DE102004058857A1 - Solar energy system with heat exchangers to transfer heat from solar panels to a heat pump cycle for heating or cooling of buildings and for storing heat - Google Patents
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Abstract
Description
Das solare Strahlungsangebot der Sonne ist gewaltig.: Jährlich erreichen die Erde 3,7 × 1024 Joule. Das ist mehr als das 10.000fache des weltweiten Primärenergieverbrauchs. Die Sonne liefert in nur 40 Minuten die gleiche Energie, die alle Erdenbewohner im Laufe eines Jahres verbrauchen.The solar radiation offer of the sun is enormous: Every year the earth reaches 3.7 × 10 24 Joule. That is more than 10,000 times the world's primary energy consumption. The sun delivers the same energy that all earthlings consume in the course of a year in just 40 minutes.
Die Deutschen Privathaushalte verbrauchen rund 30 % des gesamten Energiebedarfs. Hinzu kommen gewerbliche, industrielle und öffentliche Gebäude.The German households consume about 30% of the total energy requirement. There are also commercial, industrial and public buildings.
Die Regierung der Bundesrepublik Deutschland hat beschlossen, die CO2-Emissionen bis zum Jahr 2005 um 25 %, bezogen auf das Niveau von 1990, zu reduzieren!The Government of the Federal Republic of Germany has decided to reduce CO 2 emissions by 25% by 2005 compared to 1990 levels!
Mit der Wärmepumpe und Energierückgewinnung über einen ORC-Dampfprozess lassen sich künftig nicht nur erhebliche fossile Energiemengen und CO2-Emissionen einsparen sondern insbesondere bei guter Wärmedämmung des Gebäudes auch noch mehr elektrische Energie erzeugen als für die Wärmebereitstellung verbraucht wird.With the heat pump and energy recovery via an ORC steam process, it will not only be possible to save considerable amounts of fossil energy and CO 2 emissions in the future, but also generate more electrical energy than is needed to provide heat, especially if the building is well insulated.
Die solare Strahlungswärme bzw. energie wird wesentlich besser ausgenutzt und auf teure Langzeitspeicher und eine Zusatzheizung kann verzichtet werdenThe solar radiant heat or energy is used much better and on expensive long-term storage and an additional heating can be dispensed with
Nicht zuletzt können mit der nachfolgend beschriebenen Technik erhebliche Mengen CO2 eingespart werden, wodurch eine deutliche Verbesserung der Umweltsituation resultiert und ein wichtiger Beitrag zur Erreichung des Kyoto-Ziels geleistet wird.Last but not least, the technology described below can save significant amounts of CO 2 , which significantly improves the environmental situation and makes an important contribution to achieving the Kyoto target.
Weltweit könnte der Bedarf an fossilen Energieträgern für Heizzwecke und zur Stromerzeugung durch die Nutzung von Sonnenenergie stark reduziert werden.Worldwide could the need for fossil fuels for heating purposes and power generation through the use of solar energy strong be reduced.
Solarstrahlung besteht aus direkter und diffuser Strahlung. Die direkte Strahlung wird auf direktem Wege (ohne Richtungsänderung) empfangen. Die Stärke des direkten Sonnenlichts hängt von folgenden Faktoren ab.:
- – Auftreffwinkel der Sonnenstrahlung (Tages und Jahreszeit)
- – Intensitätsänderungen durch wechselnde Entfernung Erde – Sonne
- – Atmosphärische Veränderungen: Abschwächung durch in der Luft befindliche Moleküle, Wasserdampf und Verunreinigungen (Stäube)
- - Impact angle of solar radiation (day and season)
- - intensity changes due to changing earth - sun
- - Atmospheric changes: attenuation by airborne molecules, water vapor and impurities (dusts)
Die diffuse Strahlung ist der (energetisch weniger wertvolle) Anteil der Sonnenstrahlung, der die Erdoberfläche erst nach vorheriger Reflektion an Wolken und Streuung in der Atmosphäre erreicht. An einem klaren Sonnentag besteht die diffuse Strahlung hauptsächlich aus dem Blau des Himmels.The diffuse radiation is the (energetically less valuable) proportion the solar radiation, the earth's surface only after previous reflection reached by clouds and scattering in the atmosphere. On a clear On sunny days the diffused radiation consists mainly of the blue of the sky.
