Thermodynamische Untersuchungen zur Kombination von

Masterarbeit
Thermodynamische Untersuchungen zur Kombination von
Solarthermie und Wärmepumpen für den dezentralen
Einsatz in Wärmenetzen
Vorgelegt von: Michael Sölkner, BSc
Matrikelnummer: 0940378
Betreuer:
DI David Wöss, DI Andreas Leitner und
Univ.Prof. DI Dr.techn. Tobias Pröll
Department für Materialwissenschaften und Prozesstechnik
Institut für Verfahrens- und Energietechnik
Wien, Dezember 2016
Eidesstaatliche Erklärung
Ich erkläre ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit, selbstständig und ohne fremde
Hilfe verfasst habe, andere als die angegebenen Quellen nicht benutzt, die den benutzten
Quellen entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe und dass diese Arbeit
mit der vom Begutachter beurteilten Arbeit übereinstimmt. Die Arbeit wurde bisher in
gleicher oder ähnlicher Form keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch nicht
veröffentlicht.
.................................................
Michael Sölkner
Wien, Dezember 2016
i
Vorwort und Danksagung
Die vorliegende Arbeit ist im Zuge eines Forschungsprojekts am Institut für Verfahrens
und Energietechnik auf der Universität für Bodenkultur entstanden. Am Projekt, das
den Namen „Bidirektionale Einbindung von Gebäuden mit Wärmeerzeugern in Wärmenetze 2+“ trägt, sind abgesehen von der Universität für Bodenkultur, Wärmepumpen-,
Solarkollektor- und Biomassekesselhersteller sowie diverse Dienstleistungsunternehmen
und Forschungseinrichtungen beteiligt. Der Fokus liegt auf der erfolgreichen Einbindung
von Wärmequellen (Solarthermie, Abwärme, Biomasse) in ein bestehendes Wärmenetz.
Neben der Mitarbeit an einem Forschungsprojekt lag meine Motivation vor allem darin,
aufzuzeigen, dass Wärmequellen (Wärmepumpe und Solarthermie) voneinander profitieren können, diese entweder gemeinsam oder auch jede für sich, hohe Wärmeerträge liefern
und in der Lage sind, in Wärmenetze einzuspeisen.
Ich möcht allen danken, die am Entstehen dieser Arbeit mitgewirkt haben.
Besonders danke ich Univ.Prof. DI Dr.techn. Tobias Pröll und DI David Wöss, die mich,
obwohl sie mich als Student nicht kannten, an diesem Projekt mitarbeiten ließen und
mich optimal mit ihrem fundierten thermodynamischen Wissen unterstützten.
DI Andreas Leitner möchte ich für seine ruhige und kompetente Art, mit der er meine
gesamte Arbeit begleitet hat, und vor allem auch für die kritischen Inputs und Ergänzungsvorschläge zu meiner Arbeit danken.
Ein besonderes Dankeschön geht auch an meine Eltern, die mir diesen zweiten Bildungsweg ermöglicht haben.
Ohne die vielfältige Unterstützung und Motivation durch meine Freundin Judith wäre
diese Arbeit nicht möglich gewesen. Ihr und unserer gemeinsamen Tochter Alma widme
ich diese Arbeit.
ii
Kurzfassung
In der folgenden Arbeit werden Wärmepumpen, solarthermische Anlagen und Wärmenetze in Verbindung gebracht und im Stil der Nomografie miteinander verknüpft. Für
diese Darstellungsform werden unterschiedliche Kollektoren modelliert. Vom einfachen
Schwimmbadabsorber bis hin zum hocheffizienten Vakuumröhrenkollektor. Die Temperaturhebung durch die Wärmepumpe fließt mit drei unterschiedlichen Kältemitteln in das
Nomogramm mit ein. Das Wärmenetz wird in dieser Kombination mit einem festgelegten
Vorlauftemperaturniveau betrachtet.
Alle Modellierungen werden mit dem Prozesssimulationsprogramm IPSEpro durchgeführt. Mit den beschriebenen Parametern werden in dieser Arbeit verschiedene Szenarien
im Nomogramm dargestellt, darunter ein Praxisbeispiel eines regionalen Fernwärmenetzes.
Durch das Nomogramm lassen sich unterschiedliche Kältemittel und Kollektoren abbilden, sowie logisch und anschaulich miteinander verknüpfen. Auch Flächenertragssteigerungen können aus dieser Darstellung abgeleitet werden. Durch die Einbindung der Wärmepumpe, liegen die gesteigerten Flächenerträge im Schnitt bei 23%. Darüber hinaus
lässt sich, der aus thermischem Kollektor, Wärmepumpe und -netz bestehende „Anlagen
COP“ (Coeffizient of Performance) und die in diesem Verband optimale Kollektortemperatur berechnen.
Im Hinblick auf die Flächenertragssteigerungen kann festgestellt werden, dass diese bei
niedrigen Kollektortemperaturen steigen. Dies führt zwar zu einem schlechteren COP der
Wärmepumpe, jedoch zu einem gesteigerten Anlagen COP. Hinsichtlich optimaler Kollektortemperatur mit eingebundener Wärmepumpe zeigt sich, dass diese unabhängig von
Kollektorart und Einstrahlung ist. Für den Fall einer Temperaturanhebung der Wärmepumpe auf 75°C, liegt die optimale Kollektortemperatur aller betrachteten Kollektoren
zwischen 49 und 50°C.
Darüber hinaus wird gezeigt, dass vor allem ältere Kollektoren von einer Wärmepumpeneinbindung profitieren können.
Schlagwörter: Kältemittel; Wärmenetz; thermischer Kollektor; Wärmepumpe; Nomogramm
iii
Abstract
In the following work, heat pumps, solar thermal collectors and district heating networks
are connected and linked using nomography. Different collectors - from simple pool absorbers to highly efficient vacuum tube collectors - are modelled for this representation.
The temperature elevation through the heat pump is reflected in the nomogram for three
different refrigerants. The heating network is considered in this combination with a fixed
forward flow temperature level.
All modelling is done with the process simulation program IPSEpro. With the parameters
described in this thesis, various scenarios are presented in the nomogram, including a
practical example of a regional district heating network.
The nomogram can be used to map different refrigerants and collectors logically and
graphically. Also, the area yield increases can be derived from this representation. Due
to the integration of the heat pump, the increased surface yields are on average 23%. In
addition, the "cooperative COP" (Coefficient of Performance) and the optimal collector
temperature in this assembly can be calculated from thermal collector, heat pump and
network.
With regard to the area yield increases, it can be said that these rise at low collector
temperatures. This leads to a poorer COP of the heat pump, but to an yield cooperative
COP. With regard to the optimum collector temperature with an integrated heat pump,
it can be seen that this is independent of the collector type and irradiation. In the case
of a temperature rise by the heat pump to 75°C, the optimum collector temperature of
all the collectors under consideration is between 49 and 50°C.
In addition, it is shown that older collectors in particular might benefit from a heat pump
connection.
Keywords: refrigerent; district heating; thermal collector; heat pump; nomogram
iv
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1
2. Thermodynamische Grundlagen
2.1. Nullter Hauptsatz der Thermodynamik .
2.2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik .
2.3. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
2.4. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik .
2.5. Exergie und Anergie . . . . . . . . . . .
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3. Fernwärmenetze
3.1. Geschichte der Fernwärmenetze . . . . . .
3.2. Aufbau von Fernwärmenetzen . . . . . . .
3.2.1. Betriebsweisen . . . . . . . . . . .
3.2.2. Effizienzsteigerung Fernwärmenetz
3.3. Möglichkeiten der Wärmeeinspeisung . . .
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4. Solarthermie
4.1. Geschichte der Solarthermie . . . . . . . . .
4.2. Stand der Technik solarthermischer Anlagen
4.2.1. Solarstrahlung . . . . . . . . . . . .
4.2.2. Sonnenstand und Neigungswinkel . .
4.2.3. Funktionsprinzip aktiver Systeme . .
4.2.4. Bauteile und deren Aufgabe . . . . .
4.2.5. Kollektorausführungen . . . . . . . .
4.3. Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5. Wärmepumpen
5.1. Geschichte der Wärmepumpen . . . . . . . . . .
5.2. Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1. Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2. Wichtige Kennzahlen von Wärmepumpen
5.2.3. Eigenschaften von Kältemitteln . . . . . .
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6. Modellierung und Simulation
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6.1. Systemgrenzen und Berechnungsgrundlagen der Kollektoren . . . . . . . . 40
6.2. Systemgrenzen und Berechnungsgrundlagen der Kältemittel und Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
I
Inhaltsverzeichnis
7. Ergebnisse und Berechnungen
7.1. Exergetische Betrachtung der Kollektoren . . . . . . . . . .
7.2. Thermodynamische Betrachtung der WP-Technologie . . . .
7.3. Kombination Solarthermie und Wärmepumpe . . . . . . . .
7.3.1. Aufbau und Funktion eines Nomogramms . . . . . .
7.3.2. Solarkollektoren und Wärmepumpe im Nomogramm
7.3.3. Szenarien im Nomogramm . . . . . . . . . . . . . . .
7.4. Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5. Anlagen COP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8. Diskussion und Ausblick
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53
53
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65
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A. Anhang
A.1. Datenblatt Vakuumröhrenkollektor mit CPC . . . . . . . . . . . . . .
A.2. Datenblatt Flachplattenkollektor einfach verglast . . . . . . . . . . . .
A.3. Datenblatt Schwimmbadabsorber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.4. Datenblatt Flachplattenkollektor doppelt verglast . . . . . . . . . . . .
A.5. Datenblatt Vakuumröhrenkollektor ohne CPC (OEM 21) . . . . . . . .
A.6. Datenblatt Flachplattenkollektor Großschönau . . . . . . . . . . . . . .
A.7. Kollektoreinstellung im IPSEpro (Flachplattenkollektor MEA Quattro)
A.8. Wärmepumpenprozess im IPSEpro (R134a) . . . . . . . . . . . . . . .
A.9. Hydraulikschema Großschönau [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II
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i
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i
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. iv
. v
. vi
. vii
. viii
. ix
Nomenklatur
AAp
ARise
ȦQ
BT ( )
c
c0
c1
Aperturfläche
h
m2
i
i
h
Gesteigerter Flächenertrag m2
h i
Anergiestrom J
s
i
h
W
Spektrale Ausstrahlung
2
PK
Kompressorleistung [W ]
pK
Kritischer Druck [bar]
Q
Wärme [J]
Q̇
Wärmestrom
Lichtgeschwindigkeit
h i
3E 8 m
s
Q̇Ab
Abgegebener Wärmestrom [kW ]
Konversionsfaktor [ ]
Q̇Abs
Absorbierter Wärmestrom
Wärmerverlustkoeffizient erster
i
h
W
Ordnung
2
Q̇F W,ohneW P
Wärmestrom bei
m nm
Kollektoreffizienz zweiter Ordnung
h
i
Q̇F W,mitW P
Zeitgleichung [min]
Q̇Konv
W
m2 K
cp
E
h
Wärmekapazität
J
K
i
J
s
Direkteinspeisung
m K
c2
h
i
Q̇N utz
h
Ė Auf wand
Ė Chem
Energiebedarf pro Jahr [kW h]
h i
Aufgewendeter Exergiestrom J
s
h i
Chemische Exergie J
s
Ė Ges
Gesamtexergie
Ė Dif f
Diffusstrahlung
Ė Dir
Direktstrahlung
h
J
s
h
h
i
W
m2
W
m2
Q̇Koll
i
i
Wärmestrom bei Einspeisung mit
i
h
Wärmepumpe W2
m
i
h
Nutzwärmemenge kJ
s
Konvektiver Wärmeverluststrom
h
i
Wärmestrom Kollektor
h
W
m2
h
Wärmemenge Kollektor
qT h
Volumetrische Heizleistung
h
i
h
W
m2
i
W
m2
Q̇_Solar
J
m3
i
W
m2
i
W
m2
kJ
s
Eannual
h
i
i
Q̇_Total
Gesamtwärmemenge
Q̇V
Wärmeverluststrom [W ]
QW P
Von der Wärmepumpe innerhalb
eines Jahres abgegebene
Wärmemenge [kW h]
EKin
Kinetische Energie [J]
Ė N utz
Genutzter Exergiestrom
EP ot
Potentielle Energie [J]
h i
Exergiestrom J
s
h i
Exergie der Abwärme J
s
h i
Exergie der Nutzwärme J
s
h i
Thermische Exergie J
s
E˙Q
Ė QA
ĖQN
Ė T h
eT h
ĖV erlust
Q̇N utz
h
h2
h
J
s
Q̇Zu
i
Spezifische thermische Exergie
h i
Exergieverlustsrom J
s
s
S
SQ
h
J
kg
i
Zugeführter Wärmestrom [kW ]
h
i
Spez. Entropie
h i
J
Entropie K
Entropiestrom
J
kgK
h
W
K
i
T
Temperatur [°C]
TA
Kollektoraustrittstemperatur [°C]
TAbs
Absorbertemperatur [K]
TE
Kollektoreintrittstemperatur [°C]
TC
Kondensationstemperatur [K]
Kollektornutzleistung [W ]
tK
Kritische Temperatur [°C]
Plancksches Wirkungsquantum
h i
6, 6E 34 J
s
i
h
kJ
Enthalpie nach Verdampfer kgK
TKoll
Kollektortemperaur[°C]
TKoll,V L,Opt
Optimale
III
Kollektorvorlauftemperatur [K]
h3
h4 , h5
IIn
IAbs
Ihv
Enthalpie nach Verdichter
h
Enthalpie nach Kondensator
i
h
Einstrahlung W2
m
Absorbierte Strahlungsstärke
i
h
kJ
kgK
h
W
m2
i
i
Genutzte Einstrahlung des Kollektors
h
i
W
m2
IE
kJ
kgK
Emittierte Strahlungsstärke
h
W
m2
h
i
W
m2
IRef l
Reflektierte Strahlungsstärke
IT rans
Durchgelassene Strahlungsstärke
h
i
TKoll,out
Kollektoraustrittstemperatur [K]
TN
Nutztemperatur [K]
TO
Temperatur der Wärmequelle [K]
TRL
Rücklauftemperatur [K]
TU
Umgebungstemperatur [K]
tSenke
Senkentemperatur Wärmepumpe
[°C]
i
TV
Verdampfungstemperatur [K]
TV L
Vorlauftemperatur [K]
4T
Temperaturdifferenz [K]
U
Innere Energie [J]
i
h
Volumen m3

3
Spez. Volumen m
kg
W
m2
k
L⇤
Boltzmannkonstante
h i
J
1, 38E 23 K
Jährliche Leckagerate im System [kg]
m
Masse [kg]
ṁ
Massenstorm
V
N
Stoffmenge [mol]
h
kg
s
i
V̇ 0
v2
N⇤
Lebensdauer des Systems [Jahre]
W
p
Druck [bar]
WEl
PEL
Der Wärmepumpe innerhalb eines
Jahres zugeführte elektrische Arbeit
Spezifisches Volumen nach
i
h
Verdampfer m3
Arbeit [J]
Elektrische Arbeit [kW h]
Carnot Faktor [ ]
T
(1- TU
)
[kW h]
PEl
Verdichterleistung [W ]
Griechische Symbole
↵
Absorptionsgrad [%]
⌘
Kollektorwirkungsgrad [%]
↵S
Sonnenhöhenwinkel [°]
⌘opt
Optischer Wirkungsgrad [%]
Breitengradwinkel [°]
⌘⇤
Betriebszeit des Systems [Jahre]
Jahresarbeitszahl [ ]
⇤
CO2 Emissionen pro kWh
Deklinationswinkel [°]
h
g
kW h
i
⇥Z
Zenitwinkel [°]
Wellenlänge [nm]
⇢
Azimutwinkel [°]
Reflexionsgrad [%]
Stefan-Boltzman-Konstante
h
i
W
5, 67E 8
2
4
m ⇤K
Sonnen Azimutwinkel [°]
⇣
"Carnot
Carnot Wirkungsgrad [ ]
⌧
Transmissionsgrad [%]
"KM
Leistungszahl der Kältemaschine [ ]
!
Stundenwinkel [°]
"W P
Leistungszahl der Wärmepumpe [ ]
⌦
Stagnationspunkt [ ]
S
IV
Exergetische Wirkungsgrad [ ]
Breitengradwinkel [°]
Abkürzungen
AM
air mass
GWP
Global Warming Potential
ASHRAE
American Society of Heating,
HAST
Hausanschlussstation
ICPC
integrated compound parapolic
Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers, Inc.
CHP
combined heat and power
collector
COP
coeffizient of performance
IPSE
Process Simulation Enviroment
CO2
Kohlendioxid
ISO
International Organization of
Standardization
CPC
compound parabolic concentrator
ICPC
integrated compound parabolic
collector
DIN
Deutsches Institut für Normung
KWK
EE
Erneuerbare Energien
ODP
Kraft Wärme Kopplung
Ozone Depletion Potential
EHPA
european heat pump association
ÖNORM
Österreichische Normen
ETC
evacuated tube collector
RL
Rücklauf
EU
Europäische Union
TEWI
Total Equivalent Warming
Impact
FPC
flat plate collector
VL
Vorlauf
GWT h
Gigawatt thermische Leistung
WP
Wärmepumpe
WÜST
Wärmeübergabestation
V
1. Einleitung
Für viele Menschen drückt der Begriff Wärme Wohlbefinden, Behaglichkeit oder Gemütlichkeit aus. Wärme wird von uns Menschen unterschiedlich wahrgenommen. In den
Naturwissenschaften wird unter Wärme eine Energieform verstanden, die umwandelbar
ist und über ihre Temperatur messbar wird. Ob in den eigenen vier Wänden oder in der
Technik, das Temperaturniveau der Wärme ist von wesentlicher Bedeutung.
Die Energienutzung der Menschheit in Form von Feuer für Licht und Wärme reicht etwa
bis 400.000 Jahre v. Chr. zurück. Als der Mensch mit dem Ackerbau begann, nutzte er die
Muskelkraft der Nutztiere, die auch eine Energieform darstellt, um die Böden zu bearbeiten. Im Mittelalter wurde die Wind- und Wasserkraft genutzt, um Mühlen anzutreiben.
Diese technischen Energienutzungen bewirkten Arbeitserleichterungen und Produktivitätssteigerungen, und brachten Wohlstand und Macht für die Nutzungsberechtigten.
Mit den technischen Errungenschaften wuchs auch die Weltbevölkerung immer schneller an. Zuletzt ist in nur einer Generation die Anzahl der Gesamtbevölkerung um zwei
Milliarden gestiegen, wobei global mittlerweile schon mehr Menschen im urbanen als ruralen Bereich leben (EU 73,4%). Damit einhergehend wuchs auch der Energieverbrauch
stark an. Die unmittelbaren Folgen sind ein steigender CO2 -Ausstoß und ein damit verbundener Anstieg des Meeresspiegels, Abbau der Ozonschicht, Zunahme von extremen
Wetterereignissen und vielem mehr [2].
Um die nötige Energie für die Wirtschaft sicherzustellen und die negativen Umweltfolgen zu minimieren, sind nicht nur der Ausbau erneuerbarer Energieträger zu forcieren,
sondern auch der Energieverbrauch zu senken und die Energieeffizienz zu erhöhen. Die
EU verankerte dies in den 2020 EU-Klimazielen. Auch Österreich verpflichtete sich bis
zum Jahr 2020 den Anteil an erneuerbaren Energien auf 34% zu erhöhen, den energetischen Endverbrauch auf 1.100 PJ zu begrenzen und die Treibhausgase um 16% im
Effort-Sharing-Bereich zu reduzieren. Darüber hinaus wurden seitens der EU noch die
Energy Roadmap 2050 (Decarbonisierungsziel von 80% - Basisjahr 1990) und die Energy
Strategy 2030 (Senkung der Treibhausgasemissionen um 40% - Basisjahr 1990; Anteil EE
auf 27% steigern; Energieeffizienz um 27% steigern) verabschiedet [3, 4]. Darüber hinaus
wurde bei der 21. Klimakonferenz in Paris das erste verbindliche Abkommen verabschiedet, welches die globale durchschnittliche Erwärmung im Vergleich zur vorindustriellen
Zeit auf 1,5°C begrenzen soll [5].
Einen nicht unwesentlichen Beitrag, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren sowie die
Energieeffizienz zu steigern, kann der Ausbau der Fernwärme und Fernkälte spielen. Mit
rund 200.000 km Leitungslänge und etwa 6000 unterschiedlichsten Systemen in Europa sind Fernwärmenetze zwar keine neue Technologie, haben aber für eine nachhaltige
Entwicklung im Form von Wärme- und Energiespeicherung großes Potential.
