Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zur EnergieversorgungCombined heat and power facility for energy supply
Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung kleiner bis mittlerer Leistung zur Energieversorgung von privaten und/oder öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen unter Einsatz von Primärenergie aus flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, vorzugsweise Erdgas.The invention relates to a combined heat and power facility of small to medium power for the energy supply of private and / or public buildings and facilities using primary energy from liquid or gaseous fuels, preferably natural gas.
Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Anlagen und Einrichtungen zur Energieversorgung von Gebäuden mit Wärme- und Elektroenergie und zur Aufbereitung von warmem Brauchwasser bekannt. Die für die Heizung, einschließlich Warmwasseraufbereitung, Klimatisierung und Stromerzeugung von Gebäuden vorgesehenen Anlagen werden zumeist voneinander getrennt installiert und betrieben. Das hat zwangsläufig zur Folge, daß sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten, insbesondere für die einzusetzenden Primärenergien, hoch sind.
Aus DE 42 03 491 AI ist eine elektronisch gesteuerte Energieversorgungseinheit bekannt, die zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie dient. Die Energieversorgungseinheit umfaßt einen Generator für die Stromerzeugung, der von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Wärmeenergie wird aus den Abgasen des Motors und aus dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine mittels Wärmetauscher gewonnen und in einem Boiler bereitgestellt. Mit Hilfe einer Wärmepumpe, die von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wird Restwärme aus den Motorabgasen zurückgewonnen und für die Aufheizung des Boilers genutzt. Der Boiler kann gegebenenfalls auch durch die erzeugte elektrische Energie aufgeheizt werden. Die Energieversorgungseinheit nach DE 42 03 491 AI besitzt keine Ausrüstungen zur Klimatisierung der Gebäude und zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft. Regenerative Energien werden nicht ausgenutzt.Numerous plants and facilities for supplying energy to buildings with thermal and electrical energy and for treating hot domestic water are already known from the prior art. The systems provided for heating, including hot water preparation, air conditioning and power generation in buildings are mostly installed and operated separately from one another. This inevitably means that both the investment and the operating costs, especially for the primary energies to be used, are high. From DE 42 03 491 AI an electronically controlled energy supply unit is known, which is used to generate heat and electrical energy. The energy supply unit comprises a generator for generating electricity, which is driven by an internal combustion engine. The thermal energy is obtained from the exhaust gases of the engine and from the cooling water of the internal combustion engine by means of a heat exchanger and made available in a boiler. With the help of a heat pump, which is driven by the internal combustion engine, residual heat is recovered from the engine exhaust gases and used to heat the boiler. If necessary, the boiler can also be heated by the electrical energy generated. The energy supply unit according to DE 42 03 491 AI has no equipment for air conditioning the building and for the recovery of heat from the exhaust air. Renewable energies are not used.
Eine ähnliche Heizungs- und Stromerzeugungsanlage zur Umwandlung von Primärenergie und Umgebungswärme in elektrische Energie und Nutzwärme schlägt die DE-OS 40 06 742 AI vor. Kernstück der Anlage ist ein mit einem Brenner betriebener Heizkessel und ein mit demselben Brenner beheizbarer Stirlingmotor, der einen Generator und eine Wärmepumpe antreibt. Der Generator ist vorzugsweise ein Lineargenerator, der über eine entsprechende Regelung mit dem Antriebsmotor einer Wärmepumpe, mit dem öffentlichen Stromnetz oder mit weiteren Verbrauchern elektrisch verbunden werden kann. Mit Hilfe der Wärmepumpe werden auch Wärmeenergien aus der Umgebungswärme zurückgewonnen und für Heizzwecke zur Verfügung gestellt. Ein Teilsystem zur Klimatisierung von Gebäuden und Einrichtungen und zur Rückgewinnung der Wärmeenergien aus den Klimaanlagen sieht dieser Lösungsvorschlag nicht vor.
Eine kombinierte Anlage zur Erzeugung von Elektroenergie unter Ausnutzung der Abwärme aus der Hausstromerzeugung für eine Raumheizung ist aus DE 44 34 831 AI bekannt. Die Elektroenergie wird mit einer Gasmotor-Generator-Anordnung erzeugt, wobei über eine Abwärmerückgewinnungsrohrleitung ein als Wärmequelle arbeitender Wärmeaustauscher an die Gasmotor-Generator-Anordnung angeschlossen ist. In dem quellenseiti- gen Wärmeaustauscher wird ein Wärmeträger erhitzt und der so gebildete Dampf den Wärmeaustauschern zur Raumheizung zugeführt. Der verflüssigte Dampf fließt anschließend nach Abgabe seiner Wärmeenergie in den quellenseitigen Wärmeaustauscher der Gasmotor-Generator-Anordnung zurück. Gemäß einer bevorzugten Ausführung dieser Anlage ist ferner eine Absorptionskühlein- richtung vorgesehen, die in eine Umlaufröhrleitung eingebunden ist. Die Umlaufrohrleitung ist mit einem Gas-Flüssigkeitsphasen-Änderungen unterworfenen Wärmemittel gefüllt. An diese Umlaufröhrleitung sind Wärmeaustauscher angeschlossen, die zur Kühlung von Gebäudestockwerken dienen. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht wiederum darin, daß die Anlage keine Mittel zur Nutzung regenerativer Energien vorsieht.A similar heating and power generation system for converting primary energy and ambient heat into electrical energy and useful heat is proposed by DE-OS 40 06 742 AI. The centerpiece of the system is a boiler operated with a burner and a Stirling engine which can be heated with the same burner and which drives a generator and a heat pump. The generator is preferably a linear generator which can be electrically connected to the drive motor of a heat pump, to the public power grid or to other consumers via a corresponding control. With the help of the heat pump, thermal energy is also recovered from the ambient heat and made available for heating purposes. This solution does not provide for a subsystem for the air conditioning of buildings and facilities and for the recovery of thermal energy from the air conditioning systems. A combined system for the generation of electrical energy using the waste heat from the domestic power generation for a room heating is known from DE 44 34 831 AI. The electrical energy is generated with a gas engine generator arrangement, a heat exchanger operating as a heat source being connected to the gas engine generator arrangement via a waste heat recovery pipeline. A heat transfer medium is heated in the source-side heat exchanger and the steam thus formed is fed to the heat exchangers for space heating. The liquefied steam then flows back into the source-side heat exchanger of the gas engine-generator arrangement after its heat energy has been released. According to a preferred embodiment of this system, an absorption cooling device is also provided, which is integrated in a circulating pipeline. The circulating pipeline is filled with a heating medium subjected to gas-liquid phase changes. Heat exchangers, which are used to cool building floors, are connected to this circulation pipe. The disadvantage of this device is that the system does not provide any means of using renewable energies.