Die direkte- und die diffuse Strahlung ergeben zusammen die Globalstrahlung Die Globalstrahlung ist die gesamte von der Sonne auf einen m2 horizontale Erdoberfläche während eines bestimmten Zeitraumes eingestrahlte Energie.The direct and the diffused radiation together make up the global radiation. The global radiation is the total energy radiated by the sun on a m 2 horizontal earth surface during a certain period of time.
Die folgenden Tabellen geben die langjährig gemittelten Werte für die tägliche Globalstrahlung an.The The following tables give the long-term averages for the daily global radiation at.
Tabelle 1 Tägliche Globalstrahlung (horizontal) in Wh/m2d für den Standort Berlin Table 1 Daily global radiation (horizontal) in Wh / m 2 d for the location Berlin
Tabelle 2 Jährliche Globalstrahlung an verschiedenen Orten Table 2 Annual global radiation at different locations
Solaranlagen, bei denen Spiegel oder Linsen eingesetzt werden (Hochtemperaturanlagen), können ausschließlich die direkte Strahlung verwenden. Sie müssen in der Regel der Sonne nachgeführt werden und kommen nur in sehr sonnenreichen Gebieten der Erde zur Anwendung.Solar systems, where mirrors or lenses are used (high-temperature systems), can only use the use direct radiation. They usually have to be the sun tracked become and come only in very sunny areas of the earth Application.
Die den klimatischen Bedingungen Mitteleuropas besser angepassten Flach- oder Vakuum-Kollektoren arbeiten auf einem niedrigerem Temperaturniveau. Sie können allerdings sowohl direkte als auch diffuse Sonnenstrahlung in Wärme umwandeln.The better adapted to the climatic conditions of Central Europe. or vacuum collectors work at a lower temperature level. You can, however convert both direct and diffuse solar radiation into heat.
Heute werden thermische Solaranlagen vorwiegend für die Warmwasserbereitung und bestenfalls zur Heizungsunterstützung genutzt.today are solar thermal systems mainly for water heating and at best for heating support used.
Die erwünschten Temperaturen liegen bei 45 – 60°C. Die Temperaturen von Heizungsunterstützenden Systemen konventioneller Art liegen meist deutlich höher (außer Niedertemperatur oder Fußbodenheizung) und können – speziell im Winter – nicht allein von der Solaranlage erreicht werden. Eine Solaranlage kann also (bisher) immer nur einen gewissen Anteil der insgesamt benötigten Heiz- und Warmwasser-Energie decken.The desired Temperatures are 45 - 60 ° C. The temperatures heating support systems conventional type are usually much higher (except low temperature or underfloor heating) and can - especially in the winter - not can be achieved by the solar system alone. A solar system can So (so far) only a certain proportion of the total required heating and hot water energy cover.
In der Regel war die bivalente Betriebsweise wirtschaftlich optimal. Unter Bivalenz versteht man dabei das Zusammenwirken verschiedener Heizsysteme, wie z.B. einer Solaranlage mit einer konventionellen Gas- oder Ölheizung. Diese Systeme sind inzwischen weit verbreitet, technisch ausgereift und arbeiten oft am Rande der Wirtschaftlichkeit.In As a rule, the bivalent mode of operation was economically optimal. By bivalence is meant the interaction of different Heating systems, such as a solar system with a conventional Gas or oil heating. These systems are now widely used, technically mature and often work on the verge of profitability.
Solare Raumheizung mit Wärmepumpe und Energierückgewinnung im SommerSolar room heating with heat pump and energy recovery in summer
Die Nutzung der Solarenergie zum Zweck der Raumheizung mit einer Niedertemperaturheizung (möglichst Fußbodenheizung oder großflächige Heizkörperflächen) stellt andere Anforderungen an die Systemauslegung als bei der Warmwasserbereitung.The Use of solar energy for the purpose of space heating with a low-temperature heating (if possible underfloor heating or large area radiator surfaces) other requirements for system design than for hot water.