1
1. Einleitung
Aufgrund klimatischer Bedingungen ragt hier vor allem der skandinavische und baltische
Raum mit einem Vernetzungsgrad von 40-60% heraus. Demgegenüber weisen die südlichen Regionen Europas weitaus niedrigere Vernetzungsgrade auf. In der gesamten EU
liegt der Marktanteil der Fernwärme für Gebäude bei 13%. In Österreich werden etwa
22% aller Wohnungen von Fern-/ Nahwärme beheizt [6]. Der Großteil der Gebäude wird
aber nach wie vor noch durch hauseigene Heizkessel, welche mit fossilen Brennstoffen
beheizt werden, versorgt [7].
Der Bedarf an Wärme steigt kontinuirlich an. Sei es in der Industrie in Form von Prozesswärme oder im eigenen Wohnraum als Raumwärme und Warmwasser. Gleichzeitig werden
Fernwärmenetze immer weiter ausgebaut um diese benötigte Wärme vom Produzenten
zum Konsumenten zu transportieren. Auch hier ist das Temperaturniveau entscheidend.
Denn je tiefer dieses liegt, desto niedriger sind die Verluste und umso heterogener ist die
Anzahl an potentiellen Wärmeeinspeisern.
Im Bereich der Wärmeerzeugung und -verteilung sind die Potentiale zur Treibhausgasminimierung und Effizienzsteigerung bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Unterschiedlichste Studien belegen, dass hierfür die Fernwärme eine wichtige Rolle spielen kann und
die Technologie weiter entwickelt werden müsste [8].
Nach [Lund 2014] [8] sollten Synergieeffekte verschiedener Technologien genutzt werden,
wie etwa die Vernetzung erneuerbarer Energien, die bei Überproduktion Kraft-WärmeKopplungsanlagen (KWK) versorgen, oder die Integration lokaler Wärmespeicher, die
das saisonale Dargebot solarthermischer Anlagen auffangen oder auch die Verwendung
von Wärmepumpen zur effizienteren Nutzung industrieller Abwärme.
Die von Lund erarbeitete Abbildung 1.1 zeigt, dass die Versorgung der Wärmenetze
anfänglich mittels fossilen Brennstoffen geschah und das Netz mit Temperaturen über
200°C betrieben wurde. Durch Senkung der Netztemperatur war es im Laufe der Zeit
möglich, auch erneuerbare Energieträger in Fernwärmenetze zu integrieren. Angestrebt
werden von Lund Temperaturen von etwa 70°C. Dadurch werden die Wärmeverluste
im Netz reduziert sowie die Bandbreite der potentiell einsetzbaren Wärmeproduzenten
erhöht [8, 9, 10].
Aufgrund sinkender Strompreise wird es immer attraktiver Wärme, mittles elektrisch
betriebener Wärmepumpen, von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau zu
heben. Hier ist der Temperaturunterschied von wesentlicher Bedeutung. Denn je geringer
dieser ist, desto kosteneffizienter können Wärmepumpen betrieben werden.
Mit einer Oberflächentemperatur von 5777K bildet die Sonne nicht nur das Zentrum
unseres Sonnensystems sondern liefert mit einer Sonnenenergie von 1, 56E 18 Kilowattstunden pro Jahr, mehr Energie, als der weltweite Bedarf an Primärenergie im Jahr
2005 war [11]. Somit würde sich die solare Wärmebereitstellung einer fast „unerschöpflichen“ Ressource bedienen. Lokal natürlich mit tages- beziehungsweise jahreszeitlichen
Schwankungen, global aber konstant als Primärenergieträger vorhanden. Mittels thermische Kollektoren kann die einfallende Strahlung in Wärme umgewandelt werden. Die
Herausforderung der Wärmebereitstellung thermischer Kollektoren liegt vor allem darin,
kontinuierlich Wärme auf einem bestimmten Temperaturniveau bereitzustellen.
2
1. Einleitung
Abbildung 1.1.: Illustration des Konzepts der 4. Generation Fernwärme im Vergleich zu
den vorherigen drei Generationen. [8]
Die Warmwasserbereitung mittels thermischer Kollektoren ist nicht nur im industriellen
sondern auch im häuslichen Bereich weitverbreitet. Im Jahr 2010 nutzten weltweit 70
Millionen Haushalte diese Art der Warmwasseraufbereitung [12]. Ebenso beim Einsatz
der Wärmepumpen verzeichnet die EHPA (european heat pump association) einen europaweiten Anstieg der verbauten Einheiten. Nach einem Bericht der EHPA waren 2008,
156.482 Wärmepumpen im Einsatz. Mit dieser Anzahl war es möglich, 1210 GWh der
Umgebungswärme nutzbar zu machen und dadurch 497.297 Tonnen an CO2 einzusparen
[13].
Ausgehend von der hier in der Einleitung vorgestellten Abbildung 1.1 von Lund entwickelte sich das Interesse kleinerer Wärmeproduzenten, wie thermische Kollektoren in
Kombination mit Wärmepumpen, auf ihre Potentiale hinsichtlich der Einspeisung in
Wärmenetze zu untersuchen.
3
1. Einleitung
Aus dem Zusammenspiel von Wärmepumpe, thermischen Kollektoren und
Wärmenetzen ergeben sich für diese Arbeit folgende Fragestellungen:
• Wie ist der Stand der Technik von Fernwärmenetzen, Solarthermie und Wär-
mepumpen?
Für diese Fragestellung sollen zunächst thermodynamische Grundlagen erarbeitet werden, die die vier Hauptsätze der Thermodynamik beinhalten. Im Fall der Wärmenetze
sollen Einspeisemöglichkeiten, Effizienzsteigerungen und der grundsätzliche Aufbau beleuchtet werden. Für die Solarthermie wird das Funktionsprinzip erarbeitet, einzelne Kollektorarten beschrieben, sowie der Neigungswinkel zur Sonne beleuchtet. Abschließend
wird das Funktionsprinzip der Wärmepumpe erarbeitet und ausgewählte Kältemittel betrachtet.
• Welches Verhalten zeigen die solarthermischen Kollektoren und die einzelnen
Kältemittel im Simulationsprozess?
Hier soll der theoretische Einsatzbereich der Kollektoren gezeigt werden sowie deren
Erträge und bei welcher Temperatur und Einstrahlung sich das exergetische Optimum
ergibt. Im Fall der Kältemittel wird der COP bei unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen grafisch veranschaulicht und im Anschluss in einem gemeinsamen T-s Diagramm
dargestellt.
• Welche Möglichkeit gibt es, solarthermische Kollektoren mit Wärmepumpen
miteinander zu verknüpfen?
Im Detail soll hier ein Konzept erarbeitet werden, die Ergebnisse der Kollektoren mit
denen der Wärmepumpe miteinander so darzustellen, dass daraus etwaige Ertragssteigerungen dieser Technologien abzulesen sind.
• Ist eine Kopplung dieser Technologien sinnvoll?
Gibt es Einsatzgrenzen und für welche Anlagen bzw. Betriebspunkte ist die Kombination dieser Technologien geeignet? Können Wärmepumpen und solarthermische Anlagen
voneinander profitieren?
• Wo liegen die optimalen Kollektortemperaturen?
Hier wird die optimale Kollektortemperatur im Kollektor-Wärmepumpenverband gesucht.
4
2. Thermodynamische Grundlagen
Hier soll zunächst ein Überblick über wichtige Kenngrößen der Thermodynamik gegeben
werden. Es werden die wesentlichen Charakteristika der thermodynamischen Hauptsätze
erklärt und im Zuge dessen wird ein kurzer geschichtlicher Überblick gegeben.
Der Begriff Thermodynamik stammt aus dem 19. Jahrhundert. Thermo bedeutet „Wärme“ und Dynamik „Bewegung“. Es ist somit die Lehre von der bewegten Wärme. Eingeführt wurde er vom Ingenieur-Offizier Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1832). Von
ihm stammt auch der noch heute gültige zweite Hauptsatz der Thermodynamik [14].
Zusammen mit dem nullten, ersten und dritten Hauptsatz beschreibt er ein universelles Naturgesetz. Die ersten drei Hauptsätze beruhen auf Erfahrungssätzen. Sie können
nicht bewiesen, aber auch nicht widerlegt werden (erfahrungsbasiertes Wissen). In der
folgenden Tabelle 2.1 sind diese Axiome grob umrissen [15, 16].
0.
1.
2.
3.
Tabelle 2.1.: Die vier Hauptsätze der Thermodynamik [15].
Axiom
Neuer Begriff
Neuer Begriff
Hauptsatz
Temperatur
Thermisches Gleichgewicht
Hauptsatz
Energie
Energieerhaltung
Hauptsatz
Entropie
Natürliche Richtung eines Prozesses
Hauptsatz Absolutwert der Entropie
Mikroskopische Theorien
Die Hauptsätze verlaufen in der Thermodynamik in sogenannten „Systemen“. Ein System wird von „Systemgrenzen“ umschlossen. Innerhalb befindet sich das System und
außerhalb die Umgebung. Das System kann in drei Formen unterteilt werden:
• Abgeschlossenes (isoliertes) System: Hier kann weder Masse (m) noch Wärme (Q)
mit der Umgebung ausgetauscht werden. Ein abgeschlossenes System kann in der
Realität nicht erreicht werden. Es müsste eine unendlich große Wärmeisolation
aufweisen um einen Austausch von Wärme mit der Umgebung zu verhindern.
• Geschlossenes System: In diesem System können Energien (z.B. Wärme oder Arbeit) über die Systemgrenzen ein- und austreten. Für Masse ist die Systemgrenze
undurchlässig.
• Offenes System: Charakteristisch für dieses System ist, dass Masse und Energie
über die Systemgrenzen hinweg ein- und austreten können [16, 17].
Die Abbildung 2.1 veranschaulicht die thermodynamischen Systeme anhand von Beispielen. Das geschlossene System zeigt einen Zylinder, der mit Gas gefüllt ist und durch einen
Kolben verschlossen ist. Durch Anschalten einer elektrischen Heizung wird dem System
5
2. Thermodynamische Grundlagen
Wärme zugeführt. In Folge einer Kolbenbewegung kommt es zu einer Arbeitszu oder
-abfuhr. Das offene System wird durch eine Gasflasche mit geöffnetem Ventil (Massenstrom tritt über die Systemgrenze aus) veranschaulicht. Wäre das Ventil geschlossen und
die Gasflasche unendlich gut isoliert, käme dies einem abgeschlossenem System gleich
[16].
Abbildung 2.1.: Thermodynamische Systeme [16].
In solchen Systemen werden physikalische Größen als „Zustandsgrößen“ bezeichnet. Man
unterscheidet „extensive“ und „intensive“ Zustandsgrößen. Intensive Zustandsgrößen sind
von der Stoffmenge unabhängig. Extensive Zustandsgrößen sind hingegen von der Stoffmenge abhängig. Wesentliche extensive Zustandsgrößen sind Volumen (V), Masse (m)
und Stoffmenge (N). Intensiver Natur sind Druck (p) und Temperatur (T). Verlaufen die
Größen von einem Anfangs- zu einem Endzustand spricht man von einer Zustandsänderung. Laufen mehrere Zustandsänderungen nacheinander ab, so spricht man von einem
Prozess [16]. Bleibt etwa die Zustandsgröße Druck konstant, handelt es sich um eine
isobare Zustandsänderung [14].
Zustandsänderung
Zustandsgröße
Isobare
p. . .konstant, T, v ändern sich
Isotherme
T . . .konstant, p, v ändern sich
Isochore
V . . .konstant, p, T ändern sich
Isenthalpe
h. . .konstant, p, v, T ändern sich
Isenthrope
s. . .konstant, p, v, T ändern sich
Abbildung 2.2.: Links: T-s und h-s Diagramm Idealer Gase mit Isenthalpen, Isentropen, Isobaren, Isochoren und Isothermen [18]. Rechts: Verhalten von Zustandsgröße und Zustandsänderung (abgeänderte Darstellung [19]).
6
2. Thermodynamische Grundlagen
2.1. Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
Aus Tabelle 2.1 ist ersichtlich, dass die Temperatur dem Konzept eines thermischen
Gleichgewichtes unterliegt. Folgende allgemeine Definition könnte diesen Umstand nicht
besser beschreiben: Sind zwei Körper jeweils mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht, so sind sie auch untereinander im thermischen Gleichgewicht und haben die gleiche
Temperatur [17]. In der Literatur wird dieser Hauptsatz auch als „Satz von der Existenz
der Temperatur“ benannt [20].
Abbildung 2.3.: Thermisches Gleichgewicht zwischen dem System A, B und C (abgeänderte Darstellung [14]).
2.2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Begründer dieses Axioms ist Julius Robert von Mayer (1814-1878). Er erweiterte den
ersten Hauptsatz mit der Einführung des Begriffs Wärme als eine Form der Energie. In
einem thermodynamischen System besitzt eine extensive Zustandsgröße Energie (EGes ).
Die folgenden Energiearten sind Teil dieser Systemenergie:
• potentielle Energie,
• kinetische Energie und
• die innere Energie
EGes = U + EKin + EP ot
(2.1)
Die innere Energie kommt in einem geschlossenen System durch die Energiezuführung in
Form von Wärme und Arbeit zustande. Im offenen System hingegen wandelt sich die als
Wärme und Arbeit zugeführte Energie in Enthalpie, kinetische- und potentielle Energie
um [20].
Betrachtet man die innere Energie U, so wird klar, dass sie durch Umformung die Energie
eines ruhenden Systems beschreibt.
U =E
EKin
EP ot
(2.2)
Diese Gesamtenergie kann in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet werden. Dieses Phänomen beschreibt der Energieerhaltungssatz. Jedoch kann sich die
7
2. Thermodynamische Grundlagen
Energie in einem System durch einen Energietransport über die Systemgrenze hinweg ändern. Formen dieses Energietransports sind:
• das Verrichten von Arbeit,
• der Übergang von Wärme und
• der Transport von Materie [14, 16].
2.3. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Aufbauend auf den Arbeiten von Carnot fügte Rudolf Julius Emanuel Clausius (18181888) eine weitere extensive Zustandsgröße ein, die Entropie. Sie ist ein essentieller Baustein für den Ablauf von thermodynamischen Prozessen. Diese Systementropie kann sich
ändern, indem eine Stoffmenge oder Wärme zu- oder abgeführt wird. Analog zum ersten
Hauptsatz errechnet sich auch die Gesamtentropie aus einzelnen Teilentropien:
S = SA + SB + SC + . . .
(2.3)
Wie im ersten Hauptsatz Energie, kann im zweiten auch Entropie nicht vernichtet, wohl
aber erzeugt werden. Um diesen Prozess besser verständlich zu machen, muss ein neues
Begriffspaar erklärt werden, die Reversibilität und Irreversibilität.
Reversible Prozesse kennzeichnen sich dadurch, dass sie den Anfangszustand wieder erreichen, ohne dass Veränderungen in ihrer Umgebung eintreten. Als Veränderung wären
Reibung, Verformungen am Bauteil oder ähnliches anzuführen. Dadurch entstehen Formveränderungsarbeiten, die nicht mehr zurückgewonnen werden können. Diese Erscheinungsform wird als Dissipationsarbeit oder dissipativer Effekt bezeichnet. Da bei allen
natürlichen Prozessen dieser Effekt auftritt, ist die Reversibilität nur ein Grenzfall des
wirklich vorkommenden irreversiblen Ablaufs. Aufgrund dieser Irreversibilität und dem
damit verbundenen dissipativen Effekt ist es möglich, im Inneren eines Systems Entropie zu erzeugen. Dem zweiten Hauptsatz unterliegt somit, dass sich der Entropiestrom
Ṡ Q = Q̇
T aus dem Wärmestrom Q und der thermodynamischen Temperatur T errechnet.
Im Gegensatz zur Irreversibilität ist bei reversiblen Prozessen die Entropieproduktion
gleich null.
Im Wesentlichen behandelt der zweite Hauptsatz Ausgleichsprozesse. Alle Prozesse unterliegen ihm, die ohne Energiezufuhr, somit von selbst ablaufen und nach einer bestimmten
Zeit zu einem Ausgleich (Temperatur, Geschwindigkeit, ...) finden [14, 17, 16]. Des weiteren macht dieser Hauptsatz Aussagen zur Richtung von Prozessen in Systemen [20]. Eine
theoretische Verletzung dieses Prozesses wäre der von James Clark Maxwell (1831-1879)
erdachte Maxwellsche Dämon.
Im Random House Dictionary of the English language wird der Maxwellsche Dämon so
umschrieben:
A hypothetical agent or device of arbitrarily small mass that is considered to admit or
block selectively the passage of individual molecules from one compartment to another
8
2. Thermodynamische Grundlagen
according to their speed, constituting a violation of the second law of thermodynamics
[21].
Maxwell geht in einem Gedankenexperiment davon aus, dass zwei mit demselben Gas
gefüllte Gefäße mit einer reibungsfrei verschließbaren Klappe miteinander verbunden
sind. Zu Beginn weisen beide Gefäße dieselbe Temperatur (gleiche Geschwindigkeit der
Gasmoleküle) auf. Nun lässt der Dämon durch Öffnen der Klappe alle schnellen Moleküle
in das eine und alle langsamen Moleküle in das andere Gefäß. Nach einer bestimmten Zeit
würde sich somit die Temperatur in dem einen Gefäß erhöhen und im anderen sinken,
ohne dass Arbeit geleistet wurde. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wäre
dies aber ein klarer Widerspruch [21, 16].
Die Konsequenz aus dem Maxwell-Experiment ist, dass der Dämon keine Informationen
über die langsamen und schnellen Moleküle hat. Hätte der Dämon Informationen über
die Teilchen würde sich seine Entropie erhöhen.
Abbildung 2.4.: Der Maxwellsche Dämon bei der Arbeit [16].
2.4. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Vervollständigt werden die thermodynamischen Grundlagen mit dem dritten Hauptsatz.
Er wird auch als Nernstsches Wärmetheorem bezeichnet. Begründer war der deutsche
Physiker und Chemiker Walther Hermann Nernst (1864-1941). Erkenntnisse aus dem
Wärmetheorem sind, dass die Entropie bei Annäherung der Temperatur an den absoluten
Nullpunkt (273,15K) gegen null geht. In diesem Zusammenhang besagt der Hauptsatz,
dass in einem thermodynamisches System, welches sich am absoluten Nullpunkt befindet,
alle physikalischen und chemischen Stoffumwandlungsprozesse gegen null gehen [16, 22].
2.5. Exergie und Anergie
Von wesentlicher Bedeutung hinsichtlich des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik sind die Anergie und Exergie. Mit ihnen ist es möglich, Aussagen über die
gewonnene Energie zu treffen. So beschreibt die Exergie (extensive Zustandsgröße) unter
9
2. Thermodynamische Grundlagen
Mitwirkung einer vorgegebenen Umgebung jene Energie, die sich vollständig in jede andere Energieform umwandeln lässt. Anergie ist hingegen jene Energie, die sich nicht in
Exergie umwandeln lässt [16, 14]. Somit besteht jede Energie aus Exergie und Anergie
und kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:
Energie = Exergie + Anergie
Der Exergie- und Anergiestrom des Wärmestroms errechnet sich wie folgt:
ĖQ = (1
TU
) · Q̇
T
(2.4)
Q̇
T
(2.5)
ȦQ = TU ·
[19].
Bezogen auf die im Abschnitt 6 durchgeführten Modellierungen soll hier ergänzend auf
die Berechnungsgrundlagen der thermischen Exergie Ė T h , sowie der gesamten Exergie
Ė Ges eines Systems eingegangen werden. Die thermische Exergie Ė T h ist das Produkt
aus Massenstrom ṁ und spezifischer Exergie eT h :
ĖT h = ṁ · eT h
(2.6)
Die spezifische Exergie setzt sich wiederum (ohne kinetische und potentielle Energie) aus
e := h hU TU · (s sU ) zusammen. Die gesamte Exergie setzt sich aus chemischer
und thermischer Exergie zusammen:
[14].
ĖGes = ĖChem + ĖT h = ṁ · (eChem + eT h )
(2.7)
Im Gegensatz zum Wärmestrom besteht elektrischer Strom aus reiner Exergie. Um die
Exergie von Brennstoffen wie Kohle und Heizöl zu bestimmen, kann dafür näherungsweise
der Brennwert verwendet werden [14].
