WO2009077163A2 - Strom produzierendes heizsystem - Google Patents

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heating
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/02—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for heating purposes, e.g. industrial, domestic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to a heating system for an object, with a controlled by a thermal control coupling of at least two heat generators, wherein a first heat generator, a conventional heating system and a second heat source is available on the object heat source, and with multiple heat consumers for reciprocal heat and electricity production ,
  • the heat pump is operated as an air heat pump. In this operating mode, energy from the environment is made available via an integrated air heat exchanger for heating water and for heating the residential object.
  • a special feature of this system concept is the heat converter, which can convert excess solar energy (especially in summer) of the solar collector liquid into electricity. Taking advantage of the Seebeck effect (between two points of an electrical conductor, which have different temperature, creates an electrical voltage) is generated in a conductor circuit by heating one place with solar collector liquid and cooling another place by outside air, a thermoelectric voltage, which flow a direct current leaves. With the aid of a special inverter, the direct current is converted into alternating current with an output voltage of 230 V and a frequency of 50 Hz. Via a counter, the alternating current can be fed into the network of a power supplier.
  • Another way to generate electricity with the help of a solar system of a heating system is to first convert the thermal energy delivered by the solar system into mechanical kinetic energy, which in turn is then converted into electrical energy.
  • the heat of the heated solar collector liquid is discharged from the solar circuit via a heat exchanger to a coolant of a coolant circuit.
  • the resulting achieved evaporation of the coolant leads to a large increase in volume of the coolant, which can be used to drive a turbine or a reciprocating engine.
  • the required for the coolant circuit volume contraction of the coolant by cooling and condensation takes place in a condenser in a colder environment.
  • the liquid coolant is compressed and fed back to the heat exchanger.
  • the efficiency of converting thermal energy into kinetic energy is generally limited by Carnot efficiency in such systems.
  • Carnot efficiency in addition to unavoidable thermal losses and losses due to the fact that no ideal gas can be used for such processes as the working medium.
  • the generation of electricity with such a system is not profitable so far, simply because the effects of the dynamically changing solar energy supply and the resulting effects on the overall conversion efficiency (in particular the losses during frequent start-up, etc.) overburden the system concept. This can be countered to some extent by providing a heat storage.
  • the dynamically changing solar energy supply leads to the mixing of working medium quantities with different temperatures, which means an unsatisfactory overall conversion efficiency at lower mixing temperatures due to the disproportionate reduction of the Carnot efficiency.
  • the following boundary conditions and requirements must be taken into account for economic power generation in small thermal plants (in particular for residential properties):
  • the invention provides a heating system, the o.g. Meets requirements.
  • thermodynamic cyclic process in particular an ORC or Kalina process, based on the conversion system for the conversion of thermal energy into electrical current, and that the condensation heat occurring in the thermodynamic cycle is transmitted either to further heat consumers or to a thermal heat sink available on the object.
  • the invention is primarily directed to a heating system for residential objects, with which the spaces of the object and / or the hot water of the object (heat consumers) are heated.
  • a system is proposed in which "on a small scale" (ie not in large-scale plant or power plant) a conventional heating system with a thermodynamic cycle, for example, with an ORC cycle (Organic Rankine Cycle) is combined to in this way a
  • ORC cycles Organic Rankine Cycle
  • a solar-assisted heating system has an inverse relationship between the availability of the primary solar energy and the heating demand, ie. H. Although there is a lot of primary energy available in summer, there is little or no need for heating, while the opposite is true in winter.
  • the invention takes advantage of this inverse ratio in that the excess primary energy is converted into electrical power.
  • the solar collectors, the heat storage, the heating system and the radiator only the cost price of the conversion system plus worthwhile expansions, such as additional collector surface and storage volume to install solar power production. It is advantageously achieved a high overall system utilization of the costly collector surface, since there is no oversupply of solar heat in the summer and in winter, the solar supply is made available through the heating system.
  • a special feature of the invention is that the components of the heating system are included in the process of power generation, so that the resources of the heating system can be used twice. This significantly reduces the total cost of ownership and allows efficiency-boosting high overall system utilization.
  • the balance between the thermal energy production and the thermal energy requirement is determined and set periodically by the controller preferably according to the following formula:
  • E H eiz (t) + E W q (t) Eww (t) + E HW (t) + E T HD ⁇ (t) + E Res , (t).
  • a controller independently, on the basis of sensors for detecting process-influencing parameters, sets the most favorable operation by means of changes to the process control variables (such as, for example, the throughput speed of the circuits, etc.).
  • thermodynamic cycle process in that the working medium, preferably a coolant with a low boiling point, is evaporated, whereby the evaporation creates a high pressure.
  • the working medium preferably a coolant with a low boiling point
  • This can be taken in the form of volume change work in the expansion of the gas in mechanical kinetic energy and thereby converted into electrical energy.
  • ORC medium which in addition to the required good heat transfer properties, also characterized in that the medium in the required condensation temperature range no negative pressure relative to the ambient pressure, since the technically difficult in the long term to under pressure avoiding penetrating air which reduces the efficiency thermodynamic cycle.
  • the medium in the required condensation temperature range no negative pressure relative to the ambient pressure, since the technically difficult in the long term to under pressure avoiding penetrating air which reduces the efficiency thermodynamic cycle.
  • a control is provided, which preferably based on sensor data each heat exchange between individual components of the heating system by regulating the heat flows occurring so that the most effective and complete transfer of heat energy of each warmer medium takes place on the respective colder.
  • the heating system according to the invention is constructed so that one or more heat and / or cold storage is thermally coupled to one or more heat energy generator circuits as well as to one or more consumer circuits / are, whereby a multiple and effective use stored heat energy is enabled.
  • the balance between the thermal energy production and the thermal energy requirement is determined and adjusted periodically by the controller according to the following formula.
  • E He iz (t) + Ew, (t) + Espou ⁇ (t) Eww (t) + EHW W + E TH D ⁇ (t) + E Sp ⁇ N (t) + E Res , (t).
  • Particularly advantageous in this case is the use of an additively designed heat accumulator with different temperature levels, in which both the generator and the consumer side (both in the supply and in the return) heat exchange takes place in each case on a selectable, available in the heat storage best possible temperature level.
  • space-saving latent heat storage with a storage medium, which performs a phase change (preferably from solid to liquid) in the required storage temperature range, or thermochemical heat storage can be used.
  • Another particularity of a preferred embodiment of the heating system according to the invention is that a low temperature level prevailing in the heat storage or at the heat source available at the object (T Wq ), which is higher than the temperature of the heat sink (T Ws ), both for electricity production and for heating heat recovery
  • the conventional heating system continues to heat the existing low-temperature level by the remaining temperature range up to a consumption-dependent SoII temperature.
  • each heat energy generator can supply one or more consumers with thermal energy individually or in thermal additive coupling with other generators or storage, any heat consumer. This requirement is technically realized in the overall structure so that each heat generator operates with each heat consumer, each heat storage or with any other heat generator direct heat exchange.
  • each heat transfer media is preferably a cost medium exchange intended.
  • counter-rotating heat exchangers are preferred.
  • the heating system according to the invention can optionally in a first mode, in which the heat generated or stored by the one or more heat generators for heating or filling the heat storage is produced, in a second mode in which the heat generated to the thermodynamic cycle for Power production is supplied, or a third mode in which the generated heat is supplied to the thermodynamic cycle process for producing electricity, wherein the resulting from the thermodynamic cycle residual heat is used for heating or stored, are operated.
  • the control of the heating system automatically determines on the basis of previously defined criteria in which of the operating modes the heating system is operated. Also, the controller may use information from the object's utility to facilitate power production in particularly worthwhile periods of time. This information may also include predicted data regarding expected solar radiation.
  • the preferred option for power generation is a linear conversion system coupled to the thermodynamic cycle with one or more pressure cylinders, a linear generator, a filter and rectifier unit for converting thermodynamic energy into electrical energy.
  • the linear conversion system provides a coupled to the thermodynamic cycle and then specially tuned piston-cylinder unit for conversion of the thermodynamic energy first in kinetic energy, which then generates by means of a specially tuned for this application linear generator electrical energy, which by means of a power converter is converted into an AC voltage suitable for feeding in the grid.
  • a suitable printing cylinder linear generator arrangement is characterized by high overall conversion efficiency, low production costs, quiet operation and long life, since transverse and rotational forces do not exist.
  • thermodynamic cycle conversion system with a machine, in particular a specially tuned compressed air motor or turbine, for converting pressure energy into rotational energy, which then by means of a specially tailored for this application generator then in electrical energy is converted.
  • an intake valve may be provided on the thermodynamic-to-rotational-energy conversion system that is opened by the controller only when a predetermined high conversion efficiency due to sensor data is achievable.
  • the frequent startup and shutdown losses may be reduced by a shutdown mechanism that shuts down the generator as a load to the conversion system when the intake valve is not open, thus allowing idle rotation during the break to continue without load.
  • the electrical voltage generated at the generator can also be used elsewhere.
  • the generation of mains voltage can by means of a suitable converter battery charging, z.
  • Lithium-ion batteries for electric vehicles, or suitable voltages in order to obtain hydrogen by means of electrolysis, are generated. Also can the kinetic energy generated by the conversion system elsewhere, e.g. B. are used for cooling room air by means of a "chiller".
  • the heat transfer medium flows through each heat generator, no heat exchangers between the heat generators are required.
  • the heat transfer medium in each case coupled via a heat exchanger, can also be used as a transport medium for transporting the heat energy generated to each individual heat consumer and to and from the heat store, the heat transfer medium additionally or alternatively also serving as storage medium.
  • the energy flow that is transported via this medium is determined and set periodically by the controller preferably according to the following formula:
  • radiator circuit medium for the direct thermal coupling of the heat storage to each consumer a radiator circuit medium is used as a common heat transfer medium for heat transport to and from the heat and cold storage multiple times, the radiator circuit medium preferably, as cost, simultaneously as a storage medium and / or additionally used as a transport medium for the transport of the generated heat energy and the residual heat of the thermodynamic cycle.