Bei dieser Konzeption wird die Solaranlage als primäre Energiequelle angesehen. Die Kollektor-Fläche beträgt mindestens ein viertel der zu beheizenden Wohnfläche und der/die Sollarwärmespeicher erreicht/erreichen einige Kubikmeter Wasserinhalt. Eine weitgehende Deckung des Wärmebedarfs in den Jahresübergangszeiten ist nur bei gut wärmegedämmten Häusern möglich.at In this concept, the solar system is regarded as the primary source of energy. The collector area is at least a quarter of the living space to be heated and the Sollarwärmespeicher reach / reach a few cubic meters of water. An extensive one Coverage of the heat demand in the annual transitional periods is only possible with well-insulated houses.
Hinsichtlich der Auswahl eines geeigneten Heizungssystems in Verbindung mit einer thermischen Solaranlage sei erwähnt, dass eine Flachkollektoranlage im Durchschnitt Vorlauftemperaturen von 55°C liefert (Vakuumkollektoren deutlich mehr). Es wird somit deutlich, daß eine Niedertemperaturheizung (z.B. Fußbodenheizung) wesentlich besser geeignet ist als eine konventionelle Radiatorheizung (Vorlauftemperatur 70 – 90°C).Regarding the selection of a suitable heating system in conjunction with a thermal solar system is mentioned that a flat collector system on average flow temperatures from 55 ° C supplies (vacuum collectors much more). It thus becomes clear that one Low temperature heating (e.g., underfloor heating) much better is suitable as a conventional radiator heater (flow temperature 70 - 90 ° C).
Die
Dimensionierung einer solaren Heizungsanlage muß unter Berücksichtigung aller im Einzelfall
auftretenden Gebäude-
und Nutzungsdaten durchgeführt
werden. Besondere Bedeutung kommt dabei der Güte der Wärmedämmung und somit dem Wärmebedarf
des Hauses zu. Eine Abschätzung
liefern folgende Werte.:
Eine Verdoppelung der Solarfläche erbringt nur etwa 10 – 20 % mehr Wärmeertrag bei direkter Beheizung, über die Solaranlage, des Gebäudes. Unter Verwendung einer Wärmepumpe und eines großen Wärmespeichers ist dieser Betrag jedoch wesentlich höher.A Doubling of the solar area only yields about 10 - 20 % more heat output with direct heating, over the solar system, the building. Using a heat pump and a big one heat storage However, this amount is much higher.
Eine deutlich größere Solaranlage kann, wie weiter unten beschrieben einen erheblichen Anteil der Wärme- und Warmwasserversorgung übernehmen und dabei überschüssige Energie zurückspeisen.A significantly larger solar system can, as described below, a significant proportion of heat and Take over hot water supply and doing excess energy feed back.
Solange die eingestrahlte Sonnenenergie groß genug ist, versorgt die Solaranlage das Raumheizsystem und den Brauchwasserspeicher mit Wärme. Überschüssige Solarenergie gelangt in den Solar – Wärmespeicher (Pufferespeicher) und steht an Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung zur Verfügung.So long the irradiated solar energy is large enough, the solar system provides the space heating system and the water heater with heat. Excess solar energy enters the solar heat storage (Buffer memory) and is on days with low solar radiation to disposal.
Sobald eine zur Raumheizung und Warmwasserbereitung ausreichende Wärmemenge von den Kollektoren nicht mehr geliefert werden kann, nimmt die Wärmepumpe ihren Betrieb auf.As soon as a sufficient amount of space for heating space and water heating from the collectors can no longer be supplied, the heat pump their operation on.
Die Wärmepumpe entzieht dem Solarkollektorkreislauf bei schwacher Einstrahlung Wärme und senkt somit die Kollektor-Arbeitstemperatur bis zu einem Wert von etwa 2 – 10°C (je nach Außentemperatur und Sonneneinstrahlung). Hierdurch werden die Wärmeverluste normaler Kollektoren stark verringert und somit ein deutlich größerer Anteil der Einstrahlung nutzbar gemacht. Die Kollektortemperatur liegt in diesem Fall meist deutlich über der Außentemperatur, jedoch unterhalb der benötigten Vorlauftemperatur für den Heizungskreislauf.The heat pump removes heat from the solar collector circuit during low-level radiation and lowers it Thus, the collector working temperature up to a value of about 2 - 10 ° C (depending on the outside temperature and sunlight). As a result, the heat losses of normal collectors are greatly reduced and thus made a much larger proportion of the irradiation harnessed. The collector temperature in this case is usually well above the outside temperature, but below the required flow temperature for the heating circuit.
