaglichkeitsniveau wird durch eine festgelegte operave Temperatur charakterisiert, die über den gesamten Mess-Zyklus konstant gehalten werden muss.

9 Nachbildung des Nutzenprofils durch ein Wetter-/ Klimaprofil VORSCHLAG: Nachbildung einer Heizperiode durch 5 Heiztage in der Umgebung der Messkammer. Definition Heiztag: Mittlere Temperatur kleiner 15 C. Aufteilung gemäß folgender Unterkategorien an Heiztagen: 1. Heiztag: Vegetationstag mit Minimaltemperatur größer 5 C 2. Heiztag: Frosttag mit Minimaltemperatur kleiner 0 C 3. Heiztag: Kalter Tag mit Höchsttemperatur von -10 C 4. Heiztag: Frosttag mit Minimaltemperatur kleiner 0 C 5. Heiztag: Vegetationstag mit Minimaltemperatur größer 5 C Idealisierte Annahme: - Die gewählten Heiztage spiegeln den Verlauf der Heizungsperiode. - Jedem Heiztag wird ein genormtes Profil an Temperatur und Luftfeuchte zugeordnet, das die Bedingung erfüllt. Die Operative Temperatur wird über alle 5 Tage konstant gehalten und der Gesamt-Energieverbrauch bestimmt. Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 9 Um die wechselnden Umgebungsbedingungen nachzubilden, wird vorgeschlagen, die Heizperiode auf 5 typische Heiztage abzubilden. Sie repräseneren anteilig die verschiedenen Weterperioden in einer Heizperiode. Diese stellvertretende, reduzierte Heizperiode ist bei der Messung in der Umgebung des Messraumes herzustellen.

10 Konzept für eine Prüfkammer Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 10 Die Folie zeigt das Konzept für eine Prüfammer zur Energie-E0zienz-Messung von Einzelraumheizgeräten, wie es in dem im Text zu Folie 4 genannten Forschungsprojekt entwickelt wurde. Damit kann sowohl der Strahlungswirkungsgrad als auch die Energie-E0zienz einer Infrarotheizung gemessen werden.

11 Bisherige Forschungen: Entwicklung eines Thermodynamischen Modells Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 11 Im Rahmen des erwähnten Forschungsprojekts wurde auch ein thermodynamisches Modell entwickelt, das als Grundlage sowohl für die Simulaon als auch Konstrukon der vorgeschlagenen Prüfammer verwendet werden kann. Alle theoresch vorkommenden Stof- und Wärmeströme sind in diesem Modell berücksichgt. In weiteren Untersuchungen ist die Relevanz der einzelnen Größen durch Simulaon und messtechnisch zu besmmen.

12 Bisherige Forschungen: Erste Entwürfe Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 12 Die Folie zeigt einen ersten Entwurf für geometrische Gestaltung einer Prüfammer zur Messung von Strahlungswirkungsgrad und Energie-E0zienz. Dabei sind alle Arten von Einzelraumheizungen berücksichgt, inklusive Festbrennstof- Heizungen, z.b. Kaminöfen.

13 Proposal an die EU Proposal for DG ENER LOT energy-efficiency of local room heating products as Addendum to Task 6 of "DG ENER LOT 20 - local room heating products" The primary-energy-consumption, expressed in kwh, of a local room heater including its controller unit, in relation to an operative room temperature of 22 C, during a fixed time period of 5 consecutive days, measured in a standardized testing chamber. Dieser Vorschlag konnte bis jetzt nicht weiterverfolgt werden, da es am praktischen Nachweis durch eine umgesetzte Messkammer fehlt. Eine neue Chance mit der PANEIA? Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 13 Die bisherigen Forschungsergebnisse, Konzepte und Entwürfe wurden in einem entsprechenden Proposal bei der EU eingereicht. Zielsetzung ist die Schafung einer europaweit gülgen Besmmung der Energie- E0zienz von Einzelraumheizungen. Die Umsetzung ist mit erheblichen fnanziellen Miteln verbunden. Es ist geplant, die Arbeiten fortzusetzen, sobald die fnanziellen Mitel in Form von Dritmiteln verfügbar sind.

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Peter Kosack Graduate School CVT Arbeitskreis Ökologisches Bauen Technische Universität Kaiserslautern Gottlieb-Daimler-Straße, Gebäude D Kaiserslautern Telefon: +49-(0) Telefax: +49-(0) Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 14