Aus DE 41 02 636 AI ist ferner bekannt, die in einer Kraft-Wärme-gekoppelten Anlage mit Hilfe eines Generators erzeugte elektrische Energie in einer Batterie zu puffern. Neben einer größeren Unabhängigkeit von öffentlichen Energieversorgungsnetzen sollen mit dieser Maßnahme die Betriebszeiten der Anlage reduziert und die hausinterne Versorgung mit elektrischer Energie an den jeweiligen Bedarf besser angepaßt werden können. Die vorgeschlagene Anlage, die gleichzeitig zur Versorgung mit warmem Brauchwasser und mit Heizwärme dient, arbeitet ausschließlich mit Elektroenergie als Primärenergieeinsatz und besitzt keine weiteren Ausrüstungen zur Nutzung regenerativer Ener-
gien und zur Wärmespeicherung. Besonders nachteilig ist anzusehen, daß größere Wärmemengen, die in Spitzenbelastungszeiten auftreten, nicht ausgenutzt und zum Schutz der Anlage freigesetzt werden müssen.From DE 41 02 636 AI it is also known to buffer the electrical energy generated in a combined heat and power system using a generator in a battery. In addition to greater independence from public energy supply networks, this measure is intended to reduce the operating times of the system and to better adapt the internal supply of electrical energy to the respective requirements. The proposed system, which is used to supply hot domestic water and heating energy at the same time, works exclusively with electrical energy as the primary energy input and has no further equipment for the use of renewable energy. gien and for heat storage. It is particularly disadvantageous that larger amounts of heat, which occur during peak load periods, must not be used and released to protect the system.
Ein Vorschlag zur Einbindung von Sonnenkollektoren in eine Heizungsanlage, die mit fossilen Primärenergien betrieben wird, ist aus DE 26 91 774 bekannt. Die vorgeschlagene Heizungsanlage ist ebenfalls mit einem Flüssigkeitswärmespeicher und mit Wärmepumpen ausgerüstet, um eine höchstmögliche effiziente Ausnutzung der durch Solar- und Primärenergie erzeugten Wärme zu erreichen. Die mittels der Sonnenkollektoren erzeugte Wärmeenergie wird in dieser Anlage soweit wie möglich nur zu Heizzwecken genutzt. Eine weitergehende Ausnutzung der Solarenergie, beispielsweise in Jahreszeiten, in denen die Sonneneinstrahlung nicht so stark ist, und die Nutzung weiterer regenerativer Energien sieht diese Anlage nicht vor.A proposal for integrating solar collectors into a heating system that is operated with fossil primary energies is known from DE 26 91 774. The proposed heating system is also equipped with a liquid heat storage and with heat pumps in order to achieve the highest possible efficient use of the heat generated by solar and primary energy. The thermal energy generated by the solar collectors is used in this system as far as possible only for heating purposes. This system does not provide for further use of solar energy, for example in seasons when the sun is not so strong, and the use of further renewable energies.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronisch steuerbare Einrichtung der eingangs genannten Gattung zum Heizen, Kühlen und zur Energieversorgung von Gebäuden und Einrichtungen unter Einbeziehung regenerativer Energien zu entwickeln, die mit relativ niedrigem Kosten- und Investitionsaufwand realisierbar ist und den notwendigen Primärenergieanteil für die Wärme- und Energieversorgung weiter reduziert.The invention has for its object to develop an electronically controllable device of the type mentioned for heating, cooling and energy supply of buildings and facilities with the inclusion of renewable energies, which can be realized with relatively low cost and investment and the necessary primary energy share for the heat - and energy supply further reduced.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
Mit der erfindungsgemäßen Kopplung an sich bekannter Grundmodule und ihrem speziellen abgestimmten Zusammenwirken wird eine völlig neue Qualität in der Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie erreicht, wobei die erfindungsgemäße Anlage gleichzeitig zum Heizen, zur Erzeugung warmen Brauchwassers und zur Klimatisierung (Kühlen) von Gebäuden eingesetzt werden kann. Die Erfindung stellt somit keine Ergänzung oder Erweiterung bekannter Kraft-Wärme-gekoppelter Systeme, sondern eine neuartige, vollkommen eigenständige und umweltfreundliche Lösung dar, die eine außerordentlich hohe Wirtschaftlichkeit besitzt. Sie vereint in ihrer Gesamtheit die komplexen Funktionalitäten Heizung, Stromerzeugung, Brauchwassererzeugung und Kühlung unter effizienter Nutzung regenerativer Umweltenergien.According to the invention the object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention result from claims 2 to 10. With the coupling of known basic modules according to the invention and their specially coordinated interaction, a completely new quality in the utilization of the primary energy used is achieved, the system according to the invention being able to be used simultaneously for heating, for producing hot process water and for air conditioning (cooling) of buildings. The invention is therefore not an addition or extension to known combined heat and power systems, but rather a new, completely independent and environmentally friendly solution that is extremely economical. In its entirety, it combines the complex functionalities of heating, power generation, hot water generation and cooling with efficient use of regenerative environmental energy.
