-
1
Vergleich von Kälte- und Wärmeerzeugungstechnologien
Analyse unterschiedlicher Erzeugungsvarianten
Energiewirtschaftliches Seminar 18.12.2006Dipl.-Ing. M. Beer
-
22
Gliederung1. Ausgangssituation und untersuchte Systeme2. Simulation und Gebäudemodell3. Funktionsweise der Geräte4. Ergebnisse5. Fazit
-
33
Gliederung1. Ausgangssituation und untersuchte Systeme2. Simulation und Gebäudemodell3. Funktionsweise der Geräte4. Ergebnisse5. Fazit
-
44
Ausgangssituation• In Japan existieren hohe Stromkosten aufgrund der
Importabhängigkeit bei Energieträgern.
• Effizienzförderprogramme führten dort zur Entwicklung von gasmotorisch betriebenen Klimageräten.
• Auch in Deutschland nimmt der Anteil der Klimatisierung zu.
• Vergleich unterschiedlicher, innovativer Konzepte zur
– Heizwärme-,
– Klimakälte-,
– und Warmwasserbereitstellung.
• Basis der Betrachtung ist ein Bürogebäude.
-
55
Klimatisierungsbedarf
20
21
22
23
24
25
26
27
0 1 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
Außenlufttemperatur °C
oper
ativ
e R
aum
tem
pera
tur °
C
kurzzeitig zulässig
Quelllüftung
konventionelle Lüftung
...
BehaglichkeitsfeldDIN 1946
• Innere Gewinne durch Beleuchtung und technische Ausstattung
• Solarer Wärmeein-trag durch große Fensterflächen
• Steigender Komfort-anspruch der Gebäudenutzer
-
66
Anlagenvarianten
Erdgasgasdirektbefeuerte AbsorptionsanlageABSORBER
Erdgasgasmotorisch betriebene WärmepumpeGASMOTOR
Stromelektrisch betriebene Wärmepumpe
Durchlauf-erhitzer
STROM
Erdgas / Strom
Kompressions-kältemaschine
GaskesselGaskesselKONVENTIONELL
EnergieträgerKühlenHeizenWarmwasserVariante
Zusätzlich wird bei den gasbetriebenen Wärmepumpen die Einbindung eines Spitzenlastkessels untersucht.
-
77
Gliederung1. Ausgangssituation und untersuchte Systeme2. Simulation und Gebäudemodell2.1. Simulation2.2. Auswahl des Gebäudes und Kennlinien3. Funktionsweise der Geräte4. Ergebnisse5. Fazit
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88
Aufbau der Simulation
HeizenHeizen
KühlenKühlen
Warm-wasserWarm-wasser
HeizenHeizen
KühlenKühlen
Warm-wasserWarm-wasser
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
ther
mis
che
Leis
tung
bez
ogen
auf
das
Tag
esm
axim
um
Anlagen Speicher
• Für das betrachtete Gebäude werden Lastprofile auf der Basisder Gebäudedaten und des Standorts erzeugt.
• Die technischen Anlagen werden durch Kennlinien beschrieben.• Gebäude und Anlagen sind über Speicher gekoppelt.
