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1987 | Book

Wärmetechnik

Authors: Dipl.-Ing. Klaus Endrullat, Dipl.-Ing. Peter Epinatjeff, Dipl.-Ing. Dieter Petzold, Prof. Dipl.-Ing. Hubertus Protz

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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About this book

Die rationelle Energieverwendung im Bereich wärmetechnischer Systeme hat im mittel­ europäischen Raum einen hohen Stellenwert, da bei der überwiegenden Anzahl der Haus­ halte und Gewerbebetriebe der Energieverbrauch zur Wärmeerzeugung den größten An­ teil am Gesamtenergieverbrauch hat. Das Ziel des vorliegenden Bandes ist es, dem Leser die Vorgehensweise 'zur Beurteilung wärmetechnischer Systeme und energiesparender Maßnahmen zu vermitteln. Schwerpunktmäßig werden die Heiz- und Raumlufttechnik im Umfeld des Menschen behandelt, während das Gebiet der Prozeßwärme für die indu­ strielle Anwendung aus Gründen des Umfanges nur ansatzweise erörtert werden konnte. Der Anspruch dieses Buches liegt auf einer Ebene, welche bewußt nicht die Einzellösung hervorhebt, da sich das Optimum eines Gesamtsystems noch längst nicht einstellen muß, wenn die Teilsysteme optimiert sind. Das Verständnis der Verzahntheit des vorliegenden Gebietes mit anderen Fachgebieten ist deshalb eine wesentliche Voraussetzung für ko­ ordinierte Maßnahmen zur rationellen Energieverwendung. Diesem Umstand wird durch zahlreiche qualitative Systembetrachtungen und Zahlenbeispiele Rechnung getragen. Im ersten Abschnitt werden die speziellen Grundlagen der Heiz- und Raumlufttechnik be­ handelt. Dazu zählen Kenntnisse über technische Funktionsabläufe und die Behaglich­ keitsanforderungen des Menschen, zu deren Aufrechterhaltung diese Anlagen gebaut werden. Anlagentechnische Maßnahmen zur Energieeinsparung müssen sich immer an der Erfüllung der Behaglichkeitsanforderungen messen lassen. Weiterhin gehört es auch zu einer wirkungsvollen Energieberatung, Maßnahmen an gebäudetechnischen Anlagen als Teilmaßnahme am Gesamtsystem Gebäude zu verstehen, weil durch den Umfang der Systemverbesserung (energetisch-ökonomisch) letztlich die Rangfolge der durchzuführen­ den Maßnahmen bestimmt wird.

Table of Contents

Frontmatter

Einleitung

Einleitung
Zusammenfassung
Die rationelle Energieverwendung im Bereich wärmetechnischer Systeme hat im mitteleuropäischen Raum einen hohen Stellenwert, da bei der überwiegenden Anzahl der Haushalte und Gewerbebetriebe der Energieverbrauch zur Wärmeerzeugung den größten Anteil am Gesamtenergieverbrauch hat. Das Ziel des vorliegenden Bandes ist es, dem Leser die Vorgehensweise zur Beurteilung wärmetechnischer Systeme und energiesparender Maßnahmen zu vermitteln. Schwerpunktmäßig werden die Heiz- und Raumlufttechnik im Umfeld des Menschen behandelt, während das Gebiet der Prozeßwärme für die industrielle Anwendung aus Gründen des Umfanges nur ansatzweise erörtert werden konnte.
Hubertus Protz

Grundlagen der Wärmetechnik

Frontmatter
1. Meteorologie
Zusammenfassung
Ein wesentlicher Teil unseres Energieverbrauchs entsteht durch Heizung und Klimatisierung von Gebäuden. Ziel der Heizung und Klimatisierung ist es, in den Geoauden ein behagliches Raumklima zu erzeugen. Da die wesentilchen Störgrößen bei diesem Vorgang meteorologischer Natur sind, sind zu deren Verständnis Kenntnisse der Grundlagen der Meteorologie notwendig.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
2. Ziel und Aufgabe eines Heizsystems
Zusammenfassung
Im folgenden Kapitel soll der Leser für die verschiedenen Ziele der Heiztechnik sensibilisiert werden, um beim Eingriff in vorhandene Systeme deren eigentliche Aufgabenstellung nicht zu beeinträchtigen. Das Ziel, “Energie einzusparen“, ist dabei den Zielen der Heiztechnik immer unterzuordnen.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
3. Ziele und Aufgaben von lufttechnischen Systemen
Zusammenfassung
Es ist notwendig zu wissen, welche Ziele das lufttechnische System erfüllen sollte, um damit die vorhandene Anlage besser beurteilen zu können. Eine Nichterfüllung der Zielsetzung bedeutet in jedem Fall einen Energie- oder Behaglichkeitsverlust, was zu vermeiden ist.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
4. Funktion und Aufbau einer Heizanlage
Zusammenfassung
Grundsätzlich läßt sich ein Heizsystem in drei Teilsysteme aufteilen /Abb. 4–1/.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
5. Funktion und Aufbau einer lufttechnischen Anlage
Zusammenfassung
Aus der Zielsetzung einer lufttechnischen Anlage, einen bestimmten Luftzustand zu garantieren, folgt indirekt auch die Funktion. Um eine bestimmte Temperatur zu erhalten, muß entweder geheizt oder gekühlt werden. Um eine bestimmte Luftfeuchtigkeit zu erhalten, muß be- oder entfeuchtet werden. Um eine bestimmte Reinheit der Luft zu erhalten, muß be- oder entlüftet und/oder gefiltert werden. Die dem Raum zugeführte Luft muß also aufbereitet werden, wozu in der Hauptsache folgende fünf Prozesse gehören:
  • Kühlen C (cool)
  • Heizen H (heat)
  • Befeuchten M imoisture)
  • Entfeuchten D (dehumidify)
  • Filtern F (filter)
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
6. Klassifizierung von Heizanlagen
Zusammenfassung
Eine Diskussion über Heizsysteme ist ohne Kenntnisse der Klassifizierungsschemata von Heizanlagen nicht denkbar, weshalb hier vorab darauf kurz eingegangen werden soll. Ein Überblick über die Vielfalt der angebotenen Systeme wird erst durch eine Klassifizierung möglich.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
7. Klassifizierung von lufttechnischen Anlagen
Zusammenfassung
In der Praxis gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Anlagen, die der Interessierte grob zu klassifizieren in der Lage sein muß, um eine erste Vorstellung von einer Anlage zu bekommen. Dazu ist notwendig, vor der eigentlichen Klassifikation die Gliederung der Lufttechnik vorzunehmen, damit der Bereich, dem die Anlage zugeordnet ist, identifiziert werden kann.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
8. Gesamtsystem Gebäude
Zusammenfassung
Bevor überhaupt Überlegungen bezüglich der einzelnen, vom Heizsystem umgesetzten Energiemengen angestellt werden, sollte Klarheit darüber bestehen, wie groß der Anteil der vom Heizsystem benötigten Energie am Gesamtenergiehaushalt des Gebäudes ist. Weiterhin sollte ermittelt werden, in welcher Relation der Energieverbrauch der Heizanlage zu den Verbräuchen anderer Energiekonsumenten im Gebäude steht. Ausgehend von diesen Informationen läßt sich dann über die zu erwartenden Einsparpotentiale und die dafür benötigten Investitionen eine Entscheidung bezüglich einer oder mehrerer Maßnahmen zur Energieeinsparung vornehmen.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
9. Teilsystem Heizung und/oder lufttechnische Anlage
Zusammenfassung
Wie welter oben bereits erklärt wurde, läßt sich ein Heizsystem in die Bereiche Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Wärmeabgabe aufgliedern. Der Energiegehalt des eingesetzten Energieträgers (Brennstoff) entspricht nicht dem der abgegebenen Wärme, da in allen drei Bereichen der Heizanlage irreversible Prozesse und damit Verluste auftreten. Abb. 9–1 zeigt die in den jeweiligen Bereichen auftretenden Verluste.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz

Heiztechnik

Frontmatter
10. Wärmeerzeugungsverluste
Zusammenfassung
Den Wärmeerzeugungsverlusten wird in der Heiztechnik besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da die Wärmeerzeugungsverluste den größten Teil der Gesamtverluste des Heizsystems ausmacnen. Sowonl die Istwert-Aufnahme und die Methoden zur Verlustbestimmung als auch die Maßnahmen zur Energieverbrauchsminderung sind gegenüber den Wärmeverteil- und Wärmeabgabeverlusten in der Literatur gut beschrieben. Die Wärmeerzeugungsverl uste werden in die nachfolgend beschriebenen Verbrennungs- und Restverluste aufgeteilt. Beide Verluste werden durcn die Wärmeerzeugerwir-kungsgrade dargestellt.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
11. Wärmeverteilungsverluste
Zusammenfassung
In dem, Wärmeverteil system einer Heizanlage treten drei verschiedene Verluste auf, der Wärmeverlust über das Verteil system, die Förderverluste und die Verteil- bzw. Regelungsverluste. Bei der Bestimmung der Verluste im Wärmeverteilsystem muß in der Regel auf grobe Eckwerte zurückgegriffen werden, da kein Wärmeverteil system einer Gebäudeheizung dem anderer Gebäudeheizungen entspricht und da eine detaillierte Bestimmung in vielen Fällen zwar theoretisch möglich ist, aber der Aufwand hierfür nicht im Verhältnis zu dem zu erwartenden Nutzen steht. Dies spiegelt sich auch in der Literatur wider, wo wesentlich mehr Information über Wärmeerzeugungsverluste zur Verfügung stehen als über Wärmeverteilungsverluste.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
12. Wärmeabgabeverluste
Zusammenfassung
Alle Wärmeströme, die vom Wärmeabgabesystem emittiert werden und nicht indirekt oder direkt der Wärmeabgabekompensation des Menschen dienen (anstelle der Behaglichkeit sind auch andere Zielsetzungen möglich), sind als Wärmeabgabeverluste zu bezeichnen. In Anlehnung an Abb. 2–3 sind in Abb. 12–1 die Richtungen der Wärmeströme dargestellt (Doppelpfeile).
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
13. Energiebedarf der Heizung
Zusammenfassung
Für die energietechnische Beurteilung von Heizsystemen ist es notwendig, deren maximalen Wärmebedarf, den jährlichen Wärmebedarf und den Brennstoffbedarf ermitteln zu können. Dies wird im folgenden mit ausgewählten Verfahren vorgestellt, wobei diese Verfahren nicht die einzig Repräsentativen sind. Sie sind zum Teil als Orientierungshilfen für die Erstellung eigener Abschätzverfahren gedacht. Die vorgeschriebenen Auslegungsverfahren (DIN 4701) werden hiervon jedoch nicht betroffen.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz

Warmwassertechnik

Frontmatter
14. Ziel und Aufgabe der Warmwassertechnik
Zusammenfassung
Warmwasser ist nach /1/ dem Leitungsnetz entnommenes Trinkwasser, welches im Wannwassererwärmungssystem maximal auf etwa 90°C erwärmt wird lin der neuesten Ausgabe von /1/ wird Brauchwasser wieder als Warmwasser bezeichnet). Für die Energieanalyse ist die Warmwassertechnik aus zwei Gründen wichtig. Zum einen kann durch relativ kleine und kostengünstige Eingriffe in das System (Temperaturabsenkung, Abscnalten der Zirkulationspumpe) viel Energie eingespart werden, und zum anderen bietet sich bei vielen Problemen der Wärmerückgewinnung und zur Nutzung alternativer Energiequellen das Warmwassersystem als Energieabnehmer an. Desnalb muß der Energiesachverständige Ziel und Aufgabe eines Warmwassersystems sowie dessen Verluste kennen. Weiterhin sind für ihn Berechnungsmethoden zur Ermittlung von Warmwasserbedarf und Warmwasserwärmebedarf wichtig, um Kostenrechnungen für Systemvorschläge aufstellen zu können. Dies wird im folgenden genauso dargestellt wie die Klassifizierung von Warmwassersystemen, um den nötigen Überblick zu vermitteln.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
15. Klassifizierung von Warmwassererwärmungssystemen
Zusammenfassung
Eine Gesamtübersicnt über die Klassifizierung unter verschiedenen Aspekten von Warmwassererwärmungssystemen vermittelt die Abb. 15-1.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
16. Verluste von Warmwassererwärmungssystemen
Zusammenfassung
Im folgenden wird die Verlustaufteilung und -bestimmung nach /9/ übernommen, weshalb alle dort getroffenen Vereinbarungen hier auch gelten. Eine Warmwassererwärmungsanlage kann in Analogie zum Heizsystem ebenfalls in die drei Blöcke Wärmeerzeugung, -Verteilung und -abgabe aufgeteilt werden /s. Abb. 16-1/.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
17. Warmwasserbedarf oder -verbrauch
Zusammenfassung
Bei einem bereits installierten Warmwassererwärmungssystem laßt sich der Warmwasserverbrauch an einem Wasserzähler leicht ablesen. Ist dieser jedocn nicht vorhanden, so sind Verfahren zur Abschätzung des Verbrauchs neranzuziehen. Eine Moglichkeit, dies schnell zu tun, bieten die Werte nach lab. 17-3. Weiterhin sind Abschätzungen nach den Tab. 17-1 bis Tab. 17-b realisierbar. Verfahren, die zur Ermittlung des Warmwasserwärmebedarfs oder -Verbrauchs dienen, wie sie im folgenden Kapitel beschrieben werden, beinnalten implizit ebenfalls eine Bestimmung des Warmwasserbedarfs oder -Verbrauchs.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz

Lufttechnik

Frontmatter
18. Energieverbrauchende Prozesse lufttechnischer Anlagen
Zusammenfassung
Alle in der Lufttechnik auftretenden energieverbraucnenden Prozesse sind darstellbar als
  • Kühlen
  • Heizen
  • Befeuchten
  • Entfeuchten
  • Fördern
  • Filtern
Um eine Energieanalyse durchführen zu können, werden in diesem Abschnitt für jeden dieser Prozesse Verfahren zur Bestimmung des Energieverbrauchs, Möglichkeiten zur Istwertaufnahme und Maßnahmen für die Reduzierung des Energieverbrauchs vermittelt. Nach /7/ werden Anlagen vom Typ(image)behandelt sowie Luft-Wasser-Systeme (Energiezufuhr an den Versorgungsstellen durch Zuluft und Wasser). Die behandelten Anlagentypen sind in den Abb. 18–1 bis Abb. 18–10 dargesllt.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz

Wärmepumpen

Frontmatter
19. Grundlagen für Wärmepumpen
Zusammenfassung
Unter Wärmepumpen versteht man Maschinen, die Nutzwärme dadurch bereitstellen, daß sie Wärme bei einer tiefen Temperatur (z. B. aus der Umgebungsluft) aufnehmen und sie bei einer höheren Temperatur als Nutzwärme wieder abgeben. Der Energieaufwand für diesen “Pumpprozeß“ ist bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen wärmeaufnehmender und -abgebender Seite geringer als die abgegebene Nutzwärme. Das Funktionsprinzip von Wärmepumpen ist mit dem von Kältemaschinen identisch. Kältemaschinen haben lediglich eine andere Zielsetzung. Bei ihnen ist die bei tiefer Temperatur (z.B. aus einem Kühlraum) entzogene Wärme der Nutzen.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
20. Anwendung der Wärmepumpe für Heizzwecke
Zusammenfassung
Die Einsatzmöglichkelten von Wärmepumpen sind, insbesondere unter Berücksichtigung der zahlreichen Systemvarianten, sehr vielfältig. Die folgenden Abschnitte sollen einen Überblick über die Anwendungsmöglichkelten im Bereich der Raumheizung vermitteln.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
21. Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung
Zusammenfassung
Seit einigen Jahren sind spezielle Einheiten von elektrisch angetriebenen Luft-Wärmepumpen mit Warmwasserspeicher auf dem Markt, die in Kellerräumen, Heizräumen usw. aufgestellt werden. Die Leistungsaufnahme des Verdichters liegt zwischen 0,4 und 0,9 kW, die Speichergröße im Bereich von 300 bis 600 1. Erhältlich sind Kompakt- und Splitgeräte /vgl. Abb.21–1/ sowohl mit indirekter als auch mit direkter Warmwasserbeheizung.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz

Abwärmenutzung

Frontmatter
22. Vorgehensweise bei der Beurteilung der Nutzungsmöglichkeiten von Abwärme
Zusammenfassung
Bei der Beurteilung der Nutzungsmöglichkeiten von Abwärme ist zu prüfen, ob ausreichende technisch verwertbare Potentiale zur Verfügung stehen, die wirtschaftlich vertretbar genutzt werden können.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
23. Passive Systeme zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Abwärmeverwertungssysteme behandelt, die ohne Exergieerhöhung der Abwärme auskommen. Dies setzt ein nutzbares Temperaturgefälle zwischen Abwärmequelle und Nutzwärmeverbraucher voraus. Die wesentlichen Bausteine derartiger Anlagen sind Wärmeaustauscher.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
24. Aktive Systeme zur Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Systeme behandelt, die Abwärme durch Exergieerhöhung nutzbar machen. Die wesentlichen Bauteile derartiger Anlagen sind Wärmepumpen.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
25. Abwärmeverwertung für Energiewandlungsprozesse
Zusammenfassung
Bei den in Kap. 23 und 24 beschriebenen Systemen war es Ziel, die Abwärme als Energieform Wärme wieder zu nutzen. Häufig ist dies in der Praxis nicht sinnvoll. Gründe hierfür sind, daß reine Wärmerückgewinnung wegen der Art der Prozesse ausscheidet oder für Wärme kein Bedarf vorhanden ist. In diesen Fällen bietet sich eine Wandlung in eine bedarfsgerechte Energieform an. Hierfür kommt in erster Linie die Erzeugung von mechanischer Energie, aus der dann häufig elektrische Energie produziert wird, infrage. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit stellt die Kälteerzeugung mittels Absorptions-, Dampfstrahi- und Kompressi-onskälteanlagen (aus Abwärme gewonnene mechanische Energie dient als Verdichter-antrieb) dar.
Klaus Endrullat, Peter Epinatjeff, Dieter Petzold, Hubertus Protz
Backmatter
Metadata
Title
Wärmetechnik
Authors
Dipl.-Ing. Klaus Endrullat
Dipl.-Ing. Peter Epinatjeff
Dipl.-Ing. Dieter Petzold
Prof. Dipl.-Ing. Hubertus Protz
Copyright Year
1987
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-07027-7
Print ISBN
978-3-662-07028-4
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-07027-7