Die jahresdurchschnittliche Leistungszahl (Wirkungsgrad) der Wärmepumpe wird im Vergleich zu herkömmlich angewandter Technik (Nutzung der Erdwärme über Erdkollektoren oder Erdsonden) wesentlich verbessert.The annual average coefficient of performance (efficiency) of the heat pump becomes compared to conventional Applied technology (use of geothermal energy via earth collectors or geothermal probes) significantly improved.
Anschließend kann die Wärmepumpe bei Bedarf ihre Heizenergie aus dem Pufferspeicher beziehen.Then you can the heat pump if necessary, get their heating energy from the buffer tank.
Reicht auch die hier gespeicherte Wärme nicht aus (z.B. dauerhafte Schneebedeckung der Solaranlage), dann wird die benötigte Wärmeenergie der Umgebung (z.B. Erdwärme, Grundwasser oder Außenluft) entzogen. Die mit dem Wärmeentzug des Erdreichs verbundenen großen Flächen haben bisher die Hauptkosten für eine Wärmepumpenanlage ausgemacht. Bisher wurde fast ausschließlich diese oder bei „Platzmangel" noch teurere Erdsonden-Technik angewandt.Enough also the stored heat here not out (for example, permanent snow cover of the solar system), then will the needed Thermal energy the environment (for example geothermal energy, Groundwater or outside air). The with the heat extraction of the soil associated large surfaces have so far the main costs for a heat pump system turned off. So far, almost exclusively this or in "lack of space" even more expensive geothermal technology applied.
Mit der bis hier beschriebenen Technik und der Nutzung einer Wärmepumpe können im Vergleich zu konventioneller Technik (zusätzlicher Heizkessel) erhebliche Energiemengen eingespart werden.With the technique described here and the use of a heat pump can Compared to conventional technology (additional boiler) considerable Saving energy.
Die WärmepumpeThe heat pump
Unter
Wärmepumpen
versteht man Maschinen, die Nutzwärme dadurch bereitstellen,
dass sie Umgebungswärme über den
Verdampfer (
Desto geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle (Verdampfer) und der Vorlauftemperatur (Kondensator) für die Heizungsanlage desto wirtschaftlicher arbeitet die Wärmepumpe.more lower the temperature difference between heat source (evaporator) and the flow temperature (condenser) for the heating system the more the heat pump works more economically.
Die Leistungszahl ε errechnet sich aus dem Verhältnis ε = Nutzleistung/aufgewandte LeistungThe Coefficient of performance ε calculated from the ratio ε = net power / expended power
Gute Wärmepumpen erreichen bei einer Temperaturdifferenz von 25°C (10°C Verdampfungstemperatur, 35°C Kondensationstemperatur) eine Leistungszahl von durchschnittlich 5,2 – 5,6!Quality Heat pumps reach at a temperature difference of 25 ° C (10 ° C evaporation temperature, 35 ° C condensation temperature) a figure of merit of on average 5.2 - 5.6!
Das EnergiekonzeptThe energy concept
Bei einer kompletten Dacheindeckung mit möglichst großflächigen und preisgünstigen Solarmodulen (künftig auch Fertigsolarmodulen nach dem Baukastenprinzip) können entsprechend hohe solare Deckungsraten erzielt werden.at a complete roofing with as large as possible and inexpensive Solar modules (future also finished solar modules according to the modular principle) can accordingly high solar coverage rates are achieved.
Bisher konnte die solare Überschusswärme während des „Sommerhalbjahres" nicht genutzt werden. Es musste im Gegenteil dafür gesorgt werden, dass die Solaranlage nicht überhitzt und dadurch möglichen Schaden nimmt. Eine Kühlung der Kollektoren ist allerdings bei „aufgeladenem" „Heißwasserspeicher" kaum noch möglich.So far the solar surplus heat could not be used during the "summer half - year" on the contrary, had to be taken to ensure that the solar system does not overheat and thereby possible damage takes. A cooling However, the collectors are hardly possible with "charged" "hot water storage".
Nicht zuletzt wurden die bisher installierten Anlagen aus diesem und aus Kostengründen eher unterals überdimensioniert und wurden vorwiegend zur Warmwasserbereitung genutzt.Not Most recently, the previously installed systems were made out of this and out cost reasons rather lower than oversized and were mainly used for hot water.
Die solaren Energieüberschüsse lassen sich jedoch sinnvoll zur Energieerzeugung nutzen. Solaranlagen erreichen im Sommer Stillstandstemperaturen von bis zu 200°C Mit einem ORC-Prozess (Umkehrung der Wärmepumpe) kann nun während der „ungenutzten" Sommerzeit die gleiche elektrische Energiemenge oder mehr zurückgewonnen werden, wie im Winter für den Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird. Die thermische Solaranlage kann in Verbindung mit einer Wärmepumpe und einem ORC-Prozess nicht nur Heizwärme sondern zusätzlich auch Strom erzeugen.The let solar energy surpluses However, make good use of energy generation. Reach solar plants Standstill temperatures of up to 200 ° C in summer With an ORC process (reversal of the heat pump) can now while the "unused" summer time the same amount of electrical energy or more, as in winter for the Operation of the heat pump needed becomes. The solar thermal system can be used in conjunction with a heat pump and an ORC process not only heating but also in addition Generate electricity.
Der ORC-Prozess basiert auf dem Wasser- Dampf-Prozess ähnlichen Verfahren mit dem Unterschied, dass an Stelle von Wasser ein organisches Arbeitsmedium (Kohlenwasserstoffe wie z.B. Iso-Pentan, Iso-Oktan, Pentan, Perfluorpentan, Toluol, Silikonöl) oder ein Ammoniak- Wasser- Gemisch (Kalina-Prozess) verwendet wird.The ORC process is based on the water-steam process similar method with the difference that instead of water, an organic working medium (hydrocarbons such as iso-pentane, iso-octane, pentane, perfluoropentane, toluene, silicone oil) or an ammonia-water mixture (Kalina process) is used.
Diese Arbeitsmedien besitzen günstigere Verdampfungseigenschaften bei tieferen Temperaturen und Drücken.These Working media have cheaper ones Evaporation properties at lower temperatures and pressures.
Die im Sommer anfallende Überschußwärme aus der Solaranlage wird über ein Wärmeträgermedium oder besser direkt (Direktverdampfung des Arbeitsmittels ohne zusätzlichen Wärmetauscher) an den ORC-Dampfpmotorprozess übertragen.The Excess heat generated in summer the solar system is over a heat transfer medium or better directly (direct evaporation of the working fluid without additional Heat exchanger) transferred to the ORC steam engine process.
Organische Arbeitsmittel zeichnen sich gegenüber Wasser durch günstigere Verdampfungseigenschaften aus. Sie verdampfen und überhitzen bei niedrigeren Temperaturen und geringerer Wärmezufuhr. Der Dampfdruck ist gering, die Dampfumenge hingegen entsprechend groß!organic Work equipment stands out against water by cheaper Evaporating properties. They evaporate and overheat at lower temperatures and lower heat input. The vapor pressure is low, the steam volume, however, correspondingly large!
Die Kollektorfelder des Solardaches können sich direkt auf der Dachkonstruktion befinden und ersetzen somit die Dacheindeckung. Darüber hinaus kann bei gut wärmegedämmten Großkollektoren auf eine Wärmedämmung verzichtet werden (insbesondere, wenn der Dachbereich unbewohnt ist oder für Abstellmöglichkeiten genutzt wird).The Collector fields of the solar roof can be directly on the roof construction are located and thus replace the roofing. Furthermore can with well-insulated large collectors waived a thermal insulation (especially if the roof area is uninhabited or for storage is being used).
Als Wärmespeicher dient ein gut wärmeisolierter Pufferspeicher, ausgelegt für eine Schlechtwetterüberbrückungszeit von etwa 4 – 10 Tagen (je nach Außentemperatur).When heat storage serves a good heat-insulated Buffer memory, designed for a bad weather bridging time from about 4 - 10 Days (depending on the outside temperature).
