Date post: | 05-Apr-2015 |
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Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Wärmepumpen in der Geothermie:Theoretische Grundlagen
Wärmepumpen in der Geothermie:Theoretische Grundlagen
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!'
'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen'
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Gliederung :
1.Einführung – kurzer Einblick in Thermodynamik
2.Erde – Wärmequelle für die Wärmepumpen
3.Wärmepumpen3.1. Kältemittel3.2. Funktion3.2. Systematik3.3. Vergleich verschiedene Arten Wärmepumpensysteme
4. Rolle der Wärmepumpe in der Energieversorgung
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Erster Haupsatz der Thermodynamik:
Aussagen:
1)Perpetuum Mobile erster Art ist unmöglich Maschine mit Wirkungsgrad von über 100 Prozent die zu ihrem Betrieb notwendige Energie und zusätzlich Nutzenergie liefern würde
Zum Beispiel:Ein Wasserrad pumpt Wasser nach oben, ein Teil des Wassers fließt wieder nach unten und treibt das Wasserrad an.Ein Akkumulator bringt eine Lampe zum Leuchten, das Licht erzeugt durch ein Fotoelement elektrischen Strom, der den Akkumulator wieder auflädt.
2)kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Zweiter Haupsatz der Thermodynamik:Aussagen:
1)Perpetuum Mobile zweiter Art ist unmöglichArbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, mittels lokaler
Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in mechanische Arbeit zurück umsetzen. Die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme ist irreversibel
2)Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen
3)Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die bei gegebenen mittleren Temperaturen der Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr einen höheren Wirkungsgrad hat als der aus diesen Temperaturen gebildete Carnot-Wirkungsgrad
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Wärmeleitung (Konduktion)
Fouriersches Gesetz:
• q – Wärmestromdichte, W/m²• Q - übertragene Wärmelesitung, W• T1 - Temperatur der wärmeren Wandoberfläche , K• T2 - Temperatur der kälteren Wandoberfläche , K• A - Fläche, durch die die Wärme strömt , m²• λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK• δ - die Dicke der Wand, m • R – thermischer Widerstand, m²K/W
R
Tgradq
.
2121 ..1
.. TTAR
TTAQ
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
i i
iR
2121 .... TTARTTAQi
ii i
i
Baustoffe
StoffWärmeleitfähigkeit λ[W / (m · K)]
Kupfer 401
Aluminium 237
Messing 120
Zink 110
Stahl unlegiert 50
Edelstahl 15
Blei 35
Granit 2,8
Beton 2,1
Glas 1,0
Kalkzement-Putz 1,0
Ziegelmauerwerk (Vollziegel)
0,5 - 1,4
Holz 0,13 - 0,18
Gummi 0,16
Poroton-Ziegelmauerwerk
0,09 - 0,45
Porenbeton-Mauerwerk 0,08 - 0,25
Schaumglas 0,040
Glaswolle 0,04 - 0,05
Polystyroldämmstoffe 0,035 - 0,050
Polyurethandämmstoffe 0,024 - 0,035
Luft 0,024
Wärmeleitung (Konduktion)
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Wärmeübergang
Newtonsches Gesetz:
wf TTAQ
..
• Q - übergebene Wärmelesitung, W• Tf - mittlere Temperatur des Fluides, K• Tw - mittlere Temperatur der Wand, K• A - Fläche, m²• α - Wärmeübergangskoeffizient, W/m²K• δ - die Dicke der Wand, m
α=f(λ,ρ,μ,cp….)
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Wärmedurchgang = Wärmeübergang + Wärmeleitung + Wärmeübergang
21.. ff TTAuQ
• Q - übergebene Wärmelesitung, W• Tf1 - Temperatur des warmen Fluides, K• Tf2 - Temperatur des kalten Fluides, K• A - Fläche, m²• u - Wärmedurchgangskoeffizient, W/m²K• δ - die Dicke der Wand, m • λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK
n
i i
i
u
21
111
21
111
u
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Physikalische Eigenschaften
Äquator – Poldurchmesser*
12.756 – 12.714 km
Masse 5,974 · 1024 kg
Mittlere Dichte 5,515 g/cm3
Hauptbestandteile
•Sauerstoff: 32,44 %•Eisen: 28,18 %•Silicium: 17,22 %•Magnesium: 15,87 %•Kalzium: 1,61 %•Nickel: 1,61 %•Aluminium: 1,51 %
Fallbeschleunigung* 9,807 m/s2
Fluchtgeschwindigkeit 11,186 km/s
Rotationsperiode 23 h 56 min 4 s
Neigung der Rotationsachse
23,44°
Albedo 0,367
* bezogen auf das Nullniveau des Planeten
Wärmestromdichte: Mittelwert0,063 W/m² (63 mW/m²)
In anomalen Gebieten, vulkanisch Vielfaches größer
vorwiegend zur dezentralen Nutzung
Wärmequelle
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Schalenaufbau der Erde
Dreidimensionale Darstellung
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschichten
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Wärmekraftmaschine – umwandelt Wärme in mechanische Energie in einem Kreisprozess
Kraftwärmemaschine – liefert Wärmeenergie unter Einsatz mechanischer Energie
Wärmepumpen
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als "Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen."
nach DIN 8960 Abs. 3.1 als "Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt."
