Einsparpotenziale im Bereich Wärme- und Kältetechnik Grundlagen, Einsparpotenziale und Wirtschaftlichkeit Trier, 15.05.2012 Dipl.-Ing. Michael Zens perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH Am Viadukt 3 52066 Aachen Tel. 0241/412 500 01 Fax 0241/412 500 19 m.zens@perpendo.de www.perpendo.de perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH perpendere (lat.) untersuchen, prüfen, genau erwägen perpendo ich untersuche, ich prüfe wer wir sind: Über 300 Projekte in Industrie und Gewerbe Spezialisten für Analyse & Optimierung komplexer energetischer Situationen 11 Mitarbeiter aus verschiedenen technischen Disziplinen gelistet als Berater bei: BfEE, DENA, KfW Zusatzqualifikationen als Staatlich anerkannte Sachverständige für Schall- und Wärmeschutz (2) Interne Auditoren nach DIN EN ISO 19011 (2) was wir machen: Energiekonzepte für Neubauten und Erweiterungen Energieeffizienz-Analysen für bestehende Liegenschaften und Prozesse Energiemanagement Aufbau betriebliches Energiemanagement und -controlling Nachhaltigkeit Carbon Footprint und Emissionsminderung perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 2 1
Entwicklung der Energiepreise 2000 bis 2012 Quelle: Statistisches Bundesamt, Wiesbaden perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 3 Gliederung des Vortrags Grundlagen, typische Einsparpotenziale und Hinweise zur Wirtschaftlichkeit 1. Heizungstechnik 2. Lüftungstechnik 3. Alternative Wärme-Versorgungseinrichtungen Wärmepumpen Kraft-Wärme-Kopplung 4. Kältetechnik perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 4 2
Grundlagen Heizungstechnik Art der Kessel (Niedertemperatur, Brennwertkessel) Gütegrad der Verbrennung (Restanteil Sauerstoff) Häufigkeit der Schaltvorgänge (Größe der Kessel) Konstruktion des Kessels (Spülverluste beim Anfahren) Temperaturniveau des Kesselwassers Temperaturniveau der Verteilung Qualität der Dämmung der Verteilleitungen Größe des Netzes Quelle Graphik: IWO, System Ölheizung perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 5 Darstellungsform des Wärmebedarfs: Jahresdauerlinie Installierte Heizleistung: 2 Gaskessel (NT) a 450 kw Jahresnutzungsgrad Gesamtanlage: 81,3 % perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 6 3
Nutzungsgrad der Wärmeversorgung 90 % 80 % 70 % Nutzungsgrad 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % Mögliche Verbesserungsmaßnahmen: Einsatz eines kleineren Kessels für de Übergangszeit und den Sommer Deckung des Wärmebedarfs im Sommer durch eine dezentrale Lösung 0 % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat Jahressumme Gaseinsatz: 1.749 MWh/a Jahressumme Wärmebedarf: 1.422 MWh/a = 81,3 % Jahresnutzungsgrad perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 7 Beispiel: Reduzierung des Umlaufwassers im Heizungsnetz Ausgangssituation in einem Industriebetrieb: Kleine Temperaturdifferenz im Heiznetz (8 K bei ca. 0 C Außentemperatur und normalem Produktionsbetrieb) Heizregister sind auf deutlich höhere Temperaturdifferenzen ausgelegt (üblicherweise auf 20 K) Durch die geringe Spreizung wird die Transportfähigkeit des Wassers nicht genutzt und dem entsprechend zu viel Wasser gefördert. Maßnahme: Absuchen des Heiznetzes nach hydraulischen Weichen, Bypassleitungen und primärseitig ungeregelten Verbrauchern (typisch: z. B. Umluftheizgeräte) Schließen von Bypässen und Umbau primärseitig nicht geregelter Verbraucher Neueinstellung der Schlechtpunktregelung der Netzpumpe (inkl. Drehzahlregelung) Einsparung Pumpenstrom Voraussetzung für die Nutzung von Abwärme (z. B. aus der Druckluft) perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 8 4
Vorhandenes Heizungsnetz Beispiel: Reduzierung des Umlaufwassers im Heizungsnetz Aufwand Umsetzung: Aufwand für die hydraulische Umrüstung einzelner Wärmetauscher. Zeitaufwand für Absuchen des Netzes und Einstellung der Pumpe. Neuer Drucksensor für Pumpe (Schlechtpunktregelung) => Summe Investitionen: ~ 10.000 Nutzen der Maßnahme: Wärmeeinsparung - - Stromeinsparung 28,5 MWh/a 2.416 /a perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 10 5
