Saisonales Energieeffizienzverhältnis – Wikipedia

Kühlleistung geteilt durch Stromaufnahme, als Standard für HLK-Anlagen

Die Effizienz von Klimaanlagen wird oft von den Saisonale Energieeffizienzquote (SEER) die vom Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute in seiner 2008er Norm AHRI 210/240 definiert wird, Leistungsbewertung von Einzelklimaanlagen und Luftwärmepumpenausrüstung.^[1] Ein ähnlicher Standard ist der European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER).

Die SEER-Bewertung eines Geräts ist die Kühlleistung während einer typischen Kühlsaison geteilt durch die gesamte elektrische Energieaufnahme während desselben Zeitraums. Je höher die SEER-Bewertung des Geräts, desto energieeffizienter ist es. In den USA ist der SEER das Verhältnis der Kühlung in britischen thermischen Einheiten (BTUs) zum Energieverbrauch in Wattstunden. Der Leistungskoeffizient (COP), ein universelleres einheitsloses Maß für die Effizienz, wird im folgenden Abschnitt erörtert.

Beispiel[edit]

Betrachten Sie beispielsweise eine Klimaanlage mit 5000 BTU/h (1465 Watt Kühlleistung) mit einem SEER von 10 BTU/(W·h), die während einer jährlichen Kühlsaison (z. B. 8 Stunden pro Tag für 125 Tage).

Die jährliche Gesamtkälteleistung wäre:

5000 BTU/h × 8 h/Tag × 125 Tage/Jahr = 5.000.000 BTU/Jahr

Bei einem SEER von 10 BTU/(W·h) beträgt der jährliche Stromverbrauch etwa:

5.000.000 BTU/Jahr ÷ 10 BTU/(W·h) = 500.000 Wh/Jahr

Der durchschnittliche Stromverbrauch kann auch einfacher berechnet werden durch:

Durchschnittliche Leistung = (BTU/h) ÷ (SEER) = 5000 ÷ 10 = 500 W = 0,5 kW

Wenn Ihre Stromkosten 0,20 USD/(kW·h) betragen, betragen Ihre Kosten pro Betriebsstunde:

0,5 kW × 0,20/(kW·h) = 0,10 $/h

Verhältnis von SEER zu EER und COP[edit]

Das Energieeffizienzverhältnis (EER) eines bestimmten Kühlgeräts ist das Verhältnis von Ausgang Kühlenergie (in BTUs) zu Eingang elektrische Energie (in Wattstunden) in einem bestimmten Betriebspunkt. EER wird im Allgemeinen anhand einer Außentemperatur von 95 °F (35 °C) und einer Innentemperatur (eigentlich Abluft) von 80 °F (27 °C) und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % berechnet.

Der EER bezieht sich auf den in der Thermodynamik häufig verwendeten Leistungskoeffizienten (COP), mit dem Hauptunterschied, dass der COP eines Kühlgeräts einheitenlos ist, da Zähler und Nenner in denselben Einheiten ausgedrückt werden. Der EER verwendet gemischte Einheiten, hat also keinen unmittelbaren physikalischen Sinn und wird durch Multiplizieren des COP (oder EER) mit dem Umrechnungsfaktor von BTUs in Wattstunden erhalten: EER = 3,41214 × COP (siehe britische thermische Einheit).

Das saisonale Energieeffizienzverhältnis (SEER) ist auch der COP (oder EER), ausgedrückt in BTU/Wattstunde, aber anstatt für eine einzelne Betriebsbedingung bewertet zu werden, repräsentiert es die erwartete Gesamtleistung für ein typisches Jahreswetter an einem bestimmten Ort . Der SEER wird daher mit derselben Innentemperatur berechnet, jedoch über einen Bereich von Außentemperaturen von 65 °F (18 °C) bis 104 °F (40 °C) mit einem bestimmten festgelegten Prozentsatz der Zeit in jedem der 8 Bins, die sich überspannen 5 °F (2,8 °C). Bei dieser Bewertung werden keine unterschiedlichen Klimazonen berücksichtigt, was einen Hinweis darauf geben soll, wie der EER im Verlauf einer Kühlperiode von verschiedenen Außentemperaturen beeinflusst wird.

Typischer EER für Wohn-Zentralkühlgeräte = 0,875 × SEER. SEER ist bei gleicher Ausrüstung ein höherer Wert als EER.^[1]

Eine detailliertere Methode zum Umwandeln von SEER in EER verwendet diese Formel:

EER = −0,02 × SEER² + 1,12 × SEER^[2] Beachten Sie, dass diese Methode nur für die Benchmark-Modellierung verwendet wird und nicht für alle Klimabedingungen geeignet ist.^[2]

Ein SEER von 13 entspricht ungefähr einem EER von 11 und einem COP von 3,2, was bedeutet, dass 3,2 Wärmeeinheiten pro Einheit Energie, die für den Betrieb der Klimaanlage verwendet wird, aus dem Innenraum abgeführt werden.

Theoretisches Maximum[edit]

SEER und EER einer Klimaanlage werden durch die Gesetze der Thermodynamik begrenzt. Der Kälteprozess mit maximal möglicher Effizienz ist der Carnot-Kreis. Der COP einer Klimaanlage mit dem Carnot-Zyklus beträgt:

CÖPCeinRnÖT=TCTh−TC{displaystyle COP_{Carnot}={frac {T_{C}}{T_{H}-T_{C}}}}

wo

TC{displaystyle T_{C}}

ist die Innentemperatur und

Th{displaystyle T_{H}}

ist die Außentemperatur. Beide Temperaturen müssen mit einer thermodynamischen Temperaturskala gemessen werden, die auf dem absoluten Nullpunkt wie Kelvin oder Rankine basiert. Der EER wird berechnet, indem der COP wie oben beschrieben mit 3,412 BTU/W⋅h multipliziert wird:

EERCeinRnÖT=3.412TCTh−TC{displaystyle EER_{Carnot}=3.412{frac {T_{C}}{T_{H}-T_{C}}}}

Unter der Annahme einer Außentemperatur von 35 °C (95 °F) und einer Innentemperatur von 27 °C (80 °F) ergibt die obige Gleichung (bei Umrechnung der Temperaturen auf die Kelvin- oder Rankine-Skala) einen COP von 36 oder an EER von 120. Dies ist etwa 10 Mal effizienter als eine typische, heute erhältliche Klimaanlage für zu Hause.

Der maximale EER nimmt mit zunehmender Differenz zwischen Innen- und Außenlufttemperatur ab und umgekehrt. In einem Wüstenklima mit einer Außentemperatur von 120 °F (49 °C) sinkt der maximale COP auf 13 oder einen EER von 46 (bei einer Innentemperatur von 80 °F (27 °C)).

Der maximale SEER kann berechnet werden, indem der maximale EER über den Bereich der erwarteten Temperaturen für die Saison gemittelt wird.

SEER-Standards der US-Regierung[edit]

Die SEER-Bewertung spiegelt die Gesamtsystemeffizienz auf saisonaler Basis wider und EER spiegelt die Energieeffizienz des Systems unter einem bestimmten Betriebszustand wider. Beide Bewertungen sind bei der Produktauswahl hilfreich, für Vergleiche muss jedoch dieselbe Bewertung verwendet werden.

Durch effizientere Systeme lassen sich erhebliche Energieeinsparungen erzielen. Durch Upgrade von SEER 9 auf SEER 13 wird beispielsweise der Stromverbrauch um 30 % reduziert (entspricht 1 − 9/13).

Bei bestehenden Einheiten, die noch funktionsfähig und gut gewartet sind, kann es unter Berücksichtigung des Zeitwerts des Geldes am kostengünstigsten sein, bestehende Einheiten zu behalten, anstatt sie proaktiv zu ersetzen. Allerdings kann sich die Effizienz von Klimaanlagen im Laufe der Zeit erheblich verschlechtern.^[3]

Aber wenn Sie Geräte ersetzen oder neue Installationen spezifizieren, steht eine Vielzahl von SEERs zur Verfügung. Für die meisten Anwendungen sind die minimalen oder nahezu minimalen SEER-Einheiten am kosteneffektivsten, aber je länger die Kühlperioden, desto höher die Stromkosten, und je länger die Käufer die Systeme besitzen, desto mehr sind inkrementell höhere SEER-Einheiten gerechtfertigt. Wohn-Split-System-AC-Einheiten mit SEER 20 oder mehr sind jetzt erhältlich. Die höheren SEER-Einheiten haben typischerweise größere Spulen und mehrere Kompressoren, wobei einige auch einen variablen Kältemittelfluss und einen variablen Zuluftfluss haben.

1992[edit]

1987 wurde ein Gesetz verabschiedet, das 1992 in Kraft trat und eine SEER-Mindestbewertung von 10 vorsah.^[4] Es ist selten, dass Systeme in den Vereinigten Staaten unter SEER 9 eingestuft werden, da alternde, vorhandene Einheiten durch neue, effizientere Einheiten ersetzt werden.

2006[edit]

Ab Januar 2006 war mindestens ein SEER 13 erforderlich.^[5] Die Vereinigten Staaten verlangen, dass nach 2005 hergestellte Wohnsysteme einen SEER-Wert von mindestens 13 aufweisen. ENERGY STAR-zertifizierte zentrale Klimaanlagen müssen einen SEER-Wert von mindestens 14,5 aufweisen. Fenstereinheiten sind von diesem Gesetz ausgenommen, daher liegen ihre SEER immer noch bei etwa 10.