Die Exergie ist keine Erhaltungsgröße, d.h. dass bei jedem realen Prozess Exergieverluste
(Ė V erlust ) auftreten [23]. Wird die in einem Prozess genutzte Exergie zur aufgewandten
Exergie in Verhältnis gesetzt, so bezeichnet dies den exergetischen Wirkungsgrad [20, 14,
23]:
ĖN utz
⇣=P
=1
ĖAuf wand
P
ĖV erlust
P
ĖAuf wand
(2.8)
Irreversible Prozesse sind stets mit Exergieverlusten behaftet. Bei reversiblen hingegen
treten keine Exergieverluste auf und somit ist die Summe der ein- und ausgehenden
Exergieströme null [14].
10
3. Fernwärmenetze
Auf den thermodynamischen Grundlagen aufbauend, soll nun auf das Fernwärmenetz
eingegangen werden. Wie zuvor soll auch hier ein kurzer geschichtlicher Überblick über
die Fernwärme gegeben werden.
3.1. Geschichte der Fernwärmenetze
Die Nutzung von geothermalen Quellen für Baden, Waschen und Kochen reichen zurück
in die Frühgeschichte. Schon Chinesen, Römer, Japaner, Ottomanen und Länder in Zentraleuropa nutzten die heißen Quellen. In der früheren Tschechoslowakei wurde in der
Zeit vor ihrer Besetzung durch die Römer in Thermalwasser gebadet. In einem Sanatorium im Nordwesten von Peking wird das heiße Thermalwasser für medizinische Zwecke
seit mehr als 500 Jahren verwendet [24]. Nicht nur für Badezwecke vor Ort, sondern auch
mittels Rohrleitungen in Gebäude als Raumheizung wurde das heiße Wasser genutzt.
Fernwärme ist eines der ältesten Nutzungen geothermaler Energie. Das weltweit erste
Geothermalwasser Fernwärmenetz wurde im 14. Jahrhundert in Chaudes-Aigues Cental
in Frankreich erbaut [25]. Das erste kommerziell genutzte Fernwärmenetz in den USA
wurde 1877 in New York errichtet [26].
Ab dem Industriezeitalter wurden die Fernwärmenetze immer weiterentwickelt. Die erste
Generation der Fernwärmesysteme nutzte Dampf als Wärmeträger. Diese Systeme hatten
ihren Ursprung in den 1880er Jahren in den USA. Bis 1930 war dies das gängige Verfahren, um Wärme zu transportieren. Durch die hohe Temperatur des Dampfes verursachten
diese Netze aber hohe Wärmeverluste und werden deswegen nur noch vereinzelt wie etwa
im alten New York (Manhattan) und Paris vorgefunden. Die zweite Generation (19301970) nutzte unter Druck stehendes heißes Wasser (meist über 100°C) als Wärmeträger.
Vor allem in der ehemaligen UdSSR ist dieses System aus Betonkanälen, großen Mantelröhrenwärmetauschern und materialintensiven Schiebern vorzufinden. Weitere Überreste
dieser Technologie finden sich noch in den älteren Abschnitten von wasserbasierten Fernwärmenetzen. Ab den 1970er Jahren nutzt die dritte Generation zwar unverändert heißes
Wasser als Wärmeträger, wobei aber die Vorlauftemperatur meist unter 100°C lag. Diese
Form der Wärmeübertragung und die technischen Weiterentwicklungen dieser Technologie finden sich in Europa, China, Korea, den USA und Kanada. Da vor allem in Skandinavien sehr viele Fernwärmekomponenten hergestellt wurden, wird diese Technologie
auch als “Scandinavian district heating technology” bezeichnet [8].
Überhaupt sind die skandinavischen Staaten Vorreiter im Ausbau von Fernwärmenetzen.
In Dänemark sind etwa 60% der Haushalte, in Schweden 50% und in Finnland 49% an
das Fernwärmenetz angeschlossen [8].
11
3. Fernwärmenetze
Abbildung 3.1.: Der prozentuale Anteil der Fernwärmeanlagen für Heizung in ausgewählten Ländern (2014) [8].
3.2. Aufbau von Fernwärmenetzen
Ein Fernwärmenetz ist ein Netzwerk aus Rohrleitungen und verbindet Gebäude in der
Nachbarschaft, im Stadtzentrum oder den ganzen urbanen Raum miteinander. Versorgt
wird es entweder von zentral gelegenen Kraftwerken oder von mehreren dezentralen Wärmeproduzenten. Als Wärmeproduzenten wären etwa KWK-Anlagen oder die Nutzung
der Abwärme von Industrie und geo- sowie solarthermische Anlagen anzuführen [8]. Das
Fernwärmenetz ist somit das Bindeglied zwischen einem Wärmeerzeuger und einem Wärmeverbraucher.
Wie aus folgender Abbildung 3.2 ersichtlich kann ein Netzsystem in ein Primär- und
Sekundärnetz unterteilt werden. Kleinere Netze bestehen meist ausschließlich aus einem
Primärnetz. Größere Netzverbunde beinhalten auch ein Tertiärnetz.
Abbildung 3.2.: Netzstruktur eines Wärmenetzes (abgeändert nach [27]).
Getrennt werden die Netzabschnitte durch eine Wärmeübergabestation (WÜST) beziehungsweise einer Hausanschlussstation (HAST), wobei im Primärnetz höhere Tempera-
12
3. Fernwärmenetze
turen und Drücke herrschen als im Sekundär- und Tertiärteil [27]. Die HAST oder Hausübergabestation ist das Bindeglied von Fernwärmenetz und Heizungsanlage und beinhaltet Wärmemengenzähler, Absperrarmaturen, Wärmemengenbegrenzer und Sicherheitsorgane [28]. Die Wärmeübergabestationen werden gebaut, um Versorgungsgebiete unterschiedlicher Netzanbieter zu trennen oder Gebiete mit großen Höhenunterschieden
voneinander zu trennen. Ausgestattet sind diese Stationen mit einem Wärmeübertrager,
einer Umwälzpumpe, die das Heißwasser in das Sekundärnetz transportiert, sowie einer
dem Sekundärnetz zugeordneten Druckhaltung [27]. Die Einbindung des Verbrauchers an
das Netz kann entweder direkt oder indirekt erfolgen. Beim direkten Anschluss wird das
Warmwasser direkt in die Heizung des Abnehmers geleitet. Im Fall des indirekten Anschlusses wird das Warmwasser mittels Wärmeübergabestation hydraulisch voneinander
getrennt und an den Verbraucher angeschlossen [29].
Das Netz an sich kann als Strahlennetz (Sonderform Liniennetz) oder Maschennetz aufgebaut sein. Im Hinblick auf die Versorgungsaufgabe kann das Netz als Ein-, Zwei-, Dreiund Vierleitersystem aufgebaut sein:
• Einleiter-System: Findet dort Anwendung, wo gleichzeitig Wärmeenergie und Warmwasser benötigt wird.
• Zweileiter-System: Dieses System besteht aus einer Vorlauf- und einer Rücklaufleitung.
• Dreileiter-System: Dieses Netzt ist so aufgebaut, dass es zwei Vorlaufleitungen und
eine gemeinsame Rücklaufleitung gibt.
• Mehrleiter-System: In diesem Verbund werden zwei parallel verlaufende ZweileiterSysteme verbaut, in denen jeweils unterschiedliche Temperaturniveaus herrschen.
Diese Systeme können entweder ober- oder unterirdisch verlegt werden. Je nach örtlicher
Bedingung kann bei der unterirdischen Verlegung das Rohrsystem in nicht begehbaren,
begehbaren oder in Sammelkanälen erfolgen. Werden die Rohre hingegen kanallos verlegt,
werden diese mit einem Schutzrohr (Mantelrohr) versehen. Im Fall der oberirdischen
Verlegung, können die Rohrsysteme entweder auf einem Sockel oder einer Stütze verlegt
werden [29, 27].
3.2.1. Betriebsweisen
Die Temperaturen für Vorlauf und Rücklauf sind so zu wählen, dass große Temperaturunterschiede (Temperaturspreizungen) zustande kommen. Auch für das Fernwärmeversorgungsunternehmen sind niedrigere Rücklauftemperaturen vorteilhaft. Dadurch entstehen
Kostenvorteile aufgrund der geringeren Wärmeverluste bei der Wärmeerzeugung und der
Verteilung (kleinere Rohrquerschnitte) [30]. Diese Temperaturspreizungen werden jedoch
stark durch Restriktionen bei den Wärmeabnehmern, geodätische Höhenunterschiede,
maximale Vorlauftemperatur der Wärmelieferanten u.v.m. eingeschränkt.
Um die notwendigen Wärmeleistungen und Massenströme für ein Netz zu ermitteln, ist
es erforderlich, die Abnehmer bezüglich ihres Umfangs zu definieren, also festzustellen, ob
es sich um einen Heizkörper, eine Gebäudeheizungsanlage, einen Wohnkomplex, eine Industrieanlage, usw. handelt. Auch die zeitlich versetzte Leistungsinanspruchnahme muss
13
3. Fernwärmenetze
mittels eines Gleichzeitigkeitsfaktors für den Abnehmer erhoben werden. Aus diesen und
anderen Gründen ergeben sich Berechnungen wie Anschlussleistung, Ausnutzungsgrad,
Gleichzeitigkeitsfaktor, usw. des Abnehmers und Netzes. Überschlagsmäßig kann für kleine Wärmenetze die Wärmeleistung Q̇, bzw. Wärme- und Massenstrom durch folgende
Gleichung in Beziehung gesetzt werden (statischer Zusammenhang) [29]:
Q̇ = ṁ · cp · 4T
(3.1)
Der Term 4T setzt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf
zusammen (4T = TV TR ). Somit ist die oben genannte Temperaturspreizung von wesentlicher Bedeutung für Massen- und Wärmeströme bzw. Speicherfähigkeit des Netzes.
In der Praxis werden die Fernwärmenetze hinsichtlich der VL- und RL-Temperaturen
sehr unterschiedlich betrieben. Stark beeinflusst werden die Temperaturen von der Anzahl der Wärmeerzeuger sowie der Rohrleitungslänge. Im städtischen Raum wie etwa in
Wien, hat das Fernwärmenetz eine Leitungslänge von 1600 km und wird im Primärnetz
mit einer Vorlauftemperatur von 160°C, im Sekundärnetz gleitend (in Abhängigkeit von
der Außentemperatur) bei 75-90°C betrieben [31]. In ländlichen Gebieten, in denen kurze
Leitungslängen vorhanden sind und meist nur ein größerer bzw. mehrere kleinere Wärmeerzeuger einspeisen, ergeben sich niedrigere VL Temperaturen. So wird beispielsweise
in einer Gemeinde in Niederösterreich, (Großschönau) das Netz im Winter mit einer VL
Temperatur von 90°C und im Sommer mit 70°C betrieben. Unabhängig von der Größe
des Netzes ergeben sich jahreszeitlich bedingte Temperaturunterschiede im Netz. In den
Sommermonaten ergeben sich aufgrund der geringeren Nachfrage kleinere Durchflussmengen, deswegen wird um die Verluste im Netz zu minimieren, die Temperatur im VL
gesenkt wird.
Für die Betriebsweise eines Wärmenetzes ist neben der Temperatur auch der Druck ein
entscheidender Parameter. Der Absolutdruck im Netz ist vorrangig von der Topografie und der Struktur des Netzes abhängig, wobei der Differenzdruck zwischen Vor- und
Rücklauf in der Nähe der Netzpumpe am höchsten und beim kritischsten Verbraucher
am niedrigsten ist. Der kritischste Verbraucher ist entweder der am weitesten entfernte
oder aufgrund von Höhenunterschieden, der höchstgelegene. Somit muss der Netzdruck
ausreichend hoch sein, um eben genau diesen Verbraucher zu versorgen [30, 28, 29, 32].
3.2.2. Effizienzsteigerung Fernwärmenetz
Einer der wichtigsten Faktoren, um ein Fernwärmenetz effizient zu betreiben, ist, dass
die Temperatur im Netz sehr gering gewählt wird. Die Vorteile einer niedrigeren Vorlauftemperatur sind z.B.: höhere elektrische Leistung von KWK-Anlagen, höhere Rückgewinnungsraten der industriellen Abwärme und geothermalen Wärme sowie ein besserer
COP, falls Wärmepumpen eingesetzt werden.
Isolation oder Dämmung sind wesentliche Faktoren, um Wärmeverluste zu minimieren.
Der Wärmedämmung kommt neben dem Brand-, Wärme- und Berührungsschutz auch
14
3. Fernwärmenetze
der Schutz vor Kondensatanfall und Einfrierungen zu. Die Wärmeverluste sind auch jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Im Sommer wird das Netz meist nur für Warmwasserbereitung genutzt, weswegen im Sommerbetrieb bezogen auf die transportierte
Wärmemenge höhere Wärmeverluste als im Winterbetrieb zu Stande kommen [27, 33].
Auch die Dimensionierung der Rohrleitung kann den Wärmeverlusten entgegensteuern
[27].
3.3. Möglichkeiten der Wärmeeinspeisung
Bestehende Fernwärmenetze arbeiten in der Regel mit einer zentralen Pumpstation, die
den notwendigen Differenzdruck zwischen VL und RL aufrechterhält. Aus diesem Grund
kann auch die Wärme nur mittels Kombiventil ohne zusätzlichem Aufwand von den
Verbrauchern entnommen werden. Die folgenden drei Abbildungen zeigen schematisch,
wie Wärme in ein bestehendes Wärmenetz eingespeist werden kann [34].
Abbildung 3.3.: Technische Möglichkeiten zur Einspeisung in Wärmenetze. [34].
15
3. Fernwärmenetze
Bei der Einspeisung durch Vorlaufanhebung (Abbildung 3.3- 1.) wird mittels Ventilen der
Vorlauf durch den Wärmetauscher des Einspeisers geführt. Die Pumpenergie wird vom
Netz aufgebracht und deckt die Druckverluste des Wärmetauschers und der Verbindungsleitungen ab. Ein großer Nachteil dieser Methode besteht darin, dass der Einspeiser Wärme bei höheren Temperaturen als der Vorlauf des Fernwärmenetzes bereitstellen muss.
Weiters ergeben sich für den Einspeiser hohe Rücklauftemperaturen. Für den Fernwärmenetzbetreiber ist diese Einspeisemöglichkeit ungünstig, da er einen Strömungswiderstand
in die Fernwärmeleitung einbauen muss, damit ein regelbarer Durchfluss im Wärmetauscher des Einspeiser erzeugt werden kann [34, 35].
Eine weitere Möglichkeit ist die Rücklaufanhebung (Abbildung 3.3- 2.). In diesem Fall
geschieht die Entnahme und Einspeisung im Rücklauf. Dabei wird ein Teil des Fernwärmenetzrücklaufs entnommen und durch den Wärmetauscher des Einspeisers geführt. Wie
auch bei der Vorlaufanhebung wird die Pumpenergie von den Netzpumpen aufgebracht
und deckt wiederum die Druckverluste des Wärmetauschers und der Verbindungselemente ab [34].
Bei der dritten Variante (Abbildung 3.3- 3.) geschieht die Einspeisung vom Rücklauf
in den Vorlauf. Ein Teil des Wärmeträgermediums wird dem Rücklauf entnommen und
mittels Pumpe durch den Einspeise-Wärmetauscher geleitet. Dabei muss die Pumpe die
Druckdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf des Fernwärmenetzes überwinden. Somit
ist die dafür benötigte Energie von der Lage des dezentralen Wärmelieferanten im Netz
abhängig. Einspeiser, die sich in der Nähe der Pumpsatation befinden, müssen mehr
Energie aufwenden als jene, die weiter entfernt liegen [34].
Die Einspeisung von Rücklauf in den Vorlauf stellt die Grundlage für die zwei folgenden
Varianten der Einspeisung von solarthermisch erzeugter Wärme dar:
Bei der ersten Variante wird ein Teil des Wärmeträgermediums aus dem Fernwärmerücklauf entnommen und mittels Pumpe durch den Pufferspeicher geleitet. Die Pumpe hat
hier unter anderem dafür zu sorgen, dass der Volumenstrom so geregelt wird, dass im
Vorlauf des Fernwärmenetzes die geforderte Temperatur eingehalten wird.
Abbildung 3.4.: Einbindungsvariante Direkteinspeisung (eigene Darstellung).
16
3. Fernwärmenetze
Die zweite Variante kennzeichnet sich dadurch, dass zwar auch vom RL entnommen wird,
nun aber das vorgewärmte Wärmeträgermedium noch mit einer Wärmepumpe auf das
gewünschte Temperaturniveau gehoben wird. Somit kann das Kollektor-Puffer-System
auf tieferen Temperaturniveaus als das FW-Netz betrieben werden.
Abbildung 3.5.: Einbindungsvariante Kompressionswärmepumpe (eigene Darstellung).
17
4. Solarthermie
Zunächst wird wieder ein Einblick in die Geschichte der Solarthermie gegeben. Darauf
aufbauend wird das solare Energiedargebot der Erde beleuchtet und in weitere Folge das
Funktionsprinzip von Kollektoren, sowie wichtige Kennzahlen solarthermischer Anlagen
beschrieben.
4.1. Geschichte der Solarthermie
1500 v. Chr. begannen die Ägypter mit der Glas- und Spiegelherstellung. Darauf aufbauend gelang ihnen mit Hilfe von Brennspiegeln und -linsen das Sonnenlicht zu konzentrieren und dadurch höhere Temperaturen zu erzeugen. In der Antike wurde mittels
Brennspiegel Trinkwasser aus Meerwasser destilliert. So ranken sich auch Legenden um
Archimedes, der bei der Belagerung von Syrakus 212 v. Chr. die vor Anker liegende
römische Flotte mittels Brennspiegels in Brand gesetzt haben soll. Athanasius (16011680) versuchte achtzehnhundert Jahre später in einigen Versuchen einen Holzstapel in
Brand zu setzen, um zu sehen, ob die Geschichten über Archimedes wissenschaftliche
Gültigkeit hatten. Jedoch haben keine Berichte über seine Erkenntnisse überlebt [36]).
Im Laufe der Geschichte wurden verschiedenste technische Lösungen gesucht, um die
solare Einstrahlung zu nutzen (1615 solar betriebene Wasserpumpe, 1878 solar betriebene Dampfmaschine, ...). Ab 1890 bis Mitte des zweiten Weltkrieges wurden in den
USA thermische Trinkwasser Anlagen gebaut. 1912 wurde von Frank Shuman das erste
Kraftwerk mit Parabolrinnenspiegeln und Verdampferrohr mit einer Leistung von 88 kW
erbaut. 2009 wurden in Spanien drei Parabolrinnen-Solarkraftwerke (Andasol 1, 2 und
3) mit jeweils einer Nennleistung von 50 MW in Betrieb genommen [11].
4.2. Stand der Technik solarthermischer Anlagen
Die nutzbare Sonnenenergie kann in verschiedenste Energieformen umgewandelt werden.
Als chemische Energie wäre hier die Photosynthese von Pflanzen anzuführen, in mechanischer Form die Verdampfung von Wasser und dem daraus veränderten Windverhalten
sowie die direkte Umwandlung von Sonnenenergie durch Photovoltaik zur Stromerzeugung [37].
18
4. Solarthermie
Abbildung 4.1.: Die Umwandlung von Sonnenenergie in andere Energieformen [37].
Die thermische Nutzung von Solarenergie umfasst alle Formen, welche aus solarer Energie nutzbare Wärmeenergie erzeugen. Dabei wuchs alleine für das Beheizen und Kühlen
mittels Sonnenenergie die weltweite Kapazität von 86 GW th (2004) auf 406 GW th (2014)
[38, 39]. Anwendung findet die Solarthermie unter anderem im Gebäudebereich, der Entsalzung solarer Kühlung und bei der Bereitstellung von Prozesswärme in Industriebetrieben. Im Gebäudesektor kann sie entweder passiv (Ausrichtung der Fenster, transparenter
Wärmedämmung, Nutzung der Gebäudemassen als Wärmespeicher) oder aktiv (mittels
Kollektor) genutzt werden. Das Nutzungsspektrum aktiver Systeme reicht von Schwimmbadwassererwärmung über Brauchwassererwärmung, Raumheizung und- kühlung bis hin
zu großen solarthermischen Kraftwerken im Megawatt-Leistungsbereich. Aufgrund dieser
unterschiedlichen Anwendungen sind auch verschiedenste Kollektortypen notwendig [40].
