Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik
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Einführung in die HLKund Gebäudetechnik siemens.de/buildingtechnologies Inhaltsverzeichnis 1 Gebäudetechnik ..................................................................................... 7 1.1 Einleitung.................................................................................................. 7 1.2 Gebäudeschutz ........................................................................................ 8 1.3 1.3.1 Gebäudetechnik ..................................................................................... 10 Gebäudeautomatisierung ....................................................................... 12 1.4 Gebäudearten, Verwendung und Konditionen ....................................... 14 2 Physikalische Grundlagen .................................................................. 15 2.1 Einleitung................................................................................................ 15 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.6.1 2.2.7 2.2.8 2.2.9 2.2.10 2.2.11 2.2.12 Thermodynamik (Wärmelehre)............................................................... 16 Wärmeausdehnung fester Stoffe............................................................ 21 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten ................................................... 23 Das Medium „Wasser“............................................................................ 24 Die Wärmeausdehnung der Gase.......................................................... 31 Das Medium „Luft“.................................................................................. 34 Der Wärmeinhalt der Stoffe .................................................................... 36 Von Kilokalorie zu Kilojoule und Watt..................................................... 39 Die Wärmeübertragung .......................................................................... 40 Wärmeleitung ......................................................................................... 40 Wärmemitführung (Konvektion).............................................................. 42 Wärmestrahlung ..................................................................................... 46 Die Mischungsregel................................................................................ 49 Die Zeitkonstante bei der Wärmeübertragung ....................................... 49 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 Hydrodynamik (Strömungslehre)............................................................ 51 Laminare Strömung ................................................................................ 51 Turbulente Strömung .............................................................................. 51 Geschwindigkeit und Druck.................................................................... 53 2.4 2.4.1 2.4.2 Hygienische Grundlagen ........................................................................ 56 Der Wärmehaushalt des Menschen....................................................... 56 Die behagliche Raumtemperatur ........................................................... 58 3 Übersicht Heizungsanlagen ................................................................ 63 3.1 Einfache Heizungsanlage....................................................................... 63 3.2 Einteilung der Heizungssysteme ............................................................ 64 3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.1.5 3.3.1.6 3.3.1.7 3.3.1.8 3.3.2 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 3.3.3.5 Wärmeerzeugung bei Warmwasser-Zentralheizungen.......................... 65 Öl- und Gasheizkessel ........................................................................... 65 Heizkessel-Bauarten .............................................................................. 65 Warmwasserversorgung mit dem Heizkessel ........................................ 65 Brenner................................................................................................... 66 Atmosphärische Gasbrenner.................................................................. 68 Holzgas-Vorfeuerung.............................................................................. 69 Manuell beschickte Stückholz-Feuerung................................................ 69 Automatische Stückholz- und Schnitzelfeuerungen............................... 70 Pellets-Heizkessel .................................................................................. 71 Koks- und Kohlekessel........................................................................... 72 Sonnenenergie-Nutzung ........................................................................ 72 Bivalente Anlage für Raumheizung und Warmwasser ........................... 73 Der Sonnenkollektor als Wärmelieferant................................................ 74 Der Solarkreislauf................................................................................... 75 Der Speicher........................................................................................... 75 Solaranlagen-Beispiele .......................................................................... 75 3 3.3.3.6 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.5 3.3.5.1 3.3.5.2 3.3.6 3.3.6.1 3.3.6.2 3.3.6.3 3.3.6.4 3.3.7 3.3.7.1 3.3.7.2 3.3.7.3 Netto-Wärmeertrag nach Abzug aller Verluste ....................................... 76 Elektrische Widerstandsheizung mit Zentralspeicher ............................ 77 Feststoff-Zentralspeicher........................................................................ 77 Wasser-Zentralspeicher ......................................................................... 77 Wärmepumpen ....................................................................................... 78 Gebräuchliche Heizsysteme................................................................... 78 Arten der Umweltenergienutzung........................................................... 78 Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) ............................................................... 79 Anwendungsarten der WKK ................................................................... 79 Blockheizkraftwerke (BHKW) ................................................................. 79 Mini-BHKW ............................................................................................. 83 Brennstoffzellen...................................................................................... 84 Fernwärmeanschluss ............................................................................. 87 Wärmequellen ........................................................................................ 87 Wärmetransport und -verteilung............................................................. 88 Übergabestation ..................................................................................... 89 3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 Wichtige Komponenten .......................................................................... 90 Pumpen .................................................................................................. 90 Pumpen- und Anlagekennlinie................................................................ 90 Stellgeräte............................................................................................... 92 Abgleichdrossel ...................................................................................... 93 Sicherheitstechnische Ausrüstung ......................................................... 94 3.5 3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.5 Verteiler................................................................................................... 98 Verteilertypen.......................................................................................... 98 Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1), für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung.................................................................................. 99 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2), für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil......... 100 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3), für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegventil ................. 100 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4), für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in Beimischschaltung ....................................... 101 Hydraulische Weiche............................................................................ 102 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 Verteilsysteme für Heizkörper .............................................................. 103 Schwerkraftsystem ............................................................................... 103 Pumpensysteme................................................................................... 103 Stockwerksheizung............................................................................... 106 3.7 3.7.1 3.7.1.1 3.7.1.2 3.7.2 3.7.3 3.7.4 Wärmeabgabe bei Warmwasser-Zentralheizungen ............................. 106 Heizkörper ............................................................................................ 106 Grundsätzliches zur Wärmeabgabe ..................................................... 106 Einflüsse auf die Wärmeabgabe eines Heizkörpers ............................ 106 Fußbodenheizungen............................................................................. 107 Deckenheizung..................................................................................... 108 Wandheizung........................................................................................ 108 3.8 3.8.1 3.8.2 Zentralheizungsanlagen mit Betriebstemperaturen über 100 °C ......... 109 Heißwasserheizung .............................................................................. 109 Dampfheizung ...................................................................................... 109 3.9 TABS – Thermisch aktive Bauteil-Systeme...........................................110 4 Kältetechnik ........................................................................................ 112 4.1 Einleitung...............................................................................................112 4.2 Kühlung mit Oberflächenwasser ...........................................................114 4.3 4.3.1 Kompressions-Kältemaschinen-Kreisprozess.......................................116 Aufgabe des Kreisprozesses.................................................................116 3.5.1.2 3.5.1.3 3.5.1.4 4 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.5.1 4.3.5.2 Physikalische Zusammenhänge ...........................................................116 Kältemittel............................................................................................. 121 Der Kreisprozess.................................................................................. 121 Absorptions-Kreisprozess .................................................................... 124 Arbeitsstoffpaare .................................................................................. 126 Anwendung........................................................................................... 127 5 Hydraulische Schaltungen ................................................................ 128 5.1 Einleitung.............................................................................................. 128 5.2 5.2.1 5.2.2 Hydraulische Kreise ............................................................................. 129 Hauptteile einer hydraulischen Anlage................................................. 129 Darstellung hydraulischer Kreise ......................................................... 130 5.3 5.3.1 5.3.1.1 5.3.1.5 Verteiler ................................................................................................ 133 Verteilertypen ....................................................................................... 133 Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1), für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung ............................................................................... 134 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2), für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil ........ 135 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3), für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegventil................. 136 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4), für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in Beimischschaltung....................................... 137 Schematische Darstellung von Verteilern ............................................ 138 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.5.1 5.4.6 5.4.6.1 5.4.6.2 Hydraulische Grundschaltungen .......................................................... 139 Mengenvariable und mengenkonstante Kreise.................................... 139 Durchfluss- und Mischregelung............................................................ 139 Drosselschaltung.................................................................................. 140 Umlenkschaltung.................................................................................. 141 Beimischschaltung ............................................................................... 142 Beimischschaltung mit fester Vormischung.......................................... 143 Einspritzschaltung ................................................................................ 144 Einspritzschaltung mit Dreiwegventil.................................................... 144 Einspritzschaltung mit Durchgangsventil ............................................. 145 5.5 kV-Werte ............................................................................................... 146 5.6 Ventil-Kennlinien................................................................................... 146 5.7 Streckenkennlinie ................................................................................. 148 6 Lüftungs-/Klimaanlagen .................................................................... 150 6.1 Begriffs-Erklärungen (nach DIN 1946) ................................................. 150 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.3.1 6.2.3.2 6.2.3.3 6.2.3.4 6.2.3.5 6.2.3.6 6.2.3.7 6.2.3.8 6.2.4 6.2.4.1 6.2.5 Lufttechnische Anlagenelemente ......................................................... 151 Wetterschutzgitter................................................................................. 151 Luftklappen ........................................................................................... 151 Luftfilter................................................................................................. 153 Einteilung nach Filterklassen................................................................ 153 Druckdifferenzen am Luftfilter............................................................... 154 Filterbauarten ....................................................................................... 155 Faserfilter.............................................................................................. 155 Metallfilter ............................................................................................. 157 Aktivkohlefilter ...................................................................................... 157 Elektrofilter............................................................................................ 158 Automatische Filter............................................................................... 159 Ventilatoren........................................................................................... 160 Die Ventilator- und Anlagekennlinien ................................................... 161 Lufterwärmer ........................................................................................ 165 5.3.1.2 5.3.1.3 5.3.1.4 5 6 6.2.6 6.2.7 6.2.8 6.2.8.1 6.2.8.2 6.2.9 6.2.10 6.2.10.1 6.2.11 6.2.12 Kaltwasser-Luftkühler ........................................................................... 166 Direktverdampfer-Luftkühler ................................................................. 166 Befeuchter ............................................................................................ 167 Verdunstungsbefeuchter....................................................................... 167 Dampfbefeuchter .................................................................................. 169 Entfeuchtung ........................................................................................ 170 Wärmerückgewinnung (WRG) ............................................................. 171 Arten von Wärmerückgewinnungen ..................................................... 171 DEC-Systeme....................................................................................... 175 Luftauslässe.......................................................................................... 176 6.3 6.3.1 6.3.1.1 6.3.1.2 6.3.1.3 6.3.1.4 6.3.1.5 6.3.2 6.3.2.1 6.3.2.2 6.3.2.3 6.3.2.4 6.3.2.5 Klimaanlagen mit zentraler Energiezufuhr ........................................... 176 Nur-Luft-Systeme ................................................................................. 178 Einkanal-Anlage ohne Zonen-Nachbehandlung .................................. 178 Einkanal-Anlage mit Zonen-Nachbehandlung...................................... 179 Mehrzonen-Anlage mit Mehrzonenzentrale ......................................... 180 Zweikanal-Anlagen ............................................................................... 181 Variabel-Volumenstrom-Systeme (VVS) .............................................. 184 Luft-Wasser-Systeme ........................................................................... 185 Quell-Lüftung ........................................................................................ 185 Kühldecken........................................................................................... 186 Fan-Coil-Anlagen (Ventilatorkonvektoren) ........................................... 187 Fan-Coil-Anlagen mit Primärluft und Induktionsanlagen...................... 188 Wasserseitiger Anschluss von Fan-Coil- und Induktions-Anlagen....... 191 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 Einzelraum-Kompakt-Klimageräte........................................................ 192 Fenster-Klimageräte ............................................................................. 193 Truhen-Klimageräte .............................................................................. 193 Schrank-Klimageräte (mit Kälteerzeugung) ......................................... 194 Split-Klimageräte .................................................................................. 195 6.5 6.5.1 Kontrollierte Wohnraumlüftung ............................................................. 196 Kontrollierte Wohnungslüftungs-Systeme ............................................ 197 7 Mess-, Steuer- und Regeltechnik ...................................................... 199 7.1 Einleitung.............................................................................................. 199 7.2 Das Messen.......................................................................................... 200 7.3 7.3.1 Das Steuern.......................................................................................... 201 Fachbegriffe Steuern ............................................................................ 202 7.4 7.4.1 Das Regeln........................................................................................... 203 Fachbegriffe Regeln (nach DIN 19226)................................................ 207 7.5 Gebäudeautomation ............................................................................. 208 Gebäudearten 1 Gebäudetechnik 1.1 Einleitung Bei der Betrachtung eines Stadtbildes, erkennt man sofort, dass es aus sehr unterschiedlichen Gebäudetypen besteht. Im Wesentlichen sind es Häuser für den Wohnbereich, Bürogebäude (mit Läden oder auch Wohnungen integriert – sog. Mischbauweise), Schulen, Theater, Sportarenen, Krankenhäuser und Fabriken. Fig. 1-1 Gebäudestruktur einer Stadt Alle diese Gebäude haben eine Gemeinsamkeit: sie sollen die Benutzer vor äußeren Einflüssen schützen, Sicherheit nach innen und außen gewährleisten und für den Benutzer ein angenehmes Klima sicherstellen. Die Menschen in den Industrienationen halten sich zu 95 % ihres Lebens in Gebäuden auf. Die Qualität der Innenwelt ist deshalb für die Gesundheit und das Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung. Der Stellenwert des Wohlbefindens wurde erst erkannt, als sich Klagen über gebäudebedingte Beschwerden und Krankheitssymptome häuften. Die Gründe für das Defizit an Wohlbefinden in Innenräumen sind vielfältig, manche sind objektiv erfassbar, aber viele „Störungen“ hängen auch von der Tagesform jedes Einzelnen und dem sozialen Umfeld ab. Raumluftqualität Zu den objektiven Ursachen gehören schlechte Raumluft, zu niedrige oder zu hohe Raumtemperatur oder Feuchte, Zugerscheinungen oder ungünstige Lichtverhältnisse. Das menschliche Bedürfnis nach Komfort endet jedoch nicht an der eigenen Haustüre oder am Arbeitsplatz, sondern Einkaufszentren, Messehallen, Sportarenen, Fitnesscenter, Museen und Theater sind Einrichtungen, bei denen die Akzeptanz sehr eng mit der empfundenen Raumluftqualität verbunden ist. Zu unserem Wohlbefinden trägt in erheblichem Masse der individuell empfundene Gebäude- und Raumkomfort bei. Gebäudeautomation Eine moderne Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik in Verbindung mit einer Gebäudeautomation ist heute die Basis für eine gute „Building Performance“ also das harmonische Zusammenspiel von Gebäudearchitektur, Anlagentechnik und Raumkomfort. Trotz „Automatisierung“ der meisten Abläufe ist die individuelle Eingriffsmöglichkeit durch den Menschen vorrangiges Ziel moderner Gebäudekonzepte. 7 1.2 Klimaschutz Gebäudeschutz Vom klimatechnischen Standpunkt aus betrachtet, wirkt die Gebäudehülle als Puffer zwischen dem geregelten Raumklima und den äußeren Umwelteinflüssen der Jahreszeiten wie Temperaturdifferenzen (+/-), Sonnenstrahlung, Wind, Regen, Frost und Schnee. Speziell zu beachten sind dabei auch die möglichen Kombinationen dieser Einflüsse wie Wind und Regen, Sonnenstrahlung und Hitze oder Sonnenstrahlung und Kälte. Auf diese witterungsbedingten Einflüsse muss die Konstruktion der Gebäudehülle ausgerichtet sein und mit Hilfe der Gebäudetechnik reagieren können. Je nach Standort muss die Gebäudehülle zusätzlich vor Lärmbelästigungen durch Straßen-, Bahn- oder Flugverkehr und eventuell auch vor Industrielärm schützen. Fig. 1-2 Äußere und innere Einflüsse auf ein Gebäude Sicherheit Außerdem wünschen die Bewohner oder Benutzer eines Gebäudes Schutz vor unerwünschtem Zutritt oder unberechtigtem Zugriff auf ihre Sachwerte. Eine weitere, sehr wichtige Funktion der Gebäudehülle ist schließlich die ausreichende Resistenz gegen Brandeinwirkung. Energie Die umweltpolitische Forderung nach sparsamem Energieverbrauch zum Heizen oder Kühlen eines Gebäudes führte in der ersten Phase zur wesentlichen Verbesserung der Wärmedämmung in der Gebäudehülle, aber gleichzeitig auch zur rein stationären Betrachtungsweise des Wärmedurchganges durch die Gebäudehülle. Der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) gibt zwar den spezifischen Energieverlust an, sagt jedoch nichts aus über das Wärmespeicherverhalten der Gebäudehülle, das – bei gezielter Nutzung – ein ganz erhebliches Energiesparpotential enthält. Geht man beispielsweise von der statistisch belegten Tatsache aus, dass die mittlere Tagestemperatur im Schweizerischen Mittelland nie über +22 °C steigt, muss man auf die Idee kommen, die hohen Tagestemperaturen mit den kühlen Nachttemperaturen zu kompensieren. In modernen Geschäfts- oder Schulhäusern, die nachts nicht belegt sind, kann man durch Zwangslüftung mit kühler Nachtluft, die Gebäudehülle auch von innen her abkühlen. Bei ausreichend dimensionierten Speichermassen (Beton, Mauerwerk) bleibt dann das Gebäude im Inneren während der heißesten Tageszeit noch angenehm kühl, ohne zusätzliche Kühlanlagen. Dieser Kühleffekt kann noch durch Sonnenstoren unterstützt werden, welche die ganze Außenfassade (nicht nur die Fenster!) vor direkter Sonnenbestrahlung schützen. 8 Wir erkennen bereits die „technischen Einrichtungen“ welche je nach Gebäudeart und Verwendung ebenfalls unterschiedlich sind oder sein können. Fig. 1-3 Technische Einrichtungen in einem Gebäude 9 1.3 BTA und TGA Gebäudetechnik Gebäude beinhalten umfangreiche technische Infrastrukturen, deren Komplexität stetig zunimmt. Unter dem Begriff Gebäudetechnik oder der (nach DIN) genormten Bezeichnung Betriebstechnische Anlagen (BTA) in Gebäuden versteht man alle fest installierten technischen Einrichtungen inner- und außerhalb der Gebäude, die dem funktionsgerechten Betrieb und der allgemeinen Nutzung dieser Bauten dienen. Weil die Bezeichnung Betriebstechnische Anlagen „BTA“ zu Verwechslungen mit industriellen Produktionsanlagen führte, hat man die Bezeichnung Technische Gebäude-Ausrüstung „TGA“ eingeführt. Im Wesentlichen umfasst die Gebäudetechnik folgende Anlagen und Installationen: • • • • • • • • • • • Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen Wärmerückgewinnungs-Anlagen Energieversorgung und -verteilung Allgemeine Gebäudebeleuchtung Jalousie- (Storen-) Anlagen Personen-Transportanlagen (Lifts, Rolltreppen) Automatische Türen und Tore Sicherheitsanlagen (Brand, Einbruch) Druckluftanlagen Sanitäre Anlagen und Installationen Entsorgungsanlagen für Abwasser, Abgase, Abfälle etc. Nicht dazu gezählt werden jedoch Produktionsanlagen aller Art, sowie technische Einrichtungen, die für irgendwelche Arbeitsprozesse direkt benötigt werden. Dem Zusammenwirken und der gegenseitigen Beeinflussung einzelner Systeme kommt dabei eine wachsende Bedeutung zu. Insbesondere wird die Gebäudehülle nicht mehr als gegebenes, starres Objekt behandelt, sondern dynamisch den unterschiedlichen Betriebszuständen der Gebäudetechnik angepasst. Aufgaben der HLK-Anlagen Je nach Zweck der HLK-Anlagen können ihre Aufgaben in zwei Teilbereiche unterteilt werden: Komfortanlagen a. Unter der Bezeichnung Komfortanlagen sind alle Anlagen zusammengefasst, Industrieanlagen 10 die in unseren Wohnhäusern, Büros, Schulen, Krankenhäusern, Restaurants, Kinos, Theatern, Kaufhäusern usw. ein behagliches, die Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Menschen förderndes Raumklima schaffen und automatisch aufrechterhalten. b. Unter der Bezeichnung Industrieanlagen sind alle Anlagen zusammengefasst, die ein Raumklima oder einen Raumzustand erzeugen und aufrechterhalten, um bestimmte Produktionsabläufe, Lager- oder Reifeprozesse sicherzustellen. Heizungstechnik Eine konstante, behagliche Raumtemperatur während der ganzen Heizperiode zu schaffen, ist das Ziel der Heizungstechnik. Sie erzeugt das Heizwasser für die Raumheizung und in den meisten Anlagen auch für das Brauchwarmwasser. Die Heizungstechnik eines Gebäudes umfasst die Bereiche: Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Wärmeabgabe. Die Wärmeerzeugung ist ein sehr komplexer Teilbereich der Heizungstechnik. Neben den konventionellen, mit Öl, Gas, Holz oder Kohle befeuerten Heizkesseln werden auch Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke, Sonnenenergie oder Kombinationen der genannten Wärmeerzeuger (Bivalente Wärmeerzeugung), nebst Fernwärme-Übergabestationen zur Wärmeerzeugung eingesetzt. Eng verknüpft mit der Heizungstechnik ist die Sanitärtechnik. Lüftungstechnik Ihr Aufgabengebiet ist die Lufterneuerung, vor allem in Fabrikationsräumen oder in Kinos, Theatern, Restaurants usw. also in Bauobjekten, in denen die Luft schnell verbraucht oder verunreinigt wird. Während der Heizperiode muss dabei die Raumtemperatur, trotz Frischluftzufuhr, auf dem gewünschten Wert gehalten werden. Dazu dienen Lufterwärmer, die überwiegend mit Warmwasser, aber auch elektrisch oder mit Dampf beheizt werden. Klimatechnik Unser Wohlbefinden und unsere Leistungsfähigkeit werden nicht nur durch die Raumtemperatur beeinflusst, sondern ebenso durch die Feuchte, Reinheit und Frische der Luft, also durch ein auf unseren Organismus und unser Empfinden möglichst genau abgestimmtes Raumklima. Mit einer Klimaanlage können diese Faktoren beeinflusst werden. Die Luftaufbereitung erfolgt durch Lufterwärmer, Luftkühler und Luftbefeuchter. Das Arbeitsgebiet der Klimatechnik erstreckt sich heute von der Klimatisierung von Einzelräumen und Wohnhäusern bis hin zu den Großanlagen wie zum Beispiel in Bürogebäuden, Einkaufszentren, Flughäfen etc. Alle Anlagen sollen oder müssen immer unter bestmöglicher Ausnutzung der Energie und automatisch funktionieren. Energiekosten bestimmen die Regelstrategie Das Wohlbefinden in Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen muss heute nicht mehr teuer erkauft werden. Wärmerückgewinnungssysteme, Fassadenkühlung, Betonkerntemperierung, Geothermie, Beschattung, Solarenergie, Photovoltaik gehören fast schon zur Standardausrüstung in der Gebäudetechnik. 11 1.3.1 Das intelligente Haus Gebäudeautomatisierung Je nach Zweckbestimmung eines Gebäudes können unterschiedliche Anforderungen an die Gebäudetechnik gestellt werden. Grundsätzlich ergeben sich aber immer wieder die folgenden drei übergeordneten Forderungen: 1. Die Bedürfnisse des Menschen nach Wohlbefinden und Behaglichkeit innerhalb der Gebäudehülle, ausgerichtet auf die spezifischen Nutzungsarten sollen – unabhängig von äußeren Einflussgrößen – ausreichend erfüllt werden. 2. Ein dem Gefahrenpotential angemessener Schutz der Bewohner und Benutzer sowie auch der Sachwerte, vor Elementarschäden durch Feuer oder Wasser, vor technischen Schäden oder vor Übergriffen durch Drittpersonen soll gewährleistet sein. 3. Diese Anforderungen sollen mit tragbaren Investitionen und minimalen Folgekosten für Energie, Bedienung, Instandhaltung und Kapitaldienst erfüllt werden können. 7 Busleitung Stromleitung (230 V) 19 11 14 18 8 1 1 15 10 25 23 15 21 20 6 24 13 4 5 26 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 9 3 3 12 Fig. 1-4 4 2 2 17 22 Das intelligente Haus Beleuchtungssteuerung automatisch und zeitabhängig Zentral- und Gruppenschaltungen Fernabfrage, Fernsteuerung Fensterkontakte Bewegungsmelder Hausaußenüberwachung Windstärke (Schutz z.B. von Markisen) Außensirene mit Blitzlicht Riegelschaltkontakt Steckdose, abschaltbar Regenfühler, automatisches Schließen der Dachfenster Wassersensor Heizungsstellantriebe Sonnenstandsabhängige Jalousiesteuerung 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Raumtemperaturregelung Brennwert-Therme Außentemperaturfühler Solarthermische Anlage/Photovoltaik Rollladen, Jalousie- und Markisensteuerung IR-Fernbedienung Bedienung Haussprechanlage mit Videokamera TV-Gerät zum Beobachten und Bedienen der Anlage Herd Geschirrspüler Waschmaschine Intelligenz in Gebäuden, kann man grob nach folgenden Kriterien einteilen: (Zuordnung der Kriterien entsprechen der Nummerierung in Fig. 1-4) • • • • 12 Sicherheit Energieersparnis Komfort Hausgeräte 1 – 12 4, 13 – 18 1, 2, 3, 15, 19 – 23 24 – 26 Zur Erfüllung dieser übergeordneten Forderungen werden die entsprechenden gebäudetechnischen Anlagen benötigt. Von intelligenter Gebäudetechnik kann man dann sprechen, wenn diese technischen Einrichtungen – bezogen auf die spezifischen Nutzenforderungen – optimal funktionieren. Planung der Gebäudetechnik Nicht alles was technisch möglich, sondern nur was sinnvoll d.h. nutzbringend und umweltschonend ist, soll realisiert werden. Entscheidend ist deshalb schon die Planungsphase, innerhalb der alle örtlichen Gegebenheiten berücksichtigt und alle Anforderungen sorgfältig hinterfragt werden müssen. Eine konzeptionell richtig geplante Gebäudetechnik erfordert von den Planern ein hohes Maß an Grundkenntnissen der bauphysikalischen, thermodynamischen, strömungstechnischen, chemischen und ökologischen Zusammenhänge. Intelligente Gebäudetechnik erfordert intelligente Planer, die fachübergreifende, integrale Planungsmethoden beherrschen und diese konsequent anwenden. GebäudeautomationsSysteme Zur Lösung der Regel- und Steueraufgaben liefern wir nicht nur die notwendigen Geräte und Systeme, sondern erarbeiten dazu auch die anwendungstechnischen Empfehlungen und unterstützen unsere Kunden bei der Projektierung, Inbetriebsetzung und Wartung der Anlagen. Damit wir unseren Kunden eine kompetente Unterstützung anbieten können, benötigen wir das entsprechende Fachwissen. 13 1.4 Gebäudearten, Verwendung und Konditionen Gebäudeart Flachbauten Verwendung Stahl-Metallbau Feuchte Luftrate (h-1) 5 – 15-fach 30 – 60 % 22 – 30 °C 40 – 50 % 20 – 24 °C 20 – 26 °C 45 – 60 % konstante Feuchte konstante Feuchte konstante Feuchte konstante Feuchte 22 – 25 °C 22 – 25 °C 27 – 29 °C 27 – 29 °C bis 55 % 70 – 80 % 50 – 60 % 60 – 70 % Elektro-Industrie Allgemein Relais Isolierungen staubfrei kl. Toleranz feucht 21 – 24 °C 22 °C bis 24 °C 50 – 55 % 40 – 45 % 65 – 70 % Pharmazeutische Fabrikation steril, trocken reine Räume 21 – 27 °C 30 – 40 % Photo-Industrie Herstellung, Entwicklung Lagerung v. Filmen staubfrei 20 – 24 °C 40 – 65 % staubfrei 18 – 22 °C 40 – 60 % feucht feucht feucht 21 – 23 °C 22 – 26 °C 21 – 24 °C 60 – 65 % 75 – 85 % 55 – 65 % Süßwaren Bonbonherstellung SchokoladeHerstellung trocken kühl 24 – 27 °C 25 – 18 °C 30 – 45 % 50 – 60 % Museen-Gemälde konstante Feuchte 18 – 24 °C 40 – 55 % 20-fach Hallenbad Behaglichkeit 26 – 30 °C 60 – 70 % 3 – 4-fach Turn- und Festhalle Behaglichkeit 22 – 24 °C 45 % Restaurant Behaglichkeit 22 – 26 °C 40 – 60 % Feinmontage Näherei Verkaufshäuser Laboratorien Chemie Laboratorien Physik kl. Toleranz Behaglichkeit 21 °C 22 – 26 °C 20 – 26 °C 40 % 50 % 45 – 60 % 50 % 45 % Tabak Lagerung Vorbereitung Herstellung MehrstockGebäude Temperatur 18 – 26 °C Papierlager Druckerei Textil Baumwolle, Leinen Spinnerei Weberei Wolle Spinnerei Wolle Weberei Flachbauten Kondition erträgliche Arbeitstemperatur erträgliche Arbeitstemperatur konstante Feuchte konstante Feuchte Papiermaschinen MehrstockGebäude Forderung Spezial-Labor Schulen Hörsäle Bürogebäude Krankenhäuser Bettenräume OP-Saal Hotel-Aufenthalt Hotelzimmer 22 – 24 °C 5 – 15-fach 20-fach 5 – 40-fach 4 – 6-fach 8 – 15-fach 22 – 24 °C behaglich behaglich behaglich steril, geräuscharm steril, geräuscharm behaglich behaglich 10 – 40 °C 22 – 24 °C 22 – 24 °C 22 – 26 °C 15 – 95 % 40 – 60 % 40 – 60 % 40 – 60 % 22 – 24 °C 40 – 60 % 20 – 25 °C 40 – 65 % 15 – 20-fach 22 – 26 °C 22 – 24 °C 40 – 55 % ca. 40 % 5-fach 3 – 5-fach 8 – 10-fach 3 – 6-fach PS: Die Luftwechselzahlen (Luftrate m3/h) sind in der DIN 1946 Teil 2 definiert. Nach DIN 1946 ist in Räumen zum Aufenthalt mit Personen der Außenluftstrom nach der Anzahl der gleichzeitig anwesenden Personen und der Nutzung der Räume zu bemessen. Bei Räumen mit zusätzlichen, belästigenden Geruchsquellen (z.B. Tabakrauch) soll der Mindestaußenluftstrom je Person um 20 m3/h erhöht werden. 14 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Einleitung Aus dem großen Fachgebiet der Physik behandeln wir in diesem Kapitel die Anwendung der Thermo- und Hydrodynamik, bezogen auf den Bereich der HLKTechnik. Außerdem werden wir uns auch mit den hygienischen Grundlagen der HLK-Technik, insbesondere mit dem Thema „Behaglichkeit“ beschäftigen. Einleitend wollen wir die verwendeten Begriffe noch etwas erläutern: • Thermodynamik (Wärmelehre): Teilgebiet der Physik, in dem das Verhalten physikalischer Systeme bei Zu- oder Abführung von Wärmeenergie und bei Temperaturänderungen untersucht wird. Grundlage der Thermodynamik sind die Hauptsätze der Wärmelehre • Hydrodynamik: Teilgebiet der Strömungslehre, die sich mit der Strömung dichtebeständiger (inkompressibler) Stoffe befasst, also vor allem mit strömenden Flüssigkeiten. Strömungen mit erheblichen Dichteänderungen werden in der Gasdynamik behandelt. Im Grenzfall der ruhenden Strömung reduziert sich die Hydrodynamik zur Hydrostatik. SI-Einheiten Der Name „Système international d’Unités“ (Internationales Einheitensystem) und das Kurzzeichen SI wurden durch die 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1960 angenommen. SI-Einheiten sind die sieben Basiseinheiten und die aus ihnen mit dem Faktor 1 abgeleiteten Einheiten. Basisgröße Länge Masse Zeit Elektrische Stromstärke Absolut-Temperatur und Temperaturdifferenz Stoffmenge Lichtstärke SI-Basiseinheit Name: Zeichen: Meter m Kilogramm kg Sekunde s Ampere A Kelvin K Mol Candela mol cd Abgeleitete Einheiten werden durch Produkte und/oder Quotienten von Basiseinheiten gebildet. Entsprechendes gilt auch für Einheitszeichen. So ist z.B. die SI-Einheit der Geschwindigkeit: Meter durch Sekunde (m/s). 15 2.2 Wie entsteht Wärme? Wärme entsteht beispielsweise dann, wenn eine Raumkapsel mit fast 40'000 km/h wieder in die Erdatmosphäre eintaucht. 2'000 bis 3'000 °C, erzeugt vom Zusammenprall der Luftatome mit dem Hitzeschild! Wärme entsteht also durch Reibung und ist in diesem Fall Vernichtung von Bewegungsenergie. In jedem Stück Materie, sei es ein fester Körper, eine Flüssigkeit, oder ein Gas, sind die Atome oder Moleküle immer in Bewegung d.h. in Schwingung (Fig. 2-1). Da sie aber sehr „eng gepackt“ sind, kommt es zwischen ihnen fortwährend zu Zusammenstössen, und jeder Zusammenstoss erzeugt Wärme, und zwar die Wärme, die wir als Temperatur des Stoffes messen. Fig. 2-1 Zustandsänderung Thermodynamik (Wärmelehre) Bewegungsenergie der Atome und Moleküle Halten wir ein Stück Metall über eine Flamme, so regen wir seine Atome thermisch an. Die Atome geraten dadurch in stärkere Schwingungen: die Zusammenstösse werden heftiger und das Metall wird wärmer. Dabei dehnt es sich aus, denn die schwingende Eigenbewegung der Atome hebt einen Teil ihrer gegenseitigen Anziehungskräfte auf. Erhitzen wir weiter, so löst sich schließlich das ganze Ordnungsgefüge auf: Das Metall schmilzt, und einzelne Atome schießen sogar als Dampf oder, genauer gesagt, als Gas aus der Flüssigkeitsoberfläche heraus. Hier haben wir bereits die drei thermodynamischen Aggregatzustände kennen gelernt: • fest • flüssig • gasförmig Strahlung Bei diesem Schwingen der Atome oder Moleküle, diesem pausenlosen Zusammenprallen dieser kleinsten Bausteine der Stoffe, findet aber noch ein anderer Vorgang statt, den wir ebenfalls als Wärme empfinden. Einzelne Elektronen, welche die Atomkerne ständig umkreisen, werden bei den „Kollisionen“ der Atome plötzlich aus ihrer normalen Bahn auf eine weiter außen liegende Bahn geschleudert (Fig. 2-2). Dort fühlen sie sich aber nicht „wohl“. So schnell wie möglich springen sie deshalb in stufenweisen Sätzen auf ihre normale Bahn zurück. Und da keine Energie verloren geht, geben sie soviel Energie, wie notwendig war, um sie herauszuschleudern, bei der Rückkehr wieder als elektromagnetische Strahlung ab. Trifft diese Strahlung auf andere Atome oder Moleküle, z.B. in unserer Haut, so versetzt sie diese in stärkere Schwingungen, was sich sofort in einer Temperaturerhöhung äußert. Diese aus der Wärme geborene und Wärme bewirkende Strahl- 16 ung bezeichnen wir als Wärmestrahlung oder Infrarotstrahlung. Sie ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Strahlung ermöglicht die Abgabe von Wärme, ohne materielle Träger, zwischen Wärmequelle und angestrahltem Körper. So wird z.B. Energie von der Sonne durch Strahlung auf die Erde übertragen. Jeder warme Stoff gibt also ständig Wärmestrahlung ab. Auch das Stück Metall, das wir erhitzten und auch die Flamme, mit der wir es erhitzten. Nehmen wir die Flamme weg, dann werden die Schwingungen der Atome sofort schwächer, die Temperatur fällt und die Wärmestrahlung wird geringer. So wie die Flamme das Metall thermisch anregte, so regt nun das erwärmte Metall seine kältere Umgebung thermisch an, also z.B. die Umgebungsluft und die Zange, mit der es festgehalten wird. Bei diesem Prozess verliert das Metall solange seine innere Energie, bis seine Temperatur im Gleichgewicht mit der Umgebungstemperatur ist. Seine Atome sind dann aber keineswegs in Ruhe, sondern schwingen weiter mit der Energie, die dieser Temperatur entspricht. Fig. 2-2 2 Elektromagnetische Strahlung durch Rückkehrenergie der Elektronen Die Darstellung dieser Vorgänge, das Schwingen und Zusammenprallen der Atome und das Springen der Elektronen von Bahn zu Bahn, lässt uns nun die Hauptsätze der Wärmelehre leichter verstehen. 1. Hauptsatz der Wärmelehre In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien konstant. Energie kann weder verloren gehen, noch aus Nichts entstehen, sondern nur in eine andere Energieform umgewandelt werden. Kinetische Energie (Formelzeichen W) Auch Bewegungsenergie oder Wucht, ist diejenige mechanische Energie, die ein Körper auf Grund seiner Bewegung besitzt. Kernenergie Die Bindungsenergie eines Atomkerns (im eigentlichen Sinn), ist die bei Kernreaktionen frei werdende bzw. nutzbar gemachte Energie. Großtechnisch wird bis heute nur die bei Kernspaltungsprozessen freiwerdende Energie in Kernkraftwerken genutzt. In einem Atomreaktor erfolgt der Aufprall der Atomkernteilchen auf das nicht spaltbare Material mit sehr hoher Geschwindigkeit. Elektromechanische Energie Ist die durch Elektrizität erzeugte mechanische Energie. In den Wärmekraftmaschinen wird aus Wärme mechanische oder elektrische Energie erzeugt. 17 Potentielle Energie Oder Lageenergie (Formelzeichen Epot) ist diejenige Energie, die ein Körper, Teilchen u.a. aufgrund seiner Lage in einem Kraftfeld, oder aufgrund seiner Lage zu – in Wechselwirkung mit ihm befindlichen – Körpern oder Teilchen seiner Umgebung besitzt. Potentielle Energie haben z.B. ein hochgehobener Körper, eine gespannte Feder, oder ein Stausee in den Bergen. Aus der Wasserkraft wird elektrische Energie, aus dieser wiederum Elektrowärme, Motorenkraft oder Licht. Aus Licht wird durch Photosynthese der Atome und Moleküle organischer Stoff, d.h. chemische Energie, die im Verbrennungsprozess wieder frei wird als Wärme, Licht und Kraft. Mechanische Arbeit kann in Wärme umgewandelt werden. Die Rückverwandlung von Wärme in mechanische Arbeit ist nur teilweise möglich. Es gibt dabei immer Verluste. Wärme entsteht also bei Umwandlungsprozessen und ist gleichzeitig eine Form von Energie. 