DD265216A1

DD265216A1 - Verfahren zur nutzung niedrigthermaler energiequellen in kopplung mit fernwaermeversorgungssystemen

Info

Publication number: DD265216A1
Application number: DD30681387A
Authority: DD
Inventors: Joachim Zschernig; Wolfgang Hesse; Heinz Pommerenke
Original assignee: Inst Energieversorgung
Priority date: 1987-09-09
Filing date: 1987-09-09
Publication date: 1989-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung niedrigthermaler Energiequellen - insbsondere von Thermalwasser aus geothermalen Quellen - in Kopplung mit Fernwaermeversorgungssystemen und ist ueberall dort mit hohem Effekt einsetzbar, wo die Energie einer Waermequelle mit niedrigem Temperaturniveau (100C) in Verbindung mit einem Fernwaermeversorgungssystem maximal ausgenutzt werden soll. Insbesondere gestattet das erfindungsgemaesse Verfahren den stufenweisen Ausbau eines entsprechenden Systems durch eine beliebige Anzahl von Abnehmerstationen. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Nutzung niedrigthermaler Energiequellen in Kopplung mit Fernwärmeversorgung88y8ternen

Anwendungagebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung niedrigthermaler Energiequellen - inabeaondere von Thermalwaeser aus geothermalen Quellen - in Kopplung mit Fernwärmeveraorgungesyatemen und ist überall dort mit hohem Effekt anwendbar, wo die Energie einer Wärmequelle mit niedrigem Temperaturniveau (<100 ⁰C) in Verbindung mit einem Fernwärmeveraorgungaayatem maximal ausgenutzt werden soll. Insbesondere gestattet das erfindungagemäße Verfahren den etufonweiaen Ausbau eines entsprechenden Systeme durch eine beliebige Anzahl von Abnehmerstationen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Nutzung niedrigthermaler Energiequellen 9ind in der Regel die Quell- und Heizungskreislöufe durch Wärmeübertrager und Wärmepumpen in Heizzentralen gekoppelt (DD-WP 2 38 101). Die Wärmeverbraucher werden über ein Fernwärmenetz mit den für die angeschlossenen Heizungs- und Warmwaeservereorgungsanlagen erforderlichen Vor- und Rücklauftemperaturen versorgt. Das Wärmequeilmedium, z. B. mineralieiertea Thermalwassor, wird entweder durch geeignete korrosionsbeständige Rohrleitungen zur Heizzentrale und nach der Aue-

kühlung zurück gefördert oder zwischen den Quellen und der Heizzentrale liegen geeignete Zwiachenkreisläufe (DD-WP 2 44 188). Somit sind für die Nutzung niedrigthermaler Energiequellen umfangreiche Rohrleitungsnetze erforderlich, die die Wärmequellen mit der Heizzentrald und die Heizzentrale mit den Abnehmeranlagen der Wärmeverbraucher verbinden.

Da die Verbindungen zwischen der Heizzentrale und den Abnehmeranlagen für die Verteilungsnetze der Warmwasserversorgung zu groG sind, muß die Warmwasseraufheizung dezentral erfolgen. Das erfordert im Fernwärmenetz bestimmte Mindestvorlauftemperaturen, die oft über den für die Heizungsanlagen erforderlichen Temperaturen liegen. Die zur Nutzung niedrigthermaler Energiequellen entwickelten Schaltungen sind nicht oder nur in begrenzten Bereichen anpassungsfähig, wenn sich die Quelltemperaturen zeitlich wesentlich verändern. Die Schaltung nach DD-WP 244 188 ormöglicht eine Anpassung mit thermodynamisch günstigem Effekt nur dann, wenn die Quelltemperatur größer ist als die Heizungsrücklauftemperatur. Bei veränderlichen Quelltempcraturen ist deshalb mit unvertretbaren energiewirtschaftlichen Verlusten zu rechnen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Aufwand für die Errichtung und den Betrieb eines Fernwärmeversorgungssystems, das in Kopplung mit einer niedrigthermalen Energiequelle - vorzugsweise einer geothermalen Quelle - betrieben werden soll, wesentlich zu verringern und gleichzeitig die vollständige Ausnutzung der Wärmeenergie der zur Verfügung stehenden Quelle zu sichern, wobei eine energiewirtschaftlich günstige Anpassung an veränderliche Quelltemperaturen gesichert werden soll.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die für die maximale Ausnutzung der Energiequelle erforderliche weitest-