2015[edit]

Im Jahr 2011 überarbeitete das US-Energieministerium (DOE) die Energiesparregeln, um erhöhte Mindeststandards und regionale Standards für HLK-Systeme in Wohngebäuden festzulegen.^[6] Der regionale Ansatz berücksichtigt die Unterschiede in der Kostenoptimierung, die sich aus regionalen Klimaunterschieden ergeben. Zum Beispiel bringt eine Klimaanlage mit sehr hohem SEER in Maine, einem Bundesstaat im Nordosten der USA, kaum Kostenvorteile.

Ab dem 1. Januar 2015 müssen zentrale Klimaanlagen mit Split-System, die in der südöstlichen Region der Vereinigten Staaten von Amerika installiert sind, mindestens 14 SEER aufweisen. Die südöstliche Region umfasst Alabama, Arkansas, Delaware, Florida, Georgia, Hawaii, Kentucky, Louisiana, Maryland, Mississippi, North Carolina, Oklahoma, South Carolina, Tennessee, Texas und Virginia. In ähnlicher Weise müssen zentrale Klimaanlagen mit Split-System, die in der Region Southwestern installiert sind, ab dem 1. Januar 2015 mindestens 14 SEER und 12,2 EER aufweisen. Die Region Southwestern besteht aus Arizona, Kalifornien, Nevada und New Mexico. In allen anderen Bundesstaaten außerhalb der südöstlichen und südwestlichen Regionen installierte zentrale Klimaanlagen mit Split-System müssen weiterhin mindestens 13 SEER aufweisen, was der aktuellen nationalen Anforderung entspricht.^[6]

In den letzten 10 Jahren gab es viele neue Fortschritte bei der effizienten Technologie, die es Herstellern ermöglicht haben, ihre SEER-Bewertungen drastisch zu erhöhen, um über den vom US-Energieministerium festgelegten Mindestanforderungen zu bleiben.^{[citation needed]}

Berechnung der jährlichen Stromkosten für eine Klimaanlage[edit]

Elektrische Leistung wird normalerweise in Kilowatt (kW) gemessen. Elektrische Energie wird normalerweise in Kilowattstunden (kW·h) gemessen. Wenn beispielsweise eine elektrische Last, die 1,5 kW elektrische Leistung aufnimmt, 8 Stunden lang betrieben wird, verbraucht sie 12 kW·h elektrische Energie. In den Vereinigten Staaten wird ein privater Stromkunde nach der Menge der verbrauchten elektrischen Energie berechnet. Auf der Kundenrechnung gibt der Stromversorger die Menge an elektrischer Energie in Kilowattstunden (kWh) an, die der Kunde seit der letzten Rechnung verbraucht hat, und die Energiekosten pro Kilowattstunde (kWh).

Klimaanlagengrößen werden oft als „Tonnen“ Kühlleistung angegeben, wobei 1 Tonne Kühlleistung 12.000 BTU/h (3,5 kW) entspricht. 1 Tonne Kühlung entspricht der Energiemenge, die über einen Zeitraum von 24 Stunden kontinuierlich zugeführt werden muss, um 1 Tonne Eis zu schmelzen.

Die jährlichen Kosten für den Stromverbrauch einer Klimaanlage können wie folgt berechnet werden:

(Kosten, $/Jahr) = (Einheitsgröße, BTU/h) × (Stunden pro Jahr, h) × (Energiekosten, $/kW·h) ÷ (SEER, BTU/W·h) (1000, W/kW)

Beispiel 1:

Eine Klimaanlage mit einer Leistung von 72.000 BTU/h (21 kW) (6 Tonnen) und einem SEER-Wert von 10 arbeitet 1000 Stunden pro Jahr bei Stromkosten von 0,12 USD pro Kilowattstunde (kWh). Wie hoch sind die jährlichen Kosten der verbrauchten elektrischen Energie?

(72.000 BTU/h) × (1000 h/Jahr) × (0,12 $/kW·h) ÷ (10 BTU/W·h) ÷ (1000 W/kW) = $860/Jahr

Beispiel 2.

Ein Wohnhaus in der Nähe von Chicago verfügt über eine Klimaanlage mit einer Kühlkapazität von 4 Tonnen und einer SEER-Bewertung von 10. Das Gerät wird 120 Tage im Jahr 8 Stunden pro Tag (960 Stunden pro Jahr) betrieben und die Stromkosten betragen 0,10 USD pro Kilowattstunde. Wie hoch sind die jährlichen Betriebskosten in Bezug auf elektrische Energie? Zuerst rechnen wir Tonnen Kühlung in BTU/h um:

(4 Tonnen) × (12.000 (BTU/h)/Tonne) = 48.000 BTU/h.