Optimierungsmöglichkeiten in der Heizungstechnik Mögliche Verbesserungsmaßnahmen: Effizienz der Kesselanlage Deckung Warmwasserbedarf durch separate Versorgung Abschaltung Kessel und Netz im Sommer Anpassung der Größe der Versorgungseinrichtungen an den Bedarf Einsatz eines kleineren Kessels für Übergangszeiten Dämmung von Verteilleitungen (nach EnEV Vorschrift in unbeheizten Räumen) Reduzierung des Temperaturniveaus im Verteilnetz (Spreizung!) Absenkung der Anforderungen außerhalb der Nutzungszeit (intermittierender Betrieb von Lüftungsanlagen oder Heizungspumpen) Nutzung von Prozessabwärme Einsatz alternativer Versorgungssysteme perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 11 Gliederung des Vortrags Grundlagen, typische Einsparpotenziale und Hinweise zur Wirtschaftlichkeit 1. Heizungstechnik 2. Lüftungstechnik 3. Alternative Wärme-Versorgungseinrichtungen Wärmepumpen Kraft-Wärme-Kopplung 4. Kältetechnik perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 12 6
Grundlagen Lüftungs- und Klimatechnik Unterteilung nach Luftaufbereitung: Mögliche thermodynamische Zustandsänderungen bei der Luftaufbereitung sind Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten Bei max. einer Zustandsänderung spricht man von einer Lüftungsanlage Bei zwei oder drei Zustandsänderungen spricht man von einer Teilklimaanlage Erst bei allen vier Zustandsänderungen spricht man von Klimaanlagen Auslegung der Anlagen nach: Frischluftversorgung (Sicherung der Raumluftqualität, Abfuhr von Schadstoffen) Einhaltung bestimmter Raumzustände (Raumtemperatur und feuchte) In der Regel resultieren aus den Anforderungen an die Raumzustände die größeren maximal erforderlichen Luftvolumenströme Die Anforderungen an die Raumzustände sind nicht konstant Ein sehr großer Anteil von Lüftungs- und Klimaanlagen wird dennoch mit konstanten Volumenströmen gefahren (Auslegung auf den ungünstigsten Betriebspunkt) perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 13 Grundlagen Lüftungs- und Klimatechnik Physik: Volumenstrom V ~ Ventilatordrehzahl n Druckverlust p ~ n² Leistungsaufnahme P el ~ n³ Anwendungsbeispiel: Reduzierung des Volumenstroms um 25 % bei bestehender Anlage => Reduzierung p = 1-0,75² = 43,75 % => Reduzierung P el = 1-0,75³ = 57,8 % Umsetzung: Durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses (Keilriemen) zwischen Motor und Ventilatorlaufrad (feste Drehzahl) Durch Einsatz eines Frequenzumformers (variable Drehzahl) perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 14 7
Grundlagen Lüftungstechnik Einsatz Frequenzumformer: Konstanthaltung des Volumenstroms (Ausgleich von Druckverlustschwankungen) Variable Volumenströme in Abhängigkeit einer Regelgröße (CO 2 -Sensor, Raumtemperatur etc.) Regelbereich von etwa 40 bis 100 % der Ventilatordrehzahl Anwendungsbeispiel (Sommerfall): Volumenstrom 100 % 50 % 23 24 Raumluft [ C] perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 15 Aufteilung der Endenergiekosten einer Klimaanlage (Bürogebäude in Potsdam) Randbedingungen Klimaanlage: 2-facher Luftwechsel im Büro Mittlere Ausstattung (gemäß DIN V 18599) Betrieb: Mo-Fr von 7 18 Uhr Wirkungsgrad WRG: 60% Druckverlust Zuluft: 1.200 Pa Druckverlust Abluft: 1.000 Pa Dampfbefeuchter (elektrisch) kaskadierte Zulufttemperaturregelung Sollwert Heizen: 22 C Sollwert Kühlen: 25 C minimale Zulufttemperatur: 19 C Sollwert Raumluftfeuchte: 40 60 % rel. Feuchte Energiepreise Dampf elektrisch 150 /MWh Kälte (COP=3,5) 43 /MWh Strom 150 /MWh Wärme 80 /MWh perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 16 8
