ANLAGE ZUR BEREITSTELLUNG VON WÄRMEENERGIE UND/ODER ELEKTRISCHEM STROM |
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| 申请号 | EP17189204.5 | 申请日 | 2017-09-04 | 公开(公告)号 | EP3293460A1 | 公开(公告)日 | 2018-03-14 |
| 申请人 | W. SCHMID PROJEKTE AG; | 发明人 | BALMER, Roger; SCHMID, Walter; | ||||
| 摘要 | Bei einer Anlage zur Bereitstellung von Wärmeenergie und/oder elektrischem Strom an einen Verbraucher (4), umfassend einen Maschinenraum (1) in dessen Innenraum mindestens ein Blockheizkraftwerk (2) und mindestens eine Wärmepumpe (3) angeordnet ist, wobei eine Steuerungsvorrichtung (13) zur Steuerung des Betriebs der mindestens einen Wärmepumpe (3) und des mindestens einen Blockheizkraftwerks (2) ausserhalb des Maschinenraums (1) angeordnet ist, soll die Effizienz der Umsetzung von Primärenergie im Vergleich zu bekannten derartigen Anlagen weiter gesteigert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Maschinenraum (1) hermetisch abgedichtet ausgestaltet ist, wobei die Maschinenraumwände aus einem luftundurchlässigen Material bestehen, die Grenzflächen zwischen den Maschinenraumwänden luftdicht abgedichtet sind und Steuerleitungen (130) und mindestens eine Brennstoffleitung (141) mittels luftdichter Durchführungen die Wände des Maschinenraums (1) queren, sodass die Abwärme des Blockheizkraftwerks (2) und der Wärmepumpe (3) in Form von Strahlungswärme und Oberflächenwärme im Maschinenraum (1) über einen Luft/Flüssigkeitswärmetauscher der Wärmepumpe (3) als zusätzliche Wärmequelle zuführbar ist. | ||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Anlage zur Bereitstellung von Wärmeenergie und/oder elektrischem Strom an einen Verbraucher, umfassend einen Maschinenraum in dessen Innenraum mindestens ein Blockheizkraftwerk und mindestens eine Wärmepumpe angeordnet ist, wobei eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des Betriebs der mindestens einen Wärmepumpe und des mindestens einen Blockheizkraftwerks ausserhalb des Maschinenraums angeordnet ist. Es besteht ein wachsender Bedarf an Anlagen und Einrichtungen zur effizienten Bereitstellung von Wärmeenergie an Verbraucher wie Wohn- und Geschäftshäuser, Schulen und vielerlei Gebäude öffentlicher oder privater Nutzung, wobei mit einem Minimum an Primärenergie ein Maximum von Energie in Form von Wärme und elektrischem Strom an den Verbraucher abgegeben werden soll. Insbesondere Aspekte der möglichst vollständigen und effizienten Nutzung der verfügbaren Primärenergien (flüssige und gasförmige Treibstoffe, Elektrizität) stehen dabei im Vordergrund. Zur Erreichung dieser Ziele werden häufig Wärmepumpen und Blockheizkraftwerke eingesetzt, welche in einem Maschinenraum platziert und darin betrieben werden. Aus der In der Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine Anlage zur Bereitstellung von Wärmeenergie und elektrischem Strom, die ein Blockheizkraftwerk und eine Wärmepumpe in einer Maschine umfasst, anzugeben, deren Effizienz im Vergleich zu bekannten derartigen Anlagen / Maschinen weiter gesteigert ist. Es sollte erreicht werden, dass die in die Anlage / Maschine eingebrachte Primärenergie effizienter in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt wird und so entweder Primärenergie gespart und / oder der Ertrag entsprechend erhöht wird. Diese Aufgabe erfüllt eine Anlage / Maschine gemäss Anspruch 1, wobei die Wärmerückgewinnung der Restwärmeleistung des Blockheizkraftwerks und der Wärmepumpe innerhalb des Maschinenraums durch bauliche Massnahmen maximiert ist und entsprechend effizienter Strom und Wärme aus einem Brennstoff und/oder einer der Wärmepumpe zugeführten Wärmequelle erzeugbar ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Die Das Blockheizkraftwerk 2 umfasst in bekannter Weise einen Motor 5, einen Generator 6, mindestens einen Kühlwasserwärmetauscher 