Für die Kondensatorkühlung des
ORC-Prozesses (
Bei einer maximalen Sonneneinstrahlung von etwa 1.000 Watt/m2, einem Kollektorwirkungsgrad von etwa 50 % bei einer Temperatur von 100 – 120°C und einem Prozesswirkungsgrad von etwa 7 – 12 % fällt eine Kühl- bzw. Kondensationswärme von etwa 450 Watt/m2 Kollektorfläche an. (Bei einer Kondensatoreintrittstemperatur von 10°C Austrittstemperatur 20°C). Der ORC-Dampfprozess erzeugt dabei eine Leistung von ca. 35 – 60 W/m2.With a maximum solar radiation of about 1,000 watts / m 2 , a collector efficiency of about 50% at a temperature of 100 - 120 ° C and a process efficiency of about 7 - 12% falls a cooling or condensation heat of about 450 watts / m 2 Collector surface on. (At a condenser inlet temperature of 10 ° C outlet temperature 20 ° C). The ORC steam process generates an output of approx. 35 - 60 W / m 2 .
Diese „Spitzenleistung" kann über einen
Zwischenwärmespeicher
reduziert werden, um eine konstante Energieerzeugung bei geringerer
Leistung bereitzustellen und die Größe und Kosten der ORC-Dampfanlage zu minimieren.
Außerdem
kann ein Teil der Kondensationswärme über einen
Rekuperator zurückgewonnen werden,
indem das kondensierte Arbeitsmedium vorgewärmt wird. Der Rekuperator (Wärmetauscher)
befindet sich vor dem Kondensator (
Ist die Nutzung von Grundwasser (über einen Brunnen) nicht möglich so kann die Kühlung auch über die Außenluft (günstige Lösung aber Wirkungsgradverlust aufgrund höherer Außentemperaturen) oder über eine überdimensionierte, ins Erdreich eingebrachte Regenwasserzisterne erfolgen, die sinnvollerweise auch für die Grundstücksbewässerung, Toilettenspülungen, Waschmaschinen und dergleichen genutzt wird (ca. 50 % des Wasserbedarfs). Die Zisterne befindet sich im ständigen Austausch mit der Umgebungswärme des Erdreiches bei ca. 10°C (Sommer wie Winter) und sollte eine möglichst große Oberfläche zur Erdumgebung bei ausreichender Tiefe haben. Sie kann somit sowohl im Sommer als Kondensator für die Stromerzeugung dienen, als auch im Winter, bei nicht ausreichendem Solarwärmeertrag (selten) einen Beitrag zur Wärmeerzeugung leisten. Eine Vereisung muß unbedingt vermieden werden.is the use of groundwater (over a fountain) not possible so can the cooling also about the outside air (favorable solution but efficiency loss due to higher ambient temperatures) or over-dimensioned, Rainwater cistern introduced into the ground, which makes sense also for the irrigation of the land, Toilet flushing, Washing machines and the like is used (about 50% of the water needs). The cistern is in permanent Exchange with the ambient heat of the soil at approx. 10 ° C (Summer as well as winter) and should have as large a surface as possible to the earth environment with sufficient Have depth. It can thus both summer as a capacitor for power generation Serve, as well as in winter, with insufficient solar heat yield (rarely) contribute to heat production Afford. An icing must necessarily be avoided.
Das eingesetzte Kälte- und ORC-Arbeitsmittel muß natürlich völlig umweltfreundlich und ungiftig sein, obwohl die Kreisläufe über ein Wärmeträgermedium voneinander getrennt sind. (außer bei direkter Erhitzung bzw. Kühlung (in der Zukunft möglicherweise Kalina-Prozess).The used refrigeration and ORC equipment must of course be completely environmentally friendly and non-toxic, although the circuits separated by a heat transfer medium are. (except with direct heating or cooling (in the future possibly Kalina process).
Stromerzeugung und Stromverbrauchpower generation and power consumption
Eine wirtschaftliche Betrachtung lässt sich gegenwärtig nur schwer durchführen, da Erfahrungswerte insbesondere bei der Energie- bzw. Stromerzeugung nicht vorliegen, eine grobe Schätzung zeigt hier allerdings sehr gute Ergebnisse und positive Zukunftsaussichten.A economic consideration leaves present difficult to perform, because empirical values, especially in the energy and electricity generation not available, a rough estimate Here, however, shows very good results and positive future prospects.
