vergleich von kälte- und wärmeerzeugungstechnologien · variante warmwasser heizen kühlen...

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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


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

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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.

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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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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

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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 %)

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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.

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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.

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21

Außengerät der GasmotorwärmepumpeVentilator

Wärmeübertrager

Sammler

Luft

Kraftstoff(z.B. Erdgas)

Ölfilter

Gasmotor

Verdichter

zu den Inneneinheiten

Platten-Wäremübertrager

Quelle: Kaut/Sanyo

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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


Kältemittelgasförmig




Verdampfer

Verflüssiger

Verdichter

Erdgas

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26

Kaltdampfprozess mit thermischem VerdichterWärmeabfuhr

Wärmezufuhr





Verdampfer

Verflüssiger

Pumpe

Antriebsleistung P

Absorber

Austreiber

Wärmeabfuhr


NH3

Erdgas

Qab

QabQzu

WärmezufuhrQzu

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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.

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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

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20

10 20 30 40 50

Außentemperatur in °C

Leis

tung

in k

W

3°C7°C10°C

20

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40

45

-30 -20 -10 0 10 20 30

Außentemperatur in °CLe

istu

ng in

kW

30°C45°C50°C60°C

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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

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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


CO

P

Heizwärme Warmwasser Kälte

32

32

Stromsystem

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0


CO

P


33

33

Gasmotor-Wärmepumpe

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8


CO

P


34

34

Absorptionswärmepumpe

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8


CO

P


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


Absorptions-Wärmepumpe

KEA

in M

Wh

Kälte StromKälte GasWarmwasser StromWarmwasser Gas bivalentWarmwasser GasHeizwärme StromHeizwärme Gas bivalentHeizwärme GasNebenverbraucher Strom

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36

Anlagenkosten

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000




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

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38

Optimal konfiguriertes System

Vorgabe: Spitzenlastkessel 30%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

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80%

90%

100%

110%

max. Heizlast inst. Heizleistung max. Kühllast inst. Kühlleistung

Leis

tung

GWP (Kühlen)KühllastSpitzenlastkesselGWP (Heizen)Heizlast

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Heizleistung überdimensioniert


0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%110%120%130%140%


Leis

tung


40

40

Kühlleistung überdimensioniert


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%


Leis

tung


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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




KEA

in M

Wh

Kälte StromKälte GasWarmwasser StromWarmwasser Gas bivalentWarmwasser GasHeizwärme StromHeizwärme Gas bivalentHeizwärme GasNebenverbraucher Strom

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42

Kosten-Vergleich der Systeme (bivalenter Betrieb)Anlagenkosten

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000




jähr

liche

Kos

ten

in E

UR

Energiekosten

Wartung / Instandhaltung

Investitions- undKapitalkosten

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44

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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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Sonstiges

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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