Fakultät Maschinenwesen Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung Heizen mit geringer Vorlauftemperatur - Auswirkungen auf die thermische Behaglichkeit - Statusseminar Fernwärme - Low Ex Berlin, 4./5. Oktober 2007 04./05. Okt. 2007/1
EINFÜHRUNG Ziel des Vorhabens: Einfluss der Systemtemperaturen von Heizungsanlagen auf Funktionalität / Hygiene (z.b. TWE) Energiebedarf Einschränkung der thermischen Behaglichkeit unter Berücksichtigung relevanter Größen wie bautechnische Lösung (z.b. Gebäudegröße, Wärmeschutzniveau) Nutzerverhalten, Nutzerakzeptanz anlagentechnische Lösung (z.b. Anlagenregelung, Wärmeerzeugung, Betriebsweise, Auslegung) 04./05. Okt. 2007/2
EINFÜHRUNG Heizkennlinien mit unterschiedlichen Systemtemperaturen (Anlagenbeispiel EFH mit NT - Kessel im Fall 70/55/20) Temperatur in C 105 90 75 60 45 Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Sollvorlauftemperatur Heizkurve 90 / 70 / 20 70 / 55 / 20 55 / 45 / 20 30 15-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Außentemperatur in C Es existieren keinerlei ganzheitliche vergleichende Aussagen zum Einfluss der Systemtemperatur, insbesondere in Abhängigkeit der Anlagenregelung Betriebsweise anlagentechnische Lösung usw. 04./05. Okt. 2007/3
EINFÜHRUNG Grundsätzliche Auswirkungen geringer Vorlauf - bzw. Systemtemperaturen Positive Effekte Negative Effekte Steigerung der Stromkennzahl (Anlagen mit Dampfturbinen) geringere Wärmeverluste (WE, WV, WÜ) bessere Einsatzbedingungen für WP (Leistungszahl) größere hydraulische Stabilität (HK - Ventil) günstigere Einbindungsmögl. für erneuerbare Energien begrenzter Einsatz bei HK bzw. Notwendigkeit größerer Heizflächen TWE mit Legionellen - Problem bzw. entsprechender Elektroenergieeinsatz zur Nachheizung höhere Masseströme infolge geringerer Spreizung psychologische Effekte der kühleren Heizfläche (Heizkörper) 04./05. Okt. 2007/4
WÄRMEVERTEILUNG Einfluss der Systemtemperaturen auf die Wärmeverluste - Wärmeverteilung - Wärmeabgabe der Rohrleitungen bezogen auf die Nutzwärmemenge in % 50 40 30 20 10 beheizte Zone unbeheizte Zone beheizte Zone unbeheizte Zone 0 0 55/45 70/55 90/70 Systemtemperaturen Ausgewähltes Beispiel: Einfamilienhaus, NT- Kessel, P- Regler 04./05. Okt. 2007/5
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen A Wärmeübergabe Prop. Bereich 2K örtliche Regelung P-Regler (TRV) Prop. Bereich 1K PI-Regler 2-Punkt- Regler ohne Zusatzinformation mit Zusatzinformation (Fensterkontakt, Präsenzerkennung) mit Adaptionsmöglichkeit Verteilnetz (Strangregulierung) Wärmeverteilung Pumpenregelung taktende Pumpe durchgehende Pumpe Wärmeerzeuger Zeitprofile (Nacht-, Wochenendabsenkung alternative Anheizverfahren) A Ohne Informationsverbund Mit teilweisem Informationsverbund Mit vollständigem Informationsverbund witterungsgeführte Steuerung der Vorlauftemperatur witterungsgeführte Steuerung der Vorlauftemperatur mit Raumaufschaltung Referenzraum geführte Vorlauftemperaturregelung Raumgeführte Vorlauftemperaturregelung bei der sämtliche Räume berücksichtigt werden ohne Beeinflussung mit Dämpfung und Verzögerung mit Aufschaltung meteorol. Daten mit Aufschaltung der Rücklauftemperatur Dezentrale Pumpe (Drehzahlregelung) Ventilhub (quasistationär / instationär) Oberflächentemperatur des Heizkörpers A 04./05. Okt. 2007/6