Da etwa 75 % der jährlichen Solarstrahlung (durchschnittlich 1040 kWh/m2) im Sommerhalbjahr (von April bis September) anfällt, kann mit ca. 780 kWh/m2a Solareinstrahlung gerechnet werden, die für den ORC-Arbeitsprozess genutzt werden kann. Werden hiervon nur 1,5 bis 4 % in elektrische Energie umgewandelt (80 % Kollektorwirkungsgrad, 30 % Wärmeverluste, ORC-Wirkungsgrad je nach Temperatur 2 – 9%) so kann von einer Gesamtstromuroduktion von etwa 12 – 31 kWh el./m2 im Jahr ausgegangen werden.Since about 75% of the annual solar radiation (average 1040 kWh / m 2 ) is generated in the summer half-year (from April to September), it can be estimated that 780 kWh / m 2 a solar radiation can be used for the ORC work process. If only 1.5 to 4% of this is converted into electrical energy (80% collector efficiency, 30% heat loss, ORC efficiency depending on temperature 2 - 9%), then a total current reduction of about 12 - 31 kWh el./m 2 im Year.
Die restlichen 260 kWh/m2 werden während der Wintermonate eingestrahlt und im Absorber der Solaranlage zu etwa 50 % in Wärme umgesetzt.The remaining 260 kWh / m 2 are radiated during the winter months and converted into heat in the absorber of the solar system to about 50%.
(Wirkungsgrad Solarkollektor ca. 80 %, Wärmeverluste und Neigungswinkel der Sonne zusammen ergeben ca. 50 %). Die verbleibenden 130 kWh/a werden über die Wärmepumpe zum Heizen und zur Warmwasserbereitung genutzt.(efficiency Solar collector approx. 80%, heat losses and inclination angles of the sun together make up about 50%). The remaining 130 kWh / a will be over the heat pump used for heating and hot water.
Der Gesamtwärmebedarf eines Niedrigenergiehauses incl. Warmwasserbereitung beträgt etwa 70 kWh/m2a (7 Liter Heizöl/m2). Dieser Wärmebedarf kann bei ausreichender Kollektorfläche zu etwa 50 % über die Solaranlage bereitgestellt werden. Die restliche Wärme muß mit Hilfe der Wärmepumpe auf eine Temperatur von „nur" 35°C gepumpt werden. Warmwasser auf ca. 55°C.The total heat demand of a low-energy house including water heating is about 70 kWh / m 2 a (7 liters of heating oil / m 2 ). This heat requirement can be provided with sufficient collector area about 50% of the solar system. The remaining heat must be pumped with the help of the heat pump to a temperature of "only" 35 ° C. Hot water to about 55 ° C.
Für den verbleibenden Wärmebedarf werden bei einer durchschnittlichen Jahresleistungszahl der Wärmepumpe von etwa 7 nur etwa 5 kWh Strom/m2 benötigt.For the remaining heat requirement, with an average annual heat pump capacity of about 7, only about 5 kWh of electricity / m 2 are required.
Zielaim
Das Ziel dieses Energiekonzeptes ist eine deutlich bessere Ausnutzung der Solarwärme durch die Integration neuer Technik bei gleichzeitiger Kostensenkung und Effizienzsteigerung im Vergleich zu bestehenden Anlagen.The The goal of this energy concept is a significantly better utilization the solar heat by integrating new technology while reducing costs and increase efficiency compared to existing systems.
Ein wesentlicher Schritt bei der Entwicklung dieser Technik ist die Zusammenwirkung einer elektrischen Wärmepumpe und eines ORC-Dampfprozesses unter der Nutzung gemeinsamer Technik. So kann z.B. der Elektromotor (Drehstrom-Asynchronmotor), der für den Antrieb des Verdichters dient auch als Generator für den ORC-Prozess genutzt werden.One An essential step in the development of this technique is the Interaction of an electric heat pump and an ORC steam process using common technology. Thus, e.g. the electric motor (Three-phase asynchronous motor), which is used to drive the compressor also serves as a generator for the ORC process.