Die erfindungsgemäße Anlage, die im Winterbetrieb zur Erzeugung von Wärme und Elektroenergie aus fossilen Energieträgern, wie beispielsweise Gas oder Öl, eingesetzt wird, dient im Sommerbetrieb zur Klimatisierung der Gebäude und Einrichtungen und zur Aufbereitung von warmem Brauchwasser bei gleichzeitiger Stromerzeugung. Es sind somit keine zusätzlichen Kosten für die Klimatisierung im Sommerbetrieb notwendig, wobei lediglich bei der Projektierung entsprechende Dimensionierungen der Heizflächen zu berücksichtigen sind, die während des Sommerbetriebes als Kühlflächen dienen.The system according to the invention, which is used in winter operation to generate heat and electrical energy from fossil fuels, such as gas or oil, is used in summer operation to air-condition buildings and facilities and to prepare hot domestic water with simultaneous electricity generation. There are therefore no additional costs for the air conditioning in summer operation, whereby only corresponding dimensions of the heating surfaces that serve as cooling surfaces during summer operation need to be taken into account.
Die erfindungsgemäße Anlage kann überall dort effizient eingesetzt und damit der Primärernergieverbrauch reduziert werden, wo gegenwärtig noch konventionelle Gas-, Öl-, oder Feststoffheizungen installiert sind.
Kernstück der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtung ist ein Warmspeicher in Verbindung mit einem zusätzlichen Kaltspeicher, der entsprechend der Erfindung mit einer Brennkraftmaschine, die einen Stromgenerator antreibt, und mit einer Wärmepumpe, die wahlweise als Kompressions- oder Absorptionswärmepumpe ausgebildet ist, und Solareinrichtungen zur Ausnutzung regenerativer Energien sowie der beim Einsatz der Primärenergie entstehenden Abwärme verbunden ist.The system according to the invention can be used efficiently anywhere and thus the primary energy consumption can be reduced where conventional gas, oil or solid fuel heating systems are currently still installed. The centerpiece of the combined heat and power device according to the invention is a hot storage tank in conjunction with an additional cold storage device, which according to the invention has an internal combustion engine which drives a power generator, and a heat pump, which is optionally designed as a compression or absorption heat pump, and solar devices for Utilization of regenerative energies and the waste heat generated when primary energy is used.
Durch den Einsatz der beiden Speicher kann bei entsprechender Dimensionierung der Gesamtanlage die Betriebsstundenzahl der Brennkraftmaschine so gestaltet werden, daß bei ordnungsgemäßer Wartung eine höchstmögliche Lebensdauer problemlos mit Standardmaschinen erreicht wird. Der Einsatz spezieller und damit teurer Verbrennungsmaschinen, die für den Dauerbetrieb ausgelegt werden müssen, sind somit nicht erforderlich. Durch die Integration der Wärmepumpenanlage ist es sogar möglich, für diesen Einsatzfall eine kostengünstige luftgekühlte Brennstoffmaschine einzusetzen, da die Zylinder- und Gehäuseabwärme nutzbar in das Speichersystem eingekoppelt werden kann. Die erfindungsgemäße Anlage, die mit einer temperatur- und taupunktgeführten Regelung ausgestattet ist, sichert durch die Anwendung einer effizienten, elektronischen Steuerung eine höchstmögliche Ausnutzung regenerativer Energien. Die Laufzeit der Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtungen und der Verbrauch an Primärenergien kann infolge der Energiespeicherung auf ein Mindestmaß reduziert werden.
Die in der Brennkraftmaschine, die gekoppelt mit einem Generator zur Erzeugung von Elektroenergie eingesetzt wird und zum Antrieb der Wärmepumpe dient, enstehende Wärme, wird über das Kühlsystem der Brennkraftmaschine auf thermisch verschiedenem Niveau dem Warm- oder Kaltspeicher zugeführt. Mit Hilfe von Wärmeübertragern wird den Abgasen, dem Kühlwasser und dem Motoröl der Brennkraftmaschine auf thermisch relativ hohem Niveau ein Teil der Restwärme entzogen und zur weiteren Aufladung des Wärmespeichers eingekoppelt.By using the two storage units, the number of operating hours of the internal combustion engine can be designed with appropriate dimensioning of the overall system in such a way that, with proper maintenance, the longest possible service life is easily achieved with standard machines. The use of special and therefore expensive internal combustion engines, which must be designed for continuous operation, is therefore not necessary. The integration of the heat pump system even makes it possible to use an inexpensive air-cooled fuel machine for this application, since the cylinder and housing waste heat can be usefully coupled into the storage system. The system according to the invention, which is equipped with a temperature and dew point-based control, ensures the highest possible utilization of regenerative energies through the use of an efficient, electronic control. The runtime of the combined heat and power facilities and the consumption of primary energy can be reduced to a minimum as a result of energy storage. The heat generated in the internal combustion engine, which is used in conjunction with a generator to generate electrical energy and is used to drive the heat pump, is fed to the hot or cold storage at a different thermal level via the cooling system of the internal combustion engine. With the help of heat exchangers, part of the residual heat is extracted from the exhaust gases, the cooling water and the engine oil of the internal combustion engine at a relatively high thermal level and coupled in for further charging of the heat accumulator.
Mit Hilfe eines Brennwertkondensators wird den bereits abgekühlten Abgasen weitere Restwärme, einschließlich der Kondensationswärme, infolge des Brennwerteffektes entzogen und dem Kaltspeicher auf relativ geringem thermischen Niveau zugeführt.With the help of a condensing condenser, further residual heat, including the heat of condensation, is extracted from the already cooled exhaust gases due to the condensing effect and fed to the cold store at a relatively low thermal level.
Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Brennkraftmaschine-Generator-Einheit in einer schall- und wärmeisolierten Einhausung thermisch gekapselt. Die in der Einhausung entstehende Abwärme wird durch einen Luft-Wasserwärmeübertrager auf thermisch niedrigem Niveau in den Kaltspeicher eingekoppelt und kann dadurch ebenfalls genutzt werden. Diese Energien dienen als Quelle für die Wärmepumpe.According to an essential feature of the invention, the internal combustion engine-generator unit is thermally encapsulated in a soundproof and heat-insulated housing. The waste heat generated in the housing is injected into the cold store by an air-water heat exchanger at a thermally low level and can therefore also be used. These energies serve as a source for the heat pump.
Durch die Erfindung ist so eine fast vollständige Nutzung der Abwärme der Anlage gewährleistet, was dem Blockheizkraftwerk (BHKW) -Prinzip, einschließlich der Nutzung des Brennwerteffektes entspricht.The invention thus ensures almost complete use of the waste heat from the system, which corresponds to the combined heat and power (CHP) principle, including the use of the condensing effect.
Über den Kaltspeicher, an den ein Rückkühler zur Wärmerückgewinnung aus der Lüftungsanlage eines Gebäudes, ein Wärmeübertrager für die Ausnutzung der Abwasserrestwärme und während des Winterbetriebes auch die Solarkollektoren primärseitig angeschlossen
sind, werden mit der Wärmepumpe, die den Warmspeicher mit dem Kaltspeicher wär etechnisch verbindet, Wärmeenergien aus der Umwelt, die ein relativ niedriges Niveau besitzen, ausgenutzt und mit einem höheren thermischen Niveau in den Warmspeicher zur Aufbereitung von Warmwasser für die Heizung und für warmes Brauchwasser eingespeist. Anlagenbedingt wird durch den Einsatz der Wärmepumpe die Wirkungszahl der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtung dahingehend erhöht, daß ein Mehr an nutzbarer Wärme- und Elektroenergie bereitgestellt wird als die eingesetzte Primärenergie beinhaltet.Via the cold storage, to which a recooler for heat recovery from the ventilation system of a building, a heat exchanger for the utilization of the waste water heat and during the winter operation also the solar collectors are connected on the primary side are used with the heat pump, which connects the hot storage tank with the cold storage tank, thermal energy from the environment, which has a relatively low level, and with a higher thermal level in the hot storage tank for the preparation of hot water for heating and for hot domestic water fed. Depending on the system, the use of the heat pump increases the effectiveness of the combined heat and power device according to the invention to the extent that more usable heat and electrical energy is provided than the primary energy used.
Dieser Effekt ergibt sich durch die Einkopplung der Umweltenergie aus der Solaranlage im Zusammenwirken mit der Wärmepumpe.This effect results from the coupling of the environmental energy from the solar system in cooperation with the heat pump.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Kraft-Wärme-gekoppelten Heizungs-, Kühlungs- und Energieversorgungseinrichtung .The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows a schematic representation of the combined heat and power heating, cooling and energy supply device.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die zum Heizen, zur Klimatisierung (Kühlen) , zur Erzeugung von Elektroenergie und von warmem Brauchwasser eingesetzte Primärenergie, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise Erdgas, in an sich bekannter Weise einer Brennkraftmaschine 1, beispielsweise einem Gasmotor oder einer Turbine zugeführt, die einen Generator 2 zur Erzeugung von Elektroenergie antreibt. Brennkraftmaschine 1 und Generator 2 sind in einer schall- und wärmeisolierten Einhausung 36 untergebracht, die mit einer Zuführung für Zu- und Abluft 37; 38 zu Kühlzwecken ausgerüstet ist.
An den Generator 2, der die Wärmepumpe 3 antreibt, sind über den E-Netzanschluß 32 das Hausnetz 34 für die Elektroenergieversorgung und das öffentliche E-Netz angeschlossen. Die Anschlußverbindung an das öffentliche E-Netz erfolgt unter Zwischenschaltung von Zählereinheiten 15 für den Bezug und für die Rückspeisung/Lieferung von Elektroenergie.As can be seen from the drawing, the primary energy used for heating, air conditioning (cooling), for generating electrical energy and for hot domestic water, in the present exemplary embodiment preferably natural gas, is supplied in a manner known per se to an internal combustion engine 1, for example a gas engine or a turbine that drives a generator 2 for generating electrical energy. Internal combustion engine 1 and generator 2 are housed in a sound and heat insulated housing 36, which with a supply for supply and exhaust air 37; 38 is equipped for cooling purposes. To the generator 2, which drives the heat pump 3, the house network 34 for the electrical power supply and the public e-network are connected via the e-network connection 32. The connection to the public E-network is made with the interposition of meter units 15 for the supply and for the recovery / supply of electrical energy.
Der Generator 2 ist vorzugsweise als Asynchronmaschine ausgeführt, die starr mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Diese Variante bietet den Vorteil, daß der Generator als Antrieb zum Starten der Brennkraftmaschine 1 verwendet und gleichzeitig auf aufwendige Netzsynchronisationen verzichtet werden kann. Bei Generatoren großer Leistung ist gegebenenfalls eine sogenannte SoftanlaufSchaltung notwendig. Die Nutzung von Synchron- bzw. Gleichstromgeneratoren ist natürlich möglich und u.a. dann sinnvoll, wenn eine Insel- betriebsfahrweise der Elektroenergieversorgungsanlage angestrebt wird.The generator 2 is preferably designed as an asynchronous machine which is rigidly connected to the internal combustion engine 1. This variant offers the advantage that the generator is used as a drive to start the internal combustion engine 1 and, at the same time, complex network synchronizations can be dispensed with. A so-called soft start circuit may be necessary for generators with high output. The use of synchronous or direct current generators is of course possible and, among other things. then makes sense if an island operating mode of the electrical energy supply system is desired.
