Energieanwendungstechnik: Wege und Techniken zur effizienteren Energienutzung

425 Pages·2008·18.776 MB·German

by  Manfred Rudolph, Ulrich Wagner

Energieanwendungstechnik
·
Manfred Rudolph Ulrich Wagner
Energieanwendungstechnik
Wege und Techniken zur effizienteren
Energienutzung
123
Dr.-Ing.habil.ManfredRudolph Prof.Dr.-Ing.UlrichWagner
LehrstuhlfürEnergiewirtschaft LehrstuhlfürEnergiewirtschaft
undAnwendungstechnik undAnwendungstechnik
TechnischeUniversitätMünchen TechnischeUniversitätMünchen
80290München 80290München
[email protected] [email protected]
ISBN978-3-540-79021-1 e-ISBN978-3-540-79022-8
DOI10.1007/978-3-540-79022-8
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Vorwort
Wenn heute das Thema Energie mehr denn je im Fokus der öffentli-
chen Aufmerksamkeit steht, hat das seine guten Gründe: Dazu gehört
die nicht prognostizierbare Entwicklung der Energiepreise vor dem
Hintergrund der sich abzeichnenden Reserven, aber auch der vermute-
te Treibhauseffekt. Zu Recht treibt uns die Sorge um, wie wir künftig
unseren Energiebedarf decken können, ohne an unserem erreichten
Wohlstand allzu große Abstriche machen zu müssen.
Die Frage nach der Herkunft der Energie beleuchtet das Problem aber
nur von einer Seite. Genauso wichtig ist die Frage: Was tun wir mit
der Energie, die wir verbrauchen? Und welche Möglichkeiten haben
wir, sparsam mit dieser mittlerweile als kostbar erkannten Ressource
umzugehen?
Vor mehr als 60 Jahren hat H.F. Mueller, der Begründer der For-
schungsstelle für Energiewirtschaft, das Feld abgesteckt, das danach
von unserem Lehrer H. Schaefer intensiv bearbeitet und anlässlich der
ersten Ölpreiskrise vor nunmehr 35 Jahren auch erstmalig einer breite-
ren Öffentlichkeit bekannt gemacht wurde.
Mit diesem Buch unternehmen wir zum ersten Mal den Versuch, das
Thema Energieanwendung möglichst umfassend zu behandeln. Dabei
stützen wir uns auf die reiche Ansammlung von Fachwissen, die auf
diesem Gebiet am Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungs-
technik der TU München seit der Gründung 1970 gewonnen wurde. In
diesem Sinne gilt unser Dank allen gegenwärtigen und früheren Mit-
arbeitern für die vielfältige Unterstützung.
In unseren langen Jahren als Hochschullehrer haben wir gelernt, wie
wichtig ! und wie schwierig ! es ist, den richtigen Mix aus Grundla-
gen und Fakten zusammen zu stellen. Haben wir uns doch das ehr-
geizige Ziel gesteckt, Interesse zu wecken, eine klare Sicht zu schaf-
fen und das nötige Detailwissen zu vermitteln. Wenn die Studierenden
der einschlägigen Ingenieur- und Naturwissenschaften sowie all jene,
die im Beruf mit dem Thema Energie befasst sind, Nutzen daraus
ziehen können, dann hätten wir dieses Ziel erreicht.
München, im Juni 2008 Manfred Rudolph
Ulrich Wagner
Inhalt
1 Einführung und Grundbegriffe .......................... 1
1.1 Energietechnik in der Menschheitsgeschichte ................. 1
1.2 Terminologie der Energieanwendung ....................... 3
1.3 Energieverbrauch in der Volkswirtschaft .................... 7
1.4 Rationelle Energieverwendung ........................... 11
1.5 Ganzheitliche Bewertung von Systemen .................... 16
2 Deckung von Prozesswärmebedarf ...................... 19
2.1 Struktur und Bedeutung der Prozesswärme in der Industrie ..... 19
2.2 Industrielle Wärmeprozesse und Verfahren .................. 25
2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen ................ 31
2.3.1 Grundsätzlicher Aufbau und Funktionsprinzipien ...... 31
2.3.1.1 Standanlagen ........................... 32
2.3.1.2 Durchlaufanlagen ........................ 34
2.3.2 Energetische Bilanzierung ......................... 36
2.3.3 Stationäres Betriebsverhalten in Abhängigkeit vom
Lastgrad ...................................... 41
2.3.4 Betriebsverhalten im instationären Zustand ........... 45
2.3.4.1 Abkühlung einer Ofenwand ................ 46
2.3.4.2 Verhalten bei Betriebsunterbrechung ......... 53
2.4 Energetische Analyse von Betriebszeiträumen ............... 56
2.4.1 Charakteristische Zeitabschnitte .................... 57
2.4.2 Kenngrößen für die Auslastung ..................... 59
2.4.3 Bestandteile des Energieverbrauchs ................. 60
2.4.4 Betriebstechnische Kennlinienfelder ................. 60
3 Raumheizung und Klimatisierung ....................... 65
3.1 Bedeutung und Struktur der Raumwärme ................... 65
3.2 Thermische Behaglichkeit ............................... 68
3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden ............ 72
3.3.1 Grundbegriffe .................................. 72
3.3.2 Spezifische Wärmeverluste ........................ 75
3.3.2.1 Transmission ........................... 75
3.3.2.2 Lüftung ................................ 78
3.3.3 Norm-Heizlast .................................. 79
3.3.4 Jahres-Heizwärmebedarf .................. 80
3.4 Energieeinsparverordnung ............................... 85
3.5 Heizungsanlagen ...................................... 87
3.5.1 Systematische Einteilung.......................... 87
VIII Inhalt
3.5.2 Heizkessel ..................................... 89
3.5.3 Wärmepumpen ................................. 97
3.5.3.1 Grundbegriffe ........................... 97
3.5.3.2 Funktionsweise ......................... 98
3.5.3.3 Energetische Effizienz ................... 102
3.5.3.4 Wärmequellen ......................... 103
3.5.3.5 Betriebsarten und Auslegung .............. 107
3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung ............... 109
3.6.1 Systeme und ihre Anwendung ..................... 109
3.6.2 Heiz- und Kühllast .............................. 113
3.6.3 Zustandsänderungen der Luft ..................... 114
3.6.4 Energieverbrauch ............................... 121
4 Beleuchtung ..................................... 125
4.1 Lichttechnische Grundlagen ............................ 125
4.2 Lampen ..................................... 130
4.2.1 Glühlampen ................................... 130
4.2.2 Gasentladungslampen ........................... 132
4.2.2.1 Niederdruck-Entladungslampen ............ 133
4.2.2.2 Hochdruck Entladungslampen ............. 138
4.3 Anforderungen an die Beleuchtung ....................... 139
5 Stationäre Antriebe .................................. 145
5.1 Stationärer Kraftbedarf ................................ 145
5.2 Fördern von Fluiden .................................. 145
5.2.1 Aufgabenstellung............................... 147
5.2.2 Anwendungsbereiche ........................... 149
5.2.3 Arbeitsmaschinen .............................. 150
5.2.4 Betriebsverhalten von Kreiselpumpen............... 158
5.2.4.1 Hydraulische Förderleistung .............. 158
5.2.4.2 Pumpenkennlinien ...................... 160
5.2.4.3 Variation der Drehzahl ................... 165
5.2.4.4 Regulierung des Förderstroms ............. 166
5.3 Zusammenwirken von Arbeitsmaschine und Antriebssystem ... 169
5.3.1 Allgemeine Zusammenhänge ..................... 169
5.3.2 Drehzahl und Drehmoment ....................... 171
5.3.3 Belastung der Antriebsmaschine ................... 175
5.4 Elektrische Antriebssysteme ............................ 177
5.4.1 Allgemeine Übersicht ........................... 177
5.4.2 Drehstrom-Asynchronmotor ...................... 180
5.4.2.1 Bauarten, Wirkungsweise, Spezifikationen ... 180
5.4.2.2 Ersatzschaltbild, Stromortskurve ........... 185
Inhalt IX
5.4.2.3 Drehzahl und Schlupf.................... 187
5.4.2.4 Leistungen ............................ 188
5.4.2.5 Drehmoment........................... 189
5.4.2.6 Anlaufen und Bremsen................... 192
5.4.2.7 Verhalten im stationären Betrieb ........... 197
5.4.2.8 Dimensionierung des Motors .............. 199
5.4.2.9 Drehzahlstellung ....................... 203
5.4.3 Drehstrom-Synchronmotor ....................... 207
5.4.4 Frequenzumrichter .............................. 211
5.4.5 Gleichstrommotor .............................. 215
5.4.6 Kleinmotoren .................................. 219
5.4.6.1 Universalmotor......................... 219
5.4.6.2 Kondensatormotor ...................... 222
5.4.6.3 Permanentmagnet-Synchronmotor .......... 225
5.4.6.4 Spaltpolmotor .......................... 227
6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen) ........ 231
6.1 Verkehrsaufkommen und Energieverbrauch ................ 231
6.1.1 Entwicklung der Verkehrsleistung ................. 231
6.1.2 Entwicklung des Endenergieverbrauchs ............. 233
6.2 Physik der Fortbewegung .............................. 235
6.2.1 Fortbewegung zu Lande ......................... 235
6.2.1.1 Straßenverkehr ......................... 235
6.2.1.2 Schienenverkehr ........................ 238
6.2.2 Fortbewegung zu Wasser ........................ 239
6.2.3 Fliegen ..................................... 239
6.2.4 Bewegungswiderstand, Antriebsleistung und
Transportleistung verschiedener Verkehrsmittel ....... 241
6.3 Technik der Antriebe .................................. 243
6.3.1 Straßenfahrzeuge mit Verbrennungsmotor ........... 243
6.3.1.1 Energieflüsse im Otto- und im Dieselmotor .. 243
6.3.1.2 Unkonventionelle Kraftstoffe ............. 247
6.3.2 Straßenfahrzeuge mit Elektromotor................. 258
6.3.2.1 Antriebsmaschinen ...................... 258
6.3.2.2 Batteriespeicher ........................ 259
6.3.2.3 Energieverbrauch ....................... 261
6.3.2.4 Hybridantriebe ......................... 261
6.3.2.5 Brennstoffzellen ........................ 265
6.3.3 Schienentriebfahrzeuge .......................... 268
6.3.3.1 Diesel-Antrieb ......................... 268
6.3.3.2 Elektroantrieb .......................... 269
6.3.3.3 Vergleich verschiedener Antriebe .......... 270
X Inhalt
6.3.3.4 Magnetschwebe-Technik ................. 272
6.3.4 Flugzeuge .................................... 275
6.4 Vergleich verschiedener Verkehrssysteme ................. 277
6.4.1 Energieverbrauch ............................... 277
6.4.2 Schadstoff-Emissionen .......................... 280
6.4.3 Lärm ..................................... 286
6.4.4 Sonstige Faktoren .............................. 287
7 Gewinnen und Verarbeiten von Daten .................. 291
7.1 Datenerfassung ..................................... 292
7.1.1 Messkonzept .................................. 292
7.1.1.1 Messgröße ............................ 292
7.1.1.2 Messprinzip und Messmethode ............ 293
7.1.1.3 Messort ............................... 294
7.1.1.4 Planungsgrundsätze ..................... 295
7.1.2 Messeinrichtung ............................... 296
7.1.2.1 Messgrößenerfassung .................... 296
7.1.2.2 Signal- und Messwertverarbeitung ......... 297
7.1.2.3 Messdaten-Ausgabe ..................... 298
7.1.3 Genauigkeit von Messungen ...................... 299
7.1.3.1 Arten von Messabweichungen ............. 299
7.1.3.2 Fehlergrenzen .......................... 301
7.1.3.3. Messunsicherheit ....................... 302
7.2 Datengliederung, -verarbeitung und -auswertung ............ 302
7.2.1 Dokumentation von Daten ........................ 303
7.2.2 Bildung von Verhältniszahlen ..................... 303
7.2.3 Bildung von Mittelwerten ........................ 305
7.2.4 Häufigkeitsverteilung und Standardabweichung ....... 308
7.2.5 Zusammenhänge zwischen Stichprobe und
Grundgesamtheit ............................... 311
7.2.6 Der t-Test (Student-Test) ......................... 314
7.2.7 Regressionsrechnung ............................ 318
7.3 Anwendung für die energietechnische und
-wirtschaftliche Praxis ................................. 321
7.3.1 Statistische Erhebungen.......................... 322
7.3.2 Grafische Darstellungen ......................... 323
7.3.2.1 Punktdiagramme ....................... 323
7.3.2.2 Liniendiagramme ....................... 324
7.3.2.3 Flächendiagramme ...................... 324
7.3.2.4 Säulen- und Balkendiagramme ............ 324
7.3.2.5 Kreis- und Ringdiagramme ............... 324
7.3.2.6 Flussbilder (Sankey-Diagramme) .......... 325
Inhalt XI
7.3.2.7 Maßstabswahl.......................... 325
7.3.3 Energieverbrauchsgleichungen .................... 326
Anhang: Übungsaufgaben .................................. 335
1 Stationäre Betriebskennlinien (zu Kap. 2) .................. 335
1.1 Erdgasbeheizter Schmiedeofen .................... 335
1.2 Vergleich von zwei Spänetrocknern ................ 337
2 Instationäre Betriebskennlinien (zu Kap. 2) ................ 340
3 Heizwärmebedarf von Gebäuden (zu Kap. 3) ............... 345
4 Luft-Wasser-Wärmepumpe (zu Kap. 3) ................... 354
5 Klimaanlage (zu Kap. 3) ............................... 360
6 Berechnung einer Beleuchtungsanlage (zu Kap. 4) ........... 366
7 Betriebsverhalten einer Pumpe (zu Kap. 5) ................. 369
8 Analyse eines Drehstrom-Asynchronmotors (zu Kap. 5) ...... 376
9 Energetisches Betriebsverhalten eines PKW (zu Kap. 6) ...... 388
10 Analyse einer Zeitreihe (zu Kap. 7) ....................... 396
11 Mittelwertbildung von Beziehungsgrößen (zu Kap. 7) ........ 401
12 Analyse einer Stichprobe (zu Kap. 7) ..................... 402
12.1 Häufigkeitsverteilung ........................... 403
12.2 Zugehörigkeit von Stichprobe und Grundgesamtheit ... 405
12.3 Vergleich zweier Teilstichproben .................. 405
12.4 Vertrauensbereiche für den Mittelwert
zugehöriger Grundgesamtheiten ................... 406
12.5 Erwartungsbereich der Einzelwerte ................. 407
Literatur ................................................ 409
Sachverzeichnis .......................................... 413
1 Einführung und Grundbegriffe
1.1 Energietechnik in der Menschheitsgeschichte
Die Energietechnik ist eine unverzichtbare Grundlage, die Abhängigkeit
menschlichen Handelns und Wirkens von den Umweltbedingungen zu
lockern und als human empfundene Lebensbedingungen zu schaffen. Die
Verfolgung dieses Zieles führte schon immer und führt auch weiterhin zu
Eingriffen in die Ökologie. Damit beeinflussen die Auswirkungen dieser
Eingriffe wiederum die Lebensgestaltung des Menschen (Schaefer et al.
1995).
Das heute oft zitierte ökologische Gleichgewicht der Erde hat im stati-
schen Sinn nie bestanden. Der ständige Wandel von Flora und Fauna schon
vor dem Beginn der Menschheitsgeschichte legt davon ebenso beredtes
Zeugnis ab, wie auch der mehrfache Klimawechsel in der Geschichte unseres
Planeten. Seit der Mensch auf der Erde existiert, hat er aus dem natürlichen
Streben nach Arterhaltung mit seinem Handeln in die Umwelt eingegriffen
und damit z.B. einen großen Teil der natürlichen Landschaft in eine
Kulturlandschaft verwandelt. Diese menschlichen Eingriffe werden zwangs-
läufig um so gravierender, je größer die Besiedlungsdichte und der Lebens-
standard S gekennzeichnet z.B. durch technische Ausstattung, Flächen-
anspruch, Mobilität u.a.m. S wird. Sie können vielfach zu Auswirkungen
führen, die sich langfristig auch für das menschliche Leben als ungünstig
erweisen. Schon unsere Vorfahren haben in dieser Hinsicht „Beachtliches“
geleistet; aber wer denkt schon daran, dass z.B. die verkarstete adriatische
Küste früher bewaldet war, wer denkt schon daran, dass Karthago, die Korn-
kammer Roms, durch Menschenhand zur Wüste wurde. Ähnliches gilt für
das Schicksal der kleinasiatischen Städte Milet, Priene und Ephesus sowie
den Kahlschlag der Wälder in England oder in Spanien, wo vor allem wegen
des Bedarfes an Heizmaterial die Umwelt entscheidend verändert wurde.
Wenn heute die Fragen des Umweltschutzes in aller Munde sind, ist das
vor allem aus berechtigter Sorge über die ökologischen globalen Verände-
rungen durch vegetations- und klimarelevante Emissionen, den Ressourcen-
verzehr sowie die Veränderungen im Bereich der Verdichtungsräume zu
verstehen, wo nachteilige Wirkungen der optischen, akustischen und stoff-
lichen Belastung schon frühzeitig sicht- und spürbar wurden. Will man die
Situation zutreffend analysieren, dann hat man sich vor allem mit den Regio-
nen hohen Energieumsatzes zu befassen. Hier werden geeignete und sinn-