DE19740398A1 - Combined heat and power facility for energy supply - Google Patents
Combined heat and power facility for energy supplyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung kleiner bis mittlerer Leistung zur Ener gieversorgung von privaten und/oder öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen unter Einsatz von Primäre nergie aus flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, vorzugsweise Erdgas.The invention relates to a combined heat and power Establishment of small to medium power to the Ener energy supply for 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 Aufbe reitung von warmem Brauchwasser bekannt. Die für die Heizung, einschließlich Warmwasseraufbereitung, Kli matisierung und Stromerzeugung von Gebäuden vorgesehe nen 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. There are already numerous from the state of the art Plants and facilities for the energy supply of Buildings with heat and electrical energy and for cleaning known for hot domestic water. The for the Heating, including hot water preparation, Kli automation and power generation of buildings Most plants are separated from one another installed and operated. That inevitably has Consequence that both the investment and the Operating costs, especially for those to be used Primary energies are high.
Aus DE 42 03 491 A1 ist eine elektronisch gesteuerte Energieversorgungseinheit bekannt, die zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie dient. Die Energie versorgungseinheit 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 Brenn kraftmaschine mittels Wärmetauscher gewonnen und in einem Boiler bereitgestellt. Mit Hilfe einer Wärmepum pe, 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 Energiever sorgungseinheit nach DE 42 03 491 A1 besitzt keine Ausrüstungen zur Klimatisierung der Gebäude und zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft. Regenerative Energien werden nicht ausgenutzt.DE 42 03 491 A1 describes an electronically controlled one Power supply unit known for generating of heat and electrical energy. The energy supply unit includes a generator for the Electricity generation from an internal combustion engine is driven. The thermal energy is generated from the Exhausting the engine and the cooling water from the burner engine obtained by means of heat exchanger and in provided a boiler. With the help of a heat pump pe, which is driven by the internal combustion engine, residual heat is recovered from the engine exhaust and used for heating the boiler. The Boiler may also be generated by the electrical energy can be heated. The energy ver care unit according to DE 42 03 491 A1 has none Equipment for air conditioning of buildings and Heat recovery from the exhaust air. Regenerative 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 A1 vor. Kernstück der Anlage ist ein mit einem Brenner betriebener Heizkessel und ein mit dem selben 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 Wärmeener gien 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. A similar heating and power plant for Conversion of primary energy and ambient heat into DE-OS 40 06 742 A1 proposes electrical energy and useful heat in front. The centerpiece of the system is a with a burner operated boiler and one with the same burner heated Stirling engine, one Generator and a heat pump drives. The generator is preferably a linear generator, which has a appropriate control with the drive motor one Heat pump, with the public power grid or with other consumers can be electrically connected can. With the help of the heat pump, heat is also increased recovered from the ambient heat and for Heating purposes provided. A subsystem for Air conditioning of buildings and facilities and Recovery of thermal energy from the air conditioning systems does not provide for this solution proposal.
Eine kombinierte Anlage zur Erzeugung von Elektroener gie unter Ausnutzung der Abwärme aus der Hausstromer zeugung für eine Raumheizung ist aus DE 44 34 831 A1 bekannt. Die Elektroenergie wird mit einer Gasmo tor-Generator-Anordnung erzeugt, wobei über eine Abwärmerückgewinnungsrohrleitung ein als Wärmequelle arbeitender Wärmeaustauscher an die Gasmotor-Genera tor-Anordnung angeschlossen ist. In dem quellenseiti gen Wärmeaustauscher wird ein Wärmeträger erhitzt und der so gebildete Dampf den Wärmeaustauschern zur Raum heizung zugeführt. Der verflüssigte Dampf fließt an schließend nach Abgabe seiner Wärmeenergie in den quellenseitigen Wärmeaustauscher der Gasmotor-Genera tor-Anordnung zurück. Gemäß einer bevorzugten Ausfüh rung dieser Anlage ist ferner eine Absorptionskühlein richtung vorgesehen, die in eine Umlaufrohrleitung eingebunden ist. Die Umlaufrohrleitung ist mit einem Gas-Flüssigkeitsphasen-Änderungen unterworfenen Wärme mittel gefüllt. An diese Umlaufrohrleitung sind Wärme austauscher angeschlossen, die zur Kühlung von Gebäu destockwerken dienen. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht wiederum darin, daß die Anlage keine Mittel zur Nutzung regenerativer Energien vorsieht.A combined system for the production of electrical devices gie using the waste heat from the Hausstromer Generation for space heating is from DE 44 34 831 A1 known. The electrical energy is with a gas mo Tor generator arrangement generated, with a Waste heat recovery pipeline as a heat source working heat exchanger to the gas engine genera gate arrangement is connected. In the source side a heat transfer medium is heated and the steam thus formed transfers the heat exchangers to the room heating supplied. The liquefied steam flows in closing after releasing its thermal energy into the source-side heat exchanger of the gas engine genera gate arrangement back. According to a preferred embodiment This system is also an absorption cooler direction provided in a circulation pipe is involved. The circulation pipeline is with a Gas-liquid phase changes in heat medium filled. There is heat at this circulation pipe exchanger connected to cool buildings serve undocking. The disadvantage of this facility again is that the facility has no funds for the use of renewable energies.
