Modul 1 Feucht Luft
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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
