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2024 | Buch

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Wirtschaftliche Nutzung von Abwärmequellen

Randbedingungen, technische Voraussetzungen und Wärmenetze

verfasst von: Wolfgang Heße, Bert Oschatz

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Mit Hilfe von Temperatur-Wärmeschaubildern ist die Nutzung von Abwärmepotenzialen veranschaulicht und entsprechende Schaltschemata werden vorgestellt. Die für eine Einbindung in Wärmenetze nötigen Abwärmepotenziale sind hinsichtlich ihrer Eintrittstemperatur in Relation zur Ein- und Austrittstemperatur klassifiziert. Als Bezugs-Szenario ist eine Abwärmenutzung nur mittels Wärmeübertrager betrachtet. Der Einsatz von Wärmepumpen ermöglicht eine größere Auskühlung der Abwärmequelle. Damit kann die Rohrleitung zwischen der Abwärmequelle und dem Wärmenetz geringer bemessen werden. Die resultierende Verringerung der Investitionskosten wird mit den zusätzlichen Kosten für die Wärmepumpe verglichen. Die Versorgungsverhältnisse der Wärmenetze sind als Wärmeleistung sowie Vorlauf- und Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur beschrieben. Die Hauptkomponenten der Abwärmenutzung wie Rohrleitungen, Umwälzpumpen, Wärmeübertrager und Wärmepumpen sind vorgestellt. Mit Hilfe der Jahresdauerlinie für die Außentemperatur erfolgt eine energetische Bewertung der Prozesse. Für den Praktiker sind die Zusammenhänge bei der Abwärmenutzung mit den Komponenten Wärmeübergabe an das Wärmenetz und Wärmetransport von der Abwärmequelle zum Wärmenetz hinsichtlich der Bemessung auch des Teillastverhaltens erläutert. Eine überschlägige wirtschaftliche Bewertung hilft bei der Entscheidung in die Gestaltung der Abwärmenutzung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Zusammenfassung

Die vorgestellten Betrachtungen zur Einbindung von Abwärme in Wärmenetze gehen auf Überlegungen zurück, welche im Zusammenhang mit der Nutzung geothermischer Wässer von Zschernig [1] erarbeitet wurden. Im Jahr 1984 wurde in der ehemaligen DDR in Waren (Müritz) die erste geothermische Heizzentrale in Betrieb genommen [2].

Wolfgang Heße, Bert Oschatz

2. Theoretische Betrachtungen

Zusammenfassung

Es erfolgen eine Klassifizierung der Abwärmepotenziale und theoretische Betrachtungen zum Wärmeentzug aus der Abwärmequelle anhand von Temperatur-Wärme-Schaubildern mit der Wärmeleistung als Abszisse und den Temperaturen der Abwärmequelle und der Wärmesenke als Ordinate. Der Einsatz von Wärmepumpen ermöglicht eine größere Auskühlung der Abwärmequelle. Entsprechende Schaltschemata werden vorgestellt. Für die Eintrittstemperatur der Abwärmequelle werden zwei Fälle betrachtet. In Fall 1 ist diese größer als die Austrittstemperatur der Wärmesenke und in Fall 2 kleiner, aber größer als die Eintrittstemperatur der Wärmesenke.

Zunächst werden idealisierte Verhältnisse mit Grädigkeiten der Wärmeübertrager von null und reversible Wärmepumpenprozesse betrachtet. Die ermittelte spezifische Antriebsleistung der Wärmepumpe bezogen auf die an das Wärmenetz übertragene Leistung dient als Beurteilungskriterium für reale Prozesse. Die Berechnungsschritte werden ausführlich erläutert.

Wolfgang Heße, Bert Oschatz

3. Wärmenetze

Zusammenfassung

Die Einbindung der Abwärme soll in Wärmenetze erfolgen, welche vorrangig der Versorgung von Gebäuden dienen. Deren Versorgungsverhältnisse werden als Wärmeleistung sowie Vorlauf- und Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur beschrieben. Grundlage dafür sind Monatswerte für den Wärmeverbrauch und Tagesmittelwerte für die Vor- und Rücklauftemperatur. Ist nur der Jahreswärmeverbrauch des Wärmenetzes als Summe der Jahresverbräuche der angeschlossenen Abnehmer bekannt, so erfolgt anhand plausibler Annahmen für den Wärmeverlust des Verteilungsnetzes, für den Verbrauchsanteil des heizfreien Betriebes und für die Heizgrenztemperatur eine Schätzung der Versorgungsverhältnisse.

Neben der Wärmeleistung sind die ebenfalls in Abhängigkeit von der Außentemperatur dargestellten Verläufe der Vorlauf- und Rücklauftemperatur für die Abwärmenutzung von Bedeutung. Der Verlauf der Vorlauftemperatur ist als so genannte Heizkurve in der Regel bekannt oder kann beim Wärmelieferer erfragt werden. Für die Rücklauftemperatur ist eine Approximation erforderlich. Anhand theoretischer Betrachtungen wird der Verlauf der Rücklauftemperatur berechnet und kann mit Messwerten verglichen werden. Die Messwerte für die Außentemperatur werden oft mit denjenigen für die Vorlauf- und Rücklauftemperatur bereitgestellt. Ist das nicht der Fall, so können diese aus dem Internet bezogen werden.

Wolfgang Heße, Bert Oschatz

4. Wärmeübertragung

Zusammenfassung

Die beiden Komponenten Wärmeübertrager und Wärmepumpen werden theoretisch hinsichtlich Bemessung und Teillastverhalten beschrieben. Für die Wärmeübertrager können Teillastfälle auch mit Hilfe der Bemessungssoftware der Hersteller berechnet werden, und damit lässt sich eine Beschreibung des Teillastverhaltens durchführen. Bei Wärmepumpen ist das in der Regel nicht der Fall. Hier müssen neben dem Nennlastfall Angebote zu Teillastfällen eingeholt werden. Als Ergebnis der Berechnungen zur Wärmeübertragung liegen mit dem Volumenstrom und der Rücklauftemperatur die notwendigen Informationen für die Abwärmeseite vor. Die Wärmeleistung ist gleich derjenigen auf der Wärmenetzseite, und die Vorlauftemperatur wird als bekannt vorausgesetzt.

Wolfgang Heße, Bert Oschatz

5. Wärmetransport

Zusammenfassung

Mit diesen Informationen erfolgen Betrachtungen zum Wärmetransport von der Abwärmequelle zum Wärmenetz. Zunächst wird die Bemessung der Rohrleitung dargestellt. Diese ist im Gesamtsystem der Abwärmenutzung diejenige Komponente mit den höchsten Investitionskosten. Deshalb soll hierfür eine möglichst geringe Nennweite gewählt werden. Für die Bemessung der Umwälzpumpe und die Einstellung der Pumpenkennlinie kann die Bemessungssoftware der Hersteller genutzt werden. Es wird gezeigt, dass die Standardeinstellung der Pumpenkennlinie ungünstig ist und eine Einstellung in Anlehnung an die Rohrnetzkennlinie vorgenommen werden sollte. Anhand der Jahresdauerlinie für den Volumenstrom und die Förderhöhe der Umwälzpumpe erfolgt eine energetische Bewertung des Wärmetransportes.

Wolfgang Heße, Bert Oschatz

6. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen nach VDI 2067-1

Zusammenfassung

Der Einsatz von Wärmepumpen ermöglicht eine größere Auskühlung der Abwärmequelle. Damit kann die Rohrleitung zwischen der Abwärmequelle und dem Wärmenetz geringer bemessen werden. Die resultierende Verringerung der Investitionskosten wird mit den zusätzlichen Kosten für die Wärmepumpe verglichen. Eine überschlägige wirtschaftliche Bewertung hilft bei der Entscheidung für die Gestaltung der Abwärmenutzung

Wolfgang Heße, Bert Oschatz

7. Darstellung des Gesamtprozesses anhand eines Beispiels

Zusammenfassung

Zum Abschluss erfolgt die Darstellung des Gesamtprozesses anhand eines Beispiels mit drei Szenarien. In Szenario 1 erfolgt die Abwärmenutzung nur mittels Wärmeübertrager und damit einer Auskühlung der Wärmequelle nur bis zur Rücklauftemperatur des Wärmenetzes. Für Szenario 2 und 3 wird der Einsatz von Wärmepumpen mit unterschiedlicher Auskühlung der Wärmequelle betrachtet. Es werden die vier Komponenten Wärmeübertrager, Wärmepumpen, Rohrleitung und Umwälzpumpe bemessen und energetisch bewertet. Anhand einer überschlägigen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die drei Szenarien bewertet. In die Wirtschaftlichkeitsberechnung werden nur die beiden Hauptinvestitionen Rohrleitung und Wärmepumpe einbezogen. Daraus wird abgeleitet, ob der Wärmepumpeneinsatz sinnvoll ist und damit näher untersucht werden sollte.

Wolfgang Heße, Bert Oschatz

Backmatter

Titel: Wirtschaftliche Nutzung von Abwärmequellen
verfasst von: Wolfgang Heße
Bert Oschatz
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-41726-0
Print ISBN: 978-3-658-41725-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-41726-0

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