Nach dem Startvorgang läuft die Brennkraftmaschine 1 mit der Nenndrehzahl des Motors entsprechend der anliegenden Netzfrequenz hoch. Bei Belastungen der Brennkraftmaschine durch Erhöhung der Primärenergiezufuhr erfolgt eine Übersynchronisation des Generators 2 , und es wird Strom in das angeschlossene Netz eingespeist. Die Belastung der Brennkraftmaschine läßt sich durch Messung der Leistung so regeln, daß der Generator mit seiner angegebenen Nennleistung arbeitet. Dieser Zustand bildet den Nennarbeitspunkt bei der Erzeugung von Elektroenergie und Abwärme.After the starting process, the internal combustion engine 1 runs up at the nominal speed of the motor in accordance with the mains frequency present. When the internal combustion engine is loaded by increasing the primary energy supply, the generator 2 is over-synchronized and current is fed into the connected network. The load on the internal combustion engine can be regulated by measuring the power in such a way that the generator works with its specified nominal power. This condition forms the nominal operating point for the generation of electrical energy and waste heat.
Wird während des Generatorbetriebes im parallel angeschlossenen Hausnetz 34 Elektroenergie verbraucht, so wird die Energie direkt vom Generator 2 geliefert und muß nicht gebührenpflichtig aus dem
öffentlichen E-Netz entnommen werden. Durch den Einsatz des Warmspeichers 4 kann die Laufzeit der Einrichtung zur Erzeugung von Elektroenergie so gesteuert werden, daß sie immer dann arbeitet, wenn der Elektroenergieverbrauch im Gebäude bzw. im öffentlichen Netz gegeben ist.If 34 electrical energy is consumed during the generator operation in the house network connected in parallel, the energy is supplied directly by the generator 2 and does not have to be charged from the public e-network. By using the hot storage 4, the running time of the device for generating electrical energy can be controlled so that it always works when the electrical energy consumption in the building or in the public network is given.
Prinzipiell ist anstelle der Brennkraftmaschine-Gene- ratoreinheit auch der Einsatz einer Brennstoffzelle möglich, ohne daß sich die nachgeschalteten Anlagenteile und Wirkprinzipien dadurch wesentlich verändern.In principle, it is also possible to use a fuel cell instead of the internal combustion engine generator unit, without the downstream system parts and operating principles thereby changing significantly.
Aufgrund der intermittierenden Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage ist es sinnvoll und wirtschaftlich, die erzeugte Elektroenergie zwischenzu- speichern. Entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der vom Generator 2 erzeugte Wechselstrom in einer Photovoltaikanlage 16 gleichgerichtet und an eine in die Anlage 16 integrierte Batterieanlage geliefert, in der eine Speicherung der Elektroenergie erfolgt. Die so zum Eigenverbrauch gespeicherte Elektroenergie wird durch den Wechselrichter als Wechselspannung über den E-Netzanschluß 33 und die Umschalteinrichtung 40 in das Hausnetz 34 eingespeist. Darüber hinaus ist die Photovoltaikanlage 16 mit dem öffentlichen E-Netz verbunden.Because of the intermittent mode of operation of the system according to the invention, it makes sense and is economical to temporarily store the generated electrical energy. According to the present exemplary embodiment, the alternating current generated by the generator 2 is rectified in a photovoltaic system 16 and delivered to a battery system integrated in the system 16, in which the electrical energy is stored. The electrical energy stored in this way for self-consumption is fed into the house network 34 by the inverter as AC voltage via the E-grid connection 33 and the switching device 40. In addition, the photovoltaic system 16 is connected to the public electric network.
Die in die Photovoltaikanlage 16 einbezogenen Solarpa- nele ergänzen die Nutzung mit regenerativer Energie in bekannter Weise.The solar panels included in the photovoltaic system 16 supplement the use with regenerative energy in a known manner.
Neben dem an sich bekannten Einsatz eines Warmspeichers 4 ist ein zusätzlicher Kaltspeicher 6 Bestandteil der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtung. Dieser Kaltspeicher 6 dient einerseits als Wärmelieferant für den Verdampfer der Wärmepumpe
3 in der Betriebsart Heizen während des Winterbetriebes und als Kältelieferant in der Betriebsart Kühlen bei der Klimatisierung der Gebäude im Sommerbetrieb.In addition to the use of a hot storage device 4 known per se, an additional cold storage device 6 is part of the combined heat and power device according to the invention. This cold storage 6 serves on the one hand as a heat supplier for the evaporator of the heat pump 3 in the heating mode during winter operation and as a cooling supplier in the cooling mode when air conditioning the buildings in summer mode.
An den Kaltspeicher 6, der über die Wärmepumpe 3 mit dem Warmspeicher 4 verbunden ist, sind während des Winterbetriebes primärseitig die Solarkollektoren 13, der Brennwertkondensator 42 und das Kühlsystem 10 von Brennkraftmaschine 1 und Generator 2 vermittels der Leitungen 5 angeschlossen.During winter operation, the solar collectors 13, the condensing condenser 42 and the cooling system 10 of the internal combustion engine 1 and generator 2 are connected to the cold store 6, which is connected to the hot store 4 via the heat pump 3, on the primary side by means of the lines 5.
Ein Wärmeübertrager zur Ausnutzung der Abwärme aus der Abluftrückkühlung 27 des Gebäudes ist ebenfalls an den Kaltspeicher 6 angeschlossen. Alle vorgenannten Module liefern Warmeernergie mit einem relativ niedrigeren thermischen Niveau an den Kaltspeicher 6, der die Wärmeenergiequelle für die Wärmepumpe 3 bildet.A heat exchanger for utilizing the waste heat from the exhaust air recooling 27 of the building is also connected to the cold store 6. All of the aforementioned modules deliver heat energy with a relatively lower thermal level to the cold store 6, which forms the heat energy source for the heat pump 3.
