DE102007062342B4

DE102007062342B4 - Verfahren und Anordnung zur Erhöhung des Temperaturniveaus im Kreislauf solarthermischer Anlagen oder Blockheizkraftwerke

Info

Publication number: DE102007062342B4
Application number: DE102007062342A
Authority: DE
Inventors: Lutz Richter
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2007-12-22
Filing date: 2007-12-22
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2027-12-23
Also published as: DE102007062342A1

Abstract

Verfahren zur Erhöhung des Temperaturniveaus im Kreislauf von mit Absorptionskälteanlagen gekoppelten solarthermischen Anlagen oder Blockheizkraftwerken, dadurch gekennzeichnet, dass nach Änderung der hydraulischen Anbindung der externen Medien die Absorptionskälteanlage als Wärmetransformator betrieben wird, wobei das in der Absorptionskälteanlage befindliche Entspannungsorgan (5) für die Durchführung des Absorptionsprozesses mittels einer Kondensatpumpe (7), die über ein vor oder hinter der Kondensatpumpe liegendes Ventil (8) zu- und abschaltbar ist, überbrückt und die arme Lösung mittels einer Pumpe (9) umgewälzt wird, und die Regelung der Anlage derart geändert wird, dass der Generator (4) und der Kondensator (3) auf Niederdruckniveau und der Absorber (1) und der Verdampfer (2) auf Hochdruckniveau arbeiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das es insbesondere in kalten, sonnenarmen Zeitabschnitten ermöglicht, die Temperatur im Kreislauf von mit Absorptionskälteanlagen gekoppelten solarthermischen Anlagen oder Blockheizkraftwerken, ohne oder nahezu ohne zusätzliche Aufwendung von Energie auf ein nutzbares Niveau anzuheben. Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird durch geringe Veränderungen des kältetechnischen Kreisprozesses sowie der Anlagenregelung und Medienbeschaltung der Absorptionskälteanlage realisiert.
Solarthermische Anlagen werden heutzutage u. a. in der Haustechnik zur Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung eingesetzt. Nachteilig ist jedoch, dass die Anlagen in den warmen Monaten, in denen der Wärmebedarf vergleichsweise gering ist, viel, in den kalten Monaten, in denen der Wärmebedarf hoch ist, hingegen wenig Wärmeenergie liefern.
Aus diesem Grund werden solarthermische Anlagen oft mit Kleinabsorptionskälteanlagen gekoppelt. Bei Absorptionskälteanlagen wird die zur Kühlung benötigte Antriebsenergie, im Gegensatz zu Kompressionskälteanlagen, nicht in Form von mechanischer Arbeit, sondern in Form von Wärmeenergie zugeführt. Abhängig vom verwendeten Kälte-/Lösungsmittel muss bei Absorptionskälteanlagen entweder keine oder lediglich in geringem Maße mechanische Arbeit zur Überwindung interner Druckverluste und zur Druckanhebung geleistet werden. Die Kopplung von Absorptionskälteanlagen an solarthermische Anlagen ermöglicht es somit besonders effektiv, die in sonnigen und warmen Zeitabschnitten reichlich gelieferte Wärmeenergie zur Klimatisierung zu nutzen, wodurch die jährlichen Erträge der Solaranlage erhöht werden.
In kalten, sonnenarmen Zeitabschnitten wird die solarthermische Anlage üblicherweise ausschließlich für die Heizungsunterstützung und die Bereitung von Warmwasser genutzt. Dabei ist jedoch die Temperatur des durch die Anlage erwärmten Wassers oft zu gering, um für die Heizungsunterstützung oder die Warmwasserbereitung sinnvoll verwendet werden zu können.
Auch in Blockheizkraftwerken können, insbesondere bei einem geringen Bedarf an elektrischer Energie, im Heizkreislauf Temperaturen auftreten, bei denen keine effektive Temperaturspeicherung möglich ist.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur eines Wärmeträgers bekannt ( DE 31 13 063 A1 ). Diese arbeitet auf der Grundlage von Absorption und Austreibung, Verdampfung und Verflüssigung eines Kältemittels, insbesondere ist eine Absorptionswärmepumpe oder ein Wärmetransformator offenbart; sie ist durch eine Vielzahl von Wärmeübergangszonen zwischen den einzelnen Bereichen des Kältemittelkreises gekennzeichnet.
Zudem ist eine Zusammenschau der energetischen Nutzung von Wärmequellen niedriger Temperatur bekannt (vgl. Ziegler, F.: Energetische Nutzung von Wärmequellen niedriger Temperatur, in Themen 2005, Wärme und Kälte – Energie aus Sonne und Erde, Berlin 2006, Seiten 75–80, ISSN 0939-7582), in der hierfür der Einsatz eines Wärmetransformators aufgezeigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Verfahren gefunden werden, mit dessen Hilfe in den kalten, sonnenarmen Zeitabschnitten das Temperaturniveau in mit Absorptionskälteanlagen gekoppelten solarthermischen Anlagen oder Blockheizkraftwerken ohne oder nahezu ohne zusätzliche Aufwendung von Energie auf ein nutzbares Niveau angehoben werden kann. Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens soll lediglich durch geringe Veränderungen des kältetechnischen Kreisprozesses und der Anlagenregelung der Absorptionskälteanlage realisierbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst; vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 3.
Zur Erhöhung des Temperaturniveaus in solarthermischen Anlagen und Blockheizkraftwerken, die mit Absorptionskälteanlagen gekoppelt sind, wird nach Maßgabe der Erfindung die Absorptionskälteanlage als Wärmetransformator betrieben.
Für den Betrieb der Absorptionskälteanlage als Wärmetransformator wird zur Druckerhöhung des Kältemittelkondensats das für den Absorptionsprozesses benötigte Entspannungsorgan durch eine zuschaltbare Kondensatpumpe überbrückt. Um die Zu- bzw. Abschaltung der Kondensatpumpe zu ermöglichen, ist vorgesehen, vor oder hinter der Kondensatpumpe ein Schaltventil anzuordnen. Außerdem ist eine weitere Pumpe im Leitungssystem der armen Lösung erforderlich. In vielen Absorptionskälteanlagen ist eine solche Pumpe bereits installiert; alle anderen Kälteanlagen sind mit einer solchen Pumpe nachzurüsten.
