9. W�rmepumpe

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9. W�rmepumpe Powered By Docstoc
					Wärmepumpe

Andreas Stummer
      und
 Stefan Sandler



    HLUW Yspertal, 3A, 2008
                           Definition

Die Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer
Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren
Temperaturniveau pumpt. Man kann die auf dem hohen
Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme zum Heizen nutzen
(Wärmepumpenheizung).
Wärmepumpen entziehen der Umwelt Energie bei
einer niedrigeren Temperatur Tx aus der Umwelt
(Luft, Boden, Grundwasser) und pumpen diese
unter Aufwand von elektrischer Energie auf die
höhere Temperatur Ta.


Ta heißt VORLAUFTEMPERATUR und bedeutet
jene Temperatur, die für das Wasser zB der
Heizung zur Verfügung steht.
Das Prinzip einer Wärmepumpe


• Eine Wärmepumpe funktioniert auf demselben Prinzip wie ein
  Kühlschrank nur im größeren Bereich:
  Der Kühlschrank entzieht dem Innenraum die Wärme und gibt sie
  über ein Zusammenspiel verschiedener Komponenten an die
  Raumluft ab.
  Die Wärmepumpe entzieht der Natur die gespeicherte
  Sonnenenergie beheizt somit das Gebäude.
Prinzip der Wärmepumpe
Wirkungsgrad der Wärmepumpe

η = aufgewendete elektrische Energie
    gewonnene thermische Energie

η ist keine Konstante, sondern eine Funktion der
Temperatur Tx. Im Idealfall gilt:
        η (Tx) = ( Ta – Tx ) : Ta
Energieeinsparung bei der
Wärmepumpe
Eine bessere Beschreibung für die Leistung einer
Wärmepumpe liefert jedoch der Kehrwert des
Wirkungsgrades, die Leistungszahl
COP= Coeffizient of Performance.

Die Leistungszahl ist das Verhältnis von
gewonnener Wärme zu aufgewendeter elektrischer
Energie. Im Idealfall gilt:

      COP = 1/η = Ta : ( Ta – Tx )
 Aufgabenstellung:
     Ein Haus betreibt über die Wärmepumpe eine
         Fußbodenheizung mit der Temperatur
        Ta = 40°C und einen Heizkörper in einer
        Zentralheizung mit einer Temperatur von
                      Ta = 55 °C.

• Berechnung der Leistungszahlen
• Skizzierung der Abhängigkeit der Leistungszahlen
    von der Umgebungstemperatur für beide
    Heizungen.
•   Interpretation der Grafik
• Mittels Wärmepumpe können
 Zentralheizungen und Fußbodenheizungen
 betrieben werden.

• Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe liegt
 über 100%, d.h. die abgegeben
 Wärmeenergie ist größer als die
 zugeführte.
Bei einer Zentralheizung befindet sich das
 Wasser in einem geschlossenen Kreislauf.
 Im Heizkessel wird das Wasser erhitzt und
 durch die Umwälzpumpe zu den
 Heizkörpern befördert. Dort gibt es die
 Wärme an die Umgebungsluft ab und wird
 zur Heizung zurückbefördert.
Für eine Fußbodenheizung werden Rohre
  aus Kunststoff oder Kupfer im Boden
  verlegt. Es wird ein Heizkreisverteiler
  benötigt. Alle Heizkreise werden an den
  Heizkreisverteiler angeschlossen. Das
  heiße Wasser kommt aus dem Heizkessel
  und wird während des gesamten
  Kreislaufes verwendet.
Abkürzungen:
• Tx = Temperaturniveau der Umgebung
    (Boden oder Luft)
•   Ta = Vorlauftemperatur
•   η(Tx) = Wirkungsgrad, abhängig von
            der Umgebungstemperatur Tx

• η(Tx)= (Ta-Tx) : Ta…Wirkungsgrad (Idealfall)

• COP (Tx) = 1 / η = Ta : ( Ta – Tx)…Leistungszahl
Berechnung
• Da die Leistungszahl eine Funktion der
    Temperatur ist, müssen zuerst für Tx beliebige
    Werte gewählt werden (zB. -20°C – 30°C).
•   Diese werden zur Berechnung von COP in die SI-
    Einheit für Temperatur, Kelvin K, umgewandelt.
     Ta(1) = 313K(40°C) bei Fußbodenheizung
     Ta(2) = 328K(55°C) bei Zentralheizung
•   Die Werte werden in die Formel
    COP(Tx) = Ta:(Ta-Tx) eingesetzt.
Berechnete Werte bei Ta = 313K = 55°C
                    Berechnungen mit EXCEL




TX(°C)    -20     -10     -5      0          5    10      20      30

TX(K)     253    263    268     273     278      283     293     303

COP(Tx)   4,22   5,26   5,96    6,83    7,95     9,43   14,65   30,30



  Diese COP-Werte repräsentieren den idealsten Fall:
         (die so genannte Carnot-Maschine)
Berechnete Werte für Ta = 328K = 40°C
                    Berechnungen mit EXCEL




TX(°C)     -20   -10      -5       0         5    10     20      30
TX(K)     253    263    268     273     278      283    293     303
COP(Tx)   3,37   4,05   4,47    4,96    5,56     6,29   8,37   12,12




   Im Realfall geht durch Verluste an der Wärmepumpe
                 COP nicht über 4,5 hinaus
Vergleich der beiden Heizungen
Interpretation

• Die Fußbodenheizung hat eine höhere
 Leistungszahl als die Zentralheizung.

• Zentralheizungen haben demnach beim
 Betrieb einen höheren Energieverbrauch.
• Bei einer höheren Umgebungstemperatur Tx
  ergibt sich eine höhere Leistungszahl.

• Die Leistungszahlen beider Heizungen
  sind nicht direkt proportional zur
  Umgebungstemperatur Tx, sondern
  nehmen progressiv zu.

• Die Leistungszahl der Wärmepumpe wird größer,
  wenn die Temperaturdifferenz (Ta-Tx) kleiner
  wird.
• Bei einer Zentralheizung erfordert die
 Erhitzung auf 55°C eine bestimmte
 elektrische Input-Energie für den Betrieb der
 Wärmepumpe.

• Bei der Fußbodenheizung ist weniger Input-
 Energie nötig. Die Temperaturdifferenz ist
 geringer, die Leistungszahl wird daher
 größer, der Wirkungsgrad aber kleiner als
 bei der Zentralheizung.
• Die Umgebungstemperatur wird niemals über
    30°C sein. Daher besteht für beide
    Heizungstypen die notwendige
    Temperaturdifferenz.
•   Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur führt zu
    einer Leistungsverminderung.


Schlussfolgerung
Eine Steigerung der Vorlauftemperatur über
die benötigte Temperatur ist bei beiden
Heizungen nicht sinnvoll.
  Warmluftabsaugung der
schuleigenen Wärmepumpe
        im Glashaus
Wärmepumpe im Schulkeller
Vielen Dank für Ihre
  Aufmerksamkeit!

				
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