Aus DE 41 02 636 A1 ist ferner bekannt, die in einer Kraft-Wärme-gekoppelten Anlage mit Hilfe eines Genera tors erzeugte elektrische Energie in einer Batterie zu puffern. Neben einer größeren Unabhängigkeit von öffentlichen Energieversorgungsnetzen sollen mit dieser Maßnahme die Betriebszeiten der Anlage redu ziert und die hausinterne Versorgung mit elektrischer Energie an den jeweiligen Bedarf besser angepaßt werden können. Die vorgeschlagene Anlage, die gleich zeitig zur Versorgung mit warmem Brauchwasser und mit Heizwärme dient, arbeitet ausschließlich mit Elektro energie als Primärenergieeinsatz und besitzt keine weiteren Ausrüstungen zur Nutzung regenerativer Ener gien und zur Wärmespeicherung. Besonders nachteilig ist anzusehen, daß größere Wärmemengen, die in Spit zenbelastungszeiten auftreten, nicht ausgenutzt und zum Schutz der Anlage freigesetzt werden müssen.From DE 41 02 636 A1 it is also known that in a Combined heat and power plant with the help of a genera tors generated electrical energy in a battery to buffer. In addition to greater independence from public energy supply networks are supposed to this measure reduces the operating times of the system adorns and the in-house supply of electrical Energy better adapted to the respective needs can be. The proposed facility, the same in time for the supply of hot domestic water and with Heating is used, works exclusively with electrical energy as primary energy use and has none further equipment for the use of renewable energy gien and for heat storage. Particularly disadvantageous it can be seen that larger amounts of heat in Spit stress times occur, not exploited and must be 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 ausgerü stet, 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 Ausnut zung der Solarenergie, beispielsweise in Jahreszei ten, in denen die Sonneneinstrahlung nicht so stark ist, und die Nutzung weiterer regenerativer Energien sieht diese Anlage nicht vor.A proposal to incorporate solar panels in a heating system that uses fossil primary energy is operated is known from DE 26 91 774. The proposed heating system is also with a Liquid heat storage and equipped with heat pumps steadily in order to achieve the highest possible efficient use the heat generated by solar and primary energy to reach. The generated by the solar panels Thermal energy is used as much as possible in this plant used only for heating purposes. A further groove of solar energy, for example in the season in which the sunlight is not as strong and the use of further renewable energies does not provide this facility.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elek tronisch steuerbare Einrichtung der eingangs genann ten Gattung zum Heizen, Kühlen und zur Energieversor gung von Gebäuden und Einrichtungen unter Einbezie hung regenerativer Energien zu entwickeln, die mit relativ niedrigem Kosten- und Investitionsaufwand rea lisierbar ist und den notwendigen Primärenergieanteil für die Wärme- und Energieversorgung weiter redu ziert.The invention has for its object an elek tronically controllable device of the beginning genus for heating, cooling and energy supply including buildings and facilities to develop renewable energies with relatively low cost and investment costs rea and the necessary share of primary energy for the heat and energy supply further redu graces.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im An spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8. According to the invention, the task is characterized by the claim 1 specified features solved. Beneficial Further developments of the invention result from the Claims 2 to 8.