Gebäude
-
99
Lastprofile der Gebäude• Klimadaten stammen aus den Testreferenzjahren
– Außentemperaturverlauf– Solare Einstrahlung– Standortabhängigkeit
• Gebäudedaten sind aus IKARUS entnommen• Im Folgenden wird untersucht, ein:
– 3-geschossiges Büro-/Verwaltungsgebäude– am Standort München (TRY 13)– Baujahr 1996– Energiebezugsfläche 970 m²– davon gekühlt: 60%
-
10
10
GebäudekennlinienNormierte Energiebedarfskennlinie
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Ener
gieb
edar
f in
%
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Auß
ente
mpe
ratu
r in
°C
Heizwärme Warmwasser Kälte Außentemperatur
-
11
11
Gebäudekennlinien/ Simulationsergebnisse
0
10
20
30
40
50
60
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000
Stün
dlic
he L
eist
ung
in k
WHeizwärme+Warmwasser
Kälte
Heizwärme: 81 kWh/m²a 78 MWh/aWarmwasser: 6 kWh/m²a 6 MWh/aKlimakälte: 32 kWh/m²a 19 MWh/a
-
13
13
Gliederung1. Ausgangssituation und untersuchte Systeme2. Simulation und Gebäudemodell3. Funktionsweise der Geräte3.1 Brennwertnutzung3.2 Dezentrale elektrische Wassererwärmung3.3 Kaltdampfprozess mit mechanischem Verdichter3.4 Kaltdampfprozess mit thermischem Verdichter4. Ergebnisse5. Fazit
-
14
14
Brennwertnutzung
Nutzung der Wärme:• Sensible Wärme des Abgasstromes• Kondensationswärme eines Teils des
Wasserdampfes in der Luft
90
92
94
96
98
100
102
104
106
108
20 30 40 50 60 70Rücklauftemperatur [°C]
Wirk
ungs
grad
[%]
Kesselwirkungsgrad ηbei Teillast 60%Kesselwirkungsgrad ηbei Volllast 100%
-
15
15
Dezentrale elektrische Wassererwärmung
Mit Speicher• Offene, drucklose Bauform• Geschlossene Bauweise (bis > 300 Liter)• Wirkungsgrade je nach Zapfprofil
Ohne Speicher• Durchlauferhitzer• Große elektrische Leistung notwendig (bis 24 kW)• Hohe endenergetische Wirkungsgrade (≈ 98 %)
-
16
16
Kaltdampfprozess mit mechanischem Verdichter
• Idealer Vergleichsprozess für Wärmepumpen ist der linksläufige Carnot-Prozess.
• Der linksläufige Carnot-Prozess gilt für:• die Kompressionskältemaschine,• das elektrische Multisplitgerät,• die Gasmotorwärmepumpe.
• Durch den Prozess kann Wärme und Kälte bereitgestellt werden.
-
17
17
Kaltdampfprozess
Qzu
Wärmeabfuhr
Wärmezufuhr
Qab
Kältemittelflüssig
Kältemittelgasförmig
Druckreduzier-Ventil
Verdichter
Antriebsleistung P
Druck niedrigTemperatur niedrig
Druck hochTemperatur hoch
Verdampfer
Verflüssiger
Die Wärme/Kälte kann durch:• ein Wärmeübertragermedium• oder das Kältemittel direkttransportiert werden.
Direktverdampfer/-kondesator-Systeme werden als:• Split-/Multisplitsystem• VRF/VRV-Systemebezeichnet.
-
18
18
Kreisprozess im T-s-Diagramm
dsTmQb
aii ∫⋅= &&
mech
abHeiz P
Q&=ε
zuab
abHeizC TT
T−
=,ε
Heizfall
T
s
1
23
4
Q1
Q2
Pmech
-
19
19
Kreisprozess im T-s-Diagramm
dsTmQb
aii ∫⋅= &&
T
s
1
23
4
Q1
Q2
Pmech
Kühlfall
∗
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−== 1
mech
ab
mech
zuHeiz P
QPQ &&ε
zuab
zuKühlC TT
T−
=,ε
* falls Qab,Heizgleich Qab,Kühl
-
20
20
Auswirkung der Rahmenbedingungen auf den erreichbaren COP
Im realen Betriebsbereich kann der COP für Kühlen größer werden, als im Heizfall.