2. Hauptsatz der Wärmelehre Wärme kann niemals von selbst von einem Körper niederer Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen. Ein warmer Körper regt einen kühleren sofort thermisch an verliert dabei selbst innere Energie. Damit ist gleichzeitig der Richtungscharakter aller Wärmevorgänge ausgedrückt: Alle Wärmeübergangsprozesse verlaufen stets vom warmen zum kalten Medium! Die Abkühlung, die wir spüren, ist niemals ein Kälteübergang, sondern immer der Wärmeverlust unseres Körpers! Temperatur Die Temperatur ist neben dem Druck, der Dichte und dem spezifischem Volumen, das Maß für den thermischen Zustand. Das Schwingen der Atome in jedem warmen Stoff zeigt uns aber auch, dass die niedrigste Temperatur, der absolute Nullpunkt, dann erreicht sein müsste, wenn die Atome ganz zur Ruhe gekommen sind, also nicht die geringste Schwingung mehr vollführen. Praktisch ist dieser Punkt jedoch nicht zu erreichen, da ja die kleinste Wärmemenge genügt (z.B. aus dem Behälter oder sogar aus dem Thermometer!), um die Temperatur eines Stoffes zu erhöhen. Celsius Die relativen Temperaturskalen (dazu gehören die Celsius- und die FahrenheitSkala) gehen von temperaturabhängigen Stoffeigenschaften wie z.B. dem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt des Wassers aus. Celsius-Skala, vom schwedischen Astronomen Anders Celsius 1742 eingeführte Temperaturskala. (*1701, †1744) Zur Erfassung von Temperaturwerten (z.B. Raum- oder Außentemperatur) wird im täglichen Umgang meistens die Celsius-Skala angewendet. Eichpunkte sind: 0 °C = Schmelzpunkt des Eises 100 °C = Siedepunkt des Wassers bei normalem Luftdruck von 1,013 bar 18 Kelvin Die absolute Temperatur T basiert auf dem absoluten Nullpunkt nach Kelvin und beträgt -273,15 °C. Sie wird in der Physik mit der Maßeinheit Kelvin angegeben. (Kelvin, engl. Physiker (*1824 - †1907) Bezogen auf die Celsiusskala sind 0 °C = 273 K und dementsprechend n K = 273,15 + n °C = absolute Temperatur T in Kelvin Auch Temperaturdifferenzen Δϑ (delta theta) werden in Kelvin angegeben. Die Erfassung der Temperatur erfolgt durch Wärmedehnung von festen Stoffen (vor allem von Metallen), Flüssigkeiten (z.B. Alkohol im Thermometer), oder durch Veränderung von elektrischen Widerständen (siehe Thema „Messtechnik“). ϑ °C T 400 100 ϑ 250 °F 200 350 50 300 0 250 - 50 200 150 100 50 0 - 50 - 100 - 150 - 100 150 - 150 100 - 200 50 - 250 0 Fig. 2-3 K - 200 - 250 - 300 - 350 - 400 - 450 Temperaturskalen 19 Vergleich und Umrechnung der verschiedenen Skalen Nullpunkte: 0 °C = 273,15 K = 32 °F Grad Celsius in Grad Kelvin: K = °C + 273,15 Grad Celsius in Grad Fahrenheit: °F = °C * 1,8 + 32 T[°C] = 5/9 * (T[°F]-32) / 0.55 * (T[°F] -32) T[°F] = 9/5 * T[°C] + 32 / 1.8 * T[°C] + 32 Beispiel: 10 °C ⇒ 283,15 K ⇒ 50 °F Beim Rechnen mit Temperaturen, aber auch in Berichten, Mitteilungen und Aufsätzen bezeichnen wir eine bestimmte Temperatur mit dem griechischen Buchstaben ϑ (sprich „theta“). Also z.B. ϑ = 7 °C. Häufig wird dafür auch t = 7 °C geschrieben. Wenn man es nur mit Temperaturen zu tun hätte, wäre das zulässig. Sobald aber die Zeit 't' bei den jeweiligen Überlegungen, Formeln oder Berechnungen hinzukommt, wird die Verwechslungsgefahr groß. Müssen wir verschiedene bestimmte Temperaturen bezeichnen, so erhält das ϑ einen Indexbuchstaben, meist den Anfangsbuchstaben des unterscheidenden Begriffs: ϑ RA (theta Raum), ϑ AU (theta Außentemperatur) Unterschiedliche Temperaturen in einem Raum, einem Boiler oder auf einer Fläche werden nummeriert. Die mittlere Temperatur aus diesen Temperaturen bezeichnen wir mit ϑm Eine Temperaturdifferenz, wird mit Δϑ (delta theta) in Kelvin bezeichnet. ϑ4 ϑ2 ϑ1 ϑ3 ϑ3 ϑm ϑ5 ϑ4 ϑA J5 ϑ2 ϑ1 ϑE Fig. 2-4 20 Nummerierung unterschiedlicher Temperaturen im gleichen Objekt 2.2.1 Wärmeausdehnung Wärmeausdehnung fester Stoffe Alle Stoffe, ob fest, flüssig oder gasförmig, dehnen sich bei Erwärmung (Energiezufuhr) aus. Der Betrag der Ausdehnung ist jedoch unterschiedlich. Diese Wärmeausdehnung erfolgt mit gewaltiger Kraft. Brücken beispielsweise müssen deshalb gleitend gelagert werden und Dehnfugen besitzen, damit sie im Winter nicht reißen und im Sommer nicht ihre Widerlager zerstören. Sehen wir uns zuerst einmal an, wie stark und wie unterschiedlich sich ein Stahlstab von 1 m Länge und ein Kupferstab gleicher Länge bei Erwärmung ausdehnen Längenausdehnung Temperaturdifferenz Eisen Kupfer -100 °C 0 °C + 1,67 mm +2,65 mm 0 °C 100 °C + 1,20 mm +1,65 mm 100 °C 200 °C + 1,31 mm +1,73 mm 200 °C 300 °C + 1,41 mm +1,77 mm 300 °C 400 °C + 1,52 mm +1,92 mm Wärmeausdehnung von Stahl und Kupfer Wir erkennen bereits, dass sich verschiedene Materialien auch unterschiedlich ausdehnen und zwar nach der Längenausdehnungszahl α Unter der Längenausdehnungszahl versteht man die Zunahme der Längeneinheit eines Körpers bei 1K Temperaturerhöhung. Diese Zahl ändert sich leicht mit der Temperaturzunahme. In der Praxis wird jedoch mit festen Mittelwerten gerechnet. Körper α mm Körper α mm Eisen (Fe) 1,23 Platin (Pt) 0,9 Aluminium (Alu) 2,38 Kupfer (Cu) 1,65 5003 mm 70°C 5000 mm 20°C + 3 mm Fig. 2-5 /50°C Wärmeausdehnung eines Heizkörpers aus Stahl Ein Heizkörper aus Stahl von 5 m Länge dehnt sich demnach bei einer Erwärmung von 50 K um ca. 0,6 mm pro Meter, d.h. rund 3 mm aus (Fig. 2-5). Das ist schon ein kleiner „Weg“, den der Heizkörper im Winter jeden Morgen macht, wenn die Heizungsanlage vom reduzierten Nachtbetrieb wieder auf volle Leistung geht, und er dabei innerhalb weniger Minuten um 50 K wärmer wird. 21 Kann der Heizkörper in seinen Halterungen nicht zügig gleiten, so ergeben sich bei seinem „Längerwerden“ die berüchtigten Knackgeräusche. In schlecht geregelten Anlagen, in denen die Heizkörpertemperatur dauernd schwankt, kann es sogar den ganzen Tag über „knacken“. Bimetalle Die Wärmeausdehnung der Stoffe bereitet den Technikern aber nicht nur Schwierigkeiten, sie wird auch technisch ausgenutzt: Beim Bimetall sind 2 Metalle unterschiedlicher Längenausdehnung miteinander verlötet (Fig. 2-6). Wird dieses „Sandwich-Metall“ (1) erwärmt, so muss es sich zwangsläufig krümmen, da die eine Seite sich ja stärker ausdehnt als die andere. Und je länger das Bimetall und je höher die Temperatur, umso stärker die Krümmung. Kreis oder spiralförmig geformt, mit einem Zeiger versehen und entsprechend geeicht, wird das Bimetall dann zu einem Bimetall-Thermometer (2), mit einem Kontakt ausgerüstet zu einem thermischen d.h. temperaturabhängigen Schalter (3-4). ϑ ϑ 1 Fig. 2-6 1 2 2 3 4 Bimetall-Anwendungen Arbeitsweise Bimetall-Streifen Bimetall-Thermometer 3 4 Bimetall-Schalter Bimetall-Zeitschalter mit Heizwiderstand Solche Bimetall-Schaltsysteme werden in der Technik viel verwendet: In einfacher Ausführung als Sicherheitsschalter gegen Übertemperatur (z.B. in Motorwicklungen oder im Motorschutz), in hochwertiger Ausführung mit einstellbarem Schaltpunkt als Temperaturregler oder sogenannte „Thermostate“. Das temperaturempfindliche Bimetall wird in diesen Regelgeräten als Bimetall-Fühler bezeichnet. Wenn wir nun einen Bimetallstreifen, der beispielsweise bei 20 °C völlig gerade sei, plötzlich einer Temperatur von 50 °C aussetzen, so beginnt er sich zwar sofort zu krümmen, der Krümmungsvorgang ist aber erst dann abgeschlossen, wenn sich das ganze Bimetall-Element auf 50 °C erwärmt hat. Unter gleichen Voraussetzungen wird dafür immer die gleiche Zeit gebraucht. Damit eignet sich das Bimetall zur Konstruktion von Zeitschaltern (4), die einen Vorgang, je nach Anwendungsfall, zeitverzögert oder beschleunigt ein- oder ausschalten. Zur Beschleunigung des Schaltvorganges wird das Bimetall durch einen kleinen elektrischen Heizwiderstand zusätzlich beheizt. Den Temperaturreglern mit Bimetallfühler verwandt sind die Regler mit Stabausdehnungsfühler. Rohr und Stab bestehen auch bei dieser Konstruktion aus zwei Metallen, die sich unterschiedlich ausdehnen. Durch die Längendifferenz bei der Erwärmung wird das Schaltsystem betätigt. Temperaturregler mit Stabfühler (auch Tauchfühler genannt) verwendet man vorzugsweise zur Temperaturregelung von Flüssigkeiten oder Gasen in Speichern, Boilern, Rohrleitungen usw. Während das Medium den Fühler allseitig umspülen kann, so dass er schnell die Temperatur des Mediums annimmt, bleibt der Schaltkopf außerhalb des Behälters. Hier ist er gut zugänglich und auch vor zu starker Erwärmung geschützt. 22 2.2.2 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten Der molekulare Zusammenhang von Flüssigkeiten ist kleiner als der von festen Stoffen: Flüssigkeiten dehnen sich daher bei Erwärmung stärker aus. Aber wie die festen Stoffe, so haben auch die flüssigen einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und dehnen sich pro K bei hohen Temperaturen ebenfalls stärker aus als bei niedrigen. Bei Flüssigkeiten und Gasen beträgt die Raumausdehnung bei konstantem Druck β (Beta) [1/K] Raumausdehnung Flüssigkeit β 10-3/K Flüssigkeit β 10-3/K Benzin 1,20 Wasser (20..70 °C) 0,20...0,59 Heizöl EL 0,7 Toluol 1,08 Die Wärmeausdehnung der Flüssigkeiten wird wiederum bei den Thermometern und bei der Konstruktion temperaturabhängiger Schalter technisch ausgenutzt (Fig. 2-7). Im Thermometer (1) dehnt sich die Flüssigkeit in der Kugel bei Erwärmung aus und steigt dadurch in der Kapillare hoch. Will man die Temperatur von Flüssigkeiten exakt messen, so muss das ganze Thermometer, einschließlich „Faden“ in die Flüssigkeit eintauchen, da ja auch der Faden selbst sich noch ausdehnt. 1 Fig. 2-7 1 2 3 2 3 Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten Thermometer Flüssigkeitsausdehnungsfühler Thermisches Ventil Im Prinzip ähnlich aufgebaut sind die thermischen Schalter, die Temperaturregler mit Flüssigkeitsausdehnungsfühler (2). Fühler, Kapillarrohr, Metalldose und Membran sind mit Öl gefüllt. Dehnt sich das Öl bei Erwärmung aus, so wird die Membran nach oben gedrückt und betätigt das Schaltsystem. Statt eines elektrischen Schalters kann die Membran auch ein Ventil betätigen. Wir haben dann ein temperaturabhängig gesteuertes Ventil (3). 23 2.2.1 Das Medium „Wasser“ Volumenänderung Wie alle Flüssigkeiten, so dehnt sich auch das Wasser aus. Während sich die anderen jedoch vom Schmelzpunkt aus, mit jedem K Temperaturerhöhung immer stärker ausdehnen, zieht sich Wasser von 0 bis 4 °C erst einmal zusammen und beginnt erst danach, sich normal zu verhalten, d.h. sich auszudehnen (Die Anomalie des Wassers). 1000 kg Wasser -1 °C 0 °C 2 °C 4 °C 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 70 °C 80 °C 90 °C 100 °C ca. 1'090,0 Liter 1'000,2 Liter 1'000,1 Liter 1'000,0 Liter 1'000,4 Liter 1'001,8 Liter 1'004,4 Liter 1'007,9 Liter 1'012,1 Liter 1'017,1 Liter 1'022,8 Liter 1'029,0 Liter 1'035,9 Liter 1'043,5 Liter Volumenänderung von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur Diese Tabelle zeigt uns aber auch, in wie starkem Masse sich das Wasser in einer Zentralheizungsanlage ausdehnt. Nehmen wir an, dass sich im Kessel, in den Rohrleitungen und in den Heizkörpern gerade 1'000 L von 20 °C befinden und dass diese Anlage im Winter sehr oft mit Wasser von 70 °C betrieben wird. Das ergibt eine Volumenvergrößerung von 21 Litern! Diese 21 Liter müssen irgendwo aufgefangen werden, sonst platzt die Anlage. Jede Warmwasser-Zentralheizung hat dafür ein Ausdehnungsgefäß. Wenn sich nun das Wasser so stark ausdehnt, wird es ja auch dementsprechend leichter (spezifisch leichter) weil sich seine Dichte ρ (rho) [kg/m3] ändert. 24 Dichte Physik: (Massendichte, spezifische Masse) Formelzeichen ρ,(rho), der Quotient aus Masse und Volumen eines Körpers. Außer vom Material des Körpers, hängt die Dichte auch vom Druck und von der Temperatur ab (insbesondere bei Gasen/Flüssigkeiten). SI-Einheit der Dichte ist kg/m3 Stoff Aluminium Beton Blei Eis (bei 0 ºC) Eisen Gold Holz (trocken) Sand (trocken) Schaumstoff Uran Wasser 20 °C Wasser (bei 4 °C) Dichte kg/dm3 2,699 1,5–2,4 11,35 0,917 7,86 19,3 0,4–0,8 1,5–1,6 0,02–0,05 18,7 0,9982 1,000 3 Dichte einiger fester und flüssiger Stoffe in kg/dm bei 20ºC Beispiel: 1'000 l Wasser wiegen bei 20 °C = ca. 1'000 kg und bei 90 °C = ca. 965 kg. Mit der Dichte ändert sich auch die Auftriebskraft und da Leichtes auf Schwerem schwimmt, strebt warmes Wasser immer nach oben und schichtet sich über das kältere. Diese Schichtung spüren wir z.B. sehr deutlich beim Baden im See oder im Meer. Fig. 2-8 Temperaturschichtung im Warmwasserboiler Technisch wurde diese Auftriebswirkung des warmen Wassers bei der Schwerkraftheizung genutzt. Beim Boiler und in jedem Kessel strebt das erhitzte (und ausgedehnte!) Wasser so schnell nach oben, dass es dabei nur einen Bruchteil seiner Wärme an das umliegende kalte Wasser abgibt (Fig. 2-8). So sammelt sich oben das warme Wasser und wird dabei auch oben entnommen. Das kalte Wasser strömt von unten nach. Die Temperaturschichtung ist dabei so stabil, dass selbst die Wirbel des nachströmenden Kaltwassers sie kaum beeinträchtigen. 25 Temperatur-Schichtung Das Bestreben des warmen Wassers, sich über das kältere zu schichten, macht uns aber auch Schwierigkeiten: In Hallenschwimmbädern z.B. können wir das warme Wasser nicht einfach durch einen Zufluss von oben oder unten einspeisen; das ergäbe mit Sicherheit eine Temperaturschichtung, die selbst durch die „Rührbewegung“ der Schwimmenden nur sehr langsam aufgehoben werden würde. In einem Becken mit Temperaturschichtung ist das Messen der effektiven Wassertemperatur sehr schwierig. Um diesen Problemen auszuweichen, speist man in komfortablen Anlagen das filtrierte und erwärmte Wasser an vielen Punkten am Boden des Beckens ein. Die Tendenz des warmen Wassers, sich über das kältere zu schichten, ist so stark, dass eine solche Schichtung sogar in Rohrleitungen über lange Strecken erhalten bleibt (Fig. 2-9). Das müssen wir bei dem Montageort von Temperaturfühlern oder Reglern in Rohrleitungen berücksichtigen. ϑm ϑ1 ϑ1 ϑ2 ϑ2 Fig. 2-9 Temperaturschichtung von strömendem Wasser in einer Rohrleitung Wir haben gelernt, dass beim Zusammenprall der Atome oder Moleküle Wärme entsteht. Wärme ist eine Form der Energie und die Temperatur eines Stoffes ist ein Maß dafür, wie heftig die „Kollisionen“ dieser kleinsten Bausteinchen sind. Wir haben ferner gesehen, dass mit steigender Bewegungsenergie (= Temperatur) das Gefüge der Stoffe lockerer wird, dass sie sich ausdehnen und dass schließlich feste Stoffe in den flüssigen und flüssige Stoffe in den gasförmigen Aggregatzustand übergehen. Die Anomalie des Wassers Wasser hat bei 4 °C seine größte Dichte und dehnt sich sowohl bei Wärmezufuhr als auch bei Wärmeentzug aus. Während andere Flüssigkeiten sich beim Erstarren zusammenziehen, dehnt sich Wasser aus und zwar gleich um 1/11 seines Volumens (Fig. 2-10). Darum sprengt Eis mit ungeheurer Kraft Felsen, Straßenbeläge und Hausfassaden, aber auch Rohrleitungen, Heizkörper usw. 1 V + 10 °C Fig. 2-10 26 V 0 °C - 10 °C Volumenzunahme von Wasser beim Gefrieren 11 V In Heizungsanlagen kommen Frostschäden zumeist nur in stillgelegten und nicht entleerten Anlagen vor oder dann, wenn im Winter die Heizung nachts zu stark gedrosselt wird. In Lüftungs- und Klimaanlagen dagegen gehört es zum Normalfall, dass im Winter Außenluft von -10 °C oder tiefer durch die mit Warmwasser gespeisten Lufterwärmer geblasen wird. Hier gehört die Sorge für einen sicheren Frostschutz durch eine zuverlässige Temperaturüberwachung zu unseren Aufgaben, denn bleibt bei diesem eisigen Wind die Warmwasserzufuhr nur für wenige Minuten aus, so kann es zu kostspieligen Frostschäden kommen. Verdunsten Wir wollen jetzt die Aggregatzustände des Wassers ein wenig näher betrachten. Wir wissen: Wasser verdunstet. Und das hat seinen Grund in der Eigenbewegung der Moleküle: Im Gegensatz zu festen Stoffen, schwingen sie im Wasser nicht um feste Punkte. Dadurch können jene Moleküle, die sich dicht an der Wasseroberfläche befinden, leicht aus dem Wasser herausschießen. Ein Teil von ihnen wird wieder ins Wasser „zurückgestoßen“, der andere Teil aber bleibt als unsichtbarer Wasserdampf in der Luft. Und jedes Teilchen, das entweicht und von der Luft fortgeführt wird, nimmt seine Verdunstungswärme mit. Spielt sich dieser Vorgang auf unserer Haut ab, so spüren wir diese Wärmeverluste durch Verdunstung deutlich als Kühleffekt. Decken wir einen etwa zur Hälfte mit Wasser gefüllten Behälter zu (Fig. 2-11), so kann die Luft die Wasserdampfteilchen nicht mehr fortführen, und es bildet sich nun über der Wasseroberfläche ein Wasserdampf-Luftgemisch, in das immer mehr Wasserteilchen verdunsten. Bei einem geschlossenen Behälter schreitet dieser Vorgang aber nicht endlos fort, sondern endet automatisch in dem Augenblick, in dem der Druck des Wasserdampfes so stark auf der Wasseroberfläche lastet, dass die Bewegungsenergie der Wasserteilchen nicht mehr ausreicht, um die Wasseroberfläche zu durchstoßen. Wir sagen dann: Die Luft ist mit Wasserdampf gesättigt. Fig. 2-11 Sättigungsgleichgewicht in einem geschlossenen Behälter Erhöhen wir jedoch die Temperatur des Wassers weiter, so gewinnen die Wasserteilchen eine höhere Bewegungsenergie und können nun wieder die Wasseroberfläche durchstoßen, solange, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht einstellt. Je höher die Temperatur, desto größer wird also der Wasserdampfanteil in diesem Dampf/Luftgemisch. 27 Siedepunkt Erhitzen wir das Wasser noch stärker, so bilden sich in ihm plötzlich Wasserdampfbläschen. Das Wasser siedet. Die Dampfbildung ist nun also nicht mehr nur auf die Wasseroberfläche beschränkt, sondern findet jetzt im Wasser statt. Wird das Wasser weiterhin auf Siedetemperatur gehalten, so verwandelt es sich vollständig in Wasserdampf, für den der Raum im Topf nun aber nicht mehr ausreicht und der Dampf entweicht am Deckelrand (Fig. 2-12). Fig. 2-12 Wasserdampf braucht bei konstantem Druck mehr Volumen als Wasser Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 °C. Was heißt nun „normaler Luftdruck“? Diese Definition besagt, dass dann normaler Luftdruck herrscht, wenn in Meereshöhe das Gewicht der Luft 101'325 N/m2 (oder 101,3 kPa = 1,013 bar), beträgt. D.h. eine Luftsäule von 1 m2 Querschnitt, die bis in den Weltraum reicht hat dieses Gewicht. Der Satz „Wasser siedet bei normalem Luftdruck bei 100 °C“ besagt also, dass die Siedetemperatur offensichtlich vom Druck über dem Wasser abhängt. Mit anderen Worten: Der auf dem Wasser lastende Druck bewirkt, dass eine höhere Bewegungsenergie der Moleküle, also eine höhere Temperatur erforderlich ist, damit das fließende Gefüge aufgelöst wird und das Wasser vollständig in Wasserdampf übergeht. Daraus können wir schließen, dass bei einem Druck, der höher ist als der normale Luftdruck, auch der Siedepunkt höher liegen muss. Das ist auch der Fall: Bei 1,5 bar (Überdruck = 0,5 bar), z.B. in einem Haushaltsdampfkochtopf, siedet Wasser tatsächlich erst bei ca. 110 °C (Fig. 2-13). 0,7 bar 1 bar 90°C 100°C 0 m ü. M. 3 000 m ü. M. 1,5 bar 110°C Fig. 2-13 Luftdruck und Siedepunkt von Wasser in Abhängigkeit der Höhe über Meeresspiegel Der Siedepunkt von Wasser, also die Temperatur, bei der die Zustandsänderung flüssig-dampfförmig erfolgt, ist vom Druck abhängig. 28 (°C) 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 Temperatur 70 60 50 40 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 13001400 1500 1600 1700 1800 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 (kPa) (bar) Dampfdruck Fig. 2-14 Temperatur-Druckdiagramm für gesättigten Wasserdampf In Fernheizanlagen kommen sehr häufig Wassertemperaturen > 100 °C vor, was bedeutet, dass im Rohleitungsnetz ein Druck > 1 bar herrschen muss. Im nächsten Schritt wollen wir überprüfen, welche Energiemengen für die Verwandlung von Eis in Wasser und in Dampf erforderlich sind. Die Zusammenhänge sind im Temperatur-Enthalpie-Diagramm (Fig. 2-15) dargestellt. Um 1 Liter Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erhitzen, brauchen wir 419 kJ. Wir stellen fest: Bei diesem Vorgang bleibt die Temperatur nicht konstant. Es wird also fühlbare (sensible) Wärme erzeugt. Bei 100 °C beginnt die spontane Dampfbildung. Würden wir jetzt mit der Wärmezufuhr aufhören, so würde die Wassertemperatur sofort sinken und die Dampfentwicklung damit enden. Um 1 Liter Wasser vollständig in Dampf zu verwandeln, müssen wir also solange Wärme zuführen, bis kein Wasser mehr vorhanden ist. Und dazu brauchen wir nochmals 2'257 kJ, also mehr als 5-mal die Wärmemenge, die wir brauchten, um das Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erhitzen. 29 Wir stellen fest: Bei diesem Vorgang bleibt die Temperatur konstant. Es wird dabei also keine fühlbare (latente) Wärme erzeugt, aber der Aggregatzustand ändert sich vom flüssigen zum gasförmigen. °C 115 B 100 C D 28,3 -335 419 10 0 A 0 Fig. 2-15 2257 419 2676 2704,3 h (kJ / kg) Temperatur-Enthalpie-Diagramm für Wasser bei Luftdruck = 1'013 mbar Da theoretisch keine Energie verloren geht, ist in 1 kg Dampf von 100 °C also eine Wärmemenge von 419 + 2'257 kJ = 2'676 kJ enthalten! Dieser Dampf hat nun also einen Wärmeinhalt (Enthalpie) von 2'676 kJ/kg. Um 1kg Eis von 0 °C in 1 Liter Wasser von 0 °C zu verwandeln benötigen wir 335 kJ. Wir stellen fest, dass bei diesem Vorgang die Temperatur ebenfalls konstant bleibt. Es wird dabei wieder keine fühlbare (latente) Wärme erzeugt, aber der Aggregatzustand ändert sich vom festen zum flüssigen. Die Zustandsänderung des Wassers kann in verschiedenen Diagrammen dargestellt werden. In Fig. 2-15 ist die Abhängigkeit der Temperatur von der Wärmezufuhr, bei konstantem Druck, aufgezeichnet. Man erkennt daraus deutlich die Bereiche der sensiblen und latenten Wärmeübertragung. Durch die Wärmezufuhr wird der Wärmeinhalt d.h. die Enthalpie h des Wassers erhöht. Das Druck-Temperatur oder Druck-Enthalpie-Diagramm, sowie die Wasser-/Dampf Tafel sind weitere Möglichkeiten diese Zusammenhänge darzustellen. Sensible Wärme Wird einem Stoff Wärme zugeführt (z.B. durch einen Brenner oder ein elektrisches Heizelement), so zeigt sich zunächst die fühlbare, am Thermometer ablesbare Erwärmung. Latente Wärme Beim Schmelzen resp. Verdampfen wird Wärme zugeführt, ohne dass die Temperatur ansteigt, bis der betreffende Stoff die Zustandsänderung vollständig durchgemacht hat. Enthalpie Summe von sensibler und latenter Wärme. Bei Prozessen mit erheblichen Druckund Volumenänderungen (z.B. Kompression) kommt noch das mechanische Arbeitsvermögen (potentielle Energie) des Mediums hinzu (Maßeinheit [kJ/kg]). Mit Ausnahme des sonderbaren Verhaltens unter 4 °C gilt alles, was wir vom Wasser sagten, auch für andere Flüssigkeiten, nur hat jede Flüssigkeit eben ihren spezifischen Ausdehnungskoeffizienten. 30 2.2.2 Die Wärmeausdehnung der Gase Erhitzen wir Eisen, Wasser und Luft um 100 K und zwar jeweils eine Säule von 1 cm2 Querschnitt und 10 cm Länge und vergleichen die Wärmeausdehnung dieser drei Stoffe, so erhalten wir die Resultate gemäß Fig. 2-16. 10 cm 1 cm² Δϑ = 100 K : Eisen + 0,036 cm³ Wasser + 0,21 cm³ Luft + 3,65 cm³ Fig. 2-16 Wärmeausdehnung von Eisen, Wasser und Luft Wir wissen auch, warum der Unterschied so groß ist: Beim Eisen sind die Atome ja fest gefügt, beim Wasser ist ihr Zusammenhang schon loser, und bei den Gasen üben sie nur ganz geringe Anziehungskräfte aufeinander aus. Und je geringer die gegenseitigen Anziehungskräfte, desto stärker wirkt sich jede thermische Anregung aus (der erhöhte Bewegungsdrang der Atome und Moleküle braucht mehr Platz). Während sich die festen und flüssigen Stoffe je nach Stoffart unterschiedlich ausdehnen, verhalten sich alle Gase praktisch gleich: Boyle-Mariotte Boyle-Mariotte’sches Gesetz Von R. Boyle und E. Mariotte aufgefundene Gesetzmäßigkeit: In einem bestimmten Volumen eines idealen Gases ist das Produkt aus Druck p und Volumen V bei gleichbleibender Temperatur konstant Drücke: p1 * V1 = p2 * V2 Dichte: ρ1 * V1 = ρ2 * V2 Die Dichte verhält sich wie die dazugehörigen Drücke. Gay-Lussac Gay-Lussac’sches Gesetz Dieses beschreibt die Gesetzmäßigkeit im Verhalten idealer Gase: Das Volumen V vergrößert sich bei konstantem Druck p linear mit der absoluten Temperatur T: V1 = V0 (1 + α*T1 ) = V0 + V0 α*T1 (T in K) Der isobare (p = konstant) Ausdehnungskoeffizient für alle idealen Gase hat den Wert α = 1/273 K. (V0 = Volumen bei 0 ºC). Daraus folgt, dass sich bei konstantem Druck die jeweiligen Gasvolumina wie die absoluten Temperaturen des Gases verhalten. V1 / V2 = T1 / T2 Gase und Gasgemische, wie die Luft, dehnen sich pro K Erwärmung um jeweils 1/273 ihres Volumens bei 0 °C aus. (α = 0,00366 K-1) 31 Das heißt 1 m3 (= 1'000 dm3) Luft dehnt sich bei Erwärmung um 1 K immer um rund 3,66 dm3 aus. Ob wir sie von 0 °C auf 1 °C erwärmen oder von 20 °C auf 21 °C ist für unsere Berechnung ohne Einfluss. Je mehr die Luft sich nun ausdehnt, umso leichter wird sie und umso kleiner wird ihre Dichte. (Dichte von Luft bei 0 °C und 1,013 bar = 1,293 kg/m3). Die von uns als gewichtslos empfundene Luft ist also gar nicht so leicht: 1 m3 Luft bei 0 °C = 1,293 kg 20 °C = 1,205 kg 50 °C = 1,093 kg Wir sehen daraus: 1 m3 Luft, die an einem Heizkörper vorbei streicht und sich dabei beispielsweise von 20 °C auf 50 °C erwärmt, erfährt dadurch immerhin eine Auftriebskraft Auftriebskraft von ungefähr 1 N! (N = Newton; wird im folgenden Abschnitt erklärt) Kraft, Physik: Ursache für die Beschleunigung oder die Verformung eines Körpers. Die Kraft F ist definiert als das Produkt aus der Masse m eines Körpers und der Beschleunigung a, die dieser Körper erfährt: F = m * a. Nach ihrem physikalischen Ursprung unterscheidet man Gravitationskräfte, elektromagnetische Kräfte, Kräfte der starken Wechselwirkungen, einschließlich der Kernkräfte, sowie die zum Elementarteilchenzerfall führenden Kräfte der schwachen Wechselwirkungen. SI-Einheit der Kraft ist das Newton (N). Eine Auftriebskraft von 1 N ist für die „leichte“ Luft sehr viel. So steigt sie vom Heizkörper aus schnell nach oben und zieht unter der Decke entlang, wobei sie ihre Wärme an die Decke und die umliegende Luft abgibt. Dadurch wird sie wieder schwerer, fällt nach unten und strömt zum Heizkörper zurück, „angesaugt“ von der nach oben strömenden erwärmten Luft (Fig. 2-17). Fig. 2-17 32 Luftumwälzung in einem Raum mit Heizkörper Wir haben hier also den gleichen Schwerkraftumtrieb wie bei der WarmwasserSchwerkraftheizung. Da die Luftteilchen sehr frei beweglich sind, vermischen sie sich viel leichter miteinander, so dass wir bei Gasen eine weniger scharf abgegrenzte Temperaturschichtung beobachten. Die durch den Schwerkraftumtrieb bewirkten Temperaturverhältnisse in einem Raum werden dargestellt wie in Fig. 2-18. 3m 2m 1m 0m 18°C Fig. 2-18 20°C 22°C 24°C 26°C 28°C Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Raumhöhe Wir haben damit das Thema „Die Wärmeausdehnung gasförmiger Stoffe“ gestreift. Die Kenntnis der weiteren Gasgesetze ist vorwiegend für die Lüftungs- und Klimatechnik eine wichtige Voraussetzung. 33 2.2.3 Das Medium „Luft“ Die Luft umgibt die Erde in Form einer Hülle und übt dabei auf sie einen veränderlichen Druck aus (Barometerstand). In erster Linie benötigen die Lebewesen die Luft für die Atmung. Ein erwachsener Mensch braucht beispielsweise zur Aufrechterhaltung des Lebensprozesses etwa 0,5 m3 Atemluft pro Stunde. Die Luft erfüllt aber außerdem noch andere lebenswichtige Aufgaben. So nimmt sie unter anderem an den Oberflächen der Seen und Ozeane riesige Wassermengen in Form von Wasserdampf auf, transportiert diese über große Distanzen und lässt sie als Niederschläge wieder zur Erde fallen. Die physikalischen Größen, mit denen ein Luftzustand beschrieben wird, nennt man Zustandsgrößen. Mit diesen befasst sich auch die Klimatechnik, in der vor allem die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit und der Luftdruck von Bedeutung sind. Reine trockene Luft Luft ist ein Gemisch von Gasen, Dämpfen und Verunreinigungen. Trockene, reine Luft gibt es nur theoretisch. Diese besteht aus: Gasförmiger Stoff: Chemisches Zeichen: Volumenanteil: % Gewichtsanteil: % Stickstoff N2 78,060 75,490 Sauerstoff O2 20,960 23,170 Argon Ar 0,930 1,290 Kohlendioxyd CO2 0,030 0,040 Wasserstoff H2 0,010 0,001 Neon Ne 0,002 0,001 Helium, Krypton, Xenon He, Kr, Xe 0,008 0,008 Neben dem thermischen Zustand der Luft spielt die Reinheit, die Gasanteile und vor allem der Wassergehalt der Luft eine wichtige Rolle. Feuchte, oder Feuchtigkeit der Luft Mit Feuchte oder Feuchtigkeit bezeichnet man den Wassergehalt eines Stoffes. Im Falle der Luftfeuchtigkeit ist das Wasser im gasförmigen Zustand homogen mit der Luft vermischt. Wie jeder andere Stoff hat Luft nur eine begrenzte Aufnahmefähigkeit für Wasser. Diese Grenze wird als Sättigung bezeichnet. Unterhalb der Sättigung ist feuchte Luft für das Auge nicht von trockener Luft zu unterscheiden, also völlig farblos und durchsichtig. Oberhalb der Sättigung fällt der überschüssige Wasseranteil in Form von feinsten Wassertröpfchen als Nebel oder Wolken aus. Die aufgenommene Wassermenge bei Sättigung ist von der Lufttemperatur abhängig. Sie steigt stark progressiv mit ihr an. Bei 0 °C beträgt sie beispielsweise 3,9 g/m3, bei 20 °C bereits 15 g/m3. Die wichtigsten Zusammenhänge werden anhand eines Beispiels erläutert: In einem Raum befindet sich Luft mit einem bestimmten Anteil von Wasserdampf. Kühlt man diese Luft allmählich ab, so wird bei einer bestimmten Temperatur der Punkt erreicht, bei dem sich an den Wänden oder auf Gegenständen Tauwasser bildet. Diese Temperatur wird Taupunkttemperatur oder Taupunkt genannt. Den geschilderten Vorgang kann man beobachten, wenn sich Raumluft von 20 °C an den Fensterscheiben mit einer Oberflächentemperatur von beispielsweise 6 °C abkühlt und der ausscheidende Wasserdampf in Form von Kondensat von den Scheiben abtropft. 34 Es wird dadurch deutlich, dass die Luft nicht gleichermaßen fähig ist, Wasserdampf aufzunehmen und dass diese Aufnahmefähigkeit von ihrer Temperatur abhängt. So ist jeder Lufttemperatur, bei einem bestimmten Luftdruck, ein bestimmter Wasserdampfgehalt zugeordnet, der nicht überschritten werden kann, ohne dass die oben erwähnte Erscheinung der Taubildung auftritt. t (°C) 0 40 2 4 6 8 10 12 14 16 x (g/kg) 35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 Fig. 2-19 h,x-Diagramm Fi 19 Sättigungsfeuchte in Abhängigkeit der Temperatur. Fig. 2-19 zeigt die Abhängigkeit der größtmöglichen Wasserdampfmenge, die – bezogen auf die Temperatur – in einem bestimmten Volumen enthalten sein kann. Für die zahlenmäßige Angabe der Feuchtigkeit bestehen die Größen: Relative und absolute Feuchte. Die genauen Zusammenhänge sind im h,x-Diagramm dargestellt und können auf einfache Weise durch Messungen und mit Hilfe des Diagramms ermittelt werden. Wir wissen nun, was Wärme ist, kennen den Ursprung der Wärmestrahlung und haben auch einen kleinen Begriff davon bekommen, wie schwierig eine exakte Temperaturmessung in der Praxis ist. Danach haben wir die Wärmeausdehnung der Stoffe betrachtet und an praktischen Beispielen gesehen, wie dieses Phänomen konstruktiv ausgenutzt wird und welche Vorgänge es in Heizungsanlagen und beheizten Räumen hervorruft. Wir haben auch bereits gesehen, wie viel Energie erforderlich ist, um das Medium Wasser zu erwärmen oder zu verdampfen und wissen, dass Luft nur einen bestimmten Anteil an Wasserdampf aufnehmen kann und dass diese Wasserdampfmenge von der Lufttemperatur und vom Luftdruck abhängig ist. 35 2.2.4 Der Wärmeinhalt der Stoffe Wir haben gelernt, dass die Temperatur eines Stoffes einem bestimmten Schwingungszustand oder sozusagen „Erregungszustand“, seiner Atome entspricht. Wollen wir die Temperatur erhöhen, so müssen wir sie stärker anregen, und dazu ist Energie erforderlich. Die aufzuwendende Energiemenge hängt aber auch davon ab, wie viele Teilchen wir anregen müssen, d.h. also vom Gewicht des Stoffes. Je größer das Gewicht eines Stoffes ist, desto größer ist aber auch die in ihm – nach der Temperaturerhöhung – enthaltene Wärmemenge bzw. sein Wärmeinhalt. Die in einem Stoff enthaltene Wärmemenge wird mit Q [kJ] bezeichnet. Spezifische Wärme Die Wärmemenge Q kann berechnet werden. Zuerst müssen wir aber noch eine Stoffgröße kennen lernen. Würden wir versuchen, die Temperatur von je 1 kg Kupfer, Wasser und Luft um 1 K zu erhöhen, so würden wir feststellen, dass wir bei Luft fast 3 mal mehr und bei Wasser 11 mal mehr Wärmeenergie benötigen als beim Kupfer. Bei anderen Stoffen wären die Ergebnisse ebenso unterschiedlich. Die für eine Temperaturerhöhung erforderliche Wärmemenge hängt also nicht nur vom Gewicht, sondern auch von der Wärmespeicherfähigkeit des Stoffes ab. Wir bezeichnen das als die spezifische Wärmekapazität c des Stoffes. Diese spezifische Wärmekapazität ist immer auf 1 kg Stoffgewicht und auf 1 K bezogen, und ihre Einheit ist [J/kg K]. Sie sagt also aus, wie viele J respektiv kJ erforderlich sind, um 1 kg dieser Stoffe um 1 K zu erwärmen. Die spezifische Wärme für Kupfer, Wasser und Luft beträgt: Kupfer: c = 381 [J/kg K] Wasser: c = 4'190 [J/kg K] Luft: c = 1'004 [J/kg K] Die Tabelle zeigt die Werte für die spezifische Wärme anderer Stoffe. Stoff Wasserstoff Helium Wasser Luft Stahl Kupfer Öle c in kJ/kg K 14,25 5,24 4,19 1,0 0,48 0,39 ≈2,00 Sieht man vom Wasserstoff und vom Helium ab, so steht das Wasser an der Spitze aller Stoffe (auch der hier nicht aufgeführten!). Wir brauchen also sehr viel Wärmeenergie, um Wasser auf eine höhere Temperatur zu bringen. Dafür haben wir dann aber auch entsprechend viel Wärmeenergie, mit der wir „operieren“ können, in dieser Wassermenge gespeichert. 36 Beim Rechnen mit Wärmemengen interessiert uns also das Gewicht (die Masse m), die spezifische Wärme c und die Temperaturdifferenz Δϑ (K) vor und nach der Erwärmung, denn sie bestimmt ja maßgebend, wie viel Wärme wir dem Stoff zuführen müssen. Gehen wir umgekehrt vor und stellen einen erwärmten Körper in eine kältere Umgebung, so können wir aus seinem Gewicht, seiner spezifischen Wärme und dem Temperaturgefälle zwischen ihm und seiner Umgebung errechnen, welche Wärmemenge dieser Körper maximal abgeben kann. Wärmemenge Q Es gilt die Formel: Q = m * c * Δϑ [kg * J/kg K * K] = [J] Die Einheit der Wärmemenge ist das Joule, oder 1'000 J = 1 kJ (Kilojoule). Wenn wir also in einer Heizanlage 200 kg Wasser von 60 °C auf 80 °C erwärmen wollen, dann benötigen wir dazu Q = m * c * Δϑ = 200 kg * 4'190 J/kgK * 20 K = 16'760'000 J bzw. 16'760 kJ Strömt dieses Wasser mit 80 °C in die Heizkörper und kehrt es von dort mit 60 °C zum Heizkessel zurück, so hat es inzwischen die vorher zugeführten 16'760 kJ wieder abgegeben; zum größten Teil an die Luft in den Wohnräumen, zum kleineren Teil als sogenannte Wärmeverluste durch die Rohrleitungen an die Umgebung (Fig. 2-20). 80°C - 16 760 kJ 80°C 60°C + 16 760 kJ Fig. 2-20 Prinzip einer Heizanlage 37 Wärmeleistung Das Beispiel hat gezeigt, dass wir 16’760 kJ brauchen, um die Temperatur von 200 kg Wasser um 20 K zu erhöhen. Wir haben auch gesehen, dass diese Wärmeenergie von den Heizkörpern an die Luft und von den Rohrleitungen als Wärmeverluste abgegeben wurde, so dass das Wasser wieder mit 60 °C zum Kessel zurückströmte. Wir haben also praktisch einen Wärmestrom zu den Heizkörpern geschickt. Dieser Wärmestrom muss nun im Winter dem jeweiligen Wärmebedarf angepasst werden, d.h. der Kessel muss in dieser Heizanlage pro Stunde die Wärmeenergie hergeben, die von den Heizkörpern bzw. den Räumen verbraucht wird. Die in einer bestimmten Zeit (h) aufgebrachte Energie (Arbeit), ist die Leistung. & Die Wärmeleistung oder der Wärmestrom Q In unserem Beispiel beträgt die erforderliche Wärmeleistung & = 16’760 kJ / 3'600 s Q & = 4,66 kJ/s = 4,66 kW Q Der Zusammenhang Joule und Watt wird im folgenden Abschnitt erläutert Um ein Gefühl für die Größenordnung von Wärmeinhalten verschiedener Stoffe zu bekommen, schauen wir uns jetzt an, welche Wärmeenergie unsere bekannten Brennstoffe hergeben: Stoff: Heizöl EL Steinkohle, Koks Stadtgas Propangas Erdgas Wärmeinhalt: [kJ/kg] [kJ/m3] ≈ 42'000 ≈ 35'500 ≈ 30'000 Wärmeleistung / h: [kW/kg] [kW/m3] ≈ 11,6 ≈ 9,75 ≈ 8,3 ≈ 16'000 ≈ 4,4 ≈ 46'000 ≈ 93'000 ≈ 12,75 ≈ 39'000 ≈ 34'000 ≈ 10,8 ≈ 25,75 ≈ 9,5 Für unsere Heizanlage, in der z.B. mit Öl geheizt wird, beträgt der stündliche Brennstoffverbrauch demnach 4,66 kW : 11,6 kW/kg = 0,4 kg Heizöl. 38 2.2.4.1 Von Kilokalorie zu Kilojoule und Watt Die Einheit Joule oder Kilojoule gehört zu den Basiseinheiten des SI-Systems. Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre sagt: Wärme ist Energie Im Vergleich der Wärmeenergie mit mechanischer Energie ist nur die Energieform verschieden; die Energiemenge kann aber beide Male in Joule angegeben werden. Oft wird mechanische Energie in Nm (Newton-Meter), elektrische Energie in Ws (Watt-Sekunde) und Wärmeenergie in Joule angegeben. Es gilt: 1 Nm = 1 Ws = 1 J Was steckt nun hinter der Einheit Joule? Wir wissen, dass Joule die Einheit für Energie ist und Energie Kraft Weg Energie = = = = Kraft x Weg Masse (kg) x Beschleunigung (m/s2) Meter (m) kg·m2/s2 = Joule Die Einheit kg·m2/s2 hat mit „Wärme“ eigentlich nichts zu tun. Wie kann man diese mechanische Einheit mit einer wärmetechnischen Größe verknüpfen? J.P. Joule, ein englischer Naturforscher (*1818, †1889), bewies den Zusammenhang experimentell. Er baute die Versuchsanordnung nach Fig. 2-21 und fand das Wärmeäquivalent. m h Joule und Watt Fig. 2-21 Versuch von Joule für die Bestimmung des Wärmeäquivalents Durch die Bewegung des Rotors wird die Temperatur einer bestimmten Wassermenge um einen bestimmten Betrag erhöht (Aufprall der Moleküle). Dies entspricht einer Wärmemengenzufuhr in kJ/kg. Joule fand heraus, dass eine Masse von m = 1 kg um eine Höhendifferenz von h = 427 m fallen muss, bis die Wärmemenge Q = 4'188 Joule erzeugt wird. Nun übt aber die Masse m wegen der Erdbeschleunigung g die Gewichtskraft G aus (G = m g). Für den Versuch von Joule ergibt dies also: Energie = Masse x Beschleunigung x Weg Q = m · g · h = 1 kg · 9,81 m/s2 · 427m = 4'188 kg·m2/s2 = 4'188 Joule oder: Q = 4'188 J = 4,188 kJ 39 2.2.5 Die Wärmeübertragung Überall dort, wo wir Wärme empfinden oder wo wir wärmetechnische Prozesse beobachten, haben wir es immer mit Wärmeübertragungsprozessen zu tun. Wärmeübertragung von festen auf flüssige Stoffe, von flüssigen auf gasförmige und von diesen wieder auf feste Stoffe usw. Die Wärmeübertragungskette in einer Warmwasser-Zentralheizung sieht z.B. wie folgt aus: Flamme des Gasbrenners Kesselwandung Kesselwasser Radiator Luft Personen sowie Wände, Decken, Fußböden, Möbel Außenluft und Erdreich. 2.2.6 Wärmeleitung Wärmeleitung ist das Fliessen der Wärme in einem Stoff, durch die sich von Teilchen zu Teilchen fortpflanzende thermische Anregung (Fig. 2-22). Fig. 2-22 „Fliessen“ der Wärme in einem Stoff Aber auch überall dort, wo sich zwei Stoffe fest berühren, findet eine Wärmeübertragung durch Wärmeleitung statt, z.B. zwischen Elektrokochplatte und Kochtopf, zwischen Bügeleisen und Stoff usw. (Fig. 2-23). ϑ ϑ Fig. 2-23 Wärmeleitzahl Wärmeleitung von einem Stoff höherer Temperatur auf einem Stoff tieferer Temperatur Wir kennen gute und schlechte Wärmeleiter. Die Wärmeleitfähigkeit wird durch die Wärmeleitzahl λ (lambda) ausgedrückt. Sie gibt an, welche Wärmemenge in 1 Sekunde zwischen zwei planparallelen Flächen von 1 m2 Querschnitt im Abstand von 1 m, bei einem Temperaturgefälle von 1 K fließt. Wärmeleitzahl λ in W/mK 40 Δϑ = 1K 1m Fig. 2-24 λ in W/mK Cu 360 Fe 48 Beton 1,2 Ziegel 0,6 Wasser 0,6 Luft 0,025 Kork 0,03 1m Wärmeleitzahl λ verschiedener Stoffe Die Darstellung zeigt: Kupfer leitet die Wärme zirka 8-mal besser als Eisen; Luft und die porigen „luftgefüllten“ Stoffe wie Kork, Schaumstoffe, unsere Bekleidung usw. Ieiten die Wärme am schlechtesten. Solche Stoffe werden daher auch Wärmedämmstoffe genannt. Wärmeleitung ist also das Fliessen der Wärme in einem Stoff, oder auch von Stoff zu Stoff, wenn die Stoffteilchen sich fest berühren. Wie ist es nun aber, wenn die Wärme von einem festen Stoff auf einen flüssigen oder gasförmigen Stoff übertragen werden soll; beispielsweise von einer Wand an Wasser oder Luft? Hier findet doch gar keine feste Berührung statt, hier sind die Stoffteilchen doch ständig in fließender oder gar ungeordneter Bewegung? Außerdem strömt doch erwärmte Luft oder erwärmtes Wasser sofort von der Wärmequelle weg nach oben? Die Wärmeübertragung kann deshalb nie so vollkommen sein, wie bei zwei festen Körpern, die sich eng berühren. Richtig! Bei fließenden Medien, wie Wasser und Luft, kommen die Stoffteilchen infolge ihrer Eigenbewegung tatsächlich nur in flüchtigen Kontakt mit dem festen Stoff oder, wie wir sagen wollen, mit der Wand. Sie können daher auch nur während dieser kurzen „Fühlungnahme“ Wärme durch Wärmeleitung von ihr aufnehmen; das eine Teilchen mehr, das andere weniger. Das Medium, Wasser oder Luft, wird also nur „angewärmt“ und nur im Bereich, nahe der Wand (Fig. 2-25). Die hier erwärmte Menge dehnt sich aus, wird spezifisch leichter und steigt nach oben, wobei sie die aufgenommene Wärme mitnimmt. Es entsteht also eine Wärmeströmung. Im Weiterströmen tauschen die Stoffteilchen die aufgenommene Wärme untereinander und mit ihrer kalten Umgebung aus; sie übertragen sie also auch auf eine Wand, die sich ihnen entgegenstellt. Natürlich ist die Übertragung auch hier nur unvollkommen, da die gegenseitige Kontaktnahme ja wiederum nur fliessendflüchtig ist. 41 Fig. 2-25 Wärmeleitung an Wänden Die Wärmeübertragung von einer Wand auf ein fließendes Medium ruft also in diesem Medium immer eine Strömung hervor, welche die aufgenommene Wärme mitführt und von der sie wieder auf eine feste Wand übertragen werden kann. 2.2.7 Wärmemitführung (Konvektion) Das „Mitnehmen, Mitführen und Mitbringen“ der Wärme wird als Wärmeübertragung durch Konvektion bezeichnet. Konvektion 1. Mitführung von Energie oder elektrischer Ladung durch die kleinsten Teilchen einer Strömung (Physik). 2. Zufuhr von Luftmassen in senkrechter Richtung. Freie und erzwungene Strömung Das ungezwungene, natürliche Nachobenströmen des erwärmten Mediums nennen wir dabei freie Strömung; die Führung der Strömung durch Rohre oder Kanäle: aufgezwungene Strömung. Welche Wärmemenge pro Zeiteinheit durch Konvektion übertragen wird, hängt ab: • • • • Wärmeübergang von der Temperaturdifferenz zwischen Wand und fließendem Medium, von der Größe der Wandfläche, von den Wärmeleitzahlen der Wand und des fließenden Mediums und vor allem von der Art und Geschwindigkeit der Strömung, denn je größer die Strömungsgeschwindigkeit, umso größer ist die Anzahl der Stoffteilchen, die mit der Wand in Berührung kommen und dadurch Wärme von ihr aufnehmen oder an sie abgeben können. Die Art, Richtung und Geschwindigkeit der Strömung ist rechnerisch sehr schwer zu erfassen, und die Praktiker wissen, dass auch die sorgfältigste Berechnung den tatsächlichen Wärmeübergang von der Wand auf das Medium, oder umgekehrt, nur annähernd genau wiedergibt. Aus diesem Grunde bedient man sich in der Praxis eines Kennwertes, der häufig durch praktische Versuche ermittelt und in Tabellen und Diagrammen niedergelegt wurde. Dieser Kennwert bezeichnet man als die Wärmeübergangszahl α (Alpha) Der Alpha-Wert wird stets auf eine Fläche von 1 m2 bezogen und gibt an, wie viel Watt bei 1 K Temperaturdifferenz, vom Medium auf die Wand oder von der Wand auf das Medium übertragen werden. 42 Hier als Beispiel einige Alpha-Werte für Luft und Wasser: Wärmeübergangszahl α in W/m2K: Ruhende Luft Strömende Luft Nicht bewegtes Wasser Bewegtes Wasser 3 bis 20 20 bis100 500 bis 2'000 2'000 bis 4'000 Diese wenigen Beispiele zeigen schon, wie stark die Strömungsgeschwindigkeit den Wärmeübergang beeinflusst, vor allem bei Luft. Beim Wasser ist der Einfluss der Strömung nicht so stark, da ja die Wasserteilchen ohnehin fester an der Wand „anliegen“ als die flüchtigen Luftteilchen. Aus diesen Werten erkennen wir aber auch, warum wir unsere Hand recht lange in einen Luftstrom von 80 °C halten können, nicht aber in Wasser von 80 °C. Der Wärmeübergang ist ja rund 20-mal größer! Tabellen und Diagramme für die Alpha-Werte gibt es für alle in der Praxis vorkommenden Wärmeübergänge, z.B. für Wasser und Luft, in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit an den Wärmeübertragungsflächen. Wärmestrom Kennt man die Wärmeübergangszahl (α) für die gegebenen Strömungsverhältnisse, so kann man den Wärmestrom (Φ) Phi aus der Größe der gegebenen Wandfläche (A) und der Temperaturdifferenz zwischen Wand und Medium (ϑW - ϑM) ausrechnen: Wärmestrom (Φ) = α · A · (ϑW - ϑM) [W/m2 K · m2 · K] = [W] Φ=α A (ϑW - ϑM) α ϑ W ϑM Fig. 2-26 Wärmestrom an einer Wand In unserem Fachgebiet interessiert uns oft der Wärmeübergang von Luft oder Wasser auf die Temperaturfühler, bzw. wie schnell wir ein regeltechnisch korrektes Messergebnis erhalten. Zum Zwecke eines guten Wärmeübergangs wird der Installateur einer Lüftungsanlage, einen stabförmigen Temperaturfühler möglichst an einer Stelle im Luftkanal platzieren, an welcher die Strömungsgeschwindigkeit besonders groß ist. 43 In der Praxis haben wir es aber nicht nur mit Wärmeübertragungsprozessen zu tun, bei denen die Wand das fließende Medium begrenzt, sondern auch mit solchen, bei denen sie zwei fließende Medien voneinander trennt, also zwei Gase mit unterschiedlicher Temperatur, zwei Flüssigkeiten oder auch ein Gas und eine Flüssigkeit, z.B.: • Heißes Verbrennungsgas/Kesselwand/Kesselwasser • Heißes Kesselwasser/Radiatorwand/Raumluft • Raumluft/Hauswand/Außenluft Wärmedurchgang Bei all diesen Beispielen haben wir es also mit zwei Wärmeübergängen zu tun, wobei uns interessiert, welche Wärmemenge durch die Wand übertragen wird. Bei einer Hauswand möchten wir, dass möglichst wenig Wärme hindurchgeht, bei einer Kesselwand dagegen, dass möglichst viel Wärme hindurchgeht. Diese Wärmeübertragung durch eine Trennwand zwischen 2 Medien, mit zweimaligem Wärmeübergang, nennen wir daher Wärmedurchgang. Wir kennen jetzt die Faktoren, die den Wärmedurchgang bestimmen und erinnern uns, dass es sich hier nicht um reine Wärmeleitung handelt, denn diese setzt ja die feste Berührung der Körper voraus. Aber dieser feste Körperkontakt ist bei den Flüssigkeiten oder Gasen diesseits und jenseits der Wand ja nicht gegeben. Den Wärmedurchgang beeinflussen stattdessen im Wesentlichen die beiden Wärmeübergangszahlen, z.B. α1 Raumluft/Wand-lnnenfläche α2 Wand-Außenfläche/Außenluft, also zwei schwer berechenbare Größen (Wind usw.) Weiter wird der Wärmedurchgang beeinflusst durch • die Fläche und Dicke der Wand • die Wärmeleitfähigkeit der Wand bzw. der verschiedenen Wand-Schichten (z.B. Innenputz, Mauerwerk, Dämmstoff, Außenputz) • die Temperaturdifferenz, z.B. zwischen Raum- und Außentemperatur. Beim Berechnen des Wärmedurchgangs arbeitet man auch hier praktisch ausnahmslos mit Erfahrungswerten oder Werten, die durch praktische Versuche und Messungen ermittelt wurden. Der Kennwert für den Wärmedurchgang durch eine bestimmte Wandkonstruktion ist die Wärmedurchgangszahl U [W/m2K] Sie ist, wie die Wärmeübergangszahl α, auf eine Wandfläche von 1 m2 bezogen und gibt an, wie viel Watt [W] durch eine Wand hindurchgehen, wenn der Temperaturunterschied zwischen den Medien, diesseits und jenseits der Wand, 1 K beträgt. Die Einheit der Wärmedurchgangszahl U ist deshalb die gleiche wie die der Wärmeübergangszahl α. 44 Kennt man also den U-Wert einer Wand, so ist das Berechnen des Wärmestromes Φ durch die Wand (übertragene Wärmemenge) nicht schwierig. Fig. 2-27 zeigt, welche rechnerischen Größen im U-Wert einer Wand zusammengefasst sind, wenn diese Wand aus drei Schichten verschiedener Dicke d und unterschiedlicher Wärmeleitzahl λ besteht. Fig. 2-27 Wärmedurchgang durch eine dreischichtige Wand Nun bestehen die Wände eines Hauses aber keineswegs immer nur aus drei Schichten, beispielsweise 2 Backstein- und 1 Isolierschicht. Es kommt ja noch der Verputz dazu, und evtl. ist die Innenwand zusätzlich mit Fliesen belegt oder mit Holz getäfelt. Außerdem ist es ein Unterschied, ob das Mauerwerk aus gewöhnlichen Backsteinen, Klinkern, Hohlsteinen oder Ähnlichem ausgeführt ist. Auch die Dicke des Mauerwerkes ist je nach Nutzungszweck des Baus unterschiedlich. So erstaunt es nicht, wenn die Tabellen der U-Werte der gebräuchlichen Bauelemente in den Handbüchern der Haustechnik mehrere Seiten füllen. Einige Beispiele: Fenster, einfach verglast U in W/m2K ca. 5 Fenster doppelt verglast ca. 3 Doppelfenster & Isolierverglasung ca. 1,5 Innentür ca. 2,5 Außentür, Holz ca. 1,7 Backsteinwand, 24 cm dick ca. 1,5 Backsteinwand, 36 cm dick ca. 1 Betonwand (nicht porig), 250 mm ca. 2,5 Stahlblechwand ca. 6 Mit Hilfe dieser U-Werte berechnet man bei der Projektierung der Heizungsanlage den Wärmestrom durch alle Bauelemente der Umschließungsflächen eines Hauses, denn kennt man den Wärmestrom, d.h. die Wärmeverluste, so weiß man auch, wie groß die Leistung der Wärmeerzeugung und die Wärmeabgabe der Heizkörper in den einzelnen Räumen sein muss, um auch bei extremen Winterbedingungen die Wärmeverluste decken zu können. Wir werden auf dieses Thema später noch ausführlicher eingehen. Zusammenfassend können wir an dieser Stelle aber schon festhalten: 45 In der HLK-Technik sind Wasser und Luft die Medien, mit denen wir es vorwiegend zu tun haben. Die Wärmeübertragung von einem festen Körper oder einer Wand auf diese Medien oder umgekehrt erfolgt durch Konvektion, wobei wir zwischen Wärmeübergang und Wärmedurchgang unterscheiden. Die Wärmeübergangszahl α und die Wärmedurchgangszahl U sind die Kenngrößen für die Wärmeübertragung vom wärmeren zum kälteren Medium. Mit ihrer Hilfe können sowohl die Wärmeverluste durch Wände, Fenster, Türen und Rohrleitungen, wie auch die erforderlichen Leistungen der Wärmeerzeuger und der Heizkörper berechnet werden. 