Energieanwendungstechnik (eBook)

Dr.-Ing.habil. Manfred Rudolph, geboren 1946 in München, studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität München und am King’s College der Universität London. Nach vierjähriger wissenschaftlicher Tätigkeit an der Forschungsstelle für Energiewirtschaft in München ist er seit 1975 am Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der Technischen Universität München. Promotion 1980 an der TU München zum Dr.-Ing. mit einer Arbeit über die Höchstlastüberwachung beim Bezug elektrischer Energie. Habilitation 1994 für das Fachgebiet Elektrothermie an der TU München. Weitere Schwerpunkte seiner Arbeit in Lehre und Forschung liegen auf den verschiedenen Feldern der Energieanwendungstechnik, sowie der Kraft-Wärme-Kopplung.   Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner, geboren 1955 in Passau, studierte Elektrotechnik an der Universidad des los Andes in Bogotá und an der Technischen Universität München. Er promovierte 1987 an der TU München zum Dr.-Ing. mit einer Arbeit über die Energieausbeute von Traktionsbatterien. Im gleichen Jahr übernahm er die Geschäftsleitung der Forschungsstelle für Energiewirtschaft. Seit 1995 ist er Inhaber des Lehrstuhls für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der Technischen Universität München, zugleich Mitglied des Vorstandes und Wissenschaftlicher Leiter der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. München. Schwerpunkte seiner Arbeit in Lehre und Forschung liegen auf den Gebieten der rationellen Energienutzung, erneuerbarer Energiesysteme und der ganzheitlichen Lebenszyklusbewertung energietechnischer Prozesse.

Vorwort 5
Inhalt 6
1 Einführung und Grundbegriffe 11
1.1 Energietechnik in der Menschheitsgeschichte 11
1.2 Terminologie der Energieanwendung 13
1.3 Energieverbrauch in der Volkswirtschaft 17
1.4 Rationelle Energieverwendung 21
1.5 Ganzheitliche Bewertung von Systemen 26
2 Deckung von Prozesswärmebedarf 29
2.1 Struktur und Bedeutung der Prozesswärme in der Industrie 29
2.2 Industrielle Wärmeprozesse und Verfahren 35
2.3 Betriebsverhalten wärmetechnischer Anlagen 41
2.4 Energetische Analyse von Betriebszeiträumen 66
3 Raumheizung und Klimatisierung 74
3.1 Bedeutung und Struktur der Raumwärme 74
3.2 Thermische Behaglichkeit 77
3.3 Wärmebedarf und Energiehaushalt von Gebäuden 81
3.4 Energieeinsparverordnung 94
3.5 Heizungsanlagen 96
3.6 Raumlufttechnische Systeme, Klimatisierung 118
4 Beleuchtung 133
4.1 Lichttechnische Grundlagen 133
4.2 Lampen 138
4.3 Anforderungen an die Beleuchtung 147
5 Stationäre Antriebe 152
5.1 Stationärer Kraftbedarf 152
5.2 Fördern von Fluiden 152
5.3 Zusammenwirken von Arbeitsmaschine und Antriebssystem 176
5.4 Elektrische Antriebssysteme 184
6 Energieanwendung im Verkehr (Transportwesen) 237
6.1 Verkehrsaufkommen und Energieverbrauch 237
6.2 Physik der Fortbewegung 241
6.3 Technik der Antriebe 249
6.4 Vergleich verschiedener Verkehrssysteme 283
7 Gewinnen und Verarbeiten von Daten 296
7.1 Datenerfassung 297
7.2 Datengliederung, -verarbeitung und -auswertung 307
7.3 Anwendung für die energietechnische und -wirtschaftliche Praxis 326
Anhang: Übungsaufgaben 339
1 Stationäre Betriebskennlinien (zu Kap. 2) 1.1 339
2 Instationäre Betriebskennlinien (zu Kap. 2) 344
3 Heizwärmebedarf von Gebäuden (zu Kap. 3) 349
4 Luft-Wasser-Wärmepumpe (zu Kap. 3) 358
5 Klimaanlage (zu Kap. 3) 364
6 Berechnung einer Beleuchtungsanlage (zu Kap. 4) 370
7 Betriebsverhalten einer Pumpe (zu Kap. 5) 373
8 Analyse eines Drehstrom-Asynchronmotors (zu Kap. 5) 380
9 Energetisches Betriebsverhalten eines PKW (zu Kap. 6) 392
10 Analyse einer Zeitreihe (zu Kap. 7) 400
11 Mittelwertbildung von Beziehungsgrößen (zu Kap. 7) 405
12 Analyse einer Stichprobe (zu Kap. 7) 406
Literatur 412
Sachverzeichnis 415