4.2.1. Solarstrahlung
Neben Wind, Wasser und anderen erneuerbaren Primärenergieträgern könnte die Sonnenenergie den höchsten Beitrag zur Deckung des immer stärker wachsenden Energieverbrauchs leisten. Durch die Solarstrahlung (elektromagnetische Strahlung) erreichen die
Erde täglich 1, 74E 17 Watt an Strahlungsleistung. Die an der Atmosphäre (Entfernung
von der Erdoberfläche etwa 40 km) auftreffende Strahlungsleistung beträgt im JahresW
mittel 1367 m
2 (Solarkonstante). Auf dem Weg zur Erdoberfläche wird diese jedoch durch
Absorption, Reflexion und Streuung (Rayleigh- und Mie-Streuung) von chemischen Molekülen (Sauerstoff, Stickstoff, Argon, . . .) und Aerosloen (0, 001 100µm Durchmesser)
geschwächt, weshalb je nach Wellenlängenbereich ein Unterschied zwischen der Strahlung
oberhalb der Atmosphäre (AM0) und auf dem Erdboden (AM1.5D) zu Stande kommt
[11, 41, 39].
19
4. Solarthermie
Abbildung 4.2.: Atmosphärische Absorption und Streuung der Solarkonstante durch die
Atmosphäre [41].
Die Abkürzung AM steht für Air mass und gibt die Weglänge der Strahlung an. AM
ist abhängig vom Zenitwinkel der Sonne und wird auch als Standard für die Einstrahlung (je nach Aufstellungsort und Breitengrad) verwendet. In Mitteleuropa wird AM 1,5
verwendet. Dies entspricht einen Zenitwinkel von etwa 48°[42].
AM =
20
1
cos
(4.1)
4. Solarthermie
Abbildung 4.3.: Der Unterschied zwischen AM0 und den resultierenden AM1.5D Spektren mit molekularem Absorptionsband [41].
Aus Abbildung 4.3 repräsentiert AM0 die extraterrestrische Strahlung und AM1.5 die
terrestrische Strahlung. Der Wellenlängenbereich AM0 erstreckt sich vom ultravioletten (0, 25 0, 38µm), sichtbaren (0, 38 0, 78µm) bis in den infraroten Spektralbereich
(0, 78 2, 5µm) [42]. Es ist ersichtlich, dass vor allem die Moleküle O3 , H 2 O und CO2
in bestimmten Wellenlängenbereichen die einfallende Strahlung absorbieren [42] und vor
allem im sichtbaren Wellenlängenbereich die Strahlung am stärksten ist.
Wird die Plancksche Strahlungsformel (Max Planck 1858-1947) nach Formel 4.2 sowie
das Wiensche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien 1864-1928) nach Formel 4.3 für unterschiedliche „thermische Strahler“ angewendet, so zeigt sich in Abbildung 4.4 folgendes
Verhalten:
BT ( ) =
2 · ⇡ · h · c2
5
max
=
⇤
1
e
2897, 8
T
[43, 44, 45, 46].
21
h·c
k⇧ ·T
1
(4.2)
(4.3)
4. Solarthermie
Abbildung 4.4.: Plancksches Strahlungs- und Wiensches Verschiebungsgesetz anhand unterschiedlicher Strahler.
In dieser Abbildung 4.4 symbolisiert die Sonne einen schwarzen Strahler, der die auftreffende elektromagnetische Strahlung vollständig absorbiert und nach dem Kirchhoffschen
Gesetz (Gustav Robert Kirchhoff 1824-1887) ein maximales Emissionsverhalten aufweist.
Das Plancksche Strahlungsgesetz beschreibt die Abhängigkeit der Strahlungsleistung von
Wellenlänge und Temperatur. Das Wiensche Verschiebungsgesetz zeigt, dass je heißer ein
Körper wird, desto weiter verlagert sich die abgegebene Strahlung bzw. das Strahlungsmaximum vom langwelligen in den kurzwelligen Bereich. Neben diesem Phänomen besagt
das Stefan-Boltzmann-Gesetz (Ludwig Boltzmann 1844-1906), dass jeder Stoff, dem von
aussen Energie zugeführt wird, elektromagnetische Strahlung emittiert und diese abgegebene Strahlungsenergie und Wellenlängenverteilung von seiner Temperaur abhängen
[44, 43, 45]:
P
=
A
22
· T4
(4.4)
4. Solarthermie
P
A
ist die Leistungsdichte S
⇥W ⇤
m2
⇥ ⇤
, also die Strahlungsleistung P [W ] pro Fläche A m2 .
Über das Boltzmann-Gesetz und der Stefan-Boltzmann-Konstante (Josef Stefan 18351893) lässt sich unter anderem die Oberflächentemperatur (5777K) der Sonnenoberfläche
bestimmen [46].
4.2.2. Sonnenstand und Neigungswinkel
Um die Solarstrahlung für eine beliebig orientierte Fläche zu berechnen, aber auch zur
Untersuchung von Abschattungen, muss zunächst die Position der Sonne bestimmt werden. Hierfür muss die lokale Standardzeit nach Gleichung 5.2 in die „Sonnenzeit“ [min]
umgerechnet werden:
Sonnenzeit = Standardzeit + 4('lokal
'St ) + E
(4.5)
Mit 'lokal wird der geografische Längengrad des Standortes definiert und 'St bezeichnet den geografischen Längengrad des Standardmeridian der lokalen Zeitzone (für MEZ
beteägt er 15°). E [min] ist die Zeitgleichung und berücksichtigt die Schwankungen der
Erdrotation (B wird über den Tag des Jahres festgelegt; (B = (n 81) · 0, 989):
E = 9, 87 · sin2B
7, 53 · cosB
1, 5 · sinB
(4.6)
Anschließend wird die Position der Sonne, welche durch den Höhenwinkel (Altitude)
und dem Azimutwinkel s bestimmt ist, erhoben [47, 42]:
sin = cos · cos! + sin · sin
sin
s
= cos ·
sin!
cos
(4.7)
(4.8)
Ist die Sonnenzeit bekannt, kann vereinfacht mittels Sonnenstandkurven die Position der
Sonne ermittelt werden. Die Abbildung 4.5 zeigt den Kurvenverlauf (gelten für den 21.
Tag des jeweiligen Monat) für Stuttgart ( St = 48°, Lokal = 9, 2°).
23
4. Solarthermie
Abbildung 4.5.: Sonnenstandkurve mit Horizont für den 48. Breitengrad [47].
Durch Ermittlung der Sonnenzeit nach Gleichung 4.5 hat die Position der Sonne den
Höhenwinkel = 42, 61 und den Azimutwinkel S = 50, 6° [47].
Die Berechnung des Sonneneinfallwinkels auf horizontalen Flächen wird nach Gleichung
4.9 und auf geneigten Flächen nach Gleichung 4.10 erhoben:
⇥Hor = 90°
⇥Gen = arccos [ cos
S
· sin
E
(4.9)
S
· cos (↵S
↵E ) + sin
S
· cos
E]
(4.10)
Schlussendlich kann nun die Einstrahlung auf eine geneigte Fläche ermittelt werden.
Hierzu wird zunächst die Einstrahlung auf eine horizontalen Fläche ermittelt:
ĖDir,hor = Ėdir · sin
(4.11)
S
Auf Basis der horizontalen Fläche wird zum einen die Direktstrahlung (Gleichung 4.12)
und zum anderen die Diffusstrahlung (Gleichung 4.13) berechnet:
ĖDir,gen = Ėdir,hor ·
ĖDif f,gen =
cos⇥gen
sin S
1
· (1 + cos
2
E)
(4.12)
(4.13)
[48].
Die folgende Abbildung 4.6 zeigt eine bestrahlte Fläche durch die Sonne und gibt Aufschluss über die einzelnen Winkelpositionen:
24
4. Solarthermie
Abbildung 4.6.: Winkeldefinition [42].
Winkeldefinition nach Abbildung 4.6:
Breitengradwinkel
Deklinationswinkel
Neigungswinkel der Empfängerfläche gegenüber der Horizontalen
Empfängerflächen Azimutwinkel: Gibt die Orientierung der Empfängerfläche
bezogen auf die Himmelsrichtung an (Süd: 0°, Ost: negativ, West: posititv)
!
Stundenwinkel: wird mit 15° pro Stunde berechnet ( 360°
24h ). Vormittagsstunden
werden negativ und Nachmittagsstunden positiv behandelt.
⇥Z
Zenitwinkel: Winkel zwischen den Vertikalen und der direkten Einstrahlung
↵S
Sonnenhöhenwinkel
S
Sonnen Azimutwinkel: Abweichung der Sonnenposition bezogen auf Süden
(östlich: negativ; westlich: positiv) [42].
4.2.3. Funktionsprinzip aktiver Systeme
Im Prinzip wird im Kollektor die kurzwellige Solarstrahlung in thermische Energie (Wärme) umgewandelt, wobei sich dadurch die Temperatur des Fluids (Wärmeträgermedium)
erhöht. Das Herzstück eines Kollektors ist die Absorberplatine (solathermischer Wandler). An ihrer schwarzen Oberfläche können bis zu 95% der einfallenden kurzwelligen
Strahlung absorbiert werden [42, 49]. In der folgenden Abbildung 4.7 wird auf der einen
Seite (links) ein solarthermischer Prozess anhand eines Parabolrinnenkollektors dargestellt und nach [Wesselak 2013] [50] erklärt. Daneben (rechts) wird der Aufbau eines
Flachplattenkollektors und dessen Wärmeübertragungen dargestellt [51].
25
4. Solarthermie
Abbildung 4.7.: Links: Teilvorgänge der solarthermischen Energiewandlung, dargestellt
an einem Parabolrinnenkollektor. Rechts: Darstellung eines Flachplattenkollektors [51, 50].
• Die Strahlung tritt in die Aperturfläche des Kollektors ein (a).
• Die Solarstrahlung wird mittels Spiegels (b) oder Linsen gebündelt.
• Eine transparente Abdeckung wird durchdrungen. Diese reduziert die Wärmeverluste des Absorbers und schützt ihn vor Umwelteinflüssen wie Regen und Staub.
Durch Reflexion und Absorption (c) ergeben sich Strahlungsenergieverluste.
• Die Absorberschicht nimmt die kurzwellige Strahlung auf und wandelt sie in thermische innere Energie um. Dies hat eine Temperaturerhöhung (d) zur Folge.
• Zwischen Absorberschicht und Umgebung kommt es zu einem Temperaturgefälle.
Dadurch entstehen unerwünschte Energieverluste an die Umgebung (e).
• Die thermische Energie (Enthalpieerhöhung) aus dem Absorber wird auf ein Wärmeträgermedium übertragen.
4.2.4. Bauteile und deren Aufgabe
Neben dem Wärmeträgermedium (flüssig oder gasförmig) besteht ein Kollektor aus folgenden Elementen:
• Absorber: Wie oben erwähnt ist er das zentrale Bauelement eines Kollektors, der
die kurzwellige Strahlung in Wärme umwandelt. Das Absorbermaterial sollte im
Wellenlängenbereich der solaren Strahlung einen hohen Absorptionsgrad aufweisen. Als Absorbermaterial wird für abgedeckte Flachkollektoren meist Kupfer und
Aluminium und für Schwimmbadkollektoren, deren Einsatzbereich unter 90°C liegt,
UV-beständiger Kunststoff verwendet. Gefordert werden Absorberbeschichtungen
mit einem hohen Absorptionsgrad und tiefem Emissionsgrad.
• Abdeckung: Sie sollte für Solarstrahlung durchlässig sein, die langwellige thermische Rückstrahlung des Absorbers zurückhalten und die konvektiven Wärmeverluste an die Umgebung minimieren. Zusätzlich muss sie witterungsbeständig
ausgeführt sein. Als Materialien dienen hier Glasscheiben, UV-beständige Polycarbonatplatten oder Kunststofffolien.
26
4. Solarthermie
• Gehäuse: Entweder aus Aluminium, verzinktem Stahlblech, Kunststoff oder Holz
gefertigt soll es die Aufnahme der für die Strahlungstransmission, Strahlungsabsorption, Wärmeumwandlung, Wärmeabfuhr und Isolation notwendigen Komponenten gewährleisten.
• Sonstige Komponenten: Um die thermischen Verluste möglichst gering zu halten ist eine Wärmedämmung (z.B. Mineralwolle, Glaswolle, Polyurethan, Vakuum)
anzubringen. Des Weiteren ist auf der Gehäuseaußenseite zur Wärmeträgerzu- und
-abfuhr ein Rohr angebracht. Sind Temperaturmessungen im oder am Kollektor
notwendig, so müssen für die Aufnahme der Messeinrichtungen Bohrungen oder
andere Vorrichtungen vorgesehen werden [52].
4.2.5. Kollektorausführungen
Je nach Anwendungsprofil und Temperaturniveau kommen unterschiedlichste Kollektorbauarten zum Einsatz. Sie können in konzentrierende und nicht-konzentrierende Kollektoren unterteilt werden. Weitere Unterscheidung erfolgt in stationär oder tracking
Ausführung. Beim Tracking (ein- oder zweiachsig) wird der Kollektor der Sonne nachgerichtet. Folgende Tabelle 4.1 gibt einen Überblick über die gängigen Solarkollektoren.
Tabelle 4.1.: Konzentrierende und Nichtkonzentrierende solarthermische Kollektortechnologien [41].
Da im Kapitel 7 die Simulation auf Schwimmbadabsorber, Flachplattenkollektor und
Vakuumröhrenkollektor aufbaut, werden diese hier kurz umrissen:
• Kunststoffabsorber ohne Abdeckung (Schwimmbadabsorber): Diese Ausführung ist sehr einfach aufgebaut und besteht nur aus einer Absorbermatte (Kunststoff) mit integriertem Rohrleitungssystem für den Wärmeträger. Aufgrund der nur
geringfügigen Abweichung zwischen Außentemperatur und Fluidtemperatur besitzt
er einen hohen Wirkungsgrad. [52].
27
4. Solarthermie
• Flachplattenkollektor (FPC): Die Kollektoren sollten Richtung Äquator ausgerichtet sein, also in Richtung Süden in der nördlichen- und nach Norden in
der südlichen Hemisphäre. Sie wandeln die elektromagnetische Sonnenstrahlung
(0, 29 2, 5µm) ohne konzentrierende Einrichtungen direkt in Wärme um und nutzen die Direkt- sowie Diffusstrahlung. Als Wärmeträgermedium eignen sich Wasser
(mit Kälteschutzmittel) und Luft. Üblicherweise werden diese Kollektoren im Niedertemperaturbereich verwendet (Temperaturen bis 100°C), wobei spezielle Ausführungen dieser Kollektoren einen Temperaturbereich von bis zu 200°C erreichen
können [36, 47].
• Vakuumröhrenkollektor (ETC): Im Wesentlichen besteht ein ETC aus einem
Wärmerohr, das innerhalb einer Vakuumröhre liegt. Je nach Form des Absorbers gibt es unterschiedlichste Ausführungen auf dem Markt. Angefangen von der
Sydney-Röhre, dem Heatpipe Kollektor bis zu den neuesten Ausführungen wie den
integrated compound parabolic collector (ICPC) und der Dewar Röhre. Wie der
FPC nutzt auch der ETC direkte und diffuse Strahlung, wobei der ETC auch bei
schlechten Witterungsbedingungen hohe Leistungen erzielt. Auch Leitungs- und
Konvektionsverluste sind geringer als beim FPC [39, 36].
Die bisher erwähnten Kollektoren stellen einfache thermische Kollektorsysteme da. Deshalb soll hier auf eine Erweiterung dieser Systeme, einem ETC mit eingebauten CPC
(konzentrierendes System) eingegangen werden.
• Compound Parabolic Concentrator (CPC): Bei dieser Ausführung wird ein
parabolisch geformter Spiegel verwendet, der die Solarstrahlung konzentriert und
somit einen höheren Solarertrag des Kollektors erzielt. Die Abbildung 4.8 zeigt den
Aufbau dieser Baumform. Der Kollektor kann entweder ortsfest oder der Sonne
nachgeführt betrieben werden. Orientiert sich der Kollektor nach dem Sonnenstand,
wird er entweder Nord-Süd oder Ost-West ausgerichtet [41, 36].
Abbildung 4.8.: Vakuumröhrenkollektor mit CPC-Spiegel [48].
28
4. Solarthermie
4.3. Modellierung
Für die Wärmetransportvorgänge in einem Kollektor mit durchlässigem Material (Glas)
sind die optischen und thermischen Verluste sowie der Kollektorwirkungsgrad von wesentlicher Bedeutung.
Abbildung 4.9.: Energiefluss und die begleitenden optischen und thermischen Verluste in
einem solarthermischen Kollektor [41].
Aus Abbildung 4.9 ist ersichtlich, dass die auf den Kollektor eintreffende Strahlung durch
optische Verluste wie Reflexion und Absorption reduziert wird. Nach Schabbach [2014]
werden von der diffusen und direkten Solarstrahlung etwa 90% von der Kollektorabdeckung transmittiert [11]. Ein Teil wird reflektiert (8%) und absorbiert (2%).
Wird nun für einen solarthermischen Kollektor eine Energiebilanz nach dem ersten Hauptsatz aufgestellt, so ergibt sich für den Bilanzraum folgender Zusammenhang:
IIn = IRef l + IT rans + IE + Q̇Konv + Q̇N utz
(4.14)
Die emittierte Strahlung I E ist von der Temperatur des Kollektors abhängig und fließt
mit der 4. Potenz der Temperatur nach dem Stefan-Boltzmann Gesetzes IE = ·"·T 4 ein.
Dementsprechend werden hier auch Kollektorbeschichtungen angestrebt, die ein niedriges
Emissionsverhalten aufweisen. Daneben soll das Absorptionsspektrum im Wellenlängenbereich eines schwarzen Strahlers liegen, um die höchstmögliche Strahlungsleistung einzufangen. Die konvektiven Wärmetransportvorgänge ergeben sich durch die Kollektortemperatur T Koll und der Umgebungstemperatur T U . Umso heißer der Kollektor, desto höher
werden die Wärmetransportverluste. Die Kollektornutzleistung ergibt sich aus dem Mas-
29
4. Solarthermie
senstrom, der Wärmekapazität des Wärmeträgermediums sowie der Kollektoraustrittsund -eintrittstemperatur (Abbildung 4.10):
Q̇N utz = ṁ · c · (TA
TE )
(4.15)
Abbildung 4.10.: Energiebilanz eines Kollektors.
Aus dem Resultat der thermischen und optischen Verluste ist es nun möglich, den Kollektorwirkungsgrad, der nach Gleichung 4.16 ermittelt wird, darzustellen. c0 (F R ⌧ ↵) ist
nach dieser Gleichung der Konversionsfaktor, c1 der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient
zwischen Absorberplatte und Umgebung und als c2 wird die Kollektoreffizienz zweiter
Ordnung c2 bezeichnet [53]. c0 beinhaltet zum einen den Absorptionskoeffizienten ↵ sowie den Transmissionskoeffizienten ⌧. ↵ beschreibt hier das Maß der Umwandlung von
Licht in Wärme am Absorber und ⌧ den Anteil der durch die Glasscheibe des Kollektors
durchdringenden Strahlung. Diese beiden Parameter geben somit die optischen Verluste
an und begrenzen die an der Ordinate liegende Wirkungsgradkennlinie (Abbildung 4.11).
• Kollektorwirkungsgrad ⌘
Der Kollektorwirkungsgrad ⌘ bzw. die thermische Leistung eines Kollektors wird nach
folgendem empirischen Berechnungsansatz angeschrieben:
⌘ = FR ⌧ ↵
c1 ·
(TAbs TU )
IIn
c2 ·
(TAbs TU )2
IIn
(4.16)
Dieser Kollektorwirkungsgrad ermöglicht es, unterschiedliche Kollektoren miteinander
zu vergleichen. Die Abszisse der folgenden Darstellung zeigt nach Umrechnung auf eine
W
Einstrahlung von 1000 m
2 den Einsatzbereich dieser Kollektoren. Der Schnittpunkt der
einzelnen Kennlinien mit der Abszisse gibt den Stagnationspunkt ⌦ (Betriebsparameter)
des Kollektors an, also jenen Punkt, bei dem die gesamte zugeführte Strahlungsenergie
zur Deckung der thermischen Verluste aufgebraucht wird [53].
30
4. Solarthermie
⌦=
TKoll TU
IIn
(4.17)
Abbildung 4.11.: Kollektoreffizienz unterschiedlicher Kollektoren [36].