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen A Wärmeübergabe örtliche Regelung P-Regler (TRV) PI-Regler 2-Punkt- Regler Prop. Bereich 2K Prop. Bereich 1K ohne Zusatzinformation mit Zusatzinformation (Fensterkontakt, Präsenzerkennung) mit Adaptionsmöglichkeit Wärmeverteilung Wärmeerzeuger 04./05. Okt. 2007/7
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen A Wärmeübergabe örtliche Regelung P-Regler (TRV) PI-Regler 2-Punkt- Regler Prop. Bereich 2K Prop. Bereich 1K ohne Zusatzinformation mit Zusatzinformation (Fensterkontakt, Präsenzerkennung) mit Adaptionsmöglichkeit 04./05. Okt. 2007/8
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen A Wärmeübergabe Prop. Bereich 2K örtliche Regelung P-Regler (TRV) Prop. Bereich 1K PI-Regler 2-Punkt- Regler ohne Zusatzinformation mit Zusatzinformation (Fensterkontakt, Präsenzerkennung) mit Adaptionsmöglichkeit Verteilnetz (Strangregulierung) Wärmeverteilung Pumpenregelung taktende Pumpe durchgehende Pumpe 04./05. Okt. 2007/9
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen Verteilnetz (Strangregulierung) Wärmeverteilung Pumpenregelung taktende Pumpe durchgehende Pumpe 04./05. Okt. 2007/10
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen A Wärmeübergabe Prop. Bereich 2K örtliche Regelung P-Regler (TRV) Prop. Bereich 1K PI-Regler 2-Punkt- Regler ohne Zusatzinformation mit Zusatzinformation (Fensterkontakt, Präsenzerkennung) mit Adaptionsmöglichkeit Verteilnetz (Strangregulierung) Wärmeverteilung Pumpenregelung taktende Pumpe durchgehende Pumpe Wärmeerzeuger Zeitprofile (Nacht-, Wochenendabsenkung alternative Anheizverfahren) 04./05. Okt. 2007/11
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen taktende Pumpe durchgehende Pumpe Wärmeerzeuger Zeitprofile (Nacht-, Wochenendabsenkung alternative Anheizverfahren) 04./05. Okt. 2007/12
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen A Wärmeübergabe Prop. Bereich 2K örtliche Regelung P-Regler (TRV) Prop. Bereich 1K PI-Regler ohne Zusatzinformation 2-Punkt- Regler mit Zusatzinformation (Fensterkontakt, Präsenzerkennung) mit Adaptionsmöglichkeit Verteilnetz (Strangregulierung) Wärmeverteilung Pumpenregelung taktende Pumpe durchgehende Pumpe Wärmeerzeuger Zeitprofile (Nacht-, Wochenendabsenkung alternative Anheizverfahren) A Ohne Informationsverbund Mit teilweisem Informationsverbund Mit vollständigem Informationsverbund 04./05. Okt. 2007/13
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen Wärmeerzeuger Ohne Informationsverbund A Mit teilweisem Informationsverbund Mit vollständigem Informationsverbund 04./05. Okt. 2007/14
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen Wärmeerzeuger Ohne Informationsverbund witterungsgeführte Steuerung der Vorlauftemperatur ohne Beeinflussung mit Dämpfung und Verzögerung mit Aufschaltung meteorol. Daten mit Aufschaltung der Rücklauftemperatur 04./05. Okt. 2007/15