Mit der erfindungsgemäßen Kopplung an sich bekannter Grundmodule und ihrem speziellen abgestimmten Zusam menwirken 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 Ergän zung oder Erweiterung bekannter Kraft-Wärme-gekoppel ter Systeme, sondern eine neuartige, vollkommen eigenständige und umweltfreundliche Lösung dar, die eine außerordentlich hohe Wirtschaftlichkeit besitzt. Sie vereint in ihrer Gesamtheit die komplexen Funktio nalitäten Heizung, Stromerzeugung, Brauchwassererzeu gung und Kühlung unter effizienter Nutzung regenerati ver Umweltenergien.Known per se with the coupling according to the invention Basic modules and their specially coordinated combination a completely new quality in Utilization of the primary energy used has been achieved, the system according to the invention at the same time Heating, for producing hot domestic water and for Air conditioning (cooling) of buildings used can be. The invention therefore does not constitute a supplement expansion or expansion of known combined heat and power systems, but a new type, perfect standalone and environmentally friendly solution that is extremely economical. In its entirety, it unites the complex functions Heating, electricity generation, hot water generation supply and cooling with efficient use of regenerati ver environmental energies.
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 Klimati sierung der Gebäude und Einrichtungen und zur Aufbe reitung von warmem Brauchwasser bei gleichzeitiger Stromerzeugung. Es sind somit keine zusätzlichen Kosten für die Klimatisierung im Sommerbetrieb notwen dig, wobei lediglich bei der Projektierung entspre chende Dimensionierungen der Heizflächen zu berück sichtigen sind, die während des Sommerbetriebes als Kühlflächen dienen.The system according to the invention for the winter Generation of heat and electrical energy from fossil Energy sources, such as gas or oil, is used for climatization in summer of buildings and facilities and for maintenance warm hot water at the same time Power generation. So there are no additional ones Air conditioning costs necessary in summer dig, which only corresponds to the project planning appropriate dimensions of the heating surfaces visible during the summer operation as Serve cooling surfaces.
Die erfindungsgemäße Anlage kann überall dort effizi ent eingesetzt und damit der Primärenergieverbrauch reduziert werden, wo gegenwärtig noch konventionelle Gas-, Öl-, oder Feststoffheizungen installiert sind. The system according to the invention can effizi anywhere there ent used and thus the primary energy consumption be reduced where currently conventional Gas, oil or solid fuel heaters are installed.
Kernstück der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppel ten 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 Absorptionswärme pumpe ausgebildet ist, und Solareinrichtungen zur Ausnutzung regenerativer Energien sowie der beim Einsatz der Primärenergie entstehenden Abwärme verbun den ist.The centerpiece of the combined heat and power plant A hot storage tank is connected to the device with an additional cold storage, which accordingly the invention with an internal combustion engine, the one Power generator drives, and with a heat pump, either as compression or absorption heat pump is designed, and solar devices for Utilization of renewable energies as well as that of Use of the primary heat generated waste heat that is.
Durch den Einsatz der beiden Speicher kann bei ent sprechender Dimensionierung der Gesamtanlage die Be triebsstundenzahl der Brennkraftmaschine so gestaltet werden, daß bei ordnungsgemäßer Wartung eine höchst mögliche Lebensdauer problemlos mit Standardmaschinen erreicht wird. Der Einsatz spezieller und damit teurer Verbrennungsmaschinen, die für den Dauerbe trieb ausgelegt werden müssen, sind somit nicht erforderlich. Durch die Integration der Wärmepumpenan lage 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 höchstmög liche Ausnutzung regenerativer Energien. Die Lauf zeit der Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtungen und der Verbrauch an Primärenergien kann infolge der Energiespeicherung auf ein Mindestmaß reduziert wer den. By using the two memories, ent speaking dimensioning of the overall system the Be number of hours of the engine designed so be that with proper maintenance a top possible service life without problems with standard machines is achieved. The use of special and therefore expensive internal combustion engines that are for permanent use drive must be designed, are therefore not required. By integrating the heat pumps location it is even possible for this application an inexpensive air-cooled fuel machine use because the cylinder and housing waste heat usable into the storage system can. The system according to the invention temperature and dew point control is secured by the application of a efficient, electronic control exploitation of renewable energies. The run time of combined heat and power facilities and the consumption of primary energies can result from the Energy storage is reduced to a minimum the.