2.2.8 Wärmestrahlung Wir haben gelernt: Wärmestrahlen sind langwellige elektromagnetische Schwingungen, die immer dann entstehen, wenn beim Zusammenprall der Atome einzelne ihrer Elektronen kurzzeitig aus ihrer normalen Bahn geschleudert werden. Als elektromagnetische Schwingung gehorcht die Wärmestrahlung, wie das Licht, den optischen Gesetzen, d.h. sie breitet sich geradlinig aus, wird reflektiert und vermag auch einzelne Stoffe zu durchdringen oder geringfügig in sie einzudringen. Glas beispielsweise ist jedoch für Wärmestrahlung praktisch undurchlässig (Fig. 2-28). Fig. 2-28 Reflexion von Wärmestrahlen an einer Glasfläche Als elektromagnetische Schwingung braucht die Wärmestrahlung auch keine festen Teilchen als Transportmittel. Im Gegenteil; im luftleeren oder luftgefüllten Raum pflanzt sie sich praktisch ungehindert fort (Sonnenstrahlung, Licht von Glühbirne), während sie beim Auftreffen auf feste oder flüssige Stoffteilchen, diese thermisch anregt und dabei selbst an Energie einbüsst. Elementare Gase wie Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2), sowie trockene Luft und alle Edelgase sind diatherm d.h. für die Wärmestrahlung durchlässig. Und Gase, die keine Wärmestrahlung absorbieren, können auch keine solche emittieren (aussenden). Aus Molekülen bestehende Gase und Dämpfe wie Wasserdampf (H2O), Kohlenmonoxyd (CO), Kohlendioxyd (CO2), Schwefeldioxyd (SO2), Ammoniak (NH3) usw. absorbieren und emittieren Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen mit unterschiedlicher Intensität. Die Strahlungsintensität ist dabei eine Funktion der Gastemperatur (z.B. Flamme eines Öl- oder Gasbrenners). Feste Stoffe und Flüssigkeiten senden dagegen stets Wärmestrahlung aus, und je höher deren Temperatur, desto stärker die Wärmestrahlung. Die von einem Stoff ausgehende Energie durch Wärmestrahlung wächst mit der 4. Potenz seiner absoluten Oberflächentemperatur. 46 Strahlungskoeffizient C Die Intensität (Leistung) der ausgesandten Wärmestrahlung bei einer bestimmten Temperatur ist jedoch nicht bei allen Stoffen gleich groß. Sie ist abhängig vom Strahlungskoeffizient C. Bei festen Stoffen hängt dieser Koeffizient sehr stark von der Beschaffenheit der Oberfläche ab: Oberfläche: Schwarzer Körper Hochglanzpolierte Metalle Weiße, glänzende Emaille Ölfarben (alle Farben) Aluminiumlack (Lackbronze) Mauerwerk verputzt Wasser C in W/m2K4 -8 ≈ 5,75·10 -8 ≈ 0,25·10 -8 ≈ 5,20·10 -8 ≈ 5,40·10 -8 ≈ 2,20·10 -8 ≈ 5,40·10 -8 ≈ 5,40·10 Die Tabelle zeigt uns: Ein absolut schwarzer Körper gibt am meisten Strahlung ab, ein gleichgroßer hochglanzpolierter Körper aus Edelmetall dagegen am wenigsten. Die Farbe spielt keine so große Rolle. Prüft man nun nach, wie viel der von einem Körper ausgesandten (emittierten) Strahlung von einem gleichgroßen Körper des gleichen Stoffes aufgenommen (absorbiert) wird, so kommt man zu den gleichen Werten. Emission und Absorption von Wärmestrahlung halten sich also die Waage: Ein Stoff, der wenig Wärmestrahlung aussendet, nimmt auch wenig Wärmestrahlung auf und umgekehrt. Das Berechnen der von einen zum anderen Körper durch Wärmestrahlung übertragenen Wärmeenergie ist trotzdem nicht so einfach, da auch der Einfallswinkel der Strahlung berücksichtigt werden muss, die Stärke und Häufigkeit der Reflexion sowie die Tatsache, dass beide Körper gleichzeitig Strahlung aussenden und absorbieren. Wir wollen daher gar nicht auf die Berechnung eingehen, sondern lediglich ein paar Beispiele der Wärmeübertragung durch Strahlung ansehen: Die glühenden Spiralen eines elektrischen Heizofens sind starke Wärmestrahler, zumal die Richtwirkung des Reflektors noch hinzukommt. Die Wärmeabgabe durch Konvektion ist dagegen gering, da ja die Wärmeübertragungsfläche (Spiralen) nur sehr klein ist (Fig. 2-29). Fig. 2-29 Wärmeabgabe bei elektrischen Heizkörpern 47 Blasen wir diese glühenden Spiralen nun aber mit einem Ventilator an, so kühlen sie sofort ab, denn nun führt die große Menge der vorbeiströmenden LuftteiIchen die Wärme durch Konvektion ab (Wärmeübergang in Verbindung mit erzwungener Strömung). Die Wärmestrahlung geht dadurch sofort zurück: Aus dem Wärmestrahler ist ein elektrischer Heizkonvektor geworden. Bestimmte Heizkörper einer Warmwasser-Zentralheizung werden Radiator (Strahler) genannt, weil sie einen großen Teil ihrer Wärmeleistung durch Strahlung an den Raum abgeben. Ist ein Radiator dagegen zum Raum hin verkleidet, so wird seine Strahlung abgeschirmt, und er funktioniert nur noch als Konvektor (Fig. 2-30). Bei Konvektoren bemüht man sich, die Luft in möglichst engen Kontakt mit den Heizflächen zu bringen, um einen guten Wirkungsgrad der Wärmeabgabe durch Konvektion zu erzielen. Fig. 2-30 Wärmeabgabe bei Warmwasser-Heizkörpern Bei der Deckenstrahlungsheizung (Fig. 2-31 links) sind Rohre als Heizkörper in die Decke eingebettet oder dicht unter ihr aufgehängt. Wir haben so eine sehr große Heizfläche, aber bei der horizontalen Anordnung des „Heizkörpers“ an der wärmsten Stelle im Raum, kaum eine Luftbewegung. Die Wärmeabgabe erfolgt daher fast ausschließlich durch Strahlung. Fig. 2-31 Wärmeabgabe bei Deckenstrahlungsheizung (links) und Fußbodenheizung (rechts) Bei der umgekehrten Anordnung, der Fußbodenheizung (Fig. 2-31 rechts), liegen die Verhältnisse ähnlich, nur ist der Anteil der Wärmeabgabe durch Konvektion größer, da die erwärmte Luft hier ja aufsteigen kann, während sie bei der Deckenheizung sozusagen unter der Decke „festhängt“. 48 Diese Beispiele zeigen uns auch, dass bei der Wärmeübertragung vom einen auf den anderen Stoff die Wärmeleitung, die Wärmekonvektion und die Wärmestrahlung fast immer zusammenwirken: Wärme ist eine schwer zu beherrschende Form der Energie. Wann immer wir uns bemühen, einen Stoff an einem Ende zu erwärmen, so gibt er am anderen Ende einen Teil der Wärme schon wieder durch Konvektion, Strahlung oder Wärmeleitung ab. Manchmal ist das zwar erwünscht; oft ist es aber nichts anderes als Wärmeverlust. Und, genauer betrachtet, ist Heizen nichts anderes als ein laufendes Kompensieren von Wärmeverlusten. 2.2.9 Mischtemperatur Die Mischungsregel Die Mischungsregel ist die Gleichung zur Bestimmung der Mischtemperatur tm die sich einstellt, wenn zwei Stoffe mit den Massen m1 und m2, den zugehörigen Temperaturen t1 und t2 und den spezifischen Wärmekapazitäten c1 und c2 ohne Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr miteinander gemischt werden. Aus dem Gleichgewicht von abgegebener und aufgenommener Wärmemenge ergibt sich: m1 ∗ c 1 ∗ (t m − t 1 ) = m 2 ∗ c 2 ∗ (t 2 − t m )[°C] tm = m1 ∗ c 1 ∗ t 1 + m 2 ∗ c 2 ∗ t 2 [°C] m1 ∗ c 1 + m 2 ∗ c 2 oder vereinfacht, beim Mischen von zwei gleichen Medien c1 = c2: tm = m1 ∗ t 1 + m 2 ∗ t 2 [°C] m1 + m 2 In der HLK-Technik kommen Mischvorgänge wasserseitig bei den hydraulischen Schaltungen (Vorlauftemperaturregelung) und luftseitig bei der Mischluftregelung (Klappensteuerung) vor. 2.2.10 Die Zeitkonstante bei der Wärmeübertragung Übertragungsverhalten Bei allen Wärmeübertragungsvorgängen geht es um die Frage: Welche Wärmemenge wird pro Zeiteinheit bei einer Temperaturdifferenz von x Kelvin von einer Wand auf ein Gas oder eine Flüssigkeit, oder von diesen auf eine Wand übertragen? Wir lernten, dass die übertragene Wärmemenge von bestimmten Kenngrößen der Wand abhängt, der Wärmeübergangszahl α bzw. der Wärmedurchgangszahl k. In einem konkreten Fall, also bei einer Wand bestimmter Größe und stofflicher Beschaffenheit, hängt also die pro Zeiteinheit übertragene Wärmemenge demnach nur noch von der Temperaturdifferenz ab. Aber diese Temperaturdifferenz wird doch mit fortschreitender Wärmeübertragung immer kleiner!? Also wird doch auch die übertragene Wärmemenge immer kleiner!? Wenn z.B. ein kalter Metallwürfel auf eine 100 °C warme Kochplatte gestellt wird, so steigt die Würfeltemperatur vorerst rasch an, weil ja die Temperaturdifferenz noch sehr groß ist. Gegen Ende der Wärmeübertragung dagegen wird sie in der gleichen Zeit nur noch geringfügig ansteigen, da ja die Temperaturdifferenz nur noch vielleicht 1 K beträgt und 49 dementsprechend wenig Wärme übertragen wird. Die pro Zeiteinheit übertragene Wärmemenge wird also immer kleiner. Exponentialfunktion Vorgänge, bei denen sich die Größe im Verhältnis zur Größe selbst ändert, verlaufen nach einer Exponentialfunktion, einer sogenannten e-Funktion. In Fig. 2-32 sehen wir deutlich, wie die Temperaturänderung pro Zeiteinheit immer kleiner wird, da die zu überwindende Temperaturdifferenz selbst immer kleiner wird (und sie bestimmt ja die übertragene Wärmemenge!) ϑ T1 ϑmax. T2 T3 86 ,4% Δϑ 63 ,2% ϑ0 Fig. 2-32 T4 95 % T5 98 % T6 99 ,3% T7 T8 99 ,74 99,9% % 99 ,99 % Δϑ t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Temperaturänderung pro Zeiteinheit In der Zeiteinheit T1 (genannt Zeitkonstante) werden knapp 2/3 (mathematisch genau 0,632 oder 63,2 %) der insgesamt zu überwindenden Temperaturdifferenz Δϑ durchschritten. In der nächsten gleich großen Zeiteinheit T2 werden von den verbleibenden 36,8 % wiederum 63,2% durchschritten. Und auch in der dritten Zeiteinheit T3 genau dasselbe: Wiederum werden 63,2 % der noch verbleibenden Temperaturdifferenz aufgehoben usw., bis nach ca. 5 T praktisch der Ausgleich erfolgt. Ein konkretes Beispiel: Wir nehmen ein Thermometer und stecken es solange in schmelzendes Eis bis es 0 °C anzeigt. Dann nehmen wir es heraus und stecken es sofort in ein Wasserbad, welches konstant auf 100 °C gehalten wird. Gleichzeitig starten wir eine Stoppuhr und messen die Zeit, bis das Thermometer 63 °C anzeigt. Nehmen wir an, dass es bei unserer Versuchsanordnung 20 s dauert. Jetzt können wir voraussagen, dass das Thermometer nach weiteren 20 s ca. 86 °C anzeigen wird und nach nochmals 20 s ca. 95 °C. Von da an wird die Temperatur-Anzeige nur noch sehr langsam weiter steigen und erst nach etwa 5 mal 20 s zeigt es schließlich praktisch 100 °C an. Theoretisch würden 100 °C aber erst nach unendlich langer Zeit erreicht. 50 2.3 Strömung Hydrodynamik (Strömungslehre) Als Strömung bezeichnet man die in zusammenhängender, stetiger Weise erfolgende Bewegung von Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen. Man unterscheidet: • Laminare Strömung • Turbulente Strömung Reibungsfreie Strömung Vernachlässigt man die an den Grenzflächen von Körpern und Flüssigkeit zwischen einzelnen Flüssigkeitsschichten auftretenden Reibungskräften, so spricht man von reibungsfreier oder idealer Strömung. Die reibungsfreie Strömung hat Bedeutung zum allgemeinen Verständnis von Strömungsvorgängen und zur Berechnung von Geschwindigkeits- und Druckverhältnissen (z.B. an einer Turbinenschaufel oder einem Flugzeug-Tragflügel). Sie ist für HLK-Technik nicht relevant. Strömungen mit Reibung Die Strömung einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Rohr kann laminar (geschichtet) oder turbulent (wirbelig) sein. Bei der laminaren Bewegung in einem Rohr bewegen sich die einzelnen (Flüssigkeits-) Teilchen auf achsenparallelen Stromlinien im Allgemeinen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit w. Zwischen den einzelnen Stromfäden besteht eine Schubspannung (Reibung), die, je zäher die Flüssigkeit ist, umso größer wird. 2.3.1 Laminare Strömung Eine Strömung mit sich nicht kreuzenden Strombahnen heißt laminare Strömung. Die Flüssigkeitsteilchen gleiten wie in Schichten übereinander und bewirken ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil. Es entstehen Schubspannungen und ein entsprechender Reibungswiderstand. Die laminare Strömung eignet sich nicht zur Wärmeübertragung aus Flüssigkeiten. In der Lüftungstechnik wird sie jedoch bei der zugfreien Verdrängungslüftung angewandt. Fig. 2-33 Geschwindigkeitsprofil bei laminarer Strömung in einem Rohr 2.3.2 Turbulente Strömung Sie weist ein sehr unruhiges, durcheinandergewirbeltes Strömungsmuster auf. Die Strömungsfäden zerfallen und verlieren sich, Quer- und Mischbewegungen entstehen. Die mittleren Partien führen den äußeren Schichten Energie zu. Die langsameren äußeren Teilchen wandern nach innen und wirken dort bremsend, wodurch das Geschwindigkeitsprofil ausgeglichener wird. Fig. 2-34 Geschwindigkeitsprofil bei turbulenter Strömung Bei HLK-Anwendungen hat man es fast ausschließlich mit turbulenter Strömung zu tun. Abgewinkelte Luftkanäle, lufttechnische Apparate wie Wärmeübertrager, Ventilatoren etc. und vorstehende Kanten verwirbeln die Strömung. In einem Rohr wird das endgültige Strömungsbild erst nach einer gewissen Anlaufstrecke erreicht, deren Länge etwa dem 10fachen des Rohrdurchmessers entspricht. 51 Reynolds-Zahl Für ein gegebenes Rohr erfolgt der Übergang von der laminaren zur turbulenten Strömung bei einer bestimmten kritischen Geschwindigkeit, welche mit kritischen Reynolds-Zahl (Re) ausgedrückt wird (Re = Zahlenwert, der aus Rohrdurchmesser, Fliessgeschwindigkeit und Viskosität der Flüssigkeit gebildet wird). Er wird von Reibung an der Wand, Geschwindigkeitsänderung und anderen Faktoren beeinflusst. Strömungswiderstand Der Strömungswiderstand in Rohren, Kanälen und Krümmern ist auch von der Materialbeschaffenheit (Rohr- oder Kanalwände) abhängig. Um eine Flüssigkeit oder ein Gas durch ein Rohr zu fördern, ist zur Überwindung des Reibungswiderstandes ein Druckunterschied Δp erforderlich. Um den Druckverlust so gering wie möglich zu halten, werden in Luftkanälen Leitbleche eingebaut oder Rohrführungen entsprechend gestaltet. Der Widerstandsbeiwert ζ (Zeta), multipliziert mit dem dynamischen Druck pdyn im Anströmquerschnitt, ergibt den Druckverlust Δp im betreffenden Kanal-Formstück: Δp = ζ∗ p∗ w 2 2 [Pa] Δp 1,5 1,0 0,5 0 = 14 ζ = 12 ζ = 0,76 ζ = 0,38 ζ ζ = 0,2 Δp 0,5 0 Fig. 2-35 ζ = 0,4 ζ = 0,3 = 0,21 ζ = 0,2 ζ = 0,18 ζ = 0,11 ζ Verringerung des Δp durch strömungsgünstige Gestaltung von Rohren oder Kanälen und Einbau von Leitblechen. Betrachtet man in einem rechteckigen Kanal, mit einer Seitenlänge von 10 cm und laminarer Strömung beim Eintritt, das Strömungsbild 20 cm hinter einer 90° Umlenkung, so zeigt sich direkt hinter der Umlenkung ein stark verzerrtes Geschwindigkeitsprofil. Partiell können sogar Rückströmungen auftreten! Nach weiteren 80 cm ist das Geschwindigkeitsprofil wieder symmetrisch. Wenn keine weiteren Störungen auftreten, wird das alte Strömungsprofil jedoch erst nach ca. 7 – 8 m wieder erreicht. Diese Vorgänge sind selbstverständlich bei Messungen im Rohr- oder Kanalnetz zu berücksichtigen. 52 10 cm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Fig. 2-36 90 [cm] Abstand Geschwindigkeitsprofile, gemessen nach einer 90° Umlenkung. 2.3.3 Geschwindigkeit und Druck ca. 7 m Die aus den Geschwindigkeitsprofilen bestimmte mittlere Geschwindigkeit, multipliziert mit der Querschnittsfläche, ergibt den Volumenstrom. Soll also der Volumenstrom mit einem Geschwindigkeitsfühler gemessen werden, dann muss das zugehörige Geschwindigkeitsprofil ermittelt werden. Kontinuitätsgleichung Aus dem Satz von der Erhaltung der Masse folgt für die Strömung einer inkompressiblen Flüssigkeit in einem Rohr: A1 · w1 = A2 · w2 A1,2 = Querschnittsfläche [m2] w1,2 = Geschwindigkeit [m/s] A1 A2 W1 w1 A1 v v Fig. 2-37 Der Energiesatz a) A2 W2 W2 Pstat1 Pstat2 b) a) Geschwindigkeitserhöhung bei Querschnittsverengung b) Abnahme des statischen Druckes bei Querschnittsverengung (aus Recknagel-Sprenger 4/95 S215) Kontinuitätsgleichung: Durch jeden Querschnitt eines Rohres fließt pro Zeiteinheit die gleiche Masse, bei inkompressiblen Medien das gleiche Volumen. Strömt ein Flüssigkeitsteilchen mit dem Volumen v und der Masse m ohne Höhenänderung durch ein waagerechtes, sich verengendes Rohr, so erhöht sich die Geschwindigkeit an der engsten Stelle von w1 auf w2 und damit auch der dynamische Druck von pdyn1 auf pdyn2 (Fig. 2-37a). Der statische Druck ändert ebenfalls entsprechend, da die Geschwindigkeit dem neuen Querschnitt entsprechend variiert. (Fig. 2-37b). 53 Nach Bernoulli ist die Summe des statischen Druckes und des dynamischen Druckes (Staudruck) bei der verlustfreien Strömung an allen Stellen innerhalb des Rohres konstant. pges = pdyn + pst = konstant pst pdyn pges = statischer Druck (Druck auf die Fläche) in Pa = ρ/2 · w2 = dynamischer Druck (oder Staudruck) in Pa 2 = pst + ρ/2 · w = Gesamtdruck in Pa mit ρ (Dichte) = m/v Geschwindigkeitsenergie kann also in Druckenergie und Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt werden. In der Praxis sind diese Vorgänge allerdings mit Druckverlusten durch Reibung verbunden. Diese Verluste (Δpv) summieren sich aus dem Reibungswiderstand R (R = Druckabfall je m Rohr) multipliziert mit der Rohrlänge in Metern plus den Einzelwiderständen die sich aus ζ · pdyn ergeben. Strömt also ein Medium mit Druckverlusten (Δpv) durch ein waagerechtes Rohr vom Punkt 1 zum Punkt 2, dann ergibt sich der Gesamtdruck im Punkt 2 wie folgt: pges2 = pges1 - Δpv Aus dem Druckunterschied lässt sich die Geschwindigkeit und damit die durchfließende Menge bestimmen. Ptot Fig. 2-38 Pstat Pdyn Druckmessung mit dem Staurohr Die Flüssigkeitssäule pdyn kann mit einer Geschwindigkeits-Skala versehen werden, weil pdyn = ρ/2 · w2 ist. Mit dem Staurohr wird die Geschwindigkeit also indirekt bestimmt. Bei Lüftungsanlagen, mit ihren Hindernissen, Umlenkungen usw. ergeben sich infolge der Reibung Druckverluste, welche der Ventilator durch die von ihm bewirkte Erhöhung des statischen Druckes überwinden muss. In Fig. 2-39 ist der typische Druckverlauf einer solchen Anlage dargestellt. 54 Fig. 2-39 Ptot 1 Pstat 1 Pdyn 1 Ptot 1 ΔPtot Ptot 1 Ptot 2 Pdyn 2 Vor dem Ventilator sinken wegen der Saugwirkung der statische und der Gesamtdruck. Nach dem Ventilator erreichen diese den höchsten Wert. Im Wärmeübertrager entsteht ein beträchtlicher Druckverlust, ebenso im 90°-Krümmer und ein geringerer in den dazwischen liegenden Kanalabschnitten. Im Raum wird nach dem Einblasen wieder der Ausgangsdruck p0 erreicht. Po Druckverlauf in einer Lüftungsanlage 55 2.4 Hygienische Grundlagen 2.4.1 Der Wärmehaushalt des Menschen Die Körpertemperatur des Menschen beträgt ca. 37 °C, an der Hautoberfläche im Mittel jedoch nur etwa 33 °C. Diese Wärme erzeugt der Mensch durch chemische „Verbrennung“ (Oxydation) seiner Nahrung, wobei im Prinzip jene Sonnenenergie wieder frei wird, die zum Aufbau der Nahrungsmittel in der Pflanze erforderlich war. Mit 33 °C an der Hautoberfläche liegt die Körpertemperatur des Menschen im europäischen Raum fast während des ganzen Jahres höher als die Temperatur seiner Umgebung. Der Mensch gibt daher laufend Wärme ab, und zwar ungefähr • • • • 35 % 35 % 24 % 6% durch Wärmeleitung und Konvektion durch Wärmestrahlung mit dem Wasserdampf (Schwitzen, Atmen) für die Erwärmung von Speisen, Getränken und der Atemluft (Fig. 2-40). 35 % 6% 35 % 24 % Fig. 2-40 Prozentuale Wärmeabgabe des Menschen Die eben genannten prozentualen Anteile sind Mittelwerte. Im Sommer oder bei harter körperlicher Arbeit wird die Wärme mehr durch Verdunstung abgegeben; im Winter dagegen mehr durch Konvektion und Strahlung. In welcher Form die Wärme auch abgegeben wird: Der Körper ist bestrebt, seine Normaltemperatur einzuhalten, da nur bei dieser Temperatur die Lebensvorgänge normal ablaufen können. Im Winter schränkt er deshalb die Wärmeabgabe ein, indem sich die Haut zusammenzieht, so dass das warme Blut nicht mehr bis in die äußersten Kapillaren vordringen kann; im Sommer oder in warmen Räumen 56 erweitert er diese Blutgefässe so, dass eine vermehrte Wärmeabgabe durch Verdunstung erfolgen kann. Dieser natürlichen Temperaturregelung sind aber Grenzen gesetzt. Dauernde Gefäßverengung kann zum Erfrieren führen, dauernde Gefäßerweiterung zu einem zu großen Blutdruckabfall (Hitzekollaps). Der Mensch unterstützt diese automatische Temperaturregelung seines Körpers durch entsprechende Bekleidung und Nahrungszufuhr, sowie durch Heizen oder Kühlen seiner Aufenthaltsräume. Die vom Körper abgegebene Gesamtwärmemenge hängt nicht nur von der Umgebungstemperatur ab, sondern mehr noch von seiner Tätigkeit (Fig. 2-41). W 80 Fig. 2-41 100 110 120 170 300 700 Tätigkeitsbezogene Wärmeabgabe eines erwachsenen Menschen in Watt Diese Wärmemengen interessieren bei der Planung von Heizungs-, Lüftungs- oder Klimaanlagen vor allem dann, wenn die Räume häufig mit vielen Personen besetzt sind (z.B. Verkaufsläden, Bürogebäude, Schulen, Kinos oder Restaurants). Innerer Wärmegewinn Der Wärmezuwachs in Gebäuden durch interne Wärmequellen wie Lampen, Computer, Kopiergeräte etc. ist, aufgrund der guten Isolierung von Gebäuden und der dichten Gebäudehülle, in den Spitzenzeiten oft so groß, dass sogar im Winter noch gekühlt werden muss. Die anfallende Wärme wird als innerer Wärmegewinn bezeichnet. Dieses Beispiel zeigt bereits, dass eine komfortable Heizungs- & Lüftungsanlage nicht nur auf den Normalfall ausgelegt sein darf, sondern dass schon bei der Projektierung der Anlage auch an die maximale und minimale Besetzung der Räume gedacht werden muss. Im Winter kann der innere Wärmegewinn auch als Wärmebeitrag wieder zurück gewonnen und somit der Energieverbrauch reduziert werden. Im Sommer dagegen muss er unter Einsatz erheblicher Energiemengen „weggekühlt“ werden. In einem mittleren Kino produzieren 300 Personen immerhin zirka 30 kW, also bei einer 3-stündigen Vorführung eine Wärmeleistung von fast 100 kWh! Die laufende Wärmeabgabe seines Körpers wird dem Menschen solange nicht bewusst, wie der Körper das Temperaturgleichgewicht mit der Umwelt ohne Anstrengung aufrechterhalten kann. Erst wenn diese Grenze überschritten wird und er zu frösteln oder zu schwitzen beginnt d.h. wenn er sich unbehaglich fühlt, erst dann merkt er, dass er „eine Temperatur hat“ und dass er mit dieser Temperatur in einem ständigen Wärmeaustausch mit seiner Umgebung steht. Ziel der HLK-Technik ist deshalb, die Aufenthaltsräume des Menschen so zu behandeln, dass sein Körper ohne Anstrengung das Temperaturgleichgewicht mit dem Raum aufrechterhalten kann. Diese Aufgabe ist gar nicht so leicht, denn so unterschiedlich wie der Charakter der Menschen, so unterschiedlich ist auch dessen Behaglichkeitsempfinden. 57 2.4.2 Die behagliche Raumtemperatur Der Mensch ist, wärmephysikalisch gesehen, ein Körper mit einer Oberflächentemperatur von etwa 33 °C. Befindet er sich in einem Raum, sei es sein Wohn-, Arbeits- oder sonst ein Aufenthaltsraum, so steht er mit diesen 33 °C Oberflächentemperatur in einem ständigen Wärmeaustausch mit den Wänden, der Decke, dem Fußboden, den Fenstern, dem Heizkörper, ja sogar den Möbeln und den Lampen, kurzum mit seiner Umgebung (Fig. 2-42). Ist die Temperatur seiner Umgebung zu niedrig, so gibt er zuviel Wärme ab. Er fröstelt oder friert und fühlt sich unbehaglich (linke Bildhälfte). Ist die Umgebungstemperatur zu hoch, so kann er seine Körperwärme nicht schnell genug abgeben. Er beginnt zu schwitzen, und fühlt er sich auch in dieser Situation unbehaglich (rechte Bildhälfte). Fig. 2-42 Wärmeaustausch zwischen dem Menschen und seiner Umgebung Wo liegt nun die richtige, vollauf behagliche Raumtemperatur, bei der ein Mensch weder fröstelt noch schwitzt? Und welche anderen Kriterien spielen noch eine wichtige Rolle? Die behagliche Raumtemperatur hängt zuerst einmal davon ab, welche Tätigkeit der Mensch ausübt, denn wir wissen: Je größer seine körperliche Leistung, desto größer ist seine Wärmeproduktion. Und diese Wärme muss der Körper ja abgeben können, wenn er sich behaglich fühlen soll. Weitere Kriterien zur Bestimmung der behaglichen Raumtemperatur sind: • das persönliche Temperament • die Essgewohnheiten • die Bekleidungsgewohnheiten Für Wohn-, Büro- und sonstige Aufenthalts- und Arbeitsräume, in denen nur leichte Tätigkeiten ausgeübt werden, liegt die behagliche Raumtemperatur bei 20 bis 22 °C vorausgesetzt, dass sich der Raum in einem gut isolierten Haus befindet. In einem Kellerraum mit kalten und feuchten Wänden gäbe es sogar bei einer Raumtemperatur von 22 °C mit Sicherheit ein unbehagliches Gefühl. Warum? Die Erklärung dafür liegt darin, wie der Mensch seine Körperwärme abgibt: • ca. 35 % durch Wärmeleitung und Konvektion • ca. 35 % durch Wärmestrahlung • ca. 30 % durch Verdunstung usw. 58 Für die 35 % Wärmeabgabe durch Leitung und Konvektion, sowie für die 30 % Wärmeabgabe durch Verdunstung bildet die Raumtemperatur von 22 °C ein harmonisches „Gegengewicht“, nicht aber für die 35 % Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung, welche die vielleicht nur 12 °C warmen (kaltfeuchten!) Kellerwände förmlich „aufsaugen“. Durch diesen erheblichen Wärmeverlust empfindet der Mensch die Raumtemperatur nicht mehr als 22 °C, die sie effektiv hat, sondern nur noch etwa als 15 °C und fühlt sich daher unbehaglich. Beträgt dagegen die Wandtemperatur z.B. 17 °C, so empfindet der Mensch eine Raumtemperatur von 22 °C als etwa 18...19 °C und damit im Allgemeinen als behaglich. Infolge des Strahlungseinflusses der Wände müssen wir also zwischen der gemessenen und empfundenen Raumtemperatur unterscheiden. In Fig. 2-43 ist diese gegenseitige Strahlungsbeeinflussung durch unterschiedlich lange „Strahlen“ dargestellt. Links wird die Strahlungsabgabe des Menschen nicht kompensiert, da die kalte Wand zu wenig Wärmestrahlung abgibt. 22 °C Raumtemperatur werden daher nur als ca. 15 °C empfunden. Rechts dagegen befinden sich Mensch und Wand etwa im Strahlungs-Gleichgewicht. In allen schlecht oder ungenügend isolierten Bauten finden wir, dass es von den Außenwänden „zieht“. Die vermehrte Strahlungsabgabe an diese kalten Wände verursacht ständig das Gefühl, „als fiele einem ein kalter Luftstrom in den Nacken“. 15 °C 18 °C 12 °C Fig. 2-43 17 °C Strahlungseinfluss und Behaglichkeit Abhilfe schafft hier nur eine etwas erhöhte Raumtemperatur, so dass die empfundene Temperatur 20 °C beträgt, obgleich die effektive Raumtemperatur bei 22...23 °C liegt. Das Diagramm (Fig. 2-44) veranschaulicht diese Temperaturzusammenhänge. Links Wandtemperatur, unten Temperatur der Raumluft. 59 °C 30 25 20 15 10 10 Fig. 2-44 15 20 25 30 °C Diagramm für die Bestimmung der erforderlichen Wandtemperatur für eine behagliche Raumtemperatur Liegt der Schnittpunkt der beiden Temperaturwerte im schraffierten Bereich, so wird die Raumtemperatur im Allgemeinen als behaglich empfunden. Dieses Diagramm gilt natürlich nur für Wohn- und Büroräume sowie Arbeitsräume, in denen keine schwere körperliche Arbeit verrichtet wird. Kalte Flächen mit entsprechendem „Behaglichkeitsentzug“ sind auch die Fenster. Doppel- oder Isolierverglasung können diese Störeinflüsse reduzieren. Die Heizkörper werden unter den Fenstern angebracht und schaffen nicht nur einen Wärmevorhang vor den Fenstern, sondern kompensieren durch ihre Wärmestrahlung auch weitgehend die vermehrte Strahlungsabgabe des Menschen an die kalten Fensterflächen. Fig. 2-45 zeigt den gegenseitigen Strahlungsaustausch bei den verschiedenen Heizungsarten. Bei Radiatorenheizungen wird eine übermäßige Wärmestrahlung zu heißer Heizkörper als unbehaglich empfunden, da ja der Mensch dann seinen eigenen Strahlungsanteil nicht ungehindert abgeben kann, sondern im Gegenteil noch „aufgeheizt“ wird. Ebenfalls aus Behaglichkeitsgründen darf bei Deckenstrahlungsheizungen bei einer Raumhöhe < 2,50 m eine Deckentemperatur von 32 °C nicht überschritten werden, und bei einer Fußbodenheizung ist an den ständig begangenen Stellen nur eine Oberflächentemperatur von 25...26 °C zulässig. Eine Kühldecke dagegen wird als angenehm empfunden, weil die Körperwärme abstrahlen kann (Ein kühler Kopf und warme Füße waren schon immer gut!). 60 2,5 m 30 ... 32 °C 40 ... 70 °C Fig. 2-45 25 ... 26 °C Strahlungsaustausch bei Heizkörper-, Fußboden- und Deckenheizung Diese Behaglichkeitstemperaturen gelten aber nur als Mittelwerte für Wohn-, Aufenthalts- und Arbeitsräume, in denen leichte Arbeiten verrichtet werden, also Büro- und Verkaufsräume, Laboratorien usw. In Räumen, in denen schwere Arbeiten verrichtet werden, muss die Raumtemperatur erheblich niedriger liegen, damit der menschliche Körper seine Wärme, möglichst ohne zu schwitzen, abführen kann. Für die behagliche Raumtemperatur gibt es also kein festes Maß, denn die Reihe der Faktoren und Einflüsse, die die Behaglichkeit bestimmen, geht noch viel weiter: Luftfeuchtigkeit Bei zu trockener Luft werden die Schleimhäute durch den Staubgehalt der Luft viel stärker gereizt als bei normaler Luftfeuchtigkeit. Zu feuchte Luft empfindet der Mensch dagegen als „schwül“, weil er hier den Verdunstungsanteil seiner Gesamtwärmeabgabe nicht ungehindert abgeben kann. Luftbewegung Zu starke Luftbewegung bei normaler Lufttemperatur steigert die Wärmeabgabe durch Verdunstung resp. Konvektion und wird als Kälte oder Zug empfunden. Luftreinheit Rauch, Staub und verbrauchte Luft werden als unbehaglich empfunden (Übelkeit). Sauerstoffgehalt Wenn der Sauerstoffgehalt zu niedrig ist, ist der Kohlendioxydgehalt (CO2) der Luft zu hoch. Dies führt von Müdigkeit zu Übelkeitsgefühlen bis Ohnmacht, in überfüllten, meist auch überheizten Sälen. Ionisierungsgrad Der elektrostatische Ladezustand der Luft, besonders vor und nach Gewittern, bei Föhn usw. beeinflusst sehr stark das Behaglichkeitsempfinden (Nervosität, Reizbarkeit, Kreislaufbeschwerden). All diese Faktoren muss die Lüftungs- und Klimatechnik zusätzlich zur Temperaturregelung berücksichtigen. Darüber hinaus spielen im Hinblick auf das Behaglichkeitsgefühl auch die Farbe und Größe der Räume, ihre Möblierung, Teppiche, Beleuchtung usw. eine große Rolle, denn auch diese Elemente werden als „warm“ oder als „kalt“ empfunden und der Aufenthalt in diesen Räumen als angenehm oder unangenehm. Dabei hat jede und jeder von uns sein eigenes, ganz individuelles Behaglichkeitsempfinden, so dass bei kollektiv benutzten Räumen immer nur mit mittleren Behaglichkeitswerten gerechnet werden kann. 61 Wir sehen also: Die behagliche Raumtemperatur gibt es tatsächlich nicht. Im Hinblick auf behagliches Wohnen (und Arbeiten!) merken wir uns aber: • Entscheidend ist nicht die eingestellte und gemessene Lufttemperatur, sondern allein die empfundene Raumtemperatur. • In Bauten mit schlecht isolierten und daher kalten Außenwänden wird die Raumtemperatur stets als kühler empfunden als sie effektiv ist, da der Körper hier übermäßig viel Wärme verliert. Abhilfe schafft nur eine etwas höhere Raumtemperatur. Dies gilt auch für noch nicht ausgetrocknete Neubauten. Ein Raumtemperaturregler sollte aus all diesen Gründen immer nach dem Behaglichkeitsempfinden eingestellt werden, wobei die „üblichen“ Normwerte nur als Richtwerte für die Ersteinstellung zu betrachten sind. 62 3 Übersicht Heizungsanlagen 3.1 Einfache Heizungsanlage Mit einer Heizungsanlage wird das Bedürfnis der Gebäudebenutzer nach angenehmer Raumtemperatur auch bei kalter Witterung zufriedengestellt. Eine Heizungsanlage kann grob in die folgenden Bereiche unterteilt werden: • Wärmeerzeugung • Wärmeverteilung • Wärmeabgabe Die Heizungsanlage wird oft auch mit einer Einrichtung zur Erwärmung von Trinkwasser kombiniert. Fig. 3-1 Einfache Heizungsanlage mit integrierter Trinkwassererwärmung Wärmeerzeugung 1 Heizkessel 2 Brenner 3 Trinkwassererwärmer 4 Kesselpumpe 5 Sicherheitsventil 6 Ausdehnungsgefäß Wärmeverteilung, Regelung 7 Heizungsleitungen (Vorlauf-, Rücklauf- und Bypassleitungen) 8 Umwälzpumpe 9 Regelventil mit Stellantrieb 10 Heizungsregler 11 Vorlauftemperaturfühler 12 Außentemperaturfühler Wärmeabgabe 13 Heizkörper 63 3.2 Einteilung der Heizungssysteme Heizungssysteme können nach verschiedenen Kriterien, wie z.B. Wassertemperatur, Art der Wasserführung, Energieart, usw. eingeteilt werden. Eine mögliche Einteilung zeigt die nachfolgende Zusammenstellung. Die gezeigten Temperaturen (100 °C resp. 120 °C) beziehen sich auf die, am Sicherheitstemperaturbegrenzer eingestellten Werte. Die Einteilung ist von Land zu Land etwas unterschiedlich und basiert auf den jeweiligen Normen und Vorschriften. Heizungs-Systeme Zentralheizungen Fernheizungen Heizkraftwerke Sonderformen Warmwasser Warmwasser ≤ 100 °C ≤ 100 °C Dampfkraftwerk - El. Strom - Heizwärme Heißwasser Heißwasser BHKW ≤ 120 °C ≤ 120 °C (Blockheizkraftwerk) PWW > 120 °C - Nahwärme Wärmepumpe Solaranlage (Pumpenwarmwasser) TABS (thermisch aktive Dampf Bauteil-Systeme) Dampf Luft Fig. 3-2 64 Einteilung von Heizungs-Systemen (entspricht Zuordnung in Deutschland) Umstell-, Wechsel- und Doppelbrandkessel 3.3 Wärmeerzeugung bei WarmwasserZentralheizungen 3.3.1 Öl- und Gasheizkessel 3.3.1.1 Heizkessel-Bauarten Diese Kessel für Öl oder Gas und feste Brennstoffe werden heute nur noch für kleinere Leistungen hergestellt. Sie sind für beide Brennstoffarten nicht optimal und sollten deshalb in der Regel nicht mehr eingesetzt werden. Öl- und Gaskessel Öl- und Gaskessel welche für diese Brennstoffe allein gebaut sind, werden in vielen Ausführungsvarianten angeboten. Diese können in die folgenden Bauarten zusammengefasst werden: Bauart A Guss- und Stahlkessel mit nach unten begrenzter Kesselwassertemperatur und tiefer Abgastemperatur. Diese Bauart kann heute als Standardausführung für große Kessel bezeichnet werden. Wegen der relativ hohen Kesselwassertemperatur ist bei dieser Bauart praktisch immer ein Mischventil für die Vorlauftemperaturregelung erforderlich. Bauart B Heizkessel für gleitende Kesselwassertemperatur und relativ hohe Abgastemperatur. Die Abgas-Kondensatbildung in der Brennkammer, bei gleitender Betriebsweise, wird durch spezielle Materialkombinationen in Verbindung mit einer „heißen Brennkammer“ verhindert. Tiefe Abgastemperaturen sind jedoch bei dieser Bauart nicht möglich. Bauart C Chromstahlkessel für gleitende Kesselwassertemperatur und tiefe Abgastemperatur. Die Einschränkungen der Bauarten A und B werden hinfällig, wenn der Kessel aus einem korrosionsbeständigen Material gebaut wird. Der Preis eines Chromstahlkessels ist jedoch entsprechend höher. Bauart D Kondensationskessel oder Brennwertkessel. Durch möglichst vollständige Kondensation des Wasserdampfanteils der Abgase (Taupunkt bei Öl EL ca. 47 °C; bei Erdgas ca. 57 °C) wird auch die darin enthaltene Verdampfungswärme (ca. 10 % für Gas, ca. 6...7 % für Öl) genutzt. Weil die Kesselwirkungsgrade üblicherweise auf den unteren Heizwert Hu bezogen werden, der die latente Wärme nicht enthält, ergeben sich bei Kondensationskesseln relative Wirkungsgrade von über 100 %! Diese Interpretation ist natürlich technisch nicht zulässig. Korrekt wäre die Bezugnahme des Wirkungsgrades auf den oberen Heizwert Ho, den sog. „Brennwert“, der die gesamte Wärmemenge wiedergibt, die bei der Verbrennung des Brennstoffes entsteht. Voraussetzung für die Kondensation des Abgases sind entsprechend tiefe Rücklauftemperaturen (< 40 °C) aus den Wärmeverbrauchern. Außerdem müssen einige Probleme bezüglich Korrosion, Verschmutzung, Ableitung und Neutralisation des Kondensats usw. gelöst werden. Diese Probleme sind für Gaskessel wesentlich einfacher zu lösen als für Ölkessel. Kombikessel Separate SpeicherWasserwärmer 3.3.1.2 Warmwasserversorgung mit dem Heizkessel Kombikessel sind Öl- oder Gaskessel mit eingebautem Trinkwasser-Erwärmer (Boiler). Mit den heutigen Konstruktionen für kombinierte Heizung und Warmwasserversorgung sind wirtschaftlich akzeptable Lösungen möglich. Bei einem separaten Speicher-Wassererwärmer (Beistell-Boiler) für einen Tagesbedarf, mit Elektroheizeinsatz, kann der Heizkessel im Sommer stillgelegt werden. Für die Kombination mit Sonnenkollektoren siehe Kapitel 3.3.3. 65 Separater WarmwasserKessel In Großanlagen führt die Forderung, einen Tagesbedarf zu speichern, zu sehr großen Speichervolumen. Zudem sinkt die Warmwassertemperatur, wegen der Verluste im ausgedehnten, oft schlecht isolierten Zirkulationssystem, gegen Abend stark ab. Mit einem separaten, nur für das Warmwasser reservierten, kleineren Kessel werden beide Probleme vermieden: Das erforderliche Speichervolumen ist kleiner, und die Warmwassertemperatur im Speicher muss morgens nicht überhöht werden, damit sie abends noch genügt. 3.3.1.3 Brenner Für Öl- und Gasheizkessel werden heute die folgenden Brennerkonstruktionen verwendet: Öl-Zerstäuberbrenner Das Heizöl wird unter hohem Druck durch die Düse in feine Tröpfchen zerstäubt und anschließend mit der Verbrennungsluft vermischt. Je feiner die Zerstäubung, umso besser die Verbrennung aber umso höher wird auch die Störanfälligkeit des Brenners. Bei kleinen Brennern bewirkt eine Düsenstangen-Vorwärmung den rußfreien Anlauf. 5 3 4 1 2 10 6 8 9 7 Fig. 3-3 1 2 3 4 5 Ölzuleitung evtl. Rückleitung zum Tank Filter Ölpumpe und Druckregelventil Magnetventil Fig. 3-4 66 Öl-Zerstäuberbrenner (Funktionsprinzip) 6 7 8 9 10 Düse Ventilator Brennerkopf Zündtrafo Zündelektroden Mehrkessel-Anlage mit Öl-Zerstäuberbrenner (hinten mit Schalldämmhaube) Blaubrenner Durch Ölverdampfung wird der Öl- zum Gasbrenner und erzeugt eine blaue Flamme (Blaubrenner). Dadurch kann die Zerstäubung umgangen, die Verbrennungsqualität erhöht und der Schadstoffausstoß (CO, CH, NOx) reduziert werden. Beim Brennerstart sorgt eine Elektroheizung für die Verdampfung und erhöht dadurch den Stromverbrauch. Leistungen einstufige Brenner zweistufige Brenner modulierende Brenner (stetig ab ca. 40 %) Gas-Gebläsebrenner Aufbau und Leistungsstufen sind ähnlich wie beim Öl-Zerstäuberbrenner. Anstelle der Feinheit der Zerstäubung ist hier die Dichtheit der Gaszufuhr das Hauptproblem. Die Gasstraße (3) überwacht das Gaszufuhrsystem auf Undichtheiten. ab ca. ab ca. ab ca. 10 kW 25 kW 200 kW 3 7 2 5 4 6 1 Fig. 3-5 1 2 3 4 Zweistoffbrenner Gas-Gebläsebrenner Ventilator Luftklappe Gasstrasse Gasinjektor 5 6 7 Brennerkopf Zündtrafo Zündelektroden Zweistoffbrenner sind Gebläsebrenner, die ohne Umbau mit Gas und Öl betrieben und auch automatisch umgeschaltet werden können. Sie werden ein-, zweistufig oder modulierend gesteuert und sind ab ca. 25 kW erhältlich. Vorteile sind die Versorgungssicherheit sowie der günstigere Gaspreis durch die Möglichkeit, zu Spitzenzeiten des Gasbezugs auf Ölfeuerung umzuschalten. 67 3.3.1.4 Atmosphärische Gasbrenner Die meisten atmosphärischen Gasbrenner werden entweder als Brennerrost mit mehreren Stabbrennern oder als Rundbrenner mit einem oder mehreren Ringen gebaut. Die Anpassung an die verschiedenen Gasarten (Erdgas, Flaschengas) geschieht mittels entsprechenden Düsen. Es gibt einstufige Brenner für Leistungen ab 2 kW sowie zweistufige oder modulierende Brenner. 7 8 6 9 5 4 10 11 3 2 12 13 1 14 Fig. 3-6 1 2 3 4 5 6 7 links: Gas-Spezialkessel aus Grauguss mit Brenner ohne Gebläse (Quelle Buderus) rechts: Wandmontierter Brennwert-Gaskessel (mit Gebläsebrenner; Schnittbild) Wärmeschutz Brenngas Gas- Luftgemisch Gasdüsen Luftdüsen Verbrennungsgebläse Zufuhr Verbrennungsluft 8 9 10 11 12 13 14 Abgas Vorlaufwasser Brennraumüberdruck Heizgaswege Rücklaufwasser Rippenrohre Aluguss Kondensat Zu den atmosphärischen Gasbrennern gezählt wird auch der Gasinjektor-Brenner. Ein Teil der Verbrennungsluft wird vom Gasinjektor als Primärluft angesaugt. Die Sekundärluft strömt wegen des thermischen Auftriebs der Flammen nach oder wird – bei großem Kesselwiderstand – von einem Abgasventilator nachgesaugt. Anstelle einer ständig brennenden Zündflamme wirkt heute eine elektronische Zündung. 1 Fig. 3-7 1 2 3 68 2 3 4 5 6 Atmosphärischer Gasinjektor-Brenner Gaszufuhr Gasstrasse Gasinjektor 4 5 6 Brenner Flammenüberwachung Zündflamme 3.3.1.5 Holzgas-Vorfeuerung Einem normalen Heizkessel ohne Brenner wird ein Holzgasgenerator vorgeschaltet. Darin werden Holz und Holzabfälle von begrenzter Stückgröße und nicht mehr als 20 % Feuchtigkeit verschwelt und bei 1'000...1'300 °C in Holzgas umgewandelt. Dieses strömt in den Heizkessel wo es verbrannt wird. Unter günstigen Bedingungen sind die Vorteile: • Hoher Wirkungsgrad wegen der praktisch vollständigen Verbrennung der Schwelgase • Keine Verpechung von Kessel und Kamin • Rauchfreie Abgase • Lange Beschickungsintervalle möglich • Einfache Leistungsregelung 3.3.1.6 Manuell beschickte Stückholz-Feuerung Speziell für die Beschickung mit grobem Stückholz (Spälten) konstruierte Kessel werden in ländlichen, bewaldeten Gegenden eingesetzt, wo der Antransport und die manuelle Aufbereitung des Holzes, sowie auch die Beschickung des Kessels keine speziellen Probleme ergeben (z.B. in Bauernhöfen, Käsereien und anderen Klein-Gewerbebetrieben). Solche Kessel sind im Leistungsbereich von ca. 20...100 kW erhältlich und lassen sich nach der Feuerungsart unterscheiden: Feuerung mit Durchbrand Feuerung mit Durchbrand, bei welcher der gesamte eingefüllte Brennstoff im Feuer liegt. Die Holzstücke werden gut luftdurchlässig aufgeschichtet und verbrennen dadurch mit Luftüberschuss. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad wird dadurch kaum über 70 % liegen. Feuerung mit unterem Abbrand Feuerung mit unterem Abbrand: Die Holzstücke (Spälten bis zu 1,6 m Länge) werden ziemlich kompakt bis ca. 1,5 m Höhe aufgeschichtet und nur in der untersten Zone verbrannt. Die Verbrennungsluft wird über Gebläse zugeführt und für die optimale Verbrennung dosiert. Weil das noch nicht brennende Holz in der heißen Brennkammer liegt, entwickelt es Schwelgase, die mit Sekundärluft vermischt und in einer speziell dafür konstruierten Nachbrennzone verbrannt werden. Dadurch werden feuerungstechnische Wirkungsgrade von > 90 % erreicht. Der vollständige Abbrand einer Beschickung dauert etwa 4...6 Std. Und die dabei erzeugte Wärmeleistung reicht in der Regel für einen 24-Stunden-Wärmebedarf aus. Fig. 3-8 Holz-Kessel mit unterem Abbrand (Quelle Fröling) 69 Gemäß den Sicherheitsvorschriften muss die Anlage jederzeit in der Lage sein, die Wärmekapazität einer Beschickung abzunehmen, bzw. zu speichern. Deshalb werden solche manuell beschickten Stückholz-Kessel praktisch immer in Kombination mit einem Wärmespeicher betrieben, der im Notfall auch elektrisch geladen werden kann. 3.3.1.7 Automatische Stückholz- und Schnitzelfeuerungen Feuerungen mit automatischer Zufuhr des Brenngutes erlauben einen, dem Wärmebedarf angepassten, vollautomatischen Teillastbetrieb von bis zu 10 % der Spitzenlast. Dieser ist nicht nur bei Öl- oder Gasfeuerung, sondern auch bei speziellen Holzfeuerungen möglich. Dazu gehören die folgenden Systeme: • Unterschubfeuerung, mit Stückholz aus einem Silo mit „Langsamzerhacker“. • Unterschubfeuerung mit Holz-Hackschnitzeln (Fig. 3-9). Je nach der Größe der Anlage werden die Schnitzel mit einer stationären, zur Feuerungsanlage gehörenden Hackmaschine (Großanlagen) oder mit mobilen Maschinen hergestellt. Eigentliches Problem ist der Feuchtigkeitsgehalt der Hackschnitzel. Zwar können Schnitzel mit 25...30 % Feuchte, wie sie bei nur kurzer Waldlagerung anfallen, gut verfeuert werden. Der Schwefelgehalt der sog. „Grünschnitzel“ ist jedoch hoch und der Heizwert relativ schlecht. Ein optimaler Heizwert und minimaler Schwefelgehalt wird nach einer Trocknungszeit von 3 bis 4 Jahren erreicht. Für eine wirtschaftlichere Nutzung des verfügbaren Holzmaterials sowie für die Belieferung kleinerer Anlagen (ab 30 kW!) sollten die Schnitzel jedoch von großen, dezentralen Trocknungslagern bezogen werden können. • Einblasfeuerung für feinkörnige Abfälle (Späne, Schleifstaub) der holzverarbeitenden Industrie. Fig. 3-9 70 Automatische Unterschubfeuerung mit Holz-Hackschnitzeln Pellets 3.3.1.8 Pellets-Heizkessel Der Begriff Pellets kommt aus dem Englischen und heißt Kügelchen oder Röllchen. Diese Röllchen mit einem Durchmesser von 6 bis 8 mm und einer Länge von ca. 35 mm, werden ausschließlich aus trockenem, naturbelassenem Restholz ohne chemische Zusätze unter hohem Druck gepresst. 2 kg Holzpellets ersetzen 1 Liter Heizöl. Holzpellets • • • • sind erneuerbare Energie aus Restholz und CO2 neutral verbrennen in einem Pellets-Kessel emissionsarm haben ein hohes Schüttgewicht und benötigen dadurch nur wenig Lagerraum werden im Inland produziert und haben daher kurze Transportwege Fig. 3-10 Pellets – aus naturbelassenem Restholz gepresste Röllchen Die Anforderungen an die Pellets sind in verschiedenen Normen (DIN, Ö-Norm, ...) klar vorgeschrieben. Nachfolgend als Beispiel die österreichische Spezifikation für hochwertige Pellets: Heizwert 4,8 kWh/kg Schüttgewicht min. 650 kg/m3 Dichte 1,12 kg/dm3 Wassergehalt max. 10,0 % Ascheanteil max. 0,5 % Länge max. 25 mm Durchmesser 5 – 6 mm Staubanteil max. 10 % Inhalt 100 % Holz mit max. 15 % Rindenanteil Moderne Pellets-Kessel bieten hohen Komfort. Es gibt kleine Ausführungen, die im Wohnraum platziert werden können. Diese werden mit Pellets aus handlichen Säcken alle 2-3 Tage versorgt. Fig. 3-11 Pelletsofen für Wohnraumaufstellung mit Pellets-Vorratbehälter (Schnittbild rechts) 71 Größere Pellets-Kessel werden im Technikraum eingebaut. Die Pellets werden in einem separaten Raum gelagert, von wo sie dem Kessel nach Bedarf automatisch über Förderschnecken oder Saugsysteme zugeführt werden. Die Anlieferung der Pellets erfolgt mit dem Tanklastwagen, der die Pellets in den Lagerraum einbläst. 1 3 Fig. 3-12 1 2 3 2 Pelletsheizkesselanlage (Quelle Oekofen) Pelletsheizkessel Pelletslager Vakuumförderanlage 3.3.2 Koks- und Kohlekessel Koks und Kohle werden heute vorwiegend in Großanlagen verfeuert, wo die Emission (d.h. Ausströmen luftverunreinigender Stoffe in die Außenluft) von Schadstoffen besser beherrschbar ist als in Kleinanlagen. Wegen ihrer genormten Körnung eignet sich Kohle gut für die automatische Beschickung. Heute werden bereits Kleinkessel in der Leistungsgröße ab 15 kW für vollautomatischen Dauerbetrieb – ähnlich der Öl- oder Gasfeuerung – angeboten. 3.3.3 Sonnenenergie-Nutzung Vorbemerkung In diesem Kapitel wird die Nutzung der Solarwärme nicht nur für die Heizung sondern auch für die Warmwasserversorgung behandelt. Welchen Anteil des Wärmebedarfes deckt die Sonne? Die Sonne bringt in Zentraleuropa dann am wenigsten Wärme, wenn der Wärmebedarf am größten ist, nämlich in den Monaten Dezember und Januar. Dies ist eine ungünstige Voraussetzung, um ein Gebäude ausschließlich (monovalent) mit Sonnenwärme zu heizen. Solche Anlagen wurden zu Forschungszwecken zwar schon realisiert, zeigten jedoch bisher noch ein schlechtes Nutzen/AufwandVerhältnis. In unseren Klimaregionen wird Sonnenenergie deshalb meist in Kombination mit anderen Energiequellen (Öl, Gas, Holz, Elektrizität etc.) genutzt. Die Devise heißt dabei: „soviel Solarwärme, wie unter den gegebenen Umständen sinnvoll ist“. Welchen Anteil des Jahreswärmebedarfes die Sonne deckt, hängt von vielen Faktoren ab. Dieser sogenannte solare Deckungsgrad wird auf den Netto-Energiebedarf (nach Abzug der Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung und innerer Abwärme) bezogen. Bei kombinierter Wärmeerzeugung für Raumheizung und Warmwasserverbrauch kann im Falle eines Einfamilienhauses, mit heute üblicher Wärmedämmung, ein solarer Deckungsgrad von rund 50 % erreicht werden. Höhere Werte als 50 % sind zwar erreichbar, aber nur bei ausgezeichneter Wärmedämmung und sehr groß bemessener, d.h. unwirtschaftlicher Solar-Anlage. 72 Für die Trinkwasser-Erwärmung beträgt der solare Deckungsgrad (bei ausreichender Speichergröße) im Sommer nahezu 100 %. Bei grösseren Bauten hängt der Deckungsgrad vom Anwendungszweck der Solarwärme, von der Klimazone und vom Gesamtkonzept ab. Es ist deshalb möglich, dass ein sehr geringer solarer Deckungsgrad von 5...20 % dem wirtschaftlichen Optimum entspricht! Freibäder können ausschließlich mit Sonnenwärme beheizt werden, wenn gelegentliche Nutzungseinschränkungen (z.B. bei schlechtem Wetter) in Kauf genommen werden. 