7 und mindestens einen Abgaswärmetauscher 8, wobei der letztere im dargestellten Ausführungsbeispiel ausserhalb und oder innerhalb des Maschinenraumes 1 angeordnet ist. Die Abgase des Blockheizkraftwerks 2 werden aus dem Maschinenraum 1 hinausgeführt, wobei ein Teil der Wärmeenergie mittels Abgaswärmetauscher 8 genutzt wird und dem Verbraucher 4 zugeführt wird. Das Blockheizkraftwerk 2 ist eine modular aufgebaute Anlage und dient zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme nach dem Prinzip der Wärme-Kraft bzw. Kraft-Wärme-Kopplung. Mit der Verwendung eines Blockheizkraftwerkes 2 lässt sich bekanntlich gegenüber der herkömmlichen Kombination von lokaler Heizung und zentralem Grosskraftwerk ein höherer Gesamtnutzungsgrad erzielen, der aus der Nutzung der Abwärme der Stromerzeugung direkt am Ort der Entstehung resultiert. Durch die ortsnahe Nutzung der Abwärme wird die eingesetzte Primärenergie sehr effizient genutzt, weshalb sich mit Blockheizkraftwerken 2 auch ein relativ hoher Anteil an Primärenergie einsparen lässt. Bei der vorliegenden Anlage / Maschine ist die Stromerzeugung mittels des Generators 6 nicht weiter und detaillierter ausgeführt. Als Primärenergie zum Antrieb des Motors 5 dient vorzugsweise ein Gas- oder Flüssigtreibstoff, beispielsweise Flüssiggas, Erdgas, Biogas oder oder im Fall von Flüssigtreibstoff Heizöl , Biodiesel, Ethanol oder ein anderer Treibstoff aus einer erneuerbaren oder nicht erneuerbaren Energiequelle. Der Treibstoff für das BHKW 2 wird einem Brennstofftank 14 oder einer Leitungsgebundenen Energiequelle (z.B. Erdgas - Aufzählung ist nicht abschliessend)) entnommen und über eine Brennstoffleitung 141 dem BHKW 2 zugeführt, was über ein Ventil 140 und eine Brennstoffregelstrecke mit einem Anteil Verbrennungsluft gemischt passiert. Die Verbrennungsluft wird der Anlage / Maschine direkt von aussen zugeführt über eine Verbrennungsluftzufuhr 142 mit direktem Anschluss an das BHKW. Die Wärmepumpe 3 umfasst in bekannter Weise einen motorgetriebenen Verdichter 9, der ein Arbeitsmedium in einem wärmepumpeninternen Kreislauf durch einen Verflüssiger 10, ein Entspannungsventil 11 und einen Verdampfer 12 zirkulieren lässt. Der Einfachheit halber ist hier kein Primärmediumkreislauf, beispielsweise ein Solekreislauf zum Bezug von verschiedenen Wärmequellen wie eingangs beschrieben der mit dem Verdampfer 12 gekoppelt ist, dargestellt. Mit dem Pfeil wird angedeutet, dass Wärmeenergie W in unterschiedlicher Form der Wärmepumpe 3 zugeführt wird. Detaillierter dargestellt ist hingegen der Sekundärmediumkreislauf, hier ein Warmwasserkreislauf, der mit dem Verflüssiger 10 gekoppelt ist, sowie dessen Vorlauf, der ebenso wie der Vorlauf aus dem Kühlwasserwärmetauscher 7 des Blockheizkraftwerkes 2, der Heizung 4 zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass die Wärmepumpe 3 zum Bezug von Wärmeenergie W aus der Luft ausgebildet ist. Die Wärmepumpe 3 kann aber auch zusätzlich Wärmeenergie W aus Oberflächenwasser, Grundwasser, Prozesswasser, Erdwärmesonden, Erdregistern, Energiepfählen, Abluftrückkühlungen, Zuluftkühlungen, EDV-Kühlung oder Abgaskondensationsanlagen beziehen. Diese Aufzählung ist nicht abschliessend. Es sind grundsätzlich alle Wärmequellen erschliessbar, welche sich über einen Solekreis erschliessen lassen. Die Wärmepumpe 3 ist in Form einer Sole-Wasser-Wärmepumpe 3 ausgeführt. Die jeweils nötigen Gas- bzw. Flüssigkeitsleitungen des Wärmeenergieträgers sowie der thermischen Anschlussleitungen und der Verbrennungsluftwerden durch die Schalldämmverkleidung in das Maschinenrauminnere geführt. Die Hauptkomponenten innerhalb des Maschinenraumes 1 sind also das Blockheizkraftwerk 2 und die Wärmepumpe 3 sowie die interne Wärmerückgewinnung aus der Abwärme der vorstehenden Komponenten und der