Die in der Brennkraftmaschine, die gekoppelt mit einem Generator zur Erzeugung von Elektroenergie eingesetzt wird und zum Antrieb der Wärmepumpe dient, entstehende Wärme, wird über das Kühlsystem der Brenn kraftmaschine auf thermisch verschiedenem Niveau dem Warm- oder Kaltspeicher zugeführt. Mit Hilfe von Wär meübertragern 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 einge koppelt.The one in the internal combustion engine that is coupled with a generator for generating electrical energy is used and serves to drive the heat pump, The heat generated is burned via the cooling system engine at different thermal levels Warm or cold storage supplied. With the help of Wär is transferred to the exhaust gases, the cooling water and the engine oil of the internal combustion engine on thermal part of the residual heat was removed at a relatively high level and turned on for further charging of the heat accumulator couples.
Mit Hilfe eines Brennwertkondensators wird den be reits abgekühlten Abgasen weitere Restwärme, ein schließlich der Kondensationswärme, infolge des Brennwerteffektes entzogen und dem Kaltspeicher auf relativ geringem thermischen Niveau zugeführt.With the help of a condensing condenser, the be already cooled exhaust gases further residual heat finally the heat of condensation due to the Calorific value effect removed and the cold storage fed 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 niedri gem 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 Internal combustion engine generator unit in a sound and thermally insulated housing thermally encapsulated. The waste heat generated in the housing is removed by an air-water heat exchanger at thermally low Coupled into the cold store according to the level and can thereby 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 is almost complete Use of the waste heat from the system ensures what the Combined heat and power plant (CHP) principle, including the Use of the condensing effect corresponds.
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 wärmetechnisch verbindet, Wärmee nergien aus der Umwelt, die ein relativ niedriges Niveau besitzen, ausgenutzt und mit einem höheren thermischen Niveau in den Warmspeicher zur Aufberei tung von Warmwasser für die Heizung und für warmes Brauchwasser eingespeist. Anlagenbedingt wird durch den Einsatz der Wärmepumpe die Wirkungszahl der erfin dungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtung dahingehend erhöht, daß ein Mehr an nutzbarer Wärme- und Elektroenergie bereitgestellt wird als die einge setzte Primärenergie beinhaltet.Via the cold storage to which a recooler is connected Heat recovery from a ventilation system Building, a heat exchanger for the exploitation of the Waste water residual heat and during winter operation the solar collectors are also connected on the primary side are with the heat pump that the hot water tank thermally connected to the cold storage, heat energies from the environment that are relatively low Own, exploited and with a higher level thermal level in the hot storage tank for preparation hot water for heating and for warm Process water fed. Due to the system the use of the heat pump the effectiveness of the inventions cogeneration device according to the invention increased in that a more usable heat and Electrical energy is provided as the one set primary energy includes.
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 Interaction of environmental energy from the solar system with the heat pump.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungs beispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Kraft-Wärme-gekoppelten Heizungs-, Kühlungs- und Energieversorgungseinrichtung.The invention is intended to be an embodiment example will be explained in more detail. The Associated Drawing shows a schematic representation of the Cogeneration heating, cooling and Power supply facility.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die zum Hei zen, zur Klimatisierung (Kühlen), zur Erzeugung von Elektroenergie und von warmem Brauchwasser eingesetz te 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. Brennkraft maschine 1 und Generator 2 sind in einer schall- und wärmeisolierten Einhausung 36 untergebracht, die mit einer Zuführung für Zu- und Abluft 37; 38 zu Kühl zwecken ausgerüstet ist. As can be seen from the drawing, the primary energy used for heating, for air conditioning (cooling), for generating electrical energy and for hot domestic water, in the present exemplary embodiment preferably natural gas, in a manner known per se of an internal combustion engine 1 , for example a gas engine or Turbine fed, which 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.
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 Rück speisung/Lieferung von Elektroenergie.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 purchase and for the recovery / supply of electrical energy.