3.3.3.1 Bivalente Anlage für Raumheizung und Warmwasser In der bivalenten Anlage (Fig. 3-13) übernimmt der Solarkreislauf während den Übergangszeiten im Herbst und im Frühjahr den größten Teil der Wärmeerzeugung. Der Heizkessel wird vor allem im Winter benötigt und ist dann gut ausgelastet. So arbeiten Solarkreislauf und Kessel jeweils im günstigen Arbeitsbereich. Das konventionelle System (B) wird ergänzt durch den Solarteil (A). Die im Kollektor (1) erzeugte Solarwärme wird über ein geschlossenes Rohrsystem, den Solarkreislauf (2) an den Speicher (3) abgegeben. Bei ungenügender Speichertemperatur liefert der Heizkessel (4) die fehlende Wärme. Das im Speicher erwärmte Heizwasser zirkuliert direkt durch die Heizflächen (5) und erwärmt auch das Trinkwasser im Chromstahl-Rohrbündel (6) indirekt. 1 ϑ1 5 2 4 3 R 6 ϑ2 A Fig. 3-13 B Beispiel einer bivalenten Solaranlage mit konventionellem Wärmeerzeuger und Verteilsystem für Raumheizung und Warmwasser Dieses Anlagenbeispiel zeigt den Wärmespeicher (3) nicht nur als Behälter des Speichermediums Wasser, sondern auch in seiner ebenso wichtigen Funktion als hydraulisches Entkopplungsglied zwischen den thermisch zusammenwirkenden Erzeuger- und Verbraucherkreisläufen. So kann z.B. die Pumpe des Solarkreislaufs ein- und ausgeschaltet werden, ohne die Druckverhältnisse im Kessel- und in den Verbraucherkreisläufen zu beeinflussen. Ebenso bewirkt die Zuschaltung des Kesselkreislaufes nur Temperatur- und keine Druckänderungen im Speicher. Und schließlich haben auch die variablen Wassermengen der Verbraucherkreise 5 und 6 keinen hydraulischen Einfluss auf die beiden Erzeugerkreise. Es wäre sicher eine interessante Aufgabe, das Hydraulikkonzept dieser Anlage ohne Speicher zu entwerfen! Der in diesem Schema gezeigte Solarteil (A) wiederholt sich in ähnlicher Form in vielen Anwendungsfällen. Seine Hauptteile werden nachstehend kurz beschrieben. 73 3.3.3.2 Der Sonnenkollektor als Wärmelieferant Für Raumheizung und Warmwasser hat sich der fest montierte, verglaste Flachkollektor (Fig. 3-14) durchgesetzt. Er ist einfach im Aufbau, relativ kostengünstig, praktisch wartungsfrei und gut in den Baukörper integrierbar. Flachkollektoren gibt es, als aufmontierte Einzelkollektoren für Schräg- und Flachdächer oder als ins Schrägdach integrierte Kollektorfelder. Die letzteren ergeben in der Regel kleinere Kosten und höhere Leistungen (kleinere Randverluste) als aufmontierte Kollektoren. 4 3 2 1 Fig. 6 Fig. 3-14 1 2 Verglaster Flachkollektor (rechts eingebaut in Dach) Blechgehäuse Verglasung 3 4 Absorberplatte Wärmedämmung Flachkollektoren enthalten eine schwarze Absorberplatte, auf welcher die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt wird. Die Absorberplatte ist von Kühlkanälen durchzogen, durch welche die Wärmetransportflüssigkeit zirkuliert. Die Platte ist in einem wärmegedämmten Gehäuse eingebaut und zur Sonne hin mit Glas abgedeckt. Kollektoren dieser Art erreichen Höchsttemperaturen von über 100 °C und sind damit in der Lage, die für Heizung und Warmwasser nötigen Temperaturen von 30...70 °C direkt und mit gutem Wirkungsgrad zu liefern. Für eine Schwimmbadheizung sind wegen des niedrigeren Temperaturniveaus unverglaste Flachkollektoren meist zweckmäßiger und wirtschaftlicher. Wärmeleistung Während die Sonnenlichtstrahlen die Verglasung ungehindert durchdringen, wird die von der Absorberplatte ausgesandte Wärmestrahlung von der Glasfläche reflektiert. Weil sich aber auch Luft im Kollektorgehäuse befindet, die erhitzt wird, überträgt diese Luft einen Teil der erzeugten Wärme auf die Verglasung und das erhitzte Glas gibt diese Wärme an die Außenluft ab. Dadurch geht bei einfach verglasten Flachkollektoren 30...40 % der eingestrahlten Sonnenenergie wieder verloren. Versuche mit Doppelverglasungen brachten negative Resultate weil diese nicht nur wesentlich teurer waren, sondern auch wegen den Wärmedehnungsspannungen viel häufiger brachen. Man entschied sich deshalb für größere Kollektorflächen mit Einfachverglasung. Richtwerte für den Brutto-Jahresertrag einfach verglaster Flachkollektoren sind in Mitteleuropa: 400...500 kWh/(m2a) bei 60 °C mittlerer Kollektortemperatur 500...600 kWh/(m2a) bei 40 °C mittlerer Kollektortemperatur In besonders sonnigen Lagen werden bis zu 50 % höhere Werte gemessen. Temperaturfestigkeit 74 Die Kollektoren müssen die bei Stillstand auftretenden Spitzentemperaturen aushalten können. Trotzdem sollte man sie bei längeren Stillstandszeiten gegen die Strahlung abdecken, um eine längere Lebensdauer zu erreichen. 3.3.3.3 Der Solarkreislauf Der Solarkreislauf besorgt den Wärmetransport vom Kollektor zum Speicher. Er umfasst das geschlossene Rohrsystem, eine Umwälzpumpe mit Hilfsarmaturen, einen Wärmeübertrager zur Abgabe der Solarwärme ans Heizsystem sowie ein Steuergerät, welches die Pumpe solange einschaltet, wie die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Abgabeort im Speicher genügend groß ist. Als Transportmedium dient eine Wärmeträgerflüssigkeit mit Frostschutz- und Korrosionsschutzmitteln, üblicherweise ein Gemisch von Wasser und Glykol oder ähnlichen Flüssigkeiten. Weil die Durchflussmengen nur 20 bis 30 Liter pro Stunde und pro m2 Kollektorfläche betragen, genügen relativ kleine Rohre und Umwälzpumpen. 3.3.3.4 Der Speicher Er hat die Aufgabe, die unregelmäßig anfallende Sonnenenergie so zu speichern, dass die Wärme entsprechend dem Bedarf abgegeben und möglichst viel Energie verwertet wird. Speicher wurden in der Vergangenheit oft zu groß bemessen. Messungen haben aber gezeigt, dass kleinere Speicher meist ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis ergeben. Allerdings ist bei kleinen Speichern eine zweite verfügbare Wärmequelle erforderlich. Welches ist die richtige Speichergröße? Beispiel 1 Beispiel 2 Als grober Richtwert können 50...100 Liter Speichervolumen pro m2 Kollektorfläche angenommen werden. Für Anlagen mit Raumheizung und Warmwasser gilt eher die obere, für reine Warmwasser-Anlagen eher die untere Grenze. Im Falle eines Einfamilienhauses wäre demnach ein Warmwasserspeicher von etwa 350...500 Liter oder ein kombinierter Heiz- und Warmwasserspeicher von rund 1'000...2'000 Liter erforderlich. 3.3.3.5 Solaranlagen-Beispiele Direkte Solarheizung für industrielle Prozesse oder WarmwasserVorwärmung im Durchfluss-Verfahren. Ist ein dauernd gleichmäßiger Wärmeverbrauch vorhanden, so wird die Solarwärme direkt „vom Produzenten zum Konsumenten“ genutzt. Der „Zwischenhandel“ ist auf den Wärmetauscher und den Solarkreislauf ohne Motorventile beschränkt. Seine Kosten sinken damit auf ein Drittel bis ein Viertel der KollektorKosten. Solche Direktnutzungen sind besonders wirtschaftlich. Größere Anlage für Warmwasser-Vorwärmung Anlagen mit hohem Warmwasserverbrauch (Hotels, Sportanlagen, Kasernen usw.) bieten günstige Voraussetzungen für eine gute Wirtschaftlichkeit: Bei großen Kollektorfeldern sinkt der Anteil der Solarkreislauf-Kosten an den Gesamtkosten, und der Wirkungsgrad ist hoch, weil im Bereich von 10...30 °C in der Kaltwasserzone gearbeitet wird. So entsteht praktisch keine unverwertete Überschusswärme. 75 R Fig. 3-15 Beispiel 3 Größere Anlage zur solaren Vorwärmung von Warmwasser Warmwasser mit Schwerkraft-Solarkreislauf. Die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert von selbst, solange die Temperaturdifferenz zwischen den Kollektoren und dem höherliegenden Speicher genügend groß ist. Wichtig sind etwa doppelt so große Leitungsquerschnitte wie bei Pumpenzirkulation sowie der Aufbau und Anschluss des Wärmetauschers. Die Wärmeträgerflüssigkeit muss im Wärmetauscher von oben nach unten fließen (senkrechte Spirale!). Da Pumpe und Regelung wegfallen, ist dieses System für Kleinanlagen günstig. Messungen haben etwa gleich gute Wirkungsgrade wie diejenigen von Anlagen mit Pumpenzirkulation ergeben. Fig. 8 Fig. 3-16 Warmwasser mit selbststeuerndem Schwerkraft-Solarkreislauf 3.3.3.6 Netto-Wärmeertrag nach Abzug aller Verluste Die am Ausgang des Speichers gelieferte Nutzwärme wird u.a. durch folgende Faktoren bestimmt: • die Kollektorbetriebstemperatur (bei 40 °C liefern verglaste Kollektoren 30...40 % mehr als bei 60 °C) • die Wärmeverluste im Rohrleitungssystem und im Speicher (sie werden u.a. durch die Verweilzeit der Wärme im Speicher bestimmt) • die zeitliche Übereinstimmung von Besonnung und Wärmebedarf (wird die Sonnenwärme vor allem dann gebraucht, wenn sie hauptsächlich anfällt?) Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen 76 Wie wirtschaftlich eine Solaranlage arbeitet, hängt von den Investitionskosten, dem Netto-Wärmeertrag, den Preisen der übrigen Energieträger, der Lebensdauer und den Instandhaltungskosten der Anlage ab. In jedem Fall wirtschaftlich sind größere Anlagen für die Wasservorwärmung in sonnigen und kälteren Gebieten, teilweise auch mit Einbezug der Raumheizung. Wesentlich günstiger als Strom, Heizöl oder Gas ist auch Solarwärme aus unverglasten Kollektoren für Schwimmbadanlagen. Sollte es einmal soweit kommen, dass die nicht erneuerbaren Energieträger Erdöl und Erdgas soviel kosten wie sie wert sind, wird sich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen erübrigen. 3.3.4 Elektrische Widerstandsheizung mit Zentralspeicher 3.3.4.1 Feststoff-Zentralspeicher Feststoff-Zentralspeicher benötigen weniger Platz als Wasserspeicher und sind für alle Wärmeabgabesysteme einsetzbar. Als Speicher dient ein Magnesit-Kern, der mit elektrischen Widerständen auf etwa 650 °C aufgeheizt, wird. Wichtig ist eine sehr gute Wärmedämmung, damit ein hoher Speicherwirkungsgrad erreicht wird. Elektrozentralspeicher sollen zur Nutzung der Verlustwärme z.B. in Bastelräumen, Trockenräumen oder Korridoren aufgestellt werden. Die gespeicherte Wärme wird mit zwei verschiedenen Methoden auf das Heizwasser übertragen: 1. Ein bedarfsgesteuerter Luftstrom transportiert die Wärme vom Speicherkern zum Luft-Wasser-Wärmeübertrager (Rippenrohr-Luftkühler) Ein beweglicher Wärmeübertrager wird – je nach dem Wärmebedarf – mehr oder weniger weit in den Speicherkern eingefahren. 2. 5 7 11 6 8 2 1 10 3 12 9 4 B16-9 Fig. 3-17 1 2 3 4 5 6 Prinzip Feststoffspeicher mit Luftumwälzung Speichersteine Heizeinsätze Wärmetauscher Wärmedämmung Aufladeregelung Restwärmefühler 7 8 9 10 11 12 Witterungsfühler Entladeregelung Ventilator Motor Vorlauffühler Heizungspumpe 3.3.4.2 Wasser-Zentralspeicher Wasser-Zentralspeicher haben einen größeren Platzbedarf als Feststoffspeicher, können jedoch mit andern Wärmeerzeugern, die einen Wärmespeicher benötigen, kombiniert werden. Im Vordergrund steht dabei ein Holzkessel, der die Hauptlast im Winter übernehmen soll. Bei reinen Elektrospeichern wird das Heizwasser auf ca. 100 °C erwärmt. Ein externer Durchfluss-Erwärmer oder Heizelemente im Speicher, kombiniert mit einer externen Ladepumpe (Magro-System), oder über die ganze Speicherhöhe verteilte Heizelemente bei Einspeicheranlagen, erlauben eine witterungsabhängige Teilladung. Bei einer Kombination mit einem andern Wärmeerzeuger, z.B. mit einem Holzkessel, wird die Speichertemperatur niedriger gehalten. Die Wärmeabgabe erfolgt über eine witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung. Voraussetzung für eine gute Speichervolumenausnutzung ist eine möglichst niedrige Rücklauftemperatur (< 40 °C). 77 Funktionsprinzip Fig. 3-18 Bivalente Holz-Elektrospeicher-Heizanlage, Elektrospeicher mit Teilladungsmöglichkeit. 3.3.5 Wärmepumpen Die Wärmepumpe (WP) entspricht im technischen Aufbau und Funktionsprinzip einer Kältemaschine. Das Funktionsprinzip der Kompressions- und der Absorptions-Kältemaschine/-Wärmepumpe wird im Kapitel 4 (Kältetechnik) behandelt. 3.3.5.1 Gebräuchliche Heizsysteme Ein monovalentes WP-Heizsystem bezieht seine Heizwärme nur von der Wärmepumpe. Diese muss deshalb den Wärmeleistungsbedarf des Gebäudes bei der Bemessungs-Außenlufttemperatur alleine decken können. Ein monovalenter Betrieb ist bei der Nutzung von Erdreich-, Abwasser-, Grundwasser- und Oberflächenwasserwärme am ehesten möglich. Ein bivalentes WP-Heizsystem hat zwei Wärmeerzeuger, die Wärmepumpe und z.B. einen Öl-, Gas- oder Holzkessel. Der Kessel übernimmt die Wärmeversorgung bei tiefen Außenlufttemperaturen entweder allein (Alternativbetrieb) oder mit der WP zusammen (Parallelbetrieb). Möglich ist auch ein Teilparallel-Betrieb derselben Anlage. Luft-Wasser-WP 3.3.5.2 Arten der Umweltenergienutzung Sie beziehen die Wärme aus der Luft, meistens aus der Außenluft, wenn möglich aber auch aus Abluft, deren Abwärmegehalt dadurch genutzt werden kann. Von der Bauart der Luft-Wasser-WP aus betrachtet unterscheidet man Kompaktgeräte und Splitgeräte. Bei den Kompaktgeräten für Innenaufstellung wird die Luft durch einen Kanal zur WP geführt. Ein Splitgerät besteht aus zwei Teilen: Der eine Teil ist der Verdampfer mit dem Ventilator und wird z.B. im Freien oder in einem Dachraum aufgestellt. Es gibt auch „stille“ Verdampfer ohne Ventilator und deshalb mit verminderter elektrischer Leistungsaufnahme. Sie benötigen dafür eine wesentlich größere Wärmeübertragungsfläche. Der andere Teil enthält den Verdichter mit dem Verflüssiger und steht z.B. im Keller bzw. im Heizungsraum. Die beiden Teile sind durch die Kältemittelleitungen verbunden. Das System wird erst auf der Baustelle kältetechnisch montiert und gefüllt. Bei Verdampfungstemperaturen unter 0 °C bildet sich am Verdampfer Reif oder Eis, das regelmäßig abzutauen ist. Zudem nimmt bei tiefen Lufttemperaturen die Leistungszahl der WP stark ab. Deshalb eignet sich die Luft-Wasser-WP schlecht für den monovalenten Betrieb. In bivalenten Anlagen wählt man normalerweise den alternativen Betrieb d.h. unterhalb ca. 0 °C Außenlufttemperatur wird auf die Zusatzheizung umgeschaltet. Wasser-Wasser-WP 78 Sie beziehen die Wärme aus Abwasser, Grundwasser, Flüssen oder Seen. Die Art der Entnahme und der Rückgabe sowie die minimale Rückgabetemperatur des Wassers sind bewilligungspflichtig. Da die Wassertemperaturen im Gegensatz zu den Außenlufttemperaturen ganzjährig wesentlich über 0 °C liegen und auch relativ konstant bleiben, eignen sich Wasser-Wasser-WP entweder für den monovalenten oder für den bivalenten Parallelbetrieb. Sole-Wasser-WP Sie unterscheiden sich von den Wasser-Wasser-WP dadurch, dass im kaltseitigen Kreislauf ein frostgeschützter Wärmeträger (= Sole) eingefüllt ist. Die Sole bezieht die Wärme z.B. aus der Erde, oder aus Elementen wie unverglasten Sonnenkollektoren, „Energiedach“, oder „Energiezaun“. So kann Umweltwärme auch unter dem Gefrierpunkt genutzt werden. Wegen der gegenüber dem Wasser ungünstigeren Stoffwerten (Wärmekapazität und Viskosität) der Sole werden Wärmeübertrager und Umwälzpumpe größer. Gas- und DieselmotorWärmepumpen In größeren Anlagen (ab ca. 300 kW Heizleistung) werden auch Wärmepumpen mit Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese haben den Vorteil, dass nicht nur die vom Kondensator abgegebene Wärme, sondern auch die Abwärme des Verbrennungsmotors weitgehend dem Heizkreislauf zugeführt werden kann. Damit wird eine optimale Nutzung der Primärenergie erreicht. Im Vergleich mit einer Öl- oder Gasfeuerung kann so rund die doppelte Nutzwärmemenge gewonnen werden. Durch die dem Kondensator nachgeschaltete Motorenkühlung und AbgasWärmerückgewinnung werden auch höhere Vorlauftemperaturen (bis ca. 80 °C) erreicht. Die Investitionskosten werden allerdings durch die erforderlichen Schalldämm- und Abgasreinigungs-Maßnahmen höher als bei den Elektro-WP. 3.3.6 Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) Als Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) wird ein Prozess bezeichnet, in welchem gleichzeitig Wärme und Elektrizität erzeugt wird. Der Begriff stammt aus der Zeit, als in den Fabriken die Dampfmaschinen die Kraft zum Antrieb der Maschinen lieferten und mit dem Abdampf geheizt wurde. Heute müsste man eher StromWärme-Kopplung sagen. Der Begriff der WKK hat sich jedoch gehalten und wird nicht nur in der Haustechnik verwendet. 3.3.6.1 Anwendungsarten der WKK Hier eine kurze Übersicht über die Anwendungsarten: • Dampfturbine + Generator: In erster Linie für die Stromerzeugung in Kernkraftwerken und konventionellen thermischen Kraftwerken. Wärme wird zur Verbesserung des Gesamtnutzungsgrades erzeugt, falls ein Fernwärmenetz erstellt werden kann. • Gasturbine oder Großdiesel + Generator: Für größere Anlagen mit Wärme- und Strombedarf. • Blockheizkraftwerk: Für Heizung und gleichzeitige Stromerzeugung. Die Stromerzeugung richtet sich nach dem Wärmebedarf. Sie führt zur Verbesserung des Gesamtnutzungsgrades, insbesondere in Verbindung mit dem Betrieb einer Elektrowärmepumpe. • Kleiner Ottomotor + Generator: Vorwiegend für eine sinnvolle Nutzung kleinerer Mengen von ohnehin anfallendem Gas (Biogas, Klärgas). In der Haustechnik kommt vor allem das Blockheizkraftwerk zum Einsatz. 3.3.6.2 Blockheizkraftwerke (BHKW) Blockheizkraftwerke sind kleinere WKK-Anlagen für den Einsatz in Geschäftshäusern, Krankenhäusern, Industriebetrieben oder für die Nahwärmeversorgung von Wohnsiedlungen. In der Regel werden mehrere Einheiten, mit je ca. 25 % der Spitzenleistung, parallel installiert. Dadurch wird eine flexible Leistungsanpassung an den Bedarf ermöglicht. Damit die BHKW-Einheiten gut ausgelastet werden 79 können, sind meist zusätzliche Spitzenheizkessel notwendig. Mit Wärmespeichern werden wirtschaftliche Laufzeiten angestrebt. Eine BHKW-Einheit (Fig. 3-19) umfasst: • den Verbrennungsmotor (Gas- oder Dieselmotor) • den Wärmerückgewinnungsteil zur Nutzung der Motor-Abwärme (Kühlwasser, Abgas und evtl. Schmieröl) auf verschiedenen Temperaturstufen • den Generator für die Stromerzeugung 3b 5 4 3a 2 1 Fig. 3-19 1 2 3a 3b 6 Fig. 11 Prinzipschema einer Anlage mit Blockheizkraftwerk (ohne Wärmeverbraucher) BHKW Dieselmotor Kühlwasser-Wärmetauscher Abgas-Wärmetauscher 4 5 6 Generator Speicher Spitzenheizkessel Als Antriebsenergie können Erdgas, Heizöl, Klärgas, Biogas, Deponiegas oder Pyrolysegas verwendet werden. Warum Blockheizkraftwerke? Wird in einem großen thermischen Kraftwerk Heizöl oder Gas verbrannt um damit Strom zu erzeugen, so beträgt bekanntlich der Wirkungsgrad der Stromerzeugung nur 30...35 %, je nach Art des Kraftwerkes. Der Rest ist Abwärme, die aber nur dann genutzt werden kann, wenn genügend Wärmeabnehmer gefunden werden können, die nicht allzu weit vom Kraftwerk entfernt sind. Grosse Kraftwerke werden jedoch eher weit entfernt von Wohnsiedlungen gebaut, so dass die Erstellung eines Fernwärmenetzes unwirtschaftlich wäre und die Abwärme deshalb über Kühlanlagen ungenutzt an die Umwelt (Außenluft oder Oberflächengewässer) abgegeben wird. Baut man jedoch kleine thermische Kraftwerke in Form von BHKWs direkt bei den Wärmeverbrauchern, so kann von den 100 % des Heizwertes von Öl oder Gas 30...35 % als hochwertige elektrische Energie und 50...55 % als Heizenergie genutzt werden, d.h. es können rund 80...95 % genutzt werden. Setzt man den erzeugten Strom zum Betrieb einer Elektro-WP ein, die ihrerseits etwa das Dreifache der Antriebsenergie als Nutzwärme abgibt, so erzeugt man mit den eingesetzten 100 % Primärenergie (Öl oder Gas) über 150 % Nutzwärme. Um ein BHKW direkt in die Heizzentrale eines Gebäudes oder inmitten einer Wohnüberbauung platzieren zu können, müssen die Lärm- und Schadstoffemissionen gemäß den lokalen Vorschriften in Grenzen gehalten werden können. 80 Verluste 10...20 % Oel Oel100 % heizung Nutzwärme 80...90 % Verluste 10...20 % 50 % WKK Wärmepumpe Oel 100 % Umgebungswärme 55 % Fig. 3-20 Nutzwärme > 130 % 100 % Verluste 5 % Wärmeflussbilder von Ölheizung (oben) und WKK (unten): Die WKK mit Wärmepumpe erzeugt aus 100 % Primärenergie rund 150 % Nutzenergie. Eine interessante Möglichkeit für Geschäftsbauten bietet die Kombination eines BHKW mit einer Absorptions-Kältemaschine/Wärmepumpe, womit ganzjährig Strom erzeugt und die Abwärme im Winter zur Raumheizung und im Sommer zur Raumkühlung genutzt werden kann. Dabei werden vorzugsweise Verbrennungsmotoren eingesetzt, die mit Betriebstemperaturen > 100 °C arbeiten können. Der Einsatz von Blockheizkraftwerken BHKW werden zur Deckung des eigenen Bedarfes an Wärme und Elektrizität eingesetzt. Wichtig ist, dass beide Energiearten im anfallenden Verhältnis und zur gleichen Zeit benötigt werden. Ein BHKW kann auch eine separate Notstromversorgung ganz oder teilweise ersetzen. Tandemanlagen Diese werden auch 3-Maschinen-Anlagen genannt und stellen eine besondere Form eines BHKW dar. Man versteht darunter die Kombination eines Verbrennungsmotors, eines elektrischen Motor-Generators und eines WärmepumpenVerdichters. Mit dieser Kombination sind vier verschiedene Betriebsarten möglich, deren Anwendung eine längere Jahresnutzungszeit der Anlage erlaubt (Zahlen sind als Beispiel gegeben): 81 1. BHKW-Betrieb Der Verbrennungsmotor betreibt den Generator zur Stromspitzendeckung. Geheizt wird mit der Abwärme des Verbrennungsmotors. Die WP ist abgekuppelt. G 100 % 54 % Nutzwärme 90 °C Fig. 3-21 2. WP-Betrieb mit Verbrennungsmotor 32 % Strom B16-13D Verbrennungsmotor betreibt Generator Der Rotor des Generators verbindet mechanisch die Antriebswelle des Verbrennungsmotors mit der WP (Übertragungsverlust ca. 2 %) 100 % 54 % Nutzwärme 90 °C Fig. 3-22 3. BHKW-Betrieb mit WP 90 % Nutzwärme 50...60 °C Verbrennungsmotor betreibt Wärmepumpe Der Verbrennungsmotor betreibt Generator und WP gleichzeitig. Nutzwärme liefert die Abwärme des Verbrennungsmotors und der Kondensator der WP. Die Stromerzeugung reduziert sich im Vergleich mit dem reinen BHKW-Betrieb (siehe 1.) auf rund die Hälfte. G 100 % 54 % Nutzwärme 90 °C Fig. 3-23 4. WP-Betrieb mit Elektroantrieb 16 % Strom 45 % Nutzwärme 60 °C Verbrennungsmotor betreibt Generator und Wärmepumpe Der Verbrennungsmotor ist außer Betrieb und abgekuppelt. Die WP wird z.B. mit Niedertarifstrom oder – im Sommer – als Kältemaschine betrieben. M 32 % Strom Fig. 3-24 45 % Nutzwärme 60 ° C Generator betreibt als Elektromotor die Wärmepumpe/Kältemaschine Für die Steuerung, Überwachung und Betriebsoptimierung einer Tandemanlage sind elektronische Optimierungsgeräte erforderlich. 82 3.3.6.3 Mini-BHKW Ein Mini-BHKW ist ein Blockheizkraftwerk, das für den Einsatz in kleineren Anlagen, – z.B. in Ein- und Mehrfamilienhäusern – ausgelegt ist. Es liefert dabei die benötigte Heizenergie (bis ca. 15 kW) und einen Teil der elektrischen Energie (bis ca. 5 kW). Warmwassser Vorlauf Heizungspumpe Mischventil Kamin Rücklauf Abgaswärmetauscher Schalldämpfer Speicher Speicherladepumpe Solarkollektoren Motor Gas Temperaturhochhaltung Generator ≈ Plattenwärmetauscher Kaltwasser Leistungselektronik öffentliches Stromnetz Fig. 3-25 Haushaltsverbrauch Funktionsprinzip eines Mini-BHKWs (Beispiel, kombiniert mit solarer Warmwasseraufbereitung) Moderne Mini-BHKWs sind mit drehzahlgeregelten Motoren ausgerüstet und verfügen über die notwendige Leistungs-Elektronik, um den erzeugten Strom mit gleichbleibender Frequenz ins Netz einzuspeisen. Durch die Drehzahlregelung werden zusätzliche Einrichtungen zur Deckung von Lastspitzen nicht mehr benötigt. Solche Mini-BHKWs können also „monovalent“ betrieben werden, was die Investitionskosten entsprechend reduziert. Fig. 3-26 3 Mini-BHKW – Innenansicht und Gasmotor mit 270 cm Hubraum (Quelle: ecopower) 83 3.3.6.4 Brennstoffzellen Brennstoffzellen sind seit über 160 Jahren bekannt. Entdeckt wurde der Brennstoffzellen-Effekt von Christian Friedrich Schönbein, der von 1829 bis 1868 Professor an der Universität Basel war. Der Engländer William Robert Grove – Schönbeins Freund – beschrieb den Effekt im Februar 1839 als Umkehrung der Elektrolyse und erkannte das Potenzial, ihn zur Erzeugung elektrischer Energie zu verwenden. Von 1842 bis 1844 befasste sich Grove intensiv mit der Brennstoffzelle, die er damals noch als „Gasbatterie“ bezeichnete. Er schaltete Elemente in Serie, um die elektrische Leistung zu erhöhen. Doch von einer praktischen Nutzung war man damals noch weit entfernt. Erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde diese Technologie für Spezialanwendungen unter anderem für die bemannte Raumfahrt genutzt. Dies war vor allem auf die Entwicklung geeigneter Materialien zurückzuführen. Staatliche Forschungsprogramme haben die Entwicklung von Brennstoffzellen für zivile Anwendungen vorangetrieben. Heute wird allgemein angenommen, dass die Brennstoffzellen-Technologie vor einem entscheidenden technischen und kommerziellen Durchbruch steht und die stationäre und mobile Energieversorgung des 21. Jahrhunderts revolutionieren wird. Funktionsweise Brennstoffzellen wandeln die in chemischer Form im (allgemein gasförmigen) Brennstoff gespeicherte Energie direkt in Strom und Wärme um. Die Funktionsweise lässt sich mit einer Batterie vergleichen. Eine Brennstoffzelle besteht aus Elektroden (Kathode und Anode), die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. An der Anode findet die Oxidation des Brennstoffes statt. Die dabei frei werdenden Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis zu Kathode. Dabei können sie elektrische Arbeit verrichten. An der Kathode erfolgt die Elektronenaufnahme durch das Oxidationsmittel, das dabei selbst reduziert wird. Neben Strom fällt bei der chemischen Reaktion Wärme an. Der Unterschied zur Funktionsweise einer Batterie besteht darin, dass Brennstoffzellen so lange Strom und Wärme produzieren, wie ihnen Brennstoff zugeführt wird. Luft Kathode Elektrolyt O2 O2 O2 O2 Externer Stromkreis Anode Brennstoff (H2, CO) Fig. 3-27 84 Funktionsweise einer Brennstoffzelle H2O, CO2 Nutzen Keine andere bekannte Technologie zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme bietet in der Summe so viele günstige Eigenschaften wie die Brennstoffzelle: • hoher elektrischer Wirkungsgrad in Pilotanlagen 35 %, unter Laborbedingungen 60 % • breites Leistungsspektrum einige Watt .... mehrere Megawatt • niedrige Schadstoffemissionen es entsteht vorwiegend Wasserdampf und Kohlendioxid (bei Verwendung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen) und die Kohlendioxid-Bilanz wird aufgrund des höheren Wirkungsgrades wesentlich günstiger ausfallen als bei klassischen Wärmekraftmaschinen • niedrige Betriebskosten wenige bewegliche Anlageteile führen zu niedrigen Wartungs- und Betriebskosten • breite Wahl an Brennstoffen möglich • geräuscharm, da wenige bewegliche Anlageteile Brennstoffzellentypen Die unterschiedlichen Brennstoffzellentypen werden nach der Art des Elektrolyten eingeteilt. Dieser kann eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein und bildet das Charakteristikum für: • Anforderungen an Art und Reinheit von Brennstoff und Oxidationsmittel • Betriebstemperatur • Bauweise Im Wesentlichen sind heute fünf Brennstoffzellentypen gebräuchlich. Es gibt weitere Varianten, die sich noch in einem frühren Entwicklungsstadium befinden. Für eine spezifische Anwendung kann der jeweils am besten geeignete Typ ausgewählt werden. Für den Gebrauch im häuslichen Bereich scheinen sich zwei Typen zu etablieren: • Polymermembran-Brennstoffzelle (PE(M)FC) wird heute für den Einsatz in der Automobilindustrie favorisiert • Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) wird heute in Pilotprojekten für Wohngebäude eingesetzt Deutsche Bezeichnung Alkalische BZ* Polymermembran-BZ* Phosphorsäure-BZ* KarbonatschmelzeBZ* Festoxid- oder Hochtemperatur-BZ* Fig. 3-28 Englische Bezeichnung Alkaline Fuel Cell Polymer Electrolyte Fuel Cell Phosphoric Acid Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell Solid Oxide Fuel Cell Abkürzung Anwendungsbereiche (Auswahl) AFC Raumfahrt, Militär PE(M)FC mobil und stationär – kleiner bis mittlerer Leistungsbereich PAFC stationär – mittlerer Leistungsbereich MCFC stationär – mittlerer Leistungsbereich SOFC stationär – kleiner bis großer Leistungsbereich Brennstoffzellentypen und ihre Anwendungsbereiche * BZ = Brennstoffzelle Die Wahl des Elektrolyten beeinflusst die Anforderung an den Brennstoff und das Oxidationsmittel, die Betriebstemperatur sowie die Bauweise der Brennstoffzelle. 85 Typ Brennstoff Oxidationsmittel Aggregatszustand Art der Ionen- des Elektrolyten leitung durch den Betriebstemperatur Elektrolyten AFC PE(M)FC PAFC Brennstoffzellen in Heizungsanlagen H2 rein H2 rein H2 Luft + H2 (ohne CO2) Luft (ohne CO) Luft (ohne CO) fest OH– etwa 70 °C fest + etwa 80 °C + etwa 200 °C H flüssig in Matrix H etwa 650 °C etwa 700-1'000 °C MCFC CH4, H2, CO Luft + CO2 geschmolzen CO32– SOFC CH4, H2, CO Luft fest O2– Fig. 3-29 Brennstoff, Oxidationsmittel und Betriebstemperaturen für verschiedene Brennstoffzellentypen Momentan laufen einige vielversprechende Feldversuche mit BrennstoffzellenHeizgeräten die mit Erdgas betrieben werden (z.B. Sulzer Hexis) in Deutschland, der Schweiz und anderen europäischen Ländern. Die eingesetzten Heizgeräte bestehen aus der eigentlichen Brennstoffzelle mit 1 kW elektrischer und 2,5 kW thermischer Leistung, einer integrierten Gastherme für den Zusatzbedarf an Wärme und einem Pufferspeicher für Warmwasser. Insgesamt kann damit der gesamte Wärmebedarf und der Stromgrundbedarf eines Einfamilienhauses abgedeckt werden. Die Feldversuche erfolgen in Zusammenarbeit mit Stadt- und Elektrizitätswerken, die diese Anlagen im „Contracting“ anbieten. Dabei wird das Heizgerät beim Kunden installiert und betrieben und die bezogenen Leistungen über einen festgesetzten Kilowattstundenpreis verrechnet. Die derzeit betriebenen Pilotanlagen arbeiten noch nicht wirtschaftlich. Bis etwa 2010 soll dies aber möglich werden. 1 3 2 Fig. 3-30 1 2 3 86 1 3 2 Brennstoffzellen-Heizgerät – Außenansicht und Schnittmodell (Quelle Sulzer Hexis) Brennstoffzellen-Stapel Wärmespeicher Regelgerät 3.3.7 Was ist Fernwärme? Fernwärmeanschluss Fernwärme ist thermische Nutzenergie, die zentral bereitgestellt und mit Hilfe eines Wärmeträgers und eines Rohrleitungssystems großräumig verteilt wird. Als Wärmeträger wird meist Heißwasser oder Wasserdampf verwendet. Fernwärme-Versorgungssysteme sind dadurch gekennzeichnet, dass Quartiere, Städte oder Regionen durch eine oder einige wenige leistungsfähige Wärmequellen versorgt werden. Eine weitere Eigenart dieses Systems ist, dass der Eigentümer der Wärmequellen und der Verteilnetze in der Regel nicht gleichzeitig Eigentümer der mit Wärme belieferten Bauten ist. Eine Fernwärmeversorgung (Fig. 3-31) umfasst im Wesentlichen vier Anlageteile: die Wärmequelle (1), das Verteilnetz (2) mit Transportleitung und Ortsnetzen, die Übergabestation (3) mit Absperr-, Regel-, Mess- und Sicherheitseinrichtungen und die Abnehmeranlage (4) für Raumheizung, Warmwasserversorgung und andere Wärmeverbraucher. 1 2 Q1 B Q2 ΔQ12 Fig. 3-31 1 2 3 4 3 4 Q3 ΔQ23 B16-17 Fernwärmenetz mit den vier wesentlichen Anlageteilen Wärmequelle Verteilnetz Übergabestation Abnehmeranlage 3.3.7.1 Wärmequellen Fernwärme wird hauptsächlich in Heizkraftwerken mit Wärme-Kraft-Kopplung erzeugt. Eine große Bedeutung hat auch die Abwärmenutzung aus Kernkraftwerken oder industriellen Prozessen erlangt, insbesondere jene der Müllverbrennung. Eine spezielle Art der Abwärmenutzung ist die sogenannte kalte Fernwärme aus Abwasser-Reinigungsanlagen. Das noch lauwarme, gereinigte Abwasser wird über eine Fernleitung einer Nahwärme-Versorgungszentrale zugeführt, wo es einer Wärmepumpe als Wärmequelle dient, wodurch diese mit einer relativ hohen Leistungszahl betrieben werden kann. Eigentliche Heizwerke, die mittels fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle) ausschließlich Fernwärme erzeugen, sind z.B. in den USA und in Japan zu finden. 87 3.3.7.2 Wärmetransport und -verteilung Der Wärmetransport zwischen der Wärmequelle und den Wärmeverbrauchern erfolgt über das Fernwärme-Verteilnetz. Dies ist ein geschlossenes, unter Druck stehendes Zirkulationssystem aus wärmegedämmten Rohren. Während der Wärmeträger Dampf durch Expansion von der Wärmequelle zu den Verbrauchern gelangt, benötigt das Heißwassernetz dazu Umwälzpumpe. Gebräuchliche Netzstrukturen (Fig. 3-32) sind das Strahlennetz (a), das Ringnetz (b) und das vermaschte Netz (c). Das Strahlennetz ist einfach, übersichtlich und verhältnismäßig billig, aber auch anfälliger auf Leitungsunterbrüche als die redundanten Ring- und Maschennetze. Letztere sind allerdings erheblich teurer, so dass häufig selektiv vorgegangen wird und dabei Mischstrukturen entstehen. Strahlennetze sind vorwiegend in Nahwärmeversorgungen, Ring- und Maschennetze eher in echten Fernwärmenetzen zu finden. 1 a) 1 1 b) 1 1 c) Fig. 18 Fig. 3-32 a) b) c) 1 Fernwärme-Verteilnetze Strahlennetz Ringnetz Maschennetz Heizwerke Wie die Leitungen verlegt werden, hängt von der Topographie, den örtlichen Verhältnissen und den Bodenverhältnissen ab. Es sind zahlreiche Verlege-Systeme für Fernheizleitungen entwickelt worden, von denen jedes Vor- und Nachteile hat. Um die Verteilverluste möglichst klein zu halten, ist das ganze Verteilnetz isoliert. Die Vorlauftemperatur wird, wenn dies möglich ist, in Funktion der Außentemperatur gleitend gefahren. Durch optimale Fliessgeschwindigkeiten und eine große Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf werden minimale Gesamtkosten des Verteilnetzes angestrebt. 88 3.3.7.3 Übergabestation Die Übergabestation ist das Bindeglied zwischen der Abnehmeranlage der einzelnen Verbraucher und dem Verteilnetz. Aufgrund der Art des Anschlusses wird zwischen der direkten und der indirekten Einspeisung unterschieden (Fig. 3-33). Bei der direkten Einspeisung gelangt der im Verteilnetz zirkulierende Wärmeträger über eine Übergabestation direkt in den Heizkreislauf der Abnehmeranlage. Dies ist eine verhältnismäßig kostengünstige und auch platzsparende Anschlussart. Sie wird dann angestrebt, wenn eine hydraulische Abtrennung zwischen Primär- und Sekundär-Kreislauf nicht erforderlich ist und die Druckschwankungen im Verteilnetz beherrschbar sind. Sie wird hauptsächlich in der Nahwärmeversorgung mit Strahlennetzen angewandt. Bei der indirekten Einspeisung sind Abnehmeranlage und Verteilnetz mittels eines Wärmeübertragers hydraulisch vollständig voneinander getrennt. Verteilnetz und Abnehmeranlage sind somit auch druckmäßig voneinander unabhängig, was sich vorteilhaft auf Auslegung und Betrieb der Verteilnetze auswirken kann. Diese Variante ist etwas teurer, benötigt mehr Platz und ist wegen der unvermeidlichen Temperaturverluste im Wärmeübertrager thermodynamisch ungünstiger. Diese Nachteile sind aber mit der neuen Platten-Wärmeübertrager-Technologie unbedeutend geworden. Der Ausbaustandard dieser Übergabestationen richtet sich nach den Bedürfnissen der Netzbetreiber und Abnehmer. Es gibt heute zahlreiche erprobte, industriell gefertigte Kompaktlösungen (OEM-Produkte), die das ganze Komfortspektrum abdecken. 2 3 1 a) A B C 3 2 1 b) A Fig. 3-33 4 C Fig. 19 Übergabestationen (Beispiele) a) mit direkter Einspeisung b) mit indirekter Einspeisung; A B C 1 2 3 4 Verteilnetz Übergabestation Abnehmeranlage Wärmezähler Druckregler Temperaturregelung Wärmeübertrager 89 Aufgabe 3.4 Wichtige Komponenten 3.4.1 Pumpen In Heizungsanlagen hat die Pumpe die Aufgabe, die Verbraucher mit den notwendigen Wassermengen zu versorgen. Dabei müssen die Druckverluste, die durch Rohrleitungen, Formteile und Regelventile entstehen, überwunden werden. Es werden hauptsächlich Kreiselpumpen eingesetzt, bei denen über den Motor dem Laufrad kinetische Energie zugeführt wird, die am Pumpenausgang in Druckenergie umgewandelt wird. Fig. 3-34 Pumpenkennlinie Umwälzpumpe und eingebaut in einer Heizungsanlage 3.4.1.1 Pumpen- und Anlagekennlinie Die Charakteristik des Pumpenverhaltens wird mit der Pumpenkennlinie angegeben. Sie stellt die Förderhöhe (Δp, H) in Funktion der geförderten Wassermenge dar, d.h. H = f(V& ) . Je nach Anwendung werden Pumpen mit unterschiedlicher Charakteristik, d.h. Kennlinie eingesetzt. In Heizungsanlagen werden üblicherweise Pumpen mit fallenden Kennlinien verwendet (vgl. 1, 2 in Fig. 3-35). Diese Charakteristik entspricht dem typischen hydraulischen Verhalten, sofern nicht regelnd in die Betriebsweise der Pumpe eingegriffen wird. Es wird dabei zwischen einer steilen und einer flachen Kennlinie unterschieden. Durch Regelung der Drehzahl lassen sich horizontale Kennlinien (3) oder gar steigende Kennlinien (4) erreichen. Δp, H 1 2 3 4 . V Fig. 3-35 1 2 90 Pumpenkennlinien steil fallende Kennlinie flach fallende Kennlinie 3 4 horizontale Kennlinie (drehzahlgeregelt) steigende Kennlinie (drehzahlgeregelt) Anlagenkennlinie Die Förderhöhe der Pumpe richtet sich, wie zuvor schon erwähnt hauptsächlich nach den zu überwindenden Widerständen. Diese sind für die meisten Anlagen näherungsweise quadratisch abhängig vom Förderstrom V& , es gilt deshalb: Δp ≈ V& 2 In der Darstellung in einem Δp, V& -Diagramm entspricht dies einer Parabel durch den Nullpunkt. Für eine bestimmte Anlage kann diese Parabel aus den Berechnungswerten für den Auslegungszustand aufgezeichnet werden. Durch hydraulische Eingriffe im Netz (z.B. Regelventil schließt) wird diese Anlagenkennlinie steiler (vgl. Fig. 3-36). Δp 3 1 2 . V Fig. 3-36 1 2 3 Drehzahlregelung – warum? Betriebspunkt einer Pumpe aus Anlagenkennlinie und Pumpenkennlinie Pumpenkennlinie (bei einer bestimmten Drehzahl n) Anlagekennlinie im Auslegezustand Anlagekennlinie verändert durch zusätzlichen Widerstand Aus Fig. 3-37 ist ersichtlich, dass die Förderhöhe entlang der Pumpenkennlinie n1 von Δp1 auf Δp2 ansteigt, wenn der in der Anlage geförderte Volumenstrom z.B. auf 50 % reduziert wird (Betriebspunkt verschiebt sich von 1 nach 2). Im Extremfall kann die Förderhöhe sogar bis auf die sogenannte Nullförderhöhe H0 ansteigen, wenn der Volumenstrom 0 wird. Diese Überlegungen gelten für Anlagen mit mengenvariablen hydraulischen Schaltungen. Auf Grund der Anlagekennlinie (I) ist aber auch klar, dass die effektiv notwendige Förderhöhe viel tiefer liegt, nämlich bei Δp3. Dieser Betriebspunkt (3) liegt auf einer anderen Pumpenkennlinie mit einer tieferen Drehzahl n2. Interessant werden diese Überlegungen in Zusammenhang mit der Leistungsaufnahme der Pumpe. Diese verhält sich, ähnlich wie zuvor der Druckverlust, entsprechend einer Gesetzmäßigkeit. Dabei gilt für die meisten Anlagen, dass die Leistungsaufnahme näherungsweise mit der dritten Potenz vom Förderstrom V& (resp. der Drehzahl) abhängig ist: P ≈ V& 3 91 Beispiel: Volumenstrom 50 % Daraus ergibt sich bei einer Reduktion des geförderten Volumenstroms auf 50 %, eine Reduktion der Leistungsaufnahme auf rund 12,5 %, d.h. 1/8 der ursprünglich notwendigen Leistung. Dieser Wert ist natürlich rein theoretisch, denn es müssen auch noch andere Faktoren wie z.B. Wirkungsgrad des Antriebs und vor allem auch der an den Verbrauchern effektiv notwendige Vordruck mitberücksichtigt werden. Realistisch lässt sich die Leistungsaufnahme auf ca. 50...30 % der ursprünglichen Leistungsaufnahme reduzieren, was in Anbetracht der Betriebszeiten der Pumpe trotzdem zu einer beträchtlichen Einsparung führen kann. Die erreichbare Drehzahlabsenkung ist auch abhängig von der Charakteristik der Pumpenkennlinie. Pumpen mit steil abfallenden Kennlinien sind besser geeignet, als solche mit flachen Kennlinien. Δp 2 Δp2 I Δp1 1 n1 Δp3 3 n2 Fig. 3-37 I 1 2 3 . V Betriebspunkte bei halbem Volumenstrom Anlagekennlinie Betriebspunkt im Auslegezustand Betriebspunkt bei halbem Volumenstrom und ungeregelter Pumpe Betriebspunkt bei halbem Volumenstrom und notwendiger Förderhöhe 3.4.2 Stellgeräte Das Stellgerät besteht aus Stellglied und Stellantrieb. Es hat die Aufgabe, so in den Volumenstrom zwischen Wärmeerzeuger und Wärmeverbraucher einzugreifen, dass die Wärmeabgabe zwischen 0 und 100 % verändert wird. Jedes Stellglied hat ein Regeltor, das mehr oder weniger offen sein kann – oder auch nur offen oder geschlossen. Als Stellglied kommen Hähne (Drehbewegung) oder Ventile (Hubbewegung) zum Einsatz. Bei den Ventilen wird unterschieden zwischen: • Durchgangsventil • Dreiwegventil 92 Fig. 3-38 Durchgangsventil (Gewinde); Dreiwegventil (Flansch) jeweils mit Antrieben Durchgangsventil Beim Durchgangsventil wird durch eine Hubänderung der Strömungsquerschnitt verringert oder vergrößert. Daraus resultiert ein mengenvariabler Volumenstrom. Dreiwegventil Das Dreiwegventil hat ein mengenkonstantes Ventiltor. Je nach dem, ob das Ventil als Misch- oder Verteilventil eingebaut ist, ergibt sich ein anderes Resultat einer Hubänderung. Mischen: Der austretende Volumenstrom bleibt konstant; er wird aus zwei mengenvariablen Strömen zusammengemischt (siehe Bild unten, rechts). Verteilen: Ein mengenkonstanter Eintrittsvolumenstrom wird in zwei mengenvariable Austrittströme aufgeteilt. (Hinweis: Nicht alle Dreiwegventile sind geeignet zum Einbau als Verteilventil). Durchgangsventil Dreiwegventil Fig. 3-39 Durchgangs- und Dreiwegventil (Schnittbild) als mögliche Stellglieder (Torbezeichnung anders je nach Fabrikat, z.B. A, B, AB) 3.4.3 Abgleichdrossel Mit Abgleichdrosseln in mengenkonstanten Teilen von hydraulischen Schaltungen kann die Anlage bei der Inbetriebnahme auf den berechneten Nennvolumenstrom eingestellt werden. Hydraulischer Abgleich Diesen Vorgang nennt man den hydraulischen Abgleich. Er ist eine wichtige Voraussetzung für das einwandfreie Funktionieren einer Anlage. 93 Fig. 3-40 Heizgruppen mit eingebauten Abgleichdrosseln (im mengenkonstanten Schaltungsteil; grau hinterlegt) 3.4.4 Sicherheitstechnische Ausrüstung Strangregulierventil Je nach Art der Heizungsanlage müssen verschiedene sicherheitstechnische Komponenten eingebaut werden. Die wichtigsten sind: • • • • Sicherheitstemperaturwächter Sicherheitstemperaturbegrenzer Sicherheitsventil Ausdehnungsgefäß 3 1 2 4 Fig. 3-41 1 2 3 4 Sicherheitseinrichtungen in einer Warmwasserheizung mit geschlossenem Ausdehnungsgefäß Sicherheitstemperaturwächter (STW) Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) Sicherheitsventil Ausdehnungsgefäß Welche sicherheitstechnischen Komponenten eingebaut werden müssen, wird in entsprechenden Vorschriften und Richtlinien vorgegeben (je nach Land etwas unterschiedlich), z.B. Zusammenstellung der maßgebenden DIN Normen (für D). 94 Wärmeerzeugungsanlage Norm Offene und geschlossene, physikalisch abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen mit Vorlauftemperaturen bis 120 °C DIN 4751 Teil 1 Geschlossene thermisch abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen mit Vorlauftemperaturen bis 120 °C DIN 4751 Teil 2 Heißwasserheizungsanlagen mit Vorlauftemperaturen über 110 °C (Absicherung von Drücken über 0.5 bar) soweit sie nicht unter DIN 4751-2 fallen DIN 4752 Gruppe 1a: Absicherung einer höchstzulässigen Vorlauftemperatur von 130 °C durch Druckbegrenzungseinrichtungen mit einem Ansprechdruck von maximal 1.5 bar, Produkt aus Wasserinhalt [m3] x Betriebsdruck [bar] < 10 Gruppe 1b: Absicherung einer höchstzulässigen Vorlauftemperatur von 130 °C durch Temperaturbegrenzungseinrichtungen mit einem Ansprechdruck von maximal 1.5 bar, Produkt aus Wasserinhalt [m3] x Betriebsdruck [bar] < 10 Gruppe 2: Alle übrigen Heißwasserheizungsanlagen mit Temperaturen über 110 °C Hausstationen zum Anschluss von HeißwasserFernwärmenetzen DIN 4747 Teil 1 Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser bis 95 °C DIN 4753 Teil 1 Sicherheitstemperaturwächter Sicherheitstemperaturwächter (STW) unterbrechen die Energiezufuhr bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes. Die Rückstellung erfolgt selbsttätig, wenn der Temperaturgrenzwert unterschritten, bzw. wenn der auslösende Fehler behoben ist. Sicherheitstemperaturbegrenzer Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) sind Temperaturbegrenzer, die bei Erreichen des Temperaturgrenzwertes die Anlage (Brenner) ausschalten. Eine Rückstellung muss vor Ort geschehen (manuell, teilw. mit Werkzeug) und kann erst erfolgen, wenn die Störung (Auslöser) behoben und der Grenzwert unterschritten ist. Fig. 3-42 Sicherheitstemperaturwächter und Sicherheitstemperaturbegrenzer für Einbau in Heizkessel 95 Sicherheitsventil Sicherheitsventile sind Armaturen, die durch selbsttätiges Öffnen gegen den Atmosphärendruck die Überschreitung eines vorgegebenen Druckes verhindern. Sie müssen imstande sein, im Notfall die gesamte Heizleistung des Wärmeerzeugers in Form von Heißwasser und Dampf abzulassen. Die Anschlussleitungen sollen möglichst kurz gehalten werden und keine nennenswerten Widerstände (z.B. Bogen) enthalten. Die Leitung, die das Heißwasser resp. den Dampf abführt, soll so geführt werden, dass sich die Austrittsöffnung in einem Bereich befindet (z.B. hinter Heizkessel, in Bodennähe, ... ) die Personen, die sich in Kesselnähe aufhalten, nicht gefährdet. 1 2 Fig. 3-43 Ausdehnungsgefäß Sicherheitsventil; Schnittbild und eingebaut (1) in einer Anlage mit Abblasleitung (2) Jede Warmwasserheizung benötigt zur Aufnahme der Wasserausdehnung infolge der Erwärmung ein Dehnungspolster, das durch ein Ausdehnungsgefäß geschaffen wird. Die Größe dieses Gefäßes richtet sich nach dem Wasserinhalt der gesamten Heizungsanlage. Heute werden geschlossene Anlagen meistens mit sogenannt „tiefliegenden“ Ausdehnungsgefäßen gebaut, die folgende Vorteile bieten: • leichte und preisgünstige Montage • kein Sauerstoffeintritt ins System und demzufolge keine Korrosion – wenn das Gefäß richtig dimensioniert ist • keine Einfriergefahr für sicherheitstechnische Einrichtungen • Fortfall langer, kostenaufwändiger und wämeverlustempfindlicher Sicherheitsleitungen Die Errichtung solcher Anlagen ist an verschiedene Bedingungen und Vorschriften (je nach Land) gebunden. Ausdehnungsgefäße gibt es in 2 verschiedenen Bauarten: • Halbmembran-Druckausdehnungsgefäß (für kleinere Anlagen) • Druckausdehnungsgefäß mit Vollmembran Funktionsweise Die Ausdehnungsgefäße enthalten eine besonders gasdichte Blasenmembrane (vgl. Fig. 3-44). Sie unterteilt das Gefäß in einen Gas- und einen Wasserraum. Das Gas befindet sich außerhalb der Blase, das Blaseninnere ist mit dem Gefäßanschlussrohr verbunden und nimmt das Ausdehnungswasser der Anlage auf. Das Gefäß wird mit einem Vordruck versehen. Bei Temperaturanstieg in der Anlage dringt das entstehende Wassermehrvolumen gegen den Gasdruck in die Blase ein. Bei Abkühlung und damit verbundener Volumenschrumpfung stellt der auf die Blasenwandung wirkende Gasdruck sicher, dass der Anlage genügend Wasser zugeführt wird. Je nach Fabrikat, besteht das Druckpolster aus Stickstoff oder komprimierter Luft. 96 Zwischengefäß Die Membranen (Elastomere) altern bei höheren Temperaturen schneller. Darum wird oft ein separates Zwischengefäß eingebaut, in dem das Anlagenwasser zuerst abkühlen kann, bevor es ins Ausdehnungsgefäß gelangt. Fig. 3-44 Druckhalteanlage Druckausdehnungsgefäß mit Vollmembrane (links) Druckhalteanlage mit aufgebautem Kompressor und Steuergeräten (rechts) (Quelle Pneumatex) In Anlagen mit großem Wasserinhalt und wo die Druckdifferenz zwischen statischem und höchstem Betriebsdruck möglichst gering gehalten werden soll, sind sogenannte Druckhalteanlagen zweckmäßig. Der Gegendruck des Gaspolsters wird hier über Kompressoren gesteuert, so dass das Ausdehnungswasser ungehindert, d.h. ohne den wachsenden Gegendruck wie bei einem stationären Gaspolster, leichter eingebracht werden kann. Solche Anlagen werden oft als betriebsfertige Baueinheiten geliefert, d.h. Kompressor, Schaltgeräte und Armaturen sind gleich am Gefäß angebracht. 