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen Wärmeerzeuger Mit teilweisem Informationsverbund witterungsgeführte Steuerung der Vorlauftemperatur mit Raumaufschaltung Referenzraum geführte Vorlauftemperaturregelung 04./05. Okt. 2007/16
Schematische Darstellung wichtiger Regelungsverfahren bei heiztechnischen Anlagen Wärmeerzeuger Mit vollständigem Informationsverbund Raumgeführte Vorlauftemperaturregelung bei der sämtliche Räume berücksichtigt werden Dezentrale Pumpe (Drehzahlregelung) Ventilhub (quasistationär A / instationär) Oberflächentemperatur des Heizkörpers 04./05. Okt. 2007/17
Regelungsverfahren mit vollständigem Informationsaustausch Dezentrale Regelung über HK - Ventil Dezentrale Regelung über HK - Pumpe t v - Regelung: Ventilhub t v - Regelung: Einzelraumtemperaturen Drehzahl t v - Regelung: Oberflächentemp. des Heizkörpers 04./05. Okt. 2007/18
Gegenüberstellung von Heizkennlinien bei unterschiedlichen Regelungsverfahren (Auswahl mit NT - Kessel) Temperatur [ C] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Sollvorlauftemperatur Sollvorlauftemperatur nach Heizkurve -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 Außentemperatur [ C] (Übliche) witterungsgeführte Regelung (PI) Temperatur [ C] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Sollvorlauftemperatur Sollvorlauftemperatur nach Heizkurve -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 Außentemperatur [ C] Regelung nach Führungsraum (2-Pkt-Regler) Temperatur [ C] 100 90 80 70 60 50 40 Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Sollvorlauftemperatur Sollvorlauftemperatur nach Heizkurve Temperatur [ C] 100 90 80 70 60 50 40 Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Sollvorlauftemperatur Sollvorlauftemperatur nach Heizkurve 30 30 20-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Außentemperatur [ C] Regelung über Ventilhub 20-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Außentemperatur [ C] Regelung über HK - Oberflächentemperatur. 04./05. Okt. 2007/19
Einfluss der Systemtemperaturen auf die Wärmeverluste - Anlagenregelung / Wärmeübergabe im Raum - Prozentuale Mehraufwendungen gegenüber dem idealen Heizer in % 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 PI-Regler Zweipunktregler P-Regler (TRV-1K) P-Regler (TRV-2K) 55/45 70/55 90/70 Systemtemperaturen Ausgewähltes Beispiel: Einfamilienhaus, NT- Kessel, Wohnungsverteilung gedämmt 04./05. Okt. 2007/20
Vergleich der Energieeinsparung durch verschiedene Regelungsverfahren Prozentuale Mehraufwendungen gegenüber dem idealen Heizer in % 30 25 20 15 Wärmeerzeugung Wärmeverteilung Wärmeübergabe Verbesserungspotentiale (qualitative Angaben) Wichtige Einflussgrößen Wärmeschutzniveau Anlagenausführung Betriebsweise, Nutzerverhalten 10 5 0 P- Regler (2K) PI- Regler PI PI (HK-Temp.)(Ventilhub) PI (DzP) Regelung mit Inf.- Verbund Angaben zur Energieeinsparung mittels Regelung sollten zusätzliche Erläuterungen (bzw. Angaben von bis ) enthalten Ausgewähltes Beispiel: Einfamilienhaus, NT - Kessel, Wohnungsverteilung gedämmt 04./05. Okt. 2007/21