Der Generator 2 ist vorzugsweise als Asynchronmaschi ne ausgeführt, die starr mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Diese Variante bietet den Vorteil, daß der Generator als Antrieb zum Starten der Brennkraft maschine 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 natür lich möglich und u. a. dann sinnvoll, wenn eine Insel betriebsfahrweise der Elektroenergieversorgungsanlage angestrebt wird.The generator 2 is preferably designed as Asynchronmaschi ne, 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 there is no need for complex network synchronizations. A so-called soft start circuit may be necessary for generators with high power. The use of synchronous or direct current generators is of course possible and makes sense, among other things, 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 Primärenergiezu fuhr erfolgt eine Übersynchronisation des Generators 2, und es wird Strom in das angeschlossene Netz einge speist. Die Belastung der Brennkraftmaschine läßt sich durch Messung der Leistung so regeln, daß der Generator mit seiner angegebenen Nennleistung arbei tet. 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 controlled by measuring the power so 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 öffent lichen Netz gegeben ist.If 34 electrical energy is consumed in the house network connected in parallel during generator operation, the energy is supplied directly by generator 2 and does not have to be taken from the public electrical network for a fee. 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 Anlagen teile und Wirkprinzipien dadurch wesentlich verän dern.In principle, instead of the engine genes rator unit also the use of a fuel cell possible without the downstream systems parts and active principles thereby change significantly other.
Aufgrund der intermittierenden Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage ist es sinnvoll und wirt schaftlich, die erzeugte Elektroenergie zwischenzu speichern. Entsprechend dem vorliegenden Ausführungs beispiel wird der vom Generator 2 erzeugte Wechsel strom in einer Photovoltaikanlage 16 gleichgerichtet und an eine in die Anlage 16 integrierte Batterieanla ge geliefert, in der eine Speicherung der Elektroener gie 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 Photovoltaikanla ge 16 mit dem öffentlichen E-Netz verbunden.Due to the intermittent operation of the system according to the invention, it is useful and economical to temporarily store the electrical energy generated. According to the present embodiment, the alternating current generated by the generator 2 is rectified in a photovoltaic system 16 and supplied to a battery system integrated into 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 Warmspei chers 4 ist ein zusätzlicher Kaltspeicher 6 Bestand teil 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 Winterbetrie bes und als Kältelieferant in der Betriebsart Kühlen bei der Klimatisierung der Gebäude im Sommerbetrieb.In addition to the known use of a Warmspei chers 4 , an additional cold storage 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 cold supplier in the cooling mode in the air conditioning of the buildings in summer operation.
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 vorgenann ten Module liefern Wärmeenergie 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 vorgenann th modules deliver thermal energy with a relatively lower thermal level to the cold storage 6 , which forms the thermal 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 Über lauf 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. Vorteil hafterweise ist der Kaltspeicher 6 außerdem mit einem Anschluß 7 für einen zusätzlichen Kühlkreislauf ausgestattet.In addition, a heat exchanger in the cold storage 6 with a waste water waste heat recovery 20 , which naturally has a waste water connection 19 and an overflow 31 to 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. Advantageously, the cold storage 6 is also equipped with a connection 7 for an additional cooling circuit.
An den Warmspeicher 4, der vorzugsweise als Schichten speicher ausgeführt ist, sind zu seiner Aufladung mit Wärmeenergie durch die Anschlußleitungen 8 primärsei tig das Abgassystem der Brennkraftmaschine 1 und im Sommerbetrieb die Solarkollektoren 13 angeschlos sen. 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 Warm speicher 4 dient der Kondensator der Wärmepumpe 3.To the hot storage 4 , which is preferably designed as a stratified storage, the exhaust system of the internal combustion engine 1 and in summer operation the solar collectors 13 are ruled out 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 is connected to the connecting lines 8 and thus directly coupled to the hot storage 4 . The condenser of the heat pump 3 serves as a further heat source for the warm store 4 .
Eine alternative Wärmeerzeugungseinrichtung in Form eines konventionellen Gasbrenners 39 (Redundanz) ergänzt die erfindungsgemäße Anlage.An alternative heat generating device in the form of a conventional gas burner 39 (redundancy) complements 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 Lei tungen für den Brauchwasseranschluß 25 angeschlossen.On the secondary side of the hot storage 4 via a mixer 18, the flow 21 of the heating installations, which at the same time for cooling or cooling during summer operation. 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 Winterbetrieb die Rückkühlung 27 zur Wärmerückgewin nung 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 to the cold storage 6 on the secondary side during the summer operation for air conditioning 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 realized, which are all controlled with the help of the electronic control unit 9 .
