ENERGIEBERATUNGSBERICHT (VOR-ORT
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Sommersemester 2012 / 6. Semester Thema 1: Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Wärmeerzeugung / Wärmepumpe ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 1 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Inhaltsverzeichnis Grundlagen Seite 3 Verbrennung Seite 04 - 09 Wärmepumpe Seite 10 - 23 Blockheizkraftwerk Seite 224 - 29 Wasserstoffnutzung Seite 30 - 32 Zusammenfassung Seite 33 Links Seite 34 Fragen Seite 35 Hinweis: Die Inhalte können auch nachgelesen im Buch: Richarz/Schulz Energetische Sanierung Detail Green Books ISBN 978 – 3 – 920034-51-5 Seiten 88 – 96 ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Grundlagen Aktiv-Passiv Ziel einer ressourcenschonenden Planung muss die Entwicklung eines Gebäudekonzeptes sein, bei dem zunächst alle baulichen Möglichkeiten zur ressourcensparenden Konditionierung ausgeschöpft werden.Der dann noch verbleibende Rest an Energie sollte soweit sinnvoll mit regenerativer Energie gedeckt werden. Da in der Regel nicht der gesamte Energiebedarf regenerativ gedeckt werden kann, verbleibt ein Rest an Energie, der möglichst effizient mittels Anlagentechnik erzeugt werden muss. Hierfür werden Ressourcen verbraucht, die wiederum einen CO2 -Ausstoß zur Folge haben. PASSIVKONZEPT (Gebäude) AKTIVKONZEPT (Anlagentechnik) Transmission Solare Gewinne (Fenster) solare Energiegewinnung Innere Gewinne (Personen, Geräte) Verbrennung von Ressourcen CO2Ausstoß Lüftung Stromerzeugung Bei der Beheizung mit Strom (Wärmepumpen) muss immer die Ressourcenbilanz des Stromes beachtet werden. Bei der Stromerzeugung wird in Kraftwerken durch Verbrennung von Kohle Wasser erhitzt und verdampft. Der Dampf treibt Turbinen an, die wiederum Strom erzeugen. Der Dampf muss nun wieder abgekühlt werden. Die in ihm enthaltene Energie geht verloren. Bezogen auf den Energieinhalt der zur Stromerzeugung eingesetzten Ressource tritt ein Verlust von Zweidrittel des im Rohstoff enthaltenen Energieinhaltes ein. Bei der Bilanzierung der mit Strom erzeugten Energie ist dieser energieaufwändige Gestehungsprozess zu berücksichtigen. Strom Fernwärme/ Kühlturm Kohle/ Gas Abb. Stromerzeugung in Kondensationskraftwerken Quelle: Autor ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 3 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Wärmeerzeugung Prinzipien Fernwärme Die Abwärme, die bei der Stromerzeugung in Kraftwerken anfällt, wird zur Beheizung der Gebäude verwendet. In Anbetracht der hohen Verteilverluste ist eine Wärmeverteilung im Umkreis von ca. 10 km des jeweiligen Kraftwerks sinnvoll machbar. Nahwärme Mehrere Gebäude werden von einer gemeinsamen Heizzentrale versorgt. Diese Form der Wärmeerzeugung hat im Vergleich zur Fernwärme geringe Verteilverluste. Auch kann hier solare Energie in Kombination mit einem Langzeitspeicher wegen der kurzen Wege sinnvoll und effizient eingebunden werden. Stromerzeugung durch Kraftwerk mit Nutzung der Abwärme - Wärmeverluste Erzeugung 15 % - Wärmeverluste Verteilung 5 % Stromerzeugung durch dezentrales Blockheizkraftwerk - Wärmeverluste Erzeugung 10 % - Wärmeverluste Verteilung 2 % Abb. Stromerzeugung durch Kraftwerk ohne Nutzung der Abwärme ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Zentralheizung Ein Gebäude wird mit einer eigenen Anlagentechnik zur Wärmeversorgung ausgestattet. Im Vergleich zur Nahwärmeversorgung ist dieses Konzept aufwändiger, jedoch insofern flexibler, weil jeder Eigentümer ohne Abstimmung mit anderen die Art seiner Heizungsanlage selbst bestimmen kann. Die Dachheizzentrale hat im Vergleich zur Zentrale im Keller Vorteile (bessere Hydraulik, kein Kamin, Einbindung der Solarenergie) Dezentrale Etagenheizung Jede Wohnung besitzt eine eigene Anlage zur Wärmeerzeugung. Die von der Quantität her aufwändige Anlagentechnik erlaubt keine Einbindung regenerativer Energiequellen. Bei Sanierungen in bewohntem Zustand stellt die Etagenheizung häufig die einzig gangbare Möglichkeit dar. Wohnungen heizungstechnisch gesehen zu sanieren. Ein weiterer Vorteil ist der einfache Verwaltungsaufwand hinsichtlich Abrechnung der Betriebskosten, da jeder Wohnungsbenutzer direkt mit dem Energieversorger