sonstigen thermischen Verlustleistungen aus dem Betrieb der Maschine . Die Wärmepumpe 3 ist dazu vorgesehen, die Grundlast des Wärmebedarfes der Heizung 4 im Jahresverlauf zu decken, wobei das Blockheizkraftwerk 2 nur im Bedarfsfall zugeschaltet wird. Mittels einer Steuerungsvorrichtung 13, von welcher Steuerleitungen 130 zum BHKW 2, zur Wärmepumpe 3 und zum Brennstofftank 14 bzw. Brennstoffversorgung führen, wird die Anlage gesteuert, bzw. geregelt. Durch die Steuerleitungen 130 können die aktuellen Betriebszustände des BHKWs 2 und der Wärmepumpe 3 ausgelesen werden und auch gewünschte Betriebsparameter vor Ort oder via Internet / eingestellt, bzw. überwacht werden. Mittels der Steuerungsvorrichtung 13 und oder einer unabhängingen zusätzlichen Sicherheitssteuerung ist auch die Zufuhr des Treibstoffes aus dem Brennstofftank 14 sicherheitstechnisch mit steuerbarem Ventil 140 abgesichert. Wenn Wärme erzeugt werden , oder als Regelenergie Strom verbraucht werden soll reicht in bestimmten Fällen der gesteuerte / geregelte Betrieb der Wärmepumpe 3 aus. Sobald Strom erzeugt und / oder zusätzliche thermische Energie auf einem höheren Temperaturniveau erzeugt werden soll, wird das BHKW 2 von der Steuerungsvorrichtung 13 zu- bzw. eingeschaltet. Gemäss Stand der Technik wurden bislang die Anlagen einzeln oder in Kombination in luftdurchlässige bzw. entsprechend belüfteten Maschinenräume eingesetzt, damit nicht ungewollt explosive Gas/Luftgemische im Maschinenrauminneren auftreten können. Auch, wenn eine Anlage zur Bereitstellung von Wärmeenergie mit einem Blockheizkraftwerk und einer Wärmepumpe in einem Kellerraum als Maschinenraum eingebaut ist, ist dieser Maschinenraum luftdurchlässig und belüftet. Teilweise sind Vorschriften einzuhalten, die einen gut belüfteten Maschinenraum vorschreiben. Hier wird nun erfindungsgemäss kein üblicher Maschinenraum verwendet sondern ein geschlossener Maschinenraum, ohne spezifische Öffnungen für die Belüftung. Der Maschinenraum 1 ist damit hermetisch verschlossen. Mit einem hermetischen Verschluss ist hier die Abdichtung des Maschinenraums 1 gegen das Entweichen von bevorzugt warmer Luft aus dem Innenraum gemeint, also ein luftundurchlässiger Maschinenraum 1. Im optimalen Fall kann aus dem Innenraum keine Luft entweichen. In der Realität ist ein vollständig luftundurchlässiger Verschluss nur schwer zu erreichen. Entscheidend ist, dass die Luft im Maschinenraum 1 nicht entweichen kann und die sich durch Strahlungswärme und andere Abwärmequellen aufgeheizte Luft im luftdicht verschlossenen Maschinenraum 1 zirkulieren kann, aber nicht ohne Weiteres aus diesem entweichen kann. Während die Wände, als Schalldämmhaube ausgeführt, des Maschinenraums 1 bei geeigneter Materialwahl und Wandstärke für Luft weitgehend undurchlässig sind bzw. weitgehend luftundurchlässige Materialien gewählt sind, werden auch die Grenzflächen der Wände bzw. die Fugen zwischen den Wänden hermetisch dicht verschlossen. Dies kann beispielsweise durch Anbringung luftabdichteder Dichtstoffe wie z.B. selbstklebenden Dichtbänder aus PU oder Silikon oder verschiedenster Materialien in den Fugen geschehen. Im Innenraum des Maschinenraums 1 kann die Luft zirkulieren, welche beim Betrieb der Wärmepumpe 3 und des Blockheizkraftwerkes 2 durch Wärmestrahlung der Geräte- und Leitungsoberflächen, der Gerätelüftung und durch Abstrahlung der Abgaswärme erwärmt wird. Diese aufgeheizte Luft kann aber aufgrund des hermetischen Verschlusses nicht aus dem Innenraum entweichen, sondern zirkuliert im Innenraum. Auch bei tiefen Umgebungstemperaturen am Aufstellungsort des Maschinenraums 1, kann die Wärmepumpe 3 somit im optimalen Temperaturbereich arbeiten, da ein Teil der Energie zum Betrieb der Wärmepumpe 3 als Wärmequelle aus der Raumluft entnommen und genutzt wird. Die