Fachhochschulstudiengänge Burgenland Ges.m.b.H. Eisenstadt Pinkafeld Prof. (FH) Dipl.-Ing Dr. Michael Graf Grundlagen Wärmepumpe.

Fachhochschulstudiengänge Burgenland Ges.m.b.H.

Eisenstadt

Pinkafeld

Prof. (FH) Dipl.-Ing Dr. Michael Graf

Grundlagen Wärmepumpe

Michael Graf

Lehr- und StudienprogrammFachhochschulstudiengänge Burgenland

Bildungsgesellschaft – Eigentümer: Land Burgenland mit dem Ziel Führung von Fachhochschulstudiengängen

(seit 1994) angewandte Forschung & Entwicklung

zwei modern ausgestattete Fachhochschul-studienzentren in Eisenstadt und Pinkafeld

Studiengänge in vier Kernkompetenzbereichen

Studienprogramme bereits in die neue europäischeHochschularchitektur übergeführt(sechs 3jährige Bakkalaureats- und neun 2jährige Magisterstudiengängebereits genehmigt)

Rund 1.400 Studierende

Rund 100 Mitarbeiter und 300 Lektoren

1.410 AbsolventInnen

Michael Graf

StudienangebotFachhochschulstudiengänge Burgenland

Kernkompetenzbereich

Energie-Umweltmanagement

Bachelorstudien

Masterstudien

Energie- undUmweltmanagement

6 Semesterwahlweise vollzeit oder berufsbegleitend90 Anfängerstudienplätze

Energie- undUmweltmanagement

4 Semestervollzeit24 Anfängerstudienplätze

Gebäudetechnik undGebäudemanagement

4 Semesterberufsbegleitend30 Anfängerstudienplätze

NachhaltigeEnergiesysteme

4 Semesterberufsbegleitend20 Anfängerstudienplätze

Michael Graf

Energie- und Umweltmanagement

0Praxisorientiertes Studium Vollzeit/berufsbegleitend

Umsetzungs- undUmformungs-technologien

Wirtschaft, Recht und 2 Fremdsprachen

Wahlmodule: Gebäudetechnik

Prozessmanagement Projektmanagement

Energie- und Umweltmanagement

Berufsfelder:

• Planung, Bau- und Projektleitung, Betriebsing.

• Vertrieb, Schulung, Kunden-dienst und Verkauf

• Energie-, Umwelt- und Abfallbeauftragter

• Qualitäts-Manager (ISO 9000)

• Umweltmanager (ISO 14000)

• Baustellenkoordinator

• Stabstätigkeit

Energie-Umwelt-management

Michael Graf

Ziele für die nächste Stunde

Allgemeines Grundlagen Kennzahlen ein wenig rechnen….

Einflüsse auf ‚Wirkungsgrad‘ Arten von Kennzahlen

Michael Graf

CO2-Problematik, Treibhauseffekt

Michael Graf

Treibhausgase – Anteil am Treibhauseffekt

Michael Graf

Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger

Michael Graf

Umweltbelastung Heizungssysteme

Quelle: FWS / WWF 2005

Michael Graf

Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger

EFH: 8.8 kW Heizenergie

Michael Graf

Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger

EFH: 13 kW Heizenergie, Quelle: RWE

Michael Graf

Wärmepumpe vs. Fossile Energieträger

EFH: 13 kW Heizenergie, Quelle: RWE

Michael Graf

Globale Prognose, Quelle: Shell, Uni Kassel

Michael Graf

Hansen, James et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA

103, 14288-14293 Copyright ©2006 by the National Academy of

Sciences

Temperaturverlauf 1880-2004

1951-1980

Michael Graf

Hansen, James et al. (2006) Proc. Natl. Acad. Sci. USA

103, 14288-14293 Copyright ©2006 by the National Academy of

Sciences

Temperaturänderung2001/05 gegenüber 1951/80

Michael Graf

Alpenraum 1760 - 2000

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

1760

1780

1800

1820

1840

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

east (continental)

west (maritime)

south (adriatic)

high level mean

centr. Alp. lowlevel

Po plain

GLOBAL MEAN(CRU)

devi

atio

ns fr

om 2

0th

cent

.mea

n (K

)

ALP-IMP 2003

+ 2°C

Michael Graf

Starkniederschläge und Jahressummen für Wien und Feldkirch

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1948 1954 1960 1966 1972 1978 1984 1990 1996 2002

Jahr

Sta

rkn

ied

ersc

hlä

ge

> 2

0 m

m [

n/a

]

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

Nie

der

sch

lag

sjah

ress

um

me

[m

m]

Feldkirch >20

Wien >20

Feldkirch sum

Wien sum

Häufigkeit von Niederschlägen > 20 mm/d & Jahressummen in Feldkirch, Vbg., und Wien

Formayer 2004 Jahressumme ~ +20%Starkniederschlag ~ +50 %

Michael Graf

Energie –Situation in Österreich

7.915 Großtankwagen mit je 30.000 LiterQuelle: Fanninger G.: Der Wärmepumpenmarkt in Österreich, Klagenfurt, März 2006Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie, BMVIT

Michael Graf

zurück zum Thema…

Michael Graf

Wärmepumpe

Luftpumpe erzeugt kein Luft

Michael Graf

Abwärme = Kühlenergie + Antriebsenergie

Antriebsenergie

Kühlenergie

Abwärme

Wärmepumpe

Was passiert bei offenem Kühlschrank ???

Michael Graf

Thermodynamik

1. Hauptsatz - einfach

Energie kann nicht vernichtet werdennur Umwandlung, Verluste (Wärme)

Systemgrenzen!!

