Anwendungen und Lösungen - Warmwasser
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6 Energiearten zur Wassererwärmung
Die Aufbereitung von Warmwasser erfordert viel Energie. Wasser erfordert im Vergleich zu allen anderen bekannten Stoffen am meisten Energie zur Erhöhung der Temperatur. Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, wieviel Energie erforderlich ist, um die Temperatur von 1 kg des Stoffes um 1 °C zu erhöhen.
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Stoff |
Wärmekapazität [J/(kg·K)] |
|---|---|
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Wasser |
4180 |
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Beton |
880* |
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Luft |
1010 |
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Gips |
1090* |
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Glas |
700* |
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Stahl |
490* |
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* Richtwerte |
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Spezifische Wärmekapazität von Stoffen
Wärme wird durch die Umwandlung von anderen Energiearten gewonnen. Dabei geht keine Energie verloren, sondern es entstehen Wärme und Verluste (Nebenprodukte) (Energieerhaltung, 1. Hauptsatz der Thermodynamik). Folgende Energieformen werden zur Wärmegewinnung eingesetzt:
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Chemische Energie
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Elektrische Energie
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Strahlungsenergie
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Umweltwärme
6.1 Chemische Energie
Verbrennungsprozesse (Oxidation) wandeln die in Stoffen gespeicherte Energie in Wärme und Nebenprodukte um. Dabei kommen verschiedene Energieträger mit spezifischen Brennwerten zum Einsatz.
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Brennstoff |
Brennwert |
|---|---|
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Steinkohle |
8 kWh/kg |
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Erdöl |
10 kWh/l |
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Erdgas |
11 kWh/m3 |
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Flüssiggase Propan/Butan |
14 kWh/kg |
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Holz |
4 kWh/kg |
Brennstoffe und Brennwerte (Durchschnittswerte)
Zu den Nebenprodukten von Verbrennungsprozessen gehören Kohlendioxid CO2 und andere Gase, die in grossen Mengen freigesetzt, die infrarote Wärmestrahlung der Erde in den Weltraum zurückhalten und dadurch eine Temperaturerhöhung der Atmosphäre verursachen (umgangssprachlich als Treibhauseffekt bezeichnet).
6.2 Elektrische Energie
Elektrische Energie kann an einem Heizwiderstand vollständig, d. h. mit einem Wirkungsgrad von 100 %, in Wärmeenergie umgewandelt werden. Dabei handelt es sich jedoch um die Umwandlung von hochwertiger Energie (Elektrizität) in weniger hochwertige Energie (Wärme), da der technische Aufwand zur Erzeugung von elektrischer Energie hoch und der Wirkungsgrad dabei schlecht ist. Viel elektrische Energie ist erforderlich, um 200 Liter Wasser auf 60 °C zu erwärmen.
Vorteile der Wassererwärmung mit elektrischer Energie:
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Geringer Platzbedarf der Heizelemente
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Transportierbarkeit, Regelbarkeit und Verfügbarkeit der elektrischen Energie
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Keine Rückstände und Abgase
6.3 Strahlungsenergie
Die Sonnenstrahlung kann zur gezielten Erzeugung von Wärme (Solarthermie) oder von Elektrizität (Photovoltaik) genutzt werden. Die Umwandlung von Strahlung in Wärme erfolgt durch die Absorbierung der Strahlung in Stoffen. In thermischen Solaranlagen wird die Sonnenstrahlung mithilfe von Sonnenkollektoren in Wärme umgesetzt. Dabei können hohe Wirkungsgrade erreicht werden. Die Verluste in Sonnenkollektoren setzen sich zusammen aus Lichtreflexion, Wärmeabstrahlung, Konvektion und Wärmeleitung und nehmen mit der Temperatur der bestrahlten Stoffe zu.
Die Sonnenstrahlung steht unbegrenzt zur Verfügung. Die Solarkonstante, also die mittlere Bestrahlung der Erde beträgt 1361 Watt/m2. Der mittlere Jahreswärmeertrag im Schweizer Mittelland beträgt 350 bis 700 kWh/m2. Eine Anlage mit Sonnenkollektoren kann bis zu 70 % des jährlichen Energiebedarfs für die Warmwasseraufbereitung decken (Quelle: suissetec Fachbuch Warmwasseraufbereitung).
Die Nachteile von Sonnenkollektoren sind die von der Tageszeit und der Witterung abhängige Verfügbarkeit und Intensität der Sonnenstrahlung. Die Bildung von Wasserdampf bei hohen Strahlungswerten ist bei der Auslegung der Sonnenkollektoren zu berücksichtigen. Das in Sonnenkollektoren vorhandene Wasser ist Betriebswasser. Zur Speicherung der Wärmenergie ist ein (grosser) Betriebswasserspeicher erforderlich, wobei die Wärme mithilfe eines Wärmeübertragers auf die Trinkwasserverteilung übertragen wird.
6.4 Umweltwärme
Jeder Stoff mit einer Temperatur höher als der absolute Nullpunkt von 0 Kelvin oder −273 °C enthält Wärmeenergie. Die Wärmeenergie in der Luft, im Wasser oder im Erdboden kann mit Wärmepumpen und Geothermie-Anlagen zur Gewinnung von Wärme für die Warmwasseraufbereitung genutzt werden. Heisse Thermalquellen werden direkt zur Versorgung von Bädern genutzt oder Wärmepumpen werden eingesetzt, die dem heissen Quellwasser Wärme zum Heizen von Räumen entziehen, wobei gleichzeitig die Reduktion auf eine zum Baden geeignete Wassertemperatur erreicht wird; sogenannte Kaskadennutzung mit stufenweise abnehmender Wassertemperatur (Quelle: Geothermie Schweiz). Bei grossen Geothermie-Anlagen kommt die Nutzung der Erdwärme in Tiefen bis zu 3500 Metern zur Erzeugung von Strom mittels Dampfturbinen zum Einsatz.
Umweltwärme gilt als erneuerbare Energie und steht beinahe unbegrenzt zur Verfügung. Die Emission von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) ist im Vergleich zu Anlagen mit fossilen Brennstoffen stark reduziert.
Die Nachteile der Geothermie sind die relativ hohen Anschaffungskosten für private Benutzer im Vergleich zu Gas- oder Ölheizsystemen, die Risiken bei der Bodenerschliessung für grosse Anlagen und das Fehlen von einheitlichen rechtlichen Rahmenbedingungen.