Neben diesen kreisprozessinternen Modifikationen ist es für einen Betrieb der Kälteanlage als Wärmetransformator außerdem notwendig, die hydraulische Anbindung der externen Medien sowie die Regelung und Ansteuerung der Anlage zu modifizieren. Der Generator und der Kondensator der Anlage müssen auf Niederdruck-, der Absorber und der Verdampfer auf Hochdruckniveau arbeiten.
Um die Anlage sowohl als Kälteanlage als auch als Wärmetransformator verwenden zu können, ist es erforderlich, die Medienanbindung und die Ansteuerung so auszuführen, dass zwischen beiden Betriebsarten umgeschaltet werden kann. Zum Wechsel zwischen den Betriebsarten wird zur Wärmetransformation die Kondensatpumpe zugeschaltet und für die Kälteerzeugung abgeschaltet.
Für die aufgezeigten Modifikationen sind in den bestehenden Absorptionskälteanlagen nur wenige zusätzliche Leitungen und Ventile und eine Anpassung ihrer Regler erforderlich.
Die derart modifizierten Absorptionskälteanlagen ermöglichen neben der üblichen Verwendung zur Kühlung in den warmen Jahreszeiten eine Nutzung als Wärmetransformator zur Wärmeerzeugung in den kalten Jahreszeiten. Der Wärmetransformator kann zwar nur ungefähr die Hälfte der zugeführten Wärmeenergie auf ein höheres Temperaturniveau bringen, andererseits wäre die Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau nicht nutzbar und folglich verloren.
Es ist also möglich, mit der Anlage das Temperaturniveau im solarthermischen Kreislauf bei zu geringen Vorlauftemperaturen anzuheben, wodurch entweder ein direktes Heizen oder eine effektivere Speicherung ermöglicht wird. Auf diese Weise können ohne großen Aufwand die jährlichen Erträge der Solaranlage erhöht werden.
Für den Fall, dass die Wärmeleistung der solarthermischen Anlage sehr gering ist, kann der Wärmetransformator aber auch ohne Nutzung der solarthermischen Anlage direkt zum Erhöhen der Temperatur des Mediums, z. B. von Wasser, in einem Wärmespeicher eingesetzt werden.
Blockheizkraftwerke liefern üblicherweise Temperaturen, die für ein eine direkte Beheizung ausreichend sind. Da jedoch bei höheren Temperaturen bekanntlich eine effektivere Wärmespeicherung möglich ist, kann der Wärmetransformator auch hier vorteilhaft eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen vereinfachter Darstellung:
1: das Schaltschema einer Absorptionskälteanlage,
2: das Schaltschema einer Absorptionskälteanlage, die als Wärmetransformator betrieben werden kann, und
3: die Medienversorgung einer Absorptionskälteanlage für den wahlweisen Betrieb zur Kälteerzeugung bzw. Wärmetransformation.
Aus einem Vergleich der Schaltschemata der ursprünglichen Absorptionskälteanlage (1) und der modifizierten Absorptionskälteanlage (2) sind die kreisprozessinternen Modifikationen ersichtlich, die für einen wahlweise Betrieb der Anlage als Wärmetransformator erforderlich sind. In jedem Fall muss das Entspannungsorgan 5, das der Durchführung des Absorptionsprozesses dient, mittels der Kondensatpumpe 7, die mit einem Schaltventil 8 in Serie geschaltet ist, überbrückt werden. Das Entspannungsorgan 6 des Kondensationsprozesses bleibt unverändert. Bei Absorptionskälteanlagen, die nicht schon bereits mit einer Pumpe 9 für die arme Lösung ausgestattet sind, muss außerdem noch eine Pumpe im Leitungssystem der armen Lösung installiert werden.
Mit einer derart modifizierten Absorptionskälteanlage ist es möglich, nach dem bekannten Prinzip des Wärmetransformator die Kälteanlage quasi mit einem „auf den Kopf” gestellten Prozessverlauf zu betreiben, d. h. der Verdampfer 2 und der Absorber 1 arbeiten nunmehr – genau umgekehrt wie beim Betrieb als Kälteanlage – auf dem hohen Druckniveau, der Kondensator 3 und der Generator 4 auf dem niedrigen Druckniveau. Die Wärmezufuhr in den Sorptionsprozess erfolgt auf mittlerem Temperaturniveau im Verdampfer 2 und im Generator 4. Ein Teil der zugeführten Wärmemenge kann aus dem Absorber 1 bei höherem Temperaturniveau ausgekoppelt und genutzt werden. Der verbleibende Teil der zugeführten Wärme wird im Kondensator 3 auf einem tiefen Temperaturniveau an die Umgebung abgegeben. Der Wärmetauscher 10 und die Kältemittelpumpe 11 dienen, analog wie beim Betrieb als Kälteanlage, der Umwälzung des Kältemittels.
Neben den kreisprozessinternen Änderungen sind Änderungen in der Regelung und der Ansteuerung der Anlage sowie in der hydraulischen Anbindung der externen Medien erforderlich. Diese können durch wenige zusätzliche Leitungen und Schaltventile sowie eine Anpassung der Software bzw. Hardware der Regler realisiert werden.
Die in 3 dargestellte Medienanbindung ermöglicht es, die modifizierte Absorptionskälteanlage wahlweise zur Kälteerzeugung oder zur Wärmetransformation einzusetzen. Zur Verdeutlichung sind die für den Betrieb zur Kälteerzeugung verwendeten Leitungen stärker, die für den Betrieb zur Wärmetransformation benötigten Leitungen, schwächer gezeichnet.
Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsweisen erfolgt mit Hilfe des Schaltventils 16 und der Umschaltventile 17. Die solarthermische Anlage 14, der Wärmeverbraucher bzw. Wärmespeichern 15, der Kälteverbraucher 12 und die Rückkühlung 13 sind jeweils an den Solarkreis, den Heizwasserkreis, den Kälteträgerkreis und den Kühlwasserkreis angeschlossen. Jeder der Medienkreise wird mit einer Pumpe 18 umgewälzt.
Die Erhöhung des Temperaturniveaus, die mit Hilfe der als Wärmetransformator betrieben Kälteanlage erreicht werden kann, wird durch die Kollektoranlage, das Temperaturniveau der Wärmeverbraucher und die Außenlufttemperatur bestimmt. Nach abschätzenden Berechnungen mit dem Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid lassen sich bspw. bei den Außenlufttemperaturen 12°C, 8°C und 6°C jeweils vom solarthermischen Modul gelieferte Solartemperaturen von 52°C auf 76°C, von 42°C auf 60°C und von 32°C auf 42°C anheben. Die Abwärme von Blockheizkraftwerken könnte entsprechend um ca. 40 K, also von z. B. 87°C auf ca. 118°C angehoben werden.