2 3 1 Fig. 3-45 4 Druckhalteanlage (1) mit aufgebautem Kompressor (2) und vorgeschaltetem Zwischengefäß (3) Druckausdehnungsgefäß (4) für eine kleinere Anlage 97 3.5 Verteiler In der Praxis sind es meist mehrere Verbraucher, die von einem Erzeuger versorgt werden. Der Verteiler wird als Bindeglied zwischen der Erzeugerseite und mehreren Verbrauchern eingebaut. Er verteilt das Wasser im Vorlaufverteiler auf die verschiedenen Verbraucher und sammelt im Rücklaufsammler das Wasser aller Verbraucher. Fig. 3-46 Verteiler als Bindeglied zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite Die Verbraucher- und die Erzeugerseite stellen gewisse Anforderungen an den Verteiler, z.B. Druckverhältnisse, konstanter oder variabler Durchfluss, notwendige Vor- und Rücklauftemperaturen, ... . Um all diese Bedingungen zu erfüllen, sind verschiedene Verteilertypen erforderlich. 3.5.1 Verteilertypen Verteiler können wie folgt eingeteilt werden: VERTEILER Hauptpumpe ohne Hauptpumpe (Typ 1) Druckverhältnisse am Verteiler Volumenstrom über Erzeuger Rücklauftemperatur zum Erzeuger mit Hauptpumpe druckbehaftet variabel tief variabel (Typ 2) druckarm (Typ 4) konstant (Typ 3) konstant hoch Der Verteiler kann nicht für sich alleine betrachtet werden. Es ist wichtig, dass die zum Verteilertyp passenden Verbraucherschaltungen eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, dass Verbraucherschaltungen mit gleichem (oder ähnlichem) Verhalten eingesetzt werden. 98 3.5.1.1 Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1), für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung Fig. 3-47 Verteiler ohne Hauptpumpe für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung Ventile der Verbrauchergruppen geschlossen (links) und offen (rechts) Eigenschaften: • Rücklauftemperatur tief (zwischen kalt und Verbraucher-Rücklauf) • Volumenstrom variabel über Erzeuger, konstant über Verbraucher • starke gegenseitige Beeinflussung der Verbrauchergruppen (d.h. jede größere Veränderung in einer Gruppe führt zu Druckveränderungen am Verteiler deren Auswirkungen auf die anderen Gruppen von diesen ausgeregelt werden müssen) • Gefahr von Fehlzirkulation, wenn z.B. Trinkwarmwasserladung am Verteilerende • Gruppenpumpen müssen anteilsmäßig den Druckverlust im Erzeugerkreis übernehmen Einsatzgebiet: • Erzeuger, die tiefe Rücklauftemperatur erfordern (z.B. kondensierender Heizkessel) • Speicher 99 3.5.1.2 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2), für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Δp Fig. 3-48 Δp Verteiler mit Hauptpumpe für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Eigenschaften: • Rücklauftemperatur tief (Verbraucher-Rücklauf) • Volumenstrom variabel über Erzeuger Einsatzgebiet: • Boilerladungen • Zubringer in Fernleitungsnetz (z.B. Nahwärmeverbund) 3.5.1.3 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3), für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegventil A Fig. 3-49 100 Verteiler mit Hauptpumpe für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Ventile der Verbrauchergruppen geschlossen (links) und offen (rechts) Eigenschaften: • Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und annähernd Erzeuger-Vorlauf) • Volumenstrom konstant über Erzeuger • Hauptpumpe muss beim Einsatz von Verteilschaltungen (Umlenkschaltungen) auch den Druckverlust über den Verbraucher übernehmen • hydraulischer Abgleich ist anspruchsvoll • spätere Erweiterung macht erneuten hydraulischen Abgleich erforderlich Einsatzgebiet: • Erzeuger mit Rücklaufminimalbegrenzung 3.5.1.4 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4), für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in Beimischschaltung Fig. 3-50 Verteiler mit Hauptpumpe für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in Beimischschaltung Ventile der Verbrauchergruppen geschlossen (links) und offen (rechts) Eigenschaften: • Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und ErzeugerVorlauf) • Volumenstrom konstant über Erzeuger • klare hydraulische Entkopplung zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite • benötigt Abgleichdrosseln nur in Verbraucherkreisen (zum Einstellen des Nennvolumenstroms) Einsatzgebiet: • Erzeuger, die eine hohe Rücklauftemperatur erfordern 101 3.5.1.5 Hydraulische Weiche Groß dimensionierte Ausgleichsleitung zwischen Vor- und Rücklauf Bei Mehrkesselanlagen kommen Verteiler mit Hauptpumpe für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss wie unter 3.5.1.4 beschrieben sehr oft zum Einsatz. Dabei wird eine großzügig dimensionierte hydraulische Ausgleichsleitung zwischen Vorund Rücklauf eingebaut, die eine hydraulische Entkopplung zwischen Erzeugerund Verbraucherseite erzielt. Diese Leitungsverbindung sollte, um eine thermische Schichtung zu erreichen, immer senkrecht installiert sein. Sie wird sehr oft „hydraulische Weiche“ genannt. Damit die „hydraulische Weiche“ korrekt funktioniert, sind gewisse Dimensionierungs- und Einbaurichtlinien (VDMA 24 770) zu erfüllen. In einer solchen Anlage können grundsätzlich drei Betriebsphasen (vgl. Fig. 3-51) betrachtet werden: • der Volumenstrom auf der Verbraucherseite ist gleich groß wie der Volumenstrom auf der Erzeugerseite d.h. V& V = V& E ⇒ hydraulische Weiche ist ohne Funktion • der Volumenstrom der Verbraucherseite ist größer als der Volumenstrom auf der Erzeugerseite d.h. V& V > V& E ⇒ die Differenzwassermenge fließt über die hydraulische Weiche vom Verbraucher-Rücklauf in den Verbraucher-Vorlauf • der Volumenstrom der Verbraucherseite V& V ist kleiner als der Volumenstrom auf der Erzeugerseite d.h. ⇒ die zuviel produzierte Wassermenge fließt vom Erzeuger-Vorlauf in den Erzeuger-Rücklauf 4 4 B1 B2 3 5 V& E 5 V& V 1 2 Fig. 3-51 1 2 3 4 5 B1 B2 V& E V& V 102 Mehrkesselanlage in Parallelschaltung mit „hydraulischer Weiche“ hydraulische Weiche Kesselfolgeregler Regelfühler Kesselthermostaten Regelung der Kesseleintrittstemperatur Heizkessel 1 Heizkessel 2 Volumenstrom der Erzeugerseite Volumenstrom der Verbraucherseite 3.6 Verteilsysteme für Heizkörper 3.6.1 Schwerkraftsystem Der Heizkessel liegt am tiefsten Punkt des Systems (Fig. 3-52). Das erwärmte Heizwasser hat eine geringere Dichte (ist leichter) als das abgekühlte Rücklaufwasser und steigt deshalb im Vorlauf von selbst hoch. Es ist keine Pumpe notwendig. Da die Druckdifferenz gering ist, sind Rohrleitungen mit großem Durchmesser nötig. Damit die Zirkulation beim Anfahren in Gang kommt, dürfen im System möglichst keine oder nur vereinzelte unbedeutende „Siphons“ vorkommen. Fig. 20 Zweirohrsystem mit oberer Verteilung Fig. 3-52 Schwerkraft-Verteilsystem mit unterer Verteilung und offenem Ausdehnungsgefäß 3.6.2 Pumpensysteme Bei diesem System (Fig. 3-53) liegt die Vorlauf-Verteilleitung über den höchsten Heizkörpern. Bei Schwerkraftsystemen kommt dadurch die Zirkulation beim Aufheizen rascher in Gang. 1 Fig. 21 Fig. 3-53 Zweirohrsystem mit oberer Verteilung und zentralem Entlüftungsgefäß (1) Beim Einsatz einer Umwälzpumpe kann nebst der Vorlaufleitung auch die Rücklauf-Sammelleitung über den höchsten Heizkörpern liegen. In diesem Fall muss jedoch die Pumpenförderhöhe ausreichen, um beim Anheizen das Wasser aus dem „Kaltwassersack“ hinauszudrücken. Zweirohrsystem mit unterer Verteilung Dies ist das häufigste System. Vor- und Rücklaufleitungen sind unter der Kellerdecke verlegt. Die Heizkörper werden an die senkrechten Stränge angeschlossen. Fig. 3-54 zeigt die Verteilung mit senkrechten Verteilsträngen. Diese ist baulich meist einfach zu realisieren. 103 2 1 3 1 Fig. 22 Fig. 3-54 1 2 3 Zweirohrsystem mit unterer Verteilung (linke Seite mit örtlicher Entlüftung, rechte Seite mit zentraler Entlüftung) örtliche Entlüftung zentrales Entlüftungsgefäß Luftleitungen Bei einer Verteilung pro Stockwerk mit waagrechten Strängen kann jede Wohnung oder jedes Stockwerk mit einem separaten Wärmezähler ausgerüstet werden. Die Anwendung von Kupfer- oder Weichstahlrohren erlaubt das Verlegen im Unterlagsboden über der tragenden Decke. Allerdings reicht dann der Platz für eine wirkungsvolle Isolierung nicht aus. Höhere Pumpenleistungen sind notwendig, damit der Rohrdurchmesser im Unterlagsboden möglichst klein gehalten werden kann. Tichelmann-System Die Rohrleitungen werden so geführt, dass für jeden Heizkörper der gesamte Kreislauf gleich lang ist. Dadurch herrschen für jeden Heizkörper die gleichen hydraulischen Druckverhältnisse. Fig. 3-55 Zweirohr-System mit Normalverlegung (links) und Tichelmann-Rohrführung (rechts) Auch mehrere Heizkessel oder Warmwasserspeicher werden nach Tichelmann angeschlossen. Besonders wichtig ist diese Anschlussart bei Sonnenkollektoren. 104 Einrohrsystem Einrohrsysteme bestehen aus Ringleitungen, an welche die Heizkörper im Nebenschluss mit ihrem Vor- und Rücklauf angeschlossen sind. Auf diese Weise zirkuliert das Heizwasser auch dann weiter in der Ringleitung, wenn einzelne Heizkörper ganz abgesperrt sind. Ähnlich wie beim Zweirohrsystem kann eine Einrohrheizung als senkrechtes System oder als waagrechtes System gebaut werden. Das senkrechte System mit oberer Verteilung wird manchmal bei Hochhäusern angewandt. Es erlaubt eine rationelle Montage. Das waagrechte System ist anpassungsfähig an den Baukörper und erlaubt den Einsatz individueller Wärmezähler. Die senkrechten Hauptstränge werden z.B. im Leitungsschacht der Sanitärräume verlegt. Die daran angeschlossenen Ringleitungen werden im Unterlagsboden oder unter Fußleistenabdeckungen geführt. Fig. 3-56 Einrohrheizung mit waagrechter Verteilung in einem Bürogebäude Fig. 3-57 Einrohrheizung mit waagrechter Verteilung in einem Mehrfamilienhaus 105 3.6.3 Stockwerksheizung Bei der Stockwerksheizung hat jedes Stockwerk oder jede Wohnung ihren eigenen Wärmeerzeuger, meist ein Gas-Durchflusserwärmer mit werkseitig eingebauter Umwälzpumpe und Ausdehnungsgefäß. Die Verteilleitungen zu den Heizkörpern können im Unterlagsboden oder hinter Sockelleisten verlegt werden. 3.7 Wärmeabgabe bei WarmwasserZentralheizungen 3.7.1 Heizkörper 3.7.1.1 Grundsätzliches zur Wärmeabgabe Jeder Heizkörper gibt die Differenz zwischen dem mit dem Wasser zufließenden und dem wegfließenden Wärmestrom teilweise durch Strahlung und teilweise durch Konvektion (d.h. Wärmetransport mit bewegter Luft) an seine Umgebung ab. Wie groß die Anteile der Wärmeabgabe durch Strahlung und durch Konvektion eines freistehenden Heizkörpers sind, hängt von seiner Form ab. Fig. 3-58 Wärmeabgabe von Heizkörpern links: vorwiegend durch Strahlung (Heizwand) Mitte: durch Strahlung und Konvektion (Radiator) rechts: vorwiegend durch Konvektion (Konvektor) Die Wärmeabgabe eines Heizkörpers sollte möglichst unbehindert erfolgen können. In der Praxis wird sie jedoch durch eine Reihe von Einflüssen vermindert (siehe 3.7.1.2). In solchen Fällen muss deshalb die mittlere Heizkörpertemperatur – also im Normalfall die Vorlauftemperatur – erhöht werden, um diese Einflüsse zu kompensieren. (Normwärmeleistung von Heizkörpern: siehe DIN 4703) Verkleidung 3.7.1.2 Einflüsse auf die Wärmeabgabe eines Heizkörpers Heizkörperverkleidungen, Abdeckungen, Vorhänge oder Möbel verkleinern die Luftströmung um den Heizkörper und somit seine konvektive Wärmeabgabe sowie seine Wärmeabgabe durch Strahlung. Einbau Werden die vom Hersteller angegebenen Wand-, Boden- und FensterbrettAbstände unterschritten, so kann die Wärmeabgabeleistung 15 % oder mehr sinken. Anschlussart Wird ein Heizkörper nicht in üblicher Weise (Vorlauf oben, Rücklauf unten) angeschlossen, so kann die Minderleistung bis zu 25 % betragen. Luftdichte Einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeabgabe eines Heizkörpers hat die Luftdichte und damit auch die Meereshöhe. Die Minderleistung beträgt pro 1'000 m ü.M. etwa 5 %. Anstrich Helle oder dunkle Farben spielen keine Rolle. Einzig beim Anstrich mit Metallbronze vermindert sich die Wärmeabgabe um etwa 10 % (gemäß anderer Quelle bis zu 25 %). 106 3.7.2 Systeme Fußbodenheizungen Auf dem Markt wird eine große Anzahl unterschiedlicher FußbodenheizungsSysteme angeboten. Je nach Fabrikat werden die Rohre kreisförmig oder schlangenförmig im Boden verlegt (vgl. Fig. 3-59). Angestrebt wird eine möglichst gleichmäßige Oberflächentemperatur und nötigenfalls eine verstärkte Beheizung der Randzone entlang der Außenwände durch engere Rohrabstände. Fußbodenheizungen sind typische Niedertemperatur-Heizsysteme und können deshalb sehr wirtschaftlich mit Niedertemperatur-Heizkesseln, Wärmepumpen oder Sonnenenergie betrieben werden. Sie werden außerdem als sehr behaglich empfunden und deshalb vor allem in Wohnbauten und – als Grundlastheizung – in Hotelzimmern eingesetzt. Fig. 3-59 Fußbodenheizung mit Anschlusskasten (im Hintergrund) Fußbodenheizung oder Niedertemperatur-Heizkörper? In gut wärmegedämmten Gebäuden haben die Argumente zugunsten der Fußbodenheizung bezüglich Behaglichkeit und Energieverbrauch nicht mehr ihre frühere Bedeutung. Einerseits liegt die Oberflächentemperatur des beheizten Fußbodens nur noch wenig über der Raumlufttemperatur. Andererseits liegt die raumseitige Oberflächentemperatur der Außenbauteile (Wände, Fenster) nur wenig unter der Raumlufttemperatur und gewährleistet eine genügende thermische Behaglichkeit auch ohne Fußbodenheizung. Vor- und Nachteile der Fußbodenheizung Im Vergleich mit den Niedertemperatur-Heizkörpern ergeben sich folgende Vorund Nachteile für die Fußbodenheizung: Vorteile: • besondere Eignung für Wärmepumpen und Solarwärme wegen den tieferen Heizwassertemperaturen (max. 35 °C) und wegen der Wärme-Speicherfähigkeit • weniger Leitungsschlitze und dadurch weniger bauliche Nebenarbeiten • keine Vorhänge vor den Heizkörpern • keine Heizkörper-Platzierungsprobleme Nachteile: • größere Wärmeträgheit und dadurch schlechtere Regelbarkeit • hohe Kosten bei nachträglichen Änderungen oder Reparaturen an den Heizflächen • Einschränkungen bezüglich der Inneneinrichtung (z.B. Teppiche), sowie der flexiblen Raumtrennung 107 3.7.3 Deckenheizung Die Deckenheizung ist das älteste der Flächenheizsysteme. Weil die Wärmeabgabe praktisch nur durch Strahlung (80%) erfolgt, muss die Oberflächentemperatur der Decke, im Vergleich zur Fußbodenheizung relativ hoch sein. In Wohn- und Bürogebäuden war deshalb das Resultat: „Heißer Kopf und kalte Füße“, was als sehr unbehaglich empfunden wurde. Aus dem ursprünglichen System mit einbetonierten Stahlrohren (Anfang 20. Jh.) haben sich die folgenden vier Prinzipvarianten entwickelt (Fig. 3-60): • Rohrdeckenheizung (a) mit im Konstruktionsbeton (Crittall-Heizung) oder in einem Mörtelüberzug eingebetteten Rohren. Betriebstemperaturen max. 55/40 °C und träge Regelbarkeit. • Lamellendeckenheizung (b), kombinierbar mit lufttechnischen Anlagen. Betriebstemperaturen 90/70 °C und weniger träge Regelbarkeit. • Hohlraumdeckenheizung (c), kombinierbar mit lufttechnischen Anlagen. Betriebstemperatur 90/70 °C und weniger träge Regelbarkeit. • Strahlplattenheizung (d), Betriebstemperatur im Heißwasserbereich, über 100 °C. a) b) c) d) Fig. 3-60 a) b) c) d) Fig. 32 Die vier Grundbauarten von Deckenheizungen Rohrdeckenheizung Lamellendeckenheizung Hohlraumdeckenheizung Strahlplattenheizung Heute wird von diesen Systemen praktisch nur noch die Strahlplattenheizung im Industriebereich z.B. Lager-, Fabrik- und Flugzeughallen, eingesetzt. 3.7.4 Wandheizung Eine Wandheizung mit milden Oberflächentemperaturen erfüllt die Bedingungen des thermischen Komforts sehr gut, da eine wesentlich größere Fläche des stehenden oder sitzenden Menschen angestrahlt wird als bei Fußboden- oder Deckenheizung. Die Heizrohre können einbetoniert oder in einem Mörtelüberzug untergebracht werden. Dahinter ist eine ebenso gute Wärmedämmung wie bei einer Fußbodenheizung notwendig, insbesondere bei Außenwänden. Die Wandheizung wird eher selten eingesetzt. 108 3.8 Zentralheizungsanlagen mit Betriebstemperaturen über 100 °C Zentralheizungsanlagen mit Betriebstemperaturen über 100 °C werden für die normale Raumheizung nicht gebaut. Hingegen kommen sie in Frage für • die Nah- und Fernverteilung von Wärme, • die Beheizung großer Hallen, • Prozesswärme in der Industrie. Planung, Montage und Betrieb erfordern besondere Fachkenntnisse. Unter bestimmten Betriebsbedingungen sind behördliche Vorschriften zu beachten, und zum Teil besteht Kontroll- und Überwachungspflicht. 3.8.1 Heißwasserheizung Wird Wasser unter Druck gesetzt, können Temperaturen über 100 °C erreicht werden, ohne dass Dampf entsteht. Als Heißwasserheizung gilt jedes System, bei dem im Heizkessel eine Temperatur von 110 °C erreicht oder überschritten wird. Bedingt durch den Betriebsdruck, der noch Bauteile mit Nenndruck PN 40 zulässt, liegt die oberste Temperaturgrenze bei 230 °C. In der Praxis werden 180 °C jedoch kaum überschritten. Die Heißwasserheizung wird vor allem als Deckenstrahlungsheizung in Fabrikationshallen zur Beheizung der Arbeitsplätze mittels Bandstrahlern oder Strahlplatten eingesetzt. Der Vorteil dieses Systems liegt darin, dass die Luft auf direktem Weg kaum erwärmt wird und deshalb keine Übererwärmung des oberen Hallenbereichs erfolgt. Eine Heißwasserheizung unterscheidet sich von einer normalen Warmwasserheizung durch besondere Sicherheitseinrichtungen und die Speiseeinrichtung. Das Heizwasser kann erwärmt werden in einem • • • • Heißwasserkessel Dampfkessel Dampf-Heißwasser-Umformer Dampf-Heißwasser-Mischkondensator (Rücklaufwasser wird durch Mischung mit Dampf erhitzt) • Elektrodurchflusserwärmer • Elektrokessel mit Elektroden für Hochspannung • Wärmetauscher zur Abwärmeverwertung von Gas- oder Dieselmotoren 3.8.2 Dampfheizung Dampfheizungen werden für Industriebetriebe gebaut, wenn aus produktionstechnischen Gründen Dampf als Prozesswärme benötigt wird. Verfügt ein Industriebetrieb über eine Dampferzeugungsanlage mit umfassendem Verteilnetz, so werden auch die Lufterwärmer und Befeuchter der Klimaanlagen mit diesem Dampf betrieben. Dampf wird auch – wie Heißwasser – als Wärmeträgermedium verwendet, wenn Wärme über große Entfernungen transportiert werden muss. 109 3.9 Betondecken als Wärme-/Kältespeicher und Heiz-/Kühlflächen Bei diesen Systemen wird für die Pufferung von Wärme- und Kältelasten die gebäudeeigene Speicherkapazität genutzt. Gleichzeitig werden die Decken und Wände als Heiz- und Kühlflächen verwendet. Dazu werden Rohrleitungen direkt in die Betondecken des Gebäudes integriert. In den Rohrleitungen zirkuliert Wasser, das je nach Bedarf geheizt oder gekühlt werden kann, um die gewünschte Deckentemperatur zu erreichen. Um die Speicherkapazität nutzen zu können, darf die Deckenunterseite nicht verkleidet sein! Fig. 3-61 Temperiertes Wasser von ca. 18...26 °C TABS – Thermisch aktive Bauteil-Systeme Eingelegte Rohrleitungen zur Temperierung der unverkleideten Geschossdecke (Quelle Zent-Frenger) Bei diesen Systemen wird, im Gegensatz zu herkömmlichen Heiz- und Kühlsystemen, nur mit temperiertem Wasser gearbeitet, d.h. die Wassertemperatur liegt üblicherweise im Bereich von 18 °C (Kühlfall) bis 26 °C (Heizfall). Je besser der bauliche Wärmeschutz, umso gleichmäßiger kann die Temperatur der thermisch aktiven Geschossdecke gehalten werden. In gewissen Gebäuden ergibt sich dadurch sogar die Möglichkeit, dass überschüssige Wärme von einem Gebäudeteil in einen anderen Gebäudeteil „verschoben“ werden kann. Der Wärmeaustausch zwischen der temperierten Geschossdecke und dem Raum erfolgt zu einem großen Teil über Strahlung (ca. 60 %), was die Behaglichkeit im Raum erhöht. Betriebserfahrungen Betriebserfahrungen aus Gebäuden mit thermisch aktiven Bauteilen zeigen, dass die Gebäudebenutzer sehr zufrieden sind und sich wohl fühlen. Allerdings müssen sie gut über das System und sein thermisches Verhalten (z.B. variable Temperatur über den Tagesverlauf) informiert werden und es dauert eine gewisse Zeit, bis sie sich daran gewöhnt haben. Problematisch können in gewissen Räumen die freien Deckenflächen sein, da ohne entsprechende Gegenmaßnahmen starke Halleffekte auftreten können. Nutzung alternativer Wärme- und Kältequellen Auf Grund der moderaten Wassertemperaturen ergibt sich die Möglichkeit zum wirtschaftlichen Einsatz von alternativen Methoden zur Wärme- und Kältegewinnung. So lassen sich beispielsweise das Erdreich oder Grund-/Seewasser als Wärmequelle für den Heizfall nutzen (mit Hilfe einer Wärmepumpe) oder im Kühlfall direkt als Kältequelle resp. Wärmesenke einsetzen. In einigen Gebäuden wird auch, durch Rohrverlegung in Grundpfählen, Bodenplatten oder Schlitz-/Spundwänden, die im Erdreich vorhandene Wärme- resp. Kälteenergie zur Temperierung des Wassers herangezogen. 110 Fig. 3-62 Umschaltbare Wärmepumpe/Kältemaschine Energiepfahl (links) und Energiebodenplatte (rechts) zur Nutzung der Energie im Erdreich (Quelle Zent-Frenger) Elektrisch betriebene Wärmpumpen und Kältemaschinen arbeiten umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen der kalten Verdampferseite und der warmen Kondensatorseite ist. Die annähernd konstant bleibende Temperatur der Wärmequelle (Erdreich ca. 12 °C) spart also einigen Antriebsstrom, wenn die Wärmepumpe im winterlichen Heizbetrieb eingesetzt wird. Kann im Sommer die Abwärme bei der Klimakälteerzeugung an das Erdreich abgegeben werden (vor allem bei hohen Außentemperaturen im Sommer), so sinkt der Strombedarf ebenfalls massiv. Durch die zuvor angesprochenen moderaten Wassertemperaturen bei Systemen mit thermisch aktiven Bauteilen, kann dieser Vorteil voll ausgenutzt werden. Bei richtiger Auslegung der Wärmepumpe sind so Jahresarbeitszahlen von 4,5 bis 5 durchaus realisierbar. 111 4 Kältetechnik 4.1 Einleitung Die Ursachen für die Forderung nach „Kälte“ stammen ursprünglich aus dem Bereich der Lebensmittelversorgung und daher beschäftigt sich der Mensch seit Urzeiten mit dem Thema Kühlung. In mit nassen Tüchern umwickelten Tonbehältern oder in Feldflaschen, wurden Lebensmittel oder die Flüssigkeit im Behälter gekühlt. Das Prinzip: Wärmeentzug durch Verdunstung von Wasser. Technische Kühlung Die uns bekannten anfänglichen Überlegungen zum Thema „Technischen Kühlung“ und somit dem Fachgebiet der „Kältetechnik“ stammen aus dem Jahr 1834, als Jacob Perkins in einer Patentschrift eine Kaltdampfmaschine mit geschlossenem Kreislauf und Äthyläther beschrieben hat. Ca. 40 Jahre später (1876) verwendet Carl Linde erstmals Ammoniak als Kältemittel bei einer Kaltdampfmaschine mit Kolbenverdichter. 1910 tauchen die ersten Haushaltskühlschränke auf und 1930 werden die Kältemittel R 11, R 12, R 13, R 22, R 113 und R 114 entwickelt. Hinter einer Kältemaschine verbirgt sich nichts anderes als der uns allen bekannte Kühlschrank: Funktion: Warme Speisen werden hineingestellt, Wärme wird an ein Transportmedium abgegeben, nach außen geführt (Rückseite) und an die Umgebungsluft abgegeben. Energietransport Den Energietransport übernimmt ein Medium (Kältemittel) welches bei der Wärmeaufnahme verdampft und bei der Wärmeabgabe wieder kondensiert. Aus der Thermodynamik wissen wir, dass Wärme nur von einem Stoff mit höherer, auf einen Stoff mit tieferer Temperatur übergehen kann, und aus der Strömungslehre, dass eine Flüssigkeit nur von einem höheren auf ein tieferes Niveau fließt. Setzt man jedoch eine Pumpe ein, kann eine Flüssigkeit auch von einem tieferen auf ein höheres Niveau strömen. Nach diesem Prinzip funktioniert der Energietransport bei der Kältemaschine bzw. Wärmepumpe. Einsatzgebiete der Kältetechnik Aufgrund des Ursprungs der Kältetechnik unterteilte man die Technik in folgende Bereiche: • Großkälte (industrielle Kälte) • Kleinkälte (kommerzielle Kälte) • Kühlschränke und Truhen (Haushalt Kälte) In diesem Bereich wurden Großanlagen für Brauereien, Schlachthöfe, Kühlhäuser und Eisfabriken sowie Kühlschiffe gebaut. Nach dem ersten Weltkrieg wurde der Bedarf wesentlich größer und man unterteilte die Bereiche in Kälteerzeugung für: Lebensmittel, Verfahrens und Lufttechnik Die verschiedenen Anwendungen und Zuordnungen in diesen Bereichen erklärt nachfolgende Tabelle. Die Markierungen deuten auf die uns eher bekannten Prozesse hin. 112 Lebensmitteltechnik Verfahrenstechnik Lufttechnik - Erzeugung Brauereien Fangschiffe - Chemische Industrie Abführen von Reaktions- und Lösungswärme Auskristallisieren von Salzen Gasverflüssigung und -trennung - Klimatechnik Versammlungsräume Theater, Büro u.s.w. Krankenhäuser Druckereien Schwimmbäder Bergwerke - Transport See Schiene Strasse Luft - Lagerung Kühlhäuser Gefrierlagerhäuser Gewerbliche Kühlzellen - Vertrieb Verkaufstruhen Getränkeautomaten - Haushalt Kühlschränke Tiefkühltruhen - Raffinerien - Kryotechnik (Tieftemperaturbereich) Gewinnen von Edelgasen Supraleittechnologie - Bautechnik Abteufen von Schächten Betonkühlung - Raumfahrt Umweltsimulation Windkanal - Fertigung Materialprüfung Messräume - Medizin Blutbänke Kälteanästhesie - Vakuumtechnik - Seetransport Flüssiggas - Sportarenen Kunsteisbahnen Übersicht: Anwendungsgebiete der „Kältetechnik“ In der Lebensmittelbranche ist die Anwendung der Kältetechnik die beste und gesündeste Methode, Lebensmittel über längere Zeiträume und über verschiedene Klimazonen hinweg frisch zu halten und somit unsere Versorgung sicherzustellen. In der Verfahrenstechnik kann durch die Anwendung der Kältetechnik schneller und preisgünstiger produziert werden. In der Luft-/Klimatechnik ist der Einsatz der Kältetechnik ein wesentlicher Faktor für unser Wohlbefinden an Arbeitsplätzen und in Aufenthaltsräumen allgemein. In der Klimatechnik wird neben der Heizenergie im Winter, für den Sommerzeitraum Kälteenergie zur Kühlung und Entfeuchtung der Luft benötigt. Möglichkeiten der Kälteerzeugung Grundsätzlich lassen sich die Möglichkeiten zur Kühlung in zwei Hauptgebiete einteilen: a) Kühlung mit Oberflächenwasser b) Technische Kühlung mittels Kältemaschine Die Energie- bzw. Wärmerückgewinnung ist ein sehr aktuelles Thema im Bereich der Kältetechnik. 113 4.2 Kühlung mit Oberflächenwasser Grund-, See-, Fluss- oder Leitungswasser mit Temperaturen von ca. 6 – 18 °C steht in ausreichendem Masse fast überall zur Verfügung und würde ausreichen, um Raum- oder Außenluft von wärmer als 20 °C abzukühlen. Aus der Formel Q = m· c · Δϑ oder Q = m · Δh lässt sich ableiten, wie groß die Wassermenge sein muss, um eine entsprechende Menge Luft auf ein tieferes Temperaturniveau zu bringen. Lösungen: Als einfache Möglichkeiten werden Nass- oder Oberflächenkühler eingesetzt. Fig. 4-1 Nasskühler Nasskühler (Verdunstungskühler), Oberflächenkühler 1 Kühlwasserquelle, 2 Nasskühler, 3 Oberflächenkühler Im Nasskühler wird Oberflächenwasser (8 °C) direkt in eine Kammer gesprüht. Die durch diese Kammer geführte (warme) Luft lässt eine Teilmenge des Wassers verdunsten. Die Wärme, die das Wasser zum Verdunsten benötigt, wird der Umgebungsluft entnommen. In Kürze: - Luft kühlt ab und nimmt Feuchtigkeit auf - Wasser verdunstet - der Verdunstungsanteil des Wassers muss nachgeführt werden Oberflächenkühler Im Oberflächenkühler wird Wasser über einen Wärmetauscher im Luftkanal geführt. Die Luft streicht über die (kalte) Oberfläche des Wärmetauschers und wird somit abgekühlt, eventuell entfeuchtet. In Kürze: - Luft kühlt ab - Wasser wird warm und in die Quelle zurückgeführt - Wasser muss ständig nachgeführt werden. In der Wärmepumpentechnik kommt diese Art häufig zur Anwendung (Wasser/ Wasser-Wärmepumpe). Die Energie des Oberflächenwassers wird über den Kältekreislauf an einen Heizkreis abgegeben. (siehe Erklärung „KompressionsKreislauf“). 114 Vor- und Nachteile des Nass- und Oberflächenkühlers: Vorteile: • Einfacher Anlagenaufbau • Energiequelle Wasser immer vorhanden. Nachteile: • Schwankende Wassertemperaturen (außer See-, Grund- oder Brunnenwasser) • Wenn Kühlung benötigt wird (Sommer) ist die Wassertemperatur hoch, d.h. Δϑ ist klein (Q = m · C ·Δϑ). • Verdunstungsprinzip benötigt Wasser • Oberflächenprinzip wärmt Wasser auf. Früher wurde für diese Zwecke häufig Leitungs- oder Brunnenwasser verwendet. Diese Nutzungsart ist jedoch aus ökonomischen und energetischen Gründen nicht empfehlenswert und wird heute selten angewendet. Die Entnahme von Oberflächenwasser bedarf der behördlichen Genehmigung und heute wird im Bereich der Kältetechnik überwiegend die technische Kühlung „Kältemaschine“ zur Erzeugung und Bereitstellung der benötigten Kälteenergie eingesetzt. Aber auch der Einsatz von Kältemaschinen unterliegt aus sicherheitstechnischen und ökologischen Gesichtspunkten gesetzlichen Vorschriften. 115 4.3 Kompressions-Kältemaschinen-Kreisprozess 4.3.1 Aufgabe des Kreisprozesses Im Kompressions-Kältemaschinen-Kreisprozess wird einem zu kühlenden Medium (Luft, Wasser) Wärme entzogen und an ein anderes Medium (ebenfalls Luft oder Wasser) abgegeben. Als Transportmedium werden „Kältemittel“ verwendet. Der Wärmetransport erfolgt durch die Aggregatszustandsänderung des Kältemittels. Wärmepumpe (WP) Bei der „Wärmepumpe“ nutzt man den „technischen Kälteprozess“, um einem Medium Wärme zu entziehen und diese Wärme einem anderen Medium zuzuführen. Beispiel Wasser/Wasser WP Man kühlt eine Wassermenge durch Wärmeentzug ab, um mit dieser entzogenen Wärme eine andere Wassermenge zu erwärmen. In der Heizungstechnik könnte dies konkret bedeuten, dass man Grundwasser von 10 °C auf 5 °C abkühlt, um damit eine Bodenheizung mit 30 °C Rücklauftemperatur und 45 °C Vorlauftemperatur zu betreiben. Einen großen Aufschwung erlebte die Kältetechnik in den 70 – 80er Jahren, durch den verstärkten Einsatz von Wärmepumpen, hervorgerufen durch die „Energiekrise“. 4.3.2 Physikalische Zusammenhänge In einem Kältemaschinen-/Wärmepumpen-Kreisprozess nutzt man die Fähigkeit eines Stoffes bzw. Kältemittels, seinen Aggregatzustand zu ändern und dabei – ohne seine Temperatur zu ändern – relativ große Wärmemengen aufzunehmen oder abzugeben. Mögliche Aggregatzustände sind: Fest, flüssig oder gasförmig. Ein Kreisprozess ist nur deshalb möglich, weil die Aggregatzustands-Änderungen umkehrbar sind. Die möglichen Aggregatzustands-Änderungen und deren Bezeichnungen zeigt die folgende Tabelle: Aggregatzustands-Änderung: vom festen in den flüssigen vom flüssigen in den festen vom flüssigen in den gasförmigen vom gasförmigen in den flüssigen vom festen in den gasförmigen vom gasförmigen in den festen Zustands-Änderungen von Wasser 116 Bezeichnung: schmelzen erstarren (bei Wasser: gefrieren) verdampfen (verdunsten) kondensieren (verflüssigen) sublimieren (Sublimation) resublimieren (Resublimation) Da Wasser auch in speziellen Kältemaschinen-/Wärmepumpen-Kreisprozessen als Kältemittel verwendet wird, nutzen wir für die Erklärung der Zusammenhänge im Kältekreislauf diese Zustands-Änderungen und die dabei aufgenommenen und abgegebenen Wärmemengen am Beispiel von 1kg Wasser bei Normbedingungen (Luftdruck = 1,013 bar). Temperatur-EnthalpieDiagramm Die Temperatur- und Aggregatzustandsänderungen des Wassers lassen sich mit Hilfe des Temperatur-Enthalpie-Diagramms darstellen Die eingetragenen Enthalpiewerte beziehen sich auf 1 Kilogramm Wasser bei atmosphärischem Druck von 1,013 bar. t (°C) 115 B 100 C D 28,3 -335 419 10 0 A 0 Fig. 4-2 2257 419 Temperatur-Enthalpie-Diagramm 2676 2704,3 h [kJ / kg] Fig 5 A - B: Flüssigkeitserwärmung (Sensible Wärme) B - C: Verdampfung (Latente Wärme) C - D: Überhitzung (Sensible Wärme) Da für Wärmemengen-Berechnungen nur Enthalpie-Differenzen benötigt werden, kann der Nullpunkt der Enthalpie-Skala beliebig festgelegt werden. In den gebräuchlichen Wasserdampf-Tabellen, ist er identisch mit dem Gefrierpunkt des Wassers. Das bedeutet, dass die Schmelzwärme in den angegebenen Enthalpiewerten nicht enthalten ist. Die Gerade A - B stellt die sensible Wärme dar, die erforderlich ist, um 1 kg Wasser von 0 °C auf 100 °C zu erwärmen. An der Stelle B kann auf der Enthalpie-Skala dafür ein Wert h von 419 kJ/kg abgelesen werden. Die Gerade B - C stellt den Verdampfungsprozess dar. Entlang dieser Geraden wird kontinuierlich Wärme zugeführt, bis das Kilogramm Wasser bei Punkt C vollständig in Sattdampf übergegangen ist. Die Enthalpie dieses trocken gesättigten Dampfes beträgt dort 2'676 kJ, also die Summe aus 419 kJ sensibler und 2'257 kJ latenter Wärme. Die Umkehrung dieses Vorganges (gleicher Wärmeentzug von C nach B) beschreibt den Vorgang der Kondensation (Verflüssigung). Werden zwischen Punkt C und Punkt D weitere 28,3 kJ zugeführt, wird der Dampf auf 115 °C überhitzt, die Enthalpie bei Punkt D beträgt h = 2'676 + 28,3 = 2'704,3 kJ. 117 Schmelzen/Gefrieren Um 1 kg Eis von 0 °C zu schmelzen bzw. in Wasser von 0 °C zu verflüssigen, ist eine Wärmemenge von 335 kJ erforderlich (Fig. 4-3). Diese AggregatzustandsÄnderung erfolgt bei konstanter Temperatur. Die anschließend im Wasser enthaltene Schmelzwärme wird deshalb als latente (nicht fühlbare) Wärme bezeichnet. 1 kg 0 °C 335 kJ 0 °C Fig. 2 Fig. 4-3 Schmelzwärme von Eis Im Umkehrprozess muss 1 kg Wasser von 0 °C die Wärmemenge von 335 kJ entzogen werden, um dieses in 1 kg Eis von 0 °C umzuwandeln. Erwärmen Einem kg Wasser muss eine sensible Wärmemenge von 419 kJ zugeführt werden, um dessen Temperatur von 0 °C auf 100 °C zu erhöhen. Vorausgesetzt, dass Normdruck (atmosphärischer Druck auf Meereshöhe von 1,013 bar; früher 760 mm Hg) herrscht, ist 100 °C der Siedepunkt des Wassers, also der Punkt, bei dem die Verdampfung beginnt. Aus dem Diagramm (Fig.4-4) ist ersichtlich, dass Wasser als Kältemittel mit einer Verdampfungstemperatur im Bereiche von ca. + 5 °C nur dann eingesetzt werden kann, wenn im Verdampfer ein Druck von ca. 0,01 bar (bzw. ein Unterdruck von ca. 0,99 bar gegenüber dem atmosphärischen Normdruck) erzeugt werden kann, (lg p ist ein logarithmischer Maßstab für den Druck). Log p (bar) 100 10 1 0,1 0,01 0,001 -100 Fig. 4-4 118 0 100 200 300 400 t (°C) Siedepunkt des Wassers in Abhängigkeit vom Luftdruck Verdampfen Die Umwandlung von Wasser in Dampf ist eine Aggregatzustandsänderung, die wiederum bei konstanter Temperatur erfolgt. Einem kg Wasser von 100 °C muss die Verdampfungswärme von 2'257 kJ zugeführt werden, um dieses vollständig in Dampf von 100 °C zu verwandeln. Diese Verdampfungswärme ist dann als latente Wärmemenge im Dampf enthalten. Addiert man zur Verdampfungswärme von 2'257 kJ die 419 kJ, die aufgewendet wurden, um 1 kg Wasser von 0 auf 100 °C zu erwärmen, so erhält man mit 2'676 kJ den Wärmeinhalt oder die Enthalpie h von 1 kg Sattdampf von 100 °C (Fig. 4-5). (Der Nullpunkt der Enthalpie-Skala ist festgelegt auf die Stofftemperatur von 0 °C). 2676 kJ 1 kg 100 °C 419 kJ 2257 kJ Fig. 3 Fig. 4-5 Überhitzen Verdampfungsprozess und Enthalpieerhöhung von Wasser Wird dem trocken gesättigten Dampf von 100 °C weiterhin Wärme zugeführt, erfolgt eine Temperaturerhöhung, die sogenannte Überhitzung des Dampfes (Fig. 4-6). Bei der Überhitzungswärme handelt es sich wieder um sensible Wärme. Um die Temperatur des Kilogramm Dampfes z.B. von 100 °C um 15 K zu erhöhen ist eine sensible Wärmemenge Q von 28,3 kJ erforderlich. Dies folgt aus folgender Formel: = m . cp . (ϑ - ϑs) Q = 1 . 1,88 . (115 °C – 100 °C) = 28,3 (kJ) cp = spezifische Wärme des überhitzten Dampfes [kJ/kg K] m = Masse [kg] ϑ = Temperatur des überhitzten Dampfes [ °C] ϑs = Siedetemperatur des Wassers [ °C] 2676 kJ 1 kg 100 °C 2704,3 kJ 100 °C + 28,3 kJ Fig. 4-6 Überhitzung und Enthalpieerhöhung des Dampfes 119 Kondensation (Verflüssigung) Die Aggregatszustands-Änderung vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand ist umkehrbar, d.h. der Dampf kann wieder in Flüssigkeit umgewandelt werden. Dem Dampf wird dabei die latente Verdampfungswärme von 2’257 kJ/kg entzogen (Fig. 4-7).Bei der Betrachtungsweise der vorgenannten Zustandsänderungen wurde von rein theoretischen, absolut verlustfreien Prozessen ausgegangen, die in der Praxis nicht möglich sind. 2 2257 kJ 1 3 4 Fig. 8 Fig. 4-7 1 2 3 4 Enthalpie-DruckDiagramm (h,log p-Diagramm) Kondensation (Verflüssigung) Sattdampf (1 kg), 100 °C KühIwasser, kalt Kühlwasser, warm (+2’257 kJ) Kondensat (1kg Wasser), 100 °C In der Kälte-/Wärmepumpentechnik benutzt man – statt des Temperatur-EnthalpieDiagramms – vorzugsweise das Enthalpie-Druck-Diagramm (Fig. 4-8). Aus praktischen Gründen wählte man für den Druck eine logarithmische Skala. In diesem Diagramm sind die Zustandsänderungen nicht mehr nur bei Normaldruck von 1,013 bar dargestellt, sondern sie können für verschiedene Drücke und entsprechende Temperaturen abgelesen werden. Für alle in der Praxis verwendeten Kältemittel sind solche h,log p-Digramme erhältlich. In diese Diagramme können die projektierten Wärmepumpen-/Kältemaschinen-Kreisprozesse eingezeichnet und die entsprechenden Enthalpie-Änderungen direkt auf der Enthalpie-Skala abgelesen werden. Fig. 4-8 zeigt das Enthalpie-Druck-Diagramm für Wasser. t (°C) 3 bar 374 221 4 2 6 1 5 1,013 100 6,98 A 1 2 3 B 0,01 0 Fig. 4-8 2257 419 2107,4 2676 h [kJ / kg] Enthalpie-Druck-Diagramm für Wasser (h,log p-Diagramm) Flüssigkeitslinie (Verdampfungsbeginn) Flüssigkeitsgebiet (Unterkühlung) Kritischer Punkt für Wasser/Dampf 4 5 6 Überhitzungsgebiet (Dampf) Sattdampflinie Nassdampfgebiet (Flüssigkeit/Dampf) A – B Verdampfungswärme bei p = 1,013 bar (2’257 kJ/kg) 120 Die vom Nullpunkt zum kritischen Punkt hochsteigende Linie zeigt den Verdampfungsbeginn der Flüssigkeit, die Fortsetzung dieser Linie, vom kritischen Punkt hinunter zur Enthalpie-Skala, zeigt den Überhitzungsbeginn des Sattdampfes. Zieht man bei einem bestimmten Druck (hier 1,013 bar) eine Horizontale durch diese beiden Linien, kann bei Punkt A die Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit und bei Punkt B diejenige des gesättigten Dampfes abgelesen werden. Die Differenz der Werte A und B entspricht der Verdampfungswärme. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Verdampfungswärme mit steigendem Druck und steigender Temperatur geringer wird, um schließlich beim kritischen Punkt einen Zustand zu erreichen, bei dem der Verdampfungsbeginn der Flüssigkeit mit dem Überhitzungsbeginn des Dampfes identisch ist. Bei Wasser liegt der kritische Druck bei 221,2 bar und die kritische Temperatur bei 374,1 °C. 4.3.3 Kältemittel Als Kältemittel bezeichnet man das in einem Kältemaschinen-/WärmepumpenKreisprozess umlaufende Arbeitsmedium. Die Grundlagen des Kreisprozesses haben wir bisher am Beispiel der Zustandsänderungen von Wasser behandelt. Wasser bietet viele der Eigenschaften, die von einem Kältemittel verlangt werden. Wasser ist ungiftig, nicht brennbar und bietet eine relativ große Verdampfungswärmekapazität. Deshalb wird Wasser bei Dampfstrahl- und Absorptions-Kältemaschinen/-Wärmepumpen als Kältemittel verwendet. Anforderung an Kältemittel Grundsätzlich kann jeder Stoff als Kältemittel verwendet werden, welcher sich bei technisch erreichbaren Drücken und bei den gewünschten Temperaturen verflüssigen und verdampfen lässt. Es kann aus unterschiedlichen chemischen Verbindungen bestehen, muss sich aber chemisch neutral verhalten, es darf nicht explosiv, nicht brennbar und nicht giftig sein. Die Wahl des Kältemittels hängt vom Anwendungsbereich der Kältemaschine ab. In der Klimatechnik sind die Kältemittel R134a, R407C, R404A und R507 die gebräuchlichsten. Weiter Ausführungen und Zusammenhänge werden im Modul „Kältetechnik“ behandelt. 4.3.4 Der Kreisprozess Im Funktionsschema Kältekreislauf ist zu erkennen, dass ein geschlossenes Rohrsystem den Kältekreislauf darstellt. Dieses Rohrsystem durchströmt ein Arbeitsmittel, das Kältemittel. Das Kältemittel übernimmt den Transport der Wärme im Kältekreislauf. Die in der Darstellung gewählten Druck- und Temperaturangaben beziehen sich in etwa auf das Kältemittel R134a. An vier Stellen dieses Rohrsystems bestehen nun Möglichkeiten, von außen auf das Kältemittel einzuwirken. Die vier Bauelemente, die auf das Kältemittel einwirken, sind: • Verdampfer • Verdichter (Kompressor) • Verflüssiger (Kondensator) • Expansionsventil (Drosselventil) 121 ϑ=max+60°C p=15,5 bar ϑ=max+100°C p=15,5 bar Aggregatzustandsänderung Abgabe von Kondensationswärme flüssig gasförmig im Verflüssiger im Expan sionsventil im Verdichter im Verdampfer flüssig gasförmig Aggregatzustandsänderung Aufnahme von Verdampfungswärme ϑ=+2 °C p=3,3 bar Fig. 4-9 ϑ=+2 °C p=3,3 bar Kreisprozess Im Einzelnen ist nun zu untersuchen, wie und warum man auf das Kältemittel einwirkt. Im Kompressions-Kreisprozess durchläuft das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf die 4 Zustandsänderungen: Verdampfer Verdampfung bei relativ niedrigem Druck und tiefer Temperatur. Die Verdampfungswärme wird von einem Wasser- oder Luftstrom in einem Wärmeübertrager an das Kältemittel abgegeben. Die Temperatur des Wasser- oder Luftstroms muss dabei höher sein als die Verdampfungstemperatur des Kältemittels. Fig. 4-9 zeigt den Verdampfungsprozess als Aggregatzustandsänderung bei 2 °C mit dem entsprechenden Druck von ca. 3,3 bar. Wärme wird vom wärmeren Medium auf der Primärseite, zum Kältemittel auf die Sekundärseite des Verdampfers übertragen. Dadurch wird das primärseitige Medium abgekühlt und das Kältemittel verdampft. Die Wärme ist nun in latenter Form im Kältemittel enthalten. Die Enthalpie des Kältemittels hat sich erhöht, während seine Temperatur unverändert geblieben ist. Verdichter Verdichtung (Kompression) des Kältemitttel-Dampfes im Kompressor auf einen höheren Druck. Dadurch steigt auch die Temperatur des Kältemitteldampfes in den Überhitzungsbereich. Der Verdichter saugt den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer an und komprimiert diesen von ca. 3,3 bar auf ca. 15,5 bar Druck. Dabei steigt auch dessen Temperatur auf ca. 100 °C an und es entsteht überhitzter Dampf. Die Erhöhung der Enthalpie entspricht der mechanischen Antriebsenergie des Kompressors, die im theoretischen Carnot-Prozess vollständig als Wärme in den Kältemitteldampf übergeht. 122 Kondensator Kondensation (Verflüssigung) des „heißen“ Kältemitteldampfes. Dabei übergibt der Kältemitteldampf in einem Wärmeübertrager die aufgenommene Verdampfungsund Überhitzungswärme einem Wasser- oder Luftstrom, der kälter sein muss, als die Kondensationstemperatur des Kältemittels. Bei fortgesetzter Wärmeabgabe des primärseitigen Kältemitteldampfes an das sekundärseitige Kühlmedium, erfolgt die kontinuierliche Verflüssigung des Kältemitteldampfes am Austritt des Kondensators besteht das Kältemittel vollständig aus Flüssigkeit mit einer Temperatur von ca. 60 °C und einem unveränderten Druck von ca. 15,5 bar. Expansionsventil Entspannung (Expansion) des heißen Kältemittel-Kondensates vom Kondensations- auf den Verdampfungsdruck in einem speziellen Drossel- und Dosierorgan (Expansionsventil). Das Druck-/Temperatur-Niveau des flüssigen Kältemittels ist noch zu hoch für eine direkte Rückführung in den Verdampfer und muss mit Hilfe einer Drossel-/Dosiervorrichtung wieder auf den Verdampfungsdruck entspannt werden. Diese Vorrichtung sorgt nicht nur für die Druckreduktion sondern auch für die richtige Dosierung der Kältemittelmenge, entsprechend der geforderten Verdampferleistung. Je nach dem gewünschten Steuereingriff in den Kreisprozess, kann es sich dabei um ein hand-, temperatur-, druck- oder niveaugesteuertes Expansionsventil, oder – in kleinen Kühlgeräten – auch nur um ein Kapillarrohr handeln. Anwendungsbeispiele: In der Lüftungs-/Klimatechnik kommen die direkte- und die indirekte Kühlung vor. Fig. 4-10 Anwendungsbeispiele Lüftungstechnik a Direkte Kühlung b Indirekte Kühlung 1 2 3 4 Verdichter (Kompressor) Verdampfer Verflüssiger Expansionsventil 5 6 7 Kaltwasserpumpe Luftkühler Ventilator Da es sich bei einem Wärmepumpenkreislauf um die genau gleichen Funktionen und physikalischen Zusammenhänge und Gesetzmassigkeiten handelt, können wir mit der folgenden Darstellung eine Zusammenfassung der Vorgänge machen. 123 zurück zum Heizungssystem Verflüssiger vom Heizungssystem 15,5 bar + 60 °C Expansionsventil 3,3 bar Verdichter + 2 °C Verdampfer Verdampfer zurück zum Wärmespender z.B. in den Brunnen zurück 15,5 bar max + 100 °C ϑ = + 5 °C + 2 °C ϑ = + 10 °C Fig. 4-11 Funktionsbeispiel einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe 4.3.5 Absorptions-Kreisprozess 1 2 Antrieb durch Motore • Gas 3,3 bar • Dieselöl • Benzin vom Wärmespender Als Absorptionsprozess bezeichnet man die Aufnahme von Gasen durch flüssige oder feste Stoffe, in Form einer physikalischen Bindung. Eine Absorption kommt allerdings nur zustande, wenn der aufnehmende Stoff und das aufzunehmende Gas (Arbeitsstoff-Paar) chemisch zueinander „passen“, und nur bei einem bestimmten Druck-/Temperaturverhältnis, das für jedes Arbeitsstoffpaar unterschiedlich ist. Ein Absorptionsprozess ist auch umkehrbar, d.h. das aufgenommene Gas kann bei einem anderen Druck-/Temperaturverhältnis wieder ausgetrieben werden. Das Ganze lässt sich demnach als Kreisprozess betreiben. Bei der Absorptionsmaschine wird der mechanische Kompressor durch den Lösungsmittel-Kreislauf ersetzt, der deshalb auch als „thermochemischer Verdichter“ bezeichnet wird. Alle übrigen Funktionselemente des Kältemittel-Kreislaufes, wie Kondensator, Drossel-/Dosiergerät und Verdampfer, bleiben grundsätzlich gleich wie bei der Kompressionsmaschine. Anstelle der mechanischen Antriebsenergie, die der Kompressor benötigt, wird die zur Aufrechterhaltung des Absorptions-Kreisprozesses benötigte Energie in Form von Wärme zugeführt (Dampf, Heißwasser, Öl-/Gas-Brenner, etc.). Mechanische Energie wird nur zum Antrieb der Lösungsmittelpumpe benötigt. 124 4 8 2 9 10 1 7 5 3 11 9 6 Fig. 4-12 1 2 3 4 5 6 Absorptions-Prozess Verdampfer Kondensator Absorber Austreiber Wärmetauscher Pumpen 7 8 9 10 11 Kaltwasserkreislauf Energiezufuhr Kühlwasserkreislauf Kältemittelkreislauf Lösungsmittelkreislauf 2 3 1 4 6 Fig. 4-13 1 2 3 5 Absorptions-Kreisprozess mit Lösungsmittelkreis als „thermischer Verdichter“ Thermochemischer Verdichter Verflüssiger (Kondensator) Drossel-/Dosiergerät 4 5 6 Verdampfer Nutzkreislauf als Wärmepumpe Nutzkreislauf als Kältemaschine 125 Vergleicht man den Kältemittel-Kreisprozess der Absorptions- mit demjenigen der Kompressions-Kältemaschine, so erkennt man auf den ersten Blick die vier Funktions-Komponenten: • • • • Verdampfer (4) Verdichter (1) Verflüssiger (2) Drossel-/Dosiergerät (3). Es wird auch hier ein reines Kältemittel (z.B. Wasser) im Verdampfer bei niedrigem Druck und externer Wärmezufuhr verdampft, der Dampf auf höheren Druck und höhere Temperatur verdichtet, im Kondensator unter Abgabe der Verdampfungswärme an ein externes Kühlmedium verflüssigt und im Expansionsventil auf Niederdruck entspannt. 4.3.5.1 Arbeitsstoffpaare Die bekanntesten Arbeitsstoffpaare für Absorptions-Kältemaschinen/-Wärmepumpen sind: • Wasser-Lithiumbromid (LiBr) (mit Wasser als Kältemittel) • Ammoniak-Wasser (mit Ammoniak als Kältemittel) • Ammoniak-Lithiumnitrat • Methylamin-Wasser und • Methanol-Lithiumbromid mit dem jeweils erstgenannten Stoff als Kältemittel. Während Ammoniak als bewährtes Kältemittel vorwiegend für Verdampfungstemperaturen von 0 °C bis -60 °C eingesetzt wird, kommt für den Klimabereich heute vorwiegend das Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid zum Einsatz. Wasser lässt jedoch nur Verdampfungstemperaturen über 0 °C zu, weil es sonst gefrieren würde. Ein weiterer, wesentlicher Unterschied zwischen dem Ammoniak-Wasser- und dem Wasser-LiBr-Kreisprozess liegt in den Betriebsdrücken der Systeme. Während die Ammoniak-Maschinen bei Drücken zwischen ca. 1,5 und 16 bar arbeiten, liegen bei Wasser-LiBr-Maschinen die Betriebsdrücke im Verdampfer und Absorber wesentlich unter dem Atmosphärendruck, und zwar der Verdampferdruck bei ca. 0,008 bar, entsprechend einer Verdampfungstemperatur von ca. 3 °C, und der Kondensatordruck bei ca. 0,1 bar entsprechend einer Kondensationstemperatur von ca. 50 °C. Diese niedrigeren Drücke erfordern eine sehr dichte und stabile Ausführung der Maschine. Die Absorptions-Kältemaschine/-Wärmepumpe arbeitet mit 2 Kreisläufen, die zwar phasenweise ineinander laufen, jedoch funktionell getrennt beschrieben werden können. Kältemittelkreislauf mit dem Verdichter, Kondensator, Drossel-/Dosiergerät und Verdampfer, und andererseits um den Lösungsmittelkreislauf, der innerhalb dem Kältemittelkreislauf die Rolle des Verdichters übernimmt. 126 4.3.5.2 Anwendung Der Einsatzbereich der Absorptions-Kältemaschinen/-Wärmepumpen deckt praktisch den ganzen Bereich der Kolben- und Turbokompressor-Aggregate ab, d.h. von ca. 30 kW bis über 5'000 kW Kälteleistung. Der Entscheid, ob eine Kompressions- oder eine Absorptionsmaschine eingesetzt werden soll, hängt weitgehend von der zur Verfügung stehenden Betriebsenergie ab. Steht beispielsweise ein Dampf- oder Heißwasserkessel zur Verfügung, der sonst nur im Winter optimal ausgenutzt würde, ist es naheliegend, dessen freie Kapazität im Sommer zur Kälteerzeugung mit einer Absorptions-Kälteanlage zu koppeln. Optimal ist der Einsatz einer Absorptionsmaschine dann, wenn Abdampf aus einem Produktionsprozess oder von einer Gegendruckturbine zur Verfügung steht. Ein weiterer, interessanter Einsatz ergibt sich aus der Kombination mit einer TurboKältemaschine. Der Turbokompressor wird dabei mit einer Gegendruckturbine betrieben. Der Niederdruckdampf aus der Gegendruckturbine beheizt anschließend den Austreiber der Absorptionsmaschine und wird dann als Kondensat wieder dem Dampfkessel zugeführt. Direkt mit Öl oder Gas beheizte Absorptionsmaschinen werden meist als Wärmepumpen gebaut, die im Sommer auf Kühlbetrieb umgestellt werden können. Entscheidende Vorteile der Absorptionsmaschine sind schließlich der praktisch geräuschlose und vibrationsfreie Betrieb, sowie die einfache Leistungsregelung von 0 – 100 %. Nachteilig sind der relativ hohe Energieverbrauch, die hohe Kondensatorleistung und dadurch ein hoher Kühlwasserverbrauch. Oft können diese Nachteile aber durch wesentlich niedrigere Energiekosten bei Abwärmenutzung kompensiert werden. 127 5 Hydraulische Schaltungen 5.1 Einleitung Die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) hat zum Ziel, die Umgebung der Menschen angenehm und behaglich zu gestalten, so dass sie sich wohl fühlen. Um diese Aufgabe zu lösen, muss in unserer Klimazone Wärme – aber auch Kälte – erzeugt werden und diese richtig dosiert, zur richtigen Zeit an den richtigen Ort gebracht werden. Das Ziel der Hydraulik ist es, die dazu erforderlichen Elemente so in einen Kreislauf zwischen Energieerzeugung und Verbraucher einzubinden, dass optimale Betriebsbedingungen geschaffen werden für: • Wärme-/Kälteerzeuger (Temperatur, Wasserfluss) • den Transport des Wärme-/Kälteträgers wie Wasser, Dampf, ... (Temperatur, Wasserfluss) • die eingebauten Regeleinrichtungen Diese Dokumentation beinhaltet die wichtigsten Informationen aus den Lernmodulen des Lernprogramms „Hydraulik in der Gebäudetechnik“. Sie ist auch als Begleit- und Referenzdokumentation zum Lernprogramm konzipiert. Die gezeigten Grafiken stammen größtenteils aus dem Lernprogramm. Viele davon sind im Lernprogramm animiert und interaktiv, d.h. Sie können ausprobieren, wie sich Schaltungen und Komponenten unter verschiedenen Bedingungen verhalten. Im Lernprogramm „Hydraulik in der Gebäudetechnik“ (und in dieser Dokumentation) erhalten Sie vor allem Informationen zur Hydraulik der Verbraucherseite. Dies heißt nun aber nicht, dass die Erzeugerseite nicht wichtig ist – ganz im Gegenteil. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Wärme- und Kälteerzeuger werden hydraulische Überlegungen auch dort immer wichtiger. Es würde aber den Rahmen des Lernprogramms sprengen, dies auch noch im Detail zu behandeln. Viele Erkenntnisse aus der Verbraucherseite werden Sie jedoch sinngemäß auch für die Erzeugerseite anwenden können. Lernprogramm auf CD-ROM bestellen 128 Haben Sie Interesse am Lernprogramm B04HV „Hydraulik in der Gebäudetechnik“, dann kontaktieren Sie bitte Ihren Siemens Building Technologies Ansprechpartner. 5.2 Hydraulische Kreise 5.2.1 Hauptteile einer hydraulischen Anlage Regler (mit Fühler) Heizkörper (Wärmeabgabe) Stellantrieb Stellglied (Dreiwegventil) Umwälzpumpe Vorlauf Heizkessel (Wärmeerzeugung) Fig. 5-1 Rücklauf Hauptteile einer hydraulischen Anlage Ventil geschlossen Fig. 5-2 Abgleichdrossel Ventil offen Zirkulation in einer hydraulischen Anlage 129 5.2.2 Darstellung hydraulischer Kreise Die bisher gezeigten bildlichen Darstellungen einer hydraulischen Anlage sind für viele Personen sehr gut nachvollziehbar, in Fachkreisen aber nicht üblich, da sich damit die anlagetechnischen Zusammenhänge nicht sehr gut darstellen lassen. In der HLK-Branche werden deshalb vor allem schematische Darstellungen verwendet, die nebst der Darstellung der Anlage erlauben, die technischen Vorgänge und Zusammenhänge besser nachzuvollziehen. Abgleichdrossel Wärmeabgabe (Verbraucher) Vorlauf Umwälzpumpe Stellglied Wärmeerzeuger Bildliche Darstellung einer Anlage Fig. 5-3 Geographische Darstellung Schematische Darstellung einer Anlage Von der bildlichen zur schematischen Darstellung Die oben gezeigte schematische Darstellung, wird oft für einfache Anlagen verwendet. Sie wird geographische Darstellung genannt und weist einen engen Bezug zur konstruktiven Lösung auf. Für größere Anlagen wird die geographische Darstellung bald einmal unübersichtlich, vor allem wenn komplexe Zusammenhänge der Verbraucher oder Erzeuger dargestellt werden müssen; z.B. eine Grundwasser-Wärmepumpe mit Speicher und zusätzlichem Heizkessel, die mehrere verteilte Verbraucherstationen bedient. Fig. 5-4 130 Rücklauf Beispiel einer Heizungsanlage mit mehreren Verbrauchern in geographischer Darstellung Aus diesen Überlegungen und auch durch den verbreiteten Einsatz von CADSystemen kommt heute meist eine andere, strukturiertere Darstellungsweise zur Anwendung. Synoptische Darstellung Die synoptische Darstellung erlaubt auch die schematische Darstellung von sehr komplexen und umfangreichen hydraulischen Anlagen in einer klar strukturierten und übersichtlichen Art und Weise. Bei der synoptischen Darstellung sind einige wichtige Regeln zu beachten: Der Vorlauf wird oben gezeichnet, der Rücklauf wird unten gezeichnet. Man nennt dies oft auch die Versorgungsschiene. Erzeuger und Verbraucher werden parallel in Flussrichtung zwischen Vorlauf und Rücklauf eingezeichnet. Vorlauf Flussrichtung Verbraucher Erzeuger Rücklauf Geographische Darstellung Fig. 5-5 Hinweis zur Darstellung von Stellgliedern Synoptische Darstellung Geographische und synoptische Darstellung einer einfachen Anlage Bei der schematischen Darstellung von hydraulischen Schaltungen ist es auch wichtig, dass gewisse Komponenten symbolisch korrekt dargestellt werden. Ein Element, bei dem dies besonders wichtig ist, ist das Dreiweg-Stellglied (Ventil oder Hahn). Die beiden Tore mit variablem Durchfluss werden ausgefüllt gezeichnet, das Tor mit konstantem Durchfluss unausgefüllt. Fig. 5-6 Schematische Darstellung von Ventil-Toren: Ausgefüllt = variabler Durchfluss unausgefüllt = konstanter Durchfluss 131 In vielen der schematischen Darstellungen im Lernprogramm „Hydraulik in der Gebäudetechnik“ und in diesen Unterlagen sind Stellglieder ohne Antrieb dargestellt. Dies vor allem, um die Übersichtlichkeit der Zeichnungen zu verbessern. Zudem wird als Stellglied immer ein Ventil angenommen. Beispiele geographischer und synoptischer Darstellungen: Geographische Darstellung Fig. 5-7 132 Darstellungsbeispiele Synoptische Darstellung 5.3 Verteiler In der Praxis sind es meist mehrere Verbraucher, die von einem Erzeuger versorgt werden. Der Verteiler wird als Bindeglied zwischen der Erzeugerseite und mehreren Verbrauchern eingebaut. Er verteilt das Wasser im Vorlaufverteiler auf die verschiedenen Verbraucher und sammelt im Rücklaufsammler das Wasser aller Verbraucher. Fig. 5-8 Verteiler als Bindeglied zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite Die Verbraucher- und die Erzeugerseite stellen gewisse Anforderungen an den Verteiler, z.B. Druckverhältnisse, konstanter oder variabler Durchfluss, notwendige Vor- und Rücklauftemperaturen, ... . Um all diese Bedingungen zu erfüllen, sind verschiedene Verteilertypen erforderlich. 5.3.1 Verteilertypen Verteiler können wie folgt eingeteilt werden: VERTEILER Hauptpumpe ohne Hauptpumpe (Typ 1) Druckverhältnisse am Verteiler Volumenstrom über Erzeuger Rücklauftemperatur zum Erzeuger Fig. 5-9 mit Hauptpumpe druckbehaftet variabel tief variabel (Typ 2) druckarm (Typ 4) konstant (Typ 3) konstant hoch Einteilung der Verteilertypen 133 Der Verteiler kann nicht für sich alleine betrachtet werden. Es ist wichtig, dass die zum Verteilertyp passenden Verbraucherschaltungen eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, dass Verbraucherschaltungen mit gleichem (oder ähnlichem) Verhalten eingesetzt werden. 5.3.1.1 Verteiler ohne Hauptpumpe (Typ 1), für Verbrauchergruppen in Beimischschaltung Ventil geschlossen Fig. 5-10 Ventil offen Verteiler Typ 1, Ventilstellung der Verbrauchergruppen Eigenschaften: • Rücklauftemperatur tief (zwischen kalt und Verbraucher-Rücklauf) • Volumenstrom variabel über Erzeuger, konstant über Verbraucher • starke gegenseitige Beeinflussung der Verbrauchergruppen (d.h. jede größere Veränderung in einer Gruppe führt zu Druckveränderungen am Verteiler deren Auswirkungen auf die anderen Gruppen von diesen ausgeregelt werden müssen) • Gefahr von Fehlzirkulation, wenn z.B. Trinkwarmwasserladung am Verteilerende • Gruppenpumpen müssen anteilsmäßig den Druckverlust im Erzeugerkreis übernehmen Wichtig für problemlosen Einsatz: • keine Erzeuger, die minimalen Durchfluss benötigen • max. Druckverlust im Erzeugerkreis < 20 % des niedrigsten GruppenpumpenFörderdrucks ⇒ Leitungen kurz und großzügig dimensioniert • Stellglieder der Verbrauchergruppen korrekt dimensioniert • Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf bei den Gruppen eingehalten (d.h. Abgleichdrossel richtig eingestellt) Einsatzgebiet: • Erzeuger, die tiefe Rücklauftemperatur erfordern (z.B. kondensierender Heizkessel) • Speicher 134 5.3.1.2 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 2), für Verbrauchergruppen in Drosselschaltung oder Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Δp Ventil geschlossen Fig. 5-11 Δp Ventil offen Verteiler Typ 2, Ventilstellung der Verbrauchergruppen Eigenschaften: • Rücklauftemperatur tief (Verbraucher-Rücklauf) • Volumenstrom variabel über Erzeuger Wichtig für problemlosen Einsatz: • Stellglieder der Verbrauchergruppen korrekt dimensioniert • Hauptpumpe drehzahlgeregelt (reduziert Energieverbrauch; „AUS“ bei Nulllast, damit diese nicht Schaden nimmt) oder einstellbarer Bypass (am Verteileranfang) für minimale Zirkulation (Nachteil: hebt Rücklauftemperatur wieder an) Einsatzgebiet: • Boilerladungen • Zubringer in Fernleitungsnetz (z.B. Nahwärmeverbund) 135 5.3.1.3 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 3), für Verbrauchergruppen in Verteilschaltung oder Einspritzschaltung mit Dreiwegventil A Ventil geschlossen Fig. 5-12 Ventil offen Verteiler Typ 3, Ventilstellung der Verbrauchergruppen Eigenschaften: • Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und annähernd Erzeuger-Vorlauf) • Volumenstrom konstant über Erzeuger • Hauptpumpe muss beim Einsatz von Verteilschaltungen (Umlenkschaltungen) auch den Druckverlust über den Verbraucher übernehmen • hydraulischer Abgleich ist anspruchsvoll • spätere Erweiterung macht erneuten hydraulischen Abgleich erforderlich Wichtig für problemlosen Einsatz: • Stellglieder der Verbrauchergruppen korrekt dimensioniert • nur empfehlenswert, wenn bezüglich Pumpenleistung bedeutende Verbraucher ohne Gruppenpumpe (d.h. mit Umlenkschaltung) betrieben werden können) • bei Einspritzschaltung Abstand A min. 0,4 m oder 10 x Leitungsdurchmesser (⇒ genügend Platz), sonst Gefahr von schleichender Zirkulation • Erzeuger muss für hohe Rücklauftemperaturen geeignet sein Einsatzgebiet: • Erzeuger mit Rücklaufminimalbegrenzung 136 5.3.1.4 Verteiler mit Hauptpumpe (Typ 4), für druckdifferenzlosen Verbraucheranschluss in Beimischschaltung Ventil geschlossen Fig. 5-13 Ventil offen Verteiler Typ 4, Ventilstellung der Verbrauchergruppen Eigenschaften: • Rücklauftemperatur hoch (zwischen Verbraucher-Rücklauf und ErzeugerVorlauf) • Volumenstrom konstant über Erzeuger • klare hydraulische Entkopplung zwischen Erzeuger- und Verbraucherseite • benötigt Abgleichdrosseln nur in Verbraucherkreisen (zum Einstellen des Nennvolumenstroms) Wichtig für problemlosen Einsatz: • Verteiler und vor allem Kurzschluss großzügig dimensionieren • Verbrauchergruppen mit konstantem oder ganzjährigem Heizbedarf sind am Verteileranfang anzuschließen. Eine unnötige Durchströmung des Verteilers wird damit weitgehend vermieden. • Verteiler kann mit Drosselschaltung(en) kombiniert werden, deren Leistung(en) aber klein sind im Verhältnis zur Leistung am gesamten Verteiler Einsatzgebiet: • Erzeuger, die eine hohe Rücklauftemperatur erfordern 137 5.3.1.5 Schematische Darstellung von Verteilern Man unterscheidet, wie schon bei den Verbraucher-Schaltungen, zwei schematische Darstellungsweisen – die synoptische und die geographische Darstellung. Synoptische Darstellung: • Oben Vorlauf, heißes Wasser • Unten Rücklauf, kaltes Wasser • dazwischen Erzeuger und die einzelnen Verbraucher parallel in Flussrichtung geschaltet Fig. 5-14 Synoptische Darstellung von Verteilern Geographische Darstellung: Praktiker und Planer bevorzugen eher die geographische Darstellung, die den Aufbau der Anlage etwa so darstellt, wie sie im Heizungsraum auch installiert wird. Vom Erzeuger wird der Vor- und Rücklauf auf einen Verteilbalken geführt, auf dem die einzelnen Verbraucherschaltungen senkrecht nebeneinander aufgebaut sind. Fig. 5-15 138 Geographische Darstellung von Verteilern 5.4 Hydraulische Grundschaltungen 5.4.1 Mengenvariable und mengenkonstante Kreise Die Leistung (Wärme-/Kältemenge) an einem Erzeuger oder Verbraucher ist proportional zum Produkt aus Massenstrom und Temperaturdifferenz über dem Erzeuger oder Verbraucher. & = V& ⋅ ΔT ⋅ c ⋅ ρ Q Für unsere Überlegungen und für übliche Anwendungen in der Haustechnik nehmen wir die Dichte ρ und die spezifische Wärmekapazität c als konstant an. Damit ist die Leistung an einem Erzeuger oder Verbraucher proportional zum Produkt aus Volumenstrom und Temperaturdifferenz. & ≈ V& ⋅ ΔT Q Bei hydraulischen Schaltungen können folglich folgende Größen zur Anpassung der Leistung herangezogen werden: Volumenstrom wird verändert bei konstanter Temperatur Temperatur wird verändert bei konstantem Volumenstrom ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ mengenvariabler Betrieb Durchflussregelung 5.4.2 Durchflussregelung mengenkonstanter Betrieb Mischregelung Durchfluss- und Mischregelung Zur Durchflussregelung (mengenvariabel) und zur Mischregelung (mengenkonstant) gibt es jeweils zwei hydraulische Grundschaltungen. Bei der Durchflussregelung (mengenvariable Kreise) sind dies: • Drosselschaltung • Umlenkschaltung Drosselschaltung Fig. 5-16 Umlenkschaltung Durchflussregelung Beide verändern die Leistung durch unterschiedlichen Volumenstrom im Wärmeverbraucher. Mischregelung Bei der Mischregelung (mengenkonstante Kreise) sind dies: • Beimischschaltung • Einspritzschaltung (mit Dreiweg- oder Durchgangsventil) Beimischschaltung Fig. 5-17 Einspritzschaltung (mit Dreiwegventil) Mischregelung Beide verändern die Leistung durch unterschiedliche Eintrittstemperatur in den Wärmeverbraucher. 139 5.4.3 Funktionsweise Drosselschaltung Wird das Ventil verstellt, beeinflusst dies den Volumenstrom sowohl im Erzeugerwie auch im Verbraucherteil. Überall ergeben sich starke Schwankungen der Druckverhältnisse. Ventil geschlossen Fig. 5-18 Eigenschaften Ventil voll offen Drosselschaltung • tiefe Rücklauftemperatur im Teillastbetrieb • variabler Volumenstrom in der ganzen Anlage • beim Anfahren zeitliche Verzögerung der Eintrittstemperatur in den Wärmeverbraucher (Totzeit – je nach Länge und Abkühlung der Rohre) • bei geschlossenem Ventil kann die Pumpe überhitzen (⇒ Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen) Einsatzgebiet • Lufterwärmer ohne Einfriergefahr • Luftkühler mit Entfeuchtung • Boilerladung • Fernheizungsanschluss (direkt oder mit Wärmeübertrager) • Speicherladung und Speicherentladung • Anlagen mit Kondensationskessel Darstellungsarten Geographische Darstellung Fig. 5-19 140 Darstellungsarten der Drosselschaltung Synoptische Darstellung 5.4.4 Funktionsweise Umlenkschaltung Der heiße Kesselvorlauf wird je nach Ventilstellung zwischen Wärmeverbraucher und Bypass verteilt. Die Leistung im Wärmeverbraucher wird über den Durchfluss gesteuert. Der Temperaturabfall am Wärmeverbraucher steigt mit sinkendem Durchfluss. Bei geschlossenem Ventil erreicht der Kesselrücklauf annähernd die Temperatur des Kesselvorlaufs. Ventil geschlossen Fig. 5-20 Eigenschaften Ventil voll offen Umlenkschaltung • variabler Durchfluss im Verbraucherkreis • konstanter Durchfluss und Druck im Erzeugerkreis (vorteilhaft bei Anlagen mit mehreren Gruppen) • mittlere bis hohe Temperatur im Erzeugerrücklauf • beim Anfahren Vorlauftemperatur vom Erzeuger mit wenig Verzögerung am Wärmeverbraucher (sofern das Stellglied genügend nahe beim Verbraucher ist) Einsatzgebiet • Luftkühler mit Entfeuchtung • Lufterwärmer ohne Einfriergefahr • Wärmerückgewinnungssysteme • Trinkwarmwassererwärmung • nicht geeignet für Anlagen mit Fernwärmeversorgung (hohe Rücklauftemperatur) Darstellungsarten Geographische Darstellung Fig. 5-21 Synoptische Darstellung Darstellungsarten der Umlenkschaltung 141 5.4.5 Funktionsweise Beimischschaltung Ein Dreiweg-Stellglied unterteilt die ganze Schaltung in Primär- oder Erzeugerkreis und Sekundär- oder Verbraucherkreis. Heißes Erzeugerwasser und abgekühltes Rücklaufwasser werden gemischt, um die gewünschte Vorlauftemperatur in den Verbraucher zu steuern und damit dessen Leistung zu bestimmen. Ventil geschlossen Fig. 5-22 Eigenschaften Ventil voll offen Beimischschaltung • tiefe Rücklauftemperatur bei kleiner Last • variabler Volumenstrom im Erzeugerkreis • konstanter Volumenstrom mit variabler Temperatur im Verbraucherkreis • gleichmäßige Temperaturverteilung über dem Wärmeverbraucher • geringe Einfriergefahr bei Lufterwärmern Die Schaltung ist nicht geeignet für Anlagen mit Distanzen über 20 m zwischen Bypass und Regel-Fühler: Die lange Transportzeit (= Totzeit) erschwert die Regelaufgabe wesentlich. Einsatzgebiet • Regelung von Heizkörper-Heizungen • Lufterwärmer mit Einfriergefahr • Anlagen mit Niedertemperatur-Wärmeerzeugern oder -Wärmepumpen Darstellungsarten Geographische Darstellung Fig. 5-23 142 Darstellungsarten der Beimischschaltung Synoptische Darstellung 5.4.5.1 Beimischschaltung mit fester Vormischung Ein Dreiweg-Stellglied unterteilt auch hier die ganze Schaltung in Primär- oder Erzeugerkreis und Sekundär- oder Verbraucherkreis. Zusätzlich wird durch die feste Vormischung immer ein bestimmter Anteil abgekühltes Rücklaufwasser dem Vorlauf beigemischt. Dies ist dann sinnvoll, wenn die gewünschte Vorlauftemperatur zum Verbraucher im Auslegezustand um einiges tiefer liegt, als die vom Erzeuger angelieferte Vorlauftemperatur. So wird erreicht, dass das Dreiweg-Stellglied über den gesamten Stellbereich (zu ... voll offen) arbeitet. Ventil geschlossen Fig. 5-24 Eigenschaften Ventil voll offen Beimischschaltung mit fester Vormischung • tiefe Rücklauftemperatur bei kleiner Last • variabler Volumenstrom im Erzeugerkreis. • konstanter Volumenstrom mit variabler Temperatur im Verbraucherkreis Die Schaltung ist nicht geeignet für Anlagen mit Distanzen über 20 m zwischen Bypass und Regel-Fühler: Die lange Transportzeit (= Totzeit) erschwert die Regelaufgabe wesentlich. Einsatzgebiet • Verbraucherkreise, mit tieferer Vorlauftemperatur als der Erzeugervorlauf • Regelung von Fußbodenheizungen und Heizkörper-Heizungen Anlagen mit Niedertemperatur-Wärmeerzeugern oder Wärmepumpen Darstellungsarten Geographische Darstellung Fig. 5-25 Synoptische Darstellung Darstellungsarten der Beimischschaltung mit fester Vormischung 143 5.4.6 Funktionsweise Einspritzschaltung 5.4.6.1 Einspritzschaltung mit Dreiwegventil Die Pumpe links sorgt für den Druck im Erzeugerkreis, inklusive dem Druckabfall über dem Stellglied. Die Pumpe rechts sorgt für den Druck im Verbraucherkreis. Die Erzeugerpumpe spritzt je nach Stellung des Dreiwegventils mehr oder weniger heißes Vorlaufwasser in den Verbraucherkreis ein. Dieses wird mit abgekühltem Verbraucher-Rücklaufwasser gemischt, welches von der Verbraucherpumpe über den Bypass angesaugt wird. Im Verbraucherkreis erhält man einen konstanten Volumenstrom mit variabler Temperatur. Ventil geschlossen Fig. 5-26 Eigenschaften Einsatzgebiet Ventil voll offen Einspritzschaltung mit Dreiwegventil • konstanter Durchfluss, sowohl im Erzeugerkreis wie auch im Verbraucherkreis • relativ hohe Rücklauftemperatur (entspricht bei Last = 0 % dem Erzeugervorlauf und bei Last = 100 % dem Verbraucher-Rücklauf) • gleichmäßige Temperaturverteilung über dem Wärmeverbraucher • geringe Einfriergefahr bei Lufterwärmern • Radiator- und Fußbodenheizungen • Lufterwärmer mit Einfriergefahr • Luftkühler ohne geregelte Entfeuchtung • Boilerladung • nicht geeignet für Anlagen mit Fernwärmeversorgung (hohe Rücklauftemperatur) Darstellungsarten Geographische Darstellung Fig. 5-27 144 Synoptische Darstellung Darstellungsarten der Einspritzschaltung mit Dreiwegventil 5.4.6.2 Einspritzschaltung mit Durchgangsventil Funktionsweise Durch die Pumpe im Erzeugerkreis wird – je nach Stellung des Durchgangsventils – mehr oder weniger heißes Vorlaufwasser in den Verbraucherkreis eingespritzt. Durch diese Schaltung erhält man im Verbraucherkreis einen konstanten Volumenstrom mit variabler Temperatur. Im Erzeugerkreis hingegen ergeben sich große Änderungen von Volumenstrom und Druck, was bei Anlagen mit mehreren Gruppen berücksichtigt werden muss. Ventil geschlossen Fig. 5-28 Eigenschaften Einsatzgebiet Ventil voll offen Einspritzschaltung mit Durchgangsventil • relativ tiefe Rücklauftemperatur (kalt ... Verbraucher-Rücklauftemperatur bei 100 % Last) • gleichmäßige Temperaturverteilung über dem Wärmeverbraucher • geringe Einfriergefahr bei Lufterwärmern • bei geschlossenem Ventil kann die Pumpe im Erzeugerkreis überhitzen (⇒ Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen) • Wärmespeicher und Wärmepumpen • Niedertemperatur-Kesselanlagen (Brennwert-Kessel, kondensierende Kessel) • direkte Fernheizungsanschlüsse • nicht geeignet für Luftkühler mit Entfeuchtungsregelung Darstellungsarten Geographische Darstellung Fig. 5-29 Synoptische Darstellung Darstellungsarten der Einspritzschaltung mit Durchgangsventil 145 5.5 kV-Werte kV-Wert: Durchfluss-Kennwert bei bestimmtem Hub Der kV-Wert eines Ventils ändert sich je nach Ventilstellung (Hub). Er spezifiziert den Durchfluss bei einer konstanten Druckdifferenz von 1 bar über dem Regeltor. kVS-Wert: Durchfluss-Kennwert bei offenem Ventil Der kV-Wert, der sich bei voll geöffnetem Ventil ergibt (also bei Nennhub H100), heißt kVS-Wert. Die Hersteller von Ventilen und Drosselorganen geben diese konstruktionsabhängige Größe kVS für jedes Stellglied an. Um verschiedene Fabrikate und Typen vergleichen zu können, werden Ventile einheitlich spezifiziert: • kV-Werte relativ zum kVS-Wert: kV / kVS = 0...1 • Hub H relativ zum Nennhub H100: H / H100 = 0...1 Wird kV / kVS über den Hubbereich 0...1 dargestellt, so nennt man dies die Ventilkennlinie (auch Ventil-Grundkennlinie). Fig. 5-30 Typische Ventilkennlinie 5.6 Ventil-Kennlinien Man unterscheidet zwischen: Kennlinien-Grundform • mathematisch berechnet, also theoretisch • Grundkennlinie Durchfluss unter Normbedingungen (1 bar, 25 °C), gemessen für jede Ventilstellung Die gebräuchlichsten Kennlinien-Grundformen sind nachfolgend kurz beschrieben: linear Gleiche Änderung des Hubes führt zu gleicher Änderung des kV-Wertes. gleichprozentig Eine gleiche Hubänderung ergibt eine prozentual gleich große Änderung des jeweiligen kV-Wertes, d.h. je größer der Hub (je offener das Ventil), desto stärker wirkt sich die Hubänderung auf den Durchfluss aus. Im unteren Hubbereich ist die Kennlinie noch flach, nach oben wird sie immer steiler. 146 gleichprozentig/linear Kennlinien-Grundform, die im unteren Hubbereich linear ist und ab ca. 30 % des Hubs gleichprozentig wird. Die Kennlinie-Grundform ist Basis für die Konstruktion des Ventilkegels, der dann die Grundkennlinie des Ventils bestimmt. linear Fig. 5-31 gleichprozentig gleichprozentig-linear Ventilkennlinien im Vergleich 147 5.7 Streckenkennlinie Wird ein Ventil in eine Anlage eingebaut, so sollte die Ventilkennlinie die Wärmeübertrager-Kennlinie kompensieren. Die daraus resultierende Leistungsabgabe am Wärmeübertrager kann wiederum als Graph dargestellt werden – die Streckenkennlinie (auch Regelkennlinie genannt). Die beiden Grafiken zeigen, dass man durch die geschickte Wahl der VentilKennlinie dem Ziel näher kommt, aber ein lineares Verhalten zwischen Hub und Leistung kann damit allein noch nicht erreicht werden. Wärmeübertrager-Kennlinie Grundkennlinie linear Fig. 5-32 148 Resultierende Streckenkennlinie Streckenkennlinie aus Wärmeübertrager-Kennlinie und Ventil mit linearer Grundkennlinie Wärmeübertrager-Kennlinie Grundkennlinie gleichprozentig Fig. 5-33 Resultierende Streckenkennlinie Streckenkennlinie aus Wärmeübertrager-Kennlinie und Ventil mit gleichprozentiger Grundkennlinie 149 6 Lüftungs-/Klimaanlagen 6.1 Begriffs-Erklärungen (nach DIN 1946) Lüftungsanlage Anlage ohne oder mit nur einer thermodynamischen Funktion (z.B. Heizen). Teilklimaanlage Anlage, mit welcher entweder die Raumlufttemperatur oder die Raumluftfeuchte, bei jedem Lastzustand, auf einem gewünschten Wert gehalten wird. (Heizen/ Kühlen oder Befeuchten/Entfeuchten). Kann z.B. nur die Temperatur durch Heizen/ Kühlen auf einem gewünschten Wert gehalten und diese zusätzlich befeuchtet (aber nicht entfeuchtet) werden, dann handelt es sich definitionsgemäß noch um eine Teilklimaanlage. Vollklimaanlage Anlage, mit welcher sowohl die Raumlufttemperatur wie auch die Raumluftfeuchte, bei jedem Lastzustand, auf einem gewünschten Wert gehalten werden (Heizen/ Kühlen und Befeuchten/Entfeuchten). NG-Anlage Niedergeschwindigkeitsanlage mit Strömungsgeschwindigkeiten in den Kanälen < 10 m/s. (Ältere Bezeichnung: Niederdruck-Anlage) Meist Industrieanlagen mit großen Luftmengen und relativ kurzen Distanzen. Luftauslässe können direkt in die Kanäle eingesetzt werden. HG-Anlage Hochgeschwindigkeitsanlage mit Strömungsgeschwindigkeiten in den Zuluftkanälen > 10 m/s. (Ältere Bezeichnung: Hochdruckanlage) Meist Komfortklimaanlagen mit weniger großen Luftmengen und relativ langen Distanzen. Luftauslässe können nicht direkt in die Kanäle eingesetzt werden, da die Luftgeschwindigkeit vorher von Hoch- auf Niedergeschwindigkeit reduziert werden muss (Entspannung). Außenluft (AU) Luft, die aus dem Freien angesaugt wird. Zuluft (ZU) Luft, die aus der Anlage in den Raum geblasen wird. Raumluft (RA) Luft im belüfteten oder klimatisierten Raum. Abluft (AB) Luft, die aus dem Raum abgeführt wird. Umluft (UM) Abluft, die in die Luftaufbereitungsanlage zurückgeführt wird. Fortluft (FO) Abluft, die ins Freie geblasen wird. In der Siemens Dokumentation CM1Z011de „Grafische Symbole“ sind die Symbole einzelner Geräte und weitere Informationen aufgeführt. 150 6.2 Abgrenzung Lufttechnische Anlagenelemente In diesem Abschnitt werden die wichtigsten lufttechnischen Anlagenelemente beschrieben. Es handelt sich dabei nur um eine kurze Übersicht, ohne detaillierte Angaben über die Dimensionierung und die spezifischen Einsatzkriterien. Kenntnisse zur deren Verwendung im Zusammenhang mit Steuer- und Regelfunktionen werden im Trainingsmodul „Regeln und Steuern von Lüftungsanlagen“ vermittelt. Fig. 6-1 Prinzipschema einer Klimaanlage mit typischen Anlageelementen 6.2.1 Wetterschutzgitter Wetterschutzgitter für Außenluft und Fortluft verhindern Eintritt von Regen und Kleintieren (Mäuse, Vögel, ...) in Luftkanäle. Oft werden diese auch formschön ausgeführt, als Teil der Gebäudefassade. An gewissen Standorten oder Lagen ist es notwendig, die Wetterschutzgitter zu beheizen, da diese sonst in kurzer Zeit zufrieren können. Aufgabe Fig. 6-2 Wetterschutzgitter 6.2.2 Luftklappen Aufgrund der Aufgabe unterscheidet man zwischen • Absperrklappen • Drosselklappen Absperrklappen schließen durch Stellmotor den Kanalquerschnitt, wenn die Anlage ausgeschaltet wird oder aber auch in einem Wartungs-, Reparatur- oder Störfall. Je nach Anforderung müssen diese auch luftdicht oder sogar gasdicht ausgeführt sein. Bei Drosselklappen ist zu beachten, dass eine gute Drosselwirkung nur dann eintritt, wenn der Widerstand der geöffneten Klappe einen gewissen Teil des Gesamtwiderstandes im Kanalsystem ausmacht. 151 Bauarten Klappen gibt es in runder und rechteckiger Ausführung. In runden Kanälen bestehen normale Drossel- oder Absperrklappen aus einem runden Klappenblatt, das auf einer Drehachse mit rundem oder quadratischem Querschnitt montiert ist (Fig. 6-3). B17-1 Fig. 6-3 Drosselklappe im runden Luftkanal Rechteckige Klappen (sog. Jalousieklappen) bestehen meist aus mehreren Lamellen, die entweder gleichlaufend oder gegenläufig auf/zu bewegt werden können (Fig. 6-4). Je nach den regeltechnischen Anforderungen können beide Varianten als Drosselklappen eingesetzt werden. Als Absperrklappe wird praktisch nur die preisgünstigere gleichlaufende Klappe verwendet. Fig. 6-4 Spezielle Bauarten 152 Jalousieklappen: links gegenläufig, rechts gleichlaufend drehend Sicherheits- und Brandschutzklappen für das rasche und dichte Schließen der Luftkanäle im Gefahrenfall. 6.2.3 Aufgabe Luftfilter Luftfilter sind Geräte und Komponenten der Luftaufbereitung, mit denen teilchenund gasförmige Verunreinigungen aus der Luft gefiltert und abgeschieden werden. Die natürliche Luft weist Verunreinigungen in Konzentrationen zwischen 0,05 und 3,0 mg/m3 auf; industriell werden Luftfilter für Konzentrationen bis ca. 20 mg/m3 wirtschaftlich eingesetzt. Fig. 6-5 Typischer Filter für Lüftungs- und Klimaanlagen 6.2.3.1 Einteilung nach Filterklassen Luftfilter werden, aufbauend auf den Prüfmethoden gemäß DIN 24185 und DIN 24184 in die folgenden drei Hauptgruppen eingeteilt: • Großstaubfilter (auch Grobstaubfilter) mit Filterklassen G1...G4 • Feinstaubfilter mit Filterklassen F5...F9 • Schwebstofffilter mit Filterklassen EU10...EU12 Auf Grund der ständig steigenden Anforderungen in Reinräumen wurden inzwischen weitere Klassen für Schwebstofffilter geschaffen (EU13...EU17), die höchsten Anforderungen gerecht werden. Der Abscheidegrad und der Wirkungsgrad hängen fast ausschließlich vom Filtermedium ab, während die Staubspeicherfähigkeit vom Filtermedium und von der Filterfläche beeinflusst wird. 153 HEPA- und ULPA-Filter Filter der Klassen EU 10 bis EU 14 werden auch als HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air; H10 bis H14) bezeichnet. Filter der Klassen EU15 bis EU17 werden auch als ULPA-Filter (Ultra Low Penetration Airfilter; U15 bis U17) bezeichnet. Filterklasse Abscheidegrad % Durchlass % Alte Bezeichnung Bezeichnung G1 < 65 EU 1/A G2 65...80 EU 2/B1 Grobstaub- G3 80…90 EU 3/B2 filter G4 > 90 EU 4/B2 F5 – EU 5 F6 – EU 6 Feinstaub- F7 – EU 7 filter F8 – EU 8 F9 – EU 9 EU 10 85 15 Q EU 11 95 5 R EU 12 99,5 0,5 S EU 13 99,95 0,05 S Schwebstoff- EU 14 99,995 0,005 ST filter EU 15 99,9995 0,0005 T EU 16 99,99995 0,00005 U EU 17 99,999995 0,000005 V Fig. 6-6 Luftfilter-Klasseneinteilung (nach DIN EN 779, Quelle Recknagel) 6.2.3.2 Druckdifferenzen am Luftfilter Anfangs-Druckdifferenz Die typischen Druckdifferenzen bei neuen Luftfiltern liegen bei • Grobstaubfiltern im Bereich von 30...50 Pa • Feinstaubfiltern im Bereich von 50...150 Pa • Schwebstofffiltern im Bereich von 100...250 Pa Die Filter werden üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von 2 – 3 m/s angeströmt (bezogen auf die Ansichtsfläche des Filters). End-Druckdifferenz Die empfohlenen (und erreichbaren) End-Druckdifferenzen liegen für • Grobstaubfiltern im Bereich von 200...300 Pa • Feinstaubfiltern im Bereich von 300...500 Pa • Schwebstofffiltern im Bereich von 1'000...1'500 Pa Druckdifferenz-Anstieg im Betrieb 154 Im Betrieb steigt die Druckdifferenz im Filter durch Einlagerung von Staub an. Bei Grobstaubfiltern erfolgt dieser Anstieg etwa quadratisch, bei Schwebstofffiltern etwa linear. Der unterschiedliche Verlauf des Druckanstiegs lässt Variationen bei der Auslegung von Filteranlagen zu. Dabei werden die Einflussfaktoren Investitionskosten, Energiekosten, Betriebs- und Unterhaltskosten – je nach Anlagesituation – unterschiedlich gewichtet. Übliche Betriebsdauer Bei normalen Betriebsbedingungen (d.h. Nennvolumenstrom, normale Staubkonzentration, 8 h/Tag) kann ein Filter etwa für die folgende Betriebsdauer eingesetzt werden: • Großstaubfilter ¼ ... ½ Jahr • Feinstaubfilter ½ ... ¾ Jahr (mit vorgeschaltetem Großstaubfilter) • Schwebstofffilter 1 ... 4 Jahre (mit vorgeschalteten Groß- und Feinstaubfiltern) je nach Betriebsstunden und Anströmgeschwindigkeit 6.2.3.3 Filterbauarten Die Filterbauarten sind sehr vielfältig. Es werden verschiedenste Bezeichnungen verwendet, die sich am Material, der Einbauart, der Benutzung, der Filterklasse und anderen Faktoren orientieren. Nachfolgend eine beispielhafte Auswahl möglicher Bezeichnungen für Filterbauarten. Material Metallfilter Faserfilter Aktivkohlefilter Ölbadfilter Elektrofaserfilter Einbauart Vertikalfilter Kanalfilter Wandfilter, Deckenfilter Benutzung Wegwerffilter Dauerfilter (regenerierbar) Filterklasse vgl. Fig. 6-6 Betriebsart stationäre Filter automatische Filter Umlauffilter, Bandfilter, Rollbandfilter Elektrofilter Bauart Schrägstromfilter Rundluftfilter Fig. 6-7 Trommelfilter, Kesselfilter Taschenfilter, V-Formfilter Mögliche Bezeichnungen für Luftfilter (Quelle Recknagel) 6.2.3.4 Faserfilter Das Filtermedium dieser in verschiedenen Formen hergestellten Filter ist ein Vlies, welches aus Fasern unterschiedlicher Werkstoffe, wie Glas, Kunststoff, Naturprodukten oder Metallen hergestellt wird. Als generelle Grundforderung sind lange Betriebszeiten und niedrige Druckdifferenzen zu sehen. Dies wird dadurch realisiert, dass möglichst viel Filterfläche in einem konfektionierten Filter untergebracht wird. Typische Bauformen sind: • ebene Filterzellen • Taschenfilter Ebene Filterzellen Hier wird das Filtermedium mit einer Gesamtdicke von ca. 50 mm innerhalb eines Kartonrahmens von gelochten Blechen oder Pappen abgestützt. Eine weitere Ausführungsform weist ein zickzackförmiges gefaltetes Medium auf, welches mit Abstandhaltern aus Pappe oder Kunststoffen auf Abstand gehalten wird. 155 Fig. 6-8 Taschenfilter Filterzellen, Filterrahmen mit zickzackförmig gefaltetem Filtermaterial (⇒ größere Oberfläche) Taschenfilter sind die verbreitetste Bauform für Faserfilter, wobei Einrichtungen wie keilförmig ausgeführte Naht, einzelne Heftfäden, eingeklebte oder – genähte Vliesstreifen, ... ein Aufblähen der Taschen verhindern. Der Filter besteht aus 6 bis 12 Taschen, welche in einem gemeinsamen Rahmen untergebracht sind. Fig. 6-9 Taschenfilter Taschenfilter haben eine besonders hohe Staubspeicherfähigkeit und geringe Einbaumasse. Das Flächenverhältnis Filterfläche/Ansichtsfläche beträgt dabei etwa 20:1 ... 25:1. Die Anströmgeschwindigkeit beträgt ≈ 2,5 m/s bezogen auf die Ansichtsfläche und ≈ 1 m/s bezogen auf die Filterfläche. Sie sind üblicherweise nicht reinigungsfähig, haben jedoch eine lange Standzeit. Schwebstofffilter Sie werden meist als Endstufe eines mehrstufigen Filters eingesetzt (Vorfilter sind zwingend erforderlich). Eingesetzt werden sie hauptsächlich bei industriellen Anwendungen wie Laboratorien, Operationsräumen, Reinräumen und in pharmazeutischen Betrieben. Schwebstofffilter werden oft in einzelnen Rahmen mit zickzackförmig angeordnetem Filtermaterial ausgeführt. Die wirksame Filterfläche ist dabei 20...50 Mal größer als die Anströmfläche. Das ergibt bei einer Anströmgeschwindigkeit von ≈ 1,5 m/s im Filtermedium eine Luftgeschwindigkeit von ≈ 2,5 cm/s. Beim Einbau ist auch auf dichtschließenden Anschluss zu achten und dieser ist unbedingt zu überprüfen. Bei Reinräumen ist dem Druckabfall – wegen des hohen Volumenstromes und dem kontinuierlichen Betrieb – besondere Beachtung zu schenken, da dieser eine maßgebende Größe für den Energieverbrauch darstellt. Neuere Entwicklungen in 156 den Filterklassen EU 13...EU 16 (vormals S, T und U) zielen daher auf einen geringere Anfangs-Druckdifferenz ab (z.B. 90...150 Pa). Dazu werden beispielsweise elektrostatische und mechanische Abscheide-Effekte kombiniert, die in einer noch tieferen Anfangs-Druckdifferenz resultieren (z.B. 55...90 Pa). Fig. 6-10 Schwebstofffilter 6.2.3.5 Metallfilter Metallfilter werden zur Abscheidung von Öl- und Fettnebeln, Grobstaubabscheidungen und Farbnebelabscheidungen eingesetzt. Die Filterwirkung beruht darauf, dass der Luftstrom beim Durchströmen der Filterschicht in eine große Zahl von Teilströmen zerlegt wird. welche vielfachen Richtungsänderungen unterworfen sind. Der Abscheidungsmechanismus basiert auf dem Sperreffekt und Trägheitseffekt. Fig. 6-11 Metallfilter (zwei mögliche Bauformen) Die Reinigung erfolgt durch Auswaschung mit Spülmitteln (z.B. bei Filtern von Küchenhauben) oder mit Öl oder Lösungsmitteln (je nach Art der Luftverunreinigung). 6.2.3.6 Aktivkohlefilter Filter mit Aktivkohle dienen zur Adsorption von schädlichen oder unerwünschten gas- und dampfförmigen Verunreinigungen der Luft. Dazu zählen Gerüche aus Küchen, Toiletten, Versammlungsräumen, aber auch Gase und Dämpfe aus industriellen Prozessen. Die Wirkung der Aktivkohle beruht, je nach Schadstoffund Kohlezustand, auf der physikalischen und/oder chemischen Adsorption. Kleine Außenfläche, riesige AdsorptionsFläche in Poren Das Basismaterial für Aktivkohle ist Steinkohle, Kokosschalen oder auch Holz. In einem speziellen Prozess wird das Grundmaterial so aufbereitet, dass ein Körper mit zahlreichen, Poren entsteht. Dadurch enthält der Grundwerkstoff eine sehr große Oberfläche, an der sich die Schadstoffmoleküle anlagern können. Im Gegen- 157 satz zu der sichtbaren makroskopischen Gestalt und Oberfläche spricht man bei der durch die Poren gebildeten Oberfläche von der „inneren“ oder spezifischen Oberfläche der Aktivkohle. Als Anhaltspunkt kann gelten, dass 1 g Aktivkohle einem Volumen von ca. 2 cm3 entspricht und eine „innere“ oder spezifische Oberfläche von 900...1'200 m2 hat. Imprägnierung je nach Schadstoff Damit ein Aktivkohlefilter nun bestimmte Schadstoffe auch ausfiltern kann, muss die Adsorptionsoberfläche oft mit einem chemischen Mittel behandelt, d.h. imprägniert werden. Ein optimales Adsorptionsverhalten bedingt, dass die Aktivkohle, die Imprägnierung und der zu adsorbierende Stoff sehr gut aufeinander abgestimmt sind. Gase wie N2, O2 und CO2 können mit Aktivkohle nicht adsorbiert werden, da sie ständig vorhanden sind und die Aktivkohle bereits mit diesen Molekülen belegt ist. Bauarten Aktivkohlefilter werden in verschiedenen Bauarten, z.B. als Aktivkohleplatten oder als regenerierbare Aktivkohlefilterpatronen ausgeführt. Die Regenerierung erfolgt dem adsorbierten Schadstoff entsprechend mit sehr unterschiedlichen Verfahren (z.B. hohe Temperatur). Fig. 6-12 Betriebsdauer Aktivkohlefilter (verschiedene Bauformen) Vorfilter sind unbedingt erforderlich, um die Wirksamkeit der Aktivkohle nicht durch Staubverschmutzung zu beeinträchtigen. Richtig eingebaut und gewartet, haben Aktivkohlefilter eine Betriebszeit von 3...12 Monaten. 6.2.3.7 Elektrofilter In der Lüftungs- und Klimatechnik werden Elektrofilter eher selten eingesetzt, kommen aber in speziellen Fällen zur Anwendung (z.B. hoher Staubgehalt, 24 hBetrieb, Ölnebel in der Abluft, ...). Elektrofilter mit Ionisierungsteil Elektrofilter funktionieren meistens nach dem Penney-System und bestehen aus einem Ionisierungsteil mit positiv geladenen Wolframdrähten, in dem die ankommenden Staubteilchen durch Anlagerung von Ionen elektrisch aufgeladen werden, und einem Staubabscheidungsteil in Form eines Plattenkondensators. Je nach Art der Partikel die ausgefiltert werden müssen, kann die Oberfläche noch mit Staubbindemitteln benetzt werden. Die Reinigung erfolgt durch Abspritzen mit Wasser von etwa 30...40 °C und kann auch mit entsprechenden Vorrichtungen automatisiert erfolgen. Elektrofilter bieten einen guten Entstaubungsgrad auch bei kleinsten Teilchen bis 0,1 μm und darunter (z.B. Tabakrauch, Nebel, Pollen, Bakterien). Sie bieten einen geringen Luftwiderstand, sind aber in der Anschaffung teuer. 158 Elektrostatische Filter Teilweise werden auch Elektrofilter eingesetzt, die nach dem elektrostatischen Prinzip arbeiten und keinen Ionisierungsteil besitzen. Als Filtermedien kommen hier faserige Stoffe zur Anwendung welche entweder durch ein spezielles Verfahren mit elektrischen Dipolen versehen sind oder welche in einem von außen aufgeprägten elektrostatischen Feld angeordnet sind. Je nach angelegter Spannung oder Struktur des Filtermediums werden mit bzw. ohne elektrisches Feld Abscheidegrade von 15 % bis 90 % erzielt. Elektrofilter auch in Kleinanlagen Vermehrt werden Elektrofilter auch in Kleinanlagen für den Wohnbereich angeboten, da diese auch Pollen, usw. entfernen. Dabei ist zu beachten, dass der Stromverbrauch den Bestrebungen nach Energieeinsparung mit Hilfe von kontrollierten Wohnungslüftungsanlagen (vgl. 6.5) entgegenwirken kann. 6.2.3.8 Automatische Filter Bei diesen Filtern wird das Filtermedium oder die Filterschicht während des Betriebes intermittierend oder permanent erneuert oder gereinigt. Man unterscheidet dabei im Wesentlichen • Bandluftfilter • ölbenetzte Umlauffilter Bandluftfilter Bei Bandluftfiltern wird das saubere Filtermedium von einer Roller abgespult und bei zunehmender Verschmutzung auf eine zweite Rolle aufgewickelt. Der Bandtransport erfolgt durch einen Elektromotor. Die Filter arbeiten nahezu mit einer konstanten Betriebsdruckdifferenz, weisen aber eine höhenabhängige Luftverteilung auf (z.B. oben noch wenig verschmutzt ⇒ hohe Luftgeschwindigkeit; unten mehr verschmutzt ⇒ reduzierte Luftgeschwindigkeit). Fig. 6-13 Ölbenetzte Umlauffilter Rollbandfilter Ölbenetzte Umlauffilter arbeiten mit einem endlos umlaufenden Band aus Zellen oder Platten. Die Reinigung erfolgt im Ölbehälter mit einem Waschvorgang durch bewegtes Öl. Danach werden die gereinigten Schichten der Lufteintrittsseite zugewandt. Der ausgewaschene Staub sammelt sich am Boden des Ölbehälters und wird durch Ablassen des Öls, Auskratzen des Schlammes oder durch einen selbstreinigenden Ölkreislauf entfernt. 159 6.2.4 Aufgabe Ventilatoren Transport der Luft durch die raumlufttechnische Anlage. Sie erzeugen den erforderlichen Volumenstrom und die dem Druckverlust der Anlage entsprechende Druckerhöhung. Fig. 6-14 Radial-Ventilator mit separatem Motor und Keilriemenantrieb (zum Einbau in zentrales Lüftungsgerät) Bauarten und Funktionsweise Man unterscheidet zwischen Radial-Ventilatoren (Fig. 6-15) und Axial-Ventilatoren (Fig. 6-16). Prinzipiell werden in Lüftungs- und Klimaanlagen Radialventilatoren für relativ kleine Luftmengen (bis ca. 50'000 m3/h) bei hohen Förderdrücken (bis 3'000 Pa) eingesetzt. Axialventilatoren kommen für relativ große Luftmengen (> 50'000 m3/h) bei niedrigen Förderdrücken (bis 1'000 Pa) zur Anwendung. Radialventilator Der Radialventilator saugt die Luft axial an und fördert sie radial. Die Leitvorrichtung ist das Spiralgehäuse. Die Laufräder werden je nach Bedarf mit vorwärts-, rückwärts-gekrümmten oder geraden Schaufeln gebaut. Bauart Anwendung rückwärts gekrümmte Schaufeln bei hohen Drücken bis 3'000 Pa und Wirkungsgraden von 80...85 % vorwärts gekrümmte Schaufeln bei geringen Drücken bis ca. 1'300 Pa und Wirkungsgraden von 55...75 % gerade Schaufeln für Sonderanwendungen 4 2 1 3 Fig. 6-15 160 Radialventilator mit Laufrad (1), Spiralgehäuse (2), Lufteintritt (3) und Luftaustritt (4) (Quelle LTG) Axialventilator Der Axialventilator fördert den Luftstrom parallel zu seiner Antriebsachse. Bei den besseren und leistungsstärkeren Ausführungen wird der Austrittsdrall des Laufrades durch ein feststehendes Leitrad aufgefangen. Bauart Anwendung Wandventilator für Fenster- oder Wandeinbau ohne Leitrad bei geringen Drücken (bis. ca. 300 Pa) mit Leitrad bei höheren Drücken (bis ca. 1'000 Pa) Gegenläufer (2 Laufräder die sich in höchste Drücke (> 1'000 Pa) und SonderGegenrichtung bewegen) anwendungen 2 3 1 4 Fig. 6-16 Axialventilator mit Laufrad (1), Leitrad (2), Lufteintritt (3) und Luftaustritt (4) (Quelle LTG) Für die richtige Auswahl des einzusetzenden Ventilatortyps hängt von verschiedenen Gesichtspunkten ab und jeder Typ hat gewisse Vorteile. Radialventilator Geringe Geräuschentwicklung einfache Leistungsanpassung * einfache Motorauswechslung * Axialventilator Geringer Raumbedarf niedrige Anschaffungskosten Regelung durch Schaufelverstellung * bei Motoren mit Keilriemen-Antrieb 6.2.4.1 Die Ventilator- und Anlagekennlinien ProportionalitätsGesetze Bei Anlagesystemen mit quadratischer Kennlinie (was für die allermeisten Komponenten zutrifft, vgl. Fig. 6-17, Anlagekennlinien I und II) und unveränderlicher Dichte gelten die aus der Strömungsmechanik bekannten Proportionalitätsgesetze. ProportionalitätsGesetz 1 ProportionalitätsGesetz 2 Der Volumenstrom ändert sich proportional mit dem Drehzahlverhältnis. V& 1 n1 = V& 2 n 2 (Gleichung 1) Die Druckerhöhung ändert sich mit dem Quadrat des Drehzahl- oder Volumenstrom-Verhältnisses. 