Modul 1 Feucht Luft

1. Hauptsatz der Thermodynamik
Energie = Arbeit
(Energie kann nicht vernichtet werden)
1
T. EBNER, E. NAFTZ
Energie ↔ Leistung
Energie (E) ≠ Leistung (P)
E
P
t
← Zeit
2
T. EBNER, E. NAFTZ
Einheiten
SI – Einheiten
Abgeleitete Einheiten (aus Basiseinheiten)
„historische Einheiten“
Länge
Meter
m
Masse
Kilogramm kg
Zeit
Stunde
S
El. Strom
Ampere
A
Temperatur
Kelvin
K
Stoffmenge
Mol
mol
Lichtstärke
Candela
cd
3
T. EBNER, E. NAFTZ
Energie: thermisch:
Joule (J, kJ, MJ, GJ)
WH (kWh, MWh, GWh)
alt: (kcal, Btu, …)
mechanisch: kWh
Nm
elektrisch: kWh
4
T. EBNER, E. NAFTZ
Leistung:
thermisch
kJ/s = kW
kcal/h
mechanisch kW, MW, GW
PS ( 1 PS ≈ 0,735 kW)
elektrisch
kW, MW, GW
5
T. EBNER, E. NAFTZ
2. Hauptsatz der Thermodynamik
1. HS
Energie = Arbeit
→ • gleiche Einheit
• prinzipiell das gleiche
2. HS
Jede Form der Arbeit bzw. Energie kann zu 100 % in
Wärmeenergie umgewandelt werden aber nicht umgekehrt.
d.h. irgendwann wird sämtliche Energie in thermische Energie
umgewandelt sein bzw. irgendwann wird jedes System den
thermischen Tod“ sterben.
6
T. EBNER, E. NAFTZ
Wirkungsgrad, Nutzungsgrad
Nutzleistung
Wirkungsgrad 
aufgewendete Leistung
Nutzenergie
Nutzungsgrad 
aufgewendete Energie
Wirkungsgrad η < 1
Nutzungsgrad ή < 1
Viele gute Einzelwirkungsgrade ergeben einen
schlechten Gesamtwirkungsgrad
Wirkungsgradkette ηges = η1*η2*η3*…ηn
7
T. EBNER, E. NAFTZ
Beispiele für Wirkungsgrade
E-Motor
Otto-Motor
Dieselmotor
Wasserkraftwerke
Thermisches Kraftwerk
Ventilator
Glühbirne
Leuchtstoffröhre
Ölheizung
Gasheizung
E-Radiatoren
Photovoltaik
8
T. EBNER, E. NAFTZ
Beispiel Mensch:
geg: durchschnittliche Leistung des Menschen 100 W
ges.: täglicher Kalorienbedarf
Anmerkung: Zusammenhang kJ ↔ kcal
1 kcal ≈ 4,18 kJ
↑
spez. Wärmekapazität Wasser
1 kcal ist jene Energiemenge um 1 kg Wasser um 1 °C zu erwärmen
Lösung:
E  P.t  0,1[kW ] * 24[h]  2,4kWh
 kJ 
s
2,4[kWh]  2,4  h * 3.600    8.640kJ
 s 
h
1
 8.640
[kcal]  2.066kcal
4.18
9
T. EBNER, E. NAFTZ
Beispiel Hometrainer
geg.
Trainingszeit
30 min
eingestellte Last 200 W
Energieinhalt Extrawurst 300 kcal/100 g
ges:
Wie viel Extrawurst darf ich nach dem Training essen, damit ich den nicht
dicker als vor dem Training bin?
Anmerkung: Abschätzung ohne Berücksichtigung von Wirkungsgraden
Lösung:
0,2 kW * 0,5 h = 0,1 kWh
≈ 360 kJ ≈ 62 kcal
→ erlaubt sind 21 g Extrawurst
10
T. EBNER, E. NAFTZ
Bsp: Baden oder Duschen
geg: Badewasserbedarf
100 l bei 45 °C
Duschbedarf
30 l bei 45 °C
spez. Stromkosten
0,17 €ct/kWh
ges: Kosteneinsparung durch Duschen (365 Duschen/a)
Lösung:
1
EBad  EDusche  (100  30)  4,18  35
 2,84kWh
3.600
E Jahr  2,84  365  1.036,6kWh / a
k Jahr  176€ / a
11
T. EBNER, E. NAFTZ
Sensible Last vs latente Last
Aufwärmen von 1 kg Wasser um 90 k
Q ≈ 370 kJ
Verdampfung von 1 kg Wasser
Q ≈ 2.400kJ
12
T. EBNER, E. NAFTZ
Beispiele für Energiesparmaßnahmen
•
•
•
•
•
•
Beleuchtung
Wärmedämmung
Heizung
Kühlung
Lüftung
Klimatisierung
13
T. EBNER, E. NAFTZ
Beleuchtung:
Lichtausbeute:
Glühlampen 230 V
Leuchtstofflampen Standard
Leuchtstofflampen mit Vorschaltgerät
14 lm/W
52 lm/W
95 lm/W
Beispiel Büro:
Erf. Beleuchtungsstärke
500 lx
Anschlussleistung Glühbirne
100 W/m²
Anschlussleistung Leuchtstoffröhre
20 W/m²
Fläche
100 m²
ED
8 h/d / 200 d/a
ges: Vergleich jährl. Energieverbrauch Glühbirnen vs. Leuchtstoffr.
EGB = 16.000 kWh/a
ELR = 3.200 kWh/a
14
T. EBNER, E. NAFTZ
Weitere Einsparmöglichkeit durch automatische Regelung
mittels Helligkeitssensor – Einsparung ca. 25 %
→ EGBopt = 12.000 kWh/a
ELRopt = 2.400 kWh/a
Anmerkung:
Bei der Beleuchtung ist zu beachten, dass der Energiebedarf im
Winter zu einer Verringerung des Heizenergiebedarfs führt, im
Sommer aber zu einer Erhöhung des Kühlenergiebedarfes.
15
T. EBNER, E. NAFTZ
Beheizung von Objekten
Woraus setzt sich mein jährlicher Energiebedarf/Energiekosten
zusammen?
• Heizenergiebedarf
• Effizienz der Bereitstellung
• spez. Kosten der Energie
16
T. EBNER, E. NAFTZ
Möglichkeiten der Wärmeerzeugung
•
•
•
•
•
Elektro-Direkt-Heizung
Heizkessel
Fernwärme
Wärmepumpe
Solaranlage
17
T. EBNER, E. NAFTZ
Elektrodirektheizung
+ einfache Installation
+ kostengünstige Investition
+ einfache raumweise Regelung möglich
- hohe spez. Energiekosten
→ hohe Heizkosten
- ökologisch bedenklich (Verwendung von hochexergetischer
Energie für niedrigenergetische Anwendung
- niedr. Gesamtwirkungsgrad bezogen auf Primärenergieeinsatz (bei Erzeugung aus therm. Kraftwerken)
18
T. EBNER, E. NAFTZ
Kesselanlagen
Energieträger
- Öl
- Gas
- Biomasse
19
T. EBNER, E. NAFTZ
Öl:
- Fossiler Energieträger
- Ressourcen beschränkt
- Schwefelemissionen
- starke Preissteigerungen zu erwarten
+ mittlere bis hohe Nutzungsgrade (80 - 90 %)
+ ausgereifte Technologie
+ günstige Investition
+ geringe Schadstoffemissionen
20
T. EBNER, E. NAFTZ
Gas:
- Fossiler Energieträger
- Ressourcen beschränkt
- Preissteigerungen zu erwarten
+ hohe Nutzungsgrade (bis > 100 %)
+ ausgereifte Technologie
+ günstige Investitionen
+ geringer Platzbedarf
+ minimale Emissionen
21
T. EBNER, E. NAFTZ
Biomasse:
+ regenerierbare Energieform
+ lokale Wertschöpfung
+ mittlerweile ausgereifte Technologie
+ Unabhängigkeit von Gas- und Ölförderländer
+ CO2-neutral (nahezu)
+ pos. Image
- hoher Platzbedarf
- hohe Investition
- Regelbarkeit
- Teillastverhalten
- hohe Emissionen
- höherer Arbeitsaufwand
- geringerer Nutzungsgrad
22
T. EBNER, E. NAFTZ
Fernwärme:
+ geringer Platzbedarf
+ keine Emissionen vor Ort
+ einfacher und problemloser Betrieb
+ geringe Investkosten
- relativ hohe Energiekosten
- gewisse Anforderungen an Abnahmesystem
(Rücklauftemperaturbegrenzung)
- teilweise keine Brauchwasserbereitung im Sommer
möglich
23
T. EBNER, E. NAFTZ
Wärmepumpe:
+ Nutzung von Umgebungsenergie
+ Jahresnutzungsgrad bis ca. 400 %
+ hoher Gesamtenergienutzungsgrad bez. auf
Primärenergieeinsatz
- hohe Investkosten
- Niedertemperaturabnahmesystem erforderlich
24
T. EBNER, E. NAFTZ
Solaranlagen:
+ Nutzung von gratis Sonnenergie
+ höchste Umweltfreundlichkeit
+ keine Emissionen
+ positives Image
- monovalenter Heizbetrieb kaum realisierbar (zusätzl.
Wärmeerzeugung notwendig)
- hohe Investkosten (besonders bei hohen
Deckungsgraden)
- hohe Amortisationszeiten
- Niedertemperaturabgabesystem erforderlich
25
T. EBNER, E. NAFTZ
Lastkurve und Heizkurve:
26
T. EBNER, E. NAFTZ
Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 1:
Variante 1: Vollwärmedämmung, alter Kessel
Haus unisoliert (Baujahr 1960)
Haus isoliert (Baujahr 1990)
100 W/m²
50 W/m²
Wohnfläche
Vollaststunden
140 m²
2.000 h
Energiebedarf Haus
Kesselwirkungsgrad
Brennstoffbedarf
kWh/a
%
kWh/a
alt
28.000
65
43.077
Heizwert Heizöl EL
Dichte Heizöl
Heizwert Heizöl EL
Preis Heizöl EL
MJ/kg
kg/l
kWh/l
€/l
42,50
0,8450
9,98
0,5980
l
€/a
4.318
2.582
Brennstoffbedarf
jährliche Energiekosten
Kosten Vollwärmedämmung
Vollwärmedämmuung
€/m²
m²
Investitionskosten Dämmung
€
16.500
Amortisationszeit
a
12,78
neu
14.000
65
21.538
2.159
1.291
55
300
27
T. EBNER, E. NAFTZ
Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 2:
Variante 2: neuer Kessel, keine Wärmedämmung
Haus unisoliert (Baujahr 1960)
100 W/m²
Wohnfläche
Vollaststunden
Heizwert Heizöl EL
Dichte Heizöl
Preis Heizöl EL
140 m²
2.000 h
MJ/kg
kg/l
€/l
42,50
0,8450
0,5980
Kessel alt Kessel neu
65
90
Jahresnutzungsgrad
%
Energiebedarf Haus
Brennstoffbedarf
kWh/a
kWh/a
28.000
43.077
28.000
31.111
jährlicher Brennstoffbedarf
Brennstoffkosten
l/a
€/a
4.318
2.582
3.119
1.865
Heizkesseltausch (Brenner,
Regelung, Kessel,
Inbetriebnahme)
€
5.000
Amortisationszeit
a
6,97
28
T. EBNER, E. NAFTZ
Berechnungsbeispiel Hausheizung Variante 3:
Variante 3: neuer Kessel, Wärmedämmung Haus
Haus unisoliert (Baujahr 1960)
Haus isoliert (Baujahr 1990)
100 W/m²
50 W/m²
Wohnfläche
Vollaststunden
140 m²
2.000 h
Jahresnutzungsgrad Kessel
ohne M.
65
mit M.
90
14.000
15.556
Energiebedarf Haus
Brennstoffbedarf
kWh/a
kWh/a
28.000
43.077
Heizwert Heizöl EL
Dichte Heizöl
Heizwert Heizöl EL
Preis Heizöl EL
MJ/kg
kg/l
kWh/l
€/l
42,50
0,8450
9,98
0,5980
l
€/a
4.318
2.582
€
€/m²
m²
€
5.000
55
300
16.500
Brennstoffbedarf
jährliche Brennstoffkosten
Investition neuer Kessel
Vollwärmedämmung
Vollwärmedämmung
Investition Vollwärmedämmung
Amortisationsdauer
a
1.559
932
13,03
29
T. EBNER, E. NAFTZ
Kältetechnik – Wärmepumpentechnik
.
QC
Funktionsweise:
②
① ⇐ Pel
③
Hauptkomponenten:
① Verdichter
② Kondensator
③ Drosselorgan
④ Verdampfer
④
.
QO
30
T. EBNER, E. NAFTZ
Leistungbilanz:
.
.
QO  Pel  Q C
Aufwand: Pel
Nutzen Kälteanlage:
Nutzen Wärmepumpe:
Leistungszahl
(Wirkungsgrad)
.
Q.O
QC
.
COPO 
QO
( Kältemaschine)
Pel
.
COPC 
QC
(Wärmepumpe)
Pel
COPC = COPO + 1
31
T. EBNER, E. NAFTZ
Wichtig:
Der COP einer Kältemaschine ist abhängig vom Temperaturniveau
der Wärmequelle + Wärmesenke und von der Güte des Systems.
COP  COPCannot ex

TO
ex ( Kältemaschine )
TC  TO

TC
ex (Wärmepumpe)
TC  TO
TO …… Verdampfuntstemperatur [k]
TC …… Kondensationstemperatur [k]
ηex …... exergetischer Gütegrad (= 0,3 ….. 0,65I)
32
T. EBNER, E. NAFTZ
Merke:
Die Effizienz einer Kältemaschine ist umso höher, je höher das
Wärmequellenniveau und je niedriger das Wärmesenkenniveau ist.
Bspw: Wärmepumpe
1) Wärmequelle Wasser
Wärmesenke FBH
ηex
2) Luft
Mitteltemp.rad.
10 °C (→ tO = 5 °C)
32 °C ( → tC = 35 °C)
0,5°C
-5 °C (→tO = -10 °C)
50 °C (→tC = 55 °C)
Ges. COP für die beiden Varianten Jahresstromverbrauch bei 2.000
Vollbenutzungsstunden.
33
T. EBNER, E. NAFTZ
COP – Erfahrungswerte
Kühlung:
TK
NK
Klima
0,7 ÷ 1,8
2 ÷ 2,8
2,6 ÷ 6
Wärmepumpe:
Erdreich/FBH
Luft/Wasser
3,5 ÷ 4,5
2 ÷3
34
T. EBNER, E. NAFTZ
Komponenten
Verdichter:
Scroll, Kolben
Kolben, Schrauben
Schrauben, Turbo
Wärmetauscher:
Rohrbündel
Platten
Koaxial
Expansionsorgane
Kapillare
Thermostat. Ex-Ventil
Elektr. Ex-Ventil
Drossel
35
T. EBNER, E. NAFTZ
Möglichkeiten zur energetischen Optimierung:
•
•
•
•
•
Verwendung hochwertiger Komponenten
Optimierung des Teillastverhaltens
Lastabhängige Erhöhung des Wärmequellenniveaus
Großzügige Wärmetauscherflächen
Außentemp. abhängige Gleichung des
Kondensationsniveaus
• Mehrstufige Anlage
36
T. EBNER, E. NAFTZ
Freecooling
Erzeugung von Kaltwasser oder Kaltluft ohne
Kältemaschine bei niedriger Außentemperaturen.
ta > 5°
ta < 5°C
15 °
12°
9°
6°
Bsp. Serverkühlung Kältebedarf
Möglich. Freecoolingbetrieb
COP KWS
El. Leistung Freecoolingeinheit
Spez. Stromkosten
500 kW
3.000 h/a
4
11 kW
10 ct/kWh
37
T. EBNER, E. NAFTZ
Aufgabe:
Unterschied Stromkosten Freecooling gegen KWSBetrieb, max. Investzusatzkosten bei 3 Jahre
Amortisationszeit.
Lösung:
EKWS = 500 ‧ 3.000 ¼ = 375 MWh
EFC = 11 ‧ 3.000 = 33 MWh
Δk = (375 -33) ‧ 0,1 ‧ 1.000 = 34.200 €/a
Δkmax. = 34.200 ‧ 3 = 102.600 €
38
T. EBNER, E. NAFTZ
Lüftung + Klimatisierung
Zweck der Klimatisierung:
Die Klimatisierung hat die Aufgabe optimale Raumluftzustände bezüglich
• Temperatur
• Feuchte
• Schadstoffe
• Hygiene
zu gewährleisten
39
T. EBNER, E. NAFTZ
Zustandsänderungen “Feuchte Luft“
• Mischen von zwei Feuchtluftströmen
• Heizen
– Heizregister
– Ventilator
• Kühlen ohne Entfeuchten
• Kühlen und Entfeuchten
• Ermittlung der Kühleraustrittszustandes mit der
effektiven Oberflächentemperatur
• Befeuchten
– Wasser
– Dampf
40
T. EBNER, E. NAFTZ
h-x-Diagramm Feuchte Luft
41
T. EBNER, E. NAFTZ
Heiz- und Kühllast
•
•
Heizlast
– Ermittlung für den Winterauslegungspunkt
– Berechnungsverfahren
• Vereinfacht ÖNORM B 8135
• Raumweise ÖNORM M 7500
Kühllast
– ÖNORM H6040
– instationäre Berechnung mittels Software
42
T. EBNER, E. NAFTZ
Trockene/feuchte bzw. sensible/latente Last
•
•
•
•
trockene Last
– beeinflusst nur die Temperatur
feuchte Last
– verändert die Feuchte sowie meistens auch die Temperatur
sensible (fühlbare) Last
– Temperaturänderung
latente Last
– Änderung der absoluten Feuchte
43
T. EBNER, E. NAFTZ
Gliederung der Lufttechnik
44
T. EBNER, E. NAFTZ
Klassifizierung der Anlagen
•
•
•
Lüftungsanlage
– Lüftungsfunktion
– mit oder ohne Luftbehandlungsfunktion
Teilklimaanlage
– Lüftungsfunktion
– 2 oder 3 thermodynamische Luftbehandlungsfunktionen z.B. H+K oder
H+B
Vollklimaanlage
– Lüftungsfunktion
– 4 Luftbehandlungsfunktionen H+K+B+E
45
T. EBNER, E. NAFTZ
Behaglichkeit + Hygiene
Behaglichkeit für Bürotätigkeit :
J Luft = 18°C - 24°C, Sommer 6 K < J Außen
j = 30% - 70%
(20% - 80%)
<40% Zunahme von Erkältungen
>70% schwül, schwitzen
Luftgeschwindigkeit = 0.5 - 1.5 m/s
sonst Zugbeschwerden
Konvektion
Abstrahlung
Verdunstung
J
Messung in
1,5m Raummitte
Die Luft muss die CO2, Wärme + Feuchteabfuhr
gewährleisten
.
46
T. EBNER, E. NAFTZ
Bestimmen des
Volumenstroms V´[m³/h]
UM
Nach der Luftwechselzahl LW
V´= V Raum * LW
Nach der Personeanzahl
V´= Personen * V´AU / Person
AB
FO
Nach MAK [mg/h, cm³/h] Werten
V´= M Eintrag / ( k MAK - k ZU )
Nach Feuchteeintrag G [g/h]
V´= G Wassereintrag / ( x AB - x ZU ) * r
Nach Wärmeeintrag Q´ [kW]
V´= Q´*3.600 / ( J AB - J ZU ) * r * c Luft
47
AU
Raum
ZU
Raumparameter :
mittlere Feuchte
mittlere Temperatur
Feuchte g/h
Wärme kW
Personen
MAK
T. EBNER, E. NAFTZ
RLT Symbole & Anlagentypen
• Ventilator
•
•
•
•
•
Frischluft-Anlage , heizen
Wärmeübertrager,
Heizregister
Kühlregister
AU
ZU
UM Mischluft-Anlage , heizen
Befeuchter
AU
ZU
• Luftfilter
Klima-Anlage ,
heizen, kühlen, be- u. entfeuchten
• Schalldämpfer
• Mischer
AU
48
ZU
T. EBNER, E. NAFTZ
Anlagen mit variablen Volumenstrom
1.
Proportionalitätsgesetz
•
Die Luftmenge eines Ventilators
ändert sich proportional mit der
Drehzahl
2.
Proportionalitätsgesetz
•
Sämtlich Drücke ändern sich
quadratisch mit der Drehzahl
bzw. mit dem Volumenstrom
3.
Proportionalitätsgesetz
•
Der Leistungsbedarf ist
proportional dem Kubus der
Drehzahl bzw. des
Volumenstroms.
49
V n
V n
p
p
1
1
2
2
1
2
P
P
1
2
 V1 




 V2 
2
 V1 




 V2 
3
T. EBNER, E. NAFTZ
Optimierungsschritte
1. Bedarf optimieren :
• Bedarfsgerechter Volumenstrom
• Behaglichkeitsbereich nutzen
• im Sommer Wärmeeintrag minimieren
• im Winter Wärmeverlust vermeiden
2. Verteilungsverluste minimieren :
• Druckverluste vermindern
• Rohrleitungen Wärmedämmen
3. Erzeugung optimieren :
• Ventilatoren + Pumpen
• Kältemaschine
• Wärme-/Kälte/Feuchte-Rückgewinnung
50
T. EBNER, E. NAFTZ
1. Bedarf optimieren
1. Äußere Lasten :
Sonnenstrahlung +
Außentemperatur
•Beschattung
•Verglasung
•Wärmedämmung
Geräte
2. Innere Lasten : Geräteabwärme
•Geräte mit weniger Abwärme einsetzen
(TFT statt Monitor / Beleuchtung)
•Abwärme abführen und nutzen
•Geräte mit Abwärme dämmen oder
außerhalb der Kühlzone plazieren
•Mit Nachtlüftung abführen
51
3. Volumenstrom :
nach Bedarf
•Personenzahl
•Betriebsstunden
•Luftqualität messen
•Kühllasten direkt am
Erzeuger abführen
T. EBNER, E. NAFTZ
ZU
AU
1. Planung :
•Bauteile
•Volumenstrom
•Rohrdurchmesser
 p [Pa] = S Bauteile z
P ~ (V´ / V´100%)³
P ~ (d H 100% / d H)5
Verteilungsverluste: Druckverluste
52
2. Betrieb :
Regelmäßige Wartung :
•Filter
•Wärmeübertrager
T. EBNER, E. NAFTZ
Verteilungsverluste: Wärmedämmung
Wärmedämmung :
•vermeiden von Wärme- /
Kälteverlusten
•Unterschiedliche Materialien für
Wärme-/ Kältedämmung
•Kondenswasserschäden <10°C
•Alle Bauteile, Ventile, Flansche,
Filter,... dämmen
53
T. EBNER, E. NAFTZ
•
•
•
•
•
1. Ventilator :
Wirkungsgrad
Drehzahlregelung
Regelung
Dimmensionierung
Stromverbrauch
ZU
AU
2. Pumpen :
•Wirkungsgrad
•Drehzahlregelung
•P ~ (V´ / V´100%)³
•Regelung
•Dimensionierung
•ggf Strahlpumpen
54
3. Kältemaschine :
•COP
•Aufstellung Kühlturm
•Regelung
•Dimensionierung
•Temperaturen J o, J c
•Abwärmenutzung
•ggf thermische KM
T. EBNER, E. NAFTZ
Wärmerückgewinnung
• Rekuperativ
(nur Wärmeaustausch)
• Regenerativ
(Wärme- und Feuchteaustausch)
55
T. EBNER, E. NAFTZ
Neue Techniken:
•
•
•
•
DEC-Systeme
Solare-DEC-Systeme
Erdreich-Luft-WÜ
Betonkernaktivierung, Deckenkühlung
56
T. EBNER, E. NAFTZ
Beispiel: Lüftungsanlage

VSoll  50.000cm³ / h

V Ist  60.000cm³ / h
Pel = 25 kW
Betriebszeit 20 h/d, 300 d/a
Stromkosten kE = 0,12 €/kWh
Ges. Jahresstrom und Kosteneinsparung bei Reduktion des Volumenstroms auf
Sollmenge
Lösung:
PSoll
3


 VSoll 
 PIst  .   14,5kW
V 
 Ist 
.
Eist = 25.20.300 = 150.000 kWh/a ≙ 18.000 €/a
Esoll = 14.5.20.300 = 87.000 kWh/a ≙ 10.440 €/a
57
T. EBNER, E. NAFTZ