abrechnet. Abb. Zentralheizung (Keller) Zentralheizung (Dachzentrale) Etagenheizung ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 5 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Verbrennung Gasbrennwertkessel Die Verbrennung der Ressourcen Öl oder Gas in einem Heizkessel ist die übliche und am weitesten verbreitete Art der Wärmeerzeugung. In der Regel wird das Wasser für die Heizkörper auf 70 Grad erwärmt (Vorlauf). Nach Durchfluss durch den Heizkreislauf wird das Wasser um 20 Grad abgekühlt, sodass die Rücklauftemperatur 50 Grad beträgt. Zusätzliche Effizienz erhält diese Technik der Verbrennung durch die Brennwerttechnik. Hierbei wird die Abwärme des Abgases genutzt, um das abgekühlte Heizwasser vorzuwärmen. Je niederer die Rücklauftemperatur ist desto effektiver ist der Brennwerteffekt. Zur Brennwertnutzung wird das im Abgas enthaltene Wasser in Form von Wasserdampf auskondensiert. Um dies vollständig durchführen zu können, sind die Systemrücklauftemperatur niedrig zu halten – (blauer unterer Bereich des Schnittmodells). Für eine 100 % Brennwertnutzung sind ca. 15 % kaltes Systemwasser notwendig: Hochtemperaturkreise können mit Tieftemperturkreisen kombiniert werden Abb. Schnittmodell eines Gasbrennwertkessels ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Ölbrennwertkessel Die Funktionsweise beim Ölbrennwertkessel entspricht dem des Gasbrennwertkessels. Die theoretische Mehrleistung gegenüber dem Ölniedertemperaturkessel (keine Nutzung des Wasserdampfes) beträgt 6 %. Dies sind im Vergleich mit Gas ca. 5 % weniger, was darin begründet ist, dass Gas einen höheren Anteil an Wasserstoffmolekühlen enthält. Abb. Ölbrennwertkessels ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 7 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Holz Für kleinere Anlagen hat die Holzverbrennung als Teil der Biomassenutzung einen beträchtlichen Marktanteil gewonnen. Als Brennmaterial stehen Stückholz und Holzpeletts zur Verfügung. Die Holzverbrennung findet nur bedingt modulierend statt, sodass derartige Anlagen mit einem Pufferspeicher betrieben werden. Pelletskessel Der Erzeugungswirkungsgrad beträgt ca. 90 %. Eine Leistungsanpassung ist zwischen 30-100 % möglich. Je kW Heizlast sind ca. 400 – 450 kg Pellets in der Heizperiode zu veranschlagen. Dies entspricht einem Lagerinhalt von ca. 0,6 – 0,95 m³/kW. Besser ist jedoch der Ansatz von 1 m³/kW, da hier auch Todräume bei der Speicherung berücksichtigt wurden. Gültig Normen für Pellets DIN 51731 (D) ÖNorm M 7135 (A) SN 166000 (CH) Scheitholzkessel Wirkungsgrade bis 90 % möglich. Leistungsanpassung 80 – 100 % im kleinen Leistungsbereich. Größere Kessel können in der Leistung bis 50 % modulieren. Abb. Holzverbrennung Sekundärluftzufuhr in die Eintrittsdüse der Wirbel-Brennkammer. Intensive Vermischung der Holzgase mit der Verbrennungsluft bei hohen Temperaturen um 1000°C und vollständiger Ausbrand der Flamme bei langer Verweilzeit in der großvolumigen Brennkammer. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Abb. 3- Stufen- Verbrennung Primärluftzufuhr direkt in das Glutbett zur Holzvergasung. Abb.: Umrechnungseinheiten von Holz ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 9 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Holzverbrennung ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Wärmepumpe Kompression Mittels der Wärmepumpe kann Wärme niederer Temperatur durch Zufuhr von Energie (Strom) in Wärme höherer Temperatur umgewandelt werden. Wärmequellen für Wärmepumpen sind die Außenluft (bis ca. 0 Grad) vorzugsweise aber die Erdwärme. Gerade die Erdwärme erfüllt durch ihr gleichmäßiges Temperaturniveau von 10 Grad ideal die Betriebsbedingungen für die Wärmepumpe. Grundsätzliche Voraussetzung für einen effizienten Betrieb einer Wärmepumpe ist eine möglichst hohe Temperatur der Wärmequelle und Eine möglichst tiefe Temperatur bei der Wärmeabgabe. Optimal ist deshalb Grundwasser als Wärmequelle. Die Warmwasserbereitung oder eine Heizung mit hoher Vorlauftemperatur verschlechtern die Effizienz der Wärmepumpe. Gerade bei gut gedämmten Häusern sollte deshalb die Warmwasserbereitung weitgehend solar erfolgen, um die Laufzeit der Wärmepumpe bei hohen Ausgangstemperaturen zu verkürzen. Abb. Prinzip Wärmepumpe /Sole-Wasser und Luft-Wasser WP Quelle: Autor ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 11 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Wärmequellen Energiequellen für Wärmepumpen: - Erdwärme (oberflächennah) - Erdwärme (Sonden) - Erdwärme (Grundwasser) - Luft Mit unterschiedlicher Effizienz kann mittels der Wärmpumpe aus verschiedenen Wärmequellen Energie gewonnen werden. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Physikalische Grundlage Wichtige Begriffe im Zusammenhang mit der Wärmepumpe: - Jahresarbeitszahl: Quotient aus gewonnener Heizwärme und zugeführter Strommenge für den Verdichter - Leistungszahl: Die Heizleistung wird durch die Leistung des Verdichters dividiert. Die Leistungszahl ist abhängig von der Temperatur der Wärmequelle und der Temperatur des Wärmeträgers am Verflüssiger. Häufig werden Leistungszahlen bei einer Temperatur von 0 Grad bei der Wärmequelle und von 35 Grad bei Wärmeträger am Verflüssiger ermittelt. - Kältemittel: Arbeitsmedium in Wärmepumpe. Das Kältemittel verdampft durch Wärmeaufnahme bei niederer Temperatur und wird durch Wärmeabgabe wieder verflüssigt Carnot-Prozess Der Wärmepumpen-Kreisprozess folgt im Wesentlichen dem (idealen) Carnot-Prozess, rückwärts laufend (Kraftwärmemaschine). Damit können wir die Leistungszahl auch über die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und Wärmenutzungsanlage (Kondensator) berechnen: ec = T / (T - Tu) = T / DT ec = Leistungszahl nach Carnot Tu = Temperatur der Umgebung aus der die Wärme aufgenommen wird T = Temperatur der Umgebung an die die Wärme abgegeben wird DT = Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Seite Eine Darstellung der während des Carnot-Prozesses durchlaufenen Werte der Variablen T und S (Entropie) sieht wie folgt aus: Beispiel: Tu = 0°C = 273 K, T = 50°C = 323 K ec = T / (T - Tu) = 323 / 323-273 = 6,46 Ideale Prozesse sind nicht möglich. Die Leistungszahlen für den tatsächlichen Wärmepumpenprozess also inklusive Verluste, werden daher geringer sein. Aufgrund der thermischen, mechanischen und elektrischen Verluste sowie des Energiebedarfs der Hilfsantriebe ist die effektiv erreichte Leistungszahl e kleiner als ec. Für Überschlagsrechnungen kann e gleich 0,5 x ec gesetzt werden. Temperaturhub bestimmt Leistungszahl In jedem Fall ist die Leistungszahl von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmeverteilung abhängig: Je geringer dieser "Temperaturhub" ausfällt, umso wirtschaftlicher arbeitet jede Wärmepumpe. Daher ist die optimale Planung der Gesamtanlage so bedeutend. 1-2: verdichten (Temperaturhub 4-1: verdampfen 3-4: expandieren 2-3: kondensieren Fläche a: von der Umwelt aufgenommene Energie Fläche b: Antriebsenergie Kompressor Fläche S: Entropie / Energieinhalt Fläche a+b: Gesamte abgegebene Energie Abb.: T-S Diagramm. Die Kurve besteht aus zwei Adiabaten (S = const) und zwei Isothermen (T = const) ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 13 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Beurteilung der Effizienz von Elektro-Wärmepumpen Die Qualität der Wärmepumpe definiert sich über ihre Leistungszahl, den cop-Wert und über die Jahresarbeitszahl: Definition Leistungszahl εN (DIN EN 255) Leistungszzahl [εΝ] = Wärmeenergie [ QWP in kWh] / Stromzufuhr [Pel in kWh] Die Leistungszahl ist ein Momentanwert und wird unter Normbedingungen auf dem Prüfstand ermittelt. Sie beschreibt das Verhältnis der bei bestimmten Betriebsbedingungen abgegebenen thermischen Leistung der WP QWP (kW) bezogen auf die zugeführte elektrische Leistung Pel (kW) für den Antrieb des Verdichters und der Hilfsantriebe nach DIN EN 255: Die Leistungszahl ist mit den Betriebstemperaturen (Wärmequellenanlage -> Quellentemperatur bzw. Wärmenutzungsanlage -> Heizungsvorlauftemperatur) in den technischen Daten der Hersteller angegeben und entsprechend auszuwählen. Die Leistungszahl lässt allerdings die Leistung elektrischer Hilfsaggregate, die nicht unmittelbar zum Wärmepumpen-Prozess gehören, unberücksichtigt (z. B. Heizungsumwälzungspumpen, Grundwasser-Förderpumpen). Die Leistungszahl ist um so besser, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen der Heizwassertemperatur (Vorlauftemperatur) und