Optimierungsmöglichkeiten in der Lüftungs- und Klimatechnik Mögliche Verbesserungsmaßnahmen: Bedarfsabhängige Betriebsführung (Betriebszeiten, variable Volumenströme, etc.) Anpassung der Raumkonditionen (bzw. Prozessparameter), z. B. bei Umnutzungen Anpassung der Lieferraten / Frischluftvolumenströme Zuständigkeiten Raum- und Prozesslufttechnik abstimmen (Ausgleich von Volumenstrombilanzen) Optimierung der Regelungsparameter Anpassung der Regelungsstrategien Absenkbetrieb außerhalb der Betriebszeiten (intermittierende Fahrweise) perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 17 Gliederung des Vortrags Grundlagen, typische Einsparpotenziale und Hinweise zur Wirtschaftlichkeit 1. Heizungstechnik 2. Lüftungstechnik 3. Alternative Wärme-Versorgungseinrichtungen Wärmepumpen Kraft-Wärme-Kopplung 4. Kältetechnik perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 18 9
Funktionsweise einer Kompressionswärmepumpe T H Q Nutz Q Nutz Q 0 P el Expansionsventil Verflüssiger Verdampfer Verdichter P el T 0 Q 0 Kälteleistung Wärmeleistungszahl W Q P Nutz el perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 19 Einsatz von Wärmepumpen Die Effizienz (Wirtschaftlichkeit) von Wärmepumpen ist im Wesentlichen von der Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke abhängig. 16 14 Leistungszahl in Abhängigkeit des 12 Temperaturhubs für einen Gütegrad von 50 %. 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Leistungszahl [-] Temperaturdifferenz [K] Einsatzmöglichkeiten: Beheizung, wenn geeignete Quellen zur Verfügung stehen (Grundwasser, Luft, etc.) Abwärmenutzung, wenn Temperaturniveau der Abwärme nicht ausreicht. perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 20 10
Gliederung des Vortrags Grundlagen, typische Einsparpotenziale und Hinweise zur Wirtschaftlichkeit 1. Heizungstechnik 2. Lüftungstechnik 3. Alternative Wärme-Versorgungseinrichtungen Wärmepumpen Kraft-Wärme-Kopplung 4. Kältetechnik perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 21 Prinzipschaltbild eines BHKW mit Verbrennungsmotor Brennstoff + Luft Diesel- / Gas-Motor G 70 C 60 C 500 C 70 C Kühlwasserkreislauf 80 C Kühlwasserwärmetauscher Abgaswärmetauscher 110 C Abgas 85 C Rücklauf Vorlauf perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 22 11
Wirtschaftlichkeit von BHKW Investitionskosten Quelle: BHKW-Kenndaten 2011, ASUE / Stadt Franfurt perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 23 Alternative Versorgung: Einsatz eines BHKW Notwendige Laufzeit für ein BHKW: min. 4.000 Volllaststunden/a BHKW werden nicht bis auf 0 % runtergeregelt perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 24 12
Gliederung des Vortrags Grundlagen, typische Einsparpotenziale und Hinweise zur Wirtschaftlichkeit 1. Heizungstechnik 2. Lüftungstechnik 3. Alternative Wärme-Versorgungseinrichtungen Wärmepumpen Kraft-Wärme-Kopplung 4. Kältetechnik perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 25 Funktionsweise einer Kompressionskältemaschine T H Expansionsventil Verflüssiger Verdampfer Verdichter P el T 0 Kälteleistung Q Nutz Bewertungsgröße: COP (Coefficient of Performance) Q COP P Nutz el perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 26 13
Einfluss der Verflüssigungstemperatur auf die Energiekosten Beispiel: Abwärmenutzung aus der Kälteerzeugung in einem Supermarkt 38000 34000 30000 Energiekosten [ /a] 26000 22000 18000 14000 Stromkosten Kälteerzeugung Wärmekosten Summe der Kosten 10000 6000 20 24 28 32 36 40 44 Verflüssigungstemperatur [ C] perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH / M.I.S. Management- + Informations-Systeme GmbH Optimierungsmöglichkeiten in der Kälteerzeugung Mögliche Verbesserungsmaßnahmen: Überprüfen der Notwendigkeit des Kältebedarfs Überprüfen der geforderten Temperaturen Optimierung der Schaltreihenfolge bei mehren Kältemaschinen (Einsatzoptimierung) Einsatz von freier Kühlung Optimierung der Verflüssigungstemperatur Anpassen der Kaltwasser- und Kühlwassermengen Bedarfsabhängige Regelung von Kühl- und Kaltwasserpumpen Ggf. Abwärmenutzung aus der Kälteerzeugung perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH, Aachen 28 14
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner für weitere Fragen ist: Michael Zens perpendo GmbH Am Viadukt 3 52066 Aachen Tel. 0241/421500-01 Fax 0241/421500-19 m.zens@perpendo.de 15