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D. Rupp:
"Abwärmenutzung zur Heizung von Schienenfahrzeugen - Energieeffizienz von Direktsoleheizung und Sole-Luft Wärmepumpe";
Betreuer/in(nen): K. Ponweiser, M. Haigis; E302, 2020; Abschlussprüfung: 19.11.2020.

Durch die Anforderung an moderne Schienenfahrzeuge ihre Energieeffizienz stetig zu erhöhen rückt auch die thermische Abwärmenutzung zur Verwendung in Heizungs-, Klima- und Lüftungssystemen immer mehr in den Fokus. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Frage inwiefern die Abwärme eines Schienenfahrzeugantriebs genutzt werden kann, um die Fahrgastkabine zu beheizen.
Zur Einschätzung des Energiesparpotentials durch Abwärmenutzung werden zwei Systeme verglichen. Es wird die direkte Nutzung der Abwärme zur Beheizung dem Betrieb einer Kompressionswärmepumpe über den Zeitraum einer Heizperiode gegenübergestellt. Im Anschluss an eine Analyse der möglichen Systemvarianten wird ein modulares Rechenmodell entwickelt, das eine thermodynamische Bewertung der Systeme ermöglicht. Besonderer Fokus wurde auf die Berechnung der thermischen Verluste durch Konvektion und der Wärmeübertragung am Wärmetauscher gelegt. Die thermodynamische Bewertung der zu vergleichenden Systeme stützt sich dabei auf die Berechnung von Leistungszahlen. Zur Gewichtung der errechneten Leistungszahlen über eine Heizperiode werden verschiedene Zeitdaten verwendet. Es wurden verschiedene Berechnungsmethoden und Programme (Mathcad® und Microsoft Excel®) verwendet und die erhaltenen Ergebnisse miteinander verglichen.
Durch die Ergebnisse der angestellten Berechnungen hat sich gezeigt, dass die direkte Nutzung der Motorabwärme zur Beheizung Fahrgastkabine energetisch sinnvoller ist. Kann ein entsprechend hohes Temperaturniveau der Abwärmequelle nicht gewährleistet werden, ist der Einsatz der einer Wärmepumpe notwendig. Der Einsatz einer Abwärme nutzender Sole-Luft-Wärmepumpe hat dabei gegenüber eine Luft-Luft-Wärmepumpe den Vorteil, dass der Betrieb unabhängig von tiefen Außentemperaturen möglich ist.

The utilization of thermic waste heat in heating-, ventilation- and air conditioning-systems becomes increasingly important due to the high pressure on the current rail vehicle market to increase the products´ energy efficiency. This thesis seeks to explore how thermic waste heat from an engine can be used to heat a rail vehicle´s passenger cabin.
In order to assess the energy saving potential achieved by waste heat utilization two systems will be compared. The first system uses the engines thermic energy directly to heat the cabin while the second system processes this energy in a heat pump for the same purpose. Both systems´ performances are compared over a year´s heat period based on two different time datasets. After an in-depth analysis of the existing heating solutions within a rail vehicle, a modular calculation model is developed to assess systems run by waste heat. The developed model focuses on the heat transfer in all components and can be used to calculate the systems coefficient of performance. The calculations are conducted through Microsoft Excel® and Mathcad® and deliver comparable results.
The findings show that the direct use of waste heat energy to heat a rail cabin is significantly more efficient. Nevertheless, this is only possible if the energy source offers a temperature level high enough to heat the cabin´s air otherwise the heat pump system is necessary.

Energieeffizienz, thermische Abwärmenutzung, Heizungs-, Klima- und Lüftungssysteme, Energiesparpotential