der Wärmequellentemperatur ist. Leistungszahl und Jahresarbeitszahl sind die wichtigsten Wärmepumpen-Kennzahlen (in d. R. bei Elektro-WP verwendet). Definition COP-Wert (COP=Coeffizient of Performance) Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung (kW) zu aufgenommener elektrischer Antriebsleistung inkl. Hilfsenergie unter Prüfbedingungen (bestimmte Temperaturverhältnisse, festgelegte Zeitpunkte). cop = QWP / Pel Im COP-Wert ist zusätzlich auch die Leistungen von Hilfsaggregaten (Abtau-Energie, anteilige Pumpenleistung für Heizungs-, Sole- bzw. Grundwasser-Förderpumpen) enthalten. Damit ist der COP-Wert ein Gütekriterium für Wärmepumpen. Prüfinstitute ermitteln diesen Wert nach einer definierten Messmethode (DIN EN 255). Leistungszahl und COP-Wert erlauben allerdings keine energetische Bewertung der Gesamtanlage. Sie sind nur eine Momentaufnahme eines bestimmten WP-Typs bei günstigen Betriebsbedingungen (z. B. bei 35°C VL-Temperatur). Wesentlich aussagefähiger ist die Jahresarbeitszahl. Jahresarbeitszahl β Die Jahresarbeitszahl (JAZ) ist die tatsächliche Leistungszahl im Betrieb. Sie ist das Ergebnis von Messungen am Stromzähler für die zugeführte elektrische Arbeit (Verdichter, Wärmequellenpumpe) und am Wärmemengenzähler (abgegebene thermische Arbeit der WP) über ein Jahr. Definition: Verhältnis des Jahresertrages an Heizarbeit (kWh/a) zur aufgewendeten Antriebs- und Hilfsenergie (kWh/a): β = WNutz / Wel Die wichtigere Wärmepumpen-Kennzahl für den Wirkungsgrad ist somit die Jahresarbeitszahl ß. In der Praxis erreichen Wärmepumpen bzgl. JAZ Werte von 2,0 bis 4,0. Moderne WP sollten also die JAZ von 3,5 übertreffen. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Leistungszahlen bei verschiedenen Wärmequellen HeizungswasserLuft vorlauftemperatur °C -20 -15 -7 2 7 10 20 35 2 2,5 3,1 3,4 4,2 4,3 4,5 40 45 1,9 2,4 2,8 3,5 3,5 3,6 50 55 1,5 1,9 2,2 2,7 2,8 3,1 60 Grundwasser Erdreich ca. 10 5,96 5,25 4,68 4,21 3,72 3,32 ca. 0 4,67 4,15 3,73 3,38 2,99 2,68 Abb. Leistungszahl (COP) und Jahresarbeitszahl von Wärmepumpen Quelle: Franz Koller Pistohl, Handbuch der Gebäude-Technik, Band 2 ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 15 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Produktdaten Abb. Typische Kennwerte einer Sole/Wasser-Wärmepumpe Quelle: Viessmann ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Abb. Typische Kennwerte einer Wasser/Wasser Wärmepumpe Quelle: Viessmann ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 17 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Luft-Wasser-Wärmepumpe Abb. Typische Kennwerte einer Luft-Wasser Wärmepumpe Quelle: Viessmann ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – siehe auch Modul 1 Gültig nur für Neubauten, Ausnahme Baden Württemberg Ab dem 1. Januar 2009 müssen Eigentümer neu errichteter Gebäude ihren Wärmebedarf anteilig aus erneuerbaren Energien decken. Diese Nutzungspflicht umfasst alle Wohn- und Nichtwohngebäude, auch wenn die Immobilie vermietet wird. Als erneuerbare Energiequellen können solare Strahlungsenergie, Umweltwärme, Geothermie oder Biomasse eingesetzt werden. Welche Form erneuerbarer Energien eingesetzt werden soll, kann jeder Eigentümer selbst entscheiden. Wärmepumpen Wärmepumpen nutzen die Wärme aus dem Erdreich (Geothermie), dem Wasser oder der Luft (Umweltwärme). Mindestens 50 Prozent des Wärmebedarfs müssen durch die Wärmepumpe gedeckt werden. Wärmepumpen eignen sich zum Einsatz in gut gedämmten Gebäuden: Sie werden meist mit Strom angetrieben und je geringer die zum Heizen benötigte Temperatur und je höher die Temperatur der Wärmequelle ist, desto weniger Strom benötigt die Wärmepumpe. Die Jahresarbeitszahl beträgt bei – Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen 3,5 und – allen anderen Wärmepumpen 4,0. Wenn die Warmwasserbereitung des Gebäudes durch die Wärmepumpe oder zu einem wesentlichen Anteil durch andere Erneuerbare Energien erfolgt, beträgt die Jahresarbeitszahl abweichend von Satz 1 bei – Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen 3,3 und – allen anderen Wärmepumpen 3,8. Die Jahresarbeitszahl wird nach den anerkannten Regeln der Technik berechnet. Die Berechnung ist mit der Leistungszahl der Wärmepumpe, mit dem Pumpstrombedarf für die Erschließung der Wärmequelle, mit der Auslegungs-Vorlauf- und bei Luft/Luft-Wärmepumpen mit der AuslegungsZulauftemperatur für die jeweilige Heizungsanlage, bei Sole/Wasser-Wärmepumpen mit der Soleeintritts-Temperatur, bei Wasser/ Wasser-Wärmepumpen mit der primärseitigen WassereintrittsTemperatur und bei Luft/Wasser- und Luft/Luft-Wärmepumpen zusätzlich unter Berücksichtigung der Klimaregion durchzuführen. Die Wärmepumpen müssen über einen Wärmemengen- und Stromzähler verfügen, deren Messwerte die Berechnung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpen ermöglichen. Satz 1 gilt nicht bei Sole/Wasser und Wasser/Wasser-Wärmepumpen, wenn die Vorlauftemperatur der Heizungsanlage nachweislich bis zu 35 Grad Celsius beträgt. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 19 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Absorption Bei Absorptionswärmepumpen wird das Arbeitsmittel der Wärmepumpe durch Zufuhr von Wärme und nicht durch Kompression erwärmt. Die Wärmeerzeugung erfolgt dann durch Verbrennung eines Rohstoffes (Gas). Der Unterschied zur meist bekannten Elektrowärmepumpe besteht darin, dass ein zweiter Kreislauf die Aufgabe des Verdichters übernimmt. pumpe. Die genaue Funktion wird im Modul 2.4. im Rahmen der Kälteerzeugung ausführlich behandelt. Unter chemischer Absorption verseht man die chemische Bindung eines Gases mit einem Absorptionsmittel. Diese Bindung kann durch Erwärmen wieder auf gespalten werden. Nach Absorption wird die Flüssigkeit erwärmt- das gasförmige Arbeitsmedium tritt dann mit höherer Temperatur aus. Mit einer kWh Gas können etwa 1,5 kWh Umweltwärme gewonnen werden. Vorteile dieser Art der Energiegewinnung liegen bei der Wärmenutzung aus der Luft. Abb. Bilanzierung und Wirkungsgrad der Absorptionswärmepumpe ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Der Sorptionsprozess in den Modulen läuft in zwei Schritten ab: Im ersten Teilschritt wird der Zeolith mit Hilfe eines Gasbrenners auf 200°C erwärmt. Dabei desorbiert das Wasser und strömt als Dampf in den unteren Teil des Moduls. Hier kondensiert der Dampf und gibt dabei seine Kondensationswärme ab. Dieser Schritt ist beendet, wenn der Zeolith trocken ist und sich das gesamte Wasser im unteren Teil des Moduls befindet. Nun wird der Brenner ausgeschaltet und das Modul kühlt unter Umgebungstemperatur ab. Das Wasser verdampft nun unten im Modul mit Hilfe von kostenloser Umgebungswärme. Der Dampf strömt in den oberen Teil des Moduls und wird dort vom Zeolith adsorbiert, die dabei frei werdende Adsorptionswärme wird ebenfalls genutzt. Wenn das Wasser vollständig verdampft ist, beginnt der Prozess erneut. Zeolith- Heizgerät ist eine gasbetriebene Adsorptionswärmepumpe mit einem mittleren Jahresnutzungsgrad von 135%. Abb. Ablauf des Sorptionsprozesses ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 21 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Berechnung Jahresarbeitszahl Die Berechnung erfolgt getrennt für Heizung und Warmwasser auf der Basis von Produktangaben (Herstellerangaben) und Korrekturwerten nach VDI 4650. Die Ergebnisse werden dann in einer Jahresarbeitszahl zusammengefasst. Korrekturfaktoren nach VDI 4650 (Tab. 4c) ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 23 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Blockheizkraftwerk Prinzip Das Blockheizkraftwerk verfolgt auf haus- oder baublockbezogener Ebene das gleiche Prinzip wie ein Kraftwerk mit angeschlossener Fernwärmeleitung nämlich Stromerzeugung mit Nutzung der Abwärme. Wärme und Strom werden mit unterschiedlicher Technik gleichzeitig erzeugt. Die in der Ressource enthaltene Energiemenge (z.b. 1 Liter Öl = 10 KWH) wird zu 80 % - 90 % in nutzbare Energie umgewandelt. Der Energieinhalt teilt sich in unterschiedlichen Anteilen in Strom und Wärme auf: - 10 -20 % Verluste 10 - 40 % Strom 60 - 90 % Wärme Die Wärme wird standortnah verbraucht, während der Strom in der Regel ins öffentliche Netz eingespeist wird. In der Regel wird mit einem BHKW in der Heizperiode die Grundlast abgedeckt, während die Spitzenlasten durch einen Heizkessel gedeckt werden. Nachteilig sind aber bei BHKWS, die mit Motoren betrieben werden die hohen Wartungskosten (ähnlich wie bei einem Auto). Wärmeerzeugung mit und ohne Nutzung der Abwärme. Beim dezentralen BHKW werden werden 87 % der im Rohstoff enthaltenen Energiemenge in Nutzenergie umgesetzt. 