Für den eventuellen Störfall an der Brennkraftmaschi ne 1 ist als alternative Wärmeerzeugungseinrichtung in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine 1, die eine Abgasstromumschaltung 35 auf Sommer- und Winter betrieb 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 eventual accident at the Brennkraftmaschi ne 1 has as an alternative heat generating means in the exhaust passage of the internal combustion engine 1, the operational one exhaust stream switch 35 to summer and winter, a gas burner 39 is provided, which directly contact with exhaust gas heat exchanger 24 for charging the hot memory 4 via the connecting lines 8 is connected to this.
Über den sekundärseitig an den Warmspeicher 4 ange schlossenen Mischer 18 erfolgt in besonderer Weise die Außentemperatur geführte Regelung des Heizungsvor laufes 21. Entgegen der allgemein üblichen Verfahrens weise 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 automati sche Umschaltung zwischen den Eingangssträngen zur Re gelung der Vorlauftemperatur. So wird bei Vorlauftem peraturen bis zur Mitteltemperatur des Warmspeichers 4 der Heizungs-/Kühlungsvorlauf 21 im mittleren Spei cherbereich in Verbindung mit dem kühleren Rücklauf 14 betrieben. Liegt der Sollwert der außentemperatur geführten Regelung über der Temperatur im Speichermit telbereich, 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 Systemanläufe für die Wieder aufladung des Warmspeichers 4 stark reduziert. Dieser Effekt kommt der Lebensdauer der Brennkraftmaschine 1 direkt zugute.Via the secondary side to the hot water storage tank 4 , the mixer 18 is connected in a special way, the outside temperature-controlled regulation of the Heizungsvor run 21st Contrary to the general method, the mixer 18 is operated not only with three, but 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. With the help of the electronic control unit 9 , the automatic switchover between the input lines for regulating the flow temperature takes place. So at Vorlauftem temperatures up to the average temperature of the hot storage 4 of the heating / cooling flow 21 in the middle memory area in conjunction with the cooler return 14 is operated. If the setpoint of the outside temperature-controlled control is above the temperature in the storage medium region, 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 beispiels weise eine Fußboden- oder Flächenheizung 28 und ein Vorwärmer 26 zur Erwärmung der einströmenden Frisch luft der Lüftungsanlage angeordnet. The return flow 14 of the heating equipment is the hot memory 4 is supplied to unterster point and supports in this way the thermal stratification in storage. 4 In order to achieve the lowest possible return temperatures, according to the invention in the heating / cooling return 14 of the building, for example, a floor or panel heating 28 and a preheater 26 for heating the inflowing fresh air of the ventilation system are arranged.
Innerhalb des Warmspeichers 4 sind Wärmeübertrager vorgesehen, durch die das warme Brauchwasser im unte ren Teil des Warmspeichers 4, der, wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise als Schichtenspeicher ausgebildet ist, vorgewärmt wird. Dadurch wird einer seits 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 End temperatur des aufbereiteten warmen Brauchwassers.Within the hot storage tank 4 , heat exchangers are provided, by 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 Sommerbe triebes 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 annä hernd 0°C heruntergekühlt. Dieses Kaltwasser wird über Umschaltventile 11; 12 für den Kühlbetrieb 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-/Heizflächen 29 und gegebenenfalls den Fußboden heizungen 28 den entsprechenden Räumen zur Kühlung zu geführt. Es erfolgt somit durch die vorhandene Heizan lage die Kühlung der Räume, ohne daß zusätzliche anla genseitige Aufwendungen erforderlich sind. Vorhandene Lüftungs- und Klimaanlagen werden in diesen Kreislauf entsprechend eingebunden. 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 during the summer operation for air conditioning / cooling of the buildings and facilities without additional equipment or plant-side changes in the cold seasons. In summer operation, the medium (water) in the cold storage 6 is cooled down to approximately 0 ° C. with the help of the heat pump 3 . This cold water is via switch valves 11 ; 12 fed to the mixer 18 for cooling operation in summer and for heating operation in winter and mixed to a temperature a little above the dew point of the air in the rooms to be cooled and via the cooling / heating surfaces 29 and possibly the floor heating 28 to the corresponding rooms led to cooling. It is done by the existing Heizan location, the cooling of the rooms without additional plant-side expenses are required. Existing ventilation and air conditioning systems are integrated into this cycle accordingly.