  • the energy flow that this medium transports is periodically determined and set by the controller according to the following formula:
  • Eez (t) + EHz Sp OU ⁇ (t) + E ⁇ HDY residue (t) E ⁇ w (t) -
  • a possible target application is a "power producing solar heating system" for a residential property, comprising a thermal coupling of thermal solar collectors with a conventional heating system, one or more heat storage, a thermodynamic cycle, a conversion system described above for the conversion of thermal energy into electrical energy and a thermal heat sink, e.g. B. an air humidity heat exchanger, a ground collector, a geothermal probe, a body of water, an air cooling or a cold storage.
  • a thermal heat sink e.g. B. an air humidity heat exchanger, a ground collector, a geothermal probe, a body of water, an air cooling or a cold storage.
  • a significant cost savings in the heating system according to the invention can be achieved by systematically can be dispensed with the purchase of the thermal heat sink by already existing components are used in a dual function as a heat sink.
  • the environmental cooling system used by the existing thermal solar collectors can be used for this purpose and temporarily stored for the provision of this cold during the solar power production in the existing storage facility.
  • this function can be (at least partially) also taken over by the boiler already existing in a conventional heating system (cooled over the chimney).
  • this function (at least in part) can also be met by radiators or underfloor heating. A special radiator in the washroom, which is always heated with residual heat when solar power is produced, could incidentally also be used for drying clothes.
  • the structure should continue to be designed so that all non-participating in the prevailing operating state heat generator or heat consumer or heat storage are disconnected via valves so that they are no longer flowed through, but the circuits still remain closed.
  • the structure of the heating system according to the invention is designed so that it can be operated in one or more of the types of operation characterized below.
  • the most favorable temperature spread should be used. In the following tables, the inevitable thermal losses in the heat transfer are neglected and a preferred temperature range is given, which will be explained later in connection with the specified figures. a) "Exclusive solar power production" operating mode
  • the controller takes into account but u in the operating mode. a. also the primary energy supply, the (predicted) heating energy demand, the time-dependent efficiency of the heat storage and the relationship between the yield for injected electricity and the actual heating costs.
  • the controller ensures energy management for the site-dependent energy distribution, taking into account determined and predicted process-influencing parameters.
  • FIG. 20 shows a sequence of operating modes that is advantageous in summer operation, which enables maximum utilization of solar energy for the purpose of power production, even with small storage volumes, by first using a store as a cold store (heat sink) to operate in operating mode a ) If this reaches a temperature level at which an effective power generation is no longer possible, then the operating mode f) "Fill solar tank", in which the memory acts as a heat accumulator, is changed to "exclusive solar power production” in order to absorb the residual solar energy of a course of the day by bringing the heat storage temperature to a level which allows efficient power generation at a later time once the solar collectors have reached a temperature level in which they act as a heat sink can.
  • operating modes b) "Electricity production from solar storage” or k) "Electricity production from stored residual heat", the process anergy accumulated during the day makes an effective contribution to electricity
  • a further target application of the invention as a "power-producing solar heating system” for a residential property results from a reduced and thus cost-effective design of the heating system (cf Figure 20) without direct coupling b) "Electricity production from solar storage” (Figure 10), d) "Heating and DHW from solar collector heat” (Figure 12), g) “Conventional heating and DHW” ( Figure 15), h) "heating and WW from solar collector and heating system” (FIG.
  • a multi-stage solar collector structure which is a series circuit of a low-cost collector type, which is responsible for the temperature increase in the low temperature range (> T Ws ) and is suitable as a heat sink in the night mode due to the low thermal insulation, and of a previously described collector type (eg vacuum collectors), which is responsible for the higher temperature range.
  • a further target application of the invention as a "power-producing solar heating system" for a residential property arises when the conventional heating system is a solar-assisted heat pump heating system with which the advantages of a CHP operation and the consequent modes are not possible, but still advantageous, since the required heat sink is realized from a dual function of existing ground collectors or ground probes.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the thermal couplings of all the components involved and the associated tasks of the intelligent
  • Figure 2 is a schematic representation of a possible linear conversion system of thermal to electrical energy
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the required components of a possible situation-controlled linear conversion system from thermal to electrical energy
  • Figure 4 is a schematic representation of a possible rotational conversion system from thermal to electrical energy
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the energy distribution management with multiple use of the heat generator medium
  • FIG. 6 is a schematic representation of the power distribution management in multiple use of the heating circuit medium
  • FIG. 7 shows the schematic structure of a power producing solar heating according to the invention
  • - Figure 8 is a technical embodiment of the inventive power-producing solar heater
  • FIG. 9 shows the operating mode "Exclusive solar direct power production"
  • FIG. 10 shows the operating mode "Exclusive power production from solar storage”
  • FIG. 11 shows the operating mode "cool cold storage”
  • FIG. 12 shows the operating mode "heating and DHW from solar collector heat"
  • FIG. 13 shows the operating mode “heating with solar storage heat”
  • FIG. 16 shows the operating mode "heating and DHW from solar collector and heating system"
  • FIG. 17 shows the operating mode "Combined heating and electricity production with heating system and solar collectors"
  • FIG. 18 shows the operating mode "Conventional CHP operation"
  • FIG. 19 shows the operating mode "power production from residual heat"
  • FIG. 21 shows a cost-effective embodiment of the heating system according to the invention.
  • the individual components of a heating system according to the invention and their inventive thermal coupling 5 are generally indicated: the heat generator 1, comprising a conventional heating system 2 and a thermal heat source 3, an optional heat and / or cold storage 4, a heat sink 6, the heat consumer 7, comprising a hot water heating apparatus 8, a heating circuit 9, and a thermodynamic cycle 10 used by means of a conversion system 11 for converting thermal energy into electrical energy for power production.
  • the operation of this heating system and its individual components is controlled by a central controller 12.
  • the control includes process-influencing control parameters which are continuously recorded by suitable sensors 13 and supplied to the controller 12.
  • the controller 12 is also able to estimate or forecast other parameters relevant to the control of the heating system based on the detected parameters and / or assumptions.
  • thermodynamic part 501 with a working medium
  • one or more pressure cylinders 502 a linear generator 503 having a magnet and a coil
  • controller 506 acting on both parts, which is part of the central controller 12
  • a rectifier and filter unit 504 which detects the conditions caused by the magnetic movement have generated voltage pulses to DC voltage
  • an inverter 505 which converts the DC voltage into an AC voltage suitable for feeding in the grid.
  • FIG. 3 shows a situation-controlled linear conversion system by means of a pressure cylinder 600, in which the two work cycles are completely independent of one another (in particular temporally); So there is no predetermined periodic clock sequence as in known multi-stroke engines. Rather, a single work cycle is initiated depending on the situation, i. only if certain criteria are met (in particular a sufficient pressure of the working medium), the controller 609 provides by opening or closing the terminals 605, 606, 607, 608 for the performance of a power stroke.
  • the four ports 605, 606, 607, 608, to which the lines 601, 602 are coupled to the work spaces 603, 604, may be selectively opened or closed by the controller 609. Which of the two working strokes (normal or reverse) is performed depends on the current position of the piston 608.
  • the expanding working fluid passes through the first conduit 601 into the first working space 603 of the pressure cylinder 600.
  • the control 609 opens the port 605 and closes the port 606.
  • the control 609 closes the port 608 of the second conduit and opens the port 607
  • a force F stroke is exerted on the piston 608, resulting in a movement of the piston 608 to the right (as shown in FIG. 3) while performing work.
  • This process which ends after a stroke of the piston 608, represents a "normal" power stroke of the pressure cylinder.
  • the controller 609 closes the open ports 606, 607 and opens the closed ports 605, 608, so that an oppositely directed Piston force -F HUb and a movement of the piston 608 to the left results.
  • the regulation of the volume (intake volume) flowing into the working spaces 603 or 604 by means of the control 609, in particular as a function of the available medium pressure or the usable expansion volume, enables a very high efficiency in the conversion of the thermodynamic energy into mechanical kinetic energy.
  • the control / regulation of the individual circulation processes and the linear generator takes place with the inclusion of process-influencing parameters (thermal energy supply, pressure and temperature of the working medium and the environment, fill levels, etc.), which are measured by a multiplicity of suitable sensors 610 (pressure -, temperature, level sensors, etc.) are provided and supplemented by forecasts.
  • the controller 609 (see the central controller 12) continuously monitors the overall situation taking into account these process-influencing parameters.
  • control 609 carries out various process controls, such as settings of the fill levels, flow rates of the working media, amount of energy / expansion volume of a work cycle, clock frequency, size of the clock stroke, cycle duration, etc.
  • various process controls such as settings of the fill levels, flow rates of the working media, amount of energy / expansion volume of a work cycle, clock frequency, size of the clock stroke, cycle duration, etc.
  • the controller 609 may also suspend the power generation process altogether if, based on the sensor data and / or forecasts, this may be expected to result in a higher overall energy conversion efficiency.
  • FIG. 4 illustrates an alternative rotation conversion system which may be used in place of the previously described linear conversion system.
  • the rotation conversion system is coupled to the thermodynamic cycle 701 where first the available thermal energy (heat energy) is converted to thermodynamic energy (vapor pressure). The vapor pressure is then reduced by means of a machine 702, such. As a pressure motor or a turbine, converted into rotational energy. The rotational energy is converted by means of the generator 703 into electrical energy, which A power converter 704 is finally converted into AC power for grid injection.
  • process-influencing control parameters are included, which are continuously detected by suitable sensors 706 and the controller 705 (part of the central controller 12) are supplied.
  • FIG. 5 is a schematic representation of the energy distribution management by means of a multiple use of the heat generator medium 100 according to the invention, which transports the sum of the generated energy of all heat generators 101, optionally transfers them to a heat storage 102 or absorbs heat energy stored there, and finally to each individual heat consumer 103 transmits.
  • FIG. 6 is a schematic representation of the power distribution management by means of a multiple use of the radiator circuit medium 150 according to the invention, to which the sum of the generated energy of all heat generators 152 is transmitted or optionally receives the heat energy stored in a heat storage 154 or the residual heat of the thermodynamic process 153 and finally to the radiators 151 transported.
  • FIG. 7 illustrates the schematic structure of a power producing solar heating according to the invention, which comprises the following components: a thermal solar collector assembly 50, at least one heat storage 51, a conventional heating system 52, such. As oil, gas, or Holzscheit- or wood pellet heating, a thermodynamic cycle 53, a conversion system 54 for the conversion of pressure energy into electrical energy, an available on the object heat sink 55, such. As a Erdsonden- or Erdkollektor- or ambient air cooling, and at least one radiator circuit 56, which z. B. can also be designed as floor or wall heating.
  • a central controller 57 regulates all circuits and the situation-dependent energy distribution.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the inventive power-producing solar heating according to FIG. 7 as a total structure, which comprises a common generator circuit 70, a common radiator circuit 71, a thermodynamic circuit 72 and components already described.
  • FIG. 9 describes the components and temperature levels contained in the overall construction according to FIG. 8, which are required for the operating mode "Exclusive solar direct power production”.
  • FIG. 10 describes the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG. 8, which are required for the operating mode "Exclusive power production from solar storage”.
  • FIG. 8 describes the components and temperature levels contained in the overall construction according to FIG. 8, which are required for the operating mode "cooling cold store.”
  • FIG. 12 describes the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG. 8, which are used for the operating mode "heating and DHW from solar collector heat”. required are.
  • FIG. 13 describes the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG. 8 which are required for the operating mode "heating with solar accumulator heat”.
  • FIG. 14 describes the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG. 8, which are required for the operating mode "filling solar tank and DHW”.
  • FIG. 15 describes the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG. 8, which are required for the "conventional heating and DHW" operating mode.
  • FIG. 8 shows the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG. 8 which are required for the operating mode "heating and DHW from solar collector and heating system.”
  • FIG. 17 describes the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG Heating and electricity production with heating system and solar collectors "are required.
  • FIG. 18 describes the components and temperature levels contained in the overall structure according to FIG. 8, which are required for the "conventional CHP operation" operating mode.
  • FIG. 19 describes the components and temperature levels contained in the overall construction according to FIG. 8, which are required for the operating mode "power production from residual heat”.
  • FIG. 20 illustrates advantageous utilization of the solar energy in changing operating modes with the preferred temperature ranges for the summer months, which enables maximum utilization of the solar energy for the purpose of power production, even with small storage volumes, by first using the store as a cold store (heat sink) in order to record the heat of condensation of the thermodynamic cycle in the operating mode a) "Exclusive solar power production” If this has reached a temperature level at which effective power generation is no longer possible, then the operating mode f) "Filling the solar tank” is changed Memory acts as a heat storage to accommodate the residual solar energy of a day by the heat storage temperature is brought to a level that allows efficient power generation at a later date when the solar panels reach a temperature level not in which they can act as a heat sink.
  • operating modes b) “Electricity production from solar storage” or k) "Electricity production from stored residual heat” the process anergy accumulated during the day makes an effective contribution to electricity generation, thus enabling the high degree of utilization of solar energy.
  • FIG. 20 shows a reduced and thus cost-effective design of the heating system without direct coupling of the generator circuit to the heating circuit, but with the operating modes b) "power production from solar storage” (FIG. 10), d) “heating and DHW from solar collector heat” (FIG ), g) “conventional heating and WW” ( Figure 15), h) “heating and WW from solar collector and heating system” ( Figure 16), k) "power production from stored residual heat” are not possible and the resulting disadvantages in the energy recovery
  • the fact that the process anergy accumulated during the day is primarily used for warm water heating and that the heat production for heating purposes is generally based on the operating mode j) "CHP operation" is used.
  • CHP operation is used.
  • the solar circuit instead of the solar circuit, other possibilities for a thermal primary energy supply can be used, for. B. the use of district heating.
  • the basic operating principle of the heating system according to the invention thereby does not change.
  • the invention has been described with reference to several embodiment

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Abstract

Ein Heizsystem für ein Objekt umfasst eine von einer Steuerung (12) geregelte thermische Kopplung (5) von wenigstens zwei Wärmeerzeugern (1), wobei ein erster Wärmeerzeuger (1) eine konventionelle Heizanlage (2) und ein zweiter Wärmeerzeuger (1) eine am Objekt verfügbare Wärmequelle (3) ist. Das Heizsystem umfasst ferner mehrere Wärmeverbraucher (7) zur wechselseitigen Wärme- und Stromproduktion. Einer der Wärmeverbraucher (7) weist ein auf einem thermodynamischen Kreisprozess (10), insbesondere einem ORC- oder Kalina-Prozess, basierendes Umwandlungssystem (11) für die Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom auf. Die im thermodynamischen Kreisprozess (10) auftretende Kondensationswärme wird entweder an weitere Wärmeverbraucher (7) oder an eine am Objekt verfügbare thermische Wärmesenke (6) übertragen.

Description

Strom produzierendes Heizsystem
Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für ein Objekt, mit einer von einer Steuerung geregelten thermischen Kopplung von wenigstens zwei Wärmeerzeugern, wobei ein erster Wärmeerzeuger eine konventionelle Heizanlage und ein zweiter Wärmeerzeuger eine am Objekt verfügbare Wärmequelle ist, und mit mehreren Wärmeverbrauchern zur wechselseitigen Wärme- und Stromproduktion.
Für die nachfolgende Beschreibung wird auf die angehängte "Liste verwendeter Begriffe und deren Bedeutungen" und die "Abkürzungsliste" hingewiesen.
In der Broschüre „Die HTP-Solar POWERSTATION®" (Stand Februar 2007) der HTP-Solar GmbH, Hückelhoven, wird ein Konzept für ein gattungsgemäßes Heizsystem für Wohnobjekte vorgestellt. Wesentliche Komponenten dieses Systems sind Solarkollektoren, ein Warmwasserspeicher, eine Solar/Luft-Wärme- pumpe und ein Wärmewandler. Wie bei gängigen Solaranlagen wird die Sonneneinstrahlung von den Solarkollektoren in Wärme umgewandelt und an die Solar- kollektor-Flüssigkeit abgegeben. Die Wärme wird direkt dem Warmwasserspeicher zur Erwärmung von Brauchwasser zugeführt. Bei mangelnder Sonneneinstrahlung werden die Solarkollektoren weiterhin zur Absorption der Umgebungsenergie (bestimmt durch die Umgebungstemperatur) genutzt. In diesem Fall gibt die Solarkollektor-Flüssigkeit die absorbierte Energie (Wärme) an die als Solar- Wärmepumpe betriebene Wärmepumpe ab. Die Wärmepumpe pumpt diese Wärme unter Einsatz technischer Arbeit auf ein ausreichend hohes Niveau, das zur Erwärmung des Brauchwassers im Warmwasserspeicher und zum Heizen des Wohnobjekts geeignet ist. Wenn die Solarkollektoren hierfür witterungsbedingt nicht genügend Energie absorbieren können, wird die Wärmepumpe als Luft-Wärmepumpe betrieben. In dieser Betriebsart wird Energie aus der Umgebung über einen integrierten Luft-Wärmetauscher zur Wassererwärmung und zum Heizen des Wohnobjekts zur Verfügung gestellt.
Eine Besonderheit dieses Systemkonzepts ist der Wärmewandler, der (insbesondere im Sommer vorhandene) überschüssige Wärmeenergie der Solarkollek- tor-Flüssigkeit in elektrischen Strom umwandeln kann. Unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts (zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters, die verschiedene Temperatur haben, entsteht eine elektrische Spannung) wird in einem Leiterkreis durch Erwärmen einer Stelle mit Sonnenkollektor-Flüssigkeit und Kühlen einer anderen Stelle durch Außenluft eine Thermospannung erzeugt, die ei- nen Gleichstrom fließen lässt. Mit Hilfe eines speziellen Wechselrichters wird der Gleichstrom in Wechselstrom mit einer Ausgangsspannung von 230 V und einer Frequenz von 50 Hz umgewandelt. Über einen Zähler kann der Wechselstrom in das Netz eines Stromversorgers eingespeist werden.
Eine andere Möglichkeit, mit Hilfe einer Solaranlage eines Heizsystems Strom zu erzeugen besteht darin, die von der Solaranlage gelieferte thermische Energie zunächst in mechanische Bewegungsenergie umzuwandeln, welche dann wiederum in elektrischen Strom umgewandelt wird. Dabei wird die Wärme der aufgeheizten Solarkollektor-Flüssigkeit vom Solarkreislauf über einen Wärmetauscher an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs abgegeben. Die dadurch erreichte Verdampfung des Kühlmittels führt zu einer starken Volumenvergrößerung des Kühlmittels, die zum Antrieb einer Turbine oder eines Kolbenmotors genutzt werden kann. Die für den Kühlmittelkreislauf erforderliche Volumenkontraktion des Kühlmittels durch Abkühlung und Kondensation erfolgt in einem Kondensator in kälterer Umgebung. Mittels einer Pumpe wird das flüssige Kühlmittel verdichtet und wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Die Effizienz der Umwandlung der thermischen Energie in Bewegungsenergie ist bei solchen Systemen generell durch den Carnot-Wirkungsgrad begrenzt. Außerdem treten neben unvermeidlichen thermischen Verlusten auch Verluste auf, die dadurch bedingt sind, dass für solche Prozesse als Arbeitsmedium kein ideales Gas verwendet werden kann. Die Stromerzeugung mit einem solchen System ist bislang schon alleine deshalb nicht rentabel, weil die Auswirkungen der sich dynamisch ändernden Solarenergiezufuhr und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Gesamtum- wandlungseffizienz (insbesondere die Verluste bei häufigem Anlaufen, etc.) das Systemkonzept überfordern. Dem kann in gewissem Maße durch Vorsehen eines Wärmespeichers begegnet werden. Allerdings führt die sich dynamisch ändernde Solarenergiezufuhr zur Mischung von Arbeitsmedium-Mengen mit verschiedenen Temperaturen, was bei niedrigeren Mischtemperaturen aufgrund der überproportionalen Reduktion des Carnot-Wirkungsgrades eine unbefriedigende Gesamt- umwandlungseffizienz bedeutet. Insgesamt sind für eine wirtschaftliche Stromerzeugung bei thermischen Kleinanlagen (insbesondere für Wohnobjekte) folgende Randbedingungen und Anforderungen zu berücksichtigen:
- Ein hoher Camot-Wirkungsgrad ist nur bei hohen Temperaturunterschieden erzielbar;
- im Falle einer Solaranlage als Primärwärmequelle: je höher die Solarkollektortemperatur ist, desto höher sind die Gestehungskosten und die thermischen Verluste in den Solarkollektoren;
- ein Kreisprozess mit Wasserdampf als Arbeitsmedium ist nur effizient bei sehr hohen Primär-Temperaturen (>200 0C);
- für kleine Niederdruck-Anlagen fehlt es bislang an einem geeigneten System zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrischen Strom;
- für die Kreislauf-Prozesse sind sehr hohe Kühlleistungen erforderlich: niedrige Temperaturen sind aber nur über hohe Gestehungskosten (z. B. Erdsonden- Wasserkühlkreislauf) möglich; und
- bei Wohnobjekten ist nur eine geringe Lärmemission akzeptabel.
Des Weiteren ist das Problem zu lösen, wie die verschiedenen Wärmeerzeuger, Wärmespeicher und Wärmeverbraucher am günstigsten miteinander thermisch gekoppelt werden können. Die Erfindung schafft ein Heizsystem, das den o.g. Anforderungen gerecht wird.
Gemäß der Erfindung ist bei einem Heizsystem der eingangs genannten Art vorgesehen, dass einer der Wärmeverbraucher ein auf einem thermodynami- schen Kreisprozess, insbesondere einem ORC- oder Kalina-Prozess, basieren- des Umwandlungssystem für die Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom aufweist, und dass die im thermodynamischen Kreisprozess auftretende Kondensationswärme entweder an weitere Wärmeverbraucher oder an eine am Objekt verfügbare thermische Wärmesenke übertragen wird.
Die Erfindung zielt primär auf ein Heizsystem für Wohnobjekte ab, mit dem die Räume des Objekts und/oder das Brauchwasser des Objekts (Wärmever- braucher) beheizt werden. Erstmals wird ein System vorgeschlagen, bei dem „im kleinen Rahmen" (d. h. nicht im Großanlagen- bzw. Kraftwerkbau) eine konventionelle Heizanlage mit einem thermodynamischen Kreislauf, beispielsweise mit einem ORC-Kreislauf (Organic Rankine Cycle) kombiniert wird, um auf diese Weise eine effiziente Option zur Erzeugung von elektrischem Strom zu schaffen. Bislang wurden ORC-Anlagen selten im Kleinlastbereich eingesetzt, da der Wirkungsgrad herkömmlicher ORC-Anlagen in diesem Bereich allgemein als zu gering angesehen wird.
In der Regel besteht bei einer solarunterstützten Heizanlage ein inverses Ver- hältnis zwischen der Verfügbarkeit der solaren Primärenergie und dem Heizbedarf, d. h. im Sommer steht zwar viel Primärenergie zur Verfügung, es besteht aber kaum oder nur wenig Heizbedarf, während im Winter das Umgekehrte gilt. Die Erfindung nutzt gerade dieses inverse Verhältnis aus, und zwar dahingehend, dass die überschüssige Primärenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird. Durch eine mehrfache Ressourcen-Doppelnutzung der bereits in der solarunterstützten Heizanlage vorhandenen Komponenten, der Solarkollektoren, der Wärmespeicher, der Heizanlage und der Heizkörper, sind hierbei nur die Gestehungskosten des Umwandlungssystems plus lohnenswerte Erweiterungen, wie zusätzliche Kollektorfläche und Speichervolumen, zur Solarstromproduktion auf- zubringen. Es wird vorteilhaft eine hohe Gesamtsystemauslastung der kostenintensiven Kollektorfläche erreicht, da es im Sommer kein Überangebot an Solarwärme mehr gibt und im Winter das Solarangebot über die Heizanlage nutzbar gemacht wird.
Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass die Komponenten der Heizanlage in den Prozess der Stromgewinnung einbezogen werden, so dass die Ressourcen der Heizanlage doppelt genutzt werden können. Dies reduziert die Gesamtgestehungskosten erheblich und ermöglicht eine effizienzsteigernde hohe Gesamtsystemauslastung. Das Gleichgewicht zwischen der thermischen Energieerzeugung und dem thermischen Energiebedarf wird dabei von der Steuerung vorzugsweise nach folgender Formel periodisch ermittelt und eingestellt:
EHeiz(t) + EWq (t) = Eww(t) + EHW (t) + ETHDγ(t) + ERes,(t).
Durch die thermische Ankopplung einer am Objekt befindlichen Wärmesenke an den thermodynamischen Kreisprozess wird eine maximale Temperatursprei- zung zwischen dem Temperaturniveau der am Objekt befindlichen thermischen Quelle (TWq) und dem Temperaturniveau einer am Objekt befindlichen Wärmesenke (Tws) erreicht.
Der theoretisch mögliche Carnot-Wirkungsgrad bei der Umwandlung der ther- mischen Energie ergibt sich somit aus der Formel:
Η CARNOT = 1 — Tyvs / Twq
Eine Steuerung stellt zu jedem Zeitpunkt eigenständig, aufgrund von Sensoren zur Erfassung von prozessbeeinflussenden Parametern, den jeweils günstigsten Betrieb durch Veränderungen an den Prozessregelgrößen (wie z. B. Durchlaufgeschwindigkeit der Kreisläufe, etc.) ein.
Die Stromgewinnung mit Hilfe des thermodynamischen Kreisprozesses erfolgt dadurch, dass das Arbeitsmedium, vorzugsweise ein Kühlmittel mit niedrigem Siedepunkt, verdampft wird, wobei durch die Verdampfung ein hoher Druck entsteht. Dieser kann in Form von Volumenänderungsarbeit bei der Expansion des Gases in mechanischer Bewegungsenergie entnommen und dabei in elektrische Energie umgewandelt werden. Durch die Verwendung eines für den thermodynamischen Kreisprozess geeigneten Mediums, z. B. R245fa oder ein speziell für diese Anwendung entwickeltes ORC-Medium, das sich neben den erforderlichen guten Wärmeübertragungseigenschaften, auch dadurch auszeichnet dass im Medium im erforderlichen Kondensations-Temperaturbereich kein Unterdruck relativ zum Umgebungsdruck entsteht, da die im Unterdruck technisch auf Dauer nur schwer zu vermeidenden eindringende Luft die des Effizienz thermodynamischen Kreisprozess reduziert. Des Weiteren sollte vor der Expansion nur eine möglichst geringe Überhitzung des verdampften Gases nötig sein, da die bei der Überhitzung hinzugefügte Energie die Energieausbeute des thermodynamischen Kreisprozesses nicht steigert.
Für das erfindungsgemäße Heizsystem ist eine Steuerung vorgesehen, welche vorzugsweise aufgrund von Sensordaten jeden Wärmeaustausch zwischen einzelnen Komponenten des Heizsystems durch eine Regelung der auftretenden Wärmeströme so einstellt, dass eine möglichst effektive und vollständige Übertragung der Wärmeenergie des jeweils wärmeren Mediums auf das jeweils kältere stattfindet. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Heizsystem so aufgebaut, dass ein oder mehrere Wärme- und/oder Kältespeicher sowohl an einen oder mehrere Wärmeenergieerzeugerkreisläufe als auch an einen oder mehrere Verbraucherkreisläufe thermisch gekoppelt ist/sind, wodurch eine mehrfache und effektive Nutzung gespeicherte Wärmeenergie ermöglicht wird. Das Gleichgewicht zwischen der thermischen Energieerzeugung und dem thermischen Energiebedarf wird dabei von der Steuerung nach folgender Formel periodisch ermittelt und eingestellt.
EHeiz(t) + Ew, (t) + Espouτ(t) = Eww(t) + EHW W + ETHDγ(t) + ESp ιN(t) + ERes,(t). Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung eines möglichst additiv ausgeführten Wärmespeichers mit unterschiedlichen Temperaturniveaus, bei dem sowohl erzeuger- als auch verbraucherseitig (sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf) ein Wärmeaustausch jeweils auf einem wählbaren, im Wärmespeicher verfügbaren bestmöglichen Temperaturniveau stattfindet. Auch können platzspa- rende Latentwärmespeicher mit einem Speichermedium, welches einen Phasenwechsel (vorzugsweise von fest nach flüssig) im erforderlichen Speichertemperaturbereich vollzieht, oder thermochemische Wärmespeicher verwendet werden.
Eine weitere Besonderheit einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizsystems besteht darin, dass ein im Wärmespeicher oder an der am Objekt verfügbaren Wärmequelle (TWq) vorherrschendes Niedertemperaturniveau, das höher als die Temperatur der Wärmesenke (TWs) ist, sowohl zur Stromproduktion als auch zur Heizwärmegewinnung nutzbar gemacht wird, indem die konventionelle Heizanlage das vorhandene Niedertemperaturniveau um den verbleibenden Temperaturbereich bis zu einer verbrauchsabhängigen SoII- temperatur weiter erwärmt.
Der Gesamtaufbau des Heizsystems sollte so gestaltet sein, dass jeder Wärmeenergieerzeuger einzeln oder in thermisch additiver Kopplung mit anderen Erzeugern oder Speichern, jeden beliebigen Wärmeverbraucher einzeln oder mehrere Verbraucher gleichzeitig mit thermischer Energie versorgen kann. Diese Anforderung wird im Gesamtaufbau technisch so realisiert, dass jeder Wärmeerzeuger mit jedem Wärmeverbraucher, jedem Wärmespeicher oder mit jedem anderen Wärmeerzeuger direkten Wärmeaustausch betreibt. Im Falle gleicher Wärmeträgermedien ist vorzugsweise ein kostengünstiger Mediumsaustausch vorgesehen. Um allgemein die Energieübertragungseffizienz zu erhöhen, werden bei der Wärmeübertragung von unterschiedlichen Medien gegenläufige Wärmetauscher bevorzugt.
Somit kann das erfindungsgemäße Heizsystem wahlweise in einer ersten Be- triebsart, in der die von dem einem oder mehreren Wärmeerzeugern erzeugte oder gespeicherte Wärme zum Beheizen oder zum Füllen der Wärmespeicher produziert wird, in einer zweiten Betriebsart, in der die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreisprozess zur Stromproduktion zugeführt wird, oder einer dritten Betriebsart, in der die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreis- prozess zur Stromproduktion zugeführt wird, wobei die aus dem thermodynamischen Kreisprozess entstehende Restwärme zum Beheizen verwendet oder gespeichert wird, betrieben werden.
Die Steuerung des Heizsystems bestimmt dabei selbsttätig anhand vorher festgelegter Kriterien, in welcher der Betriebsarten das Heizsystem betrieben wird. Auch kann die Steuerung Informationen vom Stromversorger des Objekts dazu verwenden, um die Stromproduktion in besonders lohnenswerten Zeiträumen zu ermöglichen. Diese Informationen können auch prognostizierte Daten bezüglich der zu erwartenden Sonneneinstrahlung beinhalten.
Die bevorzugte Option für die Stromerzeugung ist ein an den thermodynami- sehen Kreisprozess gekoppeltes, lineares Umwandlungssystem mit einem oder mehreren Druckzylindern, einem Lineargenerator, einer Filter- und Gleichrichteinheit zur Umwandlung thermodynamischer Energie in elektrische Energie. Das lineare Umwandlungssystem sieht eine an den thermodynamischen Kreisprozess gekoppelte und daraufhin speziell abgestimmte Kolben-Zylinder-Einheit zur Um- Wandlung der thermodynamischen Energie zunächst in Bewegungsenergie vor, die dann mittels eines ebenfalls speziell für diese Anwendung abgestimmten Lineargenerators elektrische Energie erzeugt, welche mittels eines Netzrichters in eine zur Netzeinspeisung geeignete Wechselspannung umgewandelt wird. Eine geeignete Druckzylinder-Lineargenerator-Anordnung zeichnet sich sowohl durch eine hohe Gesamtumwandlungseffizienz, niedrige Gestehungskosten, leisen Betrieb als auch durch eine lange Lebensdauer aus, da Quer- und Rotationskräfte nicht existieren. Ein weiterer Vorteil dieses Linearsystems, ergibt sich daraus, dass der Kolben Kolben-Zylinder-Einheit durch Einströmen des Arbeitsmediums in einen Arbeitsraum des Druckzylinders bewegt wird und die Steuerung nach Auswertung von Sensordaten automatisch Beginn und Dauer des Einströmens bestimmt und da- durch eine Umwandlung mit einem unter den gegebenen Umständen maximal erzielbaren Wirkungsgrad veranlasst.
Grundsätzlich ist aber auch eine Stromerzeugung mit einem an den thermo- dynamischen Kreisprozess gekoppelten Umwandlungssystem mit einer Maschine, insbesondere einem daraufhin speziell abgestimmten Druckluftmotor oder einer Turbine, zur Umwandlung von Druckenergie zunächst in Rotationsenergie, welche mittels eines ebenfalls speziell für diese Anwendung abgestimmten Generators dann in elektrische Energie gewandelt wird.
Bei dieser Ausführungsform kann ferner ein Einlassventil am Umwandlungssystem von thermodynamischer Energie in Rotationsenergie vorgesehen sein, das von der Steuerung nur dann geöffnet wird, wenn aufgrund von Sensordaten ein vorher festgelegter hoher Wirkungsgrad für die Umwandlung erzielbar ist. Die Verluste durch häufigen Anlauf und Abschaltung können durch einen Abschaltmechanismus, der den Generator als Last für das Umwandlungssystem dann abschaltet, wenn das Einlassventil nicht geöffnet ist, verringert werden, da somit während der Unterbrechung eine lastfreie Rotation im Leerlauf fortgesetzt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit diese bei Rotationssystemen auftretenden Verluste zu minimieren ist die Verwendung eines Scroll-Expanders oder einer DiPietro- Engine als Motor und die Verwendung eines RMT-Generators. Beide Komponen- ten zeichnen sich in dem erforderlichen Leistungsbereich bereits bei niedrigen Drehzahlen sowohl durch einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung, als auch durch sehr geringe Anlauf- und Abschaltverluste aus.
Selbstverständlich kann die am Generator erzeugte elektrische Spannung auch anderweitig verwendet werden. Anstatt der Erzeugung von Netzspannung können mittels eines geeigneten Konverters Batterieladespannungen, z. B. für
Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, oder geeignete Spannungen, um damit mittels Elektrolyse Wasserstoff zu gewinnen, erzeugt werden. Auch kann die vom Umwandlungssystem erzeugte kinetische Energie anderweitig, z. B. zur Kühlung von Raumluft mittels einer „Kältemaschine" verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Besonderheit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizsystems ist eine kostengünstige Realisierung der erforderlichen direkten thermischen Kopplung jedes Wärmeerzeugers mit jedem Wärmeverbraucher und Wärmespeicher durch Mehrfachnutzung eines gemeinsamen Wärmeträgermediums gegeben. Indem das Wärmeträgermedium jeden Wärmeerzeuger durchfließt, sind keine Wärmetauscher zwischen den Wärmeerzeugern erforderlich. Weiterhin kann das Wärmeträgermedium, jeweils angekoppelt über einen Wärmetauscher, auch als Transportmedium zum Transport der erzeugten Wärmeenergie zu jedem einzelnen Wärmeverbraucher und von und zum Wärmespeicher genutzt werden, wobei das Wärmeträgermedium zusätzlich oder alternativ auch als Speichermedium dienen kann. Der Energiefluss der über dieses Medium transportiert wird, wird von der Steuerung vorzugsweise nach fol- gender Formel periodisch ermittelt und eingestellt:
EHe,z(t) + EWq (t) + EEΓZ SP OUTW = Eww(t) + EHW (t) + ETHDγ(t) + EErz Sp lN(t)
Dasselbe Verfahren kann auch verbraucherseitig angewandt werden. Für die direkte thermische Kopplung der Wärmespeicher an jeden Verbraucher wird ein Heizkörperkreislauf-Medium als gemeinsames Wärmeträgermedium zum Wär- metransport zu und von den Wärme-, und Kältespeichern mehrfach genutzt, wobei das Heizkörperkreislauf-Medium vorzugsweise, da kostengünstig, gleichzeitig als Speichermedium und/oder zusätzlich als Transportmedium für den Transport der erzeugten Wärmeenergie und der Restwärme des thermodynamischen Kreisprozesses genutzt wird. Der Energiefluss, den dieses Medium transportiert, wird von der Steuerung nach folgender Formel periodisch ermittelt und eingestellt:
EErz (t) + EHz Sp OUτ(t) + EτHDY-Rest(t) = Eκw (t)-
Eine mögliche Zielapplikation ist eine „Strom produzierende Solarheizanlage" für ein Wohnobjekt, umfassend eine thermische Kopplung von thermischen So- larkollektoren mit einer konventionellen Heizanlage, einen oder mehrere Wärmespeicher, einen thermodynamischen Kreisprozess, ein vorstehend beschriebenes Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie und eine thermische Wärmesenke, z. B. ein Luftfeuchte-Wärmetauscher, ein Erdkollektor, eine Erdsonde, ein Gewässer, eine Luftkühlung oder ein Kältespeicher.
Eine deutliche Kostenersparnis ist beim erfindungsgemäßen Heizsystem da- durch erreichbar, wenn systembedingt auf die Anschaffung der thermischen Wärmesenke verzichten werden kann, indem bereits vorhandene Komponenten in einer Doppelfunktion als Wärmesenke verwendet werden. Erstens kann dazu die von den bereits vorhandenen thermischen Solarkollektoren in der Nacht aufgenommen Umgebungskühle verwendet und für die Bereitstellung dieser Kälte tag- süber zur Solarstromproduktion im bereits vorhandenen Speicher zwischengespeichert werden. Zweitens kann diese Funktion (zumindest teilweise) auch durch den in einer konventionellen Heizanlage bereits vorhandenen Heizkessel (über den Kamin gekühlt) übernommen werden. Drittens kann diese Funktion (zumindest teilweise) auch durch Heizkörper oder eine Fußbodenheizung erfüllt werden. Ein spezieller Heizkörper im Waschraum, der immer dann mit Restwärme beheizt wird, wenn Solarstrom produziert wird, könnte beispielsweise nebenbei auch zur Wäschetrocknung genutzt werden.
Dadurch ist ein Aufbau des erfindungsgemäßen Heizsystems als „Strom produzierende Solarheizung" aus einer beliebigen Kombination der vorhergehend beschriebenen Kostenersparnis durch die vereinheitlichten Wärmeerzeuger- und Heizkörperkreiskreisläufe und der Doppelfunktion bereits in der konventionellen Heizanlage vorhandenen Komponenten in der Funktion als Wärmesenke möglich. Um eine maximale Energieausbeute zu erreichen, sollte der Aufbau weiterhin so gestaltet sein, dass über Ventile alle nicht an dem vorherrschenden Be- triebszustand beteiligten Wärmeerzeuger oder Wärmeverbraucher oder Wärmespeicher so abgekoppelt werden, dass sie nicht mehr durchströmt werden, die Kreisläufe aber dennoch geschlossen bleiben.
Vorzugsweise ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Heizsystems so ausgelegt, dass dieses in einer oder mehreren der nachfolgend charakterisierten Be- triebsarten betrieben werden kann. Zur Optimierung der Energieausbeute sollte die jeweils günstigste Temperaturspreizung Verwendung finden. In den folgenden Tabellen werden die unvermeidlichen thermischen Verluste bei der Wärmeübertragung vernachlässigt und ein bevorzugter Temperaturbereich angegeben, welche später im Zusammenhang mit den angegebenen Figuren näher erläutert werden. a) Betriebsart „Ausschließliche Solarstromproduktion"
Figure imgf000013_0001
b) Betriebsart „Stromproduktion aus Solarspeicher"
Figure imgf000013_0002
c) Betriebsart „Kältespeicher kühlen"
Figure imgf000013_0003
d) Betriebsart „ Heizen und WW aus Solarkollektorwärme
Figure imgf000013_0004
e) Betriebsart „Heizen mit Solarspeicher Wärme"
Figure imgf000014_0001
f) Betriebsart „Solarspeicher füllen und WW"
Figure imgf000014_0002
g) Betriebsart „Heizen und WW mit Heizanlage"
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h) Betriebsart „Kombiniertes Heizen mit Heizanlage und Solarkollektoren"
Figure imgf000014_0004
i) Betriebsart „Kombiniertes Heizen und Stromproduktion mit Heizanlage und Solarkollektoren"
Figure imgf000014_0005
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j) Betriebsart „BHKW Betrieb: Kombiniertes Heizen und Stromproduktion ausschließlich aus Heizanlage"
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k) Betriebsart „Stromproduktion aus gespeicherter Restwärme"
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I) Betriebsart „Stillstand": In dieser Betriebsart sind alle Kreisläufe inaktiv. Selbstverständlich können aus den obigen Tabellen aus der Kombination mehrerer Betriebsarten oder durch das Weglassen eines Erzeugers, Speichers oder Verbrauchers in manchen Betriebsarten weitere Betriebsarten gebildet werden, welche aber hier nicht weiter erläutert werden sollen.
Wie das Heizsystem betrieben wird, hängt von der aktuellen Situation ab. In der Regel ist die Produktion von Heizenergie effizienter als die Produktion von Strom. Die Steuerung berücksichtigt aber bei der Betriebswahl u. a. auch das Primärenergieangebot, den (prognostizierten) Heizenergiebedarf, den zeitabhängigen Nutzungsgrad des Wärmespeichers und das Verhältnis zwischen dem Ertrag für eingespeisten Strom und den effektiven Heizkosten. Die Steuerung sorgt für ein Energiemanagement zur situtationsabhängigen Energieverteilung unter Berücksichtigung ermittelter und prognostizierter prozessbeeinflussender Parameter.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist auch eine Folge von verschiedenen Betriebsarten zum Zwecke einer optimalen Verwertung der Solarenergie vorgesehen. Beispielsweise wird in Figur 20 eine im Sommerbetrieb vorteilhafte Se- quenz der Betriebsarten dargestellt, welche eine maximale Verwertung der Solarenergie zum Zwecke der Stromproduktion auch bei kleinen Speichervolumen dadurch ermöglicht, dass ein Speicher zunächst als Kältespeicher (Wärmesenke) verwendet wird, um in der Betriebsart a) „Ausschließliche Solarstromproduktion" die Kondensationswärme des thermodynamischen Kreisprozesses aufzuneh- men. Hat dieser ein Temperaturniveau erreicht, bei der eine effektive Stromerzeugung nicht mehr möglich ist, dann wird in die Betriebsart f) „Solarspeicher füllen" gewechselt, in welcher der Speicher als Wärmespeicher fungiert, um die restliche Solarenenergie eines Tagesverlaufs aufzunehmen, indem die Wärmespeichertemperatur auf ein Niveau gebracht wird, welches eine effiziente Strom- erzeugung zu einem späteren Zeitpunkt erlaubt, sobald die Solarkollektoren ein Temperatumiveau erreicht haben, in welcher sie als Wärmesenke fungieren können. In den Betriebsarten b) „Stromproduktion aus Solarspeicher" oder k) „Stromproduktion aus gespeicherter Restwärme" leistet somit die tagsüber akkumulierte Prozess-Anergie einen effektiven Anteil zur Stromerzeugung und er- möglicht so den hohen Grad der Verwertung der Solarenergie.
Eine weitere Zielapplikation der Erfindung als eine „Strom produzierende Solarheizanlage" für ein Wohnobjekt ergibt sich durch einen reduzierten und damit kostengünstigen Aufbau des Heizsystems (vgl. Figur 20) ohne direkte Kopplung des Erzeugerkreislaufs mit dem Heizkreislauf, bei dem jedoch die Betriebsarten b) „Stromproduktion aus Solarspeicher" (Figur 10), d) „Heizen und WW aus Solarkollektorwärme" (Figur 12), g) „Konventionelles Heizen und WW" (Figur 15), h) „Heizen und WW aus Solarkollektor und Heizanlage" (Figur 16), k) „Stromproduk- tion aus gespeicherter Restwärme" nicht möglich sind und die daraus resultierenden Nachteile bei der Energieverwertung dadurch verringert werden, dass die tagsüber akkumulierte Prozess-Anergie vorrangig zur Warmwasser-Erwärmung verwendet wird und bei der Wärmeproduktion zu Heizzwecken grundsätzlich die Betriebsart j) „BHKW-Betrieb'' verwendet wird. Weitere Vorteile entstehen durch die Verwendung von Solarkollektoren, welche sich durch möglichst geringe Verluste bei hohen Kollektortemperaturen (höher 100 0C) auszeichnen, wie z. B. Vakuum-Kollektoren, um somit eine möglichst hohe Verdampfungstemperatur des Mediums des thermodynamischen Kreisprozesses (TTHDY-OUT) ZU ermöglichen. Weitere erfindungsgemäße Vorteile entstehen durch einen mehrstufigen Solarkollektoraufbau, welcher eine Serienschaltung eines preisgünstigen Kollektortyps, der für die Temperaturanhebung im Niedertemperaturbereich (>TWs) zuständig ist und sich aufgrund der geringen thermischen Isolierung im Nachtbetrieb als Wärmesenke eignet, und eines vorhergehend beschriebenen Kollektor- typs (z. B. Vakuum-Kollektoren), zuständig für den höheren Temperaturbereich, umfasst.
Eine weitere Zielapplikation der Erfindung als eine „Strom produzierende So- larHeizanlage" für ein Wohnobjekt ergibt sich, wenn die konventionelle Heizanlage eine solarunterstützte Wärmepumpen-Heizanlage ist, mit der zwar die Vorteile aus einem BHKW-Betrieb und den daraus folgenden Betriebsarten nicht möglich sind, aber dennoch vorteilhaft ist, da die erforderliche Wärmesenke aus einer Doppelfunktion der bereits vorhandenen Erdkollektoren bzw. Erdsonden realisiert ist.
Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemä- ßen Heizsystems ergeben sich aus den Unteransprüchen. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 eine schematische Darstellung der thermischen Kopplungen aller beteiligten Komponenten und den damit verbundnen Aufgaben des intelligenten
Energieverteilungsmanagements des erfindungsgemäßen Heizsystems;
- Figur 2 eine schematische Darstellung eines möglichen linearen Umwandlungssystems von thermischer in elektrische Energie;
- Figur 3 eine schematische Darstellung der erforderlichen Komponenten eines möglichen situationsgesteuerten linearen Umwandlungssystems von thermischer in elektrische Energie;
- Figur 4 eine schematische Darstellung eines möglichen Rotations- Umwandlungssystems von thermischer in elektrische Energie;
- Figur 5 eine schematische Darstellung des Energieverteilungsmanage- ments bei Mehrfachnutzung des Wärmeerzeuger-Mediums;
- Figur 6 eine schematische Darstellung des Energieverteilungsmanagements bei Mehrfachnutzung des Heizkreislaufs-Mediums;
- Figur 7 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Strom produzierenden Solarheizung; - Figur 8 eine technische Ausführung der erfindungsgemäßen Strom produzierenden Solarheizung;
- Figur 9 die Betriebsart „Ausschließliche solare direkte Stromproduktion";
- Figur 10 die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Solarspeicher"; - Figur 11 die Betriebsart „Kältespeicher kühlen";
- Figur 12 die Betriebsart „Heizen und WW aus Solarkollektorwärme";
- Figur 13 die Betriebsart „Heizen mit Solarspeicher-Wärme";
- Figur 14 die Betriebsart „Solarspeicher füllen und WW"; - Figur 15 die Betriebsart „Konventionelles Heizen und WW";
- Figur 16 die Betriebsart „Heizen und WW aus Solarkollektor und Heizanlage";
- Figur 17 die Betriebsart „Kombiniertes Heizen und Stromproduktion mit Heizanlage und Solarkollektoren";
- Figur 18 die Betriebsart „Konventioneller BHKW-Betrieb";
- Figur 19 die Betriebsart „Stromproduktion aus Restwärme";
- Figur 20 die Solare Energieverwertung im Tagesverlauf (Sommerbetrieb) und bevorzugte Temperaturbereiche; und - Figur 21 eine kostengünstige Ausführung des erfindungsgemäßen Heizsystems.
In Figur 1 sind allgemein die einzelnen Komponenten eines erfindungsgemäßen Heizsystems und deren erfindungsgemäße thermische Kopplung 5 angegeben: die Wärmeerzeuger 1 , umfassend eine konventionelle Heizanlage 2 und eine thermischen Wärmequelle 3, ein optionaler Wärme- und/oder Kältespeicher 4, eine Wärmesenke 6, die Wärmeverbraucher 7, umfassend eine Apparatur zur Warmwassererhitzung 8, einen Heizwärmekreislauf 9 und einen thermodynami- schen Kreisprozess 10, welcher mittels eines Umwandlungssystems 11 zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie zur Stromproduktion verwendet wird. Gesteuert wird der Betrieb dieses Heizsystems und dessen einzelner Komponenten von einer zentralen Steuerung 12. In die Steuerung werden prozess- beeinflussende Steuerparameter einbezogen, die von geeigneten Sensoren 13 laufend erfasst und der Steuerung 12 zugeführt werden. Die Steuerung 12 ist auch in der Lage, auf der Grundlage der erfassten Parameter und/oder bestimm- ter Annahmen andere für die Steuerung des Heizsystems relevante Parameter zu schätzen oder zu prognostizieren.
Die in Figur 2 dargestellte Anlage umfasst einen thermodynamischen Teil 501 mit einem Arbeitsmedium einen oder mehreren Druckzylinder 502, einen Lineargenerator 503, der einen Magneten und eine Spule aufweist, einer auf beide Tei- Ie einwirkende Steuerung 506, die Teil der zentralen Steuerung 12 ist, einer Gleichrichter- und Filtereinheit 504, welche die durch die Magnetbewegung er- zeugten Spannungsimpulse in Gleichspannung umwandelt, und einem Wechselrichter 505, welcher die Gleichspannung in eine zur Netzeinspeisung geeignete Wechselspannung wandelt.
In Figur 3 wird eine situationsgesteuertes lineares Umwandlungssystem mit- tels eines Druckzylinders 600 dargestellt, bei dem die beiden Arbeitstakte völlig unabhängig voneinander sind (insbesondere zeitlich); es ist also keine vorab festgelegte periodische Taktfolge vorgesehen wie bei bekannten Mehrtaktmotoren. Vielmehr wird ein einzelner Arbeitstakt situationsbedingt eingeleitet, d.h. nur wenn bestimmte Kriterien erfüllt sind (insbesondere ein ausreichender Druck des Arbeitsmediums), sorgt die Steuerung 609 durch Öffnen bzw. Schließen der Anschlüsse 605, 606, 607, 608 für die Durchführung eines Arbeitstaktes. Die vier Anschlüsse 605, 606, 607, 608, mit denen die Leitungen 601 , 602 an die Arbeitsräume 603, 604 gekoppelt sind, können von der Steuerung 609 selektiv geöffnet oder geschlossen werden. Welcher von beiden Arbeitstakten (normaler oder ge- genläufiger) durchgeführt wird, hängt von der aktuellen Position des Kolbens 608 ab.
Das expandierende Arbeitsmedium gelangt über die erste Leitung 601 in den ersten Arbeitsraum 603 des Druckzylinders 600. Die Steuerung 609 öffnet hierzu den Anschluss 605 und schließt den Anschluss 606. Gleichzeitig schließt die Steuerung 609 den Anschluss 608 der zweiten Leitung und öffnet den Anschluss 607. Dadurch wird auf den Kolben 608 eine Kraft FHub ausgeübt, was unter Verrichtung von Arbeit zu einer Bewegung des Kolbens 608 nach rechts (gemäß der Darstellung in Figur 3) führt. Dieser Vorgang, der nach einem Hub des Kolbens 608 endet, stellt einen „normalen" Arbeitstakt des Druckzylinders dar. Im gegenläufigen Arbeitstakt schließt die Steuerung 609 die offenen Anschlüsse 606, 607 und öffnet die geschlossenen Anschlüsse 605, 608, so dass sich eine entgegengesetzt gerichtete Kolbenkraft -FHUb und eine Bewegung des Kolbens 608 nach links ergibt.
Die mittels der Steuerung 609 realisierte Regelung des in die Arbeitsräume 603 bzw. 604 einströmenden Volumens (Einlassvolumen), insbesondere in Abhängigkeit des vorhanden Mediumdrucks bzw. des nutzbaren Expansionsvolumens, ermöglicht eine sehr hohe Effizienz bei der Umwandlung der thermody- namischen Energie in mechanische Bewegungsenergie. Wie bereits erwähnt erfolgt die Steuerung/Regelung der einzelnen Kreislaufprozesse und des Lineargenerators unter Einbeziehung von prozessbeeinflus- senden Parametern (thermische Energiezufuhr, Druck und Temperatur des Arbeitsmediums und der Umgebung, Füllstände, etc), die von einer Vielzahl geeig- neter Sensoren 610 (Druck-, Temperatur-, Füllstandssensoren, etc.) bereitgestellt und durch Prognosen ergänzt werden. Die Steuerung 609 (feil der zentralen Steuerung 12) überwacht kontinuierlich die Gesamtsituation unter Berücksichtigung dieser prozessbeeinflussenden Parameter. Zur Erzielung eines optimalen Gesamtwirkungsgrades führt die Steuerung 609 verschiedene Prozessregelun- gen durch, wie etwa Einstellungen der Füllstände, Strömungsgeschwindigkeiten der Arbeitsmedien Energiemenge/ Expansionsvolumen eines Arbeitstaktes, Taktfrequenz, Größe des Takthubs, Taktdauer, etc. Z. B. wird bei geringer thermischer Energiezufuhr durch den Primärkreislauf, was ohne besondere Maßnahmen eine Reduktion des theoretisch möglichen Wirkungsgrads (Carnot- Wirkungsgrad) bei der thermodynamischen Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bedeuten würde, die Durchflussgeschwindigkeit des Solarkollektormediums verringert. Dadurch kann das Solarkollektormedium mehr Wärme von den Solarkollektoren absorbieren, und es werden höhere ORC- Eingangstemperaturen T|N-ORC erzielt. Durch eine Kombination aus einer Redu- zierung der Durchflussgeschwindigkeit und einer Reduzierung der Taktfrequenz des situationsgesteuerten Lineargenerators wird somit auch bei geringer thermischer Energiezufuhr ein hoher Gesamtwirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie erreicht. Unter bestimmten Umständen kann die Steuerung 609 den Stromerzeugungsprozess auch ganz aussetzen, wenn aufgrund der Sensordaten und/oder Prognosen erwartet werden kann, dass dies zu einer höheren Gesamtenergieumwandlungseffizienz führt.
In Figur 4 ist ein alternatives Rotations-Umwandlungssystem dargestellt, das anstelle des zuvor beschriebenen linearen Umwandlungssystems eingesetzt werden kann. Das Rotations-Umwandlungssystem ist gekoppelt an den thermodyna- mischen Kreisprozess 701 , bei dem zunächst die verfügbare thermische Energie (Wärmeenergie) in thermodynamische Energie (Dampfdruck) umgewandelt wird. Der Dampfdruck wird dann mittels einer Maschine 702, wie z. B. einem Druckmotor oder einer Turbine, in Rotationsenergie umgesetzt. Die Rotationsenergie wird mittels des Generators 703 in elektrische Energie umgewandelt, welche von ei- nem Netzrichter 704 schließlich in Wechselstrom zur Netzeinspeisung umgewandelt wird. In die Steuerung 705 werden prozessbeeinflussende Steuerparameter einbezogen, die von geeigneten Sensoren 706 laufend erfasst und der Steuerung 705 (Teil der zentralen Steuerung 12) zugeführt werden. Figur 5 ist ein eine schematische Darstellung des Energieverteilungsmanagements mittels einer erfindungsgemäßen Mehrfachnutzung des Wärmeerzeuger- Mediums 100, welches die Summe der erzeugten Energie aller Wärmeerzeuger 101 transportiert, diese gegebenenfalls an einen Wärmespeicher 102 überträgt oder dort gespeicherte Wärmeenergie aufnimmt und schließlich an jeden einzel- nen Wärmeverbraucher 103 überträgt.
Figur 6 ist ein eine schematische Darstellung des Energieverteilungsmanagements mittels einer erfindungsgemäßen Mehrfachnutzung des Heizkörperkreislauf-Mediums 150, welchem die Summe der erzeugten Energie aller Wärmeerzeuger 152 übertragen wird oder gegebenenfalls die in einem Wärmespeicher 154 gespeicherte Wärmeenergie oder die Restwärme des thermodynamischen Prozesses 153 aufnimmt und schließlich zu den Heizkörpern 151 transportiert.
Figur 7 stellt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Strom produzierenden Solarheizung dar, welche folgende Komponenten umfasst: eine thermische Solarkollektoranordnung 50, mindestens einen Wärmespeicher 51 , eine konventionellen Heizanlage 52, wie z. B. öl-, Gas, oder Holzscheit- oder Holzpelletsheizung, einen thermodynamischen Kreisprozess 53, ein Umwandlungssystem 54 zur Umwandlung von Druckenergie in elektrische Energie, eine am Objekt verfügbare Wärmesenke 55, wie z. B. eine Erdsonden- oder Erdkollektor- oder Umgebungsluftkühlung, und mindestens einen Heizkörperkreislauf 56, welcher z. B. auch als Fußboden- oder Wandheizung ausgeführt sein kann. Eine zentrale Steuerung 57 regelt alle Kreisläufe und die situationsbedingte Energieverteilung.
Figur 8 stellt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strom produzierenden Solarheizung gemäß Figur 7 als Gesamtaufbau dar, welche einen ge- meinsamen Erzeugerkreislauf 70, einen gemeinsamen Heizkörperkreislauf 71 , einen thermodynamischen Kreislauf 72 und bereits beschriebenen Komponenten besteht. Figur 9 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Ausschließliche solare direkte Stromproduktion" erforderlich sind.
Figur 10 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Kompo- nenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Solarspeicher" erforderlich sind.
Figur 11 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Kältespeicher kühlen" erforderlich sind. Figur 12 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Heizen und WW aus Solarkollektorwärme" erforderlich sind.
Figur 13 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Heizen mit Solarspei- cher-Wärme" erforderlich sind.
Figur 14 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Solarspeicher füllen und WW" erforderlich sind.
Figur 15 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Kompo- nenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Konventionelles Heizen und WW" erforderlich sind.
Figur 16 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Heizen und WW aus Solarkollektor und Heizanlage" erforderlich sind. Figur 17 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Kombiniertes Heizen und Stromproduktion mit Heizanlage und Solarkollektoren" erforderlich sind.
Figur 18 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Konventioneller BHKW-Betrieb" erforderlich sind. Figur 19 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß Figur 8 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Stromproduktion aus Restwärme" erforderlich sind.
Figur 20 stellt eine für die Sommermonate vorteilhafte Verwertung der Solar- energie in wechselnden Betriebsarten mit den bevorzugten Temperaturbereichen dar, welche eine maximale Verwertung der Solarenergie zum Zwecke der Stromproduktion auch bei kleinen Speichervolumen dadurch ermöglicht, dass der Speicher zunächst als Kältespeicher (Wärmesenke) verwendet wird, um in der Betriebsart a) „Ausschließliche Solarstromproduktion" die Kondensationswärme des thermodynamischen Kreisprozesses aufzunehmen. Hat dieser ein Temperaturniveau erreicht, bei der eine effektive Stromerzeugung nicht mehr möglich ist, dann wird in die Betriebsart f) „Solarspeicher füllen" gewechselt, in welcher der Speicher als Wärmespeicher fungiert, um die restliche Solarenenergie eines Tagesverlaufs aufzunehmen, indem die Wärmespeichertemperatur auf ein Niveau gebracht wird, welches eine effiziente Stromerzeugung zu einem späteren Zeitpunkt erlaubt, sobald die Solarkollektoren ein Temperaturniveau erreicht haben, in welcher sie als Wärmesenke fungieren können. In den Betriebsarten b) „Stromproduktion aus Solarspeicher" oder k) „Stromproduktion aus gespeicherter Restwärme" leistet somit die tagsüber akkumulierte Prozess-Anergie einen effek- tiven Anteil zur Stromerzeugung und ermöglicht so den hohen Grad der Verwertung der Solarenergie.
Figur 20 stellt einen reduzierten und damit kostengünstigen Aufbau des Heizsystems ohne direkte Kopplung des Erzeugerkreislaufs mit dem Heizkreislauf dar, bei dem jedoch die Betriebsarten b) „Stromproduktion aus Solarspeicher" (Figur 10), d) „Heizen und WW aus Solarkollektorwärme" (Figur 12), g) „Konventionelles Heizen und WW" (Figur 15), h) „Heizen und WW aus Solarkollektor und Heizanlage" (Figur 16), k) „Stromproduktion aus gespeicherter Restwärme" nicht möglich sind und die daraus resultierenden Nachteile bei der Energieverwertung dadurch verringert werden, dass die tagsüber akkumulierte Prozess-Anergie vor- rangig zur Warmwasser-Erwärmung verwendet wird und bei der Wärmeproduktion zu Heizzwecken grundsätzlich die Betriebsart j) „BHKW-Betrieb" verwendet wird. Anstelle des Solarkreislaufs können auch andere Möglichkeiten für eine thermische Primärenergiezufuhr verwendet werden, z. B. die Nutzung von Fernwärme. Das grundsätzliche Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Heizsystems ändert sich dadurch nicht. Die Erfindung wurde anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben.
Selbstverständlich ist es für den Fachmann ersichtlich, dass Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Zudem haben die dargestellten Ausführungsbeispiele den Charakter einer Skizze. Fehlende Details sind für das Wesen der Erfindung nicht von Bedeutung, können aber von einem Fachmann ergänzt werden.
Liste verwendeter Begriffe und deren Bedeutungen
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Abkürzunqsliste
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Claims

Patentansprüche
1. Heizsystem für ein Objekt, mit einer von einer Steuerung (12) geregelten thermischen Kopplung (5) von wenigstens zwei Wärmeerzeugem (1), wobei ein erster Wärmeerzeuger (1) eine konventionelle Heizanlage (2) und ein zweiter Wärmeerzeuger (1) eine am Objekt verfügbare Wärmequelle (3) ist, und mit mehreren Wärmeverbrauchern (7) zur wechselseitigen Wärme- und Stromproduktion, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Wärmeverbraucher (7) ein auf einem thermodynamischen Kreisprozess (10), insbesondere einem ORC- oder Kalina- Prozess, basierendes Umwandlungssystem (11) für die Umwandlung von thermi- scher Energie in elektrischen Strom aufweist, und dass die im thermodynamischen Kreisprozess (10) auftretende Kondensationswärme entweder an weitere Wärmeverbraucher (7) oder an eine am Objekt verfügbare thermische Wärmesenke (6) übertragen wird.
2. Heizsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steue- rung (12) ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel:
EHeiz(t) + Ewq (t) = Eww(t) + EHW(t) + EτHDγ(t) + ERest(t) periodisch ermittelt und einstellt, wobei
EHeiZ: erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage (2) EWq: Wärmeenergieangebot der Wärmequelle
Eww: Energiebedarf an Brauchwasser EH\ΛΛ Energiebedarf an Heizwärme
ETHDY: Energie des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie) ERest: Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie) t: Zeit.
3. Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine für die Effizienz des thermodynamischen Kreisprozesses (10) entscheidende maximale Temperaturspreizung zwischen dem Temperaturniveau der am Ob- jekt verfügbaren Wärmequelle (TWq) und dem Temperaturniveau der am Objekt verfügbaren Wärmesenke (TWs), insbesondere einem Luftfeuchte- Wärmetauscher, gespeicherte Umgebungskälte, vorgesehen ist.
4. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den thermodynamischen Kreisprozess (10) ein Medium verwendet wird, bei dem im Kondensations-Temperaturbereich kein Unterdruck relativ zum Umgebungsdruck entsteht, insbesondere R245fa.
5. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Wärme- und/oder Kältespeicher (4) sowohl an einen oder mehrere Wärmeenergieerzeugerkreisläufen als auch an ei- nen oder mehrere Verbraucherkreisläufe thermisch gekoppelt ist/sind.
6. Heizsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel
EHeiz(t) + EWq (t) + EspOUT(t) = Eww (t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp |N(t) + ERest(t) periodisch ermittelt und einstellt, wobei
EHeiZ: erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage (2)
EWq: Wärmeenergieangebot der Wärmequelle
Espouτ: zu speichernde Wärmeenergie
Eww: Energiebedarf an Brauchwasser Energiebedarf an Heizwärme
ETHDY: Energie des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie)
Esp iN^ dem Wärmespeicher zu entnehmende Wärmeenergie ERest: Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie). t: Zeit.
7. Heizsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Wärmespeicher (4) oder an der am Objekt verfügbaren Wärmequelle (TWq) vorherrschendes Niedertemperaturniveau, das höher als die Temperatur der Wärmesenke (TWs) ist, sowohl zur Stromproduktion als auch zur Heizwärmege- winnung nutzbar gemacht wird, indem die konventionelle Heizanlage (2) das vor- handene Niedertemperaturniveau um den verbleibenden Temperaturbereich bis zu einer verbrauchsabhängigen Solltemperatur weiter erwärmt.
8. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wärmeerzeuger (1) mit jedem Wärmeverbraucher (7), jedem Wärmespeicher (4) oder mit jedem anderen Wärmeerzeuger (1) direkten Wärmeaustausch betreibt, wobei im Falle unterschiedlicher Wärmeträgermedien vorzugsweise eine gegenläufige Wärmeübertragung und im Falle gleicher Wärmeträgermedien vorzugsweise ein Mediumsaustausch vorgesehen ist.
9. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch ein an den thermodynamischen Kreisprozess (501 ) gekoppeltes, lineares Umwandlungssystem (601) mit einem oder mehreren Druckzylindern (502), einem Lineargenerator (503), einer Filter- und Gleichrichteinheit (504) zur Umwandlung thermodynamischer Energie in elektrische Energie.
10. Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine an den thermodynamischen Kreisprozess (701) gekoppeltes Umwandlungssystem mit einer Maschine (702), insbesondere eines Scroll-Expanders, zur Umwandlung von Druckenergie in Rotationsenergie, welche mittels eines Generators (703) in elektrische Energie gewandelt wird.
11. Heizsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ge- nerator (703) ein RMT-Generator ist.
12. Heizsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , gekennzeichnet durch eine Kopplung des Umwandlungssystems (11) an einen Erzeuger von Batterieladespannungen, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, oder an einen Erzeuger für Spannungen zur Gewinnung von Wasserstoff mittels Elektrolyse.
13. Heizsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , gekennzeichnet durch eine Kopplung des Umwandlungssystems (11) an eine Kältemaschine, wobei die vom Umwandlungssystem (11) erzeugte kinetische Energie zur Kühlung von Raumluft genutzt wird.
14. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine direkte thermische Kopplung jedes Wärmeerzeugers (101) mit jedem Wärmeverbraucher (103) und Wärmespeicher (102), bei der ein gemeinsames Wärmeträgermedium (100) mehrfach genutzt wird, indem das Wärmeträgermedium (100) jeden Wärmeerzeuger (101) durchfließt, so dass keine Wärmetauscher zwischen den Wärmeerzeugem (101) erforderlich sind, und indem das Wärmeträgermedium (101), jeweils angekoppelt über einen Wärmetauscher, auch als Transportmedium zum Transport der erzeugten Wärmeenergie zu jedem Wärmeverbraucher (103) und von und zum Wärmespeicher (102) genutzt wird, wobei vorzugsweise das Wärmeträgermedium zusätzlich oder alternativ auch als Speichermedium genutzt wird.
15. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) anhand vorher festgelegter Kriterien selbsttätig bestimmt, in welcher oder in welchen mehreren der nachfolgend charakterisierten Betriebsarten das Heizsystem betrieben wird: a) Betriebsart „Ausschließliche Solarstromproduktion"
Figure imgf000032_0001
b) Betriebsart „Stromproduktion aus Solarspeicher"
Figure imgf000032_0002
c) Betriebsart „Kältespeicher kühlen"
Figure imgf000032_0003
Figure imgf000033_0001
d) Betriebsart „ Heizen und WW aus Solarkollektorwärme ,
Figure imgf000033_0002
e) Betriebsart „Heizen mit Solarspeicher Wärme"
Figure imgf000033_0003
f) Betriebsart „Solarspeicher füllen und WW"
Figure imgf000033_0004
g) Betriebsart „Heizen und WW mit Heizanlage"
Figure imgf000033_0005
h) Betriebsart „Kombiniertes Heizen mit Heizanlage und Solarkollektoren"
Figure imgf000034_0001
i) Betriebsart „Kombiniertes Heizen und Stromproduktion mit Heizanlage und Solarkollektoren"
Figure imgf000034_0002
j) Betriebsart „BHKW Betrieb: Kombiniertes Heizen und Stromproduktion ausschließlich aus Heizanlage"
Figure imgf000034_0003
k) Betriebsart „Stromproduktion aus gespeicherter Restwärme"
Figure imgf000035_0001
I) Betriebsart „Stillstand": In dieser Betriebsart sind alle Kreisläufe inaktiv.
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