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planung
In der Gleichung 18 beschreibt Dp die Druckverluste des Wärmeverteilsystems,
die aus folgender Gleichung ermittelt werden:
l. . .w
(19)
2 L rW Dr = d 2 [bar]
Mit der Gleichung nach Hermann, gültig bis Re=2*206 , für die
0,396
Rohrreibungszahl l = 0,0054 + und mit der Gleichung
Re
für die gesamte Fernwärmeleistung der Bereitstellung
lässt sich der Druckverlust mit Angabe der Leitungslänge L, des Rohrdurchmessers
d und des Pumpenwirkungsgrades hPu ermitteln.
0,3
Q .
FW,ges = r .d W 2. .w.c
π .(t W – t )
FWVL FWRL 2
3.2 Energetische und exergetische Bewertung
Unter Zuhilfenahme der definierten Wirkungsgrade und Verhältniszahlen
lässt sich nun die energetische und exergetische Analyse des
KWKK-Systems durchführen. Der Analyse dient das in Bild 1 dargestellte
Bilanzierungsmodell.
Der energetische Gesamtwirkungsgrad des Kraft-Wärme-Kälte-
Kopplungs-Systems ist folgendermaßen definiert:
Q .
.[(h .h Br V,el el+hV,FW+hth,Prozess)+V .(h .h Br H,Sp. V,FW+hH,Sp.,Prozess)]+ Q .
.
0.SKM
Der spezifische Primärenergieeinsatz des KWKK-Systems berechnet
sich je nach Energieform wie folgt:
– Spezifische Brennstoffwärmebelastung der Stromerzeugung:
1
qBP =
h .h KWK V,el
[kWh /kWh ] Br el (21)
– Spezifische Brennstoffwärmebelastung der Wärmeerzeugung:
nth +V .n Br H,Sp.
qBQ =
h .h V,FW th +h .V H,Sp. Br
[kWh /kWh ] Br Wärme (22)
– Spezifische Brennstoffwärmebelastung der Kälteerzeugung:
Kompressionskältemaschine:
qBQ0 ,KKM =
1
h .h .COP
KWK V,el
Soprtionskältemaschine:
[kWh /kWh ] Br Kälte (23)
nth +V .n Br H,Sp.
qBQ0 ,SKM =
h .COP .(h V,FW th th +h .V H,Sp. Br)
[kWh /kWh ] Br Kälte (24)
– Spezifische Brennstoffwärmebelastung der Prozesswärmeerzeugung:
nth,Prozess +V .n Br H,Sp.,Prozess
qBQP =
h .V H,Sp.,Prozess Br +hth,Prozess [kWh /kWh ] Br Prozess (25)
Der exergetische Gesamtwirkungsgrad des KWKK-Systems wird
nach dem gleichen Modell (siehe Bild 1) wie der energetische Gesamtwirkungsgrad
berechnet und lautet:
Q .
Tu Tu Weiters gilt: h V,FW ≈ h V.ex
10
10 5
Durch die Mittelung der Fernwärme-, Prozesswärme- und Kaltwassertemperatur
kommt es nur zu einer geringen Abweichung des exergetischen
Wirkungsgrades vom exakt berechneten Wert unter Berücksichtigung
der zu- und abfließenden Exergieströme.
3.3 Ökonomische und ökologische Bewertung
Je nach Energieform können für die ökonomische bzw. ökologische
Bewertung des Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-Systems folgende allgemeine
Bestimmungsgleichungen definiert werden:
– Strom: Xel = qBP . XBr (30)
– Wärme:
– Kälte:
n .X th Br +X .V .
Br,Sp. Br nH,Sp. XWärme =
h .(h V,FW th +h .V H,Sp Br)
(31)
Kompressionskältemaschine: XKKM,Kälte = qBP0 ,KKM . XBr (32)
Sorptions-
kältemaschine:
– Prozesswärme:
[( ) ( )]
1–
1
+V .
Qo 1–
1
COPth COP
Q .
hKWKK = (20)
Br (1+VBr)+Pel.PU [ (
)
( )
X steht für:
XBr (1) spezifische Brennstoffkosten kBr [Cent/kWhBr] (2) spezifische Emissionen des Brennstoffes eStoff,Br X Br,Sp.
X el
X Wärme
[kg Stoff/kWh Br]
n .X th Br +X .V .
Br,Sp. Br nH,Sp. XSKM,Kälte = = (33)
COP .
th h .(h V,FW th +h .V H,Sp Br)
(1) spezifische Brennstoffkosten Spitzenkessel
k Br,Sp. [Cent/kWh Br,Sp.]
(2) spezifische Emissionen des Brennstoffes Spitzenkessel
e Stoff,Br,Sp. [kg Stoff/kWh Br,Sp.]
(1) spezifische Stromkosten k el [Cent/kWh el]
(2) spezifische Emissionen der Strombereitstellung
e Stoff,el [kg Stoff/kWh el]
(1) spezifische Wärmekosten k Wärme [Cent/kWh Wärme]
(2) spezifische Emissionen der Wärme
e Stoff,Wärme [kg Stoff/kWh Wärme]
XProzess (1) spezifische Prozesswärmekosten kProzess [Cent/kWhProzess] (2) spezifische Emissionen der Prozesswärme
eStoff,Prozess [kgStoff/kWhProzess] XKKM,Kälte (1) spezifische Kältekosten KKM kKKM,Kälte [Cent/kWhKälte] (2) spezifische Emissionen der Kälte KKM eStoff,KKM,Kälte [kgStoff/kWhKälte] (1) spezifische Kältekosten SKM kSKM,Kälte [Cent/kWhKälte] XSKM,Kälte (2) spezifische Emissionen der Kälte SKM eStoff,SKM,Kälte [kgStoff/kWhKälte] Q
Je nach Bilanzierungsgröße handelt es sich bei den spezifischen
Emissionen um Stoffe wie zum Beispiel CO2, CO, Staub (TSP),
SO2, NOx, NMVOC,….
Die gemittelten Temperaturen in Gleichung 26 errechnen sich mit:
Mittlerer
Kaltwassertemperatur:
TK,aus Kaltwasseraustrittstemperatur [K]
TK,ein Kaltwassereinstrittstemperatur [K]
Mittlerer
Fernwärmetemperatur:
4 KWKK-Modell
Die Berechnung des oben vorgestellten Bilanzierungsmodells –
mit den definierten Gleichungen – wird auf Basis der Software EES
(Engineering Equation Solver) Version 7.848 (Professional Version)
durchgeführt [1]. Die Grundfunktion dieses Programms besteht im
Lösen von Gleichungen. Dabei identifiziert und gruppiert EES jene
TFW,VL Fernwärmevorlauftemperatur [K] Gleichungen, die simultan gelöst werden müssen. Zudem sind in der
TFW,RL Fernwärmerücklauftemperatur [K] Software thermodynamische Stoffdaten verschiedener Substanzen
Mittlerer Prozesswärmetemperatur:
TProzess,VL Prozesswärmevorlauftemperatur [K]
TProzess, RL Prozesswärmerücklauftemperatur [K]
hinterlegt. Diese Built-in Functions können über einfache Befehle
im Equations-Window aufgerufen und zur weiteren Berechnung
verwendet werden. Im Diagram-Window kann eine Berechnung bzw.
ein Prozess auch grafisch dargestellt werden, wobei die Variablen im
Diagram-Window eingegeben und die davon abhängigen Ergebnisse
.
.
Br h .
V,el hel+h .
V,ex 1– . (h +
th. h .V H,Sp. Br)+ 1– . (h +
th.,Prozess h .V H,Sp., Prozess
T
Br)
FW,mittel
TProzess,mittel hexKWKK = +
Br (1+VBr)+Pel.PU –1 . Q .
.
0,SKM 1– +V .
Qo 1–
Q .
Tu 1
1
( T ) [ ( ]
K,mittel
COP ) ( th
COP)
Br (1+VBr)+Pel.PU TK,aus +TK,ein TK,mittel = [K]
2
TFW,VL +TFW,RL TFW,mittel = [K]
2
(27)
(28)
TProzess,VL +TProzess,RL TRozess,mittel = [K] (29)
2
]
XWärme COPth X Prozess = (34)
n th,Prozess .X Br +X Br,Sp. .V Br . n H,Sp.,Prozess
h H,Sp.,Prozess .V Br +h th,Prozess
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