1: Absorber
2: Verdampfer
3: Kondensator
4: Generator
5: Entspannungsorgan des Absorptionsprozesses
6: Entspannungsorgan des Kondensationsprozesses
7: Kondensatpumpe
8: Schaltventil für die Kondensatpumpe
9: Pumpe für die arme Lösung
10: Wärmetauscher
11: Kältemittelpumpe
12: Kälteverbraucher
13: Rückkühlung
14: solarthermische Anlage
15: Wärmeverbraucher/Wärmespeicher
16: Schaltventil
17: Umschaltventil
18: Umwälzpumpe

Claims

Verfahren zur Erhöhung des Temperaturniveaus im Kreislauf von mit Absorptionskälteanlagen gekoppelten solarthermischen Anlagen oder Blockheizkraftwerken, dadurch gekennzeichnet, dass nach Änderung der hydraulischen Anbindung der externen Medien die Absorptionskälteanlage als Wärmetransformator betrieben wird, wobei das in der Absorptionskälteanlage befindliche Entspannungsorgan (5) für die Durchführung des Absorptionsprozesses mittels einer Kondensatpumpe (7), die über ein vor oder hinter der Kondensatpumpe liegendes Ventil (8) zu- und abschaltbar ist, überbrückt und die arme Lösung mittels einer Pumpe (9) umgewälzt wird, und die Regelung der Anlage derart geändert wird, dass der Generator (4) und der Kondensator (3) auf Niederdruckniveau und der Absorber (1) und der Verdampfer (2) auf Hochdruckniveau arbeiten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransformator unmittelbar zur Anhebung des Temperaturniveaus des von der Solaranlage oder vom Blockheizkraftwerk erwärmten Mediums verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransformator zur Anhebung des Temperaturniveaus des Mediums in einem Wärmespeicher verwendet wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Absorptionskälteanlage ist, bei der zusätzlich eine Kondensatpumpe (7) installiert und eine Lösungsmittelpumpe (9) in der armen Lösung eingesetzt ist, sowie entsprechende Änderungen in der Anlagenregelung und der externen Medienversorgung des Heiz-, Kühl- und Kaltwasserkreislaufs vorgenommen sind.