Kältemittel
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Begriffsdefinition FCKW
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Umweltrelevante Eigenschaften von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
lg p h-Diagramm für Solkane 22
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Funktion
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
p - v Diagramm
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
logp - h Diagramm
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
322 hhq
Für die beide Isobaren Prozesse 2-3 und 4-1 gilt :
311 hhq 12 hhqw
Bei Kenntnis der Temperaturen und Absolutdrücke sind die spezifischen Wärmemengen q1 und q2 , sowie die spezifische Arbeit w unmittelbar zu entnehmen
Wärmeleistung QWP = m.(h2-h3)
Kälteleistung Q0 = m.(h1-h4)
Verdichterleistung P = m.(h2-h1)
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Wichtige Kennwerte von Wärmepumpe
12
2
0. TT
T
Q
P
Q
Leistungaufgewend
ngNutzleistu
WP
WP
el
WP
1
2
T
Tf
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Leistungszahl (Coefficient Of Performance - COP)
-begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads
-technisch realisierte Carnotwirkungsgrad ηcWP einer Wärmepumpe
kaltwarm
warm
c TT
T
1
el
WP
kaltwarm
warmcWP P
Q
TT
Tc ..
-praktische Carnotwirkungsgrade ηcWP um 0,45 technisch erreicht
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
• Erdreich
– Erdsonde– Flächenverdampfer– Geothermische Quellen
• Wärmequellen
– Luft– Erdreich– Wasser– Abwärme
Systematik von Wärmepumpen :
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Erdreichwärmepumpe mit Erdreichlanzen
Wärmestromdichte50 bis 100 W/m
Tiefe 30 bis100 m
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Erdreichwärmepumpe mit Flächenverdampfer
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Erforderliche Erdreichfläche
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Systematik von Wärmepumpen :
• Wärmequelle/Wärmeträger
Luft/Wasser- WärmepumpeLuft/Luft- WärmepumpeWasser/Wasser-WärmepumpeWasser/Luft- WärmepumpeSole/Wasser-WärmepumpeSole/Luft-Wärmepumpe
Bezeichnungen:Wärmequelle:
· B (BIRNE): Soleleitungen in Erdboden· W (WATER): Wasser (Grundwasser)· A (AIR): Umgebungsluft als Wärmequelle
Wärmeträger (im Heizungssystem)· W: Wasser (Heizungswasser)· A: Wärmeeintrag über Lüftungssystem
B0/W35 Wärmequelle bis 0 °C Heizungsvorlauft 35 °C
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
• Nach Energiebedarfsdeckung
– Monovalente Wärmepumpe• Geringere mittlere Leistungszahl• Größerer Aufwand für Wärmeaufnehmendes System
– Bivalente Wärmepumpe• Zusatzaufwand für Spitzenheizung• Hohe Leistungszahl• großer Einsatzbereich
Systematik von Wärmepumpen :
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Monovalente Wärmepumpe
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Monovalente Wärmepumpe mit Speicher
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Bivalente Wärmepumpe
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Bivalente Wärmepumpe
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Jahr Installierte Wärmepumpen
2007 55.000*
2006 44.000
2005 18.900
2004 12.900
2003 9.890
2002 8.300
2001 8.200
2000 5.700
1999 4.800
1998 4.400
1997 3.600
1996 2.300
1995 1.200
* = Prognose Quelle: Stiebel-Eltron
Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Quelle : Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau:Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
• Umweltfreundlich (5 Einheiten Wärme werden zu 4 Teilen aus der Sonne und zu 1 Teil aus Elektrizität gewonnen)
• Emissionsfrei im Gegensatz zu Verbrennungsheizungen Schadstoffemissionen sparen,besseren Luftqualität beitragen
• Komfortabel keinen eigenen Aufstell- oder Lagerraum
• vielseitig einsetzbar mit einer Wärmepumpe heizen, kühlen, lüften und Warmwasser bereiten
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Quellen :
1. „Wärmepumpen“ von Burkhard Sanner2. Grundlagen zur Nutzung Regenerativer Energien, Fachhochschule KölnInstitut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien3. Wärmepumpen, BINE4. Laborscript, Otto von Guericke Unversität5.Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau:Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zumBrennstoffzellen-Heizgerät“Dr.-Ing. Andreas Bühring, Dr. Angelika Heinzel, Prof. Joachim LutherIng. VDI Hans-Lorenz Fritz6. http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmepumpe
Geothermie / Geophysik SS 2007Ing. Daniel Popov
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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