energetische Aspekte

Wärmeerzeugung: Grundlage ist stehts eine Lastberechnung oder Bedarfsermittlung z.B. Heizlast, Kühllast, Luftmenge, Aufbereitungsleistung, technolog. Bedarfe, Warmwasser

• Bestimmung der maximal gleichzeitig bereitzustellenden Wärme- oder Kälteleistung und Beachtung von Redundanzanforderungen

Auswahl der Energieerzeuger unter Berücksichtigung verfügbarer Brennstoffe, von Aufstellungsbedingungen, von technischen Parametern(Temperatur, Druck) von gesetzlichen Anforderungen (GEG, BlmSchG) und von Wirtschafzlichkeitsüberlegungen

Dezentral:

• konventionelle Wärmeerzeuger (Gas, Öl)

• Biomassekessel

• Wärmepumpen

• Solarthermie

• Abwärme

Zentral:

• Heizwerk (Gas, Öl, Biomasse)

• KWK ( Kraft-Wärme-Kopplung)

• Wärmepumpen

• Solarthermie

• Geothermie

—> Wärmenetze:

• Nahwärme

• Fernwärme

• reine Wärmeerzeugung ( Heizwerk, Kesselanlagen, geringer Wirkungsgrad)

• Kraft- Wärme-Kopplung ( Heizkraftwerk, BHKW, Brennstoffzellen, Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie)

• Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (Heizkraftwerk, BHKW mit Absorptionskältemaschinen, Erzeugung von Wärme-, Kälte- und elektrischer Energie

• Solare Wärmeerzeugung ( Geothermieheiz(Kraft)Werk, Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie)

• Trägermedium Warmwasser, Heißwasser, ggf. Wasserdampf

• Feststoff- Heizkessel: Scheitholz, Holzhackschnitzek, Holzpellets

  —> Biomasse

• Solarthermie: Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren (gängige Arten)

  —> Sonnenenergie

Vorteile:

• dezentrale effiziente Elektroenergieerzeugung mit Eigenbedarfsdeckungsanspruch

• Nutzung der bei der Elektroenergieerzeugung zwangsläufig entstehenden Wärmeenergie

• Netzkoppelbetrieb und Inselbetrieb möglich

• Temperaturniveau Wärmeseite I.d.R. 90C

Nachteile:

• regelmäßige Wartung in relativ kurzen Zyklen

• Stabile Brennstoffqualität (Methanzahl)

• Meist aufwendige Schallschutzmaßnahmen

• Sollen hohe jährliche Laufzeiten erzielen, die meist Wärmegewitter Betriebsweise erfordert, dass die KWK Abwärme genutzt wird

• Bei stromgeführter oder stromoptimierter Betriebsweise müssen Wärmespeicher i.A. Deutlich größer sein

• Wärmeabführ an die Umgebung ist nur im Havariefall ( Notkühler) oder im Ausnahmefall begrenzt zulässig

• I.d.R. Steht heute die Eigenbedarfsdeckung des Elektroenergiebedarfs im Vordergrund

• Einschließung von Fremdwärmeabnehmern über Nah-/Fernwärmenetzte ist für KWK Anlagen immer vorteilhaft

• KWK Anlagen sind immer Grundlast-Energieerzeuger, infolge dessen stets Spitzenlast- und ggf. Redundanz-Wärmeerzeuger notwendig ist

• Zur Erzielung von Planungssicherheit sollte der Bedarfs- bzw. Verbrauchsanalyse von Wärme und ggf. Elektroenergie hohe Aufmerksamkeit gewidmet werden.

• Rahmenbedingungen für das Betreiben zu achten (EEG- oder KWK-Gesetz-Anlage, nur Eigenbedarfsdeckung oder Belieferung Dritter!)

Vorteile:

• kostengünstige thermische Energie kann genutzt werden (KWK-Anwendungen, solare Klimatisierung)

• Geräuschärmer Betrieb (kein Kompressor —> kein mechanischer Antrieb)

• Vermeidung hoher elektrischer Spitzenlast

Nachteile:

• hoher Platzbedarf

• Gemeinsame Auslegung Anwendung und Sorptionskältemaschine

• Hoher Sekundärenergiebedarf (Pumpen, Steuerung)

1. wärmeaufnahme( und damit Kühlung einer Flüssigkeit) erfolgt im Verdampfer

2. Verdampftes Kältemittel strömt vom Verdampfer zum Absorber

3. Kältemittel bindet sich im Absorber an Lösungsmittel unter Wärmeabgabe

4. Wärme ist auf mittlerem Temperaturniveau und wird abgeführt/ genutzt

5. Lösungsmittel+Kältemittel (“reiche Lösung”) wird mit Lösungsmittelpumpr zum Kocher/Austreibet auf ein höheres Druckniveau gepumpt und im Temperaturwechsler vorgewärmt

6. Unter Wärmezufuhr mit hoher Temperatur wird das Kältemittel vom Lösungsmittel getrennt (“ausgekocht/ausgetrieben)

7. Nahezu reines Lösungsmittel (“Arme Lösung”) strömt zum Absorber zurück, wird im Temperaturwechsler vorgekühlt und im Expansionsventil entspannt

8. Vom Verdampfer Kältemittek im Kocher wird restliches Lösungsmittel abgeschieden

9. Dampfförmiges Kältemittel strömt zum Kondensator und wird dort abgekühlt und kondensiert

10. Die Kondensationswärme ist auf mittlerem Temperaturniveau und wird abgeführt/genutzt

11. Kondensiertes Kältemittel wird im Expansionsventil entspannt und dem Verdampfer zur Wärmeaufnahme zugeführt

1. Verdampfer nimmt Wärme von einer kühlenden Flüssigkeit auf

2. Im Verdampfer verdampft dabei das Kältemittel

3. Der Kompressor saugt das verdampfte und unter geringem Druck stehende Kältemittek an und verdichtet es. Dabei erhöht sich der Druck und die Temperatur des Kältemittels

4. Das heiße und unter hohem Druck stehende Kältemittel wird im Kondensator gekühlt und kondensiert

5. Wärme auf hohem Temperaturniveau muss vom Kondensator abgeführt werden

6. Das kondensierte und unter hohem Druck stehende Kältemittel wird im Expansionsventil entspannt und kühlt dabei weiter ab.

• um zeitliche Unterschiede von Erzeugzng unfBedarf/Verbrauch an Kälte bzw. Wärme zu kompensieren, Kurzzeitspeichrt: Stundenbereich: Kälterrzeugung nachts(Stromtarif günstig, keine Spitzenlast), gleichmäßige Abwärme BHKW dem Tageslastgang anpassen Langzeitspeicher: Wochen/Monate: sommerliche Wärme in den Winter schieben

• Um Lastspitzen bei der Dimensionierung von Kälte- und Wärmeerzeugungern zu vermeinten, Kurzeitspeichrt: elektrische Kältemaschinen nachts laufen lassen, um Lastspitzen durch Überlagerung mit anderem elektr. Bedarf zu vermeiden

• Um Betriebskosteb, vor allem Leistungspreis anschlussgebundenrt Energieträger (Fernwärme, Erdgas, Elektro) zu reduzieren Elektroleistungspreis richtet sich nach virtelstündlichen Maximum, Erdgas und Fernwärme nach angemeldeter Wärmeleistung

Phase Change Material

Für den Einsatz von PCM als Soeichrrfährigkeit die Temperatur des Phasenübergans entscheidend.

Materialien die technisch genutzt werden können, indem sie während Ihres Phasenwechdels abhängig vom jeweiligen Schmelpunkt und der Umgebungstemperatzr Wärme oder Kälte abgeben bzw. aufnehmen können.

PCMs sind Materialien, die Energie durch einen Phasenwechsel speichern. Sie werden zur latenten Wärme- oder Kältespeicherung eingesetzt, z. B. in Gebäuden, Speichern oder Klimasystemen.

Energieumwandlung:

• Wärmekraftmaschinen WKM (Verbrennungsmotor, Dampfturbine,…)

• Pumpen, Verdichter

• Kältemaschinen, Wärmepumpen

• Fast alle realen Sachverhalten

Energietransport:

• Wärmeübertragung

• Transport Wärme, Brennstoffe, Elektroenergie

Fähigkeit zum Verrichten von Arbeit

SI-Einheit: N*m=1 W*s

• Keine Exergieerhaltung

• Reale Prozesse: mit Exergieverlusten

• Energieformen: elektrische Energie, kinetische Energie, potenzielle Energie, Energieanteil der Wärme EQ,12

• Wärme nur teilweise umwandelbar (auch theoretisch)

Kreisprozess (KP)= geschlossene Folge von ZÄ, wobei stets wieder der Anfangszustand erreicht und durchlaufen wird

Voraussetzung für kontinuierlich gleitende Maschine

• Wärmeströmung

• Strahlungswärme

• Konvektion

• Wärmeleitung

• der Wärmeverlust durch Wände, Fenster und Löscher

• Bezieht sich auf den Wärmedurchgang von innen nach außen

• Kann durch Dämmung reduziert werden

• der Transport von Wärmeenergie durch Materialien

• Gesetzt von Fourier: wärmeglüsse sind proportional zu Temperaturgradienten

• Wärmeleitfähigkeitskoeffizient charakterisiert Materialien

• Wärmeübertragung durch Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen

• Kann natürlich Order erzwungen sein

• Bsp. Luftzirkulation in einem Raum

• Wärmeübertragung durch Konvektion und Wärmeleitung

• Hängt von der Oberfläschenbeschaffenheit und der Temperaturdifferenz ab

• Kann durch Oberflächenbehandlungen verbessert werden

• Dichte des Materials

• Feuchtigkeitsgehalt

• Temperatur des Materials

• Außendämmung reduziert Wärmeverlust durch die Gebäudehülle

• Innendämmung schützt vor Kondensation innerhalb der Wand

• Außendämmung ist effektiver für die Gesamteffizienz

• Die Gesamtmenge an Energie die ein Gebäude jährlich verbraucht

• Wird beeinflusst durch Heizungs und Lüftungssystemen so wie Dämmstandards

• Wichtig für die Planung energieefizienter Gebäuden

• Wärme die sonst verloren gehen würde, wird zurückgewonnen und Wiederverwendet

• Verbessert die Energieeffizienz von Lüftungssystemen

• Kann durch Wärmetauscher implementiert werden

• Ermittelt durch die Luftwechselrate und die spezifische Wärme der Luft

• Berücksichtigt Druckverluste im System

• Wichtiger Faktor für die Dimensionierung von Ventilatoren

• bessere Kontrolle der Luftqualität

• Modellierung der Luftzufuhr und Abfuhr

• Energieeinsparung durch gezielte Raumklimatisierung

• hohe Lüftungseffektivität

• Möglichst kleines Zugluftrisiko

• Temperaturdifferenz Kopf/Fuß begrenzen

• Operative Temperaturen im Komfortbereich

Energiebedarf Kompressionskältemaschine = Erzeuger-Nutzkälteabgabe/ Jahreskältekeistzngszahl

1W=1 J/s

Arbeit W/ Zeit

Energie/ Zeit

1 Pa=1N/m2

Transportkosten der inneren Energie

Energieform die nur bei Temperaturdifferenz vom System tieferer Temperatur über nichtadiabate Systemgrenzen transportiert wird

• Abführen von Riech- und Ekelstoffen

• Abführen von Viren und Bakterien

• Kühlen durch Lüftung

• Luftheizung

• Wasserdampfabfuhr/ -zufuhr

• hohe Investitionskosten

• Energiebedarf

• Hygiene

• Platzbedarf

Standardheizkessel:

• Konstante Kesselwassertemperatur

• Angehobene Rücklauftemperatur

• Keine Abgaskondensation

Niedertemperaturkessel:

• variable Kesselwassertemperatur

• Rücklauftemperatur auf 35-40 grad begrenzt

• Kurzzeitige Abgaskondensation zulässig

Brennwertkessel:

• wie Niedertemperaturkessel aber:

• Keine abgegrenzten der Rücklauftemperatur

• Möglichst permanente Abgaskondensation

Ein Heizkessel erzeugt Wärme durch Verbrennung von Brennstoff → 👉 1 kWh Brennstoff ≈ maximal 1 kWh Wärme (abzüglich Verluste).

Eine Wärmepumpe:

• nutzt Umweltenergie (Luft, Erde, Grundwasser)

• braucht nur elektrische Energie für den Verdichter

• liefert dadurch mehr Wärmeenergie als elektrische Antriebsenergie

→ Leistungszahl (COP) > 1, typischerweise 3–5

Das heißt: 👉 Aus 1 kWh Strom entstehen z. B. 3–5 kWh Heizwärme.

1. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Umweltwärme (z. B. aus Luft, Erde oder Wasser) auf und verdampft.

2. Der Verdichter verdichtet das gasförmige Kältemittel → Druck und Temperatur steigen.

3. Im Verflüssiger gibt das heiße Kältemittel die Wärme an das Heizsystem ab und kondensiert.

4. Im Expansionsventil entspannt sich das Kältemittel, kühlt ab und strömt zurück zum Verdampfer.

Neben der solarthermischen Anlage ist erforderlich:

➡ Ein zusätzlicher konventioneller Wärmeerzeuger (Nachheizung), z. B.:

• Gas- oder Ölkessel

• Wärmepumpe

• Fernwärmeanschluss

Begründung: Die Solarthermie liefert nicht jederzeit genügend Energie (Nacht, Winter, Bewölkung). → Bivalentes System notwendig (Solar + Zusatzheizung).

1. Brennstoffzufuhr und Verbrennung Der Brennstoff wird in einem Motor (z. B. Gasmotor) oder einer Mikroturbine verbrannt.

2. Stromerzeugung Der Motor treibt einen Generator an → es entsteht elektrische Energie.

3. Wärmerückgewinnung Die bei der Verbrennung entstehende Abwärme wird nicht an die Umwelt abgegeben, sondern:

   • aus dem Motorkühlwasser

   • und aus den Abgasen über Wärmetauscher zurückgewonnen.

4. Wärmenutzung Die gewonnene Wärme wird genutzt für:

   • Raumheizung

   • Trinkwassererwärmung

   • ggf. Fernwärme

Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist höher, weil sie chemische Energie direkt elektrochemisch in elektrische Energie umwandeln und nicht den Umweg über Wärme und mechanische Arbeit gehen.Dadurch unterliegen sie nicht der Carnot-Begrenzung von Wärmekraftmaschinen und haben geringere Verluste.

1. Kompressionskältemaschine: → Kennwert: EER (bzw. COP) = Kälteleistung / elektrische Leistung

2. Absorptionskältemaschine: → Kennwert: Wärmeverhältnis ζ = Kälteleistung / zugeführte Heizleistung

Sibler Speicher: Speichert Energie durch Erwärmung oder Abkühlung eines Mediums.

Latenter Speicher: Speichert Energie durch einen Phasenwechsel eines Materials (z. B. Schmelzen/Erstarren).

Eisspeicher sind Wärmespeicher, die die Schmelz- und Erstarrungswärme von Wasser nutzen. Sie werden als Wärmequelle für Wärmepumpen, zur Kältebereitstellung und zur zeitlichen Entkopplung von Erzeugung und Bedarf eingesetzt.

TVOC = Summe aller flüchtigen organischen Verbindungen in der Raumluft. Der anzustrebende Richtwert beträgt ≤ 300 µg/m³.

Eine Vollklimaanlage kann die Klimafunktionen Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten realisieren.

Das h,x-Diagramm ist ein Zustandsdiagramm für feuchte Luft (Enthalpie h und Wassergehalt x).Es wird benötigt, um Luftbehandlungsprozesse wie Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten und Mischen darzustellen und energetisch zu berechnen

Vorteile der Befeuchtung

• Erhöhung des thermischen Komforts → Vermeidung von zu trockener Luft (typisch im Winter bei Heizbetrieb)

• Gesundheitliche Vorteile → geringere Reizung von Augen, Haut und Schleimhäuten → bessere Funktion der Atemwege

• Reduzierte Staubaufwirbelung und elektrostatische Aufladung → wichtig in Büros, Produktionsräumen, IT-Bereichen

❌ Nachteile der Befeuchtung

• Erhöhter Energiebedarf → Verdampfung von Wasser benötigt viel Energie

• Hygienerisiken → Gefahr von Keim- und Legionellenbildung bei falschem Betrieb

• Bauschäden möglich → zu hohe Luftfeuchte ⇒ Kondensation ⇒ Schimmelgefahr

✅ Vorteile der Entfeuchtung

• Vermeidung von Schimmelbildung → besonders wichtig in warm-feuchten Klimazonen oder Bädern, Küchen, Hallen

• Verbesserter thermischer Komfort → hohe Luftfeuchte wird als „schwül“ empfunden

• Schutz von Baukonstruktion und Inventar → weniger Feuchtebelastung von Möbeln, Technik, Bauteilen

❌ Nachteile der Entfeuchtung

• Hoher Energieaufwand → Entfeuchtung erfolgt meist über Kühlung unter Taupunkt + Wiedererwärmung

• Technischer Aufwand → zusätzliche Komponenten (Kühler, Regelung, Kondensatabführung)

• Gefahr der Überentfeuchtung → führt wieder zu trockener Luft mit Komfort- und Gesundheitsproblemen

Arten der Wärmerückgewinnung:

• Plattenwärmeübertrager

• Rotationswärmeübertrager

• Kreislaufverbundsystem

Ziel: Nutzung der Abluftwärme zur Vorwärmung der Zuluft → Reduktion des Heizenergiebedarfs.

Filter werden benötigt, um Schadstoffe und Partikel aus der Luft zu entfernen und die Anlagentechnik zu schützen.Nachteile sind erhöhter Energiebedarf durch Druckverlust, Wartungsaufwand und mögliche hygienische Probleme bei mangelnder Pflege.

Der SFP-Wert ist die elektrische Ventilatorleistung pro gefördertem Luftvolumenstrom.Ein SFP-Wert von 2 bedeutet 2 kW je m³/s und steht für eine energieeffiziente RLT-Anlage.Er wird erreicht durch geringe Druckverluste, effiziente Ventilatoren und gute Anlagenplanung.

Adiabate Kühlung ist eine Kühlung der Luft durch Wasserverdunstung ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung.Die Luft wird kälter, gleichzeitig feuchter; die Enthalpie bleibt näherungsweise konstant.

Eine DEC-Anlage entfeuchtet die Außenluft zuerst sorptiv und kühlt sie anschließend adiabat durch Verdunstung.Die Regeneration des Trocknungsmittels erfolgt mit Wärmeenergie.Dadurch kann Kühlung ohne klassische Kältemaschine realisiert werden.