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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
Zunahme des Stromverbrauchs von Haushaltskältegeräten durch
Alterung
Prof. Dr.-Ing. habil. Jadran VrabecTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK ThEt
Universität PaderbornFakultät für MaschinenbauLehrstuhl Thermodynamik und Energietechnik
Andreas Elsner, Andreas Paul, Michael Müller, Jadran Vrabec
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
Einleitung
Labor zur Untersuchungen vonHaushalts-Kühl- und Gefriergeräten
2
• seit 1982
• Leistungs- und Performance-Messungen
• Kühlgerätehersteller / Verbraucherorganisationen
• Normmessungen / Berücksichtigung des Verbrauchers
• DKE-Normungsgremiums GUK 513.6
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Einleitung
• 1994: vergleichende Untersuchung R134a / R600a
• Geräte blieben am Lehrstuhl
• Zwischenmessung 1997
• 2012 doppelte Studienarbeit:
Anstieg der Energieaufnahme
Historie der Messtechnik/Fehlerbetrachtung
3
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Einleitung
Das Energielabel• 1994 eingeführt (EU Richtlinie 94/2/EG)
• mehrmals angepasst (Aktuell: Verordnung 1060/2010)
• Klassifizierung von Elektrogeräten nachjährlichen Energieverbrauch
• Gerätespezifische Informationen
• Ermittlung der Leistung mittels • Normenergieverbrauchmessung
• Gerätetest im Neuzustand
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Grundlagen
Einflussfaktoren → Alterung
• Alterung der Isolierung
• Kondensatorverschmutzung
• Alterung der Türdichtung
• Alterung des Kompressors
• Menge/Zusammensetzung des Kältemittels
• weitere
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Grundlagen
Einflussfaktoren → Alterung• Alterung der Isolierung
WILKES et al. [1997 - 2003] :Wärmeleitfähigkeit steigt an (nach 2 bzw. 4 Jahren): Kühlschrank: um 15 % bzw. 21 % Gefriergerät: um 12 % bzw. 16 %
JOHNSON [2004]:numerisches Modell / Kühlgerät: Energieaufnahme kann nach 3 Jahren um 8 % und nach 15
bis 18 Jahren um ca. 20 % ansteigen.
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Grundlagen
Einflussfaktoren → Alterung• Kondensatorverschmutzung
LITT et al. [1993]:Untersuchung von 16 Jahre alten Geräten Einfluss auf die Energieaufnahme relativ gering ist
HEINEN [2012]:neues Gerät mit künstlich verschmutztem KondensatorEnergieverbrauchszunahme weniger als 1 %
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Grundlagen
Einflussfaktoren → Alterung• Alterung der Türdichtung
LITT et al. [1993]:24 verschiedene Geräte, 16 Jahre altAlte Türdichtungen wurden durch neue ersetztStromverbrauch vorher und nachher kein Einfluss festgestellt
AFONSO et al. [2010]:Luftaustauschrate zwischen Innenraum und UmgebungKühl-GefrierkombinationAustausch neue gegen gealterte Dichtungen Anstieg der Luftaustauschrate
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Grundlagen
Einflussfaktoren → Alterung• Alterung des Kompressors
CIANTAR et al. [1999 - 2004]:Verschleiß von Hermetik-Kompressorenverschiedene Einflussfaktoren (Reibung, Öl, Kältemittel)
GARLAND et al. [2005]:Tribologische Untersuchungen / Dauerprüfungen / R600a / R134aHochrechnung auf Nutzungsdauer von 15 JahrenAnstieg der Energieaufnahme ca. 30 – 40 %
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Grundlagen
Einflussfaktoren → Alterung• Menge/Zusammensetzung des Kältemittels
keine Studien gefunden
Vermutungen:
→ Hermetisches System → Kältmittelmenge sollte konstant bleiben
→ Zusammensetzung bleibt erhalten, evtl. Abriebteilchen
Aber:Mikrobeschädigungen möglich schleichender Kältemittelverlust
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Grundlagen
Einflussfaktoren → Alterung• weitere Einflussgrößen
Beschädigungen
Konstruktive Schwachstellen
Verarbeitungsqualität
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DurchführungDie untersuchten Geräte
K1 K2 G1 G2 G3Produktions-
jahr 1994 1995 1994 1994 1994
Gerätetyp
Kühlgeräte mit 3-Sternefach; baugleich bis
auf Kältemittel und Kompressor
Gefriergeräte; baugleich bis auf Kältemittel und
KompressorGefriergerät
Kältemittel R134a R600a R134a R600aR290/R600a (50:50)
Treibmittel Pentan Pentan Pentan Pentan Pentan
Wandstärke 30 mm 70 – 74 mm 61 mm
Gerätehöhe 85 cm 85 cm 113 cm 113 cm 85 cm
Nutzinhalt 137 Liter 137 Liter 125 Liter 125 Liter 91 Liter
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
DurchführungNutzung der Geräte
13
EIN
AUS
EIN
AUS
1994 1997 2000 2010 2012
1994 1997 2000 2010 2012
Kühlgeräte
Gefriergeräte
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
DurchführungNutzung der Geräte
14
EIN
AUS
EIN
AUS
1994 1997 2000 2010 2012