Abwärme des BHKW 2 und der Wärmepumpe 3 in Form von Strahlungswärme und Oberflächenwärme im Maschinenraum 1 wird über einen Luft/Wasserwärmetauscher 16 der Wärmepumpe 3 als zusätzliche Wärmequelle zugeführt. Durch den hermetischen Verschluss wird die Luft im Maschinenraum 1 durch Abstrahlungswärme der Wärmepumpe 3 und des Blockheizkraftwerkes 2 sowie der Abgaswärmetauscher und anderer sich im Maschinenraum befindlicher Komponenten maximal aufgeheizt, wobei kaum Wärmeenergie verlorengeht. Eine Luftzirkulation innerhalb des Maschinenraums 1, der ein nahezu geschlossenes System bildet, findet im gewissen Masse automatisch (natürlich) und / oder mittels Ventilator statt. Um die Wärmeverluste durch aus dem Maschinenraum 1 ausströmende Luft weiter zu minimieren, werden verschliessbare, mit Dichtungen versehene Durchführungen für elektrische Zuleitungen sowie Gasleitungen, Abgasleitung und thermische Leitungen benutzt, sodass auch an den Durchgangsstellen der elektrischen Zu- bzw. Gasleitungen, thermischen Leitungen und der Abgasleitung die Luft nicht ungewünscht aus dem Maschinenrauminneren entweichen kann. Beispielsweise wird vor allem die Brennstoffleitung 141 in den hermetisch abgeschlossenen Maschinenraum 1 durch eine entsprechend hermetisch geschlossene Durchführung geführt. Die Durchführungen queren die Wände des Maschinenraums 1, wobei die Leitungen entsprechend den Innenraum der Durchführung queren, wobei der Maschinenraum 1 weiterhin als hermetisch verschlossen bezeichnet werden kann. Damit die Betriebssicherheit gewährleistet werden kann, wird am bzw. im Maschinenraum 1 bzw. an bzw. in einer Maschinenraumwand eine Gaswarneinrichtung installiert, welche aus mindestens einem Gassensor 15 besteht, welcher mittels mindestens einer Gaswarnleitung 150 mit der Steuerungsvorrichtung 13 oder einer separaten Steuereinheit für die Alarmierung und Notausauslösung verbunden ist. Der mindestens eine Gassensor 15 wird derart installiert, dass er die aktuelle Zusammensetzung der Luft im Maschinenrauminnenraum messen kann. Mittels Gassensor 15 kann die Gaskonzentration bzw. Gas/Luft-Konzentration im Maschinenraum 1 kontinuierlich überwacht werden. Sollte der Gassensor 15 im Betrieb eine steigende Brennstoff- Luftkonzentration innerhalb der Maschine detektieren wird die Anlage / Maschine umgehend mittels Notaus ausgeschaltet und stromlos geschaltet. Damit ist die Zündquelle innerhalb der Maschine eliminiert. Bei der Notabschaltung werden gleichzeitig sämtliche angeschlossene Brennstoffventile dicht verschlossen und ein Austreten von weiterem Brennstoff zuverlässig vermieden. Eine weitere Aufkonzentrierung eines allenfalls gefährlichen Brennstoff-Luftgemisches kann so mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Als Gassensor 15 kommen verschiedene kommerziell erhältliche Modelle, basierend auf unterschiedlichen physikalischen Effekten, in Frage. Das Blockheizkraftwerk 2 und die erste Wärmepumpe 3 sind vorzugsweise platzsparend übereinander angeordnet, wodurch eine ganzheitliche Maschine ausbildbar ist und die Abwärmenutzung weiter optimiert wird. Die Steuerungsvorrichtung 13 wählt bei einem vorgegebenen Bivalenzpunkt den effizientesten Energieerzeuger, BHKW 2 oder Wärmepumpe 3, innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Maschinenraums 1 aus. Mittels Steuerungsvorrichtung 13 wird entweder wärmegeführt, stromgeführt oder in Kombination die entsprechende Energieform prioritär zur Verfügung gestellt. Durch die Steuerungsvorrichtung 13 ist die Anlage optional auch als Notstromaggregat einsetzbar. Es wird eine Sole-Wasser-Wärmepumpe 3 eingesetzt, wobei die Wärmepumpe 3 dazu offen verbaut wird, sodass möglichst die gesamte Abwärme der Wärmepumpe in das Maschinenrauminnere abgestrahlt wird.
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