36 % in Form von Strom und 51 % in Form von Wärme. Bei der Stromerzeugung ohne Nutzung der Abwärme werden nur 36 % der im Rohstoff enthaltenen Energie in Strom umgesetzt. Würde man die dann fehlende Wärme durch einen anderen Rohstoff ersetzen so entstehen bei der Verbrennung selbst wieder Verluste (Anlagenverluste) sodass Insgesamt nur 30 Prozent der gesamten im Rohstoff enthaltenen Energie genutzt Wird. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Motor Rein energetisch gesehen muss ein BHKW wie folgt bewertet werden: 1 Liter Öl hat einen Energieinhalt von 10 kWh und bei Verbrennung einen CO2-Ausstoß von 3,11 kg zur Folge. Ein BHKW hat einen thermischen Wirkungsgrad von 50 % und einen Elektrischen Wirkungsgrad von 30 %. Würde man mit einem BHKW ausschließlich heizen, so würde man zwei Liter Öl benötigen um 10 kWh Wärmeenergie zu gewinnen also dann 6,22 kg CO2 ausstoßen. Da nun aber bei der Verbrennung von 2 Litern Öl 6 kWh Strom erzeugt werden, die wiederum 4,1 kg CO2 ersparen, ist die Energieerzeugung von 10 kWh nur mit einem CO2 – Ausstoß von 1,9 kg CO2 verbunden, mithin deutlich weniger als mit einer direkten Verbrennung von Öl. Wichtig ist nun, dass das BHKW wärmegeführt eingesetzt wird. Würde das BHKW nur genutzt um Strom zu erzeugen, die Wärme aber vernichtet, so wäre die energetische Effizienz nicht besser als bei einem Kraftwerk, bei dem die Abwärme ebenfalls nicht genutzt wird. Das Blockheizkraftwerk ist ein Motor, bei dem die Abwärme des Motors genutzt wird. Klassische Notstromaggregate könnten vom Prinzip her auch als Blockheizkraftwerk genutzt werden ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 25 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Dampfexpansion Eine andere Möglichkeit der gleichzeitigen Strom- und Wärmeerzeugung stellt der Powerblock der Firma Otag dar. Mittels Verbrennung wird Dampf erzeugt. Durch Abkühlung und der damit verbundenen Expansion kann über einen Kolben Strom erzeugt werden. Der Gesamtwirkungsgrad beträgt über 90 %. Der große Modulationsbereich (elektrisch 0,2 – 2,2 KW und thermisch 2,5 – 16 KW) erlaubt einen flexiblen Einsatzbereich. Aus einem m³ Gas werden 1,5 kWh Strom und 8 kWh Wärme erzeugt. Die primärenergetische Bewertung der Wärme sieht dann wie folgt aus: 8 kWh verbrauchen 2,47 kg CO2 Abzüglich Stromgutschrift 1,02 kg CO2. Die kWh Wärme ist demnach mit 0,181 kg CO2 belastet und nicht mit 0,247 kg wie dies bei der direkten Verbrennung von Gas der Fall wäre. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Stromerzeugung Die Funktion eines Sterlingmotors basiert auf der Ausdehnung von Gasen. Die daraus resultierende Kraft wird vom Verdrängungskolben auf den Arbeitskolben übertragen. Dieser treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Der Sterlingmotor kann mit jeder Wärmequelle betrieben werden. Serienreif sind Stirlingmotoren in Kombination mit Parabolspiegeln. Sie nutzen mit relativ hohem Wirkungs-grad Solarenergie zur Stromerzeugung. In der jüngeren Vergangenheit werden Sterlingmotoren mit bekannten Wärmeerzeugern kombiniert. Der Motor wird in die Abgasleitungen von Heizkesseln (Holzkesseln) integriert, da diese hohe Abgastemperaturen aufweisen. Durch die Nutzung der Abwärme durch einen Stirlingmotor kann der Strombedarf für die Heizanlage (Hilfsenergie) zu einem Teil gedeckt werden. Auch in Kombination mit Wärmepumpen oder Kältemaschinen ist der Einsatz von Stirlingmotoren denkbar. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 27 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Zusammenfassung Die gleichzeitige Erzeugung von Strom- und Wärme bewirkt im Grunde eine effizientere Ausnutzung eines Rohstoffes. Allerdings ist dies nur der Fall, wenn gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt und dann auch genutzt werden können. Werden die Geräte nur „stromgeführt“ betrieben, wird die Wärme wie bei einem Kraftwerk als Abwärme entsorgt. Werden die Geräte „wärmegeführt“ betrieben, so muss der Strom, der dabei entsteht entweder genutzt oder gespeichert werden können. Modellhafte Überlegungen gehen davon aus, dass größere BHKWS zielgerichtet sozusagen von außen „zusammengeschaltet“ werden um bei Lastspitzen planmäßig Strom für das Gesamtnetz zu erzeugen. Nur dann kann u.U. das ein oder andere Kraftwerk durch dezentrale BHKWS ersetzt werden. Allerdings sollte die dann dabei entstehende Wärme ebenfalls genutzt bzw. gespeichert werden können. Ein interessantes Modell besteht auch darin, dass BHKWS während der Wärmeerzeugung die Batterie von Elektrofahrzeugen direkt aufladen. Das BHKW ist dann Heizung und „Tankstelle“ zugleich. Abb. Übersicht über unterschiedliche Systeme zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Wasserstoffnutzung Prinzip Eine neue Form der Energieerzeugung stellt die Nutzung von Wasserstoff mittels der Brennstoffzelle dar. Wasserstoff muss jedoch erst gewonnen werden, er ist als Rohstoff nicht direkt nutzbar. Er kann durch Wärmezufuhr aus Gas in dem so genannten Reformer gewonnen werden, sodass alle Gebäude mit Gasanschluss eine Brennstoffzelle installiert werden könnte. Eine Möglichkeit besteht in der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse. Bei diesem Verfahren, das durch Zufuhr von Strom realisiert wird, kann Solarenergie eingesetzt werden. Durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in der Brennstoffzelle entsteht dann wieder Strom und Wärme. Eine Brennstoffzelle ist deshalb auch ein BHKW. Das an sich sinnvolle Modell der Solarenergiespeicherung durch Wasserstofferzeugung im Sommer und Wasserstoffnutzung im Winter ist bisher durch die Schwierigkeit bei der Speicherung von Wasserstoff nur und auch wegen der damit verbundenen hohen Energieverluste nur eingeschränkt realisierbar. Wasserstoffgewinnung Abb. Der Elektrolyseur kann durch Stromzufuhr Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 29 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Brennstoffzelle Eine Form der gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff und Strom und Wärme stellt die Brennstoffzelle dar. Durch Zufuhr von Wärme wird in einem so genannten Reformer aus Gas Wasserstoff gewonnen. Der Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff - es entsteht Wärme und Strom. Dieses Prinzip ist aus dem Blockheizkraftwerk bekannt. Der Wirkungsgrad der Energienutzung ist aber hier um ca. 20 % besser als dies beim Blockheizkraftwerk der Fall ist. Aus einem m³ Gas werden 50 % Wärme und 30 % Strom erzeugt. Mit 2,47 kg CO2 werden also 5 kWh Wärme erzeugt, dabei werden dann Noch 3 kWh Strom erzeugt, also 2,05 kg CO2 nicht erzeugt (Stromgutschrift), Sodass die Wärmeerzeugung nur o,42 kg CO2 für 5 kWh also 0,84 kg CO2 Für 10 kWh benötigt werden. Dies ist deutlich weniger als dies bei der Direkten Verbrennung von Gas der Fall ist (10 kWh / 2,47 kg CO2 ). Wird dann das BHKW mit Biogas betrieben, so verläuft die ganze EnergieErzeugung vollkommen ohne Umweltbelastung. Abb. Schema einer Brennstoffzelle, die mit Erdgas betrieben wird. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Abb. Schema einer energieautraken Heizung beim Versuchshaus der FraunhoferGesellschaft in Freiburg 01 = Solarkollektoren 02 = Photovoltaik 03 = Batterie 04 = Elektrolyseur 05 = Sauerstofftank 06 = Wasserstofftank 07 = Brennstoffzelle 08 = Warmwasserspeicher (geladen durch Abwärme der Brennstoffzelle 09 = Wasserstoffherd 10= Lufterhitzung durch Verbrennung von Wasserstoff 11= Hochdämmende Hülle (Südwand mit TWD 12 = Vorerwärmung der Luft mit Erdkanal Die jeweils eingestrahlte Menge an Solarenergie wird mit unterschiedlichem Wirkungsgrad in nutzbare Energie umgesetzt: - Solarkollektoren: Photovoltaik: Wasserstoff: 50 % 10 – 14 % 3 % (davon 60 % Wärme und 40 % Strom). Insbesondere in den Wintermonaten kann der Betrieb des Hauses nur dann energieautark betrieben werden, wenn im Sommer der Wasserstoff erzeugt wird der dann im Winter in der Brennstoffzelle in Energieumgesetzt. ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 31 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Im Reformer wird unter Zufuhr von Wärme Wasserstoff aus dem Rohstoff Gas gewonnen. In der Brennstoffzelle reagiert der Wasserstoff mit Sauerstoff – es entsteht Reaktionswärme und Strom. Die Wärme wird zur Heizung und Warmwasserbereitung genutzt. Der Strom wird ins Netz eingespeist. Abb. Heizen mit Brennstoffzelle Quelle: BINE ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Zusammenfassung Energetische Bilanzierung Die Auswahl eines Heizsystems hängt von verschiedenen Kriterien ab: - Verfügbarkeit des Rohstoffes - Kosten der Investition - baulicher Standard - Möglichkeit der Nutzung von regenerativen Energiequellen Hinsichtlich der Umweltrelevanz ist Anlagentechnik dann effizient, wenn es im Vergleich mit anderen Systemen ein Minimum an Rohstoffen benötigt, um eine benötigte nutzbare Energiemenge zu erzeugen. Ökologisch effiziente Heizsysteme sind deshalb zunächst teurer. Durch den geringen Rohstoffverbrauch wird aber gerade bei steigenden Rohstoffpreisen diese Mehrinvestition in mehr oder weniger kurzen Zeiträumen wieder eingespielt. Positiv bewertet werden muss die Kraft-Wärme-Koppelung, die besonders dann intensiv genutzt werden kann, wenn die Transportwege für die Wärme kurz Sind und eine Verwertung der gleichzeitig entstehenden Wärme und Strom Möglich ist. Dies spricht für eine dezentrale siedlungsnahe Stromerzeugung. Die Nutzung von Biomasse spielt aufgrund der zur Verfügung stehenden Menge nur eine untergeordnete Rolle in der Resourcendiskussion. Abb. Bewertung von Heizsystemen nach Unterschiedlichen Gesichtspunkten. Quelle: Richarz, Schulz, Zeitler Energetische Sanierung Detail-Praxis ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 33 Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Links Heizkessel www.heiztechnik.buderus.de www.viessmann.de www.hoval.de www.wolf-systemprofi.de Wärmepumpen www.novelan.com www.stiebel-eltron.com www.hoval.de www.junkers.com www.ochsner.de www.waterkote.de www.dimplex.de www.exo-therm.com www.viessmann.de Blockheizkraftwerke www.senertec.de Stirlingmotor www.stirling-engine.de www.kfa-juelich.de Informationen über innovative Techniken zur Wärmeerzeugung (Wasserstofftechnik) www.hydrogeit.de Informationen zur Wasserstofftechnik www.bhkw-info.de Informationen über Blockheizkraftwerke www.zsw-bw.de Informationen über innovative Techniken www.waermepumpe-bwp.de Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpen www.carmen-ev.de Informationszentrum über nachwachsende Rohstoffe www.shk-portal.de Informative Seiten des Fachverbandes „Sanitär-Heizung-Klima“ ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Sommersemester 2012 / 6. Semester Modul 6.2. Ökologie II / Teilmodul Klimadesign Fragen 2.2.1 /01 Welche Wärmequelle eignet sich am besten für eine Wärmepumpe ? 2.2.1 /02 Welches Anlagensystem mit einer Wärmepumpe als Wärmeerzeuger nutzt besonders einfach solare Energie ? 2.2.1 /03 Was bedeuten die Begriffe - monovalent - monoenergetisch - bivalent 2.2.1 /04 Wie unterscheiden sich Leistungszahl (COP) und Jahresarbeitszahl bei einer Wärmepumpe? 2.2.1 /05 Wovon ist die Leistungszahl abhängig ? 2.2.1 /06 Wovon ist die Jahresarbeitszahl abhängig ? 2.2.1 /07 Wie ist die Jahresarbeitszahl bei der Wärmepumpe definiert ? 2.2.1 /08 Wie hoch sollte die Jahresarbeitszahl mindestens sein ? 2.2.1 /09 Welche Bauteile gehören zu einer Heizanlage ? 2.2.1 /10 Welcher Raum in einem Mehrfamilienhaus besitzt die größte Heizlast ? 2.2.1 /11 Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Heizlast und Heizenergieverbrauch ? 2.2.1 /12 Wie würde sich die Heizkörperfläche verändern, wenn Sie ohne Änderung des baulichen Konzeptes die Vor- / Rücklauftemperatur von 80/60°C auf 50/40°C absenken würden ? 2.2.1 /14 Unter welchen Bedingungen ist der Einsatz einer Wärmepumpe besonders effektiv ? 2.2.1 /15 Ist der Einsatz von Brennwertkesseln im Gebäudebestand sinnvoll ? 2.2.1 /16 Ist der Heizenergiebedarf größer oder kleiner als der Heizwärmebedarf ? 2.2.1 /17 Benötigt die Erwärmung von Wasser von 2°C auf 4°C mehr Energie wie die Erwärmung von 38 auf 40 Grad ? 2.2.1 /18 Welche Entwicklungsmöglichkeiten hat der Energieträger Gas ? 2.2.1 /19 Wie funktioniert die Brennstoffzelle ? 2.2.1 /20 Bietet die Brennstoffzelle eine Möglichkeit der ausschließlich regenerativen Energieerzeugung ? ______________________________________________________________________________________________________ Hochschule München 12. April 2012 Fakultät Architektur LB Dipl.-Ing. (FH) Franz Koller Seite: 35
