Willkommen Bienvenue Welcome Raumlufttechnik ehrfachfunktionen Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup c.kaup@umwelt-campus.de Dipl.-Ing. Christian Backes backes@howatherm.de
Wärmerückgewinnungssysteme Wärmerückgewinnung Wärmerückgewinnung (WRG) ist ein Sammelbegriff für Verfahren zur Wiedernutzbarmachung von thermischer Energie in einem Prozess mit mindestens zwei assenströmen die unterschiedliche Temperaturniveaus besitzen. Ziel der Wärmerückgewinnung ist die inimierung des Primärenergiebedarfs. WRG ist die Wärmeübertragung von Fort- und Außenluftströmen in lüftungstechnischen Prozessen. Dabei wird die zurück gewonnene Wärme entweder dem Ursprungsprozess oder einem anderen Prozess zugeführt. Wärme kann dabei in den WRG Prozess ein- oder ausgekoppelt werden. Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup S 2
ehrfachfunktionale Systeme ehrfachfunktionale Wärmerückgewinnung auf Basis von Kreislaufverbundsysteme (KVS) Einfache Kreislaufverbundsysteme (KV-Systeme) werden üblicherweise als Wärmerückgewinnungs-Systeme (WRG) mit niedrigen Rückwärmzahlen bis ca. 50 % eingesetzt. Jedoch bei der Beachtung der konstruktiven Kriterien, wie der Geometrie, der Strömungsführung und des Wärmestromkapazitätenverhältnisses können KV-Systeme mit höheren Rückwärmzahlen (z. B. 80%) als mehrfachfunktionale Systeme eingesetzt werden. Neben der primären Funktion der WRG lassen sich dann auch zusätzliche thermodynamische Funktionen, wie beispielsweise Nacherwärmung und Kühlung innerhalb des WRG-Systems, realisieren. Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 3
Kreislaufverbundsysteme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 4
Kreislaufverbundsysteme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 5
Berippte Wärmeübertrager
Berippte Wärmeübertrager
Entwicklung Wärmeübertrager
Entwicklung Wärmeübertrager
Entwicklung Wärmeübertrager Hexaedergitters der strukturierter Lamelle
Entwicklung Wärmeübertrager
Entwicklung Wärmeübertrager
Entwicklungsergebnisse essung essung HTL Luzern 1998 essung 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 0,77 166 3,348 0,79 124 3,673 1,10 0,75 2,5 0,72 364 2,571 0,76 277 3,167 1,23 0,76 3,5 0,70 619 2,333 0,73 480 2,759 1,18 0,77 * Systeme geometrisch baugleich (Rohrreihen, Rohrabstände, Lamellendicke, etc. identisch) essungen nach EN 308
Entwicklungsergebnisse essung essung HTL Luzern 1998 essung 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 0,77 166 3,348 0,80 140 3,967 1,18 0,84 2,5 0,72 364 2,571 0,77 313 3,420 1,33 0,86 3,5 0,70 619 2,333 0,75 543 2,980 1,28 0,88 * Systeme geometrisch baugleich (Rohrreihen, Rohrabstände, Lamellendicke, etc. identisch) essungen nach EN 308
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager 2 2 NTU 2 Φ 22. W 2 Φ 21 U2 U2 U1 U1 NTU 1 Φ 12. W 1 1 1 Φ 11 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 15
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Apparat 1. NTU 11 = (k A) 1 / W 1.. μ 11 = W 1 / W u Φ 11 = ( 1-1 ) / ( 1 - u1 ) Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 16
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Apparat 2. NTU 22 = (k A) 2 / W 2.. μ 22 = W 2 / W u Φ 22 = ( 2-2 ) / ( u2-2 ) Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 17
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Für das Gesamtsystem gilt: Φ 2ges = ( 2-2 ) / ( 1-2 ).. μ 2ges = W 2 / W 1 = 1 / μ 1ges Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 18
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Dimensionslose Temperaturänderung des Gesamtsystems 1 / Φ 2ges = 1 / Φ 22 + 1 / Φ 11 μ 2ges μ 22 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 19
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Optimaler umlaufender Wärmekapazitätsstrom.. 1 / W sopt = (k A) 1 / [ (k A) 1 + (k A) 2 ] / W 1 +. (k A) 2 / [ (k A) 1 + (k A) 2 ] / W 2.. µ 22 = W 2 / W u.. µ 11 = W 1 / W u Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 20
Wärmekapazitätenströme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 21
Wärmekapazitätenströme Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 22
Wärmekapazitätenströme Temperaturdiagramm bei ETA = 0.8 20,0 Temperatur in C 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 Zuluft -10,0 15,0 W1/W2 = 1.0-7,5 17,5 Abluft -5,0 20,0 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 23
Wärmekapazitätenströme Temperaturdiagramm bei ETA = 0.8 20,0 Temperatur in C 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 Zuluft -10,0 15,0 W1/W2 = 1.5-3,3 13,3 Abluft -5,0 20,0 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 24
Wärmekapazitätenströme Temperaturdiagramm bei ETA = 0.6 20,0 Temperatur in C 15,0 10,0 5,0 0,0-5,0-10,0 Zuluft -10,0 8,0 W1/W2 = 1.5-1,0 11,0 Abluft 2,0 20,0 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 25
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager Wenn optimaler Umlaufstrom erfüllt: 1 / (k A) eff = 1 / (k A) 1 + 1 / (k A) 2 Bei gleichen Luftmengen gilt:.. μ 2ges = W 1 / W 2 = 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 26
Wärmeübertrager Gekoppelte Wärmeübertrager damit: μ 11 = μ 22 = 1 Gesamtübertragungsgrad 1 / Φ 2ges = 1 / Φ 22 + 1 / Φ 11 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 27
Schaltungen im Wärmeübertrager DE 198 08 753 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 28
ehrfachfunktionalitäten Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 29
Winterbetrieb 20 Abluft 0 Fortluft 15 Zuluft -5 Außenluft 30
Übergangsbetrieb 20 Abluft 18 Fortluft + Vereisungsschutz 17 Zuluft 15 Außenluft 31
Vereisungsschutz 20 Abluft 0 Fortluft + Vereisungsschutz 5 Zuluft -15 Außenluft 32
Nacherwärmung 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft 33
NE & Vereisungsschutz 20 Abluft 0 Fortluft + Vereisungsschutz 20 Zuluft -15 Außenluft 34
Hybride Befeuchtung 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft 35
Freie Kälte 20 Abluft 9 Fortluft 12 6 16 Zuluft 3 Außenluft 36
Brauchwasservorerwärmung 30 Abluft 0 Fortluft 25 15 25 Zuluft 0 Außenluft 37
Übergangsbetrieb 22 Abluft 22 Fortluft 19 Zuluft 19 Außenluft 38
Sommerbetrieb 26 Abluft 31 Fortluft 27 Zuluft 32 Außenluft 39
Indirekte hybride Befeuchtung 26 Abluft 30 Fortluft 23 Zuluft 32 Außenluft 40
ehrstufige Befeuchtung 26 Abluft 26 Fortluft 21 Zuluft 32 Außenluft 41
ehrstufige Befeuchtung 26 Abluft 25 Fortluft 20 Zuluft 32 Außenluft 42
Kältemaschinenbetrieb 26 Abluft 31 Fortluft Nachkälte Indirekte Einspeisung 18 Zuluft 32 Außenluft 43
Wärmepumpenbetrieb Entzug Wärme Wärmequelle 20 Abluft 0 Fortluft Nachwärme Indirekte Einspeisung 20 Zuluft -5 Außenluft 44
Wärmepumpenbetrieb COP = f(pel) COP 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 WRG solo WRG & WP Vollast WRG & WP Teillast WP solo 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Pel Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 45
Kältemaschinenbetrieb (hybrid) 26 Abluft 31 Fortluft Nachkälte Indirekte Einspeisung 18 Zuluft 32 Außenluft 46
Abluftauskopplung 26 Abluft 26 Fortluft Nachkälte Indirekte Einspeisung 14 Zuluft 20 Außenluft 47
Kältemaschinenbetrieb 26 Abluft 31 Fortluft 18 Zuluft 32 Außenluft 48
Entfeuchtungsschaltung 26 Abluft 31 Fortluft 17 Zuluft 10 g 14 10 g 32 Außenluft 12 g 49
Entfeuchtungsschaltung Kühlleistung indirekte Verdunstung Kälterückgewinnung Entfeuchtung Resteinspeisung Kältemaschine Volumenstrom 35.7 kw 17.0 kw 35.5 kw 10.000 m³/h 50
Entfeuchtungsschaltung 26 Abluft 27 Fortluft 17 Zuluft 11 g 16 11 g 32 Außenluft 12 g 51
Alle Funktionen 26 Abluft 27 Fortluft 17 Zuluft 9 g 12 9 g 32 Außenluft 12 g 52
Wärmeübertrager Einfluss Vorlauf Δ 2 Φ 22 ZL Φ 21 AL Δ U2 Q Δ U2 RL Φ 12 FO Φ 11 Δ 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 53
Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Temperaturänderung im Umlaufstrom: Δ U2 = Δ 2 / Φ 22 Δ 2 gewünschte Lufterwärmung [K] Δ U2 benötigte Temp.änderung am Eintritt [K] Φ 22 luftseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 54
Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Temperaturänderung des Umlaufstroms: Δ U2 = Δ 2 (1 / Φ 21-1) Δ U2 Temperaturänderung am Austritt [K] Φ 21 medienseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 55
Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Einfluss auf die Fortlufttemperatur mit: Δ 1 = Δ U2 Φ 11 Δ 1 Temperaturänderung der Fortluft [K] Φ 11 luftseitiger Übertragungsgrad App. 1 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 56
Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Zusammengesetzte Änderungsgleichung Δ 1 = Δ 2 (1 / Φ 21-1) Φ 11 Temperaturübertragungsgrades ΔΦ 2ges mit Beeinflussung ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 ΔΦ Korr Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 57
Wärmeübertrager Änderung Vorlauf ΔΦ Korr =Δ 1 / ( 1-2 ) / μ 2ges ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 Δ 1 / ( 1-2 ) / μ 2ges Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 58
Wärmeübertrager Änderung Vorlauf Einfluss nach Jüttemann Δ U2 = Δ U2 (1 -Φ 22 ) / Φ 22 / (2 Φ 22 ).. gilt mit μ 2ges = W 1 / W 2 = 1 und μ 11 = μ 22 = 1 und Φ 22 = Φ 11 = Φ 21 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 59
Wärmeübertrager Einfluss Rücklauf Δ 2 Φ 22 ZL Φ 21 AL Δ U2 Δ U2 Q RL Φ 12 FO Φ 11 Δ 1 Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 60
Wärmeübertrager Änderung Rücklauf Temperaturänderung im Umlaufstrom: Δ U2 = Δ 1 (1 / Φ 12-1) Δ U2 benötigte Temp.änderung am Eintritt [K] Φ 12 medienseitiger Übertragungsgrad App. 1 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 61
Wärmeübertrager Änderung Rücklauf Einfluss auf die Zulufttemperatur Δ 2 = Δ U2 Φ 22 Δ 2 Temperaturänderung der Zuluft [K] Φ 22 luftseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.] Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 62
Wärmeübertrager Änderung Rücklauf Zusammengesetzte Änderungsgleichung Δ 2 = Δ 1 (1 / Φ 12-1) Φ 22 Temperaturübertragungsgrades ΔΦ 2ges mit Beeinflussung ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 ΔΦ Korr Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 63
Wärmeübertrager Änderung Rücklauf ΔΦ Korr =Δ 2 / ( 1-2 ) ΔΦ 2ges = ΔΦ 2ges 0 Δ 2 / ( 1-2 ) Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 64
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