Zimmer mit KühlschrankAbwärme = Kühlenergie + AntriebsenergieZimmer wird wärmer, nur Zufuhr von Energie.

Michael Graf

Thermodynamik

2. Hauptsatz vereinfacht

Wärme strömt nur bei Temperaturgefälle.

Wärme strömt von der höheren Temperatur zur niedrigeren.

(vgl. Wasser)

Michael Graf

Bergsee

Berg - hoch

Wasserversorgung

H2

H1

Effizienz einer Wärmepumpe

Berghütte nieder

Michael Graf

Funktionsprinzip Wärmepumpe

8 kW Heizung

6 kWgespeicherte Sonnenwärme

Luft

Wasser

Erdreich

2 kW Pumpenergie der Wärmepumpe

Michael Graf

log p, h Diagramm + Prozesse

Michael Graf

Wärmequellen Boden

Michael Graf

log p , h Diagramm

vereinfacht

Michael Graf

4 - 1: verdampfen 1 - 2: verdichten (Temperaturhub) 2 - 3: kondensieren 3 - 4: expandieren

• Von Umwelt aufgenommene Energie: Fläche a• Antriebsenergie Kompressor: Fläche b• Gesamte abgegebene Energie: Fläche a + b• Wann ist b klein / a groß? Was ist ideal?

Carnot Prozess

Michael Graf

4 - 1: verdampfen 1 - 2: verdichten (Temperaturhub) 2 - 3: kondensieren 3 - 4: expandieren

Carnot Leistungszahl ε über die Temperaturdifferenz Wärmequelle (Verdampfer) und Wärmenutzungsanlage (Kondensator)

ε = T / (T - Tu)

Carnot Prozess

Michael Graf

4 - 1: verdampfen 1 - 2: verdichten

(Temperaturhub) 2 - 3: kondensieren 3 - 4: expandieren

TU = 0°C = 273,15 K

T = 50°C = 323,15 K

4661527315323

15323,

,,

,CW

Carnot Prozess

Michael Graf

Fazit Carnot

theoretische Effizienz abhängig NUR von Temperaturhub/

Temperaturdifferenz unabhängig von absoluten Temperaturen Wahl der T-Niveaus? Arbeitmittel

CW = idealer Wert praktisch nicht erreichbar Reibung, Wirkungsgrade etc.

Michael Graf

Leistungszahl COP (Coefficient of performance) Effizienz

COP =

Heizleistung

elektrische Leistungsaufnahme

Theorie, Leistungszahl COP

Michael Graf

Funktionsprinzip Wärmepumpe

Leistungszahl ε oder COP (Momentanwert)

COP = Nutzleistung / Aufwand daher COP = Heizleistung / Strom

COP von 5 bedeutet: 5 – fache Heizleistung des Stromeinsatzes

Beispiel: aus 1 kW Strom, 5 kW Heizleistung

somit 4 kW von der Umgebungswärme

Michael Graf

Theorie, Gütegrad

• CW = idealer Wert• = realer Wert

Abweichung realer Wärmepumpenprozesses vom Carnot-Prozess

Gütegrad (Leistungszahl des realen Prozesses/Carnot-Prozess)

Gütegrad: [ - ]

CW

Wg

Michael Graf

Jahresarbeitszahl

Jahresarbeitszahl JAZ

Ausschlaggebend für die Effizienz der Gesamtanlage

JAZ = Wärmemengenzähler / Stromzähler vergleichbar Jahreswirkungsgrad einer

Heizungsanlage

Michael Graf

welche Kennzahl ist ‚gut‘?

theoretische: ε cw reale: ε oder COP Gütegrad η Jahresarbeitszahl

Entscheidet die PS/kw Zahl eines Autos über Verbrauch?

Wie wichtig sind Randbedingungen? Welchen Einfluss hat der User/Kunde?

Michael Graf

alles klar, oder?

aber jetzt…….

Michael Graf

Vergleich von Wärmepumpen

Kennzahlen

ACHTUNG 2 Normen

EN 255 EN 14511

Beide finden sich in aktuellen Unterlagen

Michael Graf

Unterschiede EN 255, EN 14511

Änderung der Betriebspunkte bei Leistungsbestimmung

Verringerung der Spreizung von 10 K auf 5 K Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf Effekt: geringerer COP Wieso ?????

Arbeits- punkt

COP bei

Ts=10K

COP bei

Ts=5K

COP

A2 / W35

3.27

3.15

-3.7%

A15 / W50

3.48

3.29

-5.5%

Michael Graf

Unterschiede EN 255, EN 14511

geringerer COP Wieso ?????

COP = ?

Q = m . c . DiffT

halbe Differenz = doppelter Durchfluss !!!

mehr Pump-/Hilfsenergie

Michael Graf

Betriebsweise von WP

Michael Graf

Betriebsarten WP

WP für Heizung + WW

Michael Graf

Betriebsarten WP

WP für Heizung + WWElektro-Zusatzheizung für

Spitzenlast

Michael Graf

Betriebsarten WP

WP für Heizung + WWab Bivalenzpunkt:alternative Wärmeerzeugung

WP deckt ~70% des Jahres

Michael Graf

Betriebsarten WP

WP für Heizung + WWab Bivalenzpunkt:WP + alternative

Wärmeerzeugung

Michael Graf

Theorie - Fazit

• Wärmepumpen kombinieren mit NT Heizsystem• Grund: Thermodynamik• höhere Effizienz• Eventuell bivalentes System bei höheren T-Niveau

Michael Graf

Quellen

Glen Dimplex Deutschland Frimenunterlagen Fa. Danfoss/ Supper Firmenunterlagen Fa. Vaillant Firmenunterlagen Fa. Ochsner