gehende Auskühlung des Heiznetzwassers bereits beim Verbraucher zu realisieren und die thermische Energie so in eine Wärmepumpenschaltung einzukoppeln, daß immar minimale thermodynamieche Verluste auftreten und durch Umschaltbarkeit auf verschiedene Einspeisungen auch eine gute Anpassung an unterschiedliche Temperaturverhältnisse erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, wie im Verfahren gemäß WP 2 44 188 beschrieben - das aus den Abnehmeranlagen der Wärmeverbraucher zurückfließende Netzwasser in zwei Teilströmen im Gegenstromprinzip zu den Verdampfern bzw. Kondensatoren einer Wärmepumpen-Reihenschaltung geführt und er'f'indungagemaß der die Verdampfer verlassende, weit unter die Rücklauftemperatur der Heizungsanlagen ausgekühlte Netzwasser-Teilstrom als Rücklauf des Fernwärmeversorgungssystems zu einem, mit der/den niedrigthermalen Energiequelle(η) unmittelbar gekoppelten Wärmeübertrager geführt. Der Vorlauf des Fernwärmesystems wird von diesen Wärmeübertragern über jeweils eine der vor, zwischen oder nach den Wärmepumpenkondensatoren der Abnehmeranlaga eingebundenen Einspeisungen geführt. Erfindungsgemäß führt eine der Einspeisungen zur Zuführungsleitung zu den Wärmepumpenverdampfern, so daß bei öffnung dieser Einspeisung und Unterbrechung des Heiznetzteilstromes zu den Verdampfern eine völlige Entkopplung des Fernwärme- und des Heizkreis-Jaufes erreicht wird, was bei Fernwärmetemperaturen, die unter denen des Heizungsrücklaufes liegen aus thormodynamischen Gründen erforderlich ist. Die Warmwasserversorgung der Abnehmer erfolgt erfindungsgemäß in drei Stufen. In der ersten Stufe wird die Restenthalpie des aus den Kondensatoren der Wärmepumpen-Reihenschaltung austretenden Kältemittel-Kondensfits genutzt, zur Erwärmung der zweiten Stufe Energie des Fernwärme-Vorlaufes und die Nachwärmung der dritten Stufe wird durch eine Wärmepumpe realisiert.

Mit dem erfinclungsgemäßen Verfahren wird der zur niedrigthermalen Energiequelle zurückgeführte kalte Heiznetz-Rücklauf maximal bis auf die Temperatur der Wärmequelle aufgeheizt und mit dem Fernwärme-Vorlauf wieder den Abnehmern zugeleitet, wobei die Temperatur des Fernwärmevorlaufes kleiner, gleich oder größer ala

die Vorlauftemperatur und auch kleiner aid die Rücklauftemperatur der Heizungsii Jage sein kann. Durch die Erfindung werden folgende positive ökonomische Effekte erzielt:

· · Während dt£ bekannten "geothermischen Heizzentralen" (DD-WP 2 44 188) mit nachgeschalteten HausanschluQatationen betrieben werden, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Heizzentralo und Hausanschlußstation als integrierte Lösung vorgesehen werden.

- Die Wärmeverteilung über das Heiznetz erfolgt mit abgesenkten Vor- und Rücklauftempera türen, was zu einar

. Einsparung an Rohrmaterial durch große Netzspreizung

^bN ^{= b}NV " ^fcNR

. Einsparung an Pumpenergie (Elektroenergie) . Senkung der Wärmeverluste

führt.

- Durch die Dezentralisierung der Umformerstation wird eine bessern "vor Ort-Regelung" und Anpassung an die jeweiligen speziellen Abnehmerbedürfnisse (Wohnungen, gesellschafti. Einrichtungen) erreicht.

- Durch Einbeziehung der Warmwasserbereitung in den Transformationsprozeß ergibt sich eine Energieeinsparung in Höhe von 20 % durch Kondensatabkühlung.

- Die Integrierung der Hausanschlußstation mit der Heizzentrale ermöglicht den Stufenausbau neuanzulegender Heiznetze (Fernwärmeversorgungsnetze) sowie die Entwicklung von Typenlösungen für die integrierte Station.