"7.1 Datenerfassung (S. 292-294)

7.1.1 Messkonzept

Ziel und Aufgabe einer Messung ist die Erfassung einer oder mehrerer Messgrößen. Als Messgröße wird die physikalische Größe bezeichnet, die durch eine Messung erfasst werden soll (die zu messende Größe) bzw. erfasst wird (die gemessene Größe). Die beiden sind nicht notwendigerweise identisch. Bei jeder Messaufgabe ist primär die Frage zu stellen, durch welche Messgröße das Messobjekt (das ist der zu beobachtende Vorgang bzw. der zu erfassende Zustand) hinsichtlich der gewünschten Information am besten charakterisiert wird.

7.1.1.1 Messgröße

Zu den Messgrößen, die in der Energietechnik häufig gebraucht werden, gehören:

• als elektrische Messgrößen: Spannung, Strom, Wirkleistung und Wirkarbeit,

• als nichtelektrische Messgrößen: Mengenströme von Fluiden wie Wasser, Dampf, Luft usw., Konzentration von Gaskomponenten, Temperatur, Druck und Feuchte.

Im Hinblick auf die Zeitabhängigkeit von Messgrößen unterscheidet man:

• Momentangrößen, die jeweils für einen Zeitpunkt definiert sind,

• Wechselgrößen, die sich periodisch wiederholen und z.B. durch Scheitelwert und Effektivwert gekennzeichnet sind,

• Integralgrößen, die als Summe bzw. Integral über eine Zeitspanne definiert sind. Wichtige integrale Messgrößen sind mechanische und elektrische Arbeit sowie durchgesetzte Stoffmengen. Aus solchen Messgrößen lassen sich Informationen über Momentanzustände nur näherungsweise durch Bildung hinreichend kurzzeitiger Mittelwerte erlangen.

Damit eine Messung den gestellten Anforderungen gerecht wird, muss bei der Wahl der Messgröße auf folgende Punkte geachtet werden:

1. Der Messwert muss ein repräsentatives und getreues Abbild der zu messenden Größe im Sinne der gestellten Messaufgabe liefern. Zum einen muss hierfür die Rückwirkung der Messeinrichtung auf die Messgröße so gering sein, dass ihr verfälschender Einfluss vernachlässigt bzw. toleriert werden kann. Ferner gehört dazu, dass Messort und Messzeiten zweckentsprechend gewählt werden. Schließlich ist auch das energetische Verhalten der Anlage zu beachten, an der gemessen wird.

2. Zwischen der Messgröße und der angestrebten quantitativen Aussage, die das Ziel der Messaufgabe darstellt, muss ein eindeutiger reproduzierbarer Zusammenhang bestehen, und dieser muss genügend genau bekannt sein.

7.1.1.2 Messprinzip und Messmethode

Bei der Messung werden in aller Regel charakteristische physikalische Phänomene benutzt, die man als Messprinzip bezeichnet. Je nach der zu erfassenden Messgröße kommen unterschiedliche Messprinzipien in Frage, z.B. im Falle der Messung eines elektrischen Stromes:

• die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf stromdurchflossene Leiter,

• die Kraftwirkung zwischen magnetisierten Körpern, oder

• die Erzeugung JOULEscher Wärme

Man unterscheidet ferner zwischen direkten und indirekten Messmethoden, abhängig davon, ob das Ergebnis der zu messenden Größe durch Vergleich mit einem Bezugswert derselben physikalischen Größe oder auf dem Umweg über physikalisch andersartige Größen gewonnen wird.

Zu den direkten Messmethoden zählen zum einen die verschiedenen Vergleichs- und Abgleichverfahren (z.B. zur Messung elektrischer Widerstände), zum anderen aber auch diejenigen Verfahren, bei welchen das Messergebnis unmittelbar angezeigt wird, ohne dass eine zusätzliche Umrechnung erforderlich wäre (z.B Temperaturmessung über ein Ausdehnungsthermometer, Strommessung über ein Drehspulmessgerät). Bei solchen „direktanzeigenden"" Messverfahren ist der Vergleich mit dem Normal der Messgröße in der Skala enthalten. Diese stellt den durch Kalibrierung gegebenen Zusammenhang zur Bezugsgröße her."