Hierfür ist eine gemeinsame Welle, eine Kupplung und evtl. eine Übersetzung erforderlich.For this is one common shaft, a clutch and possibly a translation required.
Über eine Stern- Dreieck-Schaltung kann der Motor bzw. Stromgenerator in zwei Leistungsstufen betrieben werden.Over a Star-delta connection can be the motor or power generator in two Power levels are operated.
Darüber hinaus kann die Drehzahl und die Leistung über eine Polumschaltung in zwei oder mehreren Stufen variiert werden (z.B. 1.500 und 3.000 U/min). Hierdurch ergeben sich Leistungsstufen von z.B. 1/1, 1/2, 1/3 und 1/6 der Nennleistung für Generator und Motor.Furthermore can change the speed and power via a pole change in two or more stages (e.g., 1,500 and 3,000 U / min). This results in power levels of e.g. 1/1, 1/2, 1/3 and 1/6 of the rated power for Generator and engine.
Für den ORC-Dampfprozess kann vorerst eine modifizierte oder umgerüstete Kolben- oder Schraubenverdichterwärmepumpe dienen (Weiterentwicklung und Verbesserung).For the ORC steam process For now, a modified or retrofitted piston or screw compressor heat pump serve (development and improvement).
Mess- Steuer- und Regelungstechnik ist für einen optimalen und sparsamen Betrieb unumgänglich.measurement Control technology is for an optimal and economical Operation inevitable.
Die zukünftigen Entwicklungsziele sollten sich ebenfalls auf eine weitere Verbesserung des erreichbaren Wirkungsgrades und die Weiterentwicklung von umweltfreundlichen organischen Arbeitsmitteln für geringe Temperaturbereiche fokussieren.The future Development goals should also focus on further improvement the achievable efficiency and the further development of environmentally friendly organic work equipment for focus on low temperature ranges.
Bei direkter Erwärmung des Arbeitsmittels über die Solarkollektoren erreicht der ORC-Dampfprozess einen höherer Wirkungsgrad, da die Wärmeverluste des Wärmetauschers entfallen.at direct heating of the working medium the solar collectors, the ORC steam process achieves a higher efficiency, because the heat losses of the heat exchanger omitted.
Wird die Solarflüssigkeit durch das Arbeitsmittel ersetzt (z.B. Perfluorpentan), so muß die gesamte Anlage allerdings einen Druck von bis zu etwa 6 bar standhalten, der jedoch schon heute von vielen Herstellern garantiert wird. Das Arbeitsmittel siedet unter Normal- bzw. Umgebungsdruck bei etwa 30°C und kann somit bereits bei geringen Temperaturen und geringem Dampfdruck einen Beitrag zur Stromerzeugung leisten.Becomes the solar fluid replaced by the working fluid (e.g., perfluoropentane), the entire But withstand a pressure of up to 6 bar, which is guaranteed by many manufacturers today. The Working medium boils under normal or ambient pressure at about 30 ° C and can thus already at low temperatures and low vapor pressure make a contribution to power generation.
Durch Weiterentwicklung und Zusammenarbeit mit Wärmepumpen-Herstellern lassen sich noch beträchtliche Potentiale für signifikante Wirkungsgradverbesserungen und Kostenreduzierungen erreichen.By Further development and cooperation with heat pump manufacturers still considerable Potentials for significant efficiency improvements and cost reductions to reach.
Größere Objekte und Altbauten mit geringerer Wärmedämmung und höherem Temperaturniveau und Wärmebedarf können mit einer Gas- oder Heizöl-Wärmepumpe betrieben werden, da hier zusätzlich die Kühl- und Abgaswärme (bis zur Kondensation) des Motors genutzt werden kann. Natürlich sollte auch hier nicht auf eine Stromerzeugung während der Sommerzeit verzichtet werden.Larger objects and old buildings with lower thermal insulation and higher Temperature level and heat demand can with a gas or heating oil heat pump be operated, here in addition the cooling and exhaust heat (until condensation) of the engine can be used. Of course it should Again, not on a power generation during the summer time waived become.
Der erzeugte Strom kann in das EVU-Netz gespeist werden.Of the generated electricity can be fed into the power supply network.
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- 2004-12-06 DE DE102004058857A patent/DE102004058857A1/en not_active Withdrawn
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