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Willkommen

Raumlufttechnik Mehrfachfunktionen

Energierückgewinnung und Energieeffizienz- technologien in der Lüftungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Christoph Kaup

c.kaup@umwelt-campus.de

Dipl.-Ing. Christian Backes

backes@howatherm.de

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Wärmerückgewinnungssysteme

Wärmerückgewinnung

Wärmerückgewinnung (WRG) ist ein Sammelbegriff für Verfahren zur Wiedernutzbarmachung von thermischer Energie in einem Prozess mit mindestens zwei Massenströmen die unterschied- liche Temperaturniveaus besitzen.

Ziel der Wärmerückgewinnung ist die Minimierung des Primär- energiebedarfs.

WRG ist die Wärmeübertragung von Fort- und Außenluft- strömen in lüftungstechnischen Prozessen.

Dabei wird die zurück gewonnene Wärme entweder dem Ur- sprungsprozess oder einem anderen Prozess zugeführt.

Wärme kann dabei in den WRG Prozess ein- oder ausgekoppelt werden.

2 S

(3)

Mehrfachfunktionale Wärmerückgewinnung auf Basis von Kreislaufverbundsysteme (KVS)

Einfache Kreislaufverbundsysteme (KV-Systeme) werden

üblicherweise als Wärmerückgewinnungs-Systeme (WRG) mit niedrigen Rückwärmzahlen bis ca. 50 % eingesetzt. Jedoch bei der Beachtung der konstruktiven Kriterien, wie der Geometrie, der Strömungsführung und des Wärmestromkapazitätenverhältnisses können KV-Systeme mit höheren Rückwärmzahlen (z. B. 80%) als mehrfachfunktionale Systeme eingesetzt werden. Neben der primären Funktion der WRG lassen sich dann auch zusätzliche thermodynamische Funktionen, wie beispielsweise Nach-

erwärmung und Kühlung innerhalb des WRG-Systems, realisieren.

Mehrfachfunktionale Systeme

3 M

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Kreislaufverbundsysteme

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Kreislaufverbundsysteme

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Berippte Wärmeübertrager

(7)

Berippte Wärmeübertrager

(8)

Entwicklung Wärmeübertrager

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Entwicklung Wärmeübertrager

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Hexaedergitters der strukturierter Lamelle

Entwicklung Wärmeübertrager

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Entwicklung Wärmeübertrager

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Entwicklung Wärmeübertrager

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Entwicklungsergebnisse Messung

Messung HTL Luzern 1998 Messung TÜV Süd 2012 konv. Lamelle*

LA 2,5 mm

strukturierte Lamelle*

LA 2,7 mm

w Φ ΔP NTU Φ ΔP NTU NTU Faktor ΔP

m/s Pa „konv.“ Pa „Struktur“ Faktor

1,5 0,77 166 3,348 0,79 124 3,673 1,10 0,75 2,5 0,72 364 2,571 0,76 277 3,167 1,23 0,76 3,5 0,70 619 2,333 0,73 480 2,759 1,18 0,77

* Systeme geometrisch baugleich (Rohrreihen, Rohrabstände, Lamellendicke, etc. identisch) Messungen nach EN 308

(14)

Entwicklungsergebnisse Messung

Messung HTL Luzern 1998 Messung TÜV Süd 2012 konv. Lamelle*

LA 2,5 mm

strukturierte Lamelle*

umgerechnet auf LA 2,5 mm

w Φ ΔP NTU Φ ΔP NTU NTU Faktor ΔP

m/s Pa „konv.“ Pa „Struktur“ Faktor

1,5 0,77 166 3,348 0,80 140 3,967 1,18 0,84 2,5 0,72 364 2,571 0,77 313 3,420 1,33 0,86 3,5 0,70 619 2,333 0,75 543 2,980 1,28 0,88

* Systeme geometrisch baugleich (Rohrreihen, Rohrabstände, Lamellendicke, etc. identisch) Messungen nach EN 308

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Identische Wärmeleistung

Ovalrohrtechnologie

(16)

- 45 % Druckabfall

Ovalrohrtechnologie

(17)

Verbesserte Strömung

Ovalrohrtechnologie

(18)

Ovalrohrtechnologie

(19)

Druckverlustreduktion Ovalrohr gegenüber Rundrohr ~ 45 %

Ovalrohrtechnologie

(20)

Ovalrohrtechnologie

(21)

Ovalrohrtechnologie

(22)

Ovalrohrtechnologie

(23)

Ovalrohrtechnologie

(24)

Wärmeübertrager

Gekoppelte Wärmeübertrager

24 M W₁

W₂

₂´´ ₂´

₁´ ₁´´

_U2´ _U2´´

_U1´´ _U1´ NTU₂

NTU₁ Φ₂₂

Φ₁₁ Φ₂₁

Φ₁₂

.