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einem Einsatz einer Absorptionsmaschine als Wärmepumpe 3 die im Sommer von den Solarkollektoren 13 in den Warm speicher 4 transportierte Wärmeenergie zur Kühlung ausgenutzt werden kann. Die Energiequelle der Absorp tionskältemaschine ist dann der aufgeladene Warmspei cher 4.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 warm store 4 can be used for cooling. The energy source of the absorption chiller is then the charged Warmspei cher 4th
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 Sommerbe trieb direkt zur Aufbereitung von warmem Brauchwasser und erforderlichenfalls zur Aufbereitung von warmem Wasser zu Heizzwecken eingesetzt. Diese Anordnung entspricht der allgemein bekannten klassischen Anwen dung 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 with the hot storage 4 , the solar energy in the summer operation is used directly for the preparation of hot domestic water and, if necessary, for the preparation 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 ge wünschte Temperaturniveau von über 50°C aufzuheizen. In konventionellen Anlagen werden die Kollektoren des halb 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 only partially used 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 Temperatur niveau der Solarkollektoren 13 in der kälteren Jahres zeit 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 beschrie ben, 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 Einrich tung unterscheidet sich hierdurch grundlegend von bekannten Anlagen und Systemen und minimiert gleich zeitig den anlagenseitigen Aufwand, indem eine konse quente Dauernutzung der Sonnenkollektoren 13 sowohl im Sommer als auch im Winter erfolgt. Die Umstellung auf Sommer- und Winterbetrieb 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 in the colder time of the year, the colder heat transfer medium is supplied in cold storage 6 via a heat exchanger. As a result, heat is transported from the environment into the cold store 6 at a relatively low temperature level. With the help of the heat pump 3 , this thermal energy is raised to a usable thermal level of about 50 ° C and the hot storage 4 , as already described ben, supplied. 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 Einrich device according to the invention differs fundamentally from known systems and systems and at the same time minimizes the plant-side effort by a consistent continuous use of the solar panels 13 takes place both in summer and in winter. The changeover to summer and winter operation is in turn carried out with the aid of the changeover valves 22 ; 23 made.
11
Brennkraftmaschine
Internal combustion engine
22nd
Generator
generator
33rd
Wärmepumpe
Heat pump
44th
Warmspeicher
Hot storage
55
Leitung
management
66
Kaltspeicher
Cold storage
77
Anschluß für zusätzlichen Kühlkreislauf
Connection for additional cooling circuit
88th
Anschlußleitung
Connecting cable
99
elektronische Steuereinheit
electronic control unit
1010th
Kühler
cooler
1111
Umschaltventil
Diverter valve
1212th
Umschaltventil
Diverter valve
1313
Solarkollektor
Solar collector
1414
Rücklauf
Rewind
1515
Zählereinheit
Counter unit
1616
Photovoltaikanlage
Photovoltaic system
1717th
-
-
1818th
Mischer
mixer
1919th
Abwasserleitung
Sewer pipe
2020th
Abwasserzwischenspeicher
Wastewater buffer
2121
Heizungs-/Kühlungsvorlauf
Heating / cooling flow
2222
Umschaltventil
Diverter valve
2323
Umschaltventil
Diverter valve
2424th
Abgaswärmetauscher
Exhaust gas heat exchanger
2525th
Brauchwasseranschluß
Process water connection
2626
Zuluftvorwärmung
Supply air preheating
2727
Abluftrückkühlung
Exhaust air recooling
2828
Fußbodenheizung
Underfloor heating
2929
Heiz-/Kühlflächen
Heating / cooling surfaces
3030th
Brauchwasserthermostat
Domestic hot water thermostat
3131
Abwasserüberlauf
Wastewater overflow
3232
E-Netzanschluß
E-mains connection
3333
E-Netzanschluß
E-mains connection
3434
Hausanschluß
House connection
3535
Abgasstromumschaltung
Exhaust gas flow switch
3636
Einhausung
Enclosure
3737
Zuluft
Supply air
3838
Abluft
Exhaust air
3939
Gasbrenner
Gas burner
4040
Umschalteinrichtung
Switching device
4141
Ventil
Valve
4242
Brennwertkondensator
Condensing condenser
4343
Ventil
Valve
4444
Ventil
Valve
4545
Anschlußleitung
Connecting cable
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