2 ⎛n ⎞ p1 ⎛⎜ V& 1 ⎞⎟ = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = ⎟ ⎜ & p 2 ⎝ V2 ⎠ ⎝ n2 ⎠ ProportionalitätsGesetz 3 2 (Gleichung 2) Die Antriebsleistung ändert sich proportional mit der 3. Potenz des Drehzahl- oder Volumenstrom-Verhältnisses (gilt so nur, wenn sich der Ventilator-Wirkungsgrad nicht ändert). 161 3 3 ⎛n ⎞ P1 ⎛⎜ V& 1 ⎞⎟ = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = P2 ⎜⎝ V& 2 ⎟⎠ ⎝ n2 ⎠ Aussagen der Gleichungen (Gleichung 3) • Gleichung 1 besagt z.B., dass eine Verdopplung des Volumenstromes mit der Verdopplung der Drehzahl erreicht wird. Beispiel: Wird bei einem Ventilator die Drehzahl von 1'000 auf 2'000 min-1 erhöht dann ändert sich der geförderte Volumenstrom von 4'000 m3/h wie folgt: V& 1 n1 n 2000 min -1 = ⇒ V& 2 = V& 1 ⋅ 2 = 4'000 m 3 /h ⋅ = 8'000 m 3 /h n1 V& 2 n 2 1000 min -1 • Gleichung 2 zeigt z.B., dass mit der Verdopplung des Volumenstromes ein vierfach höherer Druck folgt. Beispiel: Der Ventilator fördert die 4'000 m3/h mit einem Druck von 350 Pa. Wird nun wie oben berechnet, die Drehzahl und damit der Volumenstrom verdoppelt, dann ergibt sich folgende Druckerhöhung: 2 2 2 2 ⎛ V& ⎞ ⎛ 8'000 m 3 /h ⎞ ⎛n ⎞ p1 ⎛⎜ V& 1 ⎞⎟ ⎟ = 1'400 Pa = = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⇒ p 2 = p1 ⋅ ⎜ 2 ⎟ = 350 Pa ⋅ ⎜ ⎜ 4'000 m 3 /h ⎟ ⎜ V& ⎟ p 2 ⎜⎝ V& 2 ⎟⎠ ⎝ n2 ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ 1⎠ • Gleichung 3 zeigt z.B., dass mit der Verdopplung des Volumenstromes ein achtfach höherer Kraftbedarf erforderlich wird oder umgekehrt eine Halbierung des Volumenstromes die Leistungsaufnahme auf 1/8 reduziert (vgl. Drehzahlregelung)! Beispiel: Wird der Ventilator z.B. in einer VVS-Anlage eingesetzt und muss im TeillastBetrieb nur 4'000 m3/h anstatt 8'000 m3/h fördern, dann ändert sich die Leistungsaufnahme von momentan 3,0 kW (an der Welle) wie folgt: 3 3 3 3 ⎛ V& ⎞ ⎛ 4'000 m 3 /h ⎞ ⎛n ⎞ P1 ⎛⎜ V& 1 ⎞⎟ ⎟ = 0.375 kW = = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⇒ P2 = P1 ⋅ ⎜ 2 ⎟ = 3.0 kW ⋅ ⎜ ⎜ 8'000 m 3 /h ⎟ ⎜ V& ⎟ P2 ⎜⎝ V& 2 ⎟⎠ ⎝ n2 ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ 1⎠ 162 II I 3 Δp3 Δp2 4 2 Δp1 1 n3 n4 n1 V& 1 Fig. 6-17 V& 4 Ventilator- und Anlagekennlinien (nicht doppelt logarithmisch) n1...n4 Ventilatorkennlinien bei verschiedenen Drehzahlen I, II Anlagekennlinien 1 und 2 1...4 Betriebspunkte 1 1→ 2 3 1→ 4 Verwirrspiel? Betriebspunkt normal Betriebspunkt-Verschiebung z.B. durch verschmutzten Filter wie bei 2, aber mit dem gewünschten Luftvolumenstrom Betriebspunkt-Verschiebung bei Drehzahlerhöhung Die Kennliniendarstellung von Ventilatoren sieht in der Regel etwas anders aus als in Fig. 6-17 und zeigt eine eher verwirrende Fülle von Linien, Kurven und Skalenstäben, deren Bedeutung und Information zum gewählten Betriebspunkt nicht immer auf Anhieb erkennbar wird. Normalerweise werden eine bis drei Linien je Ventilatorgröße gemessen (Volumen, Druck, Kraftbedarf, Drehzahl). Alle anderen in dem Kennlinienfeld aufgeführten Druck-Volumen-Kennlinien werden über Proportionalitätsgesetze hochgerechnet. Dies bedeutet: Nicht jede dargestellte Druck-Volumen-Kennlinie ist eine gemessene Linie. 163 Zur Vereinfachung der Darstellung wählen die Ventilator-Hersteller die sogenannte doppelt-logarithmische Darstellung. Dadurch werden die Anlagekennlinien nicht mehr als Parabeln wie in Fig. 6-17, sondern als Geraden mit der Funktion Δpt = f · (V2) dargestellt. Fig. 6-18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A 164 Ventilatorkennlinien (mit logarithmisch skalierten V& - und Δpt -Achse) 3 3 Volumenstrom in 1'000 m /h (oder m /s, l/s, ...) Totaldruck-Erhöhung Δpt in Pa Druck-Volumen-Kennlinien Feld Wirkungsgrad und Anlagekennlinie Kraftbedarf in kW an der Welle des Ventilators A-bewerteter Schallleistungspegel Austritts-Geschwindigkeit c2 in m/s (im Abstand von 2,5 x Laufrad-Durchmesser) 2 dynamischer Druck pd2 in Pa (resultierend aus Austritts-Geschwindigkeit; pd2 = ρ·(c2) /2) Ventilatordrehzahl Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades in m/s 3 Betriebspunkt z.B. bei 4'000 m /h und 800 Pa 6.2.5 Lufterwärmer Aufgabe Erwärmen der Zuluft auf die erforderliche Temperatur (z.B. Einblastemperatur einer Raumheizung). Bauarten nach Betriebsmitteln • Rippenrohr-Wärmeübertrager, betrieben mit Warmwasser, Heißwasser, Wasseroder Kältemitteldampf (Fig. 6-19) • Elektrolufterwärmer (Fig. 6-21) Lufterwärmer werden in Luftheizanlagen und in Klimaanlagen als Vorwärmer oder Nachwärmer eingesetzt. Fig. 6-19 Rippenrohr-Lufterwärmer und möglicher Einbau in Anlage (mit Beimischschaltung) Wärmeübertrager zeigen meistens ein nichtlineares Verhalten zwischen dem sie durchfließenden Massenstrom und der zugehörigen abgegebenen Leistung. Je nach Konstruktion und Versorgungstemperaturen, ist diese sogenannte Wärmeübertrager-Kennlinie mehr oder weniger stark gebogen, was mit dem „a-Wert“ ausgedrückt wird. Die Wärmeübertrager-Kennlinie wird auf den maximalen Volu& 100 bezogen dargestellt. menstrom V& 100 und die maximale Leistung Q Fig. 6-20 Wärmeübertrager-Kennlinien und zugehörige a-Werte Elektrolufterwärmer haben eine Anzahl Heizwendel eingebaut, die sich erwärmen wenn sie von Strom durchflossen werden und die so entstandene Wärme an die Luft abgeben. Sie werden dort eingebaut, wo keine Warmwasserheizung besteht, der Anschluss zu weit weg ist oder aus anderen Randbedingungen ein Warmwasser-Lufterwärmer nicht zulässig ist. Elektrolufterwärmer benötigen wegen der möglichen Brandgefahr spezielle Sicherheitseinrichtungen und -vorkehrungen (z.B. Sicherheitsthermostat, Nachlaufzeit des Ventilators, ...). 165 Fig. 6-21 Elektrolufterwärmer (Stahlrohre mit eingebauten Heizwendeln; Quelle Loysch) 6.2.6 Kaltwasser-Luftkühler Kaltwasser-Luftkühler sind Rippenrohr-Wärmeübertrager die mit Kaltwasser mit Vorlauf-/Rücklauftemperaturen von z.B. 6/12 °C oder 8/14 °C betrieben werden. Luftkühler benötigen in der Regel mehr Übertragungsfläche als Lufterwärmer, weil die mittlere Temperaturdifferenz zwischen der Kühleroberfläche und der Luft kleiner ist. Diese Forderung wird konstruktiv durch mehrere, hintereinander angeordnete Rohrreihen erfüllt. Der nachfolgend gezeigte hydraulische Anschluss des Luftkühlers muss zwingend so gemacht werden, d.h. Umlenkschaltung, wenn die Luft nicht nur gekühlt, sondern auch entfeuchtet werden soll. Soll die Luft nur gekühlt werden, dann ist auch eine Beimischschaltung zulässig. 2 1 Fig. 6-22 1 2 möglicher Einbau eines Kaltwasser-Kühlers in Anlage (mit Umlenkschaltung) Kaltwassereintritt Lufteintritt 6.2.7 Direktverdampfer-Luftkühler Ein Rippenrohr-Wärmeübertrager als Verdampfer eines Kältemittel-Kreisprozesses wird direkt als Kühler in den Luftstrom eingesetzt. Diese Lösung wird in der Regel nur in Kompakt-Luftkühlgeräten gewählt, in welche auch der Kompressor und der Kondensator eingebaut werden. Fig. 6-23 166 Direktverdampfer-Luftkühler mögliche Bauformen (links) Anschlussdetail Kältemittelverteiler (rechts) 6.2.8 Prinzipien Befeuchter • Befeuchtung durch Verdunstung von Wasser • Befeuchtung durch Einblasen von Dampf 6.2.8.1 Verdunstungsbefeuchter Zu den Verdunstungsbefeuchtern gehören die Luftwäscher, die Wasser-Zerstäuber und die Oberflächen-Wasserverdunster. Luftwäscher Wasser wird aus einem Bassin in die im Luftstrom verteilten Sprühdüsen gepumpt. Die feinen Tröpfchen verdunsten größtenteils zu Wasserdampf und entziehen dabei der vorbeiströmenden Luft die dazu notwendige Verdampfungswärme. Da die für die Verdampfung notwendige Energie ausschließlich aus der Luft stammt kühlt sich der Luftstrom dabei ab (adiabate Kühlung). Die nicht verdunsteten Wassertröpfchen werden in einem Tropfenabscheider, am Austritt des Luftwäschers ausgeschieden und ins Auffangbecken zurückgeleitet. 2 1 2 3 3 4 Fig. 7-15 Fig. 6-24 1 2 3 4 Wasser-Zerstäuber Luftwäscher Prinzip und mögl. Bauform (Quelle Baehr) Sprühdüsen (mehrere Reihen nebeneinander, oft Sprührichtung gegen den Luftstrom) Tropfenabscheider Auffangbecken Umwälzpumpe Das Wasser wird durch sogenannte Molekular-Zerstäuberdüsen zu einem Sprühnebel zerstäubt. Die Wassertröpfchen (sog. Aerosole) werden dabei so klein, dass sie in der Luft schweben und anschließend vollständig verdunsten. Die Verdunstungswärme wird der Luft entzogen die dadurch etwas abgekühlt wird (adiabatische Kühlung). Fig. 6-25 Oberflächen-Wasserverdunster (eingebaut in Lüftungsgerät) 167 Oberflächen-Wasserverdunster Dem oben beschriebenen Wasserzerstäuber werden großflächige, poröse Keramikplatten nachgeschaltet, in welchen die noch nicht verdunsteten Aerosole aufgefangen werden und anschließend vollständig verdunsten (siehe Fig. 6-25). Kaltdampfgenerator In Anlagen, die hohen hygienischen Anforderungen genügen müssen, können sogenannte Kaltdampfgeneratoren zur Befeuchtung eingesetzt werden. Deutlich reduzierter Wasser- und Energieverbrauch gegenüber den oben aufgeführten Befeuchtungsarten sind die charakteristischen Merkmale eines Kaltdampfgenerators. Die eintretende Luft wird im Kaltdampfgenerator zuerst in Schwingung versetzt, z.B. durch einen Infrarot-Schallgenerator oder es werden Luftwirbel erzeugt, in dem die Luft durch ein Wirbelgitter geleitet wird. Anschließend wird das Wasser mit hohem Druck (20 – 150 bar) in die Luft eingedüst. Die Schwingung oder die Luftwirbel sorgen dabei für eine gute Durchmischung. Zur Aufnahme der Feuchtigkeit in der Luft wird auch hier Verdampfungswärme benötigt, was zu einer Abkühlung der behandelten Luft führt (entlang der Enthalpie-Linie im h-x-Diagramm). 1 2 Fig. 6-26 1 2 3 4 3 4 Kaltdampfgenerator, prinzipieller Aufbau und mögliche Bauform (Quelle Klingenburg) Luftwirbel Zerstäuberdüse(n) Durchmischungszone Tropfenabscheider In Kaltdampfgeneratoren wir nur soviel Wasser wie nötig zerstäubt. Deshalb haben sie kein Umlaufwasser und keine Auffangwanne. Nicht verdampfte Tropfen werden im Tropfenabscheider am Ende des Bauteils zurückgehalten. Kaltdampfgeneratoren haben eine sehr gute Befeuchterleistung (hoher Befeuchtungswirkungsgrad; nahezu 100 %). Die Leistungsregelung erfolgt über den Wasserdruck in der Zerstäuberdüse. 168 6.2.8.2 Dampfbefeuchter Prinzip Wasser wird zuerst vollständig verdampft und dann erst eingeblasen (keine adiabatische Kühlung der Luft). Dampfbefeuchtung wird in Komfortklimaanlagen immer häufiger eingesetzt und verdrängt dort, wo nicht gleichzeitig Luftkühlung gefordert wird, die Verdunstungsbefeuchtung. Dampf ist hygienisch sauber und frei von Bakterien. Dampf-Luftbefeuchter mit Eigendampf Im Verdampfergefäß (siehe Fig. 6-27) sind Heizelektroden eingesetzt, die sich mit der Zeit abbauen. Und weil auch der aus dem Wasser ausgeschiedene Kalk im Verdampfergefäß zurückbleibt, wird periodisch das ganze Verdampfergefäß entsorgt und durch ein neues ersetzt. Solche Dampfbefeuchter lassen sich – über entsprechende elektronische Schnittstellen – auch stetig regeln. 3 4 1 1 2 5 Fig. 6-27 1 2 3 Dampf-Luftbefeuchter mit Fremddampf B17-15 Dampf-Luftbefeuchter mit Eigendampf Verdampfergefäß Elektroden Dampflanze 4 5 Kondensatleitung Wasseranschluss In größeren Anlagen (Industrieanlagen) mit entsprechend großer Befeuchterleistung wird der Dampf in einem separaten Dampfkessel erzeugt. Der Dampf wird über speziell konstruierte Dampfverteiler (Fig. 6-28) kondensatfrei in den Luftstrom eingeblasen. Das in den Verteilrohren anfallende Kondensat muss vollständig abgeleitet und in den Dampfkessel zurückgeführt werden. Die Dampfmenge wird über ein stetiges Regelventil genau dosiert. S0132 2 2 2 1 1 Fig. 6-28 Dampf-Luftbefeuchter mit Regelventil (1) und Verteilrohren (2) für Fremddampf 169 6.2.9 Entfeuchtung Das Entziehen von Feuchtigkeit aus der Luft erfolgt nach drei grundsätzlich verschiedenen Methoden: • Kühlung der Luft mit Wasserausscheidung • Absorption des Wassers in hygroskopischen Flüssigkeiten • Adsorption des Wasserdampfes durch Anlagerung an festen Oberflächen Kühlung mit Wasserausscheidung Bei dieser Art der Lufttrocknung wird die Luft mit einem genügend kalten Kühlmittel so stark abgekühlt, dass sich das Wasser aus der Luft ausscheidet. Der Entfeuchtungsprozess ist also gleichzeitig ein Luftkühlprozess. Bemerkenswert ist, dass die Luft nicht zwingend auf ihre Taupunkt-Temperatur abgekühlt werden muss. Es genügt, wenn die Temperatur der Kühleroberfläche unterhalb der Taupunkt-Temperatur der Luft liegt. Es ist nicht erforderlich, dass der Kühler sehr groß sein muss. Denn bereits bei einer sehr geringen Abkühlung der Luft findet Wasserausscheidung statt. Zur Entfeuchtung können dieselben Kühlmittel eingesetzt werden, die auch bei der Kühlung von Luft üblich sind, also gekühltes Wasser (mit Kältemaschine produziert), Brunnenwasser, Seewasser, Sole, ... , sowie bei der direkten Kühlung die verschiedenen Kältemittel. Dieses Prinzip der Luftentfeuchtung wird sehr oft in Klimaanlagen angewendet, bei gleichzeitiger Kühlung der Luft. Sehr oft auch in fahrbaren Geräten die dann ortsunabhängig eingesetzt werden können. Absorption Der Wasserdampf geht in hygroskopischen Flüssigkeiten in Lösung und verdünnt die Flüssigkeit. Die Wasserdampfaufnahme nimmt mit steigender Wasserdampfkonzentration der Luft, mit steigendem Druck und mit sinkender Temperatur zu. Die Regenerierung der hygroskopischen Flüssigkeiten erfolgt üblicherweise durch Erwärmen. Verwendet werden in der Regel wässrige Salzlösungen von Lithiumchlorid, Lithiumbromid oder Calciumchlorid. Adsorption Bei dieser Art der Luftentfeuchtung wird der Wasserdampf an der Oberfläche eines festen Körpers – des Adsorbens – angelagert, wobei die Oberfläche vorwiegend durch die innere Struktur mit Poren kleinster Abmessungen gebildet wird. Für die Adsorption von Wasserdampf wird meistens Kieselgel eingesetzt (Handelsname Silicagel). Es besteht zu 90 % aus SiO2 und hat eine innere Oberfläche von bis zu 1'000 m2/g. Bei der Adsorption wird die Adsorptionswärme im Adsorbens freigesetzt, was zu einer Temperaturerhöhung der Luft führt. Die entfeuchtete Luft muss deshalb evtl. noch gekühlt werden. Die Regenerierung erfolgt durch Erhitzen mittels heißer Luft auf ca. 150 °C ... 200 °C. Ist das Sorptionsmittel abgekühlt, ist es wieder einsatzbereit. 170 Für einen kontinuierlichen Betrieb einer Adsorptions-Anlage sind zwei Behälter mit Kieselgel nötig. Einer adsorbiert die Luftfeuchtigkeit, während der andere regeneriert und gekühlt wird. Das Prinzip der Adsorption zur Luftentfeuchtung kommt auch in DEC-Anlagen zum Einsatz (vgl. 6.2.11). Dort besteht der rotierende Tauscher aus einer Verbindung von Keramik und Kieselgel (Silicagel). Zur Regeneration sind allerdings nicht so hohe Temperaturen erforderlich, was die Nutzung von Abwärme zulässt. Fig. 6-29 Sorptionstauscher und Funktionsprinzip (Quelle Klingenburg) 6.2.10 Wärmerückgewinnung (WRG) Aufgabe Nutzung der Wärme aus der Abluft. WRG-Anlagen gehören zu den wichtigsten lufttechnischen Komponenten, weil sie den Energieverbrauch von Klimaanlagen wesentlich reduzieren. Deshalb spricht man oft auch von Energierückgewinnung ERG (vgl. VDI 2071). Sie sind vielerorts gesetzlich vorgeschrieben. 6.2.10.1 Arten von Wärmerückgewinnungen Umluftbeimischung Bei Bedarf wird ein Teil der Abluft aus dem Raum über den Bypass direkt der Außenluft beigemischt. Dadurch ergibt sich eine Mischtemperatur und -feuchtigkeit im Luftstrom, der dann noch entsprechend nachbehandelt werden kann. Die Außenluft-, Fortluft- und Umluftklappen sind meistens, wie unten gezeigt, mechanisch miteinander gekoppelt. Die Außenluftklappe wird nur bis zu einer zulässigen Minimalstellung geschlossen (Luftqualität). Die Umluftbeimischung wird oft auch bei der Aufheizung verwendet. Nach VDI 2701 wird sie nicht den WRG-Systemen zugeordnet. 2 3 1 B73-9 Fig. 6-30 1 2 3 Umluftbeimischung Außenluftklappe Fortluftklappe Umluftklappe 171 Rekuperatoren Fortluft- und Außenluftstrom sind durch feststehende Trennflächen getrennt. Meistens Kuben mit Platten – teilweise auch mit Rohren. Material je nach Anwendung und Luftzustand/-qualität z.B. Aluminium, Chromstahl, Glas, Kunststoffe. Die Leistungsregelung erfolgt durch eine Bypassklappe (meistens in der Außenluft eingebaut), welche die Außenluft teilweise am Wärmeübertrager vorbeiführt und gleichzeitig das zu starke Abkühlen der Abluft und damit das Vereisen verhindert. 1 3 4 2 Fig. 6-31 1 2 Regeneratoren RotationsWärmeübertrager Rekuperative WRG: Plattentauscher (Quelle Klingenburg) Außenluft Zuluft 3 4 Abluft Fortluft Rotierende, zellenförmige Speichermasse wird abwechselnd von Außenluft und Abluft durchströmt. Das Maß der Wärmeübertragung kann durch Veränderung der Rotor-Drehzahl beeinflusst werden. Durch hygroskopische Beschichtung der Speicheroberfläche kann auch Feuchte, bzw. Enthalpie übertragen werden. 1 4 2 3 B17-9 Fig. 6-32 1 2 172 Regenerative WRG: Rotations-Wärmeübertrager Schnittbild und Prinzip (Sommerfall) Außenluft Zuluft 3 4 Abluft Fortluft Kreislaufverbundene Wärmeübertrager Je ein Rippenrohr-Wärmeübertrager wird in den Außenluft- und in den Abluftstrom eingesetzt. Der Wärmetransport zwischen den beiden Wärmeübertragern erfolgt über einen hydraulischen Kreislauf, meist mit einer Wasser-Glykol-Mischung als Transportmedium. Eine Umwälzpumpe sorgt für die Zirkulation des Transportmediums. Das Maß der Wärmeübertragung kann durch ein Dreiweg-Verteilventil beeinflusst werden. Diese Art der Wärmerückgewinnung kommt vor allem dort zur Anwendung, wo Außenluft und Abluft örtlich weit auseinander liegen und bei Anlagesanierungen. Vereisungsschutz Bei kreislaufverbundenen Wärmeübertragern ist dem Vereisungsschutz speziell Beachtung zu schenken (vgl. Fig. 6-33). Bei sehr tiefen Außentemperaturen wird das Transportmedium (Wasser-Glykol-Mischung) durch die Außenluft stark abgekühlt. Wird – durch das kalte Transportmedium – der Taupunkt der Abluft unterschritten, kondensiert die darin enthaltene Feuchtigkeit und es kann zur Vereisung des abluftseitigen Wärmeübertragers kommen. Es ist deshalb äußert wichtig, dass die korrekte hydraulische Schaltung gewählt wird und das Verteilventil (4) und der Begrenzungsfühler (5) am richtigen Ort eingebaut sind. 2 5 3 4 1 B17-10 Fig. 6-33 1 2 3 4 5 Kreislaufverbundene Wärmeübertrager Außenluft Fortluft Kreislaufpumpe Dreiweg-Verteilventil Begrenzungsfühler (Vereisungsschutz) 173 „Wirkungsgrad“ einer WRG Zur Spezifikation von Übertragungsleistungen werden Rückwärmzahlen- und Rückfeuchtzahlen – als Verhältnis der tatsächlich erreichten Temperatur- oder Feuchteänderung der Außenluft zu der theoretisch möglichen – verwendet. Man spricht auch von Änderungs- oder Übertragungsgrad (z.B. Temperatur-Änderungsgrad, Enthalpie-Übertragungsgrad). Zur Spezifikation von Übertragungsleistungen werden Rückwärmzahlen- und Rückfeuchtzahlen – als Verhältnis der tatsächlich erreichten Temperatur- oder Feuchteänderung der Außenluft zu der theoretisch möglichen – verwendet. Man spricht auch von Änderungs- oder Übertragungsgrad (z.B. Temperatur-Änderungsgrad, Enthalpie-Übertragungsgrad). FOL 2 ABL 12 11 21 22 AUL 1 ZUL Rückwärmzahl Φ2 = Rückfeuchtzahl t 22 − t 21 t 11 − t 21 Ψ2 = x 22 − x 21 x 11 − x 21 wobei Φ2 (Phi 2), Ψ2 (Psi 2) jeweils auf die Außenluftseite bezogen sind x11 Abluftfeuchte t11 Ablufttemperatur t12 Fortlufttemperatur x12 Fortluftfeuchte x21 Außenluftfeuchte t21 Außenlufttemperatur x22 Zuluftfeuchte t22 Zulufttemperatur Für den Winterbetrieb von Klimaanlagen (wenn t11 > t21 und x11 > x21) und den Hochsommerbetrieb (wenn t11 < t21 und x11 < x21), kann die WRG-Leistung auch mit dem Übertragungsgrad der Enthalpie beschrieben werden: Enthalpie-Übertragungsgrad Φh2 = Eigenschaften verschiedener WRGSysteme h 22 − h 21 h11 − h 21 Eigenschaften Zu- und Abluft Stoffaustausch Übertragungsgrad Druckverlust zusammenführen möglich Rückwärmzahl 1) luftseitig 1) WRG-System Rekuperatoren Platten-/Röhren- ja nein 45...65 % 150...300 Pa ja 70...90 % 50...100 Pa 70...90 % 50...100 Pa 40...70 % 100...200 Pa Wärmetauscher Regeneratoren Rotationstauscher ja ohne hygroskop. (gering) Beschichtung Rotationstauscher ja mit hygroskop. ja (gut) Beschichtung Kreislaufverbund- nein nein System Fig. 6-34 174 Eigenschaften verschiedener WRG-Systeme diese Angaben sind Richtwerte, bitte Herstellerunterlagen beachten 1) 6.2.11 DEC-Systeme Adiabatische Kühlung und adsorptive Entfeuchtung geschickt kombiniert Der Begriff DEC (Desiccative and Evaporative Cooling) steht für Trocknung und Verdunstungskühlung. Funktionsprinzip (Sommerfall) Die Außenluft (z.B. 32 °C, 35 % r.F.) wird nach der üblichen Filterung in einem Adsorptions-Tauscher (1) entfeuchtet. Diese Entfeuchtung findet kontinuierlich statt und erfolgt nahezu adiabat. Die dabei freiwerdende Adsorptionswärme wird an den Luftstrom abgegeben, was zu einer Erwärmung der Außenluft führt. Der Grundgedanke der DEC-Technik besteht darin, den klassischen – mit elektrisch angetriebenen Kompressoren betriebenen – Kälteerzeugungsprozess in der Klimatisierung mit Luftentfeuchtungsaufgaben zu ersetzen. Dazu wendet man die seit langem bekannten Verfahren der adiabatischen Kühlung und der adsorptiven Luftentfeuchtung (vgl. 6.2.9) in einer speziellen Kombination an. Meistens werden feste Sorptionsmittel eingesetzt, deren Anwendung sich bewährt hat (z.B. Silicagel). Antriebsenergie des Prozesses (vgl. 5 in Fig. 6-35) ist Wärme auf einem nicht allzu hohen Temperaturniveau, die sehr oft – insbesondere im Sommer – in Form von Abwärme zur Verfügung steht. Aus untenstehender Abbildung ist ersichtlich, dass dieser Prozess auf einem, gegenüber den Lufttemperaturen, hohen Temperaturniveau abläuft (Regenerations-Lufterwärmer bis z.B. 70 °C). Die trockene warme Luft wird anschließend in einem regenerativen Wärmerückgewinner (2) vorgekühlt. Im Winter dient dieser Rotationstauscher zur Vorwärmung der Außenluft mit Hilfe der Abluft. Die so vorgekühlte Luft wird anschließend durch einen Verdunstungsbefeuchter (3) auf die geforderte Zuluftemperatur und -feuchte gebracht. Die Abluft wird durch einen weiteren Verdunstungsbefeuchter (4) in der Temperatur abgesenkt zur besseren Vorkühlung der Zuluft im Wärmerückgewinner (2). Dabei erwärmt sich die Abluft. Es erfolgt eine Nachwärmung mit einem Lufterwärmer (5), damit der Adsorptions-Tauscher (1) wieder regeneriert werden kann. Dabei wird die Abluft gekühlt und die Feuchte nimmt zu. Man nennt diesen Vorgang auch „adiabate Desorption“. II 1 5 FOL 4 1 ABL 2 5 I 1 2 2 3 AUL Fig. 6-35 3 4 ZUL Funktionsprinzip einer DEC-Anlage – Sommerfall (Quelle Klingenburg) 1 2 3 4 5 Sorptions-Tauscher (Trocknung der Außenluft) Rotations-Wärmetauscher Zuluft-Befeuchter (adiabatische Kühlung) Abluft-Befeuchter (adiabatische Kühlung, z.B. Kaltdampf-Generator) Regenerations-Lufterhitzer (erwärmt Luft auf z.B. 70 °C) I II Zustandsverlauf Außenluft (AUL) – Zuluft (ZUL) Zustandsverlauf Abluft (ABL) – Fortluft (FOL) 175 6.2.12 Luftauslässe Nachdem die Luft im zentralen Luftaufbereitungsgerät den Nutzerbedürfnissen entsprechend aufbereitet worden ist, wird diese durch ein Kanalnetz zu den verschiedenen Räumen geführt. Hier gilt es, die Luft so in den Raum zu bringen, dass die Behaglichkeit der Raumnutzer nicht beeinträchtigt wird. Um die Luft optimal in den Raum zu führen, steht eine große Anzahl unterschiedlichster Luftauslässe von verschiedenen Herstellern zur Verfügung. Fig. 6-36 Verschiedene Luftauslässe: Drallauslass; Kugelschiene; spez. Deckenauslass (Quelle Trox) 6.3 Klimaanlagen mit zentraler Energiezufuhr Raumlufttechnische Anlagen, die einen vorgegebenen Luftzustand nach Temperatur und Feuchte ganzjährig einhalten können, nennt man Klimaanlagen. Diese Anlagen sind also mit allen notwendigen Komponenten ausgerüstet, die es erlauben, die Luft je nach Bedarf zu erwärmen oder zu kühlen, zu befeuchten oder zu entfeuchten. Die Notwendigkeit des Einsatzes einer Klimaanlage muss jeweils sorgfältig überprüft werden. Nachfolgend einige Vorgaben, die eine Klimatisierung erforderlich machen können: • Hitze, Schwüle • architektonische Vorgaben wie große Fensterfronten, Großraumbüros, mangelnde Beschattung, ... • strenge Anforderungen an Temperatur- und Feuchte • innenliegende Räume, Versammlungsräume • hohe thermische Lasten • EDV, Maschinenräume Klimaanlagen mit zentraler Wärme- und/oder Kälteerzeugung unterscheidet man prinzipiell danach, ob die im Raum benötigte Heiz- und Kühlenergie nur über die Zuluft, nur über das Warm- und Kaltwassernetz oder über beide Energieträger gemeinsam zum Raum transportiert wird. Aus dieser Unterscheidung ergeben sich die folgenden System-Varianten: • Nur-Luft-Systeme • Luft-/Wasser-Systeme Dabei ist zu beachten, dass bei Nur-Luft-Systemen der Energietransport der gleichen Wärme- und Kühlleistung erheblich mehr Energie erfordert, als bei der Übertragung mittels Wasser. 176 Nur-Luft-Systeme Heizen und Kühlen des Raumes nur mit Luft als Niedergeschwindigkeitsanlage oder Hochgeschwindigkeitsanlage Einkanal-Anlage mit variablem Volumenstrom Zweikanal-Anlage Kalt- und Warmluftkanal mit konstantem Volumenstrom Einzonen Anlagen mit variablem Volumenstrom mit konstantem Volumenstrom Mehrzonen Anlagen - mit örtlichen Nachwärmern - mit Wechselklappen (früher) Luft-/Wasser-Systeme Energietransport mittels Luft und Wasser örtliche Wärmetauscher im Raum Anlagen mit Induktions- Ventilator- Kühldecke/ örtlichen Anlagen Konvektor- Quell-Luft- Nacherwärmern Anlagen Anlage Kühlern 2-LeiterSystem 3-LeiterSystem 4-LeiterSystem Vor- und Rücklauf Vorlauf WW + KW Rücklauf gemeinsam Vor- und Rücklauf WW + KW - mit Umschaltung (Change-over-System) Sommer: Kaltwasser Winter: Warmwasser - ohne Umschaltung Fig. 6-37 - mit Ventilsteuerung (nur 1 Wärmetauscher) - mit Klappensteuerung (2 Wärmetauscher) Bauarten von Klimaanlagen 177 6.3.1 Nur-Luft-Systeme Die Zufuhr der erforderlichen Heiz- und Kühlenergie zu den Räumen erfolgt ausschließlich über die Zuluft. Das in der Energiezentrale aufbereitete Warm- bzw. Kaltwasser überträgt seine Heiz- bzw. Kühlenergie in der zentralen Luftaufbereitungsanlage an die Zuluft. 7 1 8 3 6 2 5 8 4 B17-21 9 Fig. 6-38 1 2 3 4 5 10 Nur-Luft-System Außenluft Fortluft Zuluft Abluft Raum 6 7 8 9 10 Umluft Zentrale Luftaufbereitung Luftkanäle (Zu- und Abluft) Heizkessel Kältemaschine 6.3.1.1 Einkanal-Anlage ohne Zonen-Nachbehandlung Bei diesem System (Fig. 6-39) wird die gesamte Zuluft in der Zentrale aufbereitet und dann über ein Kanalnetz den Räumen zugeführt. Die Leistungsanpassung erfolgt nach dem Abluftzustand und findet ausschließlich in der Zentrale statt. Anlagen mit ausschließlich zentraler Luftaufbereitung eignen sich für die Klimatisierung von Großräumen sowie von Raumgruppen mit gleichmäßig variierenden Lasten. Konstant unterschiedliche Lasten in den einzelnen Räumen oder Zonen können nur durch Anpassung der Luftmengen bei der Inbetriebsetzung ausgeglichen werden. 7 1 6 2 4 3 5 Fig. 6-39 1 2 3 4 178 Einkanal-Anlage ohne Zonen-Nachbehandlung Außenluft Fortluft Zuluft Abluft 5 6 7 Raum oder Zone Umluft Zentrale Luftaufbereitung 6.3.1.2 Einkanal-Anlage mit Zonen-Nachbehandlung Bei dieser Anlage (Fig. 6-40 und Fig. 6-41) wird die in einer Zentrale aufbereitete Zuluft durch ein Einkanal-System zu den zu klimatisierenden Räumen oder Zonen geführt. Das Luftkanalsystem kann entweder für Nieder- oder Hochgeschwindigkeit ausgelegt sein. Im letzteren Fall werden vor dem Luftaustritt in die Räume oder Zonen Entspannungskästen angebracht. Die in der Zentrale vorbehandelte Zuluft wird für jeden Raum oder jede Zone entsprechend dem gewünschten Raumluftzustand nachbehandelt. Diese Nachbehandlung kann die Funktionen Nachwärmen, Nachkühlen, Nachentfeuchten oder Nachbefeuchten beinhalten. In der Praxis beschränkt sich die Nachbehandlung jedoch meistens auf die Nachwärmung. In Einkanal-Anlagen mit terminaler Zonen-Nachbehandlung (Fig. 6-40) erfolgt die Nachbehandlung nahe bei den Zonen. Dies bedeutet, dass die EnergieträgerLeitungen mit Warmwasser, Kaltwasser oder Dampf im ganzen Gebäude verlegt werden müssen. 7 1 8 6 10 10 2 4 Fig. 6-40 9 3 5 1 2 3 4 5 6 9 9 5 11 Einkanal-Anlage mit terminaler Zonen-Nachbehandlung Außenluft Fortluft Zuluft Abluft Raum Umluft 7 8 9 10 11 Zentrale Luftaufbereitung Luftkanal Heizregister als Nachbehandlungseinheit Kühlregister als Nachbehandlungseinheit Raum mit Fremdwärmeanfall In Einkanal-Anlagen mit zentraler Zonen-Nachbehandlung (Fig. 6-41) erfolgt die Nachbehandlung unmittelbar nach der Zentrale. Die Warmwasser-, Kaltwasseroder Dampfleitungen müssen deshalb nur im Technikraum verlegt werden. Dafür müssen die Luftkanäle zu den Zonen wärmegedämmt werden, damit die in der Nachbehandlung zugeführte Energie unterwegs nicht wieder verloren geht. 179 11 2 5 6 7 8 9 10 1 11 4 12 I 3 13 II III Fig. 6-41 1 2 3 4 5 6 7 Einkanal-Anlage mit zentraler Zonen-Nachbehandlung Außenluft Fortluft Zuluft Abluft Umluft Filter Vorwärmer 8 9 10 11 12 13 Kühler Befeuchter Nachwärmer Ventilator Nachbehandlungsgerät (Nachwärmer) Zonenventil Bei den Nachbehandlungsgeräten handelt es sich um normale Rippenrohr-Wärmeübertrager und Luftbefeuchter wie sie im Kapitel 6.2 behandelt wurden. Beim Befeuchter hängt die Typenauswahl maßgeblich vom Einbauort ab. Wird er im Technikraum in den Zonenkanal eingebaut, so können alle Arten verwendet werden, da alle notwendigen Zu- und Ableitungen ohne große Schwierigkeiten installiert werden können. Beim terminalen Einbau vor der Zone kommen meistens nur noch Dampf-Luftbefeuchter in Frage. Diese Anlagen finden für Gebäude mit beschränkter Zonenzahl, jedoch relativ großen Zonenflächen und damit großem Zuluft-Volumenstrom (> 1'500 m3/h) Anwendung. Für eine feinere Zoneneinteilung ist das System, infolge des hohen Platzbedarfs für Kanäle, schlecht geeignet. Aus dem gleichen Grund dürfen die Zonen nicht zu weit auseinander oder von der Zentrale entfernt liegen. Um Energieverschwendung zu vermeiden, sollten gleichzeitig die erforderlichen Zulufttemperaturen der einzelnen Zonen nicht zu stark voneinander abweichen. 6.3.1.3 Mehrzonen-Anlage mit Mehrzonenzentrale Für Gebäude mit wenigen Zonen aber relativ hohem Luftmengenbedarf (z.B. Einkaufszentren oder Konferenzsäle in Hotels) und unterschiedlich anfallenden Heiz- und Kühllasten pro Zone eignet sich die Mehrzonenanlage (Fig. 6-42). In der Zentrale erfolgen zuerst die Außenluft-/Umluft-Mischung, die Filterung und die Vorwärmung der gesamten Zuluftmenge. Nach dem Zuluftventilator wird der Zuluftstrom in zwei Teilströme aufgeteilt (Fig. 6-43). Ein Teilstrom wird durch den Nachwärmer, der andere durch den Kühler geblasen. In den anschließenden Zonenklappen wird durch Mischen von Kalt- und Warmluft die individuell erforderliche Zulufttemperatur für jede Zone gemischt. Die Zonenklappen sind vertikal angeordnet und je eine Kalt- und Warmluftklappe sitzt auf der gemeinsamen Klappenachse. Die Kaltluft- ist gegenüber der Warmluftklappe um einen Winkel von 90 ° verdreht, so dass bei geschlossener Kaltluft- die Warmluftklappe ganz geöffnet ist. Die Aufteilung der Zuluftmenge auf die einzelnen Zonen erfolgt durch Zuordnung der relativen Anzahl Zonenklappen. 180 3 6 5 4 B17-25 2 1 Fig. 6-42 1 2 Mehrzonen-Anlage Außenluft Mehrzonenzentrale 3 Zuluftkanäle (Niederdruck) 4...6 Verschiedene Zonen 2 4 5 9 A 6 8 1a B 1 3 4 7 Fig. 6-43 1 2 3 4 5 6 B17-26 Funktionsweise einer Mehrzonen-Anlage Außenluft Umluft Minimum-Außenluftkanal Minimum-Außenluftkühler Filter Vorwärmer 7 8 9 1a A B Ventilator Luftkühler Lufterwärmer Zonenklappen Warmluft Kaltluft Der Nachwärmer wird immer oben und der Kühler unten platziert, damit eventuell ausgeschiedenes Kondenswasser nicht mit dem Nachwärmer in Berührung kommen und so nicht wieder verdampfen kann. Mehrzonen-Anlagen werden als Niedergeschwindigkeits-Anlagen gebaut. Die Kanäle werden deshalb relativ voluminös und sollten deshalb nicht über große Distanzen geführt werden müssen. Auch bezüglich Heiz- und Kühlenergieverbrauch (Mischungs-Verluste) ist es vorteilhaft, wenn die Zulufttemperaturen für die einzelnen Zonen nur geringe Unterschiede (< 5 K) aufweisen. 6.3.1.4 Zweikanal-Anlagen Die Bezeichnung „Zweikanal“ bezieht sich auf zwei Zuluftkanäle, nämlich ein Warm- und ein Kaltluftkanal, die parallel zu jedem Raum geführt werden (Fig. 6-44). Wie bei den Einkanal-Anlagen wird auch hier der Abluftkanal nicht mitgezählt. Um den Platzbedarf dennoch möglichst gering zu halten, wird das Luftkanalsystem in den meisten Fällen als Hochgeschwindigkeitssystem ausgelegt. Die Entspannung der Luftströme von Hoch- auf Niedergeschwindigkeit und die Mischung der Warm- und Kaltluft im richtigen Verhältnis erfolgt in speziell dafür konstruierten Mischkästen, die in den Räumen installiert sind. Das Mischverhältnis wird durch den Raumtemperatur-Regler gesteuert. 181 8 9 10 7 1 11 6 2 12 4 3 5 Fig. 6-44 1 2 3 4 5 6 Zweikanal Anlage mit Entfeuchtung des Gesamt-Zuluftstromes Außenluft Fortluft Zuluft Abluft Raum Luftklappen 7 8 9 10 11 12 Zentrale Luftaufbereitung Nachwärmer Dampfbefeuchter Warmluftkanal Kaltluftkanal Mischkasten In den Anfangszeiten der Klimatechnik, als der Energieverbrauch noch kein wichtiges Thema war, wurden die Warm- und Kaltluftkanäle noch ganzjährig mit gleichbleibenden Temperaturen betrieben. Dadurch entstand, insbesondere im Schwachlastbetrieb, ein unnötig hoher Energieverbrauch, weil Kühlenergie durch Wärmeenergie kompensiert werden musste. Man erreichte beispielsweise in der Mischkammer der Klimazentrale eine Mischtemperatur von 20 °C, kühlte anschließend die eine Hälfte der Zuluft auf 10 °C und erwärmte die andere Hälfte auf 30 °C, um dann anschließend die beiden Luftströme in den Mischboxen wieder auf ca. 20 °C zu mischen! Als dann der Energieverbrauch zum wichtigen Thema wurde, kamen die Planer solange von der Zweikanal-Technik ab, bis die Steuer- und Regeltechnik den unnötigen Energieverbrauch dieser sonst komfortablen Lösung in den Griff bekam. Die Zulufttemperatur-Sollwerte bleiben heute nicht mehr konstant, sondern die Warmlufttemperatur entspricht dem jeweils höchsten und die Kaltlufttemperatur dem jeweils tiefsten Zulufttemperatur-Sollwert aller angeschlossenen RaumtemperaturRegler. Die moderne Digitaltechnik ermöglicht, diese aktuellen Werte über einen Gebäudebus abzufragen und daraus den jeweiligen Maximal- und Minimalwert auszuwählen. Dadurch lassen sich die Mischverluste verringern. Räume mit maximaler Kühllast erhalten nur Kaltluft, solche mit maximaler Heizlast nur Warmluft und Räume mit Teillast ein Gemisch von Kalt- und Warmluft. Die Luft für den Kaltluftkanal wird in der Zentrale auf die erforderliche Temperatur gebracht und entfeuchtet, diejenige für den Warmluftkanal geheizt und eventuell befeuchtet. Die Anordnung des Luftkühlers gemäß Fig. 6-44 ermöglicht eine geregelte Entfeuchtung des Gesamt-Zuluftstroms. Zusammen mit der Dampfbefeuchtung im Warmluftkanal ergibt diese Anordnung eine Vollklimaanlage mit Raumtemperatur- und Feuchteregelung. Dieser Komfort muss jedoch mit relativ hohem Energieverbrauch für das Entfeuchten und anschließende Nachwärmen der Zuluft bezahlt werden und wird deshalb nur noch in speziellen Fällen zugelassen. Die Anordnung gemäß Fig. 6-45 mit nur teilweiser, unkontrollierter Entfeuchtung durch Wasserausscheidung aus dem Kaltluftstrom, entspricht deshalb der Standardlösung für normale Komfortansprüche. 182 15 2 10 5 6 7 8 9 1 4 12 14 11 3 13 Fig. 6-45 1 2 3 4 5 6 7 8 B17-28 Zweikanal-Anlage mit Teil-Entfeuchtung der Zuluft Außenluft Fortluft Zuluft Abluft Luftklappen Filter Vorwärmer Befeuchter 9 10 11 12 13 14 15 Zuluftventilator Nachwärmer Kühler Warmluftkanal Kaltluftkanal Mischbox Abluftventilator Die Mischkästen sind für Zwischendecken- oder Unterfensterinstallation gebaut. Als Luftauslässe dienen normale Ausblasgitter oder Deckendiffusoren. Fig. 6-46 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Zweikanal-Mischkastens. Die Mischkästen sind gleichzeitig Entspannungsgeräte, die mit einer Luftmischeinrichtung (Ventile oder Klappen) sowie schalldämpfenden Elementen ausgerüstet sind. Ferner enthalten sie einen mechanischen Volumenstrom-Regler, der den ZuluftVolumenstrom – auch bei Druckschwankungen in den Zuluftkanälen – konstant hält. Mischkästen mit variablem Kaltluft-Volumenstrom sind ebenfalls erhältlich (Fig. 6-47). 6 5 5 4 T T 3 3 M 1 2 2 1 B17-30 B17-29 Fig. 6-46 1 2 3 4 5 T 4 Aufbau eines ZweikanalMischkastens Kaltluft Warmluft Mischventil (Mischklappe) Konstant-Volumenstrom-Regelung Zuluft Temperaturfühler Fig. 6-47 1 2 3 4 5 6 T M Zweikanal-Mischkasten mit variabler Kaltluft-Volumenstrom-Regelung Kaltluft Warmluft Mischventil (Mischklappe) Konstant-Volumenstrom-Regler (50 %) Kaltluft-Volumenstrom-Regler (bis 100 %) Zuluft Temperaturfühler Antriebsmotor 183 6.3.1.5 Variabel-Volumenstrom-Systeme (VVS) Das VVS-System ist grundsätzlich ein Kühlsystem und muss deshalb für den Heizbetrieb mit einem geeigneten Heizsystem (Radiatorheizung oder Bodenheizung) kombiniert werden. Die gesamte Kühlleistung wird durch die Zuluft erbracht. Die Zulufttemperatur bleibt dabei konstant und die Raumtemperatur wird durch Variieren des Zuluft-Volumenstromes geregelt. Eine Aufteilung des Gebäudes in Zonen erübrigt sich, denn der Zuluft-Volumenstrom kann in jedem Raum individuell an die sensible Kühllast angepasst werden. In einem Gebäude mit nach allen vier Himmelsrichtungen exponierten Räumen stellt die Sonnenstrahlung eine der HauptKühllasten dar. Weil aber die Sonne von Osten nach Westen um das Gebäude „herumwandert“, fällt die maximale Kühllast nicht in allen Räumen gleichzeitig an. Die Kühlleistung ist proportional zum Zuluft-Volumenstrom. Daher wird der maximal erforderliche Gesamt-Volumenstrom wesentlich kleiner als die Summe der maximalen Zuluft-Volumenströme der einzelnen Räume. Bei Verwendung geeigneter Luftauslässe kann zudem die Temperaturdifferenz zwischen Raum- und Zuluft gegenüber konventionellen Anlagen wesentlich erhöht werden, was eine weitere Verringerung des Zuluft-Volumenstromes ermöglicht. Bei der in Fig. 6-48 dargestellten VVS-Anlage wird die zentral aufbereitete Zuluft durch ein Einkanalsystem den zu klimatisierenden Räumen zugeführt. Das Luftkanalsystem wird normalerweise als Hochgeschwindigkeitssystem ausgelegt. Kleinere Anlagen können aber auch als Niedergeschwindigkeitssysteme gebaut werden. 6 1 5 2 7 7 4 3 9 8 Fig. 6-48 1 2 3 4 5 Variable Volumenstrom-Anlage (VVS) Außenluft Fortluft Zuluft Abluft Luftklappen 6 7 8 9 Einzonen-Zentrale VVS-Boxen (Zu- und Abluft) Grundlastheizung Raum Obwohl die Vorteile des VVS-Systems gegenüber Nur-Luft-Systemen mit konstantem Volumenstrom schon in der Anfangszeit der Klimatechnik erkannt wurden, scheute man früher den Aufwand, die gleichmäßige Zuluftverteilung – auch bei variabler Zuluftmenge – sicherzustellen. Mit fix eingestellten Einblasöffnungen wie z.B. Lochdecken oder Gitter-Luftauslässen war dies praktisch unmöglich. Es mussten erst spezielle Luftauslässe mit eingebauter Luftmengenregelung entwickelt werden, die auch zu einem erschwinglichen Preis erhältlich wurden. Grosse Anstrengungen seitens der Regelgeräte-Hersteller und deren Entwicklungsteams führten schließlich zum Ziel und damit zum Durchbruch der VVS-Systemtechnik. 184 Fig. 6-49 VVS-Box mit aufgebauten Kompaktregler (Kombination aus Volumenstromregler und Klappenantrieb; Quelle Siemens) 6.3.2 Luft-Wasser-Systeme 6.3.2.1 Quell-Lüftung Bei den bisher besprochenen Anlagearten, werden große Luftmengen im Raum bewegt, was zu hohen Luftgeschwindigkeiten im Aufenthaltsbereich führt. Mit der Quell-Lüftung können die immer höheren Anforderungen an die Lüftungsanlagen bezüglich Zugfreiheit, Wärme- und Schadstoffabfuhr weitgehend abgedeckt werden. Zulufttemperatur wenig tiefer als Raumtemperatur Statische Heizung notwendig Bei der Quell-Lüftung wird die aufbereitete Luft mit einer – gegenüber der Raumtemperatur – geringen Untertemperatur im Bodenbereich laminar oder turbulenzarm eingeblasen (Fig. 6-50). Die Zulufttemperatur sollte einerseits im Maximum 1…3 K in Büros, (in Fabriken bis zu 8 K), tiefer liegen als die Raumtemperatur, anderseits einen Wert von 21 °C in Büros bzw. 17 °C in Industrieräumen nicht unterschreiten (unbehagliche Fußkälte). Die Austrittsgeschwindigkeit beträgt ca. 0,2 m/s im Bürobereich und bis 0,6 m/s bei anderen Anwendungen. Somit bildet sich in der Aufenthaltszone ein sogenannter „Kaltluftsee“. Die thermischen Auftriebskräfte an Personen und Geräten sorgen dann dafür, dass die Luft nach oben in den Deckenbereich steigt, wo sie wieder abgesaugt wird. Durch die Tatsache, dass Kaltluft nur im Bereich von Wärmequellen nach oben strömt, werden die Wärme und die stoffliche Belastung direkt dort abgeführt, wo sie auftritt und nicht im ganzen Raum verteilt. Dadurch kann eine hohe Luftqualität mit relativ kleinen Luftmengen erzielt werden (⇒ höhere Lüftungseffektivität). Die übliche Luftwechselzahl liegt dabei zwischen 1…4 h-1. Das oben beschriebene Lüftungsprinzip funktioniert nur mit kühler Zuluft. QuellLüftungen sind nicht zur Raumheizung geeignet, weil die warme Luft unmittelbar am Auslass nach oben steigen würde. Es ist also eine statische Heizung mit Radiatoren oder Konvektoren unter dem Fenster erforderlich. Diese Heizung erlaubt auch die Grundlastheizung, wenn die Klimaanlage ausgeschaltet ist. Um den thermischen Komfort in den Aufenthaltszonen zu gewährleisten, muss auch ein gewisser Abstand von den Auslässen eingehalten werden (vgl. 3 in Fig. 6-50). 185 2 25 ... 27 °C ≤ 0,1 m/s = 24 − 25 °C ≤ 0,1 m/s 24 °C 3 ca. 1 m < 0,2 m/s > 21 °C 0,15 m/s 1 Fig. 6-50 1 2 3 22 °C Prinzip, Temperaturen und Luftgeschwindigkeiten der Quell-Lüftung Quell-Luft-Auslass Abluftkanal Nahzone Nur geringe Kühllasten abführbar Mit der geringen Untertemperatur von 1...3 K der Zuluft gegenüber der Raumtemperatur sind die abführbaren Kühllasten gering. Daher müssen Quell-Lüftungen mit zusätzlichen Kühlflächen, z.B. Kühldecken, im Raum kombiniert werden. Einsatzbereiche Quell-Luftsysteme eignen sich besonders für Räume, in denen keine stark unterschiedlichen Lasten vorhanden sind oder wenn die Luftqualität eine wesentliche Rolle spielt (Industrie- und Sporthallen, Hotels, Theater, Schulen, Restaurants). Sie werden – besonders in Verbindung mit Kühldecken – hohen Komfortansprüchen gerecht. 6.3.2.2 Kühldecken Mit der Luft, die ja ein schlechter Kälteträger ist, kann oft nicht genügend Kühlenergie in den Raum gebracht werden, weil nicht mit beliebig tiefen Lufttemperaturen eingeblasen werden kann. Daher kombiniert man sehr oft eine Klimaanlage und statischen Kühlelemente. Die Klimaanlage hat dabei hauptsächlich die Aufgabe, die verbrauchte Raumluft zu erneuern. Die statischen Kühlelemente die an der Decke montiert oder in diese eingebaut sind (daher der Name Kühldecke) kühlen den Raum auf die gewünschte Temperatur mit Wasser als Kälteträger. Die Mechanismen, die fühlbare Wärme abführen sind Wärmestrahlung (von allen mit der Decke in Sichtkontakt stehenden wärmeren Flächen) und Wärmekonvektion (Luft, die an der Decke abgekühlt wird und nach unten fällt). Strahlungs-Kühldecke Konvektions-Kühldecke Bei geschlossenen Decken ist die Aufteilung etwa 60 % Strahlung und 40 % Konvektion – man nennt diese deshalb Strahlungs-Kühldecken. Es gibt auch andere Systeme, bei denen der konvektive Anteil überwiegt, die als KonvektionsKühldecken oder -elemente bezeichnet werden. Handelsübliche Strahlungs-Kühldecken bieten heute eine Kühlleistung von bis zu 125 W/m2, Konvektions-Kühlelemente gar bis zu 160 W/m2. 186 Kondensationsgefahr bei TaupunktUnterschreitung Die Leistungsgrenze ist bei Kühldecken durch die Kaltwasser-Vorlauftemperatur (üblich ca. 15...16 °C) gegeben. An Kaltwasserleitungen, wie auch an jeder Stelle der Kühldecke selbst, dar der Taupunkt der Raumluft niemals unterschritten werden. Kondensatbildung wird dann mit Sicherheit vermieden. Durch Taupunktfühler an der Kaltwasservorlaufleitung wird im Falle einer Gefahr der Taupunktunterschreitung entweder • die Kaltwasserleitung mittels Motor-Ventil abgesperrt oder • mittels Regelventil die Kaltwasser-Vorlauftemperatur durch Rücklaufbeimischung angehoben. In Gebäuden mit Kühldecken, können die Fenster meistens nicht geöffnet werden, weil sonst die Problematik der Taupunktunterschreitung vermehrt auftreten kann. Fig. 6-51 Kühldecken-Elemente 6.3.2.3 Fan-Coil-Anlagen (Ventilatorkonvektoren) Das klassische, im Komfort-Klimabereich am meisten angewandte Luft-WasserSystem ist das „Fan-Coil-System“. „Fan“ heißt in deutsch „Ventilator“ und mit dem englischen Wort „Coil“ wird der Rippenrohr-Wärmeübertrager bezeichnet. Diese Ventilator-Wärmeübertrager-Kombination ist auf dem Markt als kompaktes Truhengerät erhältlich, das außerdem noch einen Umluftfilter sowie die Steuer- und Regelgeräte enthält. Dieses sogenannte „Fan-Coil-Gerät“ (Fig. 6-52) wird an eine beliebige Wand des Raumes montiert und an das Kalt- und Warmwassernetz, sowie an das elektrische Stromversorgungsnetz angeschlossen. Der eingebaute Ventilator saugt die Raumluft an und bläst sie über den Wärmeübertrager (wo sie erwärmt wird) und das Zuluftgitter (4 in Fig. 6-52) wieder aus. Wird das Gerät an einer Außenwand platziert, kann durch eine Öffnung mit Hand-Einstellklappe, auch ein kleiner Außenluftanteil mit angesaugt und der Umluft beigemischt werden. 5 7 6 Fig. 6-52 1 2 3 7 a) Fan-Coil-Gerät mit seinen Komponenten Steuer- und Regelorgane Rippenrohr-Wärmeübertrager Ventilator Warm- oder Kaltwasser-Kreislauf 4 5 6 b) Fan-Coil-Gerät mit Außenluftkasten Verstellbares Zuluftgitter Fan-Coil-Gerät Außenluftkasten mit Luftklappe 187 Fan-Coil-Anlagen können vorteilhaft mit einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe betrieben werden, wobei der Kondensator die Wärme für den Heizkreis und der Verdampfer die Kälte für den Kühlkreis erzeugt. Eine solche Kombination beinhaltet auch eine optimale Wärmerückgewinnung zwischen Heiz- und Kühlkreis. Der für den Wärmepumpenbetrieb erforderliche Warmwasserspeicher kann außerdem noch mit einem Sonnenkollektor-Kreislauf kombiniert werden, weil relativ niedrige Warmwasser-Vorlauftemperaturen für den Heizkreis ausreichen. Fan-Coil-Geräte, die mit einem Direktverdampfer-Luftkühler ausgerüstet sind, bilden den lufttechnischen Teil eines Split-Systems (vgl. 6.4.4). Für den Heizbetrieb wird zusätzlich ein Warmwasser-Lufterwärmer oder – in Ausnahmefällen – ein Elektrolufterwärmer eingebaut. Fan-Coil-Anlagen sind ideale Luftheiz- und -kühlanlagen für Hotelzimmer. Im Heizbetrieb liefert eine außentemperaturgeführte Zentralheizung (Fußbodenheizung) die Grundlast d.h. die Raumtemperatur wird im Sparbetrieb auf ca. 15 °C gehalten. Bei Umschaltung auf Komfortbetrieb erreicht das Fan-Coil-Gerät innerhalb weniger Minuten die gewünschte Komforttemperatur. In allen anderen Räumen bleiben die Fan-Coil-Geräte außer Betrieb. 6.3.2.4 Fan-Coil-Anlagen mit Primärluft und Induktionsanlagen Wird während der Nutzungszeit der klimatisierten Räume eines Gebäudes ein ständiger Außenluftanteil von mindestens 1 Luftwechsel/Stunde benötigt und kann dieser nicht durch regelmäßige Fensterlüftung sichergestellt werden, so wird er – je nach Außenluftzustand – zentral erwärmt und ev. befeuchtet oder gekühlt und ev. entfeuchtet und über ein Hoch- oder Niedergeschwindigkeits-Kanalsystem den einzelnen Räumen als sogenannte „Primärluft“ zugeführt. In den Räumen werden entweder Fan-Coil-Geräte oder Induktionsgeräte zur Erwärmung oder Kühlung der Raumluft platziert. Fan-Coil-Anlagen mit Primärluft Die Primärluft wird über ein Hoch- oder Niedergeschwindigkeits-Kanalsystem im Gebäude verteilt und kann entweder in die Fan-Coil-Geräte (Fig. 6-53), oder durch separate Luftauslässe, direkt in den Raum eingeblasen werden (Fig. 6-54). 2 1 3 4 8 9 6 5 7 1 10 B17-34 Fig. 6-53 1 2 3 4 5 188 Fan-Coil-Anlage mit Primärluftzufuhr über das Fan-Coil-Gerät Außenluft Fortluft Zuluft Umluft Fan-Coil-Gerät 6 7 8 9 10 Raum Zentrale Primärluftaufbereitung Heizkessel Kältemaschine Alternative Primärluftzuführung 7 6 1 3 5 2 4 B17-35 Fig. 6-54 1 2 3 4 Fan-Coil-Anlage mit direkter Primärluftzufuhr zum Raum Primärluft Fortluft Zuluft Umluft 5 6 7 Fan-Coil-Gerät Außenzone Innenzone Im Falle eines Hochgeschwindigkeits-Kanalsystems muss der Luftstrom, vor dem Einblasen in den Raum bzw. in das Fan-Coil-Gerät, auf Niedergeschwindigkeit entspannt werden. Grundsätzlich wird die im Raum oder in der entsprechenden Raumzone anfallende Heiz- oder Kühllast durch das Wassersystem übernommen. Die Primärluft kann jedoch die erforderliche Be- oder Entfeuchtung übernehmen. Um die Raumtemperaturregelung nicht zu stören, wird die Primärluft in der Regel mit einer konstanten Temperatur, die normalerweise dem Heiz-Sollwert der Raumtemperatur entspricht, eingeblasen. Induktionsanlagen Die Induktionsanlage ist das typische und auch am meisten angewandte Luft-/ Wasser-System. Sie eignet sich für den gleichen Anwendungsbereich wie die FanCoil-Anlage mit Primärluft. Die in den Räumen platzierten Induktionsgeräte enthalten – wie die Fan-Coil-Geräte – die erforderlichen Rippenrohr-Wärmeübertrager zum Erwärmen oder Kühlen der Raumluft bzw. Sekundärluft. Die Induktionsgeräte benötigen jedoch keine Ventilatoren. Die zentral aufbereitete Außenluft wird als Primärluft über ein Hochgeschwindigkeits-Kanalsystem im Gebäude verteilt und den einzelnen Induktionsgeräten zugeführt (Fig. 6-55). Anstelle eines Ventilators enthalten die Induktionsgeräte eine geräuschabsorbierende Primärluft-Kammer mit aufgesetzten Kunststoffdüsen, durch welche die Primärluft mit hoher Geschwindigkeit in eine Mischkammer ausgeblasen wird und dort Unterdruck erzeugt. Durch diesen Unterdruck wird Raumluft als sog. „Sekundärluft“ angesaugt (induziert) und dabei durch die Rippenrohr-Wärmeübertrager geführt, wo sie nach Bedarf erwärmt oder gekühlt wird (Fig. 6-56). Je nach Bauart liegt das Induktionsverhältnis Primärluft/Sekundärluft normalerweise zwischen 1:2 und 1:4. 189 2 7 1 8 3 5 6 9 4 B17-36 10 Fig. 6-55 1 2 3 4 5 Induktionsanlage (Luft-/Wasser-System) Außenluft Fortluft Zuluft Umluft (Sekundärluft) Raum 6 7 8 9 10 Induktionsgerät Zentrale Primärluftaufbereitung Primärluftkanal Heizkessel Kältemaschine 4 5 6 Primärluft-Anschluss Induktionsdüsen Wärmeübertrager 3 6 1 2 5 4 Fig. 6-56 1 2 3 Induktionsgerät Primärluft Sekundärluft (Raumluft) Zuluft Die Wärmeübertrager werden, je nach Bedarf, mit Warm- oder Kaltwasser versorgt. Die induzierte Sekundärluft nimmt im Wärmeübertrager die erforderliche Sekundär-Heiz- oder Kühlleistung auf und vermischt sich anschließend mit der Primärluft. Das Gemisch von Sekundär- und Primärluft wird schließlich in den Raum ausgeblasen. Weil der Primärluft-Volumenstrom nur dem erforderlichen Außenluftanteil entspricht, können die Luftverteilkanäle für nur ca. 1/4 bis 1/5 des Luft-Volumenstromes eines Nur-Luft-Systems dimensioniert werden. Dies reduziert den Platzbedarf für das Kanalsystem entsprechend. Beim Induktionssystem wird die Abluft normalerweise nicht direkt aus den klimatisierten Räumen abgesaugt. Die gesamte, der Primärluftmenge entsprechende Abluft wird aus Korridoren, Lagerräumen, Toiletten etc. abgesaugt und geht als Fortluft ins Freie. Daraus ergibt sich in den klimatisierten Räumen ein leichter Überdruck, wodurch eine Vermischung von Luft aus verschiedenen Räumen verhindert wird. Wie bei der Fan-Coil-Anlage mit Primärluft wird die im Raum oder in der entsprechenden Raumzone anfallende Heiz- oder Kühllast grundsätzlich durch das Wassersystem übernommen. Die Primärluft kann jedoch die erforderliche Be- oder Entfeuchtung übernehmen. Um die Raumtemperaturregelung nicht zu stören, wird die Primärluft in der Regel mit einer konstanten Temperatur, die normalerweise dem Heiz-Sollwert der Raumtemperatur entspricht, eingeblasen. 190 KühldeckenInduktionssystem Als Spezial-Ausführung einer Induktionsanlage kann das KühldeckenInduktionssystem bezeichnet werden. 3 3 4 4 1 5 2 2 5 B17-38 Fig. 6-57 1 2 3 Kühldecken-Induktions-Gerät (System FAREX) Primärluftkanal Primärluftdüsen Sekundärluft 4 5 Rippenrohr-Kühler Zuluft Die als Deckenelemente konstruierten Induktionsgeräte (Fig. 6-57) übernehmen die Primärluftzufuhr und die Raumluft-Kühlung, während die Raumheizung durch eine gewöhnliche Radiatoren- oder Konvektorenheizung übernommen wird. Man erreicht damit eine optimale Durchlüftung der Räume ohne Zugerscheinungen weil das System mit der natürlichen Schwerkraft-Zirkulation der Raumluft funktioniert. Die im Raum erwärmte und dadurch spezifisch leichtere Luft steigt zur Decke auf, wird dort gekühlt, mit Primärluft vermischt und fällt wegen ihrer nun höheren Dichte wieder nach unten. 6.3.2.5 Wasserseitiger Anschluss von Fan-Coil- und Induktions-Anlagen Die Zufuhr der erforderlichen Heiz- und Kühlenergie zu den Räumen erfolgt ausschließlich über Wasserkreisläufe. Das in der Energiezentrale aufbereitete Warm- bzw. Kaltwasser überträgt seine Heiz- bzw. Kühlenergie in einem Fan-Coil (Ventilator-Konvektor) oder Induktionsgerät an die Raumluft. Diese Systeme eignen sich also speziell für Räume, die keine Zwangsbelüftung mit Außenluft benötigen (z.B. Hotelzimmer mit Fensterlüftung). Zweileiter-System Bezüglich der Wasserkreisläufe unterscheidet man zwischen Zweileiter-, Dreileiterund Vierleiter-Systemen. Im Zweileiter-System (Fig. 6-58) kann nur entweder geheizt oder gekühlt werden, weil der gleiche Wasserkreislauf sowohl für den Heizals auch für den Kühlbetrieb genutzt wird. Die Umschaltung („Change over“) von Heiz- auf Kühlbetrieb erfolgt in der Energieaufbereitungszentrale. In der Übergangszeit von Heiz- auf Kühlbetrieb und umgekehrt, kann es bei diesem System Probleme geben weil bei unterschiedlichem Wärmeanfall einzelne Räume geheizt und andere gekühlt werden sollten. 191 4 2 3 1 7 7 5 Fig. 6-58 1 2 3 4 6 Wasser-Anschluss eines Fan-Coils, Zweileiter-System Umluft Zuluft Raumluftheiz- und -kühlgerät Raum 5 6 7 Heizkessel Wasser-Kühlmaschine Umschalt-Ventile („Change over“) Dreileiter-System Das Dreileiter-System verfügt über je einen separaten Kalt- und WarmwasserVorlauf und einen gemeinsamen Rücklauf. Es löst so das Problem des gleichzeitigen Heiz- und Kühlbetriebes, verursacht jedoch Energieverschwendung, weil im gemeinsamen Rücklauf enthaltene Heizenergie in der Kältemaschine wieder abgekühlt und Kühlenergie im Wärmeerzeuger wieder aufgeheizt werden muss. Vierleiter-System Eine saubere Lösung für die vorgenannten Probleme bietet das Vierleiter-System mit zwei separaten Wasserkreisläufen für Heizen oder Kühlen. 6.4 Einzelraum-Kompakt-Klimageräte Einzelraum-Kompakt-Klimageräte dienen zur Klimatisierung eines einzelnen Raumes und sind meistens direkt im betreffenden Raum platziert. Ihre Hauptfunktion ist die sensible Kühlung der Raumluft. Entfeuchtung, Heizung und Luftfilterung sind nur in beschränktem Masse und Befeuchtung ist überhaupt nicht möglich. Es handelt sich also hier um „Teil-Klimageräte“, die mit den erforderlichen Komponenten wie Kompressor, Verdampfer, luft- oder wassergekühltem Kondensator, Ventilatoren sowie den Regel-, Steuer- und Sicherheitsorganen, ausgerüstet sind. Sie werden als fertig zusammengebaute Einheiten geliefert und deshalb auch als „stecker- oder anschlussfertige“ Geräte bezeichnet. Zu dieser Gruppe gehören: • • • • 192 Fenster-Klimageräte Truhen-Klimageräte Schrank-Klimageräte Split-Klimageräte 6.4.1 Fenster-Klimageräte Fig. 6-59 zeigt ein Fenster-Klimagerät mit seinen Komponenten. Das Gerät wird normalerweise in eine Fensteröffnung installiert. Eine Installation „durch die Wand“ ist ebenfalls möglich. Der Kälteleistungsbereich dieser Geräte liegt etwa zwischen 1 kW und 10 kW. Als Zubehör sind elektrische Lufterwärmer mit kleiner Leistung erhältlich. Außenluftbeimischung ist nur in beschränktem Maß möglich. Bei Fenster-Klimageräten, die Kühlung und Heizung ermöglichen (Wärmepumpengeräte), erfolgt die Umschaltung von Kühl- auf Heizbetrieb durch Umkehr des Kältemittelflusses mittels eines Vierwegventils. Dadurch werden die Funktionen zwischen Verdampfer und Kondensator vertauscht. 16 44 °C 14 2 12 7 5 32 °C 12 10 15 °C 3 5 1 4 9 8 6 15 11 25 °C 13 B17-17 Fig. 6-59 1 2 3 4 5 6 7 8 Funktionsweise Fenster-Klimagerät Außenluft Fortluft Zuluft Umluft Ventilatoren Verdampfer Kompressor Kondensator 9 10 11 12 13 14 15 16 Expansions-Ventil Kältemittelleitung Luftfilter Lüftungsgitter Kondenswasser-Auffangblech Gehäuse Fenster Raum Die Raumluft wird durch einen Ventilator angesaugt, im Verdampfer gekühlt und teilweise entfeuchtet und dann über ein Luftausblasgitter wieder in den Raum zurückgeblasen. Der gewünschte Außenluftanteil kann mittels einer internen Klappe von Hand eingestellt werden. Ein zweiter Ventilator saugt Außenluft zur Kühlung des Kondensators an und bläst diese anschließend wieder ins Freie. Das im Verdampfer aus der Raumluft ausgeschiedene Kondensat wird entweder ins Freie abgeleitet oder auf den Kondensator gesprüht, wo es verdampft. Es handelt sich also um eine Klein-Kompaktkälteanlage mit vollhermetischem Kompressor und luftgekühltem Kondensator. Die Thermodynamik des Kältekreislaufs ist im Kapitel 4 „Kältetechnik“ beschrieben. 6.4.2 Truhen-Klimageräte Fig. 6-60 zeigt ein Truhen-Klimagerät mit seinen Komponenten. Das Gerät kann anstelle eines Radiators unter dem Fenster fest eingebaut, oder mobil auf Rollen im Raum platziert werden. Truhen-Klimageräte sind für den gleichen Leistungsbereich wie Raum-Klimageräte erhältlich, erfüllen die gleichen Funktionen und haben auch die gleichen Einschränkungen. 193 Geräte mit eingebauten luftgekühlten Kondensatoren können nur an einer Außenwand montiert werden, da eine Öffnung in der Wand zwecks Luftzufuhr zum Kondensator benötigt wird. Bei mobilen Geräten wird der luftgekühlte Kondensator im Freien platziert und die Kältemittel-Verbindung mit dem Truhengerät über Schläuche hergestellt. Geräte mit wassergekühltem Kondensator können mit fixen Wasseranschlüssen an einer Wand oder mit Wasserschläuchen auch mobil installiert werden. Elektro- oder Warmwasserlufterwärmer können als Zubehör in diese Geräte eingebaut werden. Truhen-Klimageräte, die Kühlung und Heizung ermöglichen, sind ebenfalls auf dem Markt. Die Umschaltung von Kühl- auf Wärmepumpenbetrieb erfolgt auch hier durch Umkehr des Kältemittelflusses mittels eines VierwegventiIs. 5 6 7 8 9 1 Fig. 6-60 1 2 3 4 5 2 10 3 4 Truhen-Klimagerät Motor-Verdichter Betriebskondensator Kupfer-Nickel-Verflüssiger Hochdruck-/Niederdruck-Pressostat Luftfilter 6.4.3 6 7 8 9 10 Verdampfer Raumthermostat Steuerung und Regelung Ventilator Einstellbares Luftaustrittsgitter Schrank-Klimageräte (mit Kälteerzeugung) Der Bezeichnung entsprechend, handelt es sich hier um Geräte, bei denen alle Komponenten in einem schrankförmigen Gehäuse untergebracht sind. SchrankKlimageräte sind anschlussfertig und für einen Kälteleistungsbereich von etwa 10 bis 250 kW erhältlich. Für einfache Anlagen können diese Geräte direkt und freiblasend im zu klimatisierenden Raum aufgestellt werden. Meistens werden sie jedoch in einem Nebenraum installiert und an ein Kanalnetz angeschlossen, um Geräuschprobleme zu vermeiden. Elektrolufterwärmer sind als Zubehör erhältlich, und Befeuchtungseinrichtungen können im Luftkanal untergebracht werden. Der Ventilator ist so ausgelegt, dass der statische Druck zur Überwindung des Luftwiderstandes eines kurzen Niedergeschwindigkeits-Kanalnetzes ausreicht. Schrank-Klimageräte sind meistens mit eingebauten, wassergekühlten Kondensatoren ausgestattet. Varianten mit luftgekühlten Kondensatoren sind ebenfalls erhältlich. Dabei wird der luftgekühlte Kondensator nicht im Schrankgerät eingebaut, sondern als separates Gerät im Freien platziert. 194 Der funktionelle Aufbau des Gerätes ist aus Fig. 6-61 ersichtlich. Er entspricht im Prinzip demjenigen des Truhen-Klimagerätes. 17 5 3 12 15 6 14 9 13 1 4 8 5 2 2 7 11 10 16 Fig. 6-61 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Anwendung Funktioneller Aufbau eines Schrank-Klimagerätes Außenluft Fortluft Zuluft Umluft Ventilator Verdampfer Kompressor Kondensator Expansions-Ventil 10 11 12 13 14 15 16 17 Kältemittelleitung Gehäuse Lüftungsgitter Luftklappe Luftfilter Elektrolufterwärmer Außenwand Raum Kleinere Klimaschränke können mit oder ohne Kanalnetz als Einzelraumgeräte verwendet werden. Größere Geräte bedienen dann meistens eine Raumgruppe. Typische Anwendungsfälle sind Büros, Läden etc. Als Sonderausführung können solche Schrank-Klimageräte auch zur Luftentfeuchtung in Schwimmbädern eingesetzt werden. Dabei wird die Umluft zuerst im Direktverdampfer gekühlt, bzw. entfeuchtet und anschließend im eingebauten, luftgekühlten Kondensator wieder nachgewärmt. 6.4.4 Split-Klimageräte Fig. zeigt den funktionellen Aufbau eines Split-Klimagerätes mit seinen Komponenten. Als Split-Klimageräte bezeichnet man Geräte, die in einen kältetechnischen Teil, bestehend aus dem Kompressor und dem luftgekühlten Kondensator und einen lufttechnischen Teil, bestehend aus dem Umluft-Ventilator und dem Direktverdampfer-Luftkühler unterteilt sind. Der kältetechnische Teil kann im Maschinenraum oder im Freien, der lufttechnische Teil als Einzelraumgerät im Raum oder als zentrales Luftkühlgerät an einem Kanalsystem im Gebäude platziert werden. Die beiden Teile werden durch Kältemittelleitungen miteinander verbunden. 195 Der funktionelle Aufbau eines Split-Klimagerätes besteht prinzipiell aus einem Kältemittel-Kreisprozess mit Kompressor, luftgekühltem Kondensator, Expansionsventil und Direktverdampfer-Luftkühler. Als Zusatzkomponente im Umluftgerät könnte noch ein Lufterwärmer als Nachwärmer eingebaut werden, falls der Luftkühler auch zur Luftentfeuchtung dienen muss. Split-Klimageräte werden im Kälteleistungsbereich von ca. 10 bis 500 kW gebaut. 9 6 12 14 3 13 4 5 11 10 7 2 1 8 Fig. 6-62 1 2 3 4 5 6 7 Aufbau eines Split-Klimagerätes Außenluft (Lufteintritt) Fortluft (Luftaustritt) Zuluft Umluft Raum Verdampfer Kompressor 6.5 8 9 10 11 12 13 14 Kondensator Expansionsventil Kältemittelleitung Verflüssigersatz Fan-Coil-Gerät Lüftungsgitter Filter Kontrollierte Wohnraumlüftung In den letzten Jahren konnte der Energiebedarf bei Neubauten auf Grund der verbesserten Isolation und Konstruktion der Gebäudehülle laufend reduziert werden. Dies hat dazu geführt, dass der Anteil der Lüftungsverluste am gesamten Wärmebedarf einen immer höheren Anteil ausmacht. Lüftungswärmeverluste haben heute hohen Anteil an GesamtWärmebedarf Betrachtet man die Entwicklung des Heizwärmebedarfs von Wohn- und Bürogebäuden, dann stellt man fest, dass die Senkung des Wärmebedarfs wesentlich durch die verbesserte Konstruktion der Gebäudehülle (Isolation, Fenster, ... ⇒ Verringerung der Transmissionswärmeverluste) erreicht wurde. Der Anteil der Lüftungswärmeverluste am Wärmebedarf ist kontinuierlich gestiegen und erreicht heute oft die gleiche Größenordnung wie der Transmissions-Wärmebedarf. Eine Reduzierung des Energieverbrauchs – wie er von Normen und Vorschriften in verschiedenen europäischen Ländern gefordert wird – kann durch dichte Fenster und entsprechend gedämmtes Mauerwerk erreicht werden. Wird jedoch die Sicherstellung des notwendigen Luftaustausches versäumt, droht schlechte Luftqualität in den Räumen durch Feuchte, Radon, organische Substanzen, Formaldehyd und anderen Ausdünstungen aus Baumaterialien, Einrichtungsgegenständen usw. Dies bedeutet einerseits eine Einschränkung des Wohlbefindens der Bewohner, andererseits die Gefahr von Schäden am Bau, verursacht in erster Linie durch Schimmelpilzbildung. 196 Kontrollierte Wohnungslüftung reduziert Lüftungswärmebedarf Die Fensterlüftung ist für ein hochgedämmtes Gebäude nicht nur unzureichend, sondern macht auch alle Bemühungen zur Energieeinsparung zunichte. Daher sollte der Einbau eines Lüftungssystems auf jeden Fall in Betracht gezogen werden. Nur durch eine kontrollierte Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung kann der Lüftungswärmebedarf ohne die Gefahr von Feuchtigkeitsschäden spürbar gesenkt werden. Der Wohnkomfort wird durch den Einbau einer kontrollierten Wohnungslüftung verbessert weil • die Außenlärmbelästigung reduziert wird (keine offenen Fenster) • die Außenluft gefiltert wird und so von Schmutz, Staub, Ungeziefer und Pollen gereinigt in die Wohnräume gelangt, was auch für Allergiker von Vorteil ist 6.5.1 Kontrollierte Wohnungslüftungs-Systeme Grundsätzlich können die folgenden mechanischen Wohnungslüftungs-Systeme unterschieden werden: • Einzelraumgeräte • Einzellüftungsanlagen (für eine Wohneinheit) • Zentrallüftungsgeräte für ganze Mehrfamilienhäuser Elektrischer Energieverbrauch beachten Diese Lüftungsgeräte sollten immer mit Wärmerückgewinnungseinheiten ausgestattet sein, da sonst die geforderten Werte (Normen, Vorschriften) für den Lüftungswärmebedarf nicht erreicht werden können. Ebenso ist bei diesen Lüftungsgeräten auf einen sparsamen Verbrauch der elektrischen Energie zu achten, was mit Drehstrom-Motoren nicht zu erreichen ist. Diese Geräte sind deshalb oft mit Gleichstrom- oder EC-Motoren (elektronisch kommutierte Gleichstrom-Motoren) ausgestattet. Einzelraumgeräte Einzelraumgeräte werden direkt in die Außenwand oder die Fensterbrüstung eingebaut. Sie bieten den Vorteil einer einfachen Installation und führen dem Raum filtrierte Außenluft zu, die über eine Wärmerückgewinnung von der Abluft vorgewärmt wird. Der mit dem Einzelgerät verbundene Geräuschpegel wird oft als nachteilig empfunden und der mechanische Wirkungsgrad des Ventilators ist gering. Fig. 6-63 Einzellüftungsanlagen (für eine Wohneinheit) Einzelraumgerät in Außenwand eingebaut Pro Wohneinheit wird eine separate Lüftungsanlage installiert. Die Außenluft wird gefiltert und über die Wärmerückgewinnung aufgewärmt, bevor sie den Wohn- und Schlafräumen zugeführt wird. Die Abluft wird in den Nassräumen abgesaugt, wobei die „verbrauchte“ Luft über Türschlitze oder spezielle – in den Wohnungsdecken eingelegte, schalldämmende – Überström-Einbauteile aus den Wohn- und Schlafräumen nachströmt. Diese Anlagen sind oft mit 3-stufigen Ventilatoren bestückt, die dem Benutzer erlauben, die zugeführte Luftmenge den Bedürfnissen anzupassen. Bei dieser Lösung entsteht in den Wohnräumen keine Geräuschbelästigung, da 197 das Lüftungsgerät in der Wohneinheit entsprechend günstig platziert werden kann. Der mechanische Wirkungsgrad der Ventilatoren ist oft gering. Es gibt auch Einzellüftungsanlagen, die mit einer Wärmepumpe bestückt sind. Damit kann die Wärme aus der Abluft zur Erwärmung des Warmwassers genutzt werden. Fig. 6-64 Einzellüftungsanlage Zentrallüftungsanlagen für Mehrfamilienhäuser Bei Zentrallüftungsanlagen für Mehrfamilienhäuser wird die Luft zentral aufbereitet und den einzelnen Wohneinheiten zugeführt. Dies hat einen gewissen Platzbedarf für die Kanalführung zur Folge. Je nach Abrechnung der Heizkosten ist es auch notwendig, die Wärmerückgewinnung dezentral, d.h. in den einzelnen Wohneinheiten zu platzieren, was die Anlage komplexer macht und zu Mehrkosten führen kann. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass die Ventilatoren mit einem hohen mechanischen Wirkungsgrad arbeiten. Außenluftfassung über Erdregister In Gebäuden mit Zentrallüftungsanlagen – aber auch mit Einzellüftungsanlagen – kann die Außenluft über ein sogenanntes Erdregister geführt werden. Dabei wir die Außenluft durch Rohre geführt, die im Erdreich verlegt sind. Im Winter wird die Außenluft dadurch etwas vorgewärmt, im Sommer etwas abgekühlt, was für eine minimale Kühlung der Wohnräume genutzt werden kann. Wartung der WohnungsLüftungsanlagen Die oben aufgeführten Arten der Wohnungslüftungs-Systeme brauchen alle nicht sehr viel Wartung, einzig die Filter müssen regelmäßig ausgewechselt werden. Dies hat sich in der Praxis vor allem bei Einzelraumgeräten und Einzelanlagen als etwas problematisch erwiesen, weil das nicht alle Benutzer regelmäßig machen. Bei einer Zentrallüftungsanlage kann dies durch den Anlagebetreiber vorgenommen werden. 198 7 Mess-, Steuer- und Regeltechnik 7.1 Einleitung Wie der Name Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR-Technik) schon aussagt, werden in diesem Kapitel die Themen Messen, Steuern und Regeln behandelt. Durch die Entwicklung der Gebäudeautomation mit digitaler Steuer- und Regeltechnik (DDC-Technik, Direkt Digital Control) hat dieses Thema eine neue und wichtige Bedeutung erlangt. Beim heutigen Entwicklungsstand und Marktpotential der Gebäudeautomation drängt sich ein eigenständiger, fachübergreifender Planungsbereich für die MSR-Technik und die Gebäudeautomation auf, weshalb nun immer mehr MSR- Planer ihre Dienstleistungen zur Planung der Steuerung, Regelung, Betriebsführung und Energieverbrauchs-Optimierung der gesamten gebäudetechnischen Anlagen anbieten. Die Zusammenhänge der MSR-Technik sind in den folgenden DIN Vorschriften definiert: • DIN 19226 • VDI • ISO Selbstlernprogramm „Regeltechnik in HLKAnlagen“ In diesem Kapitel werden die Basisdefinitionen und Funktionen erläutert, zum weiteren Studium der Regeltechnik empfehlen wir das computer-basierte Training (CBT) „Regeltechnik in HLK- Anlagen“ von Siemens Building Technologies, welches sehr gut als Selbstlernmodul geeignet ist. Für den Bezug des Selbstlernprogramms wenden Sie sich bitte an Ihren lokalen Ansprechpartner (Verkauf oder Training) von Siemens Building Technologies. 199 7.2 Das Messen Der Begriff „Messtechnik“ definiert die Gesamtheit der Verfahren und Geräte zur empirischen Bestimmung (Messung) zahlenmäßig erfassbarer Größen in Wissenschaft und Technik. Aufgaben der Messtechnik sind außerdem die Überprüfung der Einhaltung von Maßstoleranzen, Verbrauchszählung, Produktionsüberwachung, sowie allgemein (im Rahmen der Mess- und Regeltechnik) die Steuerung technischer Vorgänge durch Regelung nach Messwerten. Von den Anfängen des Messens, wo erste Versuche einer Längen- und Zeitdefinition gemacht wurden, bis zu den mechanischen und elektronischen Messgeräten, ist es ein langer und mühsamer Weg, verbunden mit Tausenden von Jahren Kulturgeschichte der Menschheit. Das präzise Messen von physikalischen Größen ist im Zeitalter der Gebäudeautomation und Facility Management (Bewirtschaftung, Betrieb und Instandhaltung von Gebäuden) von großer Bedeutung. Entscheidungen für Veränderungen oder Aussagen zu Energieverbrauchszahlen und Gebäudeunterhaltskosten sind von der Genauigkeit der erfassten Messwerte abhängig. Exakte Messwerterfassung hat im Regelkreis einen hohen Stellenwert für die Genauigkeit und Stabilität des Regelergebnisses. Die Auswahl der richtigen Messeinrichtung ist entscheidend für ein richtiges Messergebnis, das richtige (zuverlässige) Messergebnis wiederum ist wichtig für eine aussagekräftige Beurteilung. Die Grundbegriffe der Messtechnik sind in den Normen DIN 1319 und VDI/VDE26000, Blatt 2 definiert. Basiseinheiten Durch das Internationale Einheitensystem SI (Système International d'Unité), wie wir es heute kennen, wurde eine übersichtliche Ordnung bezüglich der Maßeinheiten geschaffen: Größe Einheit Zeichen Temperatur Kelvin K Länge Meter m Zeit Sekunde s Stromstärke Ampère A Masse Kilogramm kg Lichtstärke Candela cd Stoffmenge Mol mol Die sieben Basiseinheiten des SI-Systems Messen heißt, eine physikalische Größe (Messgröße) wie Temperatur, Feuchte, Druck etc. durch eine geeignete Messeinrichtung erfassen und als bekannte, vergleichbare Größe anzeigen oder in ein Normsignal DC 0... 10 V, 0... 20 mA umwandeln. Ein solches Normsignal kann als Messwert auf einem MesswertSchreiber aufgezeichnet, auf einem Fernanzeigegerät angezeigt oder in ein Messdaten-Erfassungssystem eingelesen werden. 200 T D Rj R1 − N + ∼ Fig. 7-1 T R1 Rj D N Prinzipieller Vorgang des Messens (Wheatstone’sche-Brückenschaltung) Temperaturfühler Messelement (Messgröße) Abgleichwiderstand (Kompensation von Leitungsverlusten) Messgerät (Messeinrichtung) Spannungsquelle 7.3 Das Steuern Ein Stall (Fig. 7-2) soll so belüftet werden, dass mit sinkender Außentemperatur immer mehr Umluft beigemischt und die Außenluftmenge entsprechend reduziert wird. Eine automatische Steuerung könnte hier die Aufgabe übernehmen, bei sinkender Außentemperatur den Außenluftkanal mit der Außen-/Umluftklappe mehr und mehr zu schließen. Das Steuergerät (2) müsste in diesem Falle die Einstellung der Klappe anhand des Außentemperatur-Messwertes (1) berechnen und den entsprechenden Steuerbefehl an den Stellantrieb des Außenluft-/Umluftklappe (3) senden. 3 1 Fig. 7-2 1 2 3 4 5 2 Beispiel einer automatischen Steuerung Außentemperaturfühler Steuergerät Außenluft-/Umluftklappe 4 5 z Ventilator Raumtemperatur Störgrößen (z.B. Sonne, Wind, ...) Das Steuergerät (2) richtet sich dabei nur nach der Außentemperatur (1) und erhält keine Rückmeldung der aktuellen Raumtemperatur (5). Bei einer bestimmten Raumtemperatur wird also die Außenluft-/Umluftklappe (3) genau gleich eingestellt, unabhängig davon, ob die Sonne in den Raum strahlt oder nicht oder ob sich viele oder wenige Tiere dort aufhalten. Mit dieser Steuerung lässt sich demnach die Raumtemperatur nicht auf einem konstanten Wert, sondern nur in einem bestimmten Bereich halten. 201 7.3.1 Fachbegriffe Steuern Steuerung Eine oder mehrere Eingangsgrößen beeinflussen (ohne Rückführung) in einem offenen Wirkungsablauf andere Größen als Ausgangsgrößen, aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten. Steuereinrichtung Einrichtung zur aufgabenmäßigen Beeinflussung der Steuerstrecke. Steuergröße Diejenige physikalische Größe, die in der Steuerstrecke durch die Steuerung beeinflusst wird (Temperatur, Feuchtigkeit usw.). Steuern Eine oder mehrere Eingangsgrößen beeinflussen (ohne Rückführung) in einem offenen Wirkungsablauf andere Größen als Ausgangsgrößen, aufgrund der dem System eigentümlichen Gesetzmäßigkeiten. Steuerstrecke Der aufgabenmäßig durch die Steuerung zu beeinflussende Teil der Anlage. 202 7.4 Das Regeln Regelungsvorgänge kommen nicht nur in der Technik, sondern in der Natur und in unserem täglichen Leben vor. Ausgangssituation ist dabei immer ein bestimmter Wunsch- oder Soll-Zustand der mit dem aktuellen Ist-Zustand verglichen wird. Stellt man dabei keinen Unterschied fest, ist man zufrieden und sieht keine Veranlassung etwas zur Änderung des Ist-Zustandes zu unternehmen. Besteht jedoch ein Unterschied, sucht man nach Möglichkeiten, diesen zu beseitigen. Beispiel Ein Mensch, der sich in einem Raum aufhält (Fig. 7-3), wünscht sich eine Raumtemperatur von 20 °C und stellt mit Hilfe eines Thermometers fest, dass die aktuelle Raumtemperatur 24 °C beträgt. Das Problem besteht nun in der Abweichung der Ist-Temperatur (x = 24 °C) von der Wunsch- bzw. Soll-Temperatur (w = 20 °C). Diese Abweichung beträgt hier x - w = 24 °C – 20 °C = + 4 K (Kelvin). Um die zu hohe Raumtemperatur auf den gewünschten Wert von 20 °C korrigieren zu können braucht der Mensch einerseits die Möglichkeit, mit Hilfe des Handventils die Wärmeabgabe des Radiators zu reduzieren und anderseits die Intelligenz zu wissen, ob er das Ventil öffnen oder schließen muss. Nachdem er es etwas zugedreht hat, wird er das Thermometer beobachten und von Zeit zu Zeit weiter am Radiatorventil drehen, bis die gewünschten 20 °C erreicht sind. Fig. 7-3 w x y z Handregelung Beispiel einer Handregelung Wunschtemperatur (z.B. 20 °C) Raumtemperatur-Anzeige (z.B. Thermometer 24 °C) Handventil zur Beeinflussung der Wärmeabgabe Störgrößen (z.B. Sonne, Wind, ...) Dieser von einem Menschen ausgeführte Regelvorgang (Fig. 7-4) stellt einen geschlossenen Wirkkreis dar: Der Mensch liest am Thermometer die Raumtemperatur x ab, vergleicht sie mit dem im Kopf gespeicherten Wunsch w, stellt eine Abweichung fest und überlegt wie er diese korrigieren kann. Er führt dann die Korrektur der Ventilstellung y aus, die Raumtemperatur ändert sich und kann wieder neu abgelesen werden. Der Regeltechniker spricht hier von einer „Handregelung“. 203 Fig. 7-4 Automatische Regelung Funktion der Regelung (Vergleich von Ist- und Sollwert) Bei der automatischen Regelung (Fig. 7-5) werden die Tätigkeiten: Messen, Vergleichen und Korrigieren durch eine sogenannte Regeleinrichtung ausgeführt. Ein Fühler (1) misst die Raumtemperatur x und übermittelt sie dem Regelgerät (2). Das Regelgerät vergleicht den Messwert mit dem eingestellten Sollwert w und sendet dem Heizkörperventil (3) das entsprechende Stellsignal yR. Die Ventilverstellung bewirkt eine Änderung der Raumtemperatur, die vom Fühler erfasst wird. Damit ist der Wirkkreis wieder geschlossen. 2 1 3 Fig. 7-5 1 2 Beispiel einer automatischen Regelung Raumtemperaturfühler Regelgerät 3 z Heizkörperventil Störgrößen (z.B. Sonne, Wind, ...) Im Regelkreis wird jede Regelabweichung vom Raumtemperatur-Fühler (1) erfasst. Steigt also die Raumtemperatur durch sogenannte Störgrößen (z) wie Sonneneinstrahlung, Wind oder auch rauminterne Lasten, verursacht durch Elektrogeräte oder zusätzliche Personen, an, wird das Heizventil soweit geschlossen, bis die gewünschte Solltemperatur wieder erreicht ist. 204 Vergleich Steuerung – Regelung Der prinzipielle Unterschied zwischen Steuerung und Regelung kann am Beispiel einer Außenluft-/Umluftmischung gezeigt werden. Fig. 7-6 zeigt links die Steuerung des Außenluftanteils durch die Außenlufttemperatur. Jeder Außenlufttemperatur, die vom Fühler (1) gemessen wird, entspricht eine bestimmte Klappenstellung, die vom Steuergerät (2) befohlen wird. Die Mischlufttemperatur stellt sich entsprechend ein, wird aber dem Steuergerät nicht zurückgemeldet. 2 4 1 Fig. 7-6 1 2 3 4 x 3 Steuerung der Mischlufttemperatur (links) und Regelung der Mischtemperatur (rechts) Außentemperaturfühler Steuergerät Mischtemperaturfühler Regler w x y Mischtemperatur-Sollwert Mischtemperatur-Istwert Stellgröße Fig. 7-6 zeigt rechts die gleiche Außenluft-/Umluftmischeinrichtung als Regelkreis. Am Regler (4) wird der Sollwert w der Mischlufttemperatur eingestellt. Der Messwert x des Fühlers (3) wird am Reglereingang mit dem Sollwert w verglichen und bei einer Abweichung wird die Klappenstellung durch den Regler verändert, bis die Mischlufttemperatur dem eingestellten Sollwert entspricht. Beispiel: Steuerung und Regelung einer Heizungsanlage Bei der im Wohnungsbau am meisten eingesetzten Heizungsregelung, der außentemperaturgeführten Vorlauftemperatur-Regelung, handelt es sich um eine Kombination von Steuerung und Regelung. Fig. 7-7 zeigt das Prinzipschema dieser Kombination. 1 ϑAu ϑR 3 w 2 y 4 x z Fig. 7-7 1 2 3 4 x z Außentemperaturgeführte Vorlauftemperatur-Regelung Außentemperaturfühler Steuergerät mit Heizkurve (gibt Sollwert w an Regler (3)) Regler Mischventil Vorlauftemperatur Störgröße (z.B. sich ändernde Kesselwassertemperatur) 205 Steuerung Der Außentemperaturfühler (1) sendet sein Mess-Signal dem Steuergerät (2). Das Steuergerät berechnet aufgrund der eingestellten Heizkurve, welche WarmwasserVorlauftemperatur nötig ist, um bei der momentanen Außentemperatur eine minimale Raumtemperatur von beispielsweise 20 °C zu erreichen und sendet den entsprechenden Sollwert dem Vorlauftemperatur-Regler (3). Es stellt sich dann eine Raumtemperatur von mindestens 20 °C ein, die jedoch von keinem Fühler mehr gemessen und von keinem Regler mehr korrigiert wird. Die Raumtemperatur kann sich durch Sonneneinstrahlung, elektrische Geräte oder mehrere Personen höher, oder durch offene Fenster tiefer als der vom Steuergerät berechnete Wert einstellen. Es handelt sich hier also um eine Raumtemperatur-Steuerung. Regelung Wie schon erklärt, berechnet das Steuergerät (2) den Sollwert w für den Vorlauftemperatur-Regler (3). Der Regler vergleicht den gemessenen VorlauftemperaturIst-Wert x mit dem Sollwert w und berechnet aufgrund der Differenz (x-w) das Stellsignal y, wodurch der Stellantrieb (4) das Mischventil so einstellt, dass die Vorlauftemperatur dem Sollwert entspricht. Weil die Vorlauftemperatur dauernd gemessen und der Messwert dem Regler zurückgesandt wird, handelt es sich hier um einen geschlossenen Wirkkreis und deshalb um eine Vorlauftemperatur-Regelung. 206 7.4.1 Fachbegriffe Regeln (nach DIN 19226) Messort Stelle, wo der Fühler platziert ist, d.h. wo die Regelgröße gemessen wird. Fühler Gerät, das den Wert der Regelgröße erfasst. Istwert xi Der momentan vom Fühler gemessene Wert der Regelgröße x. Regelgröße x Diejenige physikalische Größe, die in der Regelstrecke erfasst und auf einem gewünschten Betrag oder Wert gehalten werden soll, d.h. geregelt wird (Temperatur, Feuchtigkeit usw.). Sie ist die Ausgangsgröße der Strecke und die Eingangsgröße des Reglers. Führungsgröße w Dem Regelkreis von außen zugeführte Größe. Sie bestimmt den momentanen SolIwert. Sollwert xs Momentan geforderter Wert der Regelgröße x, der trotz Störgrößen konstant gehalten werden soll (z.B. Einstellwert des Sollwertgebers). Störgröße z Von außen auf den Regelkreis einwirkende Größe, welche die Regelgröße ungewollt beeinflusst z.B. Fremdwärme, Sonnenstrahlung usw. Regeldifferenz e Differenz zwischen der Führungsgröße w und der Regelgröße x, in Einheiten der Regelgröße: e=w–x Weiterer üblicher Begriff für die Regeldifferenz: Regelabweichung Regelung Sie bezweckt, eine physikalische Größe (Regelgröße x) auf einen vorgeschriebenen Wert (Führungsgröße w) zu bringen und unabhängig von allen störenden Einflüssen auf diesem Wert zu halten. Dazu muss die Regelgröße x fortlaufend erfasst und durch Vergleich mit der Führungsgröße w im Sinne einer Angleichung an diese beeinflusst werden. Regeln Vorgang, bei dem die zu regelnde Größe (Regelgröße) fortlaufend erfasst, mit der Führungsgröße verglichen und – abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs – im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Der sich dabei ergebende Wirkungsablauf findet in einem geschlossenen Kreis – dem Regelkreis – statt. Regler Gesamte Einrichtung, die den Regelungsvorgang an der Strecke bewirkt, d.h. die Differenz zwischen dem Istwert und Sollwert der Regelgröße erfasst und danach das Stellglied in entsprechender Weise betätigt, um die Abweichung zu eliminieren. • Eingangsgröße: Regelgröße x • Ausgangsgröße: Stellgröße y Stellgröße y Durch den Regler verstellbare Größe, welche ihrerseits den Wert der Regelgröße gewollt beeinflusst (z.B. Hub des Ventils). Zugleich Ausgangsgröße des Reglers und Eingangsgröße der Strecke. Stellgerät, Stellorgan Dieses verstellt das Stellglied entsprechend dem Ausgangssignal des Reglers in der ihm zugeordneten Bewegungsrichtung (z.B. Elektromotor, Elektromagnet). Stellantrieb Dieses verstellt das Stellglied entsprechend dem Ausgangssignal des Reglers in der ihm zugeordneten Bewegungsrichtung (z.B. Elektromotor, Elektromagnet). 207 Stellglied Im Regelkreis eingebautes Organ zur Dosierung eines Energie- oder Mengenstromes (z.B. Ventil). Stellort Ort, wo der Energiefluss beeinflusst wird. Regelkreis Kombination aus Regelstrecke und Regler, mit in sich geschlossenem Wirkungsablauf. Regelstrecke Die zu regelnde Anlage, d.h. derjenige Teil des Regelkreises, in der die Regelgröße x durch den Regler gegen unbeabsichtigte Störeinflüsse konstant gehalten werden soll. Sie beginnt am Stellort (wo das Stellglied eingreift) und endet am Messort (wo die Regelgröße gemessen wird), d.h. sie besteht aus Stellglied, den Anlageteilen (z.B. Leitungen, Wärmetauscher, Raum, ...) und dem Fühler. • Eingangsgröße: Stellgröße y • Ausgangsgröße: Regelgröße x Regeleinrichtung Einrichtung zur aufgabenmäßigen Beeinflussung der Regelstrecke. Sie beginnt am Messort und endet am Stellort. Sie besteht aus Regler und Stellantrieb. 7.5 Gebäudeautomation Unter dem Begriff Gebäudeautomation versteht man die zentrale Betriebsführung, Überwachung und Optimierung der Gebäudetechnik durch ein rechnerunterstütztes Gebäudeautomations-System. Solche Gebäudeautomations-Systeme werden in großen Bürogebäuden, Einkaufszentren, Spitälern, Bahnhöfen, Flughäfen etc. installiert, wo sich komplexe gebäudetechnische Anlagen gegenseitig beeinflussen und dadurch Möglichkeiten zur Betriebs- und Energieoptimierung bieten. Moderne Gebäudeautomations-Systeme greifen dabei auch in die Mess-, Steuer- und Regeltechnik (MSR-Technik) dieser Anlagen ein. Dabei werden anspruchsvolle Steuer- und Regelfunktionen mit frei programmierbarer Digitaltechnik (DDC = Direct Digital Control) realisiert. Fig. 7-8 208 Gebäude mit verschiedenen technischen Einrichtungen (Aufzüge, Licht-, Sanitär-, Kälte-, Lüftungs-Klimaanlagen, Sicherheits- und Alarmsysteme u.s.w., die durch Gebäudeautomations-Systeme koordiniert und optimal betrieben werden. Die Hardware eines Gebäudeautomations-Systems ist hierarchisch strukturiert und es werden mindestens die folgenden 3 Ebenen unterschieden: • Management-Ebene • Automations-Ebene • Feld-Ebene 1 2 3 Fig. 7-9 1 2 3 Managementebene Hierarchische Struktur eines Gebäudeautomationssystems Managementebene Automationsebene Feldebene Die Management-Ebene mit dem Zentralrechner und den erforderlichen Ein- und Ausgabegeräten zum Bedienen und Überwachen wie PC-Bedienstationen für aktualisierte Anlagenbilder, Protokoll- und Grafikdrucker. Die Management-Ebene führt, überwacht und koordiniert die untergeordneten Ebenen und übernimmt dabei Funktionen wie: • Schalten von Anlagengruppen nach Zeitprogramm • Ausgeben von Betriebs-, Stör- und Alarmmeldungen • systemübergreifendes Optimieren des Energieverbrauchs • Analysieren und Visualisieren von Mess- und Betriebsdaten Dieses sogenannte Dataprocessing liefert beispielsweise Energieverbrauchszahlen, Störungsstatistiken oder Informationen für das InstandhaltungsManagement. 209 Automationsebene Die Automations-Ebene zur Steuerung, Regelung und Überwachung der hausbzw. gebäudetechnischen Anlagen, die weitgehend autonom arbeitet, so dass nach Ausfall der Management-Ebene diese Anlagen störungsfrei weiterbetrieben werden können. Systemübergreifende Optimierungsfunktionen sind aber in einem solchen Falle nicht mehr wirksam. Die Hardware der Automations-Ebene wird meist in den Schaltschrank der betreffenden Anlage platziert und verfügt über mehr oder weniger komfortable Handbedienelemente. Modular konzipierte Ein-/Ausgabegeräte (I/O-Module) bilden die Kommunikationsschnittstelle zwischen den Prozessrechnern der Automations-Ebene und den Mess-, Stell- und Meldegeräten in den Anlagen. Die Input/Output (I/O) -Signale werden von den Prozessrechnern verarbeitet und nur im Bedarfsfall an die Management-Ebene übermittelt. Binäre Signale (Ein/Aus, 1/0, High/Low) können direkt verarbeitet, analoge Signale (El. Widerstand, Spannung, Strom oder Druck) müssen zuerst durch sogenannte A/D-Wandler in digitale Signale umgewandelt werden. Die Automations-Ebene übernimmt dabei Funktionen wie: • • • • • Feldebene Messen, Steuern, Regeln Schalten, Melden, Zählen Optimieren Überwachen Bedienen Die Feld-Ebene mit den Mess-, Stell-, Schalt- und Meldegeräten der haustechnischen Anlagen, sowie den Einzelraum- oder Zonenregelkreisen. In den haustechnischen Anlagen werden über Sensoren aktuelle Betriebszustände erfasst und über Aktoren Betriebszustände verändert. Konkret handelt es sich dabei um: • die Erfassung von Messwerten wie Temperatur, Druck, Volumenstrom, Feuchtigkeit oder Zählimpulse (Sensoren) • das Schalten der Motoren und elektrischen Heizregistern (Aktoren) • die Rückmeldung der Schalterstellungen der Überwachungsgeräte (Sensoren) • das Stellen der Ventil- und Klappenantriebe (Aktoren) Zur Feld-Ebene gehören auch die haustechnischen Einrichtungen in den Räumen. Hier werden individuelle Raum- bzw. Zonentemperaturen geregelt durch direkten Stellzugriff der Regler auf • Radiatorventile • Heiz- und Kühlwasserventile in Fan-Coil- oder Induktionsgeräten • Volumenstrom-Regler in VVS-Systemen • Mischklappen in Zweikanal-Mischboxen Das Gebäudeautomations-System kann an hunderten von Regelkreisen Sollwerte ferneinstellen oder Stellgrößen abfragen und daraus –zwecks Lastführung der Wärme- und Kälteerzeuger – den gesamten Lastzustand der HLK-Anlagen ermitteln. Der Datenaustausch innerhalb dem Leitsystem erfolgt über den systemspezifischen Datenbus, wobei je nach Systemgröße, erforderlicher Übertragungsgeschwindigkeit, Ausbaubarkeit oder Betriebssicherheit, unterschiedliche Strukturen gewählt werden, wie Linien-, Stern-, Ring- oder Baumstrukturen. 210 Für den Datenaustausch gelten dabei die folgenden Grundsätze: • der Datenaustausch kann horizontal (innerhalb der Ebene) oder vertikal (zwischen den Ebenen) erfolgen • jede Ebene arbeitet mit den ihr zugewiesenen Daten • Daten, die an höhere Ebenen übermittelt werden, sind vorher auf die Wesentlichen zu reduzieren bzw. zu verdichten Werden diese Grundsätze konsequent befolgt, wird vermieden, dass eine Ebene mit Daten einer anderen überlastet wird, was zwangsläufig zu längeren Verarbeitungs- und Reaktionszeiten führen würde. Anforderungen an Bussysteme in der Gebäudeautomation: • Übertragung von einfachen Ereignissen bis zu komplexen Datenstrukturen • Integration gleicher und verschiedener Gewerke auf der Ebene mit größtem Nutzen • Aufschaltung auf bestehende Infrastruktur (LAN, WAN) des Kunden • zentrale Bedienung und Überwachung, jedoch mit örtlicher Flexibilität • Reduktion der Installations- und Wartungskosten • Fernüberwachung (Wählleitungen ins Netzwerk integriert) • Effiziente Vernetzung einer großen Anzahl Stationen über weite Distanzen • Flexibilität in der Installationstechnik • ..... Diese Anforderungen können nur mit standardisierten Bussystemen erfüllt werden. Um alle Anforderungen abzudecken, sind mehrere Bussysteme erforderlich. Die Datenübertragungs- und Kommunikationssysteme sind heute normiert. Die nachfolgende Übersicht zeigt den Status der Standardisierung in Europa (CEN TC 247). Protokoll Norm BACnet EN ISO 16484-5 und -6 LONWORKS EN 14908-1 bis -4 KNX EN 50090-3-2; 4-1; 4-2; 5-2; 7-1 EN 13321-1 und -2 211 Quellennachweis Der Inhalt dieser Broschüre ist ein Auszug aus dem Trainingmodul „BO1HV – Einführung in die HLK- und Gebäudetechnik“ erstellt bei: Siemens Schweiz AG Industry Sector Building Technologies Division CPS Training Gubelstraße 22 6301 Zug Schweiz Weitere Quellen • Recknagel Sprenger Schramek „Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik“ • „Handbuch der Klimatechnik“ C.F. Müller Verlag • Fachartikel „Die Ventilator-Kennlinie“ Ing. Josef Lexis • Buderus „Handbuch für Heizungstechnik“ • „Impulsprogramm Haustechnik“ Bundesamt für Kulturfragen, CH-Bern 212 Weitere technische Broschüren ASN-Nr. Titel 0-91899-de Das h, x-Diagramm 0-91899-en The psychrometric chart 0-91910-de 0-91910-en Messtechnik Measuring technology 0-91911-de 0-91911-en Regeln und Steuern von Heizungsanlagen Control of heating plants 0-91912-de 0-91912-en Regeln und Steuern von Lüftungs-/Klimaanlagen Control of ventilation and air conditioning plants 0-91913-de 0-91913-en Regeltechnik Control technology 0-91914-de 0-91914-en Kältetechnik Refrigeration technology 0-91915-de 0-91915-en Wärmerückgewinnung im Kältekreislauf Heat recovery in the refrigeration 0-91917-de 0-91917-en Hydraulik in der Gebäudetechnik Hydraulics in building systems 0-91918-de 0-91918-en Stetige Leistungsregelung im Kältekreislauf Modulating capacity control in the refrigeration cycle 0-92166-de 0-92166-en Bedarfsgeregelte Lüftung Demand-controlled ventilation 0-92189-de 0-92189-en Gebäudeautomation – Einfluss auf die Energieeffizienz Building automation – impact on energy efficiency 213 Ihren regionalen Ansprechpartner finden Sie im Internet unter www.siemens.de/buildingtechnologies oder über unser Kundenbetreuungs-Center Tel. 0800 100 76 39 [email protected] Siemens AG Building Technologies Division Rödelheimer Landstraße 5 – 9 60487 Frankfurt am Main Siemens AG Building Technologies Division Siemensallee 84 76187 Karlsruhe Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischen Möglichkeiten, die im Einzelfall nicht immer vorliegen müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind daher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen. © Siemens AG, 2015. Änderungen vorbehalten. Stand 2009. Bestell-Nr. E10003-A38 ­H337 Unsere Welt erfährt Veränderungen, die uns zu einem neuartigen Denken zwingen: demografischer Wandel, Urbanisierung, globale Erwärmung und Ressourcenknapp­ heit. Maximale Effizienz hat deswegen höchste Priorität – und das nicht nur in puncto Energie. Zusätzlich werden wir noch mehr Komfort für das Wohlbefinden der Nutzer schaffen müssen. Auch der Bedarf nach Schutz und Sicherheit wird immer größer. Für unsere Kunden ist Erfolg dadurch definiert, wie gut sie diese Herausforderungen meistern. Siemens hat die Antworten dazu. siemens.de/buildingtechnologies „Wir sind der zuverlässige Technologiepartner für energieeffiziente, sichere und geschützte Gebäude und Infrastruktur.”