Problem verwirrender Darstellungen bzw. Angaben 35 30 25 20 35 30 25 20 R NEH WSVO82 WSVO77 Einfamilienhaus (PI-Regler) 6000 6000 5000 5000 4000 4000 3000 3000 2000 2000 1000 1000 1250 1000 750 500 250 0 PI-Regler bezogen auf den idealen Heizer Prozentuale Relative Mehraufwendungen gegenüber dem ber dem idealen idealen Heizer Heizer in % PI - Regler PI-Regler bezogen auf das TRV-2K Absolute Mehraufwendungen gegenüber dem idealen Heizer in kwh Energetischer Mehraufwand in Abhängigkeit des Bezugswertes in kwh Absolute Mehraufwendungen Relative Mehraufwendungen Absolute/relative Darstellungen Wahl der Bezugsgröße 04./05. Okt. 2007/22
THERMISCHE BEHAGLICHKEIT Summenhäufigkeit in % 100 80 60 40 20 ϑ op,soll,wr TRV-1K idealer Heizer PI-Regler TRV-2K ϑ op,soll,bad Mit zunehmender Abweichung von der Solltemperatur abnehmende thermische Behaglichkeit Zum Teil problematische Angaben zur Energieeinsparung ohne Angaben zur Behaglichkeits- situation 0 19 20 21 22 23 24 25 26 Operative Raumtemperatur in C Ausgewähltes Beispiel: Einfamilienhaus, NEH, NT- Kessel, Wohnungsverteilung gedämmt 04./05. Okt. 2007/23
Abhängigkeit der Raumtemperatur von der Außentemperatur (Bad) Altbau (WSchV 77) Niedrigenergiehaus (EnEV) 26 26 25 25 Operative Temp. in C 24 23 Operative Temp. in C 24 23 22 22 21-20 -10 0 10 20 21-20 -10 0 10 20 Außentemperatur in C Außentemperatur in C Ausgewähltes Beispiel: Mehrfamilienhaus, PI - Regler, durchgehende Betriebsweise Wohnungsverteilung ungedämmt 04./05. Okt. 2007/24
THERMISCHE BEHAGLICHKEIT Wohnungsverteilung ungedämmt Wohnungsverteilung gedämmt 100 ϑ op,soll,wr 100 ϑ op,soll,wr Summenhäufigkeit in % 80 60 40 20 55/45 70/55 90/70 Summenhäufigkeit in % 80 60 40 20 55/45 70/55 90/70 0 19 20 21 22 23 24 25 26 Operative Raumtemperatur in C 0 19 20 21 22 23 24 25 26 Operative Raumtemperatur in C Ausgewähltes Beispiel: Mehrfamilienhaus, PI - Regler, EnEV 04./05. Okt. 2007/25
THERMISCHE BEHAGLICHKEIT Altbau (WSchV 77) Niedrigenergiehaus (EnEV) 100 ϑ op,soll,wr 100 ϑ op,soll,wr Summenhäufigkeit in % 80 60 40 20 55/45 70/55 90/70 Summenhäufigkeit in % 80 60 40 20 55/45 70/55 90/70 0 19 20 21 22 23 24 25 26 Operative Raumtemperatur in C 0 19 20 21 22 23 24 25 26 Operative Raumtemperatur in C Ausgewähltes Beispiel: Mehrfamilienhaus, PI - Regler, Wohnungsverteilung ungedämmt 04./05. Okt. 2007/26
THERMISCHE BEHAGLICHKEIT Wärmephysiologischer Effekt der Heizkörper - Oberflächentemperatur Große HK - Fläche, geringe Oberfl.-Temperatur Kleine HK - Fläche, höhere Oberfl.-Temperatur Räumlicher Strömungsverlauf Zugluftrisiko (Niedrigenergiehaus; Heizkörper; Luftwechsel n = 0 h -1 ) 04./05. Okt. 2007/27
THERMISCHE BEHAGLICHKEIT Wärmephysiologischer Effekt der Heizkörper - Oberflächentemperatur Große HK - Fläche, geringe Oberfl.-Temperatur Kleine HK - Fläche, höhere Oberfl.-Temperatur Maximale Strahlungsasymmetrie Summative thermische Behaglichkeit (Niedrigenergiehaus; Heizkörper; Luftwechsel n = 0 h -1 ) 04./05. Okt. 2007/28
THERMISCHE BEHAGLICHKEIT Wärmephysiologischer Effekt der Heizkörper - Oberflächentemperatur Große HK - Fläche, geringe Oberfl.-Temperatur Kleine HK - Fläche, höhere Oberfl.-Temperatur Räumlicher Strömungsverlauf Zugluftrisiko (Niedrigenergiehaus; Heizkörper; Lüftung mittels breitem, schlitzförmigem ALD unterhalb des Fensters; Luftwechsel n = 0,25 h -1 ) 04./05. Okt. 2007/29