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Wärmepumpen in der Geothermie : Theoretische Grundlagen

Wärmepumpen in der Geothermie : Theoretische Grundlagen. 'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!' . 'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen'. Gliederung : 1.Einführung – kurzer Einblick in Thermodynamik 2.Erde – Wärmequelle für die Wärmepumpen 3.Wärmepumpen 3.1. Kältemittel

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Wärmepumpen in der Geothermie : Theoretische Grundlagen

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Presentation Transcript

  1. Wärmepumpen in der Geothermie: Theoretische Grundlagen

  2. 'Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen!' 'Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen'

  3. Gliederung : 1.Einführung – kurzer Einblick in Thermodynamik 2.Erde – Wärmequelle für die Wärmepumpen 3.Wärmepumpen 3.1. Kältemittel 3.2. Funktion 3.2. Systematik 3.3. Vergleich verschiedene Arten Wärmepumpensysteme 4. Rolle der Wärmepumpe in der Energieversorgung

  4. Erster Haupsatz der Thermodynamik: • Aussagen: • 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. • kein System verrichtet Arbeit ohne Zufuhr einer anderen Energieform und/oder ohne Verringerung seiner inneren Energie

  5. Zweiter Haupsatz der Thermodynamik: • Aussagen: • Perpetuum Mobile zweiter Art ist unmöglich • Arbeit aus der Umgebungswärme gewinnen, mittels lokaler Abkühlung gewonnene Wärme vollständig in mechanische Arbeit zurück umsetzen. Die vollständige Umwandlung von Arbeit in Wärme ist irreversibel • Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen • 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

  6. Wärmeleitung (Konduktion) FourierschesGesetz: • q – Wärmestromdichte, W/m² • Q - übertrageneWärmelesitung, W • T1 - TemperaturderwärmerenWandoberfläche , K • T2 - TemperaturderkälterenWandoberfläche , K • A - Fläche, durch die dieWärmeströmt , m² • λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK • δ - die Dickeder Wand, m • R – thermischerWiderstand, m²K/W

  7. Wärmeleitung (Konduktion)

  8. Wärmeübergang NewtonschesGesetz: • Q - übergebeneWärmelesitung, W • Tf - mittlereTemperatur des Fluides, K • Tw - mittlereTemperaturder Wand, K • A - Fläche, m² • α - Wärmeübergangskoeffizient, W/m²K • δ - die Dickeder Wand, m α=f(λ,ρ,μ,cp….)

  9. Wärmedurchgang = Wärmeübergang + Wärmeleitung + Wärmeübergang • Q - übergebeneWärmelesitung, W • Tf1 - Temperatur des warmenFluides, K • Tf2 - Temperatur des kaltenFluides, K • A - Fläche, m² • u - Wärmedurchgangskoeffizient, W/m²K • δ - die Dickeder Wand, m • λ - Wärmeleitkoeffizient, W/mK

  10. Wärmequelle Wärmestromdichte: Mittelwert 0,063 W/m² (63 mW/m²) vorwiegend zur dezentralen Nutzung In anomalen Gebieten, vulkanisch Vielfaches größer * bezogen auf das Nullniveau des Planeten

  11. Schalenaufbau der Erde Dreidimensionale Darstellung

  12. Einfluss der Jahreszeiten auf die Temperatur der obersten Erdschichten

  13. Wärmepumpen Wärmekraftmaschine – umwandelt Wärme in mechanische Energie in einem Kreisprozess Kraftwärmemaschine – liefert Wärmeenergie unter Einsatz mechanischer Energie

  14. Kältemittel 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."

  15. Begriffsdefinition FCKW

  16. Umweltrelevante Eigenschaften von Wärmepumpen-Arbeitsmitteln

  17. lg p h-Diagramm für Solkane 22

  18. Funktion

  19. p - v Diagramm

  20. logp - h Diagramm

  21. Bei Kenntnis der Temperaturen und Absolutdrücke sind die spezifischen Wärmemengen q1 und q2 , sowie die spezifische Arbeit w unmittelbar zu entnehmen Für die beide Isobaren Prozesse 2-3 und 4-1 gilt : Wärmeleistung QWP = m.(h2-h3) Kälteleistung Q0 = m.(h1-h4) Verdichterleistung P = m.(h2-h1)

  22. Wichtige Kennwerte von Wärmepumpe

  23. Leistungszahl (Coefficient Of Performance - COP) • -begrenzt durch den Kehrwert des Carnotwirkungsgrads -technisch realisierte Carnotwirkungsgrad ηcWP einer Wärmepumpe -praktische Carnotwirkungsgrade ηcWP um 0,45 technisch erreicht

  24. Systematik von Wärmepumpen : • Wärmequellen – Luft – Erdreich – Wasser – Abwärme • Erdreich – Erdsonde – Flächenverdampfer – Geothermische Quellen

  25. Erdreichwärmepumpe mit Erdreichlanzen Wärmestromdichte 50 bis 100 W/m Tiefe 30 bis 100 m

  26. Erdreichwärmepumpe mit Flächenverdampfer

  27. Erforderliche Erdreichfläche

  28. Systematik von Wärmepumpen : • • Wärmequelle/Wärmeträger • Luft/Wasser- Wärmepumpe • Luft/Luft- Wärmepumpe • Wasser/Wasser-Wärmepumpe • Wasser/Luft- Wärmepumpe • Sole/Wasser-Wärmepumpe • Sole/Luft-Wärmepumpe Bezeichnungen: Wärmequelle: · B (BIRNE): Soleleitungen in Erdboden · W (WATER): Wasser (Grundwasser) · A (AIR): Umgebungsluft als WärmequelleWärmeträger (im Heizungssystem) · W: Wasser (Heizungswasser) · A: Wärmeeintrag über Lüftungssystem B0/W35 Wärmequelle bis 0 °C Heizungsvorlauft 35 °C

  29. Systematik von Wärmepumpen : • Nach Energiebedarfsdeckung – Monovalente Wärmepumpe • Geringere mittlere Leistungszahl • Größerer Aufwand für Wärmeaufnehmendes System – Bivalente Wärmepumpe • Zusatzaufwand für Spitzenheizung • Hohe Leistungszahl • großer Einsatzbereich

  30. Monovalente Wärmepumpe

  31. Monovalente Wärmepumpe mit Speicher

  32. Bivalente Wärmepumpe

  33. Bivalente Wärmepumpe

  34. Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

  35. Vergleich verschiedener Wärmepumpetypen

  36. Jährlich neu installierte Wärmepumpenheizungen in Deutschland * = Prognose Quelle: Stiebel-Eltron

  37. Quelle : Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau: Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät

  38. • 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

  39. Quellen : 1. „Wärmepumpen“ von Burkhard Sanner 2. Grundlagen zur Nutzung Regenerativer Energien, Fachhochschule Köln Institut für Landmaschinentechnik und Regenerative Energien 3. Wärmepumpen, BINE 4. Laborscript, Otto von Guericke Unversität 5.Vortrag „Energieversorgung im Niedrigstenergiebau: Von der Abluftwärmepumpe mit Solarkopplung zum Brennstoffzellen-Heizgerät“ Dr.-Ing. Andreas Bühring, Dr. Angelika Heinzel, Prof. Joachim Luther Ing. VDI Hans-Lorenz Fritz 6. http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmepumpe

  40. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! © ® 2007

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