-
21
21
Außengerät der GasmotorwärmepumpeVentilator
Wärmeübertrager
Sammler
Luft
Kraftstoff(z.B. Erdgas)
Ölfilter
Gasmotor
Verdichter
zu den Inneneinheiten
Platten-Wäremübertrager
Quelle: Kaut/Sanyo
-
22
22
Elektrisch betriebene Anlagen
Kompressionskältemaschine VRF-Multisplitgerät zum Heizen und Kühlen
-
23
23
Kühlen elektrisches Multisplitgerät
92%
93%
94%
95%
96%
97%
98%
99%
100%
101%
102%
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40Außentemperatur in °C
norm
iert
e K
ühlle
istu
ng
0
1
2
3
4
5
6
7
8
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40Außentemperatur in °C
mitt
lere
r CO
P
Kühlleistung Leistungszahl
-
24
24
Heizen elektrisches Multisplitgerät
2
2,5
3
3,5
4
4,5
-22 -18 -14 -10 -6 -2 2 6 10 14
Mittlere Außentemperatur °C
mitt
lere
r CO
P
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
-22 -18 -14 -10 -6 -2 2 6 10 14
Mittlere Außentemperatur °C
norm
iert
e H
eizl
eist
ung
Heizleistung Leistungszahl
-
25
25
Kaltdampfprozess mit thermischem VerdichterWärmeabfuhr
Wärmezufuhr
Qab
Qzu
Kältemittelflüssig
Kältemittelgasförmig
Druckreduzier-Ventil
Druck niedrigTemperatur niedrig
Druck hochTemperatur hoch
Verdampfer
Verflüssiger
Verdichter
Erdgas
-
26
26
Kaltdampfprozess mit thermischem VerdichterWärmeabfuhr
Wärmezufuhr
Kältemittelflüssig
Druckreduzier-Ventil
Druck niedrigTemperatur niedrig
Druck hochTemperatur hoch
Verdampfer
Verflüssiger
Pumpe
Antriebsleistung P
Absorber
Austreiber
Wärmeabfuhr
Druckreduzier-Ventil
NH3
Erdgas
Qab
QabQzu
WärmezufuhrQzu
-
27
27
Absorptions-Wärmepumpe• Sorption: Ein- oder Anlagerung eines Stoffes (Sorbat) in bzw.
an einen anderen Stoff (Sorbens).• Adsorption: Anlagerung eines Gases an die Grenzflächen eines
Festkörpers• Absorption: Einlagerung eines Gases in einer hygroskopischen
Flüssigkeit.• Temperaturbereich zwischen 3 °C und
60 °C erreichbar.• Kühlleistung ist niedriger als Heizleistung.
-
28
28
Kennlinien Gasabsorptions-Wärmepumpe
Kühlen Heizen
Qnenn: 16,9 kW bei 7°C Vorlauf 35,3 kW bei 50°C VorlaufCOP: 0,67 1,40
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
10 20 30 40 50
Außentemperatur in °C
Leis
tung
in k
W
3°C7°C10°C
20
25
30
35
40
45
-30 -20 -10 0 10 20 30
Außentemperatur in °CLe
istu
ng in
kW
30°C45°C50°C60°C
-
29
29
Gliederung1. Ausgangssituation und untersuchte Systeme2. Simulation und Gebäudemodell3. Funktionsweise der Geräte4. Ergebnisse4.1 Wirkungsgrade/COP der Anlagen4.2 KEA und Wirtschaftlichkeit4.3 Einbindung eines Spitzenlastsystems5. Fazit
-
30
30
Installierte (Nenn-)Anlagenleistungen
gasdirektbefeuerte Absorptionsanlage:76,9 kWHeiz / 36,8 kWKühl
ABSORBER
gasmotorisch betriebene Wärmepumpe:75,9 kWHeiz / 64,2 kWKühl
GASMOTOR
elektrisch betriebene Wärmepumpe:
77,1 kWHeiz / 68,7 kWKühl
Durchlauf-erhitzer:38,0 kW
STROM
Kompressions-kältemaschine:
25,7 kW
Gaskessel:
55,8 kW
KONV
KühlenHeizenWarmwasserVariante
-
31
31
Konventionelles System
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
CO
P
Heizwärme Warmwasser Kälte
-
32
32
Stromsystem
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
CO
P
Heizwärme Warmwasser Kälte
-
33
33
Gasmotor-Wärmepumpe
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
CO
P
Heizwärme Warmwasser Kälte
-
34
34
Absorptionswärmepumpe
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
CO
P
Heizwärme Warmwasser Kälte
-
35
35
KEA-Vergleich der Systeme (monovalenter Betrieb)
KEA der Anlagentypen
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
Konventionell Strom-Wärmepumpe
Gasmotor-Wärmepumpe
Absorptions-Wärmepumpe
KEA
in M
Wh
Kälte StromKälte GasWarmwasser StromWarmwasser Gas bivalentWarmwasser GasHeizwärme StromHeizwärme Gas bivalentHeizwärme GasNebenverbraucher Strom
-
36
36
Anlagenkosten
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
Konventionell Strom-Wärmepumpe
Gasmotor-Wärmepumpe
Absorptions-Wärmepumpe
jähr
liche
Kos
ten
in E
UR
Energiekosten
Wartung / Instandhaltung
Investitions- undKapitalkosten
Kosten-Vergleich der Systeme (monovalenter Betrieb)
Zins: 5 %Laufzeit 15 a
-
37
37
Vergleich der Systeme (bivalenter Betrieb)• Bei monovalenter Betriebsweise sind die Wärmepumpensysteme meist falsch
dimensioniert.• Dadurch entstehen hohe Kosten und der Energieverbrauch steigt unnötig an.• Eine Lösung kann die Entkoppelung von Wärme- und Kälteerzeugung durch
einen Spitzenlastkessel sein.
Hier:60 % Spitzenlast(= 31,5 kW)GWP:Heizen: 29,6 kWKühlen: 25,0 kW
0
10
20
30
40
50
60
0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000
Stün
dlic
he L
eist
ung
in k
W
Heizwärme+Warmwasser
Kälte
-
38
38
Optimal konfiguriertes System
Vorgabe: Spitzenlastkessel 30%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
max. Heizlast inst. Heizleistung max. Kühllast inst. Kühlleistung
Leis
tung
GWP (Kühlen)KühllastSpitzenlastkesselGWP (Heizen)Heizlast
-
39
39
Heizleistung überdimensioniert
Vorgabe: Spitzenlastkessel 60%
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%110%120%130%140%
max. Heizlast inst. Heizleistung max. Kühllast inst. Kühlleistung
Leis
tung
GWP (Kühlen)KühllastSpitzenlastkesselGWP (Heizen)Heizlast
-
40
40
Kühlleistung überdimensioniert
Vorgabe: Spitzenlastkessel 60%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
110%
max. Heizlast inst. Heizleistung max. Kühllast inst. Kühlleistung
Leis
tung
GWP (Kühlen)KühllastSpitzenlastkesselGWP (Heizen)Heizlast
-
41
41
KEA-Vergleich der Systeme (bivalenter Betrieb)
KEA der Anlagentypen
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
Konventionell Strom-Wärmepumpe
Gasmotor-Wärmepumpe
Absorptions-Wärmepumpe
KEA
in M
Wh
Kälte StromKälte GasWarmwasser StromWarmwasser Gas bivalentWarmwasser GasHeizwärme StromHeizwärme Gas bivalentHeizwärme GasNebenverbraucher Strom
-
42
42
Kosten-Vergleich der Systeme (bivalenter Betrieb)Anlagenkosten
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
Konventionell Strom-Wärmepumpe
Gasmotor-Wärmepumpe
Absorptions-Wärmepumpe
jähr
liche
Kos
ten
in E
UR
Energiekosten
Wartung / Instandhaltung
Investitions- undKapitalkosten
-
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43
Gliederung1. Ausgangssituation und untersuchte Systeme2. Simulation und Gebäudemodell3. Funktionsweise der Geräte4. Ergebnisse5. Fazit
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44
Fazit• Die Simulation ersetzt keine Fachplanung, liefert jedoch Anhaltswerte zu
Kosten und Jahresnutzungsgraden der verschiedenen Systemkonfigurationen.
• Bei typischen Wärme-/Kältebedarfskennwerten für Bürogebäude liegen die Werte für den Energieverbrauch in einem ähnlichen Bereich.
• Bei den Multisplitgeräten bzw. Wärmepumpen ist die Heizleistung an die Kälteleistung gekoppelt.
• In ungünstigen Fällen sind diese Geräte für den Heiz- oder Kühlfall überdimensioniert.
• Die Geräte werden dadurch sehr teuer.• Dadurch und da die Heizleistung und der COP bei niedrigen Temperaturen
abnehmen, ist es bei den gasbetriebenen Systemen sinnvoll, einenSpitzenlastkessel zu installieren.
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45
Sonstiges
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!