Die jährlichen Kosten für die elektrische Energie betragen:

(48.000 BTU/h) × (960 h/Jahr) × (0,10 $/kW·h) ÷ (10 BTU/W·h) ÷ (1000 W/kW) = $460/Jahr

Maximale SEER-Bewertungen[edit]

Heute sind Mini-Split-Klimageräte (kanallos) mit SEER-Einstufungen bis zu 42 erhältlich.^[7][8] Während der AHR Expo 2014 stellte Mitsubishi ein neues kanalloses Mini-Split-AC-Gerät mit einer SEER-Bewertung von 30,5 vor.^[9]GREE hat auch 2015 einen Minisplit mit 30,5 SEER-Rating veröffentlicht.^[10]Carrier hat während der Consumer Electronic Show (CES) 2018 in Las Vegas eine kanallose 42 SEER-Klimaanlage auf den Markt gebracht.^[11] Herkömmliche AC-Systeme mit Kanälen haben maximale SEER-Werte etwas unter diesen Werten. In der Praxis haben zentrale Systeme aufgrund der kanalbedingten Verluste einen erreichten Energieeffizienzfaktor von 10–20 % unter der Nennleistung auf dem Typenschild.

Darüber hinaus gibt es geerdete Wohn-AC-Einheiten mit SEER-Einstufungen von bis zu 75.^[12] Der effektive Wirkungsgrad einer Erdwärmepumpe hängt jedoch von der Temperatur des verwendeten Erdreichs oder der verwendeten Wasserquelle ab. Heiße Klimazonen haben eine viel höhere Grund- oder Oberflächenwassertemperatur als kalte Klimazonen und können daher solche Wirkungsgrade nicht erreichen. Darüber hinaus ermöglicht das ARI-Bewertungsschema für Erdwärmepumpen, die erforderliche Pumpenleistung in ihren Bewertungen weitgehend zu ignorieren, wodurch die erreichbaren SEER-Werte oft praktisch niedriger sind als bei den Luftquellengeräten mit dem höchsten Wirkungsgrad – insbesondere bei der Luftkühlung. Es gibt eine Vielzahl von Technologien, die es ermöglichen werden, die SEER- und EER-Bewertungen in naher Zukunft weiter zu erhöhen.^[13] Einige dieser Technologien umfassen Rotationskompressoren, Wechselrichter, bürstenlose Gleichstrommotoren, drehzahlgeregelte Antriebe und integrierte Systeme.^[13]

Wärmepumpen[edit]

Ein Kältekreislauf kann als Wärmepumpe betrieben werden, um Wärme von außen in ein wärmeres Haus zu transportieren. Eine Wärmepumpe mit einer höheren SEER-Bewertung für den Kühlmodus wäre normalerweise auch im Heizmodus effizienter, bewertet mit HSPF. Im Heizbetrieb ist eine Wärmepumpe in der Regel effizienter als eine elektrische Widerstandsheizung. Dies liegt daran, dass ein Raumheizgerät nur die zugeführte elektrische Energie direkt in abgegebene Wärmeenergie umwandeln kann, während eine Wärmepumpe auch Wärme von außen überträgt. Im Heizbetrieb ist die Leistungszahl das Verhältnis der abgegebenen Wärme zu der vom Gerät verbrauchten Energie. Ein idealer Widerstandsheizer, der 100 % seiner zugeführten Elektrizität in abgegebene Wärme umwandelt, hätte COP = 1, was einem EER von 3,4 entspricht. Die Wärmepumpe wird weniger effizient, wenn die Außentemperatur sinkt, und ihre Leistung kann mit einer Widerstandsheizung vergleichbar werden. Bei einer Wärmepumpe mit der minimalen Kühleffizienz von 13 SEER liegt diese typischerweise unter −10 °F (−23 °C).^[14]

Niedrigere Temperaturen können dazu führen, dass eine Wärmepumpe unter der Effizienz einer Widerstandsheizung arbeitet, daher enthalten herkömmliche Wärmepumpen oft Heizschlangen oder eine Zusatzheizung von LP oder Erdgas, um einen Betrieb des Kältekreislaufs mit niedrigem Wirkungsgrad zu verhindern. „Kaltes Klima“-Wärmepumpen sind darauf ausgelegt, den Wirkungsgrad unter 0 °F (−18 °C) zu optimieren. Bei kaltem Klima sind Wasser- oder Erdwärmepumpen die effizienteste Lösung. Sie nutzen die relativ konstante Temperatur des Grundwassers oder des Wassers in einer großen erdverlegten Schleife, um die Temperaturunterschiede im Sommer und Winter zu mildern und die Leistung das ganze Jahr über zu verbessern. Der Wärmepumpenkreislauf wird im Sommer umgekehrt, um als Klimaanlage zu fungieren.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

Externe Links[edit]