Gekoppelte Kälte- und Wärme - Huber Energietechnik AG

Gekoppelte Kälte- und Wärmeerzeugung mit Erdwärmesonden 4. Komponentenauslegung
4 Komponentenauslegung
4.1 Wärmepumpe
Bei der Dimensionierung der Wärmepumpe muss
zunächst abgeklärt werden, ob auf den Heizfall im
Winter oder auf den Kühlfall im Sommer
ausgelegt werden muss. Im Heizfall bedeutet
dies, dass der Heizleistungsbedarf QH & nach SIA
384/2 und der mittlere Leistungsbedarf Warmwasser
QW & zusammengezählt werden müssen (Gl.
3.7). Tagesschwankungen im Warmwasserbedarf
sind dabei im Brauchwasserspeicher aufzufangen.
Beim Kühlfall wird die Klimakälte QK & nach
SIA 382/2 zur Gewerbekälte QGK & addiert (Gl.
3.11). Für die Berechnung des Leistungsbedarfs
für die Gewerbekälte wird typischerweise von
einem Gleichzeitigkeitsfaktor der einzelnen Kühlund
Tiefkühlgeräte von 0.8 ausgegangen (Gl.
3.9).
Als nächster Schritt wird nun die Rückkühlleistung
im Kühlfall (Gl. 3.10) mit dem maximalen Heizleistungsbedarf
Q& (Gl. 3.7) verglichen:
Heizleistung
Htot
⎛ COP ⎞
WP = Max⎜Q&
K , Q&
⎟
tot
Htot
Gl. 4.1
⎝ EER ⎠
COP und EER sind keine Konstanten, sondern
Grössen, die vom Temperaturniveau der Nutzwärme
und der Gewerbekälte abhängig sind. Bei
der Dimensionierung der Wärmepumpe muss
man vom Betriebszustand mit dem grössten Temperaturhub
ausgehen. Dies ist in der Regel dann
der Fall, wenn mit der Abwärme der Tiefkühlräume
Warmwasser erzeugt werden soll.
Bei mehrstufigen Wärmepumpen mit Direktverdampfung
empfiehlt es sich jedoch, die einzelnen
Stufen getrennt zu behandeln.
Für jede Stufe muss somit in einem ersten Schritt
der COP der geplanten Anlage geschätzt werden.
Für diese Schätzung muss zunächst einmal ermittelt
werden, wie hoch der thermodynamisch maximal
mögliche Wirkungsgrad, der Carnot-Wirkungsgrad
ηc ist. ηc berechnet sich mit
∆T
=
η c
T
Gl. 4.2
H
In Gl. 4.2 ist ∆T die Temperaturerhöhung der
jeweiligen Wärmepumpen-Stufe (Kondensationstemperatur
minus Verdampfungstemperatur) und
TH die Kondensationstemperatur der Wärmepumpe
in [K].
Wie weit man vom maximal möglichen Wirkungsgrad
einer Wärmepumpe entfernt ist, wird mit dem
Gütegrad ηG bestimmt. Gute Wärmepumpen erreichen
heute Gütegrade von 40 % - 50 %. Daraus
lässt sich dann der COP für die jeweilige
Wärmepumpenstufe abschätzen mit:
ηG
TH
TH
COP = = η G⋅
≈ 0.
45⋅
Gl. 4.3
η ∆T
∆T
c
Zu beachten ist, dass der Gütegrad mit der
Verdampfungs- und Kondensationstemperatur gebildet
wird und nicht mit der Quellen- und Senkentemperatur.
Der durchschnittliche COP ist der mit den Heizleistungen
gewichtete Durchschnitt aller parallel
geschalteten Einzelstufen. Dieser durchschnittliche
COP ist in Gl. 4.1 einzusetzen.
Beispielanlage Grauholz (cf. Bild 5.2)
Transmission QT 26.7 kW
Lüftung QL 13.3 kW
Heizung QH (SIA 384/2) 40.0 kW
Wirkungsgrad η der WRG 0.6
Lüftung mit WRG QLWRG 5.3 kW
Heizleistungsbedarf QHWRG 32.0 kW 32.0 kW
Warmwasser QW 5.0 kW 5.0 kW
Wärmeleistungsbedarf QHtot 37.0 kW
Tiefkühlstellen QTK bei –28 °C 6.5 kW
Kühlstellen QK bei –7 °C 25 kW
Gewerbekälte total: 31.5 kW
Gleichzeitigkeit Gewerbekälte fGl 0.8 25 kW
Klimakälte (SIA 382/2) bei Ta=30 °C 62 kW 62 kW
Kühlleistungsbedarf QKtot 87 kW
Kondensationstemperatur TH (50 °C) 323 K
Temperaturhub ∆T Tiefkühlung (-28 / 50 °C) 78 K
COP Tiefkühlung Gewerbekälte nach Gl. 4.3 1.86
Temperaturhub ∆T Kühlung (-7 / 50 °C) 57 K
COP Kühlung Gewerbekälte nach Gl. 4.3 2.55
Temperaturhub ∆T Klimakälte (0 / 50 °C) 50 K
COP Klimakälte nach Gl. 4.3 2.90
Leistungsgemittelter COP 2.75
Leistungsgemittelter EER (nach Gl. 1.7) 1.75
Rückkühlleistung QR nach Gl. 3.12 137 kW
Heizleistung WP nach Gl. 4.1 137 kW
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