Der sehr einfach aufgebaute Schwimmbadabsorber (schwarz gefärbte Kunststoffrohrmatten) absorbiert sehr gut die einfallende Strahlung und hat aufgrund fehlender Abdeckung
keinen Transmissionsgrad, weswegen hier die optischen Verluste sehr gering sind. Steigt
die Temperatur des Wärmeträgermediums, steigt aufgrund fehlender Dämmung der Wärmeaustausch mit der Umgebung, weshalb die thermischen Verluste beim Schwimmbadabsorber den Einsatzbereich auf etwa 50°C begrenzen. Typische Anwendungsbereiche sind
die Schwimmbaderwärmung aber auch die Warmwasservorheizung in Haushalten [11].
Beim einfach und doppelt verglasten Flachplattenkollektor verringert die Abdeckung den
Transmissionsgrad. Dadurch entstehen etwas höhere optische Verluste. Die thermischen
Verluste werden nach Abbildung 4.9 durch die Wahl der Abdeckung und der Ausführung begrenzt. Der Einsatzbereich liegt neben der Warmwasserbereitstellung, Heizungsunterstützung, Prozesswärmeanwendungen und je nach Bauart als Wärmequelle in der
thermischen Kälteerzeugung und Erwärmung der Raumluft [54].
Beim Vakuumröhrenkollektor liegt der Absorber in einem evakuierten Glasrohr, dadurch
sind die thermischen Verluste noch niedriger als beim Flachplattenkollektor. Wird ein
CPC-Spiegel verwendet reduziert dieser auch die optischen Verluste. Da der ETC hohe
Wirkungsgrade bei Betriebstemperaturen von über 100°C aufweist, findet er vor allem
bei der Prozesswärmebereitstellung und Meerwasserentsalzung Anwendung [36, 54].
31
5. Wärmepumpen
In diesem Kapitel wird auf die im Vergleich zu den anderen betrachteten Technologien relativ kurze Entwicklungszeit von Wärmepumpen eingegangen und verschiedenen
Typen und Funktionsweisen kurz dargestellt. Im Anschluss daran werden die für den
Wärmepumpenprozess notwendigen Kältemittel in wichtigen Punkten beschrieben.
5.1. Geschichte der Wärmepumpen
Das Funktionsprinzip der Wärmepumpe wurzelt in der Thermodynamik des 19. Jahrhunderts. Wie schon in den Grundlagen erwähnt, hatte sich Nicolas Leonard Sadi Carnot
mit der Beziehung zwischen Wärme und Arbeit befasst. Er stellte fest, dass mechanische
Energie vollständig in Wärme umgewandelt werden kann, jedoch Wärme nur teilweise in
mechanische Energie. Aufbauend auf Carnot�s Überlegungen begründete 1842 Julius von
Mayer das Prinzip der Äquivalenz zwischen Wärme und Arbeit (erster Hauptsatz) und
Clausius 1850 das Konzept der Entropie (zweiter Hauptsatz). Diese Entdeckungen sorgten dafür, dass Mitte des 19. Jahrhunderts die ersten Kältemaschinen gebaut wurden, die
den Grundstein der Wärmepumpentechnik legten. In dieser Epoche des 19. Jahrhundert
wurde Eis für die Kühlung von Nahrungsmitteln über internationale und interkontinentale Handelswege transportiert. Dies war der ausschlaggebende Grund, weshalb vorrangig
in Richtung der künstlichen Kälteerzeugung geforscht wurde. Der Erfinder Jacob Perkins
(1766-1849) baute 1834 die erste mit Äther als Kältemittel betriebene Dampfkompressionsmaschine zur künstlichen Eisproduktion. Diese enthielt die vier wesentlichen Bauteile
einer modernen Kältemaschine (Kompressor, Kondensator, Verdampfer und Expansionsventil) [55].
Erst Jahre später, Anfang des 20. Jahrhundert wurde aufgrund von Brennstoffknappheiten die Entwicklung der Wärmepumpe vorangetrieben. Diese nutzten als Wärmequellen
die Abwärme von Kälteanlagen sowie Grund-, Fluss- und Seewasser. In der Schweiz, das
auch als Pionierland der Wärmepumpe gilt, wurden bis 1955 rund 60 Wärmepumpen
in Betrieb genommen, wobei die größte davon eine Leistung von 5,86 MW hatte [55].
Seit einigen Jahren werden vermehrt Wärmpumpen für die Heizungsunterstützung in
Einfamilienhäusern verbaut. Von 1976-2008 wuchs der Einsatz von Wärmepumpen in
Österreich für Raumheizung um 21,4% und für Warmwasserbereitung um 30,8%. In der
folgenden Abbildung 5.1 ist die Entwicklung des Wärmepumpenmarktes für Raumheizung und Warmwasserbereitung ersichtlich (verkaufte Einheiten) [13].
32
5. Wärmepumpen
Abbildung 5.1.: Entwicklung des österreichischen Wärmepumpenmarktes 1976-2008 [13].
5.2. Stand der Technik
Wärmepumpen sind wie Kompressionskältemaschinen aufgebaut. Sie bestehen aus einem
Kompressor, Verdampfer, Kondensator und Expansionsventil. Im Gegensatz zur Kältemaschine, die einem beliebigen Objekt Wärme entzieht und auf ein Niveau bringt, welches
leicht über der Umgebungstemperatur liegt, entzieht die Wärmepumpe der Umgebung
Wärme und hebt diese auf ein für Heizzwecke angebrachtes Niveau. Um dies zu ermöglichen, muss jedoch externe Arbeit (W) zugeführt werden. Vereinfacht dargestellt skizziert
die folgende Abbildung diese Temperaturanhebung, wobei QIN die Wärme im kühleren
Bereich und QOU T die angehobene Wärme im wärmeren Bereich darstellt [41, 56].
Abbildung 5.2.: Physikalisches Diagramm der Wärmepumpe [41].
Wärmepumpen werden in der Literatur unterschiedlich klassifiziert. Die gängigsten Varianten teilen sie nach ihrer Funktion (Wärmen, Kühlen, Wärmen und Kühlen, Aufheizen
von Wasser etc.), ihrer Wärmequelle QIN (Luft, Wasser, Gas, Erdreich, Solarenergie,
etc.), nach der Energie, die der Wärmepumpe zugeführt wird (elektrische-, mechanische, thermische Energie, ...), sowie ihrem Verwendungszweck (Wohn- und Geschäftshäuser,
Fernwärmenetz, Industrie, ...) ein [57].
33
5. Wärmepumpen
5.2.1. Funktionsweise
Wie schon erwähnt sind die Grundbestandteile einer Wärmepumpe der Kompressor
(Compressor), Verdampfer (Evaporator), Kondensator (Condensor) und das Expansionsventil (Expansion Valve). Es ist somit eine technische Einrichtung aus diesen erwähnten
Komponenten, die es ermöglicht, Wärme auf ein höheres Temperaturniveau zu heben.
Die folgende Abbildung 5.3 zeigt die Anordnung dieser Bauteile in einer Wärmepumpe,
wobei alle Bauteile miteinander verbunden sind und von einem flüssigem Arbeitsmedium
(Kältemittel) durchflossen werden.
Abbildung 5.3.: Wärmepumpenzyklus [58].
Wie in der Darstellung ersichtlich besteht der Kreisprozess (linksläufiger Kreisprozess)
einer Wärmepumpe aus einer Wärmequelle (blaue Seite) und einer Wärmesenke (orange Seite). Auf der Wärmequelle befindet sich der Verdampfer (Niederdruckseite) und auf
der Wärmesenke der Kondensator (Hochdruckseite). Diese beiden Abschnitte werden von
einem Kompressor und einem Expansionsventil miteinander verbunden. Das Kältemittel durchströmt somit das System flüssig und dampfförmig (Kaltdampfprozess). Diese
Zustandsänderungen sind thermodynamische Zyklen, welche in einem geschlossenen System ablaufen. Um diesen Wärmepumpenprozess darzustellen, wird ein T-s- bzw. logp-h
Diagramm verwendet. Im T-s steht T für Temperatur und s bezeichnet die spezifische
Entropie. Im logp-h kennzeichnet p den Druck und h die spezifische Enthalpie [59, 58, 60].
34
5. Wärmepumpen
Abbildung 5.4.: Kreisprozess der Kompressionswärmepumpe. Links: in der (T-s) Ebene
und rechts in der (logp-h) Ebene; A→B→C→D = idealisierter Kreisprozess; A→B*→C*→D* = realer Kreisprozess [61].
Dieser reale Kreisprozess setzt sich aus folgenden Teilprozessen zusammen:
D*→A
Isobare Verdampfung
A→B*
Verdichtung (Kompression)
B*→B
Enthitzung mit verbundener Wärmeabgabe
B→C
Isobare Verflüssigung, Kondensation (Wärmeabgabe)
C→C*
Unterkühlung am Kondensatorausritt
C*→D*
Isenthalpe Drosselung (Expansion) [60, 56].
Neben der hier vorgestellten Funktionsweise der Kompressionswärmepumpe gibt es eine
Vielzahl thermodynamischer Verfahren, die Wärme auf eine andere Art und Weise von
einem niedrigen auf höheres Temperaturniveau heben. Darunter befinden sich die:
• Sorptionswärmpepumpe (Ab- und Adsorptionswärmepumpe)
• Rotationswärmepumpe
• Thermokompressor
• Strahlwärmepumpe (Thermische Wärmepumpe)
• Peltierwärmepumpe
• uvm. ... [60].
5.2.2. Wichtige Kennzahlen von Wärmepumpen
• Leistungszahl der Wärmepumpe "W P und Kältemaschine "KM :
Um die Effizienz einer Wärmepumpe zu beurteilen, werden die Leistungszahl e (Energy
Efficiency Ratio) und der Carnot Wirkungsgrad ✏Carnot herangezogen. Die Leistungszahl beschreibt das Verhältnis zwischen Nutzwärmemenge und der Energie, die dafür
aufgewendet werden musste (Verdichterleistung) [60, 14]:
35
5. Wärmepumpen
"W P =
Q˙ab
N utzwärmemenge
=
V erdichterleistung
PEl
(5.1)
Im Vergleich zur Wärmepumpe beschreibt die Leistungszahl der Kältemaschine das Verhältnis der erzeugten Kälteleistung zur dafür aufgewendeten elektrischen Leistung [14]:
"KM =
Q̇zu
PEl
(5.2)
• CarnotWirkungsgrad ✏Carnot :
Der Carnot Wirkungsgrad setzt ebenfalls Nutzen und Aufwand in Relation. Er lässt sich
aber auch durch die Temperaturen und die Entropiedifferenzen beschreiben und ist der
höchste theoretische Wirkungsrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie. Hier wird
der eCarnot durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt und kann aus
der Abbildung 5.6 entnommen werden:
"Carnot =
h3
h3
h4
TC
=
h2
TC TV
(5.3)
Die Kondensatortemperatur T C repräsentiert hier die Temperatur auf höherem, und die
Verdichtertemperatur T V die Temperatur auf niedrigem Niveau.
Abbildung 5.5.: Linksläufiger Carnot-Prozess im T-s Diagramm [60].
• Exergetischer Wirkungsgrad ⇣:
Für eine Kompressionswärmepumpe, die mit reiner Exergie angetrieben wird und reine
Anergie im Wärmequellenstrom besitzt, setzt sich der exergetische Wirkungsgrad folgendermaßen zusammen:
⇣=
ĖQN
Pel + ĖQ0
36
(5.4)
5. Wärmepumpen
• Jahresarbeitszahl :
Wie die Leistungszahl beschreibt auch die Jahresarbeitszahl das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung, wobei hier nicht ein
bestimmter Betriebspunkt der Wärmepumpe zum Ausdruck kommt, sondern die über das
gesamte Jahr über abgegebene Wärmemenge im Verhältnis zur gesamten aufgenommenen
Leistung (miteinbezogen wird auch der Verbrauch von Regelung, Pumpe, Ventilatoren,
. . .):
=
QW P
WEL
(5.5)
• Volumetrische Heizleistung qth :
Diese Kenngröße errechnet sich aus dem Verhältnis der Nutzwärmemenge Q̇N zum spezifischen Volumen des im Verdichter angesaugten Kältemittels v2 . Mit der volumetrischen
Heizleistung lassen sich Aussagen über die Wirtschaftlichkeit einer WP machen. Sie ist
wesentlich von den thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels abhängig, weshalb hier Kältemittel mit hoher Verdampfungsenthalpie und kleinem spezifischen Volumen im Ansaugzustand gesucht sind. Die Entropienomenklatur kann aus der Abbildung
5.6 entnommen werden [14, 62, 60]:
qth =
Q˙N
h3 h5
=
v2
V̇0
(5.6)
Abbildung 5.6.: Theoretischer Wärmepumpenprozess im T-s Diagramm [60].
5.2.3. Eigenschaften von Kältemitteln
Kältemittel sind Fluide, die aufgrund ihrer physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften in der Lage sind, ihre Aggregatzustände zu ändern und dadurch Wärme
in Form von latenter Wärme aufzunehmen und wieder abzugeben [63]. Das Kältemittel
hat dabei am Ende des Wärmepumpenprozesses wieder seinen Anfangszustand erreicht.
Nach Eder und Veith sollen Kältemittel für Kompressionswärmepumpen folgende Eigenschaften aufweisen:
37
5. Wärmepumpen
• Hohe Verdampfungsenthalpie,
• kein Ozonabbaupotential,
• Möglichkeit zum Recyceln bzw. Entsorgen,
• große volumetrische Heizleistung,
• niedrige Verdichtungstemperatur,
• gute chemische und thermische Stabilität,
• günstige chemische und toxische Eigenschaften, ... [60, 63].
Die Fluide können nach ihrem chemischen Aufbau in organische und anorganische Kältemittel unterteilt werden. Bekannte Vertreter der anorganischen Stoffe sind Ammoniak
und Wasser. Unter den organischen Kältemitteln finden sich die Derivate von Kohlenwasserstoffen [63].
Nach den sicherheitstechnischen Aspekten wie Brennbarkeit und Giftigkeit werden die
Kältemittel unterschiedlichen Gruppen zugeordnet. Hinsichtlich ihrer Brennbarkeit werden sie in die Gruppen 1, 2 und 3 eingeteilt. Die Toxizität wird durch die Nomenklatur
A und B klassifiziert [63].
Tabelle 5.1.: Abgeänderte Darstellung der Sicherheitsgruppe für Kältemittel nach [63].
größere Brennbarkeit
A3
B3
geringere Brennbarkeit
A2
B2
keine Flammenausbreitung
A1
B1
geringe Giftigkeit größere Giftigkeit
Terminologie der Kältemittel
Die Kältemittelbezeichnung kann entweder nach dem Hersteller erfolgen (z.B. „Frigen“,
Bsp. Frigen 22), oder mit dem Großbuchstaben „R“. R ist die Abkürzung für Refrigerent, was für den Verwendungszweck (Kältemittel) steht (Bsp. R22). Die darauffolgenden
Nummern werden durch bestimmte Regeln nach „ASHRAE“ (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.) ermittelt. Dies kann entweder
über die chemische Struktur, die Zusammensetzung oder die Molmasse erfolgen. Internationale (ISO817, EN 378-1) als auch nationale (DIN 8960, ÖNORM 378-1) Normen
verwenden diese Art der Kennzeichnung [63].
Die Erläuterung für ein Einstoffkältemittel auf Halogenbasis wurde von Veith übernommen und sieht wie folgt aus:
Tabelle 5.2.: Terminologie Kältemittel abgeändert nach Veith[63].
R Refrigerent
X Hunderter-Zahl +1 (Zahl der Kohlenstoffatome)
Y Zehner-Zahl -1 (Zahl der Wasserstoffatome)
Z Einer-Zahl (Zahl der Fluoratome)
38
5. Wärmepumpen
Tabelle 5.3.: Exemplarische Darstellung Kältemittel R134a abgeändert nach Veith [63].
1 Zwei-Kohlenstoffatome (+1)
3 Zwei-Wasserstoffatome (-1)
4 Vier-Fluoratome
a Kleinbuchstaben (a, b, c, ...) kennzeichnen isomere Verbindungen
Umweltrelevante Kennzahlen von Kältemitteln
• Global Warming Potential GWP
Wie erwähnt arbeiten Wärmepumpen mit einem Kältemittel, das als Prozessmedium
dient. Neben seinen zuvor schon erwähnten Eigenschaften sollte es zudem umweltverträglich sein. Zur Beurteilung des anthropogenen Treibhauseffektes wird das Treibhauspotential (GWP) eines Stoffes verwendet. Er gibt die Erwärmungswirkung einer festgelegten Menge eines Stoffes im Vergleich zu derselben Menge an CO2 in einem bestimmten
Zeitraum (meist 100 Jahre) an [64, 14].
• Ozone Depletion Potential ODP
Eine weitere Kenngröße, um die Umweltverträglichkeit eines Kältemittels zu beurteilen, ist das Ozonabbaupotential. Diese Größe wird relativ zum Methanderivat (CCl3 F)
angegeben. Das Derivat (Kurzbezeichnung R11) weist einen ODP-Wert von 1 auf [14].
Umweltfreundlichere Kältemittel weisen einen niedrigen ODP-Wert auf. Null bedeutet
in diesem Zusammenhang keine Ozonaktivität.
• Total Equivalent Warming Impact TEWI
Um den gesamten Einfluss eines Kältemittels während seines Einsatzes auf die Umwelt
darzustellen, wird der TEWI-Wert verwendet. Dieser Wert errechnet sich aus den direkten (entstandenen Emissionen des Kältemittel während der gesamten Laufzeit) und indirekten (verursachte CO2 Emissionen der Einrichtung durch Verwendung fossiler Brennstoffe) Emissionen:
[65].
T EW I = (GW P · L⇤ · N ⇤ ) + (Eannual ·
39
⇤
· ⌘⇤)
(5.7)
6. Modellierung und Simulation
Die durchgeführten Prozesse wurden mit der Simulationssoftware IPSEpro modelliert.
Mit diesem Programm ist es möglich, grafisch einzelne Komponenten miteinander zu
verbinden und dadurch Prozessschemata und reale Anlagen auf Basis der Massen- und
Energiebilanzen zu errechnen und abzubilden. Die einzelnen Bauteile stammen aus einer Modellbibliothek, welche im „Model-Developement“- Bereich abgeändert oder neu
entworfen werden. Hinter jeder verwendeten Komponente, stehen mathematische Gleichungen und Variablen. Diese werden durch das Herzstück der Software, dem Solver,
gelöst [66].
Abbildung 6.1.: Interaktion der einzelnen Module [66].
6.1. Systemgrenzen und Berechnungsgrundlagen der
Kollektoren
Folgende Argumente waren ausschlaggebend für die Auswahl der Kollektoren:
• Die einfach verglasten Flachkollektoren sind die kostengünstigsten und mit Ausnahme des Schwimmbadabsorbers die leistungsschwächsten. Sie sind häufig in Altbeständen vorzufinden und werden üblicherweise auf Einfamilienhäusern verbaut.
• Die Flachplattenkollektoren mit Doppelglas oder Einfachglas und Folie sind etwas
teurer, aber auch leistungsstärker.
• Der Vakuumröhrenkollektor ohne CPC (direktdurchströmte Röhre) findet sich ebenfalls in Altbeständen. Deswegen, sowie aus Gründen der Vergleichbarkeit mit der
neuesten Vakuumröhrentechnologie wurde er ausgewählt.
40
6. Modellierung und Simulation
• Der Vakuumröhrenkollektor mit CPC weist unter diesen Kollektoren die höchste
optimale Betriebstemperatur auf und kann deswegen auch für industrielle Prozesswärme genutzt werden. Er ist der leistungsstärkste, aber auch mit Abstand der
teuerste.
• Der Schwimmbadabsorber ist der erschwinglichste aller hier aufgelisteten. Er wurde
aufgrund seiner einfachen Ausführung ausgewählt.
Die Kollektoren wurden mit folgenden Parametern simuliert:
• Die für die Simulation angenommene Kollektorfläche beträgt 1 m2 .
W
• Die Kollektoren wurden mit einer Solarstrahlung, beginnend bei 600 m
2 , bis auf
W
W
1200 m2 in 100 m2 - Schritten simuliert.
• Die Rücklauftemperatur der Flachplatten- und Vakuumröhrenkollektoren wird mit
40°C angenommen, die des Schwimmbadabsorbers mit 25°C.
• Die Vorlauftemperatur der Flachplatten- und Vakuumröhrenkollektoren wurden in
5K-Schritten berechnet. Im Falles des Schwimmbadabsorbers wurden aufgrund des
niedrigen Temperatureinsatzbereiches 1K- Schritte angewandt.
• Die Umgebungstemperatur wurde mit 20°C angenommen.
• Die Kollektoren weisen folgenden Konversionsfaktor c0 , Wärmeverlustkoeffizient
erster Ordnung c1 und Kollektoreffizienz zweiter Ordnung c2 auf. (Die Kollektordaten stammen von der Firma SOLID und sind im Anhang ersichtlich.)
Tabelle 6.1.: Koeffizienten der verwendeten Kollektoren.
Flachplattenkollektor
Vakuumröhrenkollektor
Schwimmbadabsorber
einfach / doppelt verglast
ohne / mit CPC
c0 [⇥ ] ⇤
c1 ⇥ mW
2K
⇤
c2 mW
2K
0,79 / 0,838
3,979 / 2,685
0,014 / 0,007
0,745 / 0,644
2,007 / 0,749
0,005 / 0,005
0,817
24,29
0
6.2. Systemgrenzen und Berechnungsgrundlagen der
Kältemittel und Wärmepumpe
Folgende drei Kältemittel wurden für die Modellierung verwendet:
R134a - 1,2,2,2-Tetrafluorethan
Dieses Fluid fällt unter die Gruppe der organischen Kältemittel und gehört zu den
HFCKW. Der ODP-Wert liegt bei null und weist einen relativ hohen GWP-Wert von
1370 auf. Es ist bei sachgemäßer Handhabung nur gering toxisch. Das Kältemittel findet
eine breite Anwendung bei den Fahrzeugklimaanlagen [63].
R245fa - 1,1,1,2,2 - Pentafluorpropan
41
6. Modellierung und Simulation
Tabelle 6.2.: Stoffdaten der verwendeten Kältemittel [14, 67, 68].
R134a R245fa R600a
GWP
ODP
pK [bar]
tK [°C]
Sicherheitsgruppe
1370
0
40,56
101,0
A1
950
0
27,59
154
B1
20
0
36,39
134,7
A3
Wie auch das Kältemittel R134a gehört auch das R245fa zu den HFCKW. Der ODPWert liegt ebenfalls bei null. Auch der GWP-Wert von 950 ist relativ hoch. Es besitzt die
höchste kritische Temperatur aller hier vorgestellten Kältemittel und ist dewegen auch
ideal für Hochtemperaturanwendungen geeignet. In der Sicherheitsgruppe B1 ist es zwar
nicht brennbar, weist aber eine höhere Toxizität auf [63].
R600a - Isobutan
R600a fällt unter die halogenfreien Kohlenwasserstoffe. Auch hier liegt das Ozonabbaupotential bei null. Mit einem Treibhauspotential von 20 ist es das „umweltfreundlichste“
Kältemittel, das hier betrachtet wird. Interessant ist es auch aufgrund seiner hohen kritischen Temperatur von 134,7 °C, weswegen es sehr gut für den Hochtemperaturbereich
geeignet ist. Es weist eine geringe Toxizität, aber auch die höchste Brennbarkeit der hier
vorgestellten Kältemittel auf [63].
Die Wärmepumpe für die thermodynamische Betrachtung der Kältemittel wurde
mit folgenden Einstellungen simuliert:
• Die Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit der Kompressionswärmepumpe.
• Die Daten für die Siede- und Taulinie der Kältemittel stammen vom National
Institute of Standards and Technology [69].
• Die Druckverluste in einem realen Wärmeübertrager werden mit 5% des Druckniveaus vor dem Wärmeübertrager angenommen.
• Die Vorlauftemperatur der Wärmequelle wurde auf 65°C festgelegt.
• Die Verdampfungstemperatur wird für jedes Kältemittel von 20°C bis 60°C variiert.
• Um im Simulationsprogramm IPSEpro den Wärmepumpenprozess korrekt darzustellen, wurde für die Enthitzung, Kondensation und Unterkühlung jeweils ein eigener Wärmeübertrager verwendet. Bei realen Gegebenheiten wird jedoch nur ein
Wärmeübertrager eingesetzt. Aus diesem Grund wurden die Druckverluste des realen Wärmeübertragers im Simulationsprozess aufgeteilt.
• Beim Verdampfer wurde eine Grädigkeit von 2 K angenommen.
• Die Motoren für die Verdichter wurden mit einem elektrischen Wirkungsgrad von
98% und einem mechanischen Wirkungsgrad von 98% definiert.
• Der Isentropenwirkungsgrad für den Verdichter der Wärmepumpe wurde mit 70%
angenommen.
42
6. Modellierung und Simulation
• Die Vorlauftemperatur der Wärmesenke wurde beginnend bei 75°C bis 90°C simuliert. Die Rücklauftemperatur wird mit 50°C angenommen.
• Aufgrund der hier gewählten Einstellungen des Wärmepumpenprozesses mussten
die Kältemittel R245fa auf einen Dampfgehalt von x=1,08 und R600a auf x=1,05
überhitzt werden.
• Die Stoffdatenquellen für die Kreislaufmedien stammen wie auch die Siede- und
Taulinie vom National Institute of Standards and Technology [69].
Die folgende Abbildung veranschaulicht den Wärmepumpenprozess, welcher mit den drei
unterschiedlichen Kältemitteln betrieben wird. Einzelne Spezifikationen der Wärmepumpe wie Quellen- und Senkentemperatur können aus der Grafik entnommen werden. Die
detaillierten Prozessschematas sind im Anhang ersichtlich.
Abbildung 6.2.: Veranschaulichung
der
Wärmepumpenprozess.
43
einzelnen
Komponenten
im
7. Ergebnisse und Berechnungen
In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der einzelnen Kollektoren sowie der Kältemittel
im Wärmepumpenprozess dargestellt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird danach die
Kombination dieser beiden Technologien betrachtet.
7.1. Exergetische Betrachtung der Kollektoren
Zu welchen Ergebnissen die drei ausgewählten Kollektortypen im Simulationsprogramm
IPSEpro kommen, wird in diesem Unterkapitel dargestellt. Dabei wird mit verschiedenen
W
Einstrahlungen (600, 900 und 1200 m
2 ) gerechnet. Aus diesen Einstrahlungen resultiert
der Wärmestrom (durchgängiger Linienverlauf) und der Exergiestrom (strichpunktierter
Linienverlauf), wobei der Wärmestrom direkt aus der IPSEpro Simulation entnommen
wurde und der Exergiestrom durch Gleichung 2.4 mit der Adaption des absoluten Nullpunktes (273,15K) ermittelt wurde. Die Umrechnung in Kelvin war notwendig, um die
Ergebnisse thermodynamisch korrekt darzustellen.
Die mittlere Kollektortemperatur ergibt sich aus dem Mittelwert von angenommener
Rücklauftemperatur bzw. Eintrittstemperatur TE (40°C), im Falle des Schwimmbadabsorbers 30°C und simulierter Vorlauftemperatur bzw. Austrittstemperatur TA :
TKoll =
TE + TA
2
(7.1)
Darüber hinaus wurde auch der Exergiestorm aller thermischen Kollektoren erhoben.
Dieser wurde nach Gleichung 7.2 erhoben. Der Punkt in den einzelnen Abbildungen
zeigt das exergetische Maximum bei unterschiedlichen Einstrahlungen.
Ė =
✓
1
TU
TAbs
44
◆
· Q̇
(7.2)
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.1.: Charakteristik des FPC�s einfach verglast.
Der einfach verglaste FPC zeigt, dass das Anwendungsspektrum von Warmwasserbereitung über Heizungsunterstützung bis hin zur Bereitstellung von Prozesswärme reicht.
W
Unter einer angenommenen Einstrahlung von 1000 m
2 und einer mittleren Kollektortemperatur von 75°C hätte diese Bauart einen Kollektorwirkungsgrad von 0,528.
Abbildung 7.2.: Charakteristik des FPC�s doppelt verglast.
Wenig überraschend schneidet der doppelt verglaste FPC besser ab als der einfach
verglaste. Der Kollektorwirkungsgrad erreicht hier unter den gewählten Einstellungen
W
(1000 m
2 und 75°C) 0,669. Der verbesserte Kollektorwirkungsgrad resultiert einerseits
aus dem besseren Konversionsfaktor und andererseits aus dem temperaturabhängigen
Wärmedurchgangskoeffizienten c2 sowie geringeren thermischen Verlusten aufgrund der
doppelten Verglasung.
45
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.3.: Charakteristik des ETC�s ohne CPC.
Im Falle der Vakuumröhrenkollektoren zeigen sich signifikante Unterschiede zu den einfach verglasten FPC. Auch der Vergleich zum doppelt verglasten FPC zeigt, dass diese
Kollektorausführung besser in hohen Temperaturbereichen arbeitet. Im Vergleich zum
W
doppelt verglasten FPC, ist jedoch der Kollektorwirkungsgrad bei 1000 m
2 und arithmetischem Mittel von Kollektoreintritts- und Austrittstemperatur von 75°C etwas niedriger
und erreicht 0,619.
Abbildung 7.4.: Charakteristik des ETC�s mit CPC.
Der ETC mit CPC Technologie ist im Vergleich der leistungsstärkste. Diese Bauart erW
reichte bei einer Einstrahlung von 600 m
2 ein Temperaturmaximum von 232,5°C. Bei einer
W
Einstrahlung von 1000 m2 und 75°C mittlerer Kollektortemperatur ist der Kollektorwirkungsgrad etwas niedriger als der des ETC ohne CPC und FPC mit Doppelverglasung
46
7. Ergebnisse und Berechnungen
und erreicht 0,587. Das exergetische Optimum zeigt aber, dass der ideale Einsatzbereich
im höheren Temperaturbereich liegt. Aus diesem Grund eignet sich diese Kollektorbauart
vor allem im Industriebereich zur Bereitstellung von Prozesswärme.
Abbildung 7.5.: Charakteristik des Schwimmbadabsorbers.
Wie erwartet hat der Schwimmbadabsorber seinen Einsatzbereich im NiedertemperaturW
bereich. Bei schwacher Einstrahlung (600 m
2 ) liefert der Absorber maximal 40°C.
In den Datenblättern der Kollektoren werden vom Hersteller Stillstandstemperaturen angegeben. Ab diesen Temperaturen überwiegen die thermischen Verluste und es kommt
zum schon erwähnten Stagnationspunkt des Kollektors. In den Simulationen weisen
die Kollektoren bei der höchstmöglichen mittleren Kollektortemperatur (bezogen auf
W
1200 m2
) ähnliche Werte auf wie die von den Herstellern angegebenen StillstandstempeW
).
raturen (bezogen auf 1000 m2
Tabelle 7.1.: Mittlere Kollektortemperatur und Stillstandstemperatur unterschiedlicher
Kollektoren.
FPC
Stillstandstemperatur
Hersteller
Mittlere Kollektortemperatur
Simulation
ETC
Schwimmbadabsorber
einfach
doppelt
mit CPC
ohne CPC
170,7
212
301
220
k.A.
[°C]
152,5
222,5
310
252,5
52,5
[°C]
In der folgenden Tabelle 7.2 werden die Resultate der einzelnen Kollektoren gegenübergestellt.
47
7. Ergebnisse und Berechnungen
Tabelle 7.2.: Vergleich der einzelnen Kollektoren.
h
W
m2
i
600
einfach verglast
Wärmestrom im
Mittlere Kollektortemperatur
exergetischen Optimum
h
i
im exergetischen Optimum
kW
m2
[°C]
0,266
65
Exergiestrom
h
i
kW
m2
0,035
900
0,421
80
0,071
1200
0,570
95
0,116
600
0,289
87,5
0,054
900
0,455
110
0,107
1200
0,625
130
0,170
600
0,268
95
0,054
900
0,412
122,5
0,106
1200
0,573
142,5
0,168
600
0,252
125
0,066
FPC
doppelt verglast
ohne CPC
ETC
mit CPC
Schwimmbadabsorber
900
0,392
152,5
0,122
1200
0,536
175
0,185
600
0,247
28,5
0,008
900
0,370
33,5
0,018
1200
0,506
38
0,031
Abschließend werden alle verwendeten Kollektoren noch gemeinsam in einem Diagramm
dargestellt. Diese Darstellung weist Ähnlichkeiten mit der Abbildung 4.11 auf, wobei
hier die x-Achse nicht durch den Faktor 1000 (Einstrahlung) dividiert wurde.
⇥ W ⇤Auch die yAchse spiegelt hier nicht die Kollektoreffizienz sondern den Wärmestrom m
wider. Die
2
dargestellten Scharen wurden aus den Abbildungen 7.5, 7.4, 7.3 und 7.1 entnommen. Die
eben genannten Abbildungen spiegeln die wirtschaftlich nutzbare Kollektortemperatur
wider und wurden für die folgende Abbildung 7.6 mittels Interpolation der Kennlinien so
W
verlängert, damit der theoretische Einsatzbereich ersichtlich ist. Die Einstrahlung 600 m
2
W
W
spiegelt die unterste, 900 m2 die mittlere und 1200 m2 die oberste Kurve des jeweiligen
Kollektors wider.
48
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.6.: Arbeitsbereich der verwendeten Kollektoren.
7.2. Thermodynamische Betrachtung der WP-Technologie
In diesem Kapitel werden die thermodynamischen Ergebnisse aus dem Prozesssimulationsprogramm IPSEpro dargestellt. Die Abbildungen 7.7, 7.8 und 7.9 zeigen die Kältemittel in Abhängigkeit der Verdampfungstemperatur und der simulierten Wärmesenkentemperatur. Diese Darstellungsform war unter anderem notwendig, um im weiteren
Verlauf der Arbeit die Verbindung zwischen Kollektoren und Wärmepumpen herzustellen. Anschließend folgt eine Darstellung dieser Kältemittel in einem gemeinsamen T-s
Diagramm, in dem die jeweiligen Kreisprozesse ersichtlich sind.
49
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.7.: COP in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur; Kältemittel R134a.
Abbildung 7.8.: COP in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur; Kältemittel R600a.
50
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.9.: COP in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur; Kältemittel R245fa.
Alle drei Kältemittel haben bei den hier gewählten Einstellungen einen ähnlichen COP.
Dies resultiert aus dem geringen 4T von Wärmequelle und -senke. Nur das Kältemittel
R245fa schneidet bei höheren Senkentemperaturen etwas besser ab.
In den Tabellen 7.3 und 7.4 sind die Ergebnisse (Drücke, Temperaturen, ...) bei minimaler
Senkentemperatur von 75°C und maximaler von 90°C gegenübergestellt.
Tabelle 7.3.: Senkentemperatur 75°C bei Verdampfungstemperatur von 45°C.
R600a
R245fa
R134a
6,33
6,61
6,19
-
COP
Leistung Enthitzer
1,22
1,89
2,07
[kW ]
Leistung Kondensator
17,92
17,81
16,36
[kW ]
4
3,29
4,8
[kW ]
23,15
23
23,24
[kW ]
Leistung Unterkühler
Heizleistung
Wärmequellenleistung
Elektrische Leistung
20
20
20
[kW ]
3,65
3,477
3,75
[kW ]
Eintrittstemperatur Verdampfer
45
45
45
[°C]
Temperaturniveau Kondensator
78,68
77,94
77,77
[°C]
Druckniveau Kondensator
13,07
7,49
25,10
[bar]
Druckniveau Verdampfer
6,04
2,94
11,59
4845,6
2674,5
8993,1
[bar]
h
i
Volumetrische Heizleistung
51
kJ
m3
7. Ergebnisse und Berechnungen
Tabelle 7.4.: Senkentemperatur 90°C bei Verdampfungstemperatur von 45°C.
R600a
R245fa
R134a
COP
4,85
5,16
5,05
[ ]
Leistung Enthitzer
1,24
1,89
3,4
[kW ]
Leistung Kondensator
15,95
16,39
12,57
[kW ]
Leistung Unterkühler
6,99
5,73
8,14
[kW ]
Heizleistung
24,19
24,01
24,12
[kW ]
Wärmequellenleistung
Elektrische Leistung
20
20
20
[kW ]
4,85
4,64
4,76
[kW ]
Eintrittstemperatur Verdampfer
45
45
45
[°C]
Temperaturniveau Kondensator
92,95
91,85
89,36
[°C]
Druckniveau Kondensator
17,38
10,50
32,02
[bar]
Druckniveau Verdampfer
6,04
2,94
11,59
5165,7
3146,7
9353,5
[bar]
h
i
Volumetrische Heizleistung
kJ
m3
Für das hier abgebildete T-s Diagramm wurde für den Kreisprozess der einzelnen Fluide
eine Senkentemperatur von 75°C gewählt. Auf Anhieb sind die kritischen Temperaturen
zu sehen. Das Kältemittel R245fa hat mit 154°C die höchste kritische Temperatur, gefolgt
vom R600a (134,7°C) und R134a (101°C). Einhergehend mit der kritischen Temperatur
ist der kritische Druck. Angesichts der hohen kritischen Temperatur von 154°C weist
R245fa den niedrigsten kritischen Druck (27,59 bar) auf. Mit 40,56 bar (R134a) und
36,39 bar (R600a) sind die kritischen Drücke doch deutlich höher als bei R245fa (vgl.
6.2).
Abbildung 7.10.: T-s Diagramm mit Kreisprozessen.
Auch die Breite des Zweiphasengebiets ist deutlich zu erkennen. Hier hat das natürliche
52
7. Ergebnisse und Berechnungen
Kältemittel R600a die breiteste Ausdehnung und somit auch den geringsten Massenstrom. R134a und R245fa können hier annähernd gleich behandelt werden. Die Überhitzung von R600a und R245fa ist im T-s Diagramm rot gekennzeichnet. Ohne Überhitzung
befänden sich die beiden Kältemitteln innerhalb des Zweiphasengebietes, was eine Auskondensierung im Verdichter zur Folge hätte.
7.3. Kombination Solarthermie und Wärmepumpe
Um nun die ausgewählten thermischen Kollektoren mit den einzelnen Kältemitteln aus
dem Wärmepumpenprozess darzustellen, wurde auf das Konzept der Nomografie zurückgegriffen.
7.3.1. Aufbau und Funktion eines Nomogramms
Der Begriff „Nomogramm“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „gezeichnetes Gesetz“. Mit dieser grafischen Darstellung ist es möglich, ohne rechnerischen
Aufwand, rasch Ergebnisse zu generieren. Das Nomogramm ist vor allem in technischen
Bereichen ein beliebtes Werkzeug, um Sachverhalte darzustellen. „Hinter“ einem Nomogramm liegen mathematische Gleichungen, welche je nach Komplexität der Gleichung
gekrümmte „Leitern“, beziehungsweise bei einfacheren Gleichungen gerade „Leitern“ darstellen. Sind zwei Variable einer Gleichung bekannt, kann mit Hilfe eines Lineals eine
Gerade gezogen werden und man erhält ohne Rechenarbeit die dritte Veränderliche. Ein
Nachteil dieser Art der Lösungsfindung liegt in der Genauigkeit und Auflösung der Darstellung, sodass kleine Abweichungen vom rechnerischen Ergebnis der Fall sein können.
Aufgrund der einfachen Handhabung ist es auch für Laien möglich rasch Lösungen zu
generieren, weshalb im Informationszeitalter dieses Werkzeug noch weiterhin verwendet
wird [70].
7.3.2. Solarkollektoren und Wärmepumpe im Nomogramm
Die Abbildung 7.11 zeigt die Verbindung aus thermischen Kollektoren und Kältemitteln.
Die Darstellung greift im Wesentlichen die Prinzipien der Nomografie auf, basiert aber
auf den kartesischen Koordinatensystem. Im Sinne des kartesischen Koordinatensystems
werden die einzelnen Abbildungen im Nomogramm als Quadranten bezeichnet, sind aber
nicht über einen gemeinsamen Nullpunkt miteinander verbunden. Auch wird hier in
Richtung des Uhrzeigersinnes und nicht entgegen vorgegangen. Des weiteren sind alle
Punkte in den einzelnen Quadranten mit positiven Vorzeichen auf den begrenzenden
Achsen abzulesen.
Die Quadranten im Detail:
• I. Quadrant: In diesem Quadranten sind unter Berücksichtigung der Einstrahlung
W
(600, 900 und 1200 m
2 ) die Scharen der Flachplattenkollektoren aus Abbildung 7.1
und 7.2 sowie die der Vakuumröhrenkollektoren von Abbildung 7.4 und 7.3 dargestellt. Die mittlere Kollektortemperatur wurde, um den Einsatz von Wärmepumpen
53
7. Ergebnisse und Berechnungen
zu ermöglichen, auf 80°C begrenzt. Der Bereich von 40°C auf 30°C wurde mittels
Trendlinien (Polynomisch 6. Grades) dargestellt. Auf die Darstellung der Exergieströme wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
• 2. Quadrant: Dieser Quadrant beinhaltet die drei Kältemittel R134a, R245fa und
R600a (Abbildung 7.7, 7.8 und 7.9). Die Werte der Abszisse (COP) wurden in umgekehrter Reihenfolge dargestellt. Auf die Darstellung eines COP�s unter 3 wurde
aus Gründen der Wirtschaftlichkeit verzichtet. Um den realen Verhältnissen näher
zu kommen, wurden in diesem Quadranten in jedem Rechenschritt 2K Temperaturdifferenz miteinbezogen. Die Temperaturdifferenz ist ein fiktiver Wärmetauscher.
Die Scharen der Kältemittel wurden ab einer mittleren Kollektortemperatur von
60°C mittels Trendlinien (Polynomisch 6. Grades) fortgesetzt.
W
• 3. Quadrant: Hier sind die Scharen der einzelnen Einstrahlungen (200 bis 1200 m
2)
W
in 200 m2 - Schritten, welche nach Formel 7.3 berechnet wurden, dargestellt.
PEl =
Q̇ Solar
(COP 1)
(7.3)
• 4. Quadrant: In diesem Quadranten ist nun die Gesamtleistung Q̇ T otal, die sich
aus der Einstrahlung Q̇ Solar und der Verdichterleistung P El ergibt, veranschaulicht.:
Q̇ T otal = Q̇ Solar + Pel
(7.4)
Vorgehensweise
Die einzelnen Schritte verlaufen beginnend vom ersten Quadranten im Uhrzeigersinn:
• Schritt 1: Zunächst wird im ersten Quadranten ein Kollektor gewählt. Zur Entscheidung steht auch welche T Koll angestrebt wird. Je nach Einstrahlung ergibt
sich hier ein unterschiedlich hoher Wärmestrom. Auf der Ordinate kann nun sofort
der generierte Wärmestrom entnommen werden. Je nachdem wie hoch die geforderte Vorlaufttemperatur im FW-Netz ist, könnte eine Direkteinspeisung erfolgen.
Danach wird von diesem Punkt aus eine zur Ordinate parallel gelegene Gerade eingetragen. Dadurch ergeben sich Schnittpunkte mit den einzelnen Kältemitteln und
dazugehörigen Senkentemperaturen der Wärmepumpe im zweiten Quadranten.
• Schritt 2: Anschließend wird parallel zur Abszisse eine Gerade in den dritten
Quadranten eingezeichnet. Abhängig von der im ersten Quadranten gewählten EinW
strahlung (zb. 600 m
2 ) wird die dazugehörige Kurve (Q̇ Solar 600) gewählt und ein
Punkt eingezeichnet. Auf der Abszisse kann nun die für den Wärmepumpenprozess
benötigte Verdichterleistung abgelesen werden.
• Schritt 3 und 4: Danach wird vom dritten Quadranten eine zur Abszisse parallel
gelegene Gerade zum vierten Quadranten eingetragen sowie eine vom Ausgangspunkt im ersten Quadranten parallel zur Ordinate liegende Gerade in Richtung
des vierten Quadranten. Der Schnittpunkt dieser Geraden ergibt schlussendlich die
Gesamtleistung, welche aus Solarkollektor und Wärmepumpe generiert wird.
54
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.11.: Vorgehensweise im Nomogramm.
55
7. Ergebnisse und Berechnungen
7.3.3. Szenarien im Nomogramm
Im Folgenden werden drei unterschiedliche Szenarien (A, B und C) für den FPC single
glazed und für den ETC mit CPC (X, Y und Z) durchgenommen. Somit wird hier der
leistungsschwächste mit dem leistungsstärksten Kollektor verglichen. Um die KollektoW
ren vergleichen zu können, wird in beiden Szenarien die gleiche Einstrahlung (900 m
2)
verwendet. Als Kältemittel wurde für die folgenden Szenarien R134a gewählt und eine
Temperaturanhebung auf 85°C angenommen.
Szenarien für den ETC mit CPC
• Szenario A: Am ersten Schauplatz liefert der Kollektor bei einer gewählten mittW
leren Kollektortemperatur von 45°C (1A) einen Wärmestrom von 560 m
2 . Durch
die Temperaturanhebung der Wärmepumpe von 45°C auf 85°C (1B) kann ein COP
von 5,6 erreicht werden. Im dritten Quadranten kann nun durch Einzeichnen der
nächsten Gerade am Punkt 3A eine Verdichterleistung von 185 W abgelesen werden. Am Schnittpunkt des vierten Quadranten (4A) ergibt sich schlussendlich eine
W
generierte Gesamtleistung von 730 m
2.
• Szenario B: Im nächsten Szenario wurde eine mittlere Kollektortemperatur von
W
60°C (1B) gewählt. Dadurch könnten direkt 540 m
2 vom Kollektor abgegriffen werden. Mit einer Temperaturanhebung mittels Wärmepumpe von 60°C auf 85°C (2B)
erreicht diese einen COP von 9,4. Die für den Prozess benötigte Leistung wird im
dritten Quadranten (3B) abgelesen und beträgt 110 W. Durch Einzeichnen einer
Geraden in Richtung des vierten Quadranten ergeben sich in diesem Schnittpunkt
W
(4A) 640 m
2.
• Szenario C: Das letzte Szenario geht von einer Direkteinspeisung des Kollektors
aus. Es wird angenommen, dass der Kollektor 70°C mittlere Kollektortemperatur
erreicht und somit in der Lage ist, direkt in ein Fernwärmenetz einzuspeisen. Er
W
wäre somit in der Lage einen Wärmestrom von 475 m
2 bereitzustellen.
56
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.12.: Szenarien für den ETC with CPC.
57
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.13.: Szenarien für den FPC single glazed.
58
7. Ergebnisse und Berechnungen
Szenarien für den FPC single glazed
• Szenario X: Bei einer gewünschten mittleren Kollektortemperatur von 45°C könW
nen hier direkt 600 m
2 abgegriffen werden. Bei einer Temperaturanhebung auf 85°C
erreicht die Wärmepumpe einen COP von 5,7. Die benötigte Verdichterleistung beW
trägt hier 190 W. Dadurch erreicht dieses Szenario eine Gesamtleistung von 790 m
2.
• Szenario Y: Wie auch im Szenario B des ETC mit CPC wird hier eine mittlere
W
Kollektortemperatur von 60°C gefordert. Dadurch könnten direkt 530 m
2 abgegriffen werden. Die Wärmepumpe erreicht einen COP von 9,2. Die für die Temperaturerhöhung benötigte Verdichterleistung beträgt etwa 120 W. In dieser Variante
W
kann eine Gesamtleistung von 640 m
2 erreicht werden.
• Szenario Z: Auch hier ist das letzte Szenario eine Direkteinspeisung. Hier könnte
W
der Kollektor bei einer geforderten Vorlauftemperatur von 70°C 490 m
2 liefern.
Tabelle 7.5.: Gegenüberstellung der Szenarien für den ETC with CPC und FPC single
glazed.
Szenario 45°C
Szenario 60°C
Szenario 70°C
Q̇
COP
Pel
Q˙_ T otal
A
560
5,6
185
730
X
600
5,7
190
790
B
540
9,4
110
640
Y
530
9,2
120
640
C
475
-
Z
490
-
⇥W ⇤
m2
[ ]
⇥[W ]⇤
W
m2
Bezogen auf die generierten Gesamtleistungen ergeben sich für die einzelnen Szenarien
A, B, und C, sowie X, Y und Z folgende Flächenertragssteigerung:
ARise =
Q̇
T otal
(7.5)
Q̇
Tabelle 7.6.: Flächenertragssteigerung bezogen auf die Gesamtleistung.
Szenario 45°C
Szenario 60°C
Q̇
Q̇ T otal
Arise
A
560
730
30
X
600
790
31
B
540
640
19
59
Y
530
640
20
⇥W ⇤
2
⇥m
⇤
W
m2
[%]
7. Ergebnisse und Berechnungen
7.4. Anwendungsbeispiel
An diese Szenarien anknüpfend wird nun das erarbeitete Nomogramm auf einen konkreten Fall angewendet. In der Marktgemeinde Großschönau soll ein bestehendes Nahwärmenetz im Sommerbetrieb ohne die schon bestehende Hackschnitzelanlage (500 kW) betrieben werden. Da im Sommerbetrieb lediglich etwa 120 kW benötigt werden, verursacht
der Kessel im Teillastbetrieb hohe Emissionen, weswegen der Betrieb des Netzes für den
Sommer optimiert werden soll. Die im Sommerbetrieb benötigte Wärmeleistung soll von
Solarthermischen Anlagen (36 m2 Kollektorfläche) in Kombination mit einer Wärmepumpe, einer Hackschnitzelanlage (80kW) und der Abwärme einer Kälteanlage (8 kW)
bereitgestellt werden. Im Fall eines Auskühlens des Netzes (Stromausfall, Störung, etc.,
...) steht ein Ölkessel (320 kW) zur Verfügung. Die tatsächlich benötigte Wärmemenge wurden mittels Wärmemengenverbrauchsmessungen erhoben. Hier wurde festgestellt,
dass die fünf größten Abnehmer etwa 45 der gesamten Wärmemenge benötigen und sind
im Jahresverlauf dargestellt.
Aus dem folgenden Kurvenverlauf (Abbildung 7.14) ist ersichtlich, dass vor allem in den
Wintermonaten die Abnahme stark ansteigt und der Verbrauch in den Sommermonaten
verhältnismäßig gering ist.
Abbildung 7.14.: Monatsverbrauch in Großschönau [1].
Nach Umrechnung von Wärmeverbrauch (kWh) in durchschnittliche Wärmeleistung (kW),
ist der Sommerbetrieb in der hier ausgewerteten Periode (Juli 2014 - Juni 2015) von April
2014 - Oktober 2014.
60
7. Ergebnisse und Berechnungen
Tabelle 7.7.: Benötigte Wärmeleistung im Sommer- und Winterbetrieb in Großschönau.
kWh
kW
Juli 2014
15188
21,09
August 2014
20309
28,2
September 2014
34874
48,4
Oktober 2014
57316
79,6
November 2014
95432
132,5
Dezember 2014
134273
186,4
Jänner 2015
142726
198,2
Februar 2015
136098
189
März 2015
121343
168,5
April 2015
75686
105,1
Mai 2015
44059
61,1
Juni 2015
23023
31,9
Sommerbetrieb
Winterbetrieb
Sommerbetrieb
Netzcharakteristik in Großschönau:
Das Fernwärmenetz ist als Maschennetz aufgebaut, wobei zwischen VL und RL an den
Netzenden ein hydraulischer Kurzschluss eingebaut wurde. Im Sommerbetrieb beträgt die
Temperatur im VL 70°C und im RL etwa 40-50°C. Die Temperaturen im Winterbetrieb
(Heizsaison) liegen bei 90°C im VL und 50°C im RL. Der Höhenunterschied zwischen
höchstem und niedrigstem Punkt beträgt etwa 30 m. Am höchsten Punkt herrschen etwa 5 bar und am niedrigsten 8 bar. Momentan wird der Differenzdruck noch mit einer
Netzpumpe bereitgestellt, wobei im späteren Verlauf der Differenzdruck von den einzelnen Prosumerpumpen aufrecht erhalten werden soll. Das Netzschema kann aus dem
Anhang A.9 entnommen werden. Die in rot gekennzeichneten Kästen zeigen die einzelnen
Wärmeeinspeiser, die den Sommerbetrieb bewerkstelligen sollen.
Kollektorcharakteristik in Großschönau:
Die Flachplattenkollektoren auf dem Dach der Volksschule wurden 1996 in Betrieb genommen. Die Kollektoren haben einen Wirkungsgrad von c0 = 0,787, einen Wärmeverlustkoeffizienten erster Ordnung von c1 = 3, 74 mW
2 K und Kollektoreffizient zweiter
Ordnung von c2 = 0, 012 mW
(Siehe
Anhang,
MEA
Quattro).
Die Kollektoren sind orts2K
fest nach Süden ausgerichtet und stehen in einem Neigungswinkel von 40°. Momentan
wird die produzierte Wärme hausintern zur Warmwasserbereitstellung genutzt und nicht
ins Netz eingespeist. Nun soll die von den 36 m2 Kollektorfläche produzierte Wärme
über einen 3000l Pufferspeicher geführt und mittels Wärmepumpe auf das gewünschte
Temperaturniveau gehoben werden. Der Pufferspeicher dient einerseits als hydraulische
Trennung zwischen Wärmepumpensolekreis und Kollektoren, andererseits wird die fluktuierende Wärmeproduktion der Kollektoren geglättet. Die Einspeisung ins Netz erfolgt
vom RL in den VL.
61
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.15.: Einbindungsschema der Kollektoren in Großschönau [1].
Wie im Kapitel Solarthermische Anlagen wurden auch hier der Wärmestrom und das
exergetische Optimum des Kollektors mit dem Simulationsprogramm IPSEpro erhoben.
W
Durch Variation der Einstrahlung (600 1200 m
2 ) wurde für den Sommerbetrieb (geforderte mittlere Kollektortemperatur von 70°C) und dem Winterbetrieb (90°C) der mögliche Ertrag berechnet. In Realität bewegt sich die solare Einstrahlung zwischen 600 und
W
W
W
900 m
2 , weshalb der Ertrag der Anlage zwischen 9,5 kW (600 m2 ) und 17,6 kW (900 m2 )
liegt (Abbildung 7.16). Die Tabelle 7.8 zeigt bei einer Direkteinspeisung ins Fernwärmenetz die möglichen Erträge für den Winter- und Sommerbetrieb.
Tabelle 7.8.: Ertrag der Flachplattenkollektoren in Großschönau im Sommer- und Winterbetrieb.
Direkteinspeisung
Einstrahlung
600
900
1200
⇥W ⇤
m2
FW-Betrieb
Sommer
Winter
Sommer
Winter
Sommer
Winter
mittlere Kollektortemperatur [°C]
70
90
70
90
70
90
62
Ertrag [kW ]
9.62
5,45
17,68
13,95
26,1
22,45
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.16.: Charakteristik des Flachplattenkollektors in Großschönau.
Neben der Direkteinspeisung wird hier auch der Fall einer Temperaturanhebung mittels Wärmepumpe betrachtet. Auch hier wurde wieder mit den drei Kältemitteln R134a,
R245fa und R600a gearbeitet. In Analogie zu den schon gezeigten Nomogrammen wurde
der erste Quadrant des folgenden Nomogramms auf das konkrete Fallbeispiel abgeändert.
Es wird nur noch der verbaute Kollektor MEA Quattro betrachtet, der die EinstrahlungsW
2
scharen von 600-1200 m
2 beinhaltet. Um auf den Ertrag der gesamten Anlage (36 m )
zu kommen, muss dieser Wert mit dem generierten Wärmestrom multipliziert werden:
Q̇Anlage = Q̇ · 36
63
(7.6)
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.17.: Szenarien für den Flachplattenkollektor in Großschönau.
64
7. Ergebnisse und Berechnungen
Die farblich gekennzeichneten Szenarien beinhalten die Direkteinspeisung (Punkt C, F,
I), die Temperaturanhebung mittels Wärmepumpe von 45°C auf 75°C (A, D, G) und
weiters eine Anhebung von 60°C auf 90°C (B, E, H). Als Kältemittel wurde R245fa betrachtet. Zusätzlich wurden drei unterschiedliche Einstrahlungen angenommen. Durch
diese Szenarien wird einerseits der Sommer- und andererseits der Winterbetrieb abgebildet. Die Ergebnis der Szenarien wurden in Tabelle 7.9 aufgeschlüsselt.
Tabelle 7.9.: Flächenertragssteigerung durch Wärmepumpenbetrieb.
Einstrahlung, I
Szenario
Direkt abgreifbarer Wärmestrom, Q̇
1200
900
600
A
B
C
D
E
F
G
H
I
840
775
730
610
540
490
370
310
250
h
W
m2
i
h
W
m2
i
/
COP der WP
7,1
8,4
-
7,1
8,4
-
7,1
8,4
-
Verdichterleistung, Pel
190
170
-
145
120
-
100
80
-
1030
940
-
750
670
-
470
390
-
22,6
21,2
-
22,9
24
-
27
25,8
-
[%]
30,2
27,9
26,2
21,9
19,4
17,6
13,3
11,1
9
[kW ]
37
33,8
-
27
24,1
-
16,9
14
-
[kW ]
Wärmestrom mit WP, Q̇_Total
Gesteigerter Flächenertrag
bezogen auf die Gesamtleistung, Arise
Gesamtertrag der Anlage ohne WP
Gesamtertrag der Anlage mit WP
[ ]
[W ]
h
W
m2
i
7.5. Anlagen COP
Um den wahren wirtschaftlichen COP der Anlage (Wärmepumpe mit solarthermischer
Anlage) zu ermitteln, wird ähnlich wie in Abbildung 7.15 die schematische Darstellung
7.18 herangezogen. Die produzierte Wärme des Kollektor-Wärmepumpenverbandes wird
in den VL des Fernwärmenetzes eingespeist.
65
7. Ergebnisse und Berechnungen
Abbildung 7.18.: Einspeiseschema zur Erhebung des Anlagen COP�s.
Die erzeugte Wärmemenge des Kollektos hängt einerseits von der Einstrahlung und andererseits von der Kollektoraustritts und -eintrittstemperatur ab. Die Einstrahlung wurde
W
vorgegeben (600 1200 m
2 ) und die Vorlauftemperatur des Kollektors basiert auf Setzwerten. Die Rücklauftemperatur wurde starr auf 40°C gesetzt:
Q̇Koll = f (Ihv , TKoll,V L , TKoll,RL )
(7.7)
Die Rücklauftemperatur bzw. Kollektoreintrittstemperatur (Verdampfungstemperatur)
des Kollektors beinhaltet die 2K Temperaturdifferenz des Wärmetauschers und ist ebenfalls von der Einstrahlung und der Kollektorvorlauftemperatur abhängig:
⇣
⌘
TV D = f Q̇Koll , TKoll,V L = f (Ihv , TKoll,V L )
(7.8)
Q̇F W = f (Ihv )
(7.9)
Die Wärmemenge, die im Fall einer Direkteinspeisung generiert wird, wurde schon in
den Szenarien erhoben und ist als direkt abgreifbarer Wärmestrom Q̇ in Tabelle 7.9 zu
entnehmen. Die Wärmemenge, die eingespeist werden kann, ist von der Einstrahlung abhängig und wird nach Formel 7.1 von der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur
im Kollektor begrenzt:
Jene Wärmemenge, die durch Temperaturanhebung mittels Wärmepumpe generiert wird,
konnte ebenfalls durch das Nomogramm erhoben werden (Wärmestrom mit WP Q̇ T otal
Tabelle 7.9). Diese ist ebenfalls von der Einstrahlung sowie von der Kollektorvorlauftemperatur und jenen Temperaturen, die im Fernwärme VL und RL herrschen, abhängig:
66
7. Ergebnisse und Berechnungen
(7.10)
Q̇F W = f (Ihv , TF W,V L , TF W,RL , TKoll,V L )
Bisher wurde für die einzelnen Kollektoren belegt, dass mit abnehmender Einstrahlung
sowie bei steigenden Temperaturen im Kollektor der Wärmeertrag abnimmt. Neben diesen Grenzfällen (geringe Einstrahlung, hohe Kollektortemperatur), die durchaus die tageszeitlichen Schwankungen widerspiegeln, konnte durch den Einsatz einer Wärmepumpe
in allen Szenarien ein höherer Mehrertrag erzielt werden. Darauf aufbauend ist nun zu
quantifizieren, wieviel Q̇F W pro PEl,W P generiert werden kann und vor allem wie hoch
dieser Effekt (wahrer wirtschaftlich relevanter COP) ist:
COPGesamt =
Q̇F W,mitW P Q̇F W,ohneW P
PEl,W P
!
(7.11)
Der Anlagen COP wird für den Fall Q̇F W,ohneW P = 75°C berechnet, also jener Wärmestrom, der bei Direkteinspeisung generiert werden würde. Die Temperaturanhebung der
Wärmepumpe (R134a) erfolgt auf 75°C.
Abbildung 7.19.: COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur des MEA Kollektors bei
W
W
W
einer Einstrahlung von 600 m
2 , 900 m2 und 1200 m2 .
Die Abbildung 7.19 zeigt, dass unabhängig von der Einstrahlung die optimale Kollektortemperatur für den Wärmepumpen-Kollektorverband bei 49-50°C liegt.
Auch für die Flachplatten- und die Vakuumröhrenkollektoren liegt die optimale Kollektortemperatur zwischen 49 und 50°C (Abbildung 7.20 und 7.21). Die Temperaturanhebung durch die Wärmepumpe (R134a) erfolgte ebenso auf 75°C.
67
7. Ergebnisse und Berechnungen
W
Abbildung 7.20.: COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur bei 600 m
2.
W
Abbildung 7.21.: COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur bei 1200 m
2.
68
8. Diskussion und Ausblick
In der thermodynamischen Untersuchung der Kältemittel, in der die Verdampfungstemperatur von 20°C bis 60°C und die Wärmesenkentemperatur von 75°C bis 90°C variiert
wurde, zeigen sich keine allzu großen Unterschiede. Alle Kältemittel weisen aufgrund des
niedrigen 4T in etwa den selben COP-Verlauf auf. Bei näherer Betrachtung der einzelnen
Parameter zeigen sich jedoch gravierende Unterschiede.
R134a weist den höchsten Kondensationsdruck auf, weshalb aus konstruktiver Sicht die
einzelnen Bauteile beim Verbau stärker ausfallen müssen und somit auch höhere Kosten
anfallen. Auch sicherheitstechnisch macht es einen Unterschied, ob Drücke von 10,5 bar
(R245fa) respektive 17,38 bar (R600a) oder 31,02 (R134a) herrschen. Andererseits hat
kJ
R134a mit einer volumetrischen Heizleistung von etwa 9350 m
3 (tSenke 90°C) wiederum
wirtschaftliche Vorteile. Auch bei der volumetrischen Heizleistung liegt die Tücke im Detail. In dieser Kennzahl steckt die Verdampfungsenthalpie, also jene Wärmemenge, die
pro kg gespeichert werden kann. Und diese Verdampfungsenthalpie ist bei R600a am
höchsten, weswegen hier ebenso wirtschaftliche Vorteile liegen. Werden Leckageverluste
und die Menge an Kältemittel, die für eine Anlage zum Befüllen notwendig sind, herangezogen, so beschreibt das spezifische Volumen den ökologischen Aspekt. Mit 1, 83E 2
m3
kg von R134a beeinflusst dieses Kältemittel am stärksten die Umwelt und verursacht
auch die höchsten Kosten beim Befüllen einer Anlage. Auch der GWP-Wert ist bei diesem Kältemittel am höchsten. Im Fall der kritischen Temperatur zeichnet sich R245fa
insofern aus, als es wegen der hohen kritischen Temperatur auch für noch höhere Kondensationstemperaturen verwendet werden kann.
Tabelle 8.1.: Gegenüberstellung der einzelnen Kältemittel.
Volumetrische Heizleistung (qth )
Kondensationsdruck (pK )
Verdampfungsdruck (pK )
Kritische Temperatur (tK )
Kritischer Druck (pK )
COP
Verdampfungsenthalpie (4h)
Spezifisches Volumen (v)
GWP
R134a
R245fa
R600a
•9353,5
•3146,7
•5165,7
•32,02
•10,5
•17,38
•11,59
•101,0
•2,94
h
kJ
m3
i
[bar]
•6,04
[bar]
40,56
27,59
•154
•134,7
36,39
[bar]
•5,05
•5,16
•4,85
[ ]
h i
•141,73
0,00183
•1370
•. . .Gut
69
•177,24
0,00676
•950
•. . .Mittel
•274,28
0,00684
•20
•. . .Schlecht
[°C]
h
kJ
kg i
m3
kg
[ ]
8. Diskussion und Ausblick
Für die thermischen Kollektoren wurden von den Herstellern Stillstandstemperaturen
angegeben. Die Stillstandstemperatur wird bei einer Umgebungstemperatur von 30°C
W
und einer Einstrahlung von 1000 m
2 angegeben. In den Simulationen, bei denen mit einer
Umgebungstemperatur von 20°C gearbeitet wurde, konnte festgestellt werden, dass die
W
maximale mittlere Kollektortemperatur (Einstrahlung von 1200 m
2 ) starke Ähnlichkeiten
mit den Stillstandstemperaturen aufweist.
Die Neigungswinkel der Kollektoren wurde insofern miteinbezogen, als dass die unterschiedlichen Einstrahlungen auch die jahreszeitlichen- bzw. tageszeitlichen SchwankunW
gen widerspiegeln. So können zu den Morgen- und Abendstunden etwa 600 m
2 und zur
W
Mittagszeit 1000 m2 und mehr gemessen werden. Natürlich sind diese Werte nur Momentaufnahmen. In der Realität schwanken diese Einstrahlungen aufgrund von Bewölkung und
Niederschlag.
Durch das Exergetische Optimum konnten je nach Einstrahlung optimale Betriebspunkte
gefunden werden.
Tabelle 8.2.: Exergetisches Optimum bei unterschiedlicher Einstrahlung.
h
W
m2
i
Einstrahlung
600
900
1200
FPC einfach verglast
65
80
95
[°C]
FPC doppelt verglast
87,5
110
130
[°C]
ETC ohne CPC
95
122,5
142,5
[°C]
ETC mit CPC
125
152,5
175
[°C]
Schwimmbadabsorber
28,5
33,5
38
[°C]
Durch die grafische Verknüpfung von solarthermischen Anlagen mit einzelnen Kältemitteln konnte festgestellt werden, dass es bei sehr detaillierter Auflösung des Nomogramms
nur kleine Unterschiede in Bezug auf rechnerisch erhobenen Daten gibt. Bezogen auf die
W
mittlere Kollektortemperatur von 45°C und einer Einstrahlung von 900 m
2 (vgl. Szenario
A und X) sehen die Abweichungen exemplarisch für den FPC einfach verglast und den
ETC mit CPC wie folgt aus:
Tabelle 8.3.: Gegenüberstellung Nomogramm mit Simulationsergebnissen
Nomogramm
Ergebnisse aus Simulation
ETC mit CPC
FPC einfach verglast
ETC mit CPC
FPC einfach verglast
Q̇_Koll
560
600
557
614
COP
5,6
5,7
5,34
5,34
Q̇_Total
730
790
685,3
755,4
70
h
h
W
m2
[ ]
W
m2
i
i
8. Diskussion und Ausblick
Durch die Szenarien und dem Praxisbeispiel im Nomogramm konnte gezeigt werden,
dass es möglich ist, im ersten Quadranten unterschiedliche Arten von Kollektoren darzustellen. Auch im zweiten Quadranten ist es möglich, unterschiedliche Kältemittel bzw.
Wärmepumpen anzuwenden. So kann das Nomogramm für eine Vielzahl von Kollektoren
und Kältemitteln verwendet werden. Es könnte für Hersteller von Wärmepumpen und
solarthermischen Kollektoren ein nützliches Werkzeug sein, um die Kombination dieser
Technologien vereinfacht und aussagekräftig darzustellen. Es ist auch für den Laien möglich, schnell und unkompliziert einzelne Verknüpfungen und Resultate abzulesen.
Im Fallbeispiel Großschönau konnte gezeigt werden, dass es sinnvoll ist, die bestehenden
Kollektoren mit einer Wärmepumpe auszustatten. In Tabelle 8.4 sind die Ergebnisse für
den Anlagen COP und optimaler Kollektortemperatur zusammengefasst. Es hat sich gezeigt, dass die TKoll,V L,opt der Anlage unabhängig von der Einstrahlung ist und zwischen
49 und 50°C liegt. Der Volumenstrom der Anlage sollte also so geregelt werden, dass
immer dieses Temperaturniveau vorliegt. Dass der COP Gesamt bei einer Einstrahlung
W
W
von 600 m
2 höher ist als bei 1200 m2 zeigt, dass die solarthermischen Kollektoren vor allem bei schlechter Witterung von einer Wärmepumpeneinbindung profitieren. Aber auch
bei sonnigen Phasen macht es durchaus Sinn mit Wärmepumpe zu arbeiten. Darüber
hinaus entzieht die Wärmepumpe den Kollektoren Wärme (thermische Verluste werden
reduziert), weswegen die Kollektoren effizienter arbeiten können.
Tabelle 8.4.: COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur bei 75°C.
75 C
COP Gesamt TKoll,V L,opt
600
2,22
49 - 50°C
⇥W ⇤
900
1,81
49 - 50°C
Einstrahlung m2
1200
1,61
49 - 50°C
Durch die Wärmepumpeneinbindung liegt die Flächenertragssteigerung im Schnitt bei
23% liegt. Auch das lässt sich aus dem Nomogramm ableiten.
Bezugnehmend auf die in der Einleitung vorgestellten Abbildung 1.1 von Lund, die vor
allem dadurch besticht, dass die Temperatur im Fernwärmenetz auf 70-75°C begrenzt
werden soll, zeigt das Praxisbeispiel Großschönau dass:
• eine Kopplung unterschiedlicher Technologien sinnvoll ist.
• bestehende Anlagen effizienter gestaltet werden können, vor allem dort, wo durch
ein begrenztes Platzangebot ein Ausbau thermischer Anlagen nicht in Frage kommt.
• durch die Temperaturanhebung der Wärmepumpe von 45°C auf 75°C ein wirtschaftlich darstellbarer COP zustande kommt und somit auch diese Technologie
effizienter genutzt werden kann.
• solarthermische Anlagen nicht nur im Sommer, sondern auch in der Übergangszeit
71
8. Diskussion und Ausblick
gute Erträge liefern können.
• auch veraltete Darstellungsformen wie die Nomografie heutzutage interessante Werkzeuge sind, um bestimmte Sachverhalte darzustellen.
• nicht nur für Fernwärmenetzbetreiber eine Kombination dieser Technologien sinnvoll ist, sondern auch für Betreiber von großflächig verbauten Kollektoren es zu
einer Flächenertragssteigerung kommt.
Die Nutzung von Sonnenenergie für Zwecke der Wärmebereitstellung ist bei Weitem noch
nicht ausgeschöpft. Die Potentiale sind beinahe unerschöpflich. Um diesen erneuerbaren
Energieträger erfolgreich in bestehende Anlagen zu integrieren, müssen jedoch veraltete
und verkrustete Systeme aufgebrochen werden. Im Speziellen sollten hier die Temperaturniveaus der Wärmenetze gesenkt werden.
72
Abbildungsverzeichnis
1.1. Illustration des Konzepts der 4. Generation Fernwärme im Vergleich zu
den vorherigen drei Generationen. [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Thermodynamische Systeme [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Links: T-s und h-s Diagramm Idealer Gase mit Isenthalpen, Isentropen,
Isobaren, Isochoren und Isothermen [18]. Rechts: Verhalten von Zustandsgröße und Zustandsänderung (abgeänderte Darstellung [19]). . . . . . . . .
2.3. Thermisches Gleichgewicht zwischen dem System A, B und C (abgeänderte
Darstellung [14]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Der Maxwellsche Dämon bei der Arbeit [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1. Der prozentuale Anteil der Fernwärmeanlagen für Heizung in ausgewählten
Ländern (2014) [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Netzstruktur eines Wärmenetzes (abgeändert nach [27]). . . . . . . . . . .
3.3. Technische Möglichkeiten zur Einspeisung in Wärmenetze. [34]. . . . . . .
3.4. Einbindungsvariante Direkteinspeisung (eigene Darstellung). . . . . . . . .
3.5. Einbindungsvariante Kompressionswärmepumpe (eigene Darstellung). . . .
4.1. Die Umwandlung von Sonnenenergie in andere Energieformen [37]. . . . .
4.2. Atmosphärische Absorption und Streuung der Solarkonstante durch die
Atmosphäre [41]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Der Unterschied zwischen AM0 und den resultierenden AM1.5D Spektren
mit molekularem Absorptionsband [41]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Plancksches Strahlungs- und Wiensches Verschiebungsgesetz anhand unterschiedlicher Strahler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5. Sonnenstandkurve mit Horizont für den 48. Breitengrad [47]. . . . . . . .
4.6. Winkeldefinition [42]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7. Links: Teilvorgänge der solarthermischen Energiewandlung, dargestellt an
einem Parabolrinnenkollektor. Rechts: Darstellung eines Flachplattenkollektors [51, 50]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8. Vakuumröhrenkollektor mit CPC-Spiegel [48]. . . . . . . . . . . . . . . .
4.9. Energiefluss und die begleitenden optischen und thermischen Verluste in
einem solarthermischen Kollektor [41]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10. Energiebilanz eines Kollektors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11. Kollektoreffizienz unterschiedlicher Kollektoren [36]. . . . . . . . . . . . . .
3
6
6
7
9
12
12
15
16
17
19
20
21
22
24
25
26
28
29
30
31
5.1. Entwicklung des österreichischen Wärmepumpenmarktes 1976-2008 [13]. . 33
73
Abbildungsverzeichnis
5.2. Physikalisches Diagramm der Wärmepumpe [41]. . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Wärmepumpenzyklus [58]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Kreisprozess der Kompressionswärmepumpe. Links: in der (T-s) Ebene
und rechts in der (logp-h) Ebene; A→B→C→D = idealisierter Kreisprozess; A→B*→C*→D* = realer Kreisprozess [61]. . . . . . . . . . . . . . .
5.5. Linksläufiger Carnot-Prozess im T-s Diagramm [60]. . . . . . . . . . . . .
5.6. Theoretischer Wärmepumpenprozess im T-s Diagramm [60]. . . . . . . . .
33
34
35
36
37
6.1. Interaktion der einzelnen Module [66]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.2. Veranschaulichung der einzelnen Komponenten im Wärmepumpenprozess. 43
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
7.6.
7.7.
Charakteristik des FPC�s einfach verglast. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakteristik des FPC�s doppelt verglast. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakteristik des ETC�s ohne CPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakteristik des ETC�s mit CPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakteristik des Schwimmbadabsorbers. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arbeitsbereich der verwendeten Kollektoren. . . . . . . . . . . . . . . . .
COP in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur;
Kältemittel R134a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.8. COP in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur;
Kältemittel R600a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.9. COP in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Kondensationstemperatur;
Kältemittel R245fa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.10. T-s Diagramm mit Kreisprozessen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.11. Vorgehensweise im Nomogramm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.12. Szenarien für den ETC with CPC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.13. Szenarien für den FPC single glazed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.14. Monatsverbrauch in Großschönau [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.15. Einbindungsschema der Kollektoren in Großschönau [1]. . . . . . . . . . .
7.16. Charakteristik des Flachplattenkollektors in Großschönau. . . . . . . . . .
7.17. Szenarien für den Flachplattenkollektor in Großschönau. . . . . . . . . . .
7.18. Einspeiseschema zur Erhebung des Anlagen COP�s. . . . . . . . . . . . .
7.19. COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur des MEA Kollektors bei
W
W
W
einer Einstrahlung von 600 m
2 , 900 m2 und 1200 m2 . . . . . . . . . . . . . .
W
7.20. COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur bei 600 m
. . . . . . . .
2.
W
7.21. COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur bei 1200 m2 . . . . . . . . .
74
45
45
46
46
47
49
50
50
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55
57
58
60
62
63
64
66
67
68
68
Tabellenverzeichnis
2.1. Die vier Hauptsätze der Thermodynamik [15]. . . . . . . . . . . . . . . . .
5
4.1. Konzentrierende und Nichtkonzentrierende solarthermische Kollektortechnologien [41]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.1. Abgeänderte Darstellung der Sicherheitsgruppe für Kältemittel nach [63]. 38
5.2. Terminologie Kältemittel abgeändert nach Veith[63]. . . . . . . . . . . . . 38
5.3. Exemplarische Darstellung Kältemittel R134a abgeändert nach Veith [63]. 39
6.1. Koeffizienten der verwendeten Kollektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2. Stoffdaten der verwendeten Kältemittel [14, 67, 68]. . . . . . . . . . . . . . 42
7.1. Mittlere Kollektortemperatur und Stillstandstemperatur unterschiedlicher
Kollektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2. Vergleich der einzelnen Kollektoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3. Senkentemperatur 75°C bei Verdampfungstemperatur von 45°C. . . . . .
7.4. Senkentemperatur 90°C bei Verdampfungstemperatur von 45°C. . . . . . .
7.5. Gegenüberstellung der Szenarien für den ETC with CPC und FPC single
glazed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6. Flächenertragssteigerung bezogen auf die Gesamtleistung. . . . . . . . . .
7.7. Benötigte Wärmeleistung im Sommer- und Winterbetrieb in Großschönau.
7.8. Ertrag der Flachplattenkollektoren in Großschönau im Sommer- und Winterbetrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.9. Flächenertragssteigerung durch Wärmepumpenbetrieb. . . . . . . . . . .
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
Gegenüberstellung der einzelnen Kältemittel. . . . . . . . .
Exergetisches Optimum bei unterschiedlicher Einstrahlung.
Gegenüberstellung Nomogramm mit Simulationsergebnissen
COP Gesamt und optimale Kollektortemperatur bei 75°C. .
75
.
.
.
.
.
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.
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.
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.
.
.
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51
52
59
59
61
62
65
69
70
70
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79
Lebenslauf
Persönliche Angaben
Name:
Geburtsdatum:
Geburtsort:
Staatsbürgerschaft:
Familienstand:
E-mail:
Michael Sölkner
19. August 1983
Kirchdorf a. d. Krems
Österreich
ledig, 1 Kind
[email protected]
Schule und weiterführende Ausbildung
02/2013 - 10/2016
Universität für Bodenkultur, Wien
Masterstudium Umwelt- und Bioressourcenmanagement
Schwerpunkt Energietechnik
Diplomarbeit „Thermodynamische Untersuchung zur Kombination
von Solarthermie und Wärmepumpen für den dezentralen Einsatz in Wärmenetzen“
am Institut für Verfahrens- und Energietechnik
10/2009 - 02/2013
Universität für Bodenkultur, Wien
Bachelorstudium Umwelt- und Bioressourcenmanagement
06/2009
HTL für Elektrotechnik, Wels
Berufsreifeprüfung
mit Fachbereich Elektrotechnik auf der HTL Wels
08/1998 - 03/2003
MAT Elektro- und Anlagenbau GmbH
Lehre zum Elektroinstallateur
09/1997 - 07/1998
HTL für Elektrotechnik, Wels
09/1993 - 09/1997
Hauptschule, Kremsmünster
09/1989 - 09/1993
Volksschule, Kremsmünster
I
Berufserfahrung
05/2016 - 07/2016
Universität für Bodenkultur, Wien
Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Verfahrens- und Energietechnik
07/2014 - 09/2014
Nationalpark O.ö. Kalkalpen GmbH, Molln
Naturrauminventur, Monitoring und Bestandskontrolle des
Ökosystems im Nationalpark
06/2012 - 10/2012
Ziviltechnikkanzlei Dr. Hugo Kofler, Pernegg a. d. Mur
Biotopkartierung im Auftrag des Landes Steiermark
08/2003 - 08/2009
VA Tech Elin EBG GmbH, Kirchdorf a. d. Krems
Elektroinstallateur für die RAG Rohölaufsuchungs AG
Modernisierung und Automatisierung der Altanlagen
Neuinstallation, Inbetriebnahme und laufende Wartung von Öl- und Gassonden
06/2002 - 05/2013
Landeskrankenhaus Kirchdorf a. d. Krems
Zivildienst, Orthopädie und Orthopädische Chirurgie
Kenntnisse
EDV-Kenntnisse
MS Office
Mac OS X
ArcGIS (Geoinformationssystem)
IPSEpro (Prozesssimulation)
Sprachkenntinisse
Englisch in Wort und Schrift
Italienisch (Grundkenntnisse)
Russisch (Grundkenntnisse)
Private Interessen
Natur und Berge
Snowboarden
Kochen
Reisen
Wien, Dezember 2016
II
A. Anhang
A.1. Datenblatt Vakuumröhrenkollektor mit CPC
i
A. Anhang
A.2. Datenblatt Flachplattenkollektor einfach verglast
ii
A. Anhang
A.3. Datenblatt Schwimmbadabsorber
iii
A. Anhang
A.4. Datenblatt Flachplattenkollektor doppelt verglast
iv
A. Anhang
A.5. Datenblatt Vakuumröhrenkollektor ohne CPC (OEM
21)
v
A. Anhang
A.6. Datenblatt Flachplattenkollektor Großschönau
vi
A. Anhang
A.7. Kollektoreinstellung im IPSEpro (Flachplattenkollektor
MEA Quattro)
vii
A. Anhang
A.8. Wärmepumpenprozess im IPSEpro (R134a)
viii
A. Anhang
A.9. Hydraulikschema Großschönau [1]
ix