Auaführungsbei3piel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu sind in

Fig. 1 die net.itechnischen Verbindungen der Wärmeübertrager' Wü 1 bii3 WU 3 mit den Abnehmern A 1 bis A 3

Fig. 2 die Schaltung einer der Abnehmeranlagen A 1 bie A 3 dargestellt.

Die Wärmequelle 3teht mit der Vorlauftemperatur t_ov = 55 ⁰C zur Verfugung und soll bis auf t_nR = 10 ⁰C ausgekühlt werden. Daraus ergibt sich unter Berücksichtigung einer Temperaturdifferenz von

^UQV ^CNV " ^CQR ^CNR ⁵ * die Vor- und Rücklauftemperatur im Fernwärmenetz mit

t_NV = 50 ⁰C und

^fcNR = ⁵ °^C-

In der Abnehmerstation wird durch die Wärmepumpenschaltung eine Vorlauftemperatur von

t_HV = 60 °C

und eine Rücklauftemperatur von t_HR = 40 "C

für die Heizungsanlage erreicht. Das Vorlaufwasser aus dem Fernwärmenetz wird entsprechend seinem Temperaturniveau zwischen den Wärmepumpen WP 1 und WP 2 über die Einspeisung ESP 2 eingekoppelt. Boi Veränderung der Wärmequelltemperatur t_ny werden je nach dem Temperaturniveau des Fernwärmevorlaufs die Einspeisungen ESP 1, ESP 3 oder ESP 4 verwendet. Der Rücklauf der Heizungsanlagen wird im Trennventil TV 1 in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom den Wärmepumpenkondenoatoren und der zweite Teilstrom den Wärmepumpenverdampfern zugeführt wird. Bei Verwendung der Einspeisung ESP 4 besteht der erste Teilstrom aus der vollen Heiznetzmenge und der zweite Teilatrom ist Null. In den Verdampfern wird der zweite Teilstrom bis auf 5 ⁰C abgekühlt und dient dann als Fernwärmerücklauf. Die im Fernwärmenetz umzuwälzende Wesser-

menge beträgt nur 44,4 ?ό der in den Heizungsanlagen zirkulierenden Wassermengen. Somit wird eine Durchmesserreduzierung gegenübor bisherigen Fernwärmenetzen auf 66,6 % bei gleichen Strömungsgeschwindigkeiten möglich. Das Warmwasser wird dreistufig erwärmt. Als Vorwärmestufe dienen die Kältemittelkondensatkühler KK 1 bis KK 3. Hier wird das Warmwasser auf 30 ⁰C erwärmt. Als zweite Stufe dient der Vorwärmer VW, in dem das Warmwasser auf 45 ⁰C erwärmt wird. Dio Nachwärmung auf 55 ⁰C erfolgt durch die Wärmepumpe WP 3.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Nutzung niedrigthermaler Energiequellen in Kopplung mit Fernwärmeversorgungssys ;emen und unter Einbeziehung von Wärmepumpen, wobei das aus den Abnehmeranlagen der Wärmeverbraucher zurückfließende Netzwaaser in zwei Toilströmen im Gegenstromprinzip zu den Verdampfern bzw. Kondensatoren der Warmepumpenreihenachaltung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dar die Verdampfer (V 1 bis V 3) verlassende, weit unter die Rücklauftemperatur der Heizungsanlage ausgekühlte Netzwasser-Teilstroin (TS 2) als Fernwärme-Rücklauf zu einem mit der/den Energiequelle^)/unmittelbar verbundenen Wärmeübertrager (WU 1 bis WU 3) geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Einbindung des Fernwärmevorlaufs in die Wärmepumpenreihenschalt'jng über verschiedene Einspeisungen (ESP 1 bis 3) vor, zwischen oder nach den Wärmepumpenkondensatoren erfolgen kann und durch eine weitere Einspeisung (ESP 4) bei Stellung des Trennventils (TV 1) ausschließlich in Richtung zu den Kondensatoren eine völlige Entkoppelung des Fernwärmenetzes vom Heiznetz erfolc,t.

~>. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Warmwaosers dreistufig erfolgt, indem die Er· wärmung der ersten Stufe durch die Restenthalpie des aus den Kondensatoren (K 1 bis K 3) der Wärmepumpen (WP 1 bis WP 3) austretenden Kältemittelkondensates, in der zweiten Stufe durch Energie des Fnrnwärme-Vojrlaufes und in der dritten Stufe durch Nachwärmung durch die Wärmepumpe (WP 3) erfolgt.

- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen -