Bewertung der Leistungsfähigkeit von Wärmepumpen im Heiz- und Kühlbetrieb

Produktbeschreibung

Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieure, Energiemanager aber auch Wissenschaftler aus dem Bereich industrieller Energiesysteme. Im Rahmen der Arbeit wird ein kompakter, größtenteils auf Diagrammen basierender Ansatz zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Wärmepumpen im Heiz- und Kühlbetrieb hergeleitet und exemplarisch auf ein Fallbeispiel angewendet. Der vorgestellte Bewertungsansatz erlaubt eine schnelle und vor allem nachvollziehbare Beantwortung der Fragestellung, was eine Wärmpumpe, eingebettet in die realen technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen eines Unternehmens, zu leisten vermag.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Grundlagen 6
2.1 Aufbau einer Warmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Idealer Warmepumpenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Kennzahlen des idealen Warmepumpenprozesses . . . . . . . . . . . 8
2.3 Theoretischer Warmepumpenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Realer Warmepumpenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 Kennzahlen des realen Warmepumpenprozesses . . . . . . . . . . . 12
2.5 Warmequelle und Warmesenke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Bewertung der Leistungsfahigkeit 14
3.1 Einfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Technische Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.1 Maximaler COP im Heizbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3.2 Alternativer Ansatz zur Ermittlung von COPH
max . . . . . . . . . . 33
3.3.3 Realer COP im Heizbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.4 Realer COP im Heiz- und Kuhlbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.5 Quotient der Nutzwarmestrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.6 COP einer Kalteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Relative wirtschaftliche Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.1 Wirtschaftlichkeitsgrenze im Heizbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.4.2 Relative Energiekosteneinsparung im Heizbetrieb . . . . . . . . . . 61
3.4.3 Relative Kosteneinsparung im Heiz- und Kuhlbetrieb . . . . . . . . 64
3.5 Absolute wirtschaftliche Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.1 Absolute Energiekosteneinsparung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.2 Investitionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5.3 Amortisationsdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4 Zusammenfassung 83
4.1 Technische Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2 Relative wirtschaftliche Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Absolute wirtschaftliche Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5 Anwendung 92
5.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2 Direkte Ermittlung von b EH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.3 Inverse Bestimmung von #max
S bei gegebenem b EH . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 Direkte Ermittlung von E(tP) und tA im Heizbetrieb . . . . . . . . . . 104
5.5 Sensitivitat der absoluten wirtschaftlichen Kennzahlen . . . . . . . . . . . 109
5.6 Direkte Ermittlung von E(tP) und tA im Heiz- und Kuhlbetrieb . . . . 111
5.7 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6 Diskussion und Ausblick 116
6.1 Technische Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2 Wirtschaftliche Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.1 Relative wirtschaftliche Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.2.2 Absolute wirtschaftliche Kennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.3 Allgemeine Punkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Anhang Diagramme und Tabellen 122
Literaturverzeichnis 147

Keywords: Wärmepumpe, Prozesswärme, Prozesskälte, Energieeffizienz, Heizbetrieb, Kühlbetrieb,