1994 1997 2000 2010 2012
Kühlgeräte
Gefriergeräte
16 Jahre (effektiv)
14 Jahre (effektiv)
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Durchführung
Ermittlung der Energieaufnahme• nach DIN EN ISO 15502 bzw. Vorgängernormen• Messungen unabhängig von Klimaklasse bei 16 °C / 25 °C / 32 °C• Kühlschrank leer, 3
Messstellen
• Gefrierfächer beladen, Testpakete + Einschübe
• Netzspannung einheitlich 230 V
• alle Messungen im gleichen Prüfraum
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Durchführung
Ermittlung der Energieaufnahme• Interpolation der Energieaufnahme Zieltemperatur:
Kühlfächer +5 °C Mittelwert aus T1, T2, T3
Gefrierfächer -18 °C wärmste Messstelle
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
Durchführung
Ermittlung der Energieaufnahme• Interpolation des Energieverbrauchs auf Zieltemperatur +5 °C bzw. -18 CBeispiel: Einfacher Kühlschrank
Zwei Messungen:
1. Messung: Tm > +5 °C
2. Messung: Tm < +5 °CInterpolation auf +5 °C
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DurchführungFehlerbetrachtungTemperatur- und Energiemesstechnik im Laufe der Jahre erneuert
• Temperaturmessfehler (1994/97: ± 0,3 K / 2012: ± 0,1 K)
• Energiemessfehler (1994/97: ± 1 % / 2012: ± 0,5 %)
• Folgefehler aus Interpolation der Energieaufnahme (± 1 % ~ ± 2 %)
• Einfluss des Personals (Wiederholbarkeit)
Positionierung der Temperaturmessstellen (Kühlfächer)
Testpakete-Beladung / M-Pakete (Gefrierfächer)
1994/97: ± 0,4 K ~ ± 0,8 K / 2012: ± 0,4 K ~ ± 0,6 K
• Testpakete: regelmäßige Kontrolle und Pflege
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Durchführung
Fehlerbetrachtung
1994: ±6 % v.M. ~ ±10 % v.M.
1997: ±7 % v.M. ~ ±10 % v.M.
2012: ±4 % v.M. ~ ± 6% v.M.
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Interpolierte Energieaufnahme:Individueller Messfehler der einzelnen Prüflinge
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
ErgebnisseErgebnisse der Energie-aufnahme-messungen
20
1994 1997 2012200
300
400
500
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ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahme-messungen 1994 1997 2012
0
100
200
300
400
500
600
700
1994 1997 20120
100
200
300
400
500
600
700
1994 1997 20120
100
200
300
400
500
600
700
UT = 16 °C
Ene
rgie
aufn
ahm
e [k
Wh/
Jahr
]
G3 G1 K1 G2 K2
UT = 32 °C
UT = 25 °C
Ene
rgie
aufn
ahm
e [k
Wh/
Jahr
]E
nerg
ieau
fnah
me
[kW
h/Ja
hr]
Jahre 21
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ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahmemessungen
UT
Zeitpunkt der
Messung
K1 K2 G1 G2 G3
kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
%
16 °C
94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -
1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30
2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41
25 °C
94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -
1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23
2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33
32 °C
94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -
1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32
2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32
22
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahmemessungen
UT
Zeitpunkt der
Messung
K1 K2 G1 G2 G3
kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
%
16 °C
94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -
1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30
2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41
25 °C
94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -
1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23
2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33
32 °C
94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -
1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32
2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32
23
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahmemessungen
UT
Zeitpunkt der
Messung
K1 K2 G1 G2 G3
kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
%
16 °C
94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -
1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30
2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41
25 °C
94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -
1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23
2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33
32 °C
94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -
1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32
2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32
24
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahmemessungen
UT
Zeitpunkt der
Messung
K1 K2 G1 G2 G3
kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
%
16 °C
94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -
1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30
2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41
25 °C
94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -
1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23
2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33
32 °C
94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -
1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32
2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32
25
R600a
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
ErgebnisseErgebnisse der Energieaufnahmemessungen
UT
Zeitpunkt der
Messung
K1 K2 G1 G2 G3
kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
% kWh/Jahr
%
16 °C
94/95 171 - 182 - 224 - 228 - 252 -
1997 193 +13 - - 270 +21 256 +12 328 +30
2012 210 +23 207 +14 301 +35 299 +31 355 +41
25 °C
94/95 271 - 266 - 347 - 310 - 369 -
1997 332 +23 - - 386 +11 348 +12 453 +23
2012 358 +32 338 +27 427 +23 400 +29 489 +33
32 °C
94/95 445 - 420 - 465 - 397 - 488 -
1997 525 +18 - - 500 +7 458 +15 644 +32
2012 574 +29 523 +25 595 +28 518 +31 646 +32
26
R600a
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Universität Paderborn, Andreas ElsnerJahrestagung in Hannover2013
Ergebnisse
Schaumalterung
27
• CO2 diffundiert aus Schaum
• wird ersetzt durch Luft + Wasserdampf
• Pentan bleibt
• Metall diffusionsdicht
• Polystyrol nicht dicht
• Nicht verkleideter SchaumDiffusionsrate am größten
Metall PSSchaum
CO2
Luft
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DiskussionVergleich mit Studie zur Schaumalterung
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Wärmeleitfähigkeit steigt an: nach 2 Jahren 2 % bis 20 %
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Diskussion
Zeit (Jahre)
Rel.
Ans
tieg
der
Ener
giea
ufna
hme
(%)
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Diskussion
Zeit (Jahre)
Rel.
Ans
tieg
der
Ener
giea
ufna
hme
(%)
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Kühlschrank K1
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Diskussion
Zeit (Jahre)
Rel.
Ans
tieg
der
Ener
giea
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hme
(%)
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Gefrierschrank G3
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Diskussion
Zeit (Jahre)
Rel.
Ans
tieg
der
Ener
giea
ufna
hme
(%)
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Diskussion
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JahrK1 K2 G1 G2 G3
EEI EEK EEI EEK EEI EEK EEI EEK EEI EEK
1994/95 79,3 C 78,1 C 84,0 C 75,1 C 97,4 D
2012 104,9 E 99,0 D 103,4 E 96,9 D 129,2 G
Abstieg 2 Klassen 1 Klasse 2 Klassen 1 Klasse 3 Klassen
Energieeffizienz nach Richtlinie 94/2/EWG
(EEI = Energieeffizienzindex, EEK = Energieeffizienzklasse)
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DiskussionNutzungskostenabschätzungEntwicklung des Strompreises für deutsche Haushalte(Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie)
Entwicklung des Strompreises für deutsche Haushalte
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DiskussionNutzungskostenabschätzung
Entwicklung des Strompreises für deutsche Haushalte
35
Fall: 1 2 3
GerätAlterung: NEIN NEIN JA
Strompreisänderung: NEIN JA JA
G2Betriebs-
dauer
10 Jahre 502 Euro -3 % 9 %
15 Jahre 753 Euro 5 % 21 %
nur Kosten der kumulierten Kilowattstundenkeine Fixkosten (Grundpreis)
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DiskussionNutzungskostenabschätzung
Entwicklung des Strompreises für deutsche Haushalte
36
1994 2004 20090
200
400
600
800
1000
1200
Ges
amtn
utzu
ngsk
oste
n[E
uro]
Jahre
mit Strompreisanstieg und Alterung mit Strompreisanstieg, aber ohne Alterung mit konstantem Strompreis von 1994
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Zusammenfassung und Ausblick
37
• Alterung der Kühl- und Gefriergeräte
deutliche Zunahme des Stromverbrauchs
nach 3 Jahre > +10 %
nach 18 Jahren +20 % ~ +30 %
• Anstieg der Wärmeleitfähigkeit des Schaums:
in den ersten Jahren wg. Diffusionsprozessen
wichtig: Beschädigungen bzw. Verarbeitungsqualität
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Zusammenfassung und Ausblick
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• weitere Einflussfaktoren
Kompressor und Türdichtung
• Zukünftig
Messmethodik: z.B. keine Testpakete
Bestimmung COP
Reverse-Heat-Leak – Messung (k x A)
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39
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit