DE102008008832A1

DE102008008832A1 - Strom produzierendes Heizsystem

Info

Publication number: DE102008008832A1
Application number: DE102008008832A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schilling
Original assignee: Dynatronic GmbH
Current assignee: Dynatronic GmbH
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-27
Also published as: RU2010137854A; CA2714644A1; AU2009214266A2; AU2009214266A1; WO2009100924A2; WO2009100924A3; EP2252835A2; US20110101119A1; CN102047044A

Abstract

Ein Heizsystem für ein Objekt umfasst eine von einer Steuerung (12) geregelte thermische Kopplung (5) eines thermischen Wärmeerzeugers (1), insbesondere einer konventionellen Heizanlage (2), mit mehreren Wärmeverbrauchern (7) zur gleichzeitigen Wärme- und Stromproduktion. Einer der Wärmeverbraucher (7) weist ein auf einem thermodyamischen Kreisprozess (10), insbesondere einem Wasserdampf- oder ORC- oder Kalina-Prozess, basierendes Umwandlungssystem (11) zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie auf. Die im thermodynamischen Kreisprozess (10) auftretende Kondensationswärme wird an weitere Wärmeverbraucher (7) übertragen. Das Heizsystem ist in wenigstens einer von zwei Betriebsarten betreibbar, wobei in der ersten Betriebsart die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreisprozess (10) zur Stromproduktion zugeführt und die aus dem thermodynamischen Kreisprozess (10) entstehende Restwärme zum Beheizen verwendet wird und in der zweiten Betriebsart unabhängig vom Heizbedarf Strom produziert wird, indem eine Wärmesenke (6) die Kondensationswärme des thermodynamischen Kreisprozesses (10) aufnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für ein Objekt, mit einer von einer Steuerung geregelten thermischen Kopplung eines thermischen Wärmeerzeugers, insbesondere einer konventionellen Heizanlage, mit mehreren Wärmeverbrauchern zur gleichzeitigen Wärme- und Stromproduktion, wobei einer der Wärmeverbraucher ein auf einem thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere einem Wasserdampf- oder ORC- oder Kalina-Prozess, basierendes Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie aufweist und die im thermodynamischen Kreisprozess auftretende Kondensationswärme an weitere Wärmeverbraucher übertragen wird,
Für die nachfolgende Beschreibung wird auf die angehängte "Liste verwendeter Begriffe und deren Bedeutungen" und die "Abkürzungsliste" hingewiesen.
In der Broschüre „Kurzinfo: Lion ® Powerblock" (Stand Oktober 2007) der OTAG Vertriebs GmbH & Co. KG, Olsberg (http://www.otag.de/download/071007_Lion_Kurzinfo_2007_D.pdf), ist ein Heizsystem für Wohnobjekte nach dem Stand der Technik vorgestellt. Wesentliche Komponenten dieses Systems sind ein Gasbrenner, ein auf Wasserdampf basierender thermodynamischer Kreislauf, bestehend aus einem Rohrverdampfer und einem Wärmetauscher zur Kondensation des Wasserdampfes und zur Übertragung der Kondensationswärme auf den Heizungskreislauf. Mittels einer Doppel-Freikolben-Gleichstromdampfmaschine wird die erzeugte Dampfdruck-Energie zunächst in eine lineare Bewegungsenergie und dann mit Hilfe eines angekoppelten Lineargenerators in elektrischen Strom umgewandelt. Die Dampfzufuhr in den Arbeitsraum des Freikolbens wird mechanisch über Schieber gesteuert, welche fest mit der Kolbenstange verbunden sind und abhängig von der Kolbenposition und Kolbengeschwindigkeit den Einlass für eine bestimmte und nicht weiter regelbare Zeit öffnen und schließen. Dies hat zur Folge, dass die Kolbenstrecke, in der der Einlass geöffnet ist, immer fest ist und daher nur auf einen Arbeitsdruck optimal ausgelegt ist. Die z. B. bei Anlauf oder Abschaltung auftretenden niedrigeren Arbeitsdrücke können daher nicht optimal verwertet werden, da dabei ein verhältnismäßig längeres Öffnen des Einlasses erforderlich ist, um eine volle Ausnutzung des Expansionsraumes zu gewährleisten.
Nachdem der Kolben seine Expansionsarbeit verrichtet hat, überfährt er eine Öffnung in der Zylinderwand, welche solange als Auslass für den expandierten Dampf dient, bis der Kolben in seiner Rückwärtsbewegung die Öffnung wieder schließt, was zum einen zu Folge hat, dass Kompressionsarbeit an dem im Zylinder verbleibenden Dampf zu verrichten ist, um den Kolben wieder in seine Ausgangsposition zu schieben. Diese Kompressionsarbeit wird vom gegenläufigen Arbeitstakt des Doppel-Freikolbens mit den dabei unvermeidlich auftretenden Verlusten bei der Energieumwandlung durchgeführt. Zum anderen kann der Kolben nicht die maximal mögliche Expansionsarbeit verrichten, da sich zum Zeitpunkt, in dem der Kolben die Auslassöffnung überfährt, immer noch ein Überdruck im Arbeitsraum befinden muss, damit der verbleibende Dampf überhaupt in den Kondensationsraum strömt, was zu weiteren Umwandlungsverlusten führt.
Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Mini-BHKWs resultiert aus der Verwendung von Wasser als Medium für den thermodynamischen Kreisprozess, da dieses bei Normaldruck erst bei 100°C kondensiert. Da aber die in einem Haushalt vorhandenen Wärmeverbraucher oftmals nur deutlich geringere Temperaturniveaus erfordern, wie z. B. beim Betrieb einer Fußbodenheizung mit einer Vorlauftemperatur von max. 50°C, wird die maximal mögliche Effizienz der Stromerzeugung, welche auf der Spreizung zwischen Verdampfungs- und Kondensationstemperatur basiert, dadurch nicht ausgereizt. Zwar ist ein Kreisprozess mit Wasserdampf als Medium auch mit Kondensationstemperaturen unterhalb von 100°C vorstellbar, jedoch ist der daraus resultierende Unterdruck auf Dauer aufgrund von technisch kaum vermeidbaren Undichtigkeiten nur schwer aufrechtzuerhalten.
Für einen wirtschaftlicheren Weg zur Stromerzeugung mittels eines Mini-BHKWs wären außerdem folgende Eigenschaften lohnenswert:

– Eine effiziente Stromerzeugung sollte auch möglich sein, wenn gerade kein Heizbedarf besteht, um eine höher Auslastung der Anlage zu gewährleisten;
– Das Heizsystem sollte in der Lage sein, die im Sommer im Überschuss vorhandene Wärmeenergie aus thermischen Solarkollektoren effektiv zur Stromerzeugung zu nutzen;
– das Heizsystem sollte in der Lage sein, die Kondensationstemperatur des thermodynamischen Kreislaufs automatisch an das vorhandene variable Niedertemperaturniveau, wie z. B. Heizungsrücklauftemperaturen, anzupassen um eine maximale Temperaturspreizung zu erzielen; und
– die Stromerzeugungsanlage sollte nicht an eine Art der Feuerungsanlage (Gas, Öl, Pellets, etc.) gebunden sein.

Der derzeitige Stand der Technik zu Heizsystemen mit gleichzeitiger Heizwärmeproduktion und einer auf einem thermodynamischen Prozess basierenden Stromproduktion ist charakterisiert durch folgende Merkmale:

a) nur ein einziger Wärmeerzeuger: eine konventionelle Heizanlage, welche, um die beim thermodynamischen Prozess erforderlichen hohen Temperaturen zu erreichen, als Gasheizung ausgeführt ist;
b) kombiniert wird die Heizanlage mit einem thermisch angekoppelten Wärmespeicher, in dem die von der Heizanlage produzierte Heizwärme zwischengespeichert und zeitversetzt an einen Wärmeverbraucher weitergeleitet werden kann. Das Gleichgewicht zwischen der thermischen Energieerzeugung und dem thermischen Energiebedarf ergibt sich nach folgender Formel: EHeiz(t) + ESp OUT(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t)wobei: E_Sp
OUT(t) = E_WW(t) + E_HW(t) und somit gilt: E_Heiz(t) = E_THDY(t) + E_{Sp IN}(t);
c) das System hat nur eine Betriebsart, bei der mittels eines Umwandlungssystems von thermodynamischer in elektrischer Energie gleichzeitig Strom produziert wird und mit der im thermodynamischen Prozess anfallenden Kondensationswärme der Wärmespeicher gefüllt wird;
d) es existiert keine thermische Kopplung zu einer am Objekt befindlichen thermischen Wärmesenke, welche effizienzsteigernd bei der Stromproduktion verwertet wird;
e) es existiert keine thermische Kopplung zu am Objekt befindlichen thermischen Solarkollektoren, welche zur Solarstromproduktion verwertet werden;
f) es existiert keine thermische Kopplung zu einer am Objekt befindlichen Abgaswärmerückgewinnungsanlage, welche effizienzsteigernd bei der Stromproduktion verwertet wird;
g) der thermodynamische Kreisprozess basiert auf einem einstufigen Wasserdampfkreislauf;
h) die Umwandlung von thermodynamischer in elektrischer Energie erfolgt entweder mittels einer Kombination einer Gleichstromdampfmaschine mit einem Lineargenerator in einer Bauart mit zwei gegenläufigen Druckzylindern, wie sie in herkömmlichen Freikolbensystemen verwendet werden, wobei dabei immer ein Arbeitsraum ungenutzt bleibt und abwechselnd immer nur ein Druckzylinder den Arbeitstakt durchführt. Prinzipiell ist die Leistung des Umwandlungssystems über die Wiederholfrequenz der Arbeitstakte einstellbar, wobei aber aufgrund einer fehlenden Regelmöglichkeit des Einlassvolumens pro Arbeitstakt das Umwandlungssystem nur mit einem konstanten Verhältnis von Einlassdruck zu Auslassdruck realisierbar ist, was wiederum dazu führt, dass die vom Auslassdruck abhängige Kondensationstemperatur des thermodynamischen Kreisprozesses nicht einstellbar ist;
i) ein Ausgleich des unstetigen Leistungsverbrauchs der Wärmeverbraucher erfolgt über den Wärmespeicherfüllstand. Der Betriebsmodus ist solange aktiv, bis der Wärmespeicherfüllstand eine Obergrenze überschritten hat, und wird wieder aktiv, sobald eine Untergrenze unterschritten ist. Hierbei gilt: PHeiz(t) = PTHDY(t) + PSp IN(t)wobei: P_THDY(t) = f(Eingangstemperatur T_THDY-In)

Insgesamt sind für eine wirtschaftliche Stromerzeugung durch einen thermodynamischen Prozess mittels eines Mini-BHKWs folgende Randbedingungen und Anforderungen zu berücksichtigen:

– Ein hoher Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung ist nur bei hohen Temperaturunterschieden erzielbar, d. h. es ist eine möglichst hohe Ausgangstemperatur der Heizanlage (> 300°C) und, insbesondere bei der Stromgenerierung, wenn kein Heizbedarf besteht, eine möglichst niedrige Kondensationstemperatur (< 20°C) erforderlich;
– es ist derzeit kein Arbeitsmedium bekannt, mit dem ein thermodynamischer Prozess in diesem geforderten Temperaturbereich technisch realisierbar ist und dessen thermodynamische Eigenschaften zudem einen hohen Wirkungsgrad bei der Stromgenerierung ermöglichen. Wasser besitzt neben dem nachteilig hohen Siedepunkt zudem die Eigenschaft, dass eine hohe Überhitzung des Dampfes erforderlich ist, um eine Expansion mit trockenem Dampf zu ermöglichen, was sich negativ auf die thermodynamische Effizienz auswirkt;
– in einer Betriebsart „Stromgenerierung, wenn kein Heizbedarf besteht" ist für die anfallende Kondensationswärme eine sehr hohe Kühlleistung auf möglichst niedrigem Temperaturniveau (< 20°C) erforderlich, welche aber aus der Umgebung nur mittels hoher Gestehungskosten (z. B. Erdsonden-Wasserkühlkreislauf) oder durch hohen Energieaufwand (z. B. durch Wärmetauscher mit Ventilatoren) realisierbar ist; und
– bei Wohnobjekten ist nur eine geringe durch das Umwandlungssystem verursachte Lärmemission akzeptabel.

Des Weiteren ist das Problem zu lösen, wie die verschiedenen Wärmeerzeuger, Wärmespeicher und Wärmeverbraucher am günstigsten miteinander thermisch gekoppelt werden können.
Gemäß der Erfindung ist bei einem Heizsystem der eingangs genannten Art vorgesehen, dass das Heizsystem in wenigstens einer von zwei Betriebsarten betreibbar ist, wobei in der ersten Betriebsart die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreisprozess zur Stromproduktion zugeführt und die aus dem thermodynamischen Kreisprozess entstehende Restwärme zum Beheizen verwendet wird, und in der zweiten Betriebsart unabhängig vom Heizbedarf Strom produziert wird, indem eine Wärmesenke die Kondensationswärme des thermodynamischen Prozesses aufnimmt. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Heizsystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung zielt primär auf ein Heizsystem für Wohnobjekte ab, mit dem die Räume des Objekts und/oder das Brauchwasser des Objekts (Wärmeverbraucher) 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.
Die Erfindung schafft ein Heizsystem, das die obengenannten Nachteile des Stands der Technik durch eine oder mehrere bevorzugte Maßnahmen umgeht und den zusätzlichen Anforderungen gerecht wird. Diese bevorzugten Maßnahmen betreffen sowohl Verbesserungen im grundsätzlichen Systemaufbau, als auch Verbesserungen bezüglich einer bedarfsgerechten effizienz- und kostenoptimierten Gestaltung jeder einzelnen Komponente, als auch einen optimierten Gesamtsystemaufbau, welcher aus den zusätzlichen Anforderungen resultiert. Ein besonderes Gesamtsystem bestehend aus einer Kombination der nachfolgend aufgelisteten vorteilhaften Maßnahmen führt zu einer bevorzugten technischen Ausführung des Heizsystems, welche aufgrund der thermodynamischen Systemauslegung eine maximale Energieeffizienz bei der Umwandlung von thermodynamischer in elektrischer Energie bewirkt:

a) eine thermische Kopplung an eine am Objekt befindliche thermische Wärmesenke zur Effizienzsteigerung bei der Stromproduktion und zur Realisierung einer weiteren Betriebsart „Ausschließlichen Stromproduktion';
b) eine thermische Kopplung an thermische Solarkollektoren zur Solarstromgenerierung mittels eines thermodynamischen Prozesses im Niedertemperaturbereich und zur Realisierung einer weiteren Betriebsart „Solar-Stromproduktion', in der Strom mithilfe der thermischen Solarkollektoren produziert wird.
c) eine thermische Kopplung an eine am Objekt befindliche Abgaswärmerückgewinnungsanlage, welche zur Steigerung der Effizienz bei der Stromproduktion mittels eines thermodynamischen Prozesses im Niedertemperaturbereich verwertet wird;
d) eine technische Realisierung einer Wärme-Kraft-Kopplung mit einer den Carnot-Wirkungsgrad begünstigenden sehr weiten Temperaturspreizung von etwa 20 bis 300°C unter Verwendung eines für den erweiterten Temperaturbereich geeigneten Mediums für einen einstufigen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere Thermoöle oder Silikate, mit einer kritischen Temperatur oberhalb der Austrittstemperatur von etwa 300°C und bei dem idealerweise auch im niedrigen Kondensations-Temperaturbereich auf dem Niveau der Wärmesenke kein Unterdruck relativ zum Umgebungsdruck entsteht;
e) die Verwendung eines sehr effizienten mehrstufigen thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Hochtemperaturkreislauf und einem Niedertemperaturkreislauf, vorzugsweise beides ORC-Kreisläufe, wobei aus beiden Kreisläufen Strom generiert wird;
f) die Verwendung eines für diese Anwendung optimal geeigneten ventilgesteuerten doppeltwirkenden Druckzylinder/Lineargenerator-Systems, welches sowohl hinsichtlich der Übertragungsleistung als auch hinsichtlich des Verhältnisses von Einlassdruck zu Auslassdruck durch die Regelung des Einlassvolumens pro Arbeitstakt einstellbar ist;
g) oder alternativ zu f) die Verwendung eines geeigneten Rotationsumwandlungssystems zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in mechanische Rotationsenergie, insbesondere unter Verwendung einer DiPietro-Engine;
h) als weitere Verbesserung zu g): das Rotationssystem weist einen Rotationsgenerator auf, insbesondere einen RMT-Generator;
i) die Steuerung steuert eine aufgrund der zusätzlichen Wärmeerzeuger in den unterschiedlichen Betriebsarten erforderliche Leistungsanpassung, wobei verhindert wird, dass die Heizanlage einen einstellbare Leistung benötigt, und das thermische Gleichgewicht in den unterschiedlichen Betriebsarten entweder durch Leistungsregulierung im Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer in elektrische Energie oder mittels Regelung eines Speicherzuflusses P_Sp
IN(t) und damit über den Speicherfüllstand des Wärmespeichers ausgeglichen wird;
j) die Verwendung einer Hochtemperatur-Heizungsanlage, insbesondere einer Hochtemperatur-Biomasseverbrennungsanlage, als Wärmeerzeuger.

Allgemein wird durch die erfindungsgemäße thermische Ankopplung einer am Objekt verfügbaren Wärmesenke, ausgeführt z. B. als Erdkollektor, Erdsonde, Gewässer, Luftkühlung oder Kältespeicher, wird eine zusätzliche Betriebsart ermöglicht, in der auch Strom produziert werden kann, wenn gerade kein Heizbedarf besteht, indem die Wärmesenke die Kondensationswärme des thermodynamischen Kreisprozesses aufnimmt. Durch die thermische Ankopplung einer am Objekt befindlichen Wärmesenke an den thermodynamischen Kreisprozess wird eine maximale Temperaturspreizung zwischen dem Temperaturniveau Mediums vor der Expansion (T_THDY-In) und dem Temperaturniveau einer am Objekt befindlichen Wärmesenke (T_Ws) erreicht.
Der theoretisch mögliche Carnot-Wirkungsgrad bei der Umwandlung der thermischen Energie ergibt sich somit aus der Formel: ηCARNOT = 1 – TWs/TTHDY-In
Besonders vorteilhaft bezüglich des maximal möglichen Carnot-Wirkungsgrads ist die Verwendung einer speziellen Hochtemperatur-Heizungsanlage, insbesondere einer so ausgeführten Biomasseverbrennungsanlage, wie z. B einer Holzpellets-Heizanlage, welche Mediumaustrittstemperaturen T_{H Out} von oberhalb des Siedepunkts von Wasser ermöglicht, insbesondere mit Austrittstemperaturen von höher 300°C.
Um die hohen Austrittstemperaturen der Hochtemperatur-Heizungsanlage verwerten zu können ist ein für diesen Temperaturbereich geeignetes thermodynamisches Kreislauf-Medium (z. B. Thermo-Öle) mit einer kritischen Temperatur oberhalb der Austrittstemperatur der Hochtemperatur-Heizungsanlage erforderlich.
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 als mechanische Bewegungsenergie entnommen und dabei in elektrische Energie umgewandelt werden.
Bevorzugt ist ein für den thermodynamischen Kreisprozess geeignetes Medium, z. B. Thermoöle oder ein speziell für diese Anwendung entwickeltes ORC-Medium, das sich neben den erforderlichen guten Wärmeübertragungseigenschaften auch dadurch auszeichnet, dass im Medium im erforderlichen niedrigen Kondensationstemperaturbereich 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.
Die Steuerung leitet die Energieverteilung und stellt ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel EHeiz(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ERest(t)aufgrund periodisch ermittelter Messdaten ein.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ein ventilgesteuerter Kolbenmotor vorgesehen, mit dem die Ein- und Auslasszeiten jedes Arbeitstaktes separat und variabel eingestellt werden können. Dies hat zum einen die Folge, dass die Expansion unter den gegeben Bedingungen jeweils unter optimalen Druckbedingungen abläuft. Zum anderen wird mit der Einlasszeit das Einlassvolumen gesteuert und damit der Auslassdruck des Mediums nach erfolgter Expansion, was wiederum ermöglicht, dass die Temperatur des Mediums nach der Expansion des thermodynamischen Kreisprozesses variabel an die zum Zeitpunkt der Umwandlung maximal erforderliche Temperatur eines der Wärmeverbraucher angepasst werden kann. Idealerweise findet dann die Kondensation des Mediums ebenfalls auf diesem Temperaturniveau statt. Es wird also aus der verfügbaren Wärmeenergie der unter den gegebenen Umständen größtmögliche Anteil zur Stromerzeugung verwendet. 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) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t)
Ein weitere Verbesserung in der Energieverwertung wird durch einen thermisch angekoppelten Wärmespeicher erreicht, in dem die von der Heizanlage produzierte Heizwärme zwischengespeichert und zeitversetzt an mindestens einen Wärmeverbraucher weitergeleitet werden kann. Diese thermische Kopplung ermöglicht, dass die Heizanlage zu Heizzwecken immer nur kurzzeitig in Betrieb genommen werden muss. Des Weiteren ermöglicht der Wärmespeicher, wie später beschrieben, auch die Nutzung der Solarenergie sowohl zu Heizzwecken, als auch zur Solarstromgenerierung. Der Wärmespeicher ist vorzugsweise ein additiv ausgeführter Wärmespeicher mit unterschiedlichen Temperaturniveaus (Schichtspeicher), bei dem sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf ein Wärmeaustausch jeweils auf einem wählbaren, im Wärmespeicher verfügbaren bestmöglichen Temperaturniveau stattfindet. Neben den vielfach verwendeten Pufferspeichern sind auch andere Speichertypen denkbar, wie z. B. Platz sparende Latentwärmespeicher mit einem Speichermedium, welches einen Phasenwechsel, vorzugsweise von fest nach flüssig, im erforderlichen Speichertemperaturbereich vollzieht, oder ein thermochemischer Wärmespeicher. 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) + ESp OUT(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t)
Die Steuerung stellt zu jedem Zeitpunkt eigenständig, aufgrund von Daten von Sensoren zur Erfassung von prozessbeeinflussenden Parametern, den jeweils günstigsten Betrieb durch Veränderungen an den Prozessregelgrößen (wie z. B. Durchlaufgeschwindigkeit der Kreisläufe, etc.) ein. Es wird aufgrund von Sensordaten jeder Wärmeaustausch zwischen einzelnen Komponenten des Heizsystems durch eine Regelung der auftretenden Wärmeströme so eingestellt, dass eine möglichst effektive und vollständige Übertragung der Wärmeenergie des jeweils wärmeren Mediums auf das jeweils kältere stattfindet. Auch kann die Steuerung Informationen von einem Stromversorger des Objekts in die Steuerung des Heizsystems einbeziehen, um eine Stromproduktion in besonders lohnenswerten Zeiträumen zu ermöglichen.
Das Gleichgewicht zwischen der thermischen Energieerzeugung und dem thermischen Energiebedarf wird von der Steuerung vorzugsweise nach folgender Formel periodisch ermittelt und eingestellt: EHeiz(t) + ESp OUT(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t) + ERest(t)

Mittels Sensoren zur Erfassung von prozessbeeinflussenden Parametern, stellt die Steuerung eigenständig eine oder mehrere der nachfolgend charakterisierten Betriebsarten ein: a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
Heizen, WW Erhitzung und THDY-Stromproduktion Fig. 5	E_Heiz + E_{Sp OUT} = E_THDY + E_HW + E_{Sp IN} + E_WW	T_{H Out} = T_THDY-In > 300°C T_{HK VL} = T_{Sp In} = T_THDY-Out = T_WW = T_Kond = T_{H In} = 45..85°C T_{HK RL} = T_{SP Out} = 20..70°C

b) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
THDY-Stromproduktion aus Heizungswärme Fig. 6	E_Heiz = E_THDY + E_Rest E_Rest = E_Ws	T_{H Out} = T_THDY-In > 300°C T_THDY-Out = T_Kond = T_{Ws In} = 15..25°C T_{Ws Out} = < 20°C

c) Betriebsart „Stillstand".
Es wird bei den oben angegeben Temperaturen eine ideale Situation ohne Verluste bei der Wärmeübertragung angenommen, bei der die Steuerung den Betrieb unter den jeweils günstigsten Temperaturspreizungen einstellt.
Eine Schwierigkeit bei der technischen Realisierung des thermischen Gleichgewichts zwischen der thermischen Energieerzeugung und dem thermischen Energiebedarf in mehren Betriebsarten stellt der erforderliche Leistungsausgleich zwischen den einzelnen Komponenten dar, welche einen von der Betriebsart und von der Kondensationstemperatur abhängigen Leistungsdurchsatz aufweisen müssen. Es muss stets gelten: PHeiz(t) + PSp OUT(t) = PWW(t) + PHW(t) + PTHDY(t) + PSp IN(t) + PWs(t)
Die Erzeugerseite der Gleichung kann man stets für alle Betriebsarten durch die Verwendung einer in der Leistung P_Heiz(t) regelbaren Heizanlage ausgleichen, welche unabhängig von der erforderlichen Leistung bei konstantem Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad eine konstant hohe Ausgangstemperatur T_{H Out} erzeugt. Die Verbraucherseite der Gleichung kann stets durch einen variablen Leistungsdurchsatz des thermodynamischen Umwandlungssystems P_THDY(t) ausgeglichen werden, welches jedoch zusätzlich eine Regelung für die Kondensationstemperatur benötigt. Des Weiteren bietet sich die Möglichkeit, den Wärmespeicher-Aufnahmeleistung P_Sp
IN(t) zu regulieren.
Die technische Realisierung einer Heizanlage mit regelbarer Heizleistung P_Heiz(t) bei den erforderlichen hohen Ausgangstemperaturen T_{H Out} > 300°C ist schwierig. Es ist es daher vorteilhaft, wenn das Heizsystem unabhängig vom Betriebsmodus mit einer konstanten Heizleistung P_Heiz betrieben werden kann, indem der erforderliche Leistungsausgleich entweder durch den veränderbaren Speicherzufluss P_{Sp IN}(t) oder durch einen einstellbaren Leistungsdurchsatz P_THDY(t) des thermodynamischen Umwandlungssystems erfolgt.
Der erforderliche dynamische Leistungsausgleich wirkt sich folgendermaßen auf die relevanten Betriebsarten aus:
a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion"
Das thermische Gleichgewicht dieser Betriebsart lautet: EHeiz(t) + ESp OUT(t) = ETHDY(t) + EHW(t) + ESp IN(t) + EWW(t)
Der Wärmespeicher nimmt die Kondensationswärme des thermodynamischen Prozesses auf und gleichzeitig werden die Wärmeverbraucher aus dem Wärmespeicher gespeist. Somit gilt: ESp OUT(t) = EWW(t) + EHW(t) EHeiz(t) = ETHDY(t) + ESp IN(t) ESp IN(t) = EHeiz(t) – ETHDY(t)
Auf der Leistungsebene bedeutet dies: PSp IN(t) = PHeiz(t) – PTHDY(t)
Bei konstanter Heizleistung: PHeiz(t) = PHeiz = konstant
Während dieser Betriebsmodus aktiv ist, ist der Leistungsdurchsatz P_THDY(t) des thermodynamischen Umwandlungssystems konstant: PTHDY-Heizk bei TKond = THeizk RL
Damit ergibt sich ein konstanter Speicherzufluss: PSp IN = PHeiz – PTHDY-Heizk
Ein Ausgleich des unstetigen Leistungsverbrauchs der Wärmeverbraucher erfolgt über den Wärmespeicherfüllstand. Der Betriebsmodus ist solange aktiv, bis der Wärmespeicherfüllstand eine Obergrenze überschritten hat, und wird wieder aktiv, sobald eine Untergrenze unterschritten ist.
b) Betriebsart: „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme"
Hier findet keine Regulierung über den Speicherzufluss statt. Das thermische Gleichgewicht dieser Betriebsart lautet: EHeiz(t) = ETHDY(t) + ERest(t)und somit: PTHDY(t) = PHeiz – PWs(t)
Bei ausreichend niedrigem Temperaturniveau T_Ws kann eine konstante Kühlleistung P_Ws von der Wärmesenke entnommen werden. Somit gilt: PTHDY(t) = PTHDY = konstant bei TKond = TWs
Während dieser Betriebsmodus aktiv ist, ist der Leistungsdurchsatz P_THDY(t) des thermodynamischen Umwandlungssystems konstant: PTHDY-Stromp = PHeiz – PWs
Will man die Heizungsanlage unabhängig von der Betriebsart mit gleich hoher Heizleistung P_Heiz betreiben, bedeutet das: PHeiz-Stromp = PHeiz-Heizk = PHeiz-Heiz Solar = PHeiz-Solar
Dadurch ergibt sich für jede Betriebsart ein eigenes Leistungsniveau für P_THDY:
Betriebsart a) P_THDY-Heizk = P_Heiz – P_{Sp IN}
Betriebsart b) P_THDY-Stromp = P_Heiz – P_Ws
P_THDY-Stromp ist aufgrund der niedrigeren Temperatur der Wärmesenke höher als P_THDY-Heizk. Bei ungleichen Temperaturniveaus von T_Ws und T_{Heizk RL} gilt: PTHDY-Stromp ≠ PTHDY-Heizk
Eine Möglichkeit, um ein Heizsystem mit nur zwei Betriebsarten a) und b) und einer konstanten Umwandlungsleistung P_THDY und mit einer konstanten Heizleistung P_Heiz zu realisieren, ergibt sich wenn das Temperaturniveau der Wärmesenke gleich der Rücklauftemperatur der Heizkörper T_{Heizk RL} ist.
Bei T_Kond = T_{Heizk RL} = T_Ws
gilt: P_Heiz = P_THDY-Stromp = P_THDY-Heizk
Der dadurch reduzierte maximale Carnot-Wirkungsgrad für dieses System ergibt sich somit aus: ηCARNOT = 1 – THeizk RL/THeiz
Eine weitere Möglichkeit ein Heizsystem mit einer konstanten Heizleistung P_Heiz zu realisieren ergibt sich, wenn der Auslassdruck konstant dem Temperaturniveau der Wärmesenke T_Ws entspricht. Die dadurch entfallene Betriebsart a) muss daher durch eine Betriebsart ersetzt werden, in der die Heizanlage 2 thermische Energie ausschließlich zur Verwendung als Heizwärme und zur WW-Erhitzung produziert, wobei hierfür natürlich die entsprechenden Wärmekreisläufe zu integrieren sind. Dies erfordert zwar ein Umwandlungssystem mit einer variablen Umwandlungsleistung P_THDY(t), aber ein Vorteil dieser Applikation besteht darin, dass das Umwandlungssystem nur ein konstantes Verhältnis vom Einlassdruck zum Auslassdruck umsetzen muss und die Leistung über die Wiederholfrequenz f_cyc gesteuert werden kann. Eine Realisierung ist beispielsweise mit einer Turbine oder eine Gleichstromdampfmaschine möglich.
Hierbei gilt: P_THDY(t) = f(f_cyc)
Der maximale Carnot-Wirkungsgrad dieser Applikation ergibt sich aus folgender Formel: ηCARNOT = 1 – THeizk RL/THeiz
Eine bevorzugte Option für die Stromerzeugung ist ein an den thermodynamischen Kreisprozess gekoppeltes, lineares Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie mit einem oder mehreren Druckzylindern, einem Lineargenerator, einer Filter- und Gleichrichteinheit. Das lineare Umwandlungssystem sieht eine an den thermodynamischen Kreisprozess gekoppelte und daraufhin speziell abgestimmte Kolben-Zylinder-Einheit zur Umwandlung 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 besonderer Aspekt des Umwandlungssystems besteht darin, dass mittels eines ventilgesteuerten Kolbenmotors die Ein- und Auslasszeiten jedes Arbeitstaktes separat und variabel eingestellt werden können. Dies hat zum einen die Folge, dass die Expansion unter den gegeben Bedingungen jeweils unter optimalen Druckbedingungen abläuft. Zum anderen wird mit der Einlasszeit das Einlassvolumen gesteuert und damit der Auslassdrucks des Mediums nach erfolgter Expansion, was wiederum ermöglicht, dass die Temperatur des Mediums nach der Expansion des thermodynamischen Kreisprozesses variabel an die zum Zeitpunkt der Umwandlung maximal erforderliche Temperatur eines der Wärmeverbraucher angepasst werden kann. Idealerweise findet dann die Kondensation des Mediums ebenfalls auf diesem Temperaturniveau statt. Es wird also aus der verfügbaren Wärmeenergie der unter den gegebenen Umständen größtmögliche Anteil zur Stromerzeugung verwendet.
Um einen Anschlag des Kolbes am Zylinderkopf bzw. -deckel zu verhindern, ist es prinzipiell möglich den Kolbenhub zu begrenzen, indem beispielsweise die Kolbenstange an eine leer drehende Kurbelwelle gekoppelt ist.
Eine weitere Möglichkeit einen harten Anschlag zu verhindern besteht darin, den zur Verfügung stehenden Expansionshub nicht vollständig zur Entspannung zu verwenden und den verbleibenden Kolbenweg über eine Magnet-Einschnappung zu realisieren. Dabei ist die Induktionskraft, welche den Kolben bis zum Anschlag führt, so eingestellt, dass beim Anschlag nur geringe Kräfte wirken und somit ein langlebiger Betrieb möglich ist.
Bei einem thermodynamischen Druckzylinder-Umwandlungssystem mit variabler Umwandlungsleistung P_THDY(t), ermittelt sich die Umwandlungsleistung aus dem Produkt der Anzahl der Arbeitstakte (Hub1 und Hub2) und der verrichteten Arbeit eines Kolbenhubs W_THDY und der Taktfrequenz f_Cyc: PTHDY(t) = 2·WTHDY·fCyc(t)
Die verrichtete Arbeit W_THDY ist eine Funktion der konstanten Zylinderdimensionen und der variablen Parameter: WTHDY = f(TVerdampf VEinl, TKond)

• T_Verdampf: Mediumstemperatur → Einlassdruck des Mediums
• V_Einl: Einlassvolumen pro Hub
• T_Kond: Kondensationstemperatur → Auslassdruck des Mediums

Bei konstanten, hohen T_Verdampf und bei Umwandlungssystemen mit konstantem Einlassvolumen pro Hub V_Einl, kann der Auslassdruck des Mediums nicht geregelt werden. Das bedeutet, dass bei diesen Systemen nur ein Kondensationstemperaturniveau für alle Betriebsarten möglich ist: WTHDY = konstant
Die Umwandlungsleistung P_THDY(t) bei diesem thermodynamischen Druckzylinder-Umwandlungssystem kann durch Änderungen der Taktfrequenz verändert werden: PTHDY(t) = 2·WTHDY·fCyc(t)
Eine Möglichkeit, die Taktfrequenz f_cyc veränderlich zu gestalten besteht darin, dass man die Expansionsgeschwindigkeit und damit Expansionsdauer t_Exp eines Kolbenhubs dadurch verändert, indem man die Induktionskraft F_Ind über elektrisch veränderbare Parameter des Lineargenerators veränderlich gestaltet.
Die Taktfrequenz f_Cyc ist abhängig von der Expansionsdauer t_Exp. Erfolgt nach einem Arbeitstakt sofort (ohne Totzeit) der gegenläufige Arbeitstakt, dann gilt: fcyc = 1/(2·tExp)
Die Expansionsdauer t_Exp ist abhängig von der Hublänge, welche jedoch konstant ist, und der Expansionsgeschwindigkeit des Kolbens, welche wiederum das Ergebnis des Kräftegleichgewichts zwischen der mechanischen Schubkraft F_Hub des Druckzylinders während der Expansion und der entgegengesetzten Induktionskraft F_Ind des Lineargenerators ist.
t_Exp = f(F_Ind)
und somit: f_Cyc(t) = f(F_Ind)
Ein elektrisch einstellbarer Parameter des Lineargenerators ist die Spuleninduktivität, welche sich beispielsweise über eine elektrisch wählbare Verschaltung von Spulenpaaren verändern lässt.
Somit ist ein Heizsystem mit variabler Umwandlungsleistung P_THDY(t), für alle Betriebsarten möglich, wobei jedoch aufgrund der fehlenden Einstellmöglichkeiten für den Auslassdruck auch hier gilt: TKond = THeizk RL = TWs ηCARNOT = 1 – THeizk RL/THeiz
Die technische Realsierung eines solchen Umwandlungssystems, wie beispielsweise einem doppelt wirkenden Druckzylinder, einer Gleichstromdampfmaschine oder einer Corliss-Engine, erfolgt mittels einer periodischen Ventilsteuerung. Jedes einzelne Ein- und Auslassventil wird periodisch mit der Taktfrequenz f_Cyc für einen durch die Ventilsteuerungseinstellungen festgelegten Zeitabschnitt, wie in 10 dargestellt, geöffnet und geschlossen, wobei die Periodendauer t_Cyc der Summe der Dauer eines Arbeitstakts t_Ausl1 und eines gegenläufigen Arbeitstaktes t_Ausl2 entspricht: tEinl1 = tEinl2 = konstant tCyc = tAusl1 + tAusl2 fCyc. = 1/tCyc tExp = 1/(2·fcyc)
Die zeitliche Synchronisierung aller Ventile erfolgt dadurch, dass der Druckzylinder in seiner Expansionsphase durch die mechanische Bewegung des Druckzylinders oder einer davon abgeleiteten synchronisierten Bewegung, beispielsweise einer Rotationsbewegung, periodisch die Ventilstellung ändert und damit die Schließzeiten jedes einzelnen Ventils direkt mechanisch steuert. Die Öffnungszeiten für jedes Ventil werden beispielsweise durch die Dimensionen eines Steuerkolbens, welcher durch die lineare Bewegung ein Ventil öffnet und schließt, festgelegt. Ein Beispiel für eine lineare Ausführung eines periodisch arbeitenden Umwandlungssystems mit doppelt wirkendem Druckzylinder ist die bekannte Dampfmaschine von James Watt.
Eine Rotationsausführung dieses periodischen Druckzylinder-Umwandlungssystems besitzt separate Rotationsventile, welche synchron zur Taktfrequenz f_Cyc für festgelegte Zeitabschnitte, wie in 10 dargestellt, geöffnet und geschlossen werden. Die Öffnungszeiten t_Einl der separaten Ventile ergeben sich aus den Winkeldimensionen des rotierenden Ventilsegments, bei dem eine Durchströmung des Ventils möglich ist. Die Taktfrequenz f_Cyc wird bei rein mechanischen Systemen von der mechanischen Bewegung des Druckzylinders abgeleitetet, welche in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird, wie z. B. bei der bekannten Corliss-Engine. Eine andere Möglichkeit der Realisierung ergibt sich, indem man die Taktfrequenz fremdgesteuert z. B. mit einem Elektromotor gewinnt, welcher sich synchron zur Kolbenposition dreht. Die zeitliche Synchronisierung der Rotationsventile erfolgt beispielsweise dadurch, dass alle Ventile über eine Rotationsachse miteinander verbunden sind, welche mit der Taktfrequenz f_Cyc rotiert.
Um eine dynamische Regelung des Auslassdrucks des Mediums und damit der Kondensationstemperatur T_Kond zu realisieren, ist es erforderlich, dass das Einlassvolumen pro Hub V_Einl einstellbar ist, was über eine variable Öffnungszeit der Einlassventile t_Einl möglich ist. Idealerweise werden die Einlassventile fremdgesteuert, d. h. eine Steuerung stellt das Einlassvolumen V_Einl(t) mittels der Einlassdauer t_Einl so ein, dass der gewünschte Mediumsdruck nach Ende der Expansion über den vollen Kolbenhub erreicht wird. Damit wird die Kondensationstemperatur des Mediums, so eingestellt, dass diese der maximal erforderlichen Temperatur der angekoppelten Wärmeverbraucher entspricht.
Vorzugsweise werden dazu elektrisch ansteuerbare Einlassventile eingesetzt. Prinzipiell kann die Ansteuerung des Ventils auch pneumatisch oder hydraulisch erfolgen. Vorstellbar ist außerdem eine Lösung, bei der die Einlassventile mit einem Steuerkolben, welcher durch die lineare Bewegung die Einlassventile öffnet und schließt, realisiert werden, wobei die lineare Bewegung des Steuerkolbens fremdgesteuert ist, d. h. nicht von der Bewegung des Druckzylinders abgeleitet ist. Eine kontrollierte lineare Bewegung des Steuerkolbens kann z. B. mit einem Linearmotor realisiert werden.
Eine Realisierungsmöglichkeit ist der in 11 dargestellte ventilgesteuerte doppelt wirkende Druckzylinder, bei dem der Kolben der Kolben-Zylinder-Einheit durch das Einströmen des Arbeitsmediums in einen Arbeitsraum des Druckzylinders bewegt wird. Die Steuerung bestimmt nach Auswertung von Sensordaten automatisch die Dauer des Einströmens. Das zu steuernde Einlassvolumen ist also eine Funktion des eingangsseitig zur Verfügung stehenden Mediumdrucks, welcher jedoch als konstant anzusehen ist, und der ausgangsseitig gewünschten Temperatur während der Kondensation.
Da immer der volle Kolbenhub zur Expansion verwendet wird, besteht zwischen der Einlassdauer t_Einl und der gewünschten Kondensationstemperatur T_Kond ein direkter Zusammenhang, d. h. zu jeder einstellbaren Kondensationstemperatur T_Kond existiert eine entsprechende Einlassdauer t_Einl und damit ein konstanter Wert für die verrichtete Arbeit eines Kolbenhubs W_THDY. Damit gilt: WTHDY = f(TKond)
Das bedeutet, dass verrichtete Arbeit eines Kolbenhubs W_THDY nicht über die Einlassdauer t_Einl geregelt werden kann. Über die Einlassdauer t_Einl kann ausschließlich der Auslassdruck des Mediums nach der Expansion eingestellt werden. Die Umwandlungsleistung P_THDY(t) bei einem thermodynamischen Druckzylinder-Umwandlungssystem kann also ausschließlich durch Änderungen der Taktfrequenz verändert werden. Die Umwandlungsleistung P_THDY ergibt sich aus dem Produkt der Anzahl der Arbeitstakte (Hub 1 und Hub 2) und der verrichteten Arbeit eines Kolbenhubs W_THDY und der Taktfrequenz f_Cyc: PTHDY(t) = 2·WTHDY(TKond)·fCyc(t)
Natürlich ist dieses Prinzip auch mit zwei gegenläufigen Druckzylindern, wie sie in herkömmlichen Freikolben-Systemen verwendet werden, anwendbar, wobei dabei immer ein Arbeitsraum ungenutzt bleibt und abwechselnd immer nur ein Druckzylinder den Arbeitstakt durchführt, während der andere sich gerade in der Auslassphase befindet.
Mit einem so realisierten Umwandlungssystem regelt die Taktfrequenz f_Cyc also die Umwandlungsleistung P_THDY, während mit der Einlassdauer t_Einl die Kondensationstemperatur T_Kond eingestellt wird.
Für die unterschiedlichen Betriebsarten ergibt sich daraus:
Betriebsart a) P_THDY-Heizk = 2·W_THDY-Heizk·f_Cyc-Heizk = P_Heiz – P_{Sp IN}
bei T_Kond = T_{Heizk RL}
Betriebsart b) P_THDY-Stromp = 2·W_THDY-Stromp·f_Cyc-Stromp = P_Heiz – P_Ws
bei T_Kond = T_Ws
Es ist jedoch technisch aufwendig, die Induktionskraft eines Lineargenerators einstellbar zu gestalten um damit die Umwandlungsleistung zu regulieren. Ein weiterer Vorteil des ventilgesteuerten doppelt wirkenden Druckzylinders besteht darin, dass keine Notwendigkeit besteht, nach einem ausgeführten Arbeitstakt sofort mit der Ausführung des nächsten Arbeitstakts zu beginnen. Mit einer eingefügten variablen Totzeit t_tot zwischen den Arbeitstaktausführungen kann die Wiederholfrequenz und damit die Umwandlungsleistung P_THDY geregelt werden. Die Taktfrequenz f_Cyc ist abhängig von der Expansionsdauer t_Exp und der Totzeit t_tot: fcyc = 1/(2·(tExp + ttot))
Zur erforderlichen Leistungsanpassung ermittelt die Steuerung In den unterschiedlichen Betriebsarten die entsprechende Taktfrequenz f_Cyc: fCyc = PTHDY/2·WTHDY
Die Steuerung wartet dabei von der Ausführung eines Arbeitstaktes bis zur Ausführung des gegenläufigen Arbeitstaktes ab, bis die halbe Periodendauer T_Cyc abgelaufen ist. Es findet dabei eine leistungsmodulierte Ventilsteuerung statt, wie in 12 dargestellt. Die Totzeiten, werden von der Filter- und Richteinheit nahezu verlustfrei kompensiert.
Die Auslassventile werden dabei nach der halben Periodendauer T_Cyc, also synchron zur Taktfrequenz f_Cyc, abwechselnd geöffnet und geschlossen. Eine Ausführung der Auslassventile ist somit sowohl als fremdgesteuert, wie z. B. durch elektrisch ansteuerbare Ventile, als auch durch eine von der linearen Bewegung des Druckzylinders abgeleiteten Steuerung möglich, wie z. B. mittels einer zur Kolbenposition synchronen Rotationsventilsteuerung.
Grundsätzlich ist aber auch eine Stromerzeugung mit einem an den thermodynamischen Kreisprozess gekoppelten ventilgesteuerten Rotations-Umwandlungssystems möglich, wie etwa einem daraufhin speziell abgestimmten Druckluftmotor, bei dem die lineare Kolbenbewegung mittels einer Kurbelwelle zunächst in Rotationsenergie umgewandelt wird, welche mittels eines ebenfalls speziell für diese Anwendung abgestimmten Generators dann in elektrische Energie umgewandelt wird.
Eine weitere bevorzugte Möglichkeit bietet sich durch die Verwendung einer Rotationskolbenmaschine, insbesondere einer DiPietro-Engine als solcher, bei welcher ebenfalls das Einlassvolumen pro Arbeitstakt geregelt werden kann. Als Rotationsgenerator bietet sich der vor allem der für Windanlagen konzipierte RMT-Generator an. Beide Komponenten 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 bei allen beschriebenen Systemen 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.
Bei einer Verbrennungsanlage mit Ausgangstemperaturen von T_H
Out > 300°C ist es technisch schwierig, die für einen effizienten Betrieb erforderlichen niedrigen Abgastemperaturen zu erreichen. Eine erfindungsgemäße deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Feuerungsanlage wird durch die thermische Ankopplung einer Abgaswärmerückgewinnungsanlage in einer Funktion als separater Wärmeerzeuger für die rückgewonnene thermische Wärmeenergie E_Rück(t) mit dem Temperaturniveau T_Rück erreicht.
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) + ESp OUT(t) + ERück(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t) + ERest(t)
Zum einen kann die Abgas-Restwärme dazu verwendet werden, den Heiz- und WW-Bedarf abzudecken, wobei gilt: ERück(t) = EWW(t) + EHW(t)
In 8 ist eine mögliche technische Realisierung dieser thermischen Kopplung über den Wärmespeicher dargestellt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass E_WW(t) + E_HW(t) variabel sind, wohingegen die rückgewonnene Wärmemenge immer konstant anfällt, sobald die Heizanlage in Betrieb ist. Der thermische Ausgleich kann nur dann erfolgen, wenn Heizbedarf besteht.
Eine weitere erfindungsgemäße Verbesserung ist daher die Verwendung der Abgas-Restwärme zur Stromproduktion im thermodynamischen Kreisprozess, also in den Betriebsarten a) und b), wobei gilt: ETHDY(t) = ERück(t) + EHeiz(t)
Durch eine thermische Ankopplung von thermischen Solarkollektoren entweder direkt an einen Wärmeverbraucher oder bevorzugt an den Wärmespeicher können die jährlichen Heizkosten gemindert werden. 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) + ESol(t) + ESp OUT(t) + ERück(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t) + ERest(t)
Eine optimale Energieverwertung entsteht durch eine erfindungsgemäße thermische Kopplung der einzelnen Komponenten der Heizanlage, welche gewährleistet, dass jeder Wärmeerzeuger mit jedem Wärmeverbraucher, dem Wärmespeicher oder mit jedem anderen Wärmeerzeuger Wärmeaustausch betreibt, wobei im Falle unterschiedlicher Wärmeträgermedien vorzugsweise eine gegenläufige Wärmeübertragung und im Falle gleicher Wärmeträgermedien vorzugsweise ein Mediumsaustausch vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Heizungssystem kann weiterhin wahlweise in mehreren Betriebsarten betrieben werden. In einer ersten Betriebsart wird die von dem einem oder mehreren Wärmeerzeugern erzeugte oder gespeicherte Wärme zum Beheizen oder zum Füllen der Wärmespeicher verwendet. In einer zweiten Betriebsart wird die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreisprozess zur Stromproduktion zugeführt, wobei die aus dem thermodynamischen Kreisprozess entstehende Restwärme der Wärmesenke übertragen wird. In einer dritten Betriebsart wird die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreisprozess zur Stromproduktion zugeführt, wobei die aus dem thermodynamischen Kreisprozess entstehende Restwärme zum Beheizen oder zum Füllen der Wärmespeicher verwendet wird. Die Steuerung bestimmt dabei anhand vorher festgelegter Kriterien selbsttätig, in welcher der Betriebsarten das Heizsystem betrieben wird und kann sich dazu optional Informationen von einem Stromversorger des Objekts einholen, um eine Stromproduktion in besonders lohnenswerten Zeiträumen zu ermöglichen.
Die Solarenergie kann mit diesem Heizsystem, sowohl zur Stromproduktion als auch zur Heizwärmegewinnung effektiv nutzbar gemacht werden, indem das im Wärmespeicher oder im Solarkollektor vorherrschende Niedertemperaturniveau, welches lediglich höher sein muss als die Temperatur der Wärmesenke (T_Ws), um den verbleibenden Temperaturbereich bis zu einer verbrauchsabhängigen Solltemperatur weiter erwärmt wird.
Weitere Vorteile entstehen dadurch, dass die Solarkollektoren in einer Betriebsart des Heizsystems, insbesondere in der Nacht oder im Winter, als Wärmesenke genutzt werden, die die Restwärme des thermodynamischen Kreisprozesses aufnimmt. Dabei ist ein mehrstufiger Solarkollektoraufbau vorteilhaft, welcher eine Serienschaltung verschiedener Kollektortypen, die zum einen aus kostengünstige Kollektoren geringerer thermischer Isolierung und zum anderen aus höherwertigen Kollektoren mit hoher thermischer Isolierung besteht. Zum Zwecke der Energieoptimierung ist es in einigen Betriebsarten weiterhin vorteilhaft, dass die einzelnen Kollektortypen auch überbrückt, d. h. nicht vom Solarmedium durchflossen werden können. Die Steuerung bestimmt dabei anhand von festgelegten Kriterien, wie z. B. der Außentemperatur, ob nur einer der Kollektortypen oder beide seriell vom Solarmedium durchflossen werden.
Auch können vorhandene Heizkörper oder eine Fußbodenheizung des Objekts als permanente Wärmesenke für den thermodynamischen Kreisprozess genutzt werden, auch wenn kein Heizbedarf besteht. Ein spezieller Heizkörper im Waschraum, der immer dann mit Restwärme beheizt wird, wenn diese während der ausschließlichen Stromproduktion anfällt, könnte beispielsweise nebenbei auch zur Wäschetrocknung genutzt werden.
In der Regel besteht bei einer solarunterstützten Heizanlage ein inverses Verhältnis 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 aufzubringen. 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.
Das bisher vorgestellte System, welches aus einem thermodynamischen Prozess zur Stromgewinnung basiert, kann jedoch aufgrund der eingangs beschriebenen Schwächen der zur Zeit erhältlichen Kreislaufsmedien nicht den wünschenswerten hohen Temperaturbereich abdecken, welcher einerseits durch den hohen Flammpunkt einer Heizanlage (> 1000°C) und andererseits durch die Umgebungstemperatur (< 0°C) theoretisch zur Verfügung stehenden Temperaturpotentiale gegeben sind.
Eine deutliche erfindungsgemäße Verbesserung stellt daher die Kombination zweier thermodynamischer Kreisprozesses (Teilprozesse) für aufeinander folgende Temperaturbereiche dar, wobei jeder Teilprozess für sich ein eigenständiger thermodynamischer Prozess ist und jeder Teilprozess ein eigenes Umwandlungssystem zur Umwandlung von Druck in elektrische Energie aufweist und die Kondensationswärme des Teilprozesses für den höheren Temperaturbereich mittels Kopplung über einen Wärmetauscher als Verdampfungsenergie für den Teilprozess des niedrigeren Temperaturbereiches verwendet wird. So kann z. B. ein Wasserdampf-, Butylbenzene-, Propylbenzene-, Ethylbenzene-, Toluene- oder OMTS-Kreisprozess für den Temperaturbereich von 300 bis 150°C und ein ORC-Kreisprozess mit dem Medium R245fa für den Niedertemperaturbereich von 150 bis 15°C verwendet werden. Durch die sich daraus ergebende Addition der Temperaturbereiche ergibt sich in diesen Beispiel ein theoretischer Carnot-Wirkungsgrad von 50%.
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) + ESol(t) + ESp OUT(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY1(t) + ETHDY2(t) + ESp IN(t) + ERest(t)
Eine weitere erfindungsgemäße Verbesserung tritt ein, wenn die erforderliche Leistungskompensation zwischen den Teilprozessen dadurch stattfindet, dass die Steuerung die Übergangstemperatur zwischen der Kondensation des Mediums des ersten Teilprozesses und der Verdampfung des Mediums des zweiten Teilprozesses, das Leistungsverhältnis der beiden Teilprozesse steuert und es den Erfordernissen entsprechend anpasst.
Weiterhin erfindungsgemäß ist eine kostengünstige Kopplung einzelner Komponenten der beiden Umwandlungssysteme zur Umwandlung von Druck in elektrische Energie, so dass nicht alle Einzelkomponenten doppelt erforderlich sind, mittels einer mechanischen Verkopplung der Umwandlungssysteme, welche so ausgeführt ist, daß sich die mechanischen Kräfte addieren, so dass nur ein Generator und ein Netzrichter erforderlich sind, welche jeweils die Summe der Energie der Teilprozesse übertragen.
Eine weitere mögliche kostengünstige Kopplung einzelner Komponenten der beiden Umwandlungssysteme zur Umwandlung von Druck in elektrische Energie, so dass nicht alle Einzelkomponenten doppelt erforderlich sind, ist mittels einer elektrischen Verkopplung der Generatorausgänge realisierbar, was bewirkt, dass nur ein Netzrichter erforderlich ist, welcher die Summe der Energie der Teilprozesse überträgt.
Prinzipiell ist auch eine Kopplung der Druckzylinder der beiden Umwandlungssysteme für die Teilprozesse mittels einer Kurbelwelle möglich, wobei die Stromgenerierung über einen Rotationsgenerator erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist hierbei die Ankopplung einer Abgaswärme-Rückgewinnungsanlage und einer thermischen Solaranlage an den Niedertemperatur-Kreislauf des zweistufigen thermodynamischen Prozesses. Die Energiezufuhr E_THDY erfolgt dabei auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in zwei Stufen. In der Niedertemperaturstufe (Stufe 2) wird die rückgewonnene Wärmeenergie E_Rück zur Erwärmung oder Teilverdampfung des thermodynamischen Mediums bis zum Temperaturniveau T_Rück verwendet, wobei gilt: ETHDY2(t) = ESol(t) + ERück(t) + ERest1(t)
Die Energiemenge zur Umwandlung in elektrische Energie E_THDY-Stufe2 und somit E_THDY erhöht sich also aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus additiv um den Wert der zurückgewonnenen Abgaswärme E_Rück(t) und der Solarenergie E_Sol(t).
In der ersten Stufe des thermodynamischen Prozesses wird die rückgewonnene Wärmeenergie E_Heiz nur zur Restverdampfung des thermodynamischen Mediums vom Temperaturniveau T_Rück bis zum Temperaturniveau T_Heiz verwendet, wobei gilt: ETHDY1(t) = EHeiz(t) – ERest1(t)

Mittels Sensoren zur Erfassung von prozessbeeinflussenden Parametern, stellt die Steuerung eigenständig eine oder mehreren der nachfolgend charakterisierten Betriebsarten ein: a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
Heizen, WW Erhitzung und THDY-Stromproduktion Fig. 19	E_Heiz = E_THDY1 + E_Rest1 E_THDY2 = E_Rück + E_Rest1 E_{Sp IN} = E_Rest2 E_{Sp OUT} = E_HW + E_WW	T_Bren = T_THDY1-In = 300°C T_THDY1-Out = T_THDY2-In = 150°C T_HK VL = T_{Sp In} = T_THDY2-Out = T_WW = T_Kond = T_{H In} = 45..85°C T_HK RL = T_{SP Out} = T_Heiz Ab = 20..60°C T_{Heiz Rück} = T_{Heiz Mit} = 100..140°C

b) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
THDY-Stromproduktion aus Heizungswärme Fig. 20	E_Heiz = E_THDY1 + E_Rest1 E_THDY2 = E_Rück + E_Rest1 E_Rest2 = E_Ws	T_Bren = T_THDY1-In = 300°C T_HDY1-Out = T_THDY2-In = 150°C T_THDY2-Out = T_Ws = T_{Heiz Ab} = 15..25°C T_{Heiz Rück} = T_{Heiz Mit} = 100..140°C

c) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme und gespeicherter oder direkter Solar Energie"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
THDY-Stromproduktion aus Heizungswärme und Wärmespeicher und Solarenergie Fig. 21	E_Heiz = E_THDY1 + E_Rest1 E_THDY2 = E_{SP Out} + E_Rück + E_Rest1 E_Rest2 = E_Ws	T_{SP Out} = T_{H In} = 20..60°C T_Bren = T_THDY1-In = 300 °C T_THDY1-Out = T_THDY2-In = 150°C T_THDY2-Out = T_Ws = T_{Sp In} = 15..25°C T_{Heiz Ab} = T_{SP Out} = T_{Kol Out} = 20..60°C T_{Heiz Rück} = T_Heiz Mit = 100..140°C

d) Betriebsart „Solarspeicher füllen"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
Solarspeicher füllen Fig. 22	E_SP In = E_Sol	T_{SP In} = T_{Kol Out} = 40..90°C T_{SP Out} = T_{Kol In} = 20..40°C

e) Betriebsart „Solares Heizen und WW"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
Solares Heizen und WW mittels Wärmespeicher Fig. 23	E_{Sp OUT} = E_HW + E_WW E_{SP In} = E_Sol	T_{HK VL} = T_{SP In} = T_{Kol Out} = T_WW = 45..90°C T_{HK RL} = T_{SP Out} = T_{Kol In} = 20..50°C

Es wird bei den oben angegeben Temperaturen eine ideale Situation, ohne Verluste bei der Wärmeübertragung, angenommen, bei der die Steuerung den Betrieb unter den jeweils günstigsten Temperaturspreizungen einstellt.
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, welche aufgrund der daraus resultierenden hohen und konstanten Auslastung der Heizanlage bei gleichzeitiger effektiver Stromproduktion immer dann vorteilhaft ist, wenn der Heiz- und WW-Energiebedarf geringer ist, als die maximale Heizleistung der installierten Heizanlage. Gemäß einer solchen Folge von Betriebsarten ist abwechselnd zunächst die Betriebsart a) „Heizen, WW und Stromproduktion" solange aktiv, bis der Wärmespeicher ausreichend gefüllt ist und dann, nach dem Erreichen dieser Bedingung, parallel die Betriebsarten b) „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" und e) „Solares Heizen und WW mittels Wärmespeicher" solange aktiviert sind, bis die gespeicherte Wärmemenge im Wärmespeicher eine untere Schwelle unterschreitet.
Um das System in allen Betriebsarten betreiben zu können, muss der Leistungsdurchsatz P_THDY1(t) und P_THDY2(t) der Umwandlungssysteme 116 und 118 für jede Betriebsart einstellbar sein, wobei für jede relevante Betriebsart gilt:

a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion" bei T_Kond2 = T_Heizk
RL PHeiz = PTHDY1 PTHDY2 = PRück + PRest1
b) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" bei T_Kond2 = T_Ws PHeiz = PTHDY1 PTHDY2 = PRück + PRest1
c) „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme und gespeicherter oder direkter Solar Energie" PHeiz = PTHDY1 PTHDY2 = PSP Out + PRück + PRest1

Da die Kondensationstemperatur der zweiten Stufe T_Kond2 in den Betriebsarten unterschiedlich ist, ist für die zweite Stufe ein Umwandlungssystem vorteilhaft, das einen regulierbaren Auslassdruck aufweist, wie beispielsweise der zuvor beschriebene ventilgesteuerte Lineargenerator oder eine DiPietro-Engine.
Da die Kondensationstemperatur der ersten Stufe T_Kond2 in den Betriebsarten konstant ist, ist für die erste Stufe ein Umwandlungssystem ohne einen regulierbaren Auslassdruck vorteilhaft, wie beispielsweise eine Gleichstromdampfmaschine oder eine Turbine.
Mit einer abgewandelten Ausführung (siehe 24) ist eine technische Realisierung aller Betriebsarten möglich, bei der die zweite Stufe ein Umwandlungssystem ohne einen regulierbaren Auslassdruck aufweist, wie beispielsweise eine Gleichstromdampfmaschine oder eine Turbine. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Heizsystem mit einer Betriebsart a) realisiert ist, in der nur die erste Stufe Strom produziert. Mit der zweiten Stufe wird in dieser Betriebsart nur Heizwärme produziert, indem das Umwandlungssystem der zweiten Stufe in dieser Betriebsart nicht vom thermodynamischen Niedertemperatur-Kreislaufmedium durchströmt wird.

Die dadurch abgewandelte Betriebsart a) wird durch folgende Eigenschaften charakterisiert: a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion"

Funktion	Energieübertragung	Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche
Heizen, WW Erhitzung und THDY-Stromproduktion Fig. 19	E_Heiz = E_THDY1 E_THDY2 = E_Rück + E_Rest1 E_{Sp IN} = E_THDY2 E_{Sp OUT} = E_HW + E_WW	T_Bren = T_THDY1-In = 300°C T_THDY1-Out = T_THDY2-In = T_{Sp In} = 150°C T_{HK VL} = T_WW = T_Kond = T_{H In} = 45..85° T_{HK RL} = T_{SP Out} = T_{Heiz Ab} = T_THDY2-Out = 20..60°C T_{Heiz Rück} = T_{Heiz Mit} = 100..140°C

Weitere generelle Effizienzsteigerungen für alle vorgestellten Systemaufbauten ergeben sich zum einen daraus, dass für den thermodynamischen Kreisprozesses innere Wärmetauscher (Regeneratoren) vorgesehen sind.
Zum anderen ist es in heißen Sommernächten oftmals schwierig, Kühltemperaturen unterhalb der wünschenswerten 15°C zu erreichen. Eine kostengünstige Lösung stellt hierbei eine Beregnungsanlage dar, die Solarkollektoren zusätzlich, u. a. durch die dabei entstehende Verdunstungskälte, abkühlt. Selbstverständlich sollte diese Beregnungsanlage nur dann von der Steuerung aktiviert werden, wenn dadurch insgesamt Kostenvorteile erwartet werden.
Des Weiteren ist es vorstellbar, dass das Umwandlungssystem für den Hochtemperaturkreislauf 402 mittels eines Stirlingmotors realisiert ist, da der Stirlingmotor für höhere Temperaturen ausgelegt ist. Es wäre damit theoretisch möglich, Brennerkreislauftemperaturen > 500°C mit hohem Gesamtwirkungsgrad in elektrische Energie umzuwandeln.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der thermischen Kopplungen aller beteiligten Komponenten und den damit verbundnen Aufgaben des intelligenten Energieverteilungsmanagements des erfindungsgemäßen Heizsystems;
2 eine technische Ausführung des erfindungsgemäßen Heizsystems;
3 eine schematische Darstellung eines kombinierten Verflüssigers;
4 eine kostengünstige Ausführung des erfindungsgemäßen Heizsystems;
5 die Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion";
6 die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme";
7 eine technische Ausführung des erfindungsgemäßen Heizsystems mit Abgaswärmerückführung angekoppelt an den Wärmespeicher;
8 eine technische Ausführung des erfindungsgemäßen Heizsystems mit Abgaswärmerückführung angekoppelt an den thermodynamischen Prozess;
9 eine schematische Darstellung eines möglichen linearen Umwandlungssystems zur Umwandlung von thermodynamischer in elektrische Energie;
10 eine schematische Darstellung einer periodischen Ventilsteuerung;
11 eine schematische Darstellung eines ventilgesteuerten doppelt wirkenden Druckzylinders;
12 eine schematische Darstellung einer leistungsmodulierten Ventilsteuerung;
13 eine schematische Darstellung eines möglichen Rotations-Umwandlungssystems zur Umwandlung an thermodynamischer Energie in elektrische Energie;
14 eine schematische Darstellung eines doppelstufigen thermodynamischen Kreisprozesses;
15 eine schematische Darstellung einer mechanischen Kopplung der Umwandlungssysteme zur Umwandlung von Druck- in kinetische Energie;
16 eine schematische Darstellung einer elektrischen Kopplung der Generatorausgänge;
17 eine technische Ausführung einer Solarkollektorschaltung;
18 eine technische Ausführung einer doppelstufige Ausführung mit Solarkollektoren und Abgaswärmerückführung im THDY-Kreislauf;
19 die Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion";
20 die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme";
21 die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme und gespeicherter oder direkter Solarenergie";
22 die Betriebsart „Solarspeicher füllen";
23 die Betriebsart „Solares Heizen und WW";
24 eine abgewandelte technische Ausführung einer doppelstufigen Ausführung mit Solarkollektoren und Abgaswärmerückführung einer Kondensationstemperatur im THDY-Kreislauf;
25 die abgewandelte Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme";
In 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 optionale Solarkollektoren 3, ein optionaler Wärme- und/oder Kältespeicher 4, eine Wärmesenke 6, Wärmeverbraucher 7, umfassend eine Apparatur zur Warmwassererhitzung 8, einen Heizwärmekreislauf 9 und einen thermodynamischen Kreisprozess 10, welcher mittels eines Umwandlungssystems 11 zur Umwandlung von thermodynamischer Energie 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 prozessbeeinflussende 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 bestimmter Annahmen (andere) für die Steuerung des Heizsystems relevante Parameter zu schätzen oder zu prognostizieren.
2 stellt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Mini-BHKWs dar mit einem Brennerkreislauf 70, welcher den Heizkessel einer Feuerungsanlage 71 durchströmt, einem thermodynamischen Kreislauf 74, mit welchem Strom gewonnen wird, einem Heizungskreislauf 79, welcher die Heizkörper 80 durchströmt, und einem Kühlkreislauf 77 welcher Abwärme an eine Wärmesenke transportiert, wobei der Brennerkreislauf 70 den Verdampfer 73 des thermodynamischen Kreislaufs 74 durchströmt und zwei separate Verflüssiger 75 und 76 abhängig von der Betriebsart ausgangsseitig entweder vom Heizungskreislauf 79 oder vom Kühlkreislauf 77 durchströmt werden. Ein Wärmespeicher 81 ist thermisch über einen Wärmetauscher an den Heizungskreislauf 79 angekoppelt.
Gemäß 3 sind die separaten Verflüssiger 210 und 211 kostengünstig in einem kombinierten Wärmetauscher mit jeweils getrennten Ein- und Ausgängen für den thermodynamischen Kreislauf 200, den Kollektorkreislauf 201 und den Heizungskreislauf 202 zusammengefasst.
4 stellt den schematischen Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Mini-BHKWs dar, welches durch eine Doppelfunktion einiger Komponenten kostengünstiger herzustellen ist. So ist der Brennkessel der Feuerungsanlage 331, welcher vom Medium des thermodynamischen Kreisprozesses 330 durchströmt, zugleich der Verdampfer des thermodynamischen Kreisprozesses 330. Der Wärmespeicher 332 kann wählbar als thermische Wärmesenke des thermodynamischen Kreisprozesses verwendet werden, indem der Verflüssiger 333 kostengünstig im Wärmespeicher 332 integriert ist. Ebenso kann der Heizungskreislauf kostengünstig indirekt als thermische Wärmesenke des thermodynamischen Kreisprozesses verwendet werden, indem er über einen im Wärmespeicher 332 integrierten Wärmetauscher 334 die erforderliche Heizwärme bezieht.
5 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 4 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion" erforderlich sind.
6 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 4 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" erforderlich sind.
7 stellt den schematischen Aufbau eines weiteren möglichen Mini-BHKWs dar mit einer Abgaswärmerückführung 338, welche über einen Wärmetauscher 339 an einen Wärmespeicher 340 gekoppelt ist.
8 stellt den schematischen Aufbau eines weiteren möglichen Mini-BHKWs dar mit einer Abgaswärmerückführung 350, welche über einen Wärmetauscher 351 das thermodynamische Kreislaufsmedium 352 gekoppelt ist.
Die in 9 dargestellte Anlage umfasst einen thermodynamischen Teil 501 mit einem Arbeitsmedium, einem oder mehreren Druckzylinder 502, einem Lineargenerator 503, der einen Magneten und eine Spule aufweist, einer auf beide Teile einwirkenden Steuerung 506, die Teil der zentralen Steuerung 12 ist, einer Gleichrichter- und Filtereinheit 504, welche die durch die Magnetbewegung erzeugten Spannungsimpulse in Gleichspannung umwandelt, und einem Wechselrichter 505, welcher die Gleichspannung in eine zur Netzeinspeisung geeignete Wechselspannung wandelt. Die Kondensationswärme des thermodynamischen Prozesses wird den Wärmeverbrauchern zugeführt.
In 10 ist eine schematische Darstellung einer periodischen Ventilsteuerung dargestellt, bei der jedes einzelne Ein- und Auslassventil periodisch mit der Taktfrequenz f_Cyc für einen durch die Ventilsteuerungseinstellungen festgelegten Zeitabschnitt geöffnet und geschlossen wird, wobei die Periodendauer t_Cyc der Summe der Dauer eines Arbeitstakts t_Ausl1 und eines gegenläufigen Arbeitstaktes t_Ausl2 entspricht.
In 11 ist ein ventilgesteuerter Druckzylinder 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.
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 F_Hub ausgeübt, was unter Verrichtung von Arbeit zu einer Bewegung des Kolbens 608 nach rechts (gemäß der Darstellung in der Figur) 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 – F_Hub und eine Bewegung des Kolbens 608 nach links ergibt. Welcher von beiden Arbeitstakten (normaler oder gegenläufiger) durchgeführt wird, hängt von der aktuellen Position des Kolbens 26 ab.
Mittels der Steuerung 609 wird das in die Arbeitsräume 603 bzw. 604 einströmende Volumen (Einlassvolumen) geregelt. Nach Auswertung von Sensordaten 610 werden automatisch Beginn und Dauer des Einströmens bestimmt und dadurch der Druck und damit die Mediumstemperatur nach der Expansion so eingestellt, dass diese der maximal erforderlichen Temperatur der angekoppelten Wärmeverbraucher entspricht. Das Einlassvolumen ist also eine Funktion des eingangsseitig zur Verfügung stehenden Mediumdrucks und des ausgangsseitig gewünschten Drucks während der Kondensation, was eine sehr effiziente Energieumwandlung ermöglicht.
Wie bereits erwähnt erfolgt die Steuerung/Regelung der einzelnen Kreislaufprozesse und des Lineargenerators unter Einbeziehung von prozessbeeinflussenden Parametern (thermische Energiezufuhr, thermischer Heizbedarf, Druck und Temperatur des Arbeitsmediums, der Wärmespeicher und der Umgebung, etc), die von einer Vielzahl geeigneter Sensoren 610 (Druck-, Temperatur-, etc.) bereitgestellt werden.
Natürlich ist dieses Prinzip auch mit zwei gegenläufigen Druckzylindern, wie sie in herkömmlichen Freikolben-Systemen verwendet werden, anwendbar, wobei in diesem Fall der Arbeitsraum 304 ungenutzt bleibt und abwechselnd immer nur ein Druckzylinder den Arbeitstakt durchführt, während der andere sich in der Auslassphase befindet.
In 12 ist eine schematische Darstellung einer leistungsmodulierten Ventilsteuerung dargestellt, bei der nach einem ausgeführten Arbeitstakt nicht sofort mit der Ausführung des nächsten Arbeitstakts begonnen wird. Mit einer eingefügten variablen Totzeit t_tot zwischen den Arbeitstaktausführungen kann die Wiederholfrequenz und damit die Umwandlungsleistung P_THDY geregelt werden. Die Taktfrequenz f_Cyc ist abhängig von der Expansionsdauer t_Exp und der Totzeit t_tot: Die Steuerung wartet dabei von der Ausführung eines Arbeitstaktes bis zur Ausführung des gegenläufigen Arbeitstaktes ab, bis die halbe Periodendauer T_Cyc abgelaufen ist. Es findet somit eine Leistungsmodulation auf dem generierten Ausgangsspannung statt, wobei die Totzeiten, von der Filter- und Richteinheit nahezu verlustfrei kompensiert werden. Die Auslassventile werden dabei nach der halben Periodendauer T_Cyc, also synchron zur Taktfrequenz f_Cyc, abwechselnd geöffnet und geschlossen.
In 13 ist ein alternatives Rotations-Umwandlungssystem dargestellt, das anstelle des zuvor beschriebenen linearen Umwandlungssystems eingesetzt werden kann. Das Rotations-Umwandlungssystem ist gekoppelt an den thermodynamischen Kreisprozess 701, bei dem zunächst die verfügbare thermische Energie (Wärmeenergie) in thermodynamische Energie (Dampfdruck) umgewandelt wird. Der Dampfdruck wird dann mittels einer ventilgesteuerten Expansionsmaschine 702, wie z. B. eines Rotationskolbenmotors (insbesondere einer DiPietro-Engine), in Rotationsenergie umgesetzt, wobei hier ebenfalls die Steuerung 705, mittels der Ein- und Auslassventile das Einlassvolumen jedes einzelnen Arbeitstaktes so einstellt, dass der Druck und damit die Mediumstemperatur nach der Expansion der maximal erforderlichen Temperatur der angekoppelten Wärmeverbraucher entspricht. Die Rotationsenergie wird mittels des Generators 703 in elektrische Energie umgewandelt, welche von einem 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.
14 beschreibt einen doppelstufigen thermodynamischen Prozess, welcher aus zwei Teilprozessen 400 und 401 für aufeinanderfolgende Temperaturbereiche besteht. Jeder Teilprozess für sich ist ein eigenständiger thermodynamischer Prozess mit einem für den zugewiesenen Temperaturbereich geeigneten Medium. Jeder Teilprozess weist ein eigenes Umwandlungssystem zur Umwandlung von Druck in elektrische Energie 402 und 403 auf. Die Kondensationswärme des Teilprozesses für den höheren Temperaturbereich 400 wird mittels Kopplung über einen Wärmetauscher 404 als Verdampfungsenergie für den Teilprozess des niedrigeren Temperaturbereiches 401 verwendet.
15 beschreibt mögliche kostengünstige Lösungen, eine für ein lineares System (15a) und eine für ein Rotationssystem (15b), wie verhindert werden kann, dass nicht alle Einzelkomponenten der bei doppelstufigen thermodynamischen Prozess erforderliche beiden Umwandlungssysteme zur Umwandlung von Druck in elektrische Energie, doppelt auszuführen sind. Dies wird durch die dargestellten mechanischen Verkopplungen der Umwandlungssysteme zur Umwandlung von Druck- in kinetische Energie 451 und 452 realisiert, welche so ausgeführt sind, dass sich die mechanischen Kräfte, welche bei der Umwandlung der Druck- in kinetische Energie auftreten, vektoriell addieren, indem sie, durch die Steuerung geregelt, zeitgleich in dieselbe Richtung wirken. Somit sind nur ein Generator 453 und ein Netzrichter 454 erforderlich, welche jeweils die Summe der Energien der Teilprozesse übertragen.
16 beschreibt eine weitere kostengünstige Lösung, wie verhindert werden kann, dass nicht alle Einzelkomponenten der bei einem doppelstufigen thermodynamischen Prozess erforderlichen beiden Umwandlungssysteme zur Umwandlung von Druck in elektrische Energie doppelt auszuführen sind. Mittels einer geeigneten elektrischen Verkopplung 462 der Generatorausgänge 460 und 461, welche so ausgeführt ist, dass die von beiden Generatoren erzeugten unterschiedlichen Spannungspotentiale dem Eingang des Netzrichters 463 zugeführt werden, ohne dass Kurzschlüsse zwischen den Generatoren auftreten, wird erreicht, dass beide Spannungspotentiale dem Netzrichter 463 als Energiereservoir zur Umwandlung in eine netzkompatible Wechselspannung dienen. Dies hat zur Folge, dass nur ein Netzrichter 463 erforderlich ist, welcher die Summe der Energie der Teilprozesse überträgt.
17 ist eine schematische Darstellung eines mehrstufigen Solarkollektoraufbaus, welcher eine Serienschaltung von Kollektoren geringerer thermischer Isolierung 50 und höherer thermischer Isolierung 51 umfasst. Zusätzlich kann jeder der Kollektortypen auch überbrückt, d. h. nicht vom Solarmedium durchflossen, werden. Die Steuerung 12 bestimmt anhand von Sensordaten, wie z. B. der Umgebungs- oder Kollektortemperatur und vom aktuell vorgesehenen Verwendungszweck der Kollektoren als Wärmeerzeuger oder als Wärmesenke, ob nur einer der Kollektortypen oder beide seriell vom Solarmedium durchflossen werden.
In 18 ist eine schematische Darstellung einer doppelstufigen Ausführung dargestellt mit Solarkollektoren und Abgaswärmerückführung im THDY-Kreislauf, bestehend im Wesentlichen aus einem Brennerkreislauf 100, einem thermodynamischen Hochtemperatur-Kreislauf 101, einem thermodynamischen Niedertemperatur-Kreislauf 102, einem Heizungskreislauf 117, einem Solarkreislauf 103, einem WW-Kreislauf 104, und einem Kühlkreislauf 105. Der Brennerkreislauf 100 durchströmt den Heizkessel einer Feuerungsanlage 106 und ist über einen Wärmetauscher 107 an einen thermodynamischen Hochtemperatur-Kreislauf 101 gekoppelt. Die im Wärmespeicher 115 gespeicherte Solarenergie E_Sol(t) wird dadurch zur Erwärmung des thermodynamischen Mediums bis zum Temperaturniveau T_{SP Out} verwendet, indem der Niedertemperaturkreislauf 102 über einen Wärmetauscher 112 an den Wärmespeicher 115 thermisch gekoppelt ist, wobei der Wärmetauscher 112 eine Doppelfunktion besitzt: in einer Betriebsart dient er zur Erwärmung des thermodynamischen Mediums bis zum Temperaturniveau T_{SP Out}, und in einer anderen Betriebsart dient er als Verflüssiger zur Übertragung der Kondensationswärme des Niedertemperatur-Kreislaufs 102 auf das Speichermedium. Die rückgewonnene Wärmeenergie E_Rück wird zur Erwärmung oder Teilverdampfung des thermodynamischen Mediums vom Temperaturniveau T_{SP Out} bis zum Temperaturniveau T_Rück dadurch verwendet, indem der Niedertemperaturkreislauf über einen Wärmetauscher 111 an die Abgaswärmerückgewinnung 110 thermisch gekoppelt ist. In einer Betriebsart wird die Restwärme des Niedertemperatur-Kreislaufs E_Rest-Stufe2(t) mittels eines Verflüssigers 109 dem Kühlkreislauf 105 übertragen. Die thermische Ankopplung eines Solarkollektorkreislaufes 103 an den Wärmespeicher 115 findet mittels eines Wärmetauschers 113 statt. Die thermische Ankopplung eines Wärmespeichers 115 an den WW-Kreislauf 104 findet mittels eines Wärmetauschers 114 statt.
19 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 18 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion" erforderlich sind.
20 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 18 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" erforderlich sind.
21 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 18 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme und gespeicherter oder direkter Solareenergie" erforderlich sind. Anstelle der Solarkollektoren können prinzipiell auch andere thermische Energiequellen verwendet werden, z. B. die Nutzung von Fernwärme. Das grundsätzliche Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Heizsystems ändert sich dadurch nicht.
22 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 18 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Solarspeicher füllen" erforderlich sind.
23 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 18 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die Betriebsart „Solares Heizen und WW" erforderlich sind.
24 ist eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführung nach 18, bei der die zweite Stufe ein Umwandlungssystem ohne einen regulierbaren Auslassdruck aufweist, wie beispielsweise eine Gleichstromdampfmaschine oder eine Turbine. Dies wird dadurch ermöglicht, indem das Heizsystem mit einer Betriebsart a) realisiert ist, in der nur die erste Stufe Strom produziert und mit der zweiten Stufe in dieser Betriebsart nur Heizwärme produziert wird, indem das Umwandlungssystem der zweiten Stufe in dieser Betriebsart nicht vom thermodynamischen Niedertemperatur-Kreislaufmedium durchströmt wird.
25 beschreibt die im Gesamtaufbau gemäß 24 enthaltenen Komponenten und Temperaturniveaus, welche für die abgewandelte Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion" erforderlich sind.

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

Konventionelle Heizanlage	Öl-, Gas-, Kohle-, Strom-, Holzscheit-, oder Holzpelletsheizung, Holzvergasungsanlage, Biomasseverbrennungsanlage,...
Wärmeerzeuger	thermische Wärmequelle, z. B. konventionelle Heizanlage, solarthermischer Prozess, Prozess-Waste-Heat (wie etwa die Restwärme bei der Biogasproduktion), ...
Wämeverbraucher	Heizkörper, WW-Verbraucher und thermodynamischer Prozess
Wärme- oder Kältespeicher	Pufferspeicher, Latentspeicher, thermochemischer Speicher,...
Wärmesenke	Tiefenwasser-Erdsonde, Erdkollektor, Gewässer (Teich, Pool, Regen- oder Brauchwasser, Fluss,... ), luftgekühlte Wärmetauscher mit oder ohne Ventilatoren, luftgekühlte Solarkollektoren, gespeicherte Umgebungskälte, Heizungs- oder Fußbodenheizungsrückläufe, Verdunstungskälte,...
Thermodynamischer Prozess	ORC-Prozess mit einem oder einer Mischung aus mehreren Kühlmitteln, thermischen Ölen, Hydraulikölen, Gasen; Kalina-Prozess; Wasserdampf-Prozess; ...
Generator	Asynchron-, Synchron-, RMT-Generator,...
Netzrichter	Gleich- oder Wechselspannungsnetzrichter, Frequenzumrichter, ...
Sensoren	zur Messung von Druck, Temperatur, Durchlaufmengen, Solarstrahlung, Füllstand, Kolbenposition bzw. Rotationsfrequenz, ...
Expansionsmaschine	Druckmotor, Turbine, DiPietro-Engine, Dampfschraubenmotor, ...
Heizkörper	Heizkörper für ein Wohnobjekt, Fußbodenheizung, Wandheizung, ...
WW-Verbraucher	WW-Brauchwasser, Spülmaschine, Waschmaschine, ...
Solarkollektor	Flachkollektor, Röhrenkollektor, Parabolrinnenkollektor, Parabolspiegelkollektor, ...
BHKW	Blockheizkraftwerk
E_Heiz	erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage
E_HW	Energiebedarf an Heizwärme
E_Rest	Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie)
E_Rest1	Kondensationswärmeenergie der ersten Stufe des thermodynamischen Prozesses
E_Rest2	Kondensationswärmeenergie der zweiten Stufe des thermodynamischen Prozesses
E_Rück	Rückgewonnene Abgaswärme
E_Sol	Thermische Solarenergie
E_{Sp IN}	zu speichernde Wärmeenergie
E_{Sp OUT}	dem Wärmespeicher zu entnehmende Wärmeenergie
E_THDY	Energie des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie)
E_THDY1	Energie der ersten Stufe (Hochtemperaturstufe) des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie)
E_THDY2	Energie der zweiten Stufe (Hochtemperaturstufe) des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie)
E_Wq	Wärmeenergieangebot der Wärmequelle
E_WW	Energiebedarf an Brauchwasser
f_cyc	Taktfrequenz
F_Ind	Induktionskraft des Generators
KW	Kaltwasser
P_Heiz	thermische Heizleistung der konventionellen Heizanlage (Wärmestrom)
P_{Heiz-Heiz Sola}	thermische Heizleistung der konventionellen Heizanlage in der Betriebsart c) „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme und gespeicherter oder direkter Solarenergie"
P_Heiz-Heizk	thermische Heizleistung der konventionellen Heizanlage in der Betriebsart a) „Heizen, WW und Stromproduktion"
P_Heiz-Solar	thermische Heizleistung der konventionellen Heizanlage in der Betriebsart d) „Solarspeicher füllen"
P_Heiz-Stromp	thermische Heizleistung der konventionellen Heizanlage in der Betriebsart b) „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme"
P_HW	Wärmeleistungsbedarf an Heizwärme (Wärmestrom)
P_Rest	Kondensations-Abwärmeleistung des thermodynamischen Prozesses (Wärmestrom)
P_Rück	Wärmeleistung an rückgewonnener Abgaswärme (Wärmestrom)
P_{Sp IN}	Wärmespeicher-Aufnahmeleistung (Wärmestrom)
P_{Sp OUT}	Wärmespeicher-Abgabeleistung (Wärmestrom)
P_THDY	Leistungsdurchsatz des Umwandlungssystems des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie
P_THDY1	Leistungsdurchsatz des Umwandlungssystems der ersten Stufe (Hochtemperaturstufe) des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie
P_THDY2	Leistungsdurchsatz des Umwandlungssystems der zweiten Stufe (Niedertemperaturstufe) des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie
P_WW	Wärmeleistungsbedarf an Heizwärme für Brauchwasser (Wärmestrom)
RL	Rücklauf
SP	Speicher
t	Zeit
t_Ausl1	Öffnungsdauer des Auslassventils im Arbeitstakt
t_Ausl2	Öffnungsdauer des Auslassventils im gegenläufigen Arbeitstakt
t_Cyc	Periodendauer eines Gesamttaktes
t_Einl1	Öffnungsdauer des Einlassventils im Arbeitstakt
t_Einl2	Öffnungsdauer des Einlassventils im gegenläufigen Arbeitstakt
t_Exp	Expansionsdauer eines Kolbenhubes
THDY	thermodynamischer Kreisprozess
T_Kond	Kondensationstemperatur des thermodynamischen Prozesses
t_tot	Stillstandszeit des Kolbens (Totzeit)
V_Einl	Einlassvolumen pro Hub
VL	Vorlauf
WT	Wärmetauscher
W_THDY	verrichtete Arbeit eines Kolbenhubs W_THDY während der Expansion in einem Arbeitstakt
WW	Warmwasser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Kurzinfo: Lion ® Powerblock" (Stand Oktober 2007) der OTAG Vertriebs GmbH & Co. KG, Olsberg (http://www.otag.de/download/071007_Lion_Kurzinfo_2007_D.pdf) [0003]

Claims

Heizsystem für ein Objekt, mit einer von einer Steuerung (12) geregelten thermischen Kopplung (5) eines thermischen Wärmeerzeugers (1), insbesondere einer konventionellen Heizanlage (2), mit mehreren Wärmeverbrauchern (7) zur gleichzeitigen Wärme- und Stromproduktion, wobei einer der Wärmeverbraucher (7) ein auf einem thermodynamischen Kreisprozess (10), insbesondere einem Wasserdampf- oder ORC- oder Kalina-Prozess, basierendes Umwandlungssystem (11) zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie aufweist und die im thermodynamischen Kreisprozess (10) auftretende Kondensationswärme an weitere Wärmeverbraucher (7) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem in wenigstens einer von zwei Betriebsarten betreibbar ist, wobei in der ersten Betriebsart die erzeugte Wärme dem thermodynamischen Kreisprozess (10) zur Stromproduktion zugeführt und die aus dem thermodynamischen Kreisprozess (10) entstehende Restwärme zum Beheizen verwendet wird, und in der zweiten Betriebsart unabhängig vom Heizbedarf Strom produziert wird, indem eine Wärmesenke (6) die Kondensationswärme des thermodynamischen Kreisprozesses (10) aufnimmt.
Heizsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine thermische Kopplung an eine am Objekt befindliche thermische Wärmesenke zur Effizienzsteigerung bei der Stromproduktion und zur Realisierung einer weiteren Betriebsart, bei der ausschließlich Strom produziert wird.
Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine thermische Kopplung an thermische Solarkollektoren zur Solarstromgenerierung mittels eines thermodynamischen Prozesses im Niedertemperaturbereich und zur Realisierung einer weiteren Betriebsart, in der Strom mithilfe der thermischen Solarkollektoren produziert wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine thermische Kopplung an eine am Objekt befindliche Abgaswärmerückgewinnungsanlage, welche zur Steigerung der Effizienz bei der Stromproduktion mittels eines thermodynamischen Prozesses im Niedertemperaturbereich verwertet wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine technische Realisierung einer Wärme-Kraft-Kopplung mit einer Temperaturspreizung von etwa 20 bis 300°C unter Verwendung eines für den erweiterten Temperaturbereich geeigneten Mediums für einen einstufigen thermodynamischen Kreisprozess, insbesondere Thermoöle oder Silikate, mit einer kritischen Temperatur oberhalb der Austrittstemperatur von etwa 300°C und bei dem insbesondere auch im niedrigen Kondensations-Temperaturbereich auf dem Niveau der Wärmesenke kein Unterdruck relativ zum Umgebungsdruck entsteht.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen thermodynamischen Kreisprozess mit einem Hochtemperaturkreislauf und einem Niedertemperaturkreislauf, wobei aus beiden Kreisläufen Strom generiert wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein ventilgesteuertes doppeltwirkendes Druckzylinder/Lineargenerator-System, welches sowohl hinsichtlich der Übertragungsleistung als auch hinsichtlich des Verhältnisses von Einlassdruck zu Auslassdruck durch die Regelung des Einlassvolumens pro Arbeitstakt einstellbar ist.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Rotationsumwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in mechanische Rotationsenergie, insbesondere unter Verwendung einer DiPietro-Engine.
Heizsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationssystem einen Rotationsgenerator aufweist, insbesondere einen RMT-Generator.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung eine in den unterschiedlichen Betriebsarten erforderliche Leistungsanpassung über die zusätzlichen Wärmeerzeuger steuert und das thermische Gleichgewicht in den unterschiedlichen Betriebsarten entweder durch Leistungsregulierung im Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer in elektrische Energie oder mittels Regelung eines Speicherzuflusses P_Sp
IN(t) und damit über den Speicherfüllstand des Wärmespeichers ausgeglichen wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger eine Hochtemperatur-Heizungsanlage ist, insbesondere eine Hochtemperatur-Biomasseverbrennungsanlage.
Heizsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-Heizungsanlage für Mediumaustrittstemperaturen oberhalb des Siedepunkts von Wasser sorgt, insbesondere höher als 300°C.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel EHeiz(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ERest(t)periodisch ermittelt und einstellt, wobei E_Heiz: erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage (2) E_WW: Energiebedarf an Brauchwasser E_HW: Energiebedarf an Heizwärme E_THDY: Energie des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie) E_Rest: Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie). t: Zeit.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen thermisch angekoppelten Wärmespeicher (4), in dem die von der Heizanlage (2) produzierte Heizwärme zwischengespeichert und zeitversetzt an mindestens einen Wärmeverbraucher (7) weitergeleitet werden kann und dass die Steuerung (12) ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel EHeiz(t) + ESp OUT(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t) + ERest(t)periodisch ermittelt und einstellt, wobei E_Heiz: erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage (2) E_{Sp OUT}: zu speichernde Wärmeenergie E_WW: Energiebedarf an Brauchwasser E_HW: Energiebedarf an Heizwärme E_THDY: Energie des thermodynamischen Prozesses zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie) E_{Sp IN}: dem Wärmespeicher zu entnehmende Wärmeenergie E_Rest: Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie). t: Zeit.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Sensoren (13) zur Erfassung von prozessbeeinflussenden Parametern, wobei die Steuerung (12) den Betrieb des Heizsystems unter Einbeziehung der prozessbeeinflussenden Parameter regelt und dass die Steuerung (12) aufgrund von Sensordaten den 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.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (12) Informationen von einem Stromversorger des Objekts in die Steuerung des Heizsystems einbezieht, um eine Stromproduktion in besonders lohnenswerten Zeiträumen zu ermöglichen.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Brennerkreislauf (70), welcher den Heizkessel einer Feuerungsanlage (71) durchströmt, einen thermodynamischen Kreislauf (74), einen Heizungskreislauf (79), welcher die Heizkörper (80) durchströmt, und einen Kühlkreislauf (77), wobei der Brennerkreislauf (70) den Verdampfer (73) des thermodynamischen Kreislaufs (74) durchströmt und zwei separate Verflüssiger (75, 76) abhängig von der Betriebsart ausgangsseitig entweder vom Heizungskreislauf (79) oder vom Kühlkreislauf (77) durchströmt werden und ein Wärmespeicher (81) thermisch über einen Wärmetauscher an den Heizungskreislauf (79) angekoppelt ist.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkessel der Feuerungsanlage (331) vom Medium des thermodynamischen Kreisprozesses (330) durchströmt wird und somit als Verdampfer dient und dass der Heizungskreislauf über einen im Wärmespeicher (332) integrierten Wärmetauscher (334) die erforderliche Heizwärme bezieht und somit indirekt als thermische Wärmesenke des thermodynamischen Kreisprozesses verwendet werden kann.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine oder mehreren der nachfolgend charakterisierten Betriebsarten und durch einen Aufbau, der in der jeweiligen Betriebsart den Betrieb unter den jeweils' günstigsten Temperaturspreizungen (ohne Verluste bei der Wärmeübertragung angenommen) ermöglicht: a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche Heizen, WW Erhitzung und THDY-Stromproduktion Fig. 6 E_Heiz + E_{Sp OUT} = E_THDY + E_HW + E_{Sp IN} + E_WW T_{H Out} = T_THDY-In > 300°C T_{HK VL} = T_{Sp In} = T_THDY-Out = T_WW = T_Kond = T_{H In} = 45..85°C T_{HK RL} = T_{SP Out} = 20..70°C

b) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche THDY-Stromproduktion aus Heizungswärme Fig. 7 E_Heiz = E_THDY + E_Rest E_Rest = E_Ws T_{H Out} = T_THDY-In > 300°C T_THDY-Out = T_Kond = T_{Ws In} = 15..25°C T_{Ws Out} = < 20°C

c) Betriebsart „Stillstand"
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) zur technischen Realisierung des thermischen Gleichgewichts den erforderlichen Leistungsausgleich regelt, den Wärmeleistungsbedarf der Erzeuger ermittelt und den Leistungsdurchsatz der beteiligten Komponenten einstellt, wobei stets gilt: PHeiz(t) + PSp OUT(t) = PWW(t) + PHW(t) + PTHDY(t) + PSp IN(t) + PWs(t)
Heizsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsausgleich wärmeerzeugerseitig mit einer in der Leistung P_Heiz(t) einstellbaren Heizanlage erfolgt und wärmeverbraucherseitig entweder mit einem im Leistungsdurchsatz P_THDY(t) einstellbaren Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie (11) ausgeglichen wird und/oder durch Regelung des Speicherzuflusses P_{Sp IN}(t) und damit über den Speicherfüllstand des Wärmespeichers (4) ausgeglichen wird.
Heizsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem mit einer im Wesentlichen konstanten Heizleistung P_Heiz betrieben wird, wobei der erforderliche Leistungsausgleich ausschließlich durch den veränderbaren Speicherzufluss P_{Sp IN}(t) oder durch einen einstellbaren Leistungsdurchsatz P_THDY(t) des Umwandlungssystems zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie erfolgt.
Heizsystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Betriebsart nach Anspruch 19 folgendes von der jeweiligen Kondensationstemperatur abhängige Leistungsniveau für P_THDY realisiert ist: Betriebsart a) P_THDY-Stromp = P_Heiz – P_Ws Betriebsart b) P_THDY-Heizk = P_Heiz – P_{Sp IN}
Heizsystem nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem, vorzugsweise ausschließlich, mit den zwei Betriebsarten a) und b) nach Anspruch 19 mit einer konstanten Umwandlungsleistung P_THDY und mit einer konstanten Heizleistung P_Heiz dadurch realisiert ist, dass das Temperaturniveau der Wärmesenke gleich der Rücklauftemperatur der Heizkörper T_Heizk
RL ist und somit gilt: bei T_Kond = T_{Heizk RL} = T_Ws gilt: P_Heiz = P_THDY-Stromp = P_THDY-Heizk
Heizsystem nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem, mit der Betriebsart b) nach Anspruch 19 mit einer konstanten Heizleistung P_Heiz und mit einer variablen Umwandlungsleistung P_THDY und einem Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie mit konstantem Verhältnis von Einlassdruck zu Auslassdruck, insbesondere einer Turbine oder einer Gleichstromdampfmaschine, dadurch realisiert ist, dass die Kondensationstemperatur immer dem Temperaturniveau der Wärmesenke entspricht, wobei eine weitere Betriebsart vorgesehen ist, in der die Heizanlage (2) thermische Energie ausschließlich zur Verwendung als Heizwärme und zur Warmwassererhitzung produziert.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie ein an den thermodynamischen Kreisprozess (501) gekoppeltes, lineares Umwandlungssystem aufweist mit einem oder mehreren Druckzylindern (502), einem Lineargenerator (503), einer Filter- und Gleichrichteinheit (504) und dass die Umwandlungsleistung P_THDY(t) des Umwandlungssystems dadurch einstellbar ist, dass die Taktfrequenz f_cyc über elektrisch veränderbare Parameter des Lineargenerators durch eine variable Induktionskraft F_Ind veränderlich gestaltet wird und somit gilt: PTHDY(t) = 2·WTHDY·fCyc(t)
Heizsystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsleistung P_THDY(t) des Umwandlungssystem dadurch einstellbar ist, dass die Taktfrequenz f_cyc über elektrisch veränderbare Parameter des Lineargenerators durch eine variable Induktionskraft F_Ind veränderlich gestaltet wird und somit gilt: PTHDY(t) = 2·WTHDY·fCyc(FInd)
Heizsystem nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch eine Realisierung aller Betriebsarten nach Anspruch 19 unter der Voraussetzung, dass das Temperaturniveau der Wärmesenke gleich der Rücklauftemperatur der Heizkörper T_{Heizk RL} ist und somit gilt: TKond = THeizk RL = TWs PTHDY-Stromp = PTHDY-Heizk
Heizsystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandlungssystem eine Gleichstromdampfmaschine oder eine Corliss-Engine aufweist, die mit einer periodischen Ventilsteuerung betrieben wird.
Heizsystem nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch einen ventilgesteuerten Kolbenmotor, bei dem die Ein- und Auslasszeiten jedes Arbeitstaktes separat und variabel von der Steuerung (10) so einstellbar sind, dass die Expansion unter den gegeben Bedingungen jeweils unter optimalen Druckbedingungen abläuft und/oder bei dem die Steuerung basierend auf der Einlasszeit den Auslassdruck steuert, wodurch die Mediumstemperatur des thermodynamischen Kreisprozesses (10) nach erfolgter Expansion nur so hoch eingestellt wird, dass diese dem maximal erforderlichen Temperaturbedarf der Wärmeverbraucher (7) oder der Wärmesenke (6) entspricht, und dass ein Kolben (608) des Kolbenmotors durch Einströmen eines Arbeitsmediums in einen Arbeitsraum (603; 604) des Druckzylinders (600) bewegt wird und die Steuerung (609) nach Auswertung von Sensordaten (610) die Dauer des Einströmens bestimmt und dadurch den Druck und damit die Mediumstemperatur nach der Expansion so einstellt, dass diese der maximal erforderlichen Temperatur der angekoppelten Wärmeverbraucher entspricht, wobei gilt: PTHDY(t) = 2·WTHDY(TKond)·fCyc(t)
Heizsystem nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch einen doppelt wirkenden Druckzylinder (600) mit zwei Arbeitsräumen (603; 604), wobei jeder Arbeitsraum (603; 604) über zwei Leitungen (601; 602) mit Anschlüssen (605; 606; 607; 608) mit einem ersten Wärmereservoir bzw. mit einem zweiten Wärmereservoir verbunden ist und die Anschlüsse (605; 606; 607; 608) von der Steuerung (609) selektiv geöffnet und geschlossen werden können.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 26 bis 31, gekennzeichnet durch ein Umwandlungssystem, bei dem die Taktfrequenz f_Cyc direkt oder indirekt die Umwandlungsleistung P_THDY regelt, während mit der Einlassdauer t_Einl die erforderliche Kondensationstemperatur T_Kond für die Betriebsarten nach Anspruch 19 wie folgt eingestellt wird: Betriebsart a) P_THDY-Heizk = 2·W_THDY-Heizk·f_Cyc-Heizk = P_Heiz – P_{Sp IN} bei T_Kond = T_{Heizk RL} Betriebsart b) P_THDY-Stromp = 2·W_THDY-Stromp·f_Cyc-Stromp = P_Heiz – P_Ws bei T_Kond = T_Ws
Heizsystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungsleistung P_THDY über die variable Totzeit t_tot zwischen den Arbeitstaktausführungen, welche die Wiederholfrequenz bestimmt, geregelt wird, und so für eine kontinuierliche Stromgenerierung auf verschiedenen Leistungsniveaus gesorgt ist, wobei die Totzeiten von einer Filter- und Richteinheit (504) kompensiert werden, und wobei die Taktfrequenz f_Cyc abhängig von der Expansionsdauer t_Exp und der Totzeit t_tot ist: fcyc = 1/(2·(tExp + ttot))
Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie in elektrische Energie ein an den thermodynamischen Kreisprozess (701) gekoppeltes Rotations-Umwandlungssystem aufweist mit einem ventilgesteuerten Kolbenmotor (702), insbesondere einem Rotationskolbenmotor, wobei die vom Kolbenmotor erzeugte Rotationsenergie mittels eines Generators (703) in elektrische Energie umgewandelt wird.
Heizsystem nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenmotor (702) eine DiPietro-Engine ist.
Heizsystem nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (703) ein RMT-Generator ist.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 36, gekennzeichnet durch eine Kopplung des Umwandlungssystems (11) an eine Kältemaschine, wobei die vom Umwandlungssystem (11) erzeugte mechanische Bewegungsenergie zur Kühlung von Raumluft genutzt wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgas-Restwärme-Energierückführung (14) thermisch an das Heizsystem angekoppelt ist, wobei die Steuerung (12) das Gleichgewicht zwischen der thermischen Energieerzeugung und dem thermischen Energiebedarf nach folgender Formel periodisch ermittelt und einstellt: EHeiz(t) + ESp OUT(t) + ERück(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t) + ERest(t)
Heizsystem nach Anspruch 39 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas-Restwärme zur Stromproduktion im thermodynamischen Prozess verwendet wird, wobei gilt: ETHDY(t) = ERück(t) + EHeiz(t)
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine thermische Ankopplung von thermischen Solarkollektoren (3) an mindestens einen Wärmeverbraucher (7) oder an den Wärmespeicher (4).
Heizsystem nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wärmeerzeuger (1) mit jedem Wärmeverbraucher (7), jedem Wärmespeicher (4) oder mit jedem anderen Wärmeerzeuger (1) Wärmeaustausch betreibt, wobei die Steuerung (12) ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel EHeiz(t) + ESol(t) + ESp OUT(t) + ERück(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY(t) + ESp IN(t) + ERest(t)periodisch ermittelt und einstellt, wobei E_Heiz: erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage (2) E_Rück: Rückgewonnene Abgaswärme E_Sol: vom Solarkollektor erzeugte Wärmeenergie E_{Sp OUT}: zu speichernde Wärmeenergie E_WW: Energiebedarf an Brauchwasser E_HW: Energiebedarf an Heizwärme E_THDY: Energie des thermodynamischen Prozesses oder Summe der Teilprozesse zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie) E_{Sp IN}: dem Wärmespeicher zu entnehmende Wärmeenergie E_Rest: Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie). t: Zeit.
Heizsystem nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Wärmespeicher (4) oder in den Solarkollektoren (3) vorherrschendes Niedertemperaturniveau, das höher als die Temperatur der Wärmesenke (T_Ws) ist, sowohl mittels des thermodynamischen Prozesses (10) zur Stromproduktion als auch zur Heizwärmegewinnung nutzbar gemacht wird, indem die konventionelle Heizanlage (2) das vorhandene Niedertemperaturniveau um den verbleibenden Temperaturbereich bis zu einer höher liegenden Solltemperatur weiter erwärmt.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 41 bis 43, gekennzeichnet durch einen Solarkreislauf (250), welcher mittels eines Wärmetauschers (251) an den Wärmespeicher thermisch gekoppelt ist.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarkollektoren (3) in einer Betriebsart des Heizsystems, insbesondere in der Nacht oder im Winter, als Wärmesenke genutzt werden, die die Restwärme des thermodynamischen Kreisprozesses (10) aufnimmt.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamische Kreisprozess (10) aus mindestens zwei Teilprozessen (400, 401) für aufeinander folgende Temperaturbereiche besteht, wobei jeder Teilprozess für sich ein eigenständiger thermodynamischer Prozess ist und jeder Teilprozess ein eigenes Umwandlungssystem zur Umwandlung von thermodynamischer Energie, insbesondere Druckenergie, in elektrische Energie (402, 403) aufweist und die Kondensationswärme des Teilprozesses für den höheren Temperaturbereich (400) mittels Kopplung über einen Wärmetauscher (404) als Verdampfungsenergie für den Teilprozess des niedrigeren Temperaturbereiches (401) verwendet wird, und dass die Steuerung (12) ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel EHeiz(t) + ESol(t) + ESp OUT(t) + ERück(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY1(t) + ETHDY2(t) + ESp IN(t) + ERest(t)periodisch ermittelt und einstellt, wobei E_Heiz: erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage (2) E_Sol: vom Solarkollektor erzeugte Wärmeenergie E_{Sp OUT}: zu speichernde Wärmeenergie E_Rück: Rückgewonnene Abgaswärme E_WW: Energiebedarf an Brauchwasser E_HW: Energiebedarf an Heizwärme E_THDY1: Energie der ersten Stufe des thermodynamischen Prozesses elektrische Energie (Prozess-Exergie) E_THDY2: Energie der zweiten Stufe thermodynamischen Prozesses oder Summe der Teilprozesse zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie) E_{Sp IN}: dem Wärmespeicher zu entnehmende Wärmeenergie E_Rest: Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie). t: Zeit.
Heizsystem nach Anspruch 46, gekennzeichnet durch zwei für die unterschiedlichen Temperaturbereiche geeignete thermodynamische Kreislaufmedien, wobei das Medium für den höheren Temperaturbereich eine kritische Temperatur oberhalb der Austrittstemperatur der Hochtemperatur-Heizungsanlage und einen Kondensationstemperaturbereich aufweist, der bei Normaldruck unterhalb der kritischen Temperatur des Niedertemperaturmediums liegt, welches einen Siedepunkt aufweist, bei dem auf dem Niveau der Wärmesenke kein Unterdruck relativ zum Umgebungsdruck entsteht.
Heizsystem nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass eine erforderliche Leistungskompensation zwischen den Teilprozessen (400, 401) dadurch stattfindet, dass eine Steuerung (12) mit der Übergangstemperatur zwischen der Kondensation des Mediums des ersten Teilprozesses (400) und der Verdampfung des Mediums des zweiten Teilprozesses (401), das Leistungsverhältnis der beiden Teilprozesse steuert und diese nach bestimmten Kriterien einstellt.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 46 bis 48, gekennzeichnet durch eine Kopplung einzelner Komponenten der beiden Umwandlungssysteme, wobei die Kopplung so ausgeführt ist, dass sich die mechanischen Kräfte addieren, so dass nur ein Generator (453) und ein Netzrichter (454) erforderlich sind, welche jeweils die Summe der Energie der Teilprozesse übertragen.
Heizsystem nach Anspruch 49, gekennzeichnet durch einen Kopplung zweier Druckzylinder der beiden Umwandlungssysteme mittels einer Kurbelwelle, wobei die Stromgenerierung über einen Rotationsgenerator erfolgt.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Brennerkreislauf (100), einen thermodynamischen Hochtemperatur-Kreislauf (101), einen thermodynamischen Niedertemperatur-Kreislauf (102), einen Heizungskreislauf (117), einen Solarkreislauf (103), einen Warmwasserkreislauf (104), und einen Kühlkreislauf (105), wobei der Brennerkreislauf (100) den Heizkessel einer Feuerungsanlage (106) durchströmt und über einen Wärmetauscher (107) an einen thermodynamischen Hochtemperatur-Kreislauf (101) gekoppelt ist, wobei gilt: ETHDY1(t) = EHeiz(t) – ERest(t)
Heizsystem nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wärmespeicher (115) gespeicherte Solarenergie E_Sol(t) zur Erwärmung des thermodynamischen Mediums bis zum Temperaturniveau T_{SP Out} verwendet wird, indem der Niedertemperatur-Kreislauf (102) über einen Wärmetauscher (112) an den Wärmespeicher (115) thermisch gekoppelt ist.
Heizsystem nach Anspruch 51 oder 52, gekennzeichnet durch eine Doppelfunktion des Wärmetauschers (112) in einer Betriebsart nach Anspruch 19 und in einer anderen Betriebsart als Verflüssiger zur Übertragung der Kondensationswärme des Niedertemperatur-Kreislaufs (102) auf das Speichermedium.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die rückgewonnene Wärmeenergie E_Rück zur Erwärmung oder Teilverdampfung des thermodynamischen Mediums vom Temperaturniveau T_{SP Out} bis zum Temperaturniveau T_Rück verwendet wird, indem der Niedertemperaturkreislauf über einen Wärmetauscher (111) an eine Abgaswärme-Rückgewinnung (110) thermisch gekoppelt ist.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebsart die Restwärme des Niedertemperatur-Kreislaufs E_Rest2(t) mittels eines Verflüssigers (109) auf den Kühlkreislauf (105) übertragen wird.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationswärme des Teilprozesses für den höheren Temperaturbereich (101) E_Rest1(t) mittels Kopplung über einen Wärmetauscher (108) als Verdampfungsenergie für den Teilprozess des niedrigeren Temperaturbereiches (102) verwendet wird, wobei gilt: ETHDY2(t) = ESol(t) + ERück(t) + ERest1(t)
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 56, gekennzeichnet durch eine oder mehreren der nachfolgend charakterisierten Betriebsarten und durch einen Aufbau, der in der jeweiligen Betriebsart den Betrieb unter den jeweils günstigsten Temperaturspreizungen (ohne Verluste bei der Wärmeübertragung angenommen) ermöglicht: a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche Heizen, WW Erhitzung und THDY-Stromproduktion Fig. 19 E_Heiz = E_THDY1 E_THDY2 = E_Rück + E_Rest1 E_{Sp IN} = E_Rest2 E_{Sp OUT} = E_HW + E_WW T_Bren = T_THDY1-In = 300°C T_HDY1-Out = T_HDY2-In = 150°C T_HK
VL = T_{Sp In} = T_THDY2-Out = T_WW = T_Kond = T_{H In} = 45..85°C T_HK
RL = T_{SP Out} = T_Heiz
Ab = 20..60°C T_{Heiz Rück} = T_{Heiz Mit} = 100..140°C

b) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche THDY-Stromproduktion aus Heizungswärme Fig. 20 E_Heiz = E_THDY1 E_THDY2 = E_Rück + E_Rest1 E_Rest2 = E_Ws T_Bren = T_THDY1-In = 300°C T_THDY1-Out = T_THDY2-In = 150°C T_THDY2-Out = T_Ws = T_{Heiz Ab} = 15..25°C T_{Heiz Rück} = T_{Heiz Mit} = 100..140°C

c) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme und gespeicherter oder direkter Solarenergie" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche THDY-Stromproduktion aus Heizungswärme und Wärmespeicher und Solarenergie Fig. 21 E_Heiz = E_THDY1 E_THDY2 = E_{SP Out} + E_Rück + E_Rest1 E_Rest2 = E_Ws T_{SP Out} = T_{H In} = 20..60°C T_Bren = T_THDY1-In = 300°C T_THDY1-Out = T_HDY2-In = 150°C T_THDY2-Out = T_Ws = T_{Sp In} = 15..25°C T_{Heiz Ab} = T_{SP Out} = T_{Kol Out} = 20..60°C T_{Heiz Rück} = T_Heiz
Mit = 100..140°C

d) Betriebsart „Solarspeicher füllen" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche Solarspeicher füllen Fig. 22 E_{SP In} = E_Sol T_{SP In} = T_{Kol Out} = 40..90°C T_{SP Out} = T_{Kol In} = 20..40°C

e) Betriebsart „Solares Heizen und WW mittels Wärmespeicher" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche Solares Heizen und WW Fig. 23 E_{Sp OUT} = E_HW + E_WW E_{SP In} = E_Sol T_{HK VL} = T_{SP In} = T_{Kol Out} = T_WW = 45..90°C T_{HK RL} = T_{SP Out} = T_{Kol In} = 20..50°C
Heizsystem nach Anspruch 57, gekennzeichnet durch eine von der Steuerung (12) vorgebbare Sequenz von Betriebsarten, insbesondere in Situationen, in denen der Heiz- und Warmwasser-Energiebedarf geringer ist als die maximale Heizleistung der installierten Heizanlage (2), wobei abwechselnd zunächst die Betriebsart a) „Heizen, WW und Stromproduktion" solange aktiv ist, bis der Wärmespeicher (4) ausreichend gefüllt ist und dann nach dem Erreichen dieser Bedingung parallel die Betriebsarten b) „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" und e) „Solares Heizen und WW mittels Wärmespeicher" solange aktiviert ist, bis die gespeicherte Wärmemenge im Wärmespeicher eine untere Schwelle unterschreitet.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 58, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Leistungsanpassung des Heizsystems so realisiert ist, dass die Heizleistung P_Heiz der Verbrennungsanlage konstant ist, indem in den unterschiedlichen Betriebsarten entweder der Leistungsdurchsatz P_THDY(t) der thermodynamischen Umwandlungssysteme (116, 118) oder der Speicherzufluss P_Sp
IN(t) einstellbar ist.
Heizsystem nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsdurchsