P - Umwelt-Campus Birkenfeld
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Willkommen Bienvenue Welcome Raumlufttechnik Wärmepumpe Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup [email protected] Dipl.-Ing. Christian Backes [email protected] © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 1 Wärmepumpe Wärmepumpe Maschine oder Gerät, die einem Luftstrom bei niederer Temperatur Wärme entzieht und bei höherer Temperatur einen Luftstrom wieder zuführt. Wärmepumpen-Systeme werden bei raumlufttechnischen Anlagen vornehmlich zur Kälteerzeugung (Luftkühlung) eingesetzt und können bei Bedarf zusätzlich zur Wärmerückgewinnung genutzt werden. Durch absolute Trennung der Luftströme keine Feuchte und Stoffübertragung. Material der Wärmeaustauscher in der Fortluft und Außenluft entsprechend den Anforderungen in bezug auf Statik, Wärmeaustausch, Korrosion und Verschmutzung. © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 2 Wärmepumpe Kompressor-Wärmepumpe Kaltdampf-Wärmepumpe mit mechanischer Verdichtung des Kältemitteldampfes*). Bekannte Technik der Kältemaschine wird genutzt. Antrieb des Verdichters durch Elektro- oder Verbrennungsmotor mit Nutzung der Antriebs- Energie/-Wärme für den Heizprozess. *) Bei Auswahl des Kältemittel-Wärmeträgers ist die Verordnung zum Verbot von bestimmten, die Ozonschicht abbauenden Halogenkohlenwasserstoffen (FCKW-Halogen-Verordnung) zu beachten. © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 3 Wärmepumpe © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 4 Wärmepumpe Quelle Wikipedia © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 5 Wärmepumpe Effizienz der Wärmepumpe ε = Nutzen / Aufwand (Leistungsziffer) . ε = QWP / Pel = ΔQ / ΔW . QWP Leistung der Wärmepumpe [kW] Pel elektrische Leistung (Kompressor) [kW] © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 6 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess Reversible Wärmekraftmaschine P1 1 Q1 2 P2 P4 1 – 2 Isotherme Expansion 2 – 3 Adiabate Expansion 3 – 4 Isotherme Kompression 4 – 1 Adiabate Kompression 4 P3 3 Q2 V4 V1 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup V2 V3 P 7 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess Reversible Wärmepumpe / Kältemaschine P1 1 Q1 2 P2 P4 2 – 1 Isotherme Kompression 1 – 4 Adiabate Expansion 4 – 3 Isotherme Expansion 3 – 2 Adiabate Kompression 4 P3 3 Q2 V4 V1 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup V2 V3 P 8 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess Reversible Wärmekraftmaschine T12 1 (P1, V1, T1) 2 (P2, V2, T2) 1 – 2 Isotherme Expansion 2 – 3 Adiabate Expansion 3 – 4 Isotherme Kompression 4 – 1 Adiabate Kompression W T34 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 4 (P4, V4, T4) 3 (P3, V3, T3) S14 S23 P 9 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess Reversible Kraftwärmemaschine T12 1 (P1, V1, T1) 2 (P2, V2, T2) 2 – 1 Isotherme Kompression 1 – 4 Adiabate Expansion 4 – 3 Isotherme Expansion 3 – 2 Adiabate Kompression W T34 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup 4 (P4, V4, T4) 3 (P3, V3, T3) S14 S23 P 10 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess 1 – 2 Isotherme Expansion Das System wandelt Wärme vollständig in Arbeit um (bei hoher Temperatur T1) und leistet Arbeit nach außen. -ΔQ1 = ΔW12 = R • T1 • ln ( V1 / V2) [V1 < V2] -ΔQ1 / T1 = R • ln ( V1 / V2) © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 11 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess 2 – 3 Adiabatische Expansion Das System leistet Arbeit nach außen, ohne Zuführung von Wärmeenergie ΔQ = 0. Die Energie für die Arbeit stammt aus der inneren Energie des Arbeitsgases, das sich abkühlt. ΔU23 = ΔW23 = UT2 – UT3 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup [<0] P 12 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess 2 – 3 Isotherme Kompression Das System gibt Wärme nach außen ab (bei niedriger Temperatur T2) und mechanische Arbeit wird zugeführt. -ΔQ2 = ΔW34 = R • T2 • ln ( V3 / V4) [V4 < V3] Mit Hilfe der Adiabatengleichungen (adiabatische Expansion 3 - 4) und (adiabatische Kompression 4 - 1) erhält man V2 / V1 = V3 / V4 und damit -ΔQ2 / T2 = R • ln ( V4 / V3) = R • ln ( V1 / V2) = -ΔQ1 / T1 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 13 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess 4 – 1 Adiabatische Kompression Am System wird Arbeit von außen geleistet ohne Abführung von Wärme ΔQ = 0. Die aufgewandte Arbeit wird vollständig zur Erhöhung der inneren Energie verwendet, d. h. das Arbeitsgas erwärmt sich. ΔU41 = ΔW41 = UT4 – UT1 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup [>0] P 14 Wärmepumpe Bilanz der mechanischen Energien und Wärmemengen Mechanische Energien Am System wird Arbeit von außen geleistet ohne Abführung von Wärme ΔQ = 0. Die aufgewandte Arbeit wird vollständig zur Erhöhung der inneren Energie verwendet, d. h. das Arbeitsgas erwärmt sich. ΔWges = ΔW12 + ΔW23 + ΔW34 + ΔW41 © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 15 Wärmepumpe Bilanz der mechanischen Energien und Wärmemengen Mechanische Energien Da ΔW23 = -ΔW41 folgt für die gesamte Arbeit: ΔWges = ΔW12 + ΔW34 ΔWges = R • T1 • ln ( V1 / V2) + R • T2 • ln ( V3 / V4) ΔWges = R • T1 • ln ( V1 / V2) + R • T2 • ln ( V2 / V1) © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 16 Wärmepumpe Bilanz der mechanischen Energien und Wärmemengen Mechanische Energien ΔWges = R • ( T1 – T2) • ln ( V1 / V2) Wärmemengen Die Wärmemenge ΔQ1 wurde vom System aufgenommen (bei T1) und ΔQ2 wurde abgegeben (bei T2). © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 17 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess Wirkungsgrad η = verrichtete Arbeit / aufgenommenen Wärmeenergie η = ΔWges / ΔQ1 η = R • ( T1 – T2) • ln ( V1 / V2) / (R • T1 • ln ( V1 / V2)) η = ( T1 – T2) / T1 = 1 – T2 / T1 [T1 > T2] Dieser Wirkungsgrad des (reversiblen) Carnot‘schen Kreisprozesses ist der höchste realisierbare Wirkungsgrad! © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 18 Wärmepumpe Carnot Kreisprozess Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad einer Maschine ist immer kleiner 1. Nur ein Teil der aufgenommenen Wärmeenergie kann in mechanische Arbeit verwandelt werden. Der Rest geht als Abwärme "verloren". Dieser Wirkungsgrad des (reversiblen) Carnot‘schen Kreisprozesses ist der höchste realisierbare Wirkungsgrad! Alle vollkommen reversibel arbeitenden Maschinen hätten den gleichen Wirkungsgrad (Carnot). © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 19 Wärmepumpe Effizienz der Wärmepumpe εmax = 1 / ηC ηC Carnot Wirkungsgrad εmax = 1 / ηC = TWarm / (TWarm – TKalt) TWarm Oberes Temperaturniveau (Abgabe) TKalt © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup [K] Unteres Temperaturniveau (Aufnahme) [K] P 20 Wärmepumpe Effizienz der Wärmepumpe ηWP = εWP / εmax ηWP Wirkungsgrad der Wärmepumpe ηC = 0,45 bis 0,55 εWP = εmax • ηWP εWP ≈ 0,5 • TWarm / (TWarm – TKalt) © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 21 Wärmepumpe © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 22 Wärmepumpe © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 23 Wärmepumpe Absorptions-Wärmepumpe Zur Zeit nur im großtechnischen Maßstab genutzt mit den Zweistoffgemischen NH3-H20 und H20-LiBr. Außer der Wärmequelle bei niederer Temperatur wird zur thermischen Verdichtung eine Antriebs-Wärmequelle von ca. 90 ˚C benötigt. Möglicher Temperaturhub 30 bis 50 K. Einsatz nur sinnvoll, wenn Abwärme mit höherem Wärmepotential zur Verfügung steht und gleichzeitig eine höhere Wärmemenge auf mittlerem Temperaturniveau benötigt wird. Als Wärmequelle wird dabei die Fortluft mit niederer Temperatur genutzt. Zusätzliche elektrische Antriebsleistung für die Losungspumpe erforderlich © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 24 Kompressionswärmepumpe Q C Kondensator HD Pel ND Verdampfer QO © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 25 Absorptionswärmepumpe QHeiz Q C Austreiber Kondensator HD Lösemittelpumpe ND Absorber QAbw © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup Verdampfer QO P 26 Druck Absorptionswärmepumpe QAbw Kondensator QHeiz Austreiber Lösemittelpumpe Verdampfer QO Absorber QAbw Temperatur © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 27 Wärmepumpe © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 28 Wärmepumpe Quelle San Diego State University © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 29 Wärmepumpe © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 30 Wärmepumpe Lithiumbromid Neben dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser ist auch Lithiumbromid/ Wasser gebräuchlich, wobei hier allerdings Wasser das Kältemittel ist. Dadurch ist auch die niedrigste Kaltwasseraustrittstemperatur auf ca. 5 ˚C begrenzt. Absorptionskälteanlagen mit der Stoffkombination werden daher in der Regel im Klima-bereich eingesetzt. Die Eintrittstemperatur des Heizmediums (Heißwasser, Wasserdampf) für den Austreiber kann zwischen 80 ˚C und 180 ˚C liegen. Die Anlagen werden daher oft eingesetzt, wenn Abwärme im Bereich von 80 – 120 ˚C oder auch solar erzeugte Wärme zur Verfügung steht. Neben den indirekt mit Heißwasser oder Dampf beheizten Austreibern werden auch direkt mit Öl oder Gas beheizte LiBr-Absorptionskälteanlagen (kurz AKM) angeboten. © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 31 Wärmepumpe Lithiumbromid Das Wärmeverhältnis ζ liegt bei einstufigen AKM bei Nennbedingungen (Heiztemperatur: 120 ˚C; Kühlwassertemperatur: 29 ˚C) zwischen 0,6 und 0,7. Bei 2-stufigen AKM liegt es zwischen 1,0 bis 1,3. Der Vorteil der LiBr-Absorptionskälteanlagen ist die niedrige Austreibertemperatur und die Unbedenklichkeit der Verwendung von Wasser als Kältemittel, vor allem im Wohnbereich. Da die Kälteerzeugung im Unterdruckbereich stattfindet, ist ein Zerbersten durch Überdruck ausgeschlossen, wenn die Beheizung abgesichert ist. © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 32 DEC Desiccant evaporative cooling Bei DEC-Anlagen handelt es sich um thermische Kältemaschinen zur Raumklimatisierung ähnlich Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen. Im Gegensatz zu diesen sind DEC-Anlagen jedoch offene Systeme, die in einer Kombination aus Verdunstungskühlung und Luftfeuchtigkeitsentzug unmittelbar klimatisierte Luft erzeugen. © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 33 Wärmepumpe Konventionelle RLT-Anlage Kühlen und Entfeuchten SGK-Anlage Entfeuchten Kühlen Quelle ILK © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 34 DEC Quelle San Diego State University © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 35 DEC 11 10 9 8 7 6 + FO AB - + AU ZU 1 2 3 4 5 Quelle ILK © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 36 DEC POPCool © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 37 DEC ECOS Evaporatively Cooled Sorptive Heat Exchanger Befeuchtungskühlung Absorption Desorption © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 38 Wärmepumpe Quelle ILK © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 39 Wärmepumpe Flüssige Sorption Zuluft Fortluft Kühler Spühzone Erhitzer WRG Sprühzone Außenluft Regenerationsluft Absorber Regenerator Quelle ILK © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 40 Wärmepumpe Flüssige Sorption Quelle: Menerga. © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 41 Wärmepumpe Quelle ILK © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 42 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Raumlufttechnik Wärmepumpe Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup [email protected] Dipl.-Ing. Christian Backes [email protected] © Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup P 43