Zusätzlich ist ein Wärmeübertrager im Kaltspeicher 6 mit einer Abwasser-Abwärmegewinnung 20, die naturgemäß einen Abwasseranschluß 19 und einen Überlauf 31 zur Kanalisation besitzt, und über das Ventil 11 für die wählbare Umstellung auf Sommer- und Winterberieb mit der Fußbodenheizung 28 und den Heiz-/Kühlkörpern 29 des Gebäudes verbunden. Vorteilhafterweise ist der Kaltspeicher 6 außerdem mit einem Anschluß 7 für einen zusätzlichen Kühlkreislauf ausgestattet .In addition, there is a heat exchanger in the cold store 6 with a waste water waste heat recovery 20, which naturally has a waste water connection 19 and an overflow 31 for the sewer system, and via the valve 11 for the selectable changeover to summer and winter operation with the underfloor heating 28 and the heating / Heatsinks 29 connected to the building. The cold store 6 is also advantageously equipped with a connection 7 for an additional cooling circuit.
An den Warmspeicher 4 , der vorzugsweise als Schichtenspeicher ausgeführt ist, sind zu seiner Aufladung mit Wärmeenergie durch die Anschlußleitungen 8 primärseitig das Abgassystem der Brennkraftmaschine 1 und im Sommerbetrieb die Solarkollektoren 13 angeschlossen. Durch die Anschlußleitungen 45 ist ferner der Ölkühler der Brennkraftmaschine 1 mit Anschlußleitun-
gen 8 verbunden und somit direkt an den Warmspeicher 4 angekoppelt. Als weitere Wärmequelle für den Warmspeicher 4 dient der Kondensator der Wärmepumpe 3. Eine alternative Wärmeerzeugungseinrichtung in Form eines konventionellen Gasbrenners 39 (Redundanz) ergänzt die erfindungsgemäße Anlage.To the hot storage 4, which is preferably designed as a stratified storage, the exhaust system of the internal combustion engine 1 and the solar collectors 13 are connected on the primary side for charging it with thermal energy through the connecting lines 8. Through the connecting lines 45, the oil cooler of the internal combustion engine 1 with connecting lines gen 8 connected and thus directly coupled to the hot storage 4. The condenser of the heat pump 3 serves as a further heat source for the hot store 4. An alternative heat generation device in the form of a conventional gas burner 39 (redundancy) supplements the system according to the invention.
Auf der Sekundärseite sind an den Warmspeicher 4 über einen Mischer 18 der Vorlauf 21 der Heizungsinstalla- tionen, die während des Sommerbetriebes gleichzeitig zur Kühlung resp. Klimatisierung dienen, und die Leitungen für den Brauchwasseranschluß 25 angeschlossen.On the secondary side, the flow 21 of the heating installations, which at the same time for cooling or. Serve air conditioning, and the lines for the hot water connection 25 connected.
Der Vorlauf 21 der Heizungsinstallationen ist während des Sommerbetriebes zur Klimatisierung der Räume se- kundärseitig mit dem Kaltspeicher 6 verbunden, an den im Winterberieb die Rückkühlung 27 zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft des Gebäudes angeschlossen ist. Die Umstellung auf Sommer- und Winterbetrieb wird mit Hilfe der Umschaltventile 11; 12 und den Ventilen 41;42 und 43 realisiert, die sämtlich mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 9 angesteuert werden.The flow 21 of the heating installations is connected on the secondary side to the cold storage 6 for the air conditioning of the rooms, to which the recooling 27 for heat recovery from the exhaust air of the building is connected in winter operation. The changeover to summer and winter operation is carried out with the help of the changeover valves 11; 12 and the valves 41, 42 and 43 are realized, all of which are controlled with the aid of the electronic control unit 9.
Für den eventuellen Störfall an der Brennkraftmaschine 1 ist als alternative Wärmeerzeugungseinrichtung in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine 1, die eine Abgasstromumschaltung 35 auf Sommer- und Winterbetrieb besitzt, ein Gasbrenner 39 vorgesehen, der in Verbindung mit Abgaswärmetauscher 24 zur Aufladung des Warmspeichers 4 direkt über die Anschlußleitungen 8 mit diesem verbunden ist.For the event of a malfunction on the internal combustion engine 1, a gas burner 39 is provided as an alternative heat generating device in the exhaust line of the internal combustion engine 1, which has an exhaust gas flow switch 35 for summer and winter operation, which in connection with exhaust gas heat exchanger 24 for charging the hot storage tank 4 directly via the connecting lines 8 is connected to this.
Über den sekundärseitig an den Warmspeicher 4 angeschlossenen Mischer 18 erfolgt in besonderer Weise die Außentemperatur geführte Regelung des Heizungsvorlaufes 21. Entgegen der allgemein üblichen Verfahrensweise wird der Mischer 18 nicht nur mit drei, sondern
mit mehreren Anschlußpunkten betrieben. Diese sind eingangsseitig der Heißwasseranschluß aus dem oberen Bereich des Warmspeichers 4 , der Warmwasseranschluß aus dem mittleren Bereich des Warmspeichers 4 und der Rücklauf 14 der Heizungsanlage sowie ausgangsseitig der Vorlauf 21 der Heizungsanlage. Mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 9 erfolgt die automatische Umschaltung zwischen den Eingangssträngen zur Regelung der Vorlauftemperatur. So wird bei Vorlauftem- peraturen bis zur Mitteltemperatur des Warmspeichers 4 der Heizungs-/Kühlungsvorlauf 21 im mittleren Speicherbereich in Verbindung mit dem kühleren Rücklauf 14 betrieben. Liegt der Sollwert der außentemperaturgeführten Regelung über der Temperatur im Speichermittelbereich, wird die Zumischung aus dem Rücklauf 14 unterbrochen. Die Zumischung erfolgt dann aus dem oberen Bereich des Warmspeichers 4 mit Heißwasser. Durch diese spezielle Anordnung der Eingangsströme für den Mischer 18 wird der Verbrauch an Heißwasser minimiert und somit die Syste anläufe für die Wiederaufladung des Warmspeichers 4 stark reduziert. Dieser Effekt kommt der Lebensdauer der Brennkraftmaschine 1 direkt zugute.The outside temperature-controlled regulation of the heating flow 21 takes place in a special way via the mixer 18 connected to the hot storage 4 on the secondary side operated with several connection points. These are the hot water connection on the input side from the upper area of the hot storage 4, the hot water connection from the central area of the hot storage 4 and the return 14 of the heating system and on the output side the flow 21 of the heating system. The electronic control unit 9 is used to automatically switch between the input lines for regulating the flow temperature. Thus, at flow temperatures up to the average temperature of the hot storage 4, the heating / cooling flow 21 is operated in the middle storage area in connection with the cooler return 14. If the setpoint of the outside temperature-controlled control is above the temperature in the storage medium area, the admixture from the return 14 is interrupted. The admixture then takes place from the upper area of the hot storage 4 with hot water. This special arrangement of the input streams for the mixer 18 minimizes the consumption of hot water and thus greatly reduces the system start-ups for recharging the hot storage tank 4. This effect directly benefits the life of the internal combustion engine 1.
Der Rücklauf 14 der Heizungsinstallation wird dem Warmspeicher 4 an unterster Stelle zugeführt und unterstützt auf diese Weise die Wärmeschichtung im Speicher 4. Um möglichst geringe Rücklauftemperaturen zu erreichen, sind erfindungsgemäß in den Heizungs-/Kühlungsrücklauf 14 des Gebäudes beispielsweise eine Fußboden- oder Flächenheizung 28 und ein Vorwärmer 26 zur Erwärmung der einströmenden Frischluft der Lüftungsanlage angeordnet.
Innerhalb des Warmspeichers 4 sind Wärmeübertrager vorgesehen, durch die das warme Brauchwasser im unteren Teil des Warmspeichers 4, der, wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise als Schichtenspeicher ausgebildet ist, vorgewärmt wird. Dadurch wird einerseits die gewünschte Abkühlung des Warmspeichers 4 in diesem Speicherbereich unterstützt und gleichzeitig die Wärmeentnahme im oberen heißeren Speicherbereich minimiert. Ein nachgeschalteter einfacher thermischer Mischer 30 dient zur Einstellung der gewünschten Endtemperatur des aufbereiteten warmen Brauchwassers.The return 14 of the heating installation is fed to the hot storage 4 at the lowest point and in this way supports the thermal stratification in the storage 4 a preheater 26 is arranged for heating the incoming fresh air of the ventilation system. Heat exchangers are provided within the hot storage tank 4, by means of which the hot service water in the lower part of the hot storage tank 4, which, as described above, is preferably designed as a stratified storage tank, is preheated. This on the one hand supports the desired cooling of the hot storage 4 in this storage area and at the same time minimizes the heat removal in the upper, hot storage area. A downstream simple thermal mixer 30 is used to set the desired end temperature of the treated hot water.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kraft- Wärme-gekoppelten Einrichtung besteht darin, daß die vorgeschlagene Anlage ohne zusätzlichen apparativen Aufwand oder anlageseitige Änderungen in den kalten Jahreszeiten zu Heizzwecken und während des Sommerbetriebes zur Klimatisierung/Kühlung der Gebäude und Einrichtungen wirksam eingesetzt werden kann. Im Sommerbetrieb wird mit Hilfe der Wärmepumpe 3 das im Kaltspeicher 6 befindliche Medium (Wasser) auf annähernd 0°C heruntergekühlt. Dieses Kaltwasser wird über Umschaltventile 11; 12 für den Kühlberieb im Sommer und für den Heizungsbetrieb im Winter dem Mischer 18 zugeleitet und auf eine Temperatur wenig oberhalb des Taupunktes der in den zu kühlenden Räumen befindlichen Luft abgemischt und über die Kühl-/Heizflachen 29 und gegebenenfalls den Fußbodenheizungen 28 den entsprechenden Räumen zur Kühlung zugeführt. Es erfolgt somit durch die vorhandene Heizanlage die Kühlung der Räume, ohne daß zusätzliche anla- genseitige Aufwendungen erforderlich sind. Vorhandene Lüftungs- und Klimaanlagen werden in diesen Kreislauf entsprechend eingebunden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einem Einsatz einer Absorptionsmaschine als Wärmepumpe 3 die im Sommer von den Solarkollektoren 13 in den Warmspeicher 4 transportierte Wärmeenergie zur Kühlung ausgenutzt werden kann. Die Energiequelle der Absorptionskältemaschine ist dann der aufgeladene Warmspeicher 4.A major advantage of the combined heat and power device according to the invention is that the proposed system can be used effectively for heating purposes and for air conditioning / cooling of the buildings and facilities in the cold seasons without additional equipment or changes in the system. In summer operation, the medium (water) located in the cold store 6 is cooled down to approximately 0 ° C. using the heat pump 3. This cold water is via switch valves 11; 12 for the cooling operation in summer and for heating operation in winter, fed to the mixer 18 and mixed to a temperature just above the dew point of the air in the rooms to be cooled and via the cooling / heating surfaces 29 and, if appropriate, the underfloor heating systems 28 to the corresponding rooms Cooling supplied. The existing heating system thus cools the rooms without requiring additional system-related expenses. Existing ventilation and air conditioning systems are integrated into this cycle accordingly. Another advantage is that when an absorption machine is used as the heat pump 3, the heat energy transported in the summer by the solar collectors 13 into the hot store 4 can be used for cooling. The energy source of the absorption refrigerator is then the charged hot storage device 4.
Die in der erfindungsgemäßen Einrichtung integrierten Solarkollektoren 13 erfüllen zwei Aufgaben. Durch die direkte Verbindung der Solarkollektoren 13 mit dem Warmspeicher 4 wird die Sonnenenergie im Sommerbetrieb direkt zur Aufbereitung von warmem Brauchwasser und erforderlichenfalls zur Aufbereitung von warmem Wasser zu Heizzwecken eingesetzt. Diese Anordnung entspricht der allgemein bekannten klassischen Anwendung von Solarsystemen in einem Temperaturbereich über 50 °C.The solar collectors 13 integrated in the device according to the invention fulfill two tasks. Due to the direct connection of the solar collectors 13 to the hot storage tank 4, the solar energy in summer operation is used directly for the treatment of hot service water and, if necessary, for the treatment of warm water for heating purposes. This arrangement corresponds to the well-known classic application of solar systems in a temperature range above 50 ° C.
Insbesondere in der kälteren Jahreszeit reicht jedoch die Sonnenenergie im allgemeinen nicht mehr aus, um den Wärmeträger der Solarkollektoren 13 auf das gewünschte Temperaturniveau von über 50 °C aufzuheizen. In konventionellen Anlagen werden die Kollektoren deshalb in der Winterperiode nur bedingt ausgenutzt.Especially in the colder season, however, the solar energy is generally no longer sufficient to heat the heat transfer medium of the solar collectors 13 to the desired temperature level of over 50 ° C. In conventional systems, the collectors are therefore only used to a limited extent in the winter period.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung können mit Hilfe der Wärmepumpe 3 in Verbindung mit dem Kaltspeicher 6 Kollektorvorlauftemperaturen der Solarkollektoren 13 von wesentlich kleiner als 50°C ganzjährig effizient genutzt werden, indem das relativ geringe Temperaturniveau der Solarkollektoren 13 in der kälteren Jahreszeit dem noch kälteren Wärmeträger im Kaltspeicher 6 über einen Wärmeübertrager zugeführt wird. Es erfolgt dadurch ein Wärmetransport auf relativ niedrigem Temperaturniveau aus der Umwelt in den Kaltspeicher 6. Mit Hilfe der Wärmepumpe 3 wird diese Wärmeenergie
auf ein nutzbares thermisches Niveau von ca. 50°C gehoben und dem Warmspeicher 4, wie bereits beschrieben, zugeführt. Dadurch ist es weitgehend möglich, auf andere Umweltwärmelieferanten für den Betrieb der Wärmepumpe 3 zu verzichten, wie es beispielsweise mit klassischen Wärmepumpenanlagen zur Ausnutzung von Wärmeenergien aus Erd-, Wasser- oder Luftwärme mit entsprechend hohem apparativen und damit finanziellen Aufwand der Fall ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung unterscheidet sich hierdurch grundlegend von bekannten Anlagen und Systemen und minimiert gleichzeitig den anlagenseitigen Aufwand, indem eine konsequente Dauernutzung der Sonnenkollektoren 13 sowohl im Sommer als auch im Winter erfolgt. Die Umstellung auf Sommer- und Winterberieb wird wiederum mit Hilfe der Umschaltventile 22; 23 vorgenommen.
In the device according to the invention, with the help of the heat pump 3 in conjunction with the cold store 6, collector flow temperatures of the solar collectors 13 of substantially less than 50 ° C. can be used efficiently all year round by the relatively low temperature level of the solar collectors 13 during the colder season and the even colder heat transfer medium in the cold store 6 is supplied via a heat exchanger. As a result, heat is transported from the environment into the cold store 6 at a relatively low temperature level. The heat pump 3 uses this heat energy raised to a usable thermal level of about 50 ° C and fed to the hot storage 4, as already described. As a result, it is largely possible to dispense with other environmental heat suppliers for the operation of the heat pump 3, as is the case, for example, with conventional heat pump systems for utilizing thermal energy from geothermal, water or air heat with a correspondingly high level of equipment and thus financial outlay. The device according to the invention differs fundamentally from known plants and systems and at the same time minimizes the plant-side effort by consistently using the solar collectors 13 in both summer and winter. The changeover to summer and winter operation is in turn carried out with the aid of the changeover valves 22; 23 made.
BezugszeichenaufstellungREFERENCE NUMBERS
1 Brennkraftmaschine1 internal combustion engine
2 Generator2 generator
3 Wärmepumpe3 heat pumps
4 Warmspeicher4 hot water tanks
5 Leitung5 line
6 Kaltspeicher6 cold stores
7 Anschluß für zusätzlichen Kühlkreislauf7 Connection for additional cooling circuit
8 Anschlußleitung8 connecting cable
9 elektronische Steuereinheit9 electronic control unit
10 Kühler10 coolers
11 Umschaltventil11 changeover valve
12 Umschaltventil12 changeover valve
13 Solarkollektor13 solar collector
14 Rücklauf14 return
15 Zählereinheit15 counter unit
16 Photovoltaikanlage16 photovoltaic system
17 -17 -
18 Mischer18 mixers
19 Abwasserleitung19 sewage pipe
20 AbwasserZwischenspeicher20 wastewater intermediate storage
21 Heizungs-/Kühlungsvorlauf21 Heating / cooling flow
22 Umschaltventil 23 Umschaltventil22 changeover valve 23 changeover valve
24 Abgaswärmetauscher24 exhaust gas heat exchanger
25 Brauchwasseranschluß25 Process water connection
26 Zuluftvorwärmung26 Supply air preheating
27 Abluftrückkühlung27 Exhaust air recooling
28 Fußbodenheizung28 underfloor heating
29 Heiz-/Kühlflächen29 heating / cooling surfaces
30 Brauchwasserthermostat30 Domestic hot water thermostat
31 Abwasserüberlauf31 waste water overflow
32 E-Netzanschluß
E-Netzanschluß Hausanschluß Abgasstromumschaltung Einhausung Zuluft Abluft Gasbrenner Umschalteinrichtung Ventil Brennwertkondensator Ventil Ventil Anschlußleitung
32 E mains connection E-mains connection house connection flue gas flow switchover housing supply air exhaust air gas burner switchover valve condensing condenser valve valve connecting cable