Luft-Wasser-Wärmetauscher
Der Luft-Wasser-Wärmetauscher ist ein thermisches Bauteil, welches es erlaubt, Wärmeenergie zwischen der Flüssigkeit einer Leitung und der Umgebungsluft zu übertragen. Dieser Wärmetransfer kann dabei in beide Richtungen erfolgen. Von der Flüssigkeit einer Leitung zur Umgebungsluft oder von der Umgebungsluft zur Flüssigkeit einer Leitung. Entsprechend kann die Umgebungsluft eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke sein. In Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit und der Umgebungsluft bestimmt die Komponente selbst die Richtung des Wärmetransfers. Diese Komponente kann mit unterschiedlichen Technologien eingesetzt werden, beispielsweise Luft/Wasser-Wärmepumpen, Kompressor- und thermisch betriebene Kühlgeräte. Erfahren Sie mehr über die Berechnung von Luft-Wasser-Wärmetauschern im weiteren Kapitel.
Abbildung: Die Energieübertragung wird aus der Leistung, dem Durchfluss und den wasser- und luftseitigen Eintritts- und Austrittstemperaturen berechnet.
Luft-Wasser-Wärmetauscher berechnen
Polysun berechnet die Leistung eines Luft-Wasser-Wärmetauschers mittels der detaillierten NTU-Methode. Diese numerische Methode berücksichtigt die spezifischen Eigenschaften des Wärmetauschers, wie Auslegungstemperaturen, Volumenströme der Luft und des Wassers sowie die Auslegungsleistung. Dabei wird jedoch vereinfachend angenommen, dass keine latente Wärme (Feuchtigkeit) in der Luft enthalten ist.
Die Wärmetauscher Berechnung umfasst folgende Schritte:
- Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten (UA-Wert): Dieser Wert charakterisiert die Fähigkeit des Wärmetauschers, Wärme zwischen Luft und Wasser zu übertragen.
- Berechnung der Anzahl der Übertragungseinheiten (NTU): Die NTU gibt an, wie effektiv der Wärmetauscher die verfügbare sensible Wärme überträgt. Sie wird aus dem UA-Wert und den spezifischen Wärmekapazitäten der Medien berechnet.
- Ermittlung des Wirkungsgrads und der maximalen Wärmeübertragung: Basierend auf den NTU-Werten wird der Wirkungsgrad des Wärmetauschers bestimmt, der angibt, wie viel von der maximal möglichen sensiblen Wärme tatsächlich übertragen wird.
- Berechnung der tatsächlichen Leistung unter Betriebsbedingungen: Unter Berücksichtigung der berechneten Temperaturen und des Wirkungsgrads ermittelt Polysum die tatsächliche Wärmeübertragung, die unter den spezifischen Betriebsbedingungen stattfindet.
Wärmetauscher berechnen: Vorteile der detaillierten Simulationsanalyse
Eine besondere Stärke von Polysun liegt in der Durchführung detaillierte Simulationsanalyse für eine ganzjährige Betrachtung und ermöglicht eine Luft/Wasser Wärmetauscher Berechnung online. Diese ermöglicht es, die Betriebstemperaturen des Luft Wasser Wärmetauschers für jeden beliebigen Zeitpunkt im Jahr online zu ansehen. Durch die Berücksichtigung der saisonalen Schwankungen der Aussentemperaturen und der daraus resultierenden Temperaturdifferenzen zwischen Luft und Wasser erhält man online ein umfassendes Bild der Anlagenleistung über das gesamte Jahr hinweg.
Vorteile der detaillierten Simulationsanalyse:
- Optimierung der Anlagenauslegung: Die Ergebnisse der Simulation können genutzt werden, um die Dimensionierung des Wärmetauschers und die gesamte Anlagenkonfiguration zu optimieren.
- Früherkennung von möglichen Problemen: Potenzielle Schwachstellen oder Ineffizienzen können frühzeitig identifiziert und behoben werden.
- Vorhersage der Energieeffizienz: Die Simulation ermöglicht eine Abschätzung des Energieverbrauchs und der damit verbundenen Betriebskosten.
Hinweis: Die Annahme, dass keine latente Wärme in der Luft enthalten ist, vereinfacht die Berechnung. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann dies zu Abweichungen von den tatsächlichen Werten führen.
FAQ
Welche Luft- und Wassereintrittstemperaturen sind bei einem Wärmepumpensystem üblich und wie wirken sie sich auf die Auslegung des Wärmetauschers aus?
Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen liegen die üblichen Eintrittstemperaturen bei:
⦁ Luft: In Mitteleuropa meist zwischen −15 °C (Winter) und +35 °C (Sommer).
⦁ Wasser (Heizkreis): Vorlauf: 30–55°C, je nach System.
Auswirkung auf den Wärmetauscher:
Bei niedrigen Lufttemperaturen muss der Wärmetauscher grösser dimensioniert werden, um genügend Wärme zu gewinnen und Effizienzverluste auszugleichen. Höhere Lufttemperaturen erhöhen beim Heizen die Effizienz (COP) und entlasten den Wärmetauscher.
Mit Polysun lassen sich Eintrittstemperaturen und ihre Auswirkungen auf den Luft-Wasser-Wärmetauscher simulieren und optimieren. Polysun verwendet standortspezifische Wetterdaten und simuliert die Lufttemperaturen stündlich. So lässt sich die optimale Grösse des Wärmetauschers auf die Wärmeerzeugung abstimmen.
Wie dimensioniere ich den Luftvolumenstrom und den Wasser-Volumenstrom für einen Luft/Wasser-Wärmetauscher bei gegebener Heiz- oder Kühlleistung?
In Polysun ist eine Produktdatenbank mit Luft/Wasser-Wärmetauschern verschiedener Leistungsgrössen integriert. Jeder Katalogeintrag enthält Informationen über den Auslegungsvolumenstrom für Luft und Wasser bei der ausgewählten Leistung des Luft/Wasser-Wärmetauschers. Wenn Sie die Komponente an einen hydraulischen Kreis anschliessen, wird die tatsächliche übertragene Leistung für jeden Zeitschritt berechnet. Anhand der Austrittstemperaturen können Sie erkennen, ob der Luft/Wasser-Wärmetauscher unterdimensioniert ist. In diesem Fall würden die Austrittstemperaturen die gewünschten Temperaturen nicht erreichen. Daraus können Sie Ihre Auslegung weiter optimieren, indem Sie den Volumenstrom des Wassers oder die Leistung des Luftwärmetauschers anpassen.
Welche Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wasser ist sinnvoll für eine Luft-Wasser-Wärmetauscher-Auslegung?
Für Luft/Wasser-Wärmetauscher in Wärmepumpensystemen liegt eine wirtschaftliche zwischen Luft und Wasser typischerweise bei 5 bis 12 K.
Mit Polysun kann die passende Leistung der Luft/Wasser-Wärmetauscher aus einem Produktkatalog ausgewählt werden. Durch die Steuerung des Wasservolumenstroms und die Auswahl der Leistungsgrösse lassen sich die Eintritt- und Austrittstemperaturen im Luft/Wasser-Wärmetauscher auf die Wärmeerzeugung (beispielsweise eine Wärmepumpe) abstimmen.
Wie wirkt sich die Vereisung des Verdampfers auf die Effizienz und wie kann ich das bei der Auslegung berücksichtigen?
Polysun verfügt über eine Produktdatenbank mit herstellerspezifischen Daten von über 5.000 Wärmepumpen (Luft/Wasser, Sole/Wasser und Wasser/Wasser), die gemäss der Prüfnorm EN 255 oder EN 14511 an vordefinierten Stützstellen (z. B. A2/W35) gemessen wurden. Jeder dieser Einträge beinhaltet die Heizleistung und Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Vereisung.
Wie kann ich die Abtauzyklen bei einer Luft-Wärmepumpe mit Wärmetauscher berücksichtigen?
Die Abtauzyklen beeinflussen die Effizienz einer Luft-Wärmepumpe direkt, da während des Abtauens Energie verbraucht wird und die Wärmepumpe in dieser Zeit keine Heizleistung erbringt.
In der Simulationssoftware Polysun werden die Abtauzyklen und ihr Einfluss auf die Effizienz und den Stromverbrauch automatisch berücksichtigt. Die Produktdatenbank enthält herstellerspezifische Daten von über 5.000 Wärmepumpen, die nach der Norm EN 14511 oder EN 255 eingegeben wurden und die elektrische Leistung der Abtauzyklen enthalten.