(25)

Wärmeübertrager

Apparat 1

NTU₁₁ = (k • A)₁ / W₁ μ₁₁ = W₁ / W_u

Φ₁₁ = (₁´- ₁´´) / (₁´- _u1´)

Gekoppelte Wärmeübertrager

25

. .

.

M

(26)

Wärmeübertrager

Apparat 2

NTU₂₂ = (k • A)₂ / W₂ μ₂₂ = W₂ / W_u

Φ₂₂ = (₂´- ₂´´) / (_u2´- ₂´)

Gekoppelte Wärmeübertrager

26

. .

.

M

(27)

Wärmeübertrager

Für das Gesamtsystem gilt:

Φ_2ges = (₂´´- ₂´) / (₁´- ₂´) μ_2ges = W₂ / W₁ = 1 / μ_1ges

Gekoppelte Wärmeübertrager

27

. .

M

(28)

Wärmeübertrager

Dimensionslose Temperaturänderung des Gesamtsystems

1 / Φ_2ges = 1 / Φ₂₂ + 1 / Φ₁₁ • μ_2ges – μ₂₂

Gekoppelte Wärmeübertrager

28 M

(29)

Wärmeübertrager

Optimaler umlaufender Wärmekapazitätsstrom

1 / W_sopt = (k • A)₁ / [ (k • A)₁ + (k • A)₂ ] / W₁ + (k • A)₂ / [ (k • A)₁ + (k • A)₂ ] / W₂ µ₂₂ = W₂ / W_u

µ₁₁ = W₁ / W_u

Gekoppelte Wärmeübertrager

29

. .

.

M

. .

(30)

Wärmekapazitätenströme

(31)

Wärmekapazitätenströme

(32)

Temperaturdiagramm bei ETA = 0.8

-10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0

Temperatur in °C

Zuluft -10,0 15,0

W1/W2 = 1.0 -7,5 17,5

Abluft -5,0 20,0

Wärmekapazitätenströme

32 M

(33)

-10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0

Temperatur in °C

Zuluft -10,0 15,0

W1/W2 = 1.5 -3,3 13,3

Abluft -5,0 20,0

Wärmekapazitätenströme

33 M

(34)

-10,0 -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0

Temperatur in °C

Zuluft -10,0 8,0

W1/W2 = 1.5 -1,0 11,0

Abluft 2,0 20,0

Wärmekapazitätenströme

34 M

(35)

Wärmeübertrager

Wenn optimaler Umlaufstrom erfüllt:

1 / (k • A)_eff = 1 / (k • A)₁ + 1 / (k • A)₂

Bei gleichen Luftmengen gilt:

μ_2ges = W₁ / W₂ = 1

Gekoppelte Wärmeübertrager

35

. .

M

(36)

Wärmeübertrager

damit:

μ₁₁ = μ₂₂ = 1

Gesamtübertragungsgrad

1 / Φ_2ges = 1 / Φ₂₂ + 1 / Φ₁₁ – 1

Gekoppelte Wärmeübertrager

36 M

(37)

DE 198 08 753

Schaltungen im Wärmeübertrager

37 M

(38)

Mehrfachfunktionalitäten

(39)

20° Abluft 0° Fortluft

15° Zuluft -5° Außenluft

Winterbetrieb

39 M

(40)

17° Zuluft 15° Außenluft

+ Vereisungsschutz

Übergangsbetrieb

40 M

(41)

+ Vereisungsschutz

Vereisungsschutz

41 M

(42)

Nachwärme Indirekte Einspeisung

Nacherwärmung

42 M

(43)

+ Vereisungsschutz

NE & Vereisungsschutz

43 M

(44)

Hybride Befeuchtung

44 M

(45)

6°

12°

Freie Kälte

45 M

(46)

15°

25°

Brauchwasservorerwärmung

46 M

(47)

Übergangsbetrieb

47 M

(48)

Sommerbetrieb

48 M

(49)

Indirekte hybride Befeuchtung

49 M

(50)

Mehrstufige Befeuchtung

50 M

(51)

Mehrstufige Befeuchtung

51 M

(52)

Nachkälte Indirekte Einspeisung

Kältemaschinenbetrieb

52 M

(53)

Wärmepumpenbetrieb

53

Entzug Wärme Wärmequelle

M

(54)

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00

COP

Pel

COP = f(Pel)

WRG solo

WP solo WRG & WP Teillast

WRG & WP Vollast

Wärmepumpenbetrieb

(55)

Kältemaschinenbetrieb (hybrid)

55

(56)

Abluftauskopplung

56

M

(57)

Kältemaschinenbetrieb

57 M

(58)

17° Zuluft 10 g

32° Außenluft 12 g

14°

10 g

Entfeuchtungsschaltung

58 M

(59)

• Kühlleistung indirekte Verdunstung 35.7 kW

• Kälterückgewinnung Entfeuchtung 17.0 kW

• Resteinspeisung Kältemaschine 35.5 kW

• Volumenstrom 10.000 m³/h

Entfeuchtungsschaltung

59 M

(60)

17° Zuluft 11 g

32° Außenluft 12 g

16°

11 g

Entfeuchtungsschaltung

60 M

(61)

17° Zuluft 9 g

32° Außenluft 12 g

12°

9 g

Alle Funktionen

61 M

(62)

Wärmeübertrager

Einfluss Vorlauf

62 M Q

ZL

FO Δ₂´´ Φ₂₂

Φ₁₁ Φ₂₁

Φ₁₂

Δ_U2´´

Δ_U2´

Δ₁´ AL

RL

(63)

Wärmeübertrager

Temperaturänderung im Umlaufstrom:

Δ_U2´ = Δ₂´´ / Φ₂₂

Δ₂´´ gewünschte Lufterwärmung [K]

Δ_U2´ benötigte Temp.änderung am Eintritt [K]

Φ₂₂ luftseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.]

Änderung Vorlauf

63 M

(64)

Wärmeübertrager

Temperaturänderung des Umlaufstroms:

Δ_U2´´ = Δ₂´´ • (1 / Φ₂₁ - 1)

Δ_U2´´ Temperaturänderung am Austritt [K]

Φ₂₁ medienseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.]

Änderung Vorlauf

64 M

(65)

Wärmeübertrager

Einfluss auf die Fortlufttemperatur mit:

Δ₁´ = Δ_U2´´ • Φ₁₁

Δ₁´ Temperaturänderung der Fortluft [K]

Φ₁₁ luftseitiger Übertragungsgrad App. 1 [./.]

Änderung Vorlauf

65 M

(66)

Wärmeübertrager

Zusammengesetzte Änderungsgleichung

Δ₁´ = Δ₂´´ • (1 / Φ₂₁ - 1) • Φ₁₁

Temperaturübertragungsgrades ΔΦ_2ges mit Beeinflussung

ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – ΔΦ_Korr

Änderung Vorlauf

66 M

(67)

Wärmeübertrager

ΔΦ_Korr= Δ₁´ / (₁´- ₂´) / μ_2ges

ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – Δ₁´ / (₁´- ₂´) / μ_2ges

Änderung Vorlauf

67 M

(68)

Wärmeübertrager

Einfluss nach Jüttemann

Δ_U2´´ = Δ_U2´ • (1 - Φ₂₂) / Φ₂₂ / (2 – Φ₂₂) gilt mit μ_2ges = W₁ / W₂ = 1 und

μ₁₁ = μ₂₂ = 1 und Φ₂₂ = Φ₁₁ = Φ₂₁

Änderung Vorlauf

68

. .

M

(69)

Wärmeübertrager

Einfluss Rücklauf

69 M

Q ZL

FO Δ₂´´ Φ₂₂

Φ₁₁ Φ₂₁

Φ₁₂ Δ_U2´

Δ_U2´´

Δ₁´ AL

RL

(70)

Wärmeübertrager

Temperaturänderung im Umlaufstrom:

Δ_U2´ = Δ₁´ • (1 / Φ₁₂ - 1)

Δ_U2´ benötigte Temp.änderung am Eintritt [K]

Φ₁₂ medienseitiger Übertragungsgrad App. 1 [./.]

Änderung Rücklauf

70 M

(71)

Wärmeübertrager

Einfluss auf die Zulufttemperatur

Δ₂´´ = Δ_U2´ • Φ₂₂

Δ₂´´ Temperaturänderung der Zuluft [K]

Φ₂₂ luftseitiger Übertragungsgrad App. 2 [./.]

Änderung Rücklauf

71 M

(72)

Wärmeübertrager

Zusammengesetzte Änderungsgleichung

Δ₂´ = Δ₁´ • (1 / Φ₁₂ - 1) • Φ₂₂

Temperaturübertragungsgrades ΔΦ_2ges mit Beeinflussung

ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – ΔΦ_Korr

Änderung Rücklauf

72 M

(73)

Wärmeübertrager

ΔΦ_Korr= Δ₂´ / (₁´- ₂´)

ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – Δ₂´ / (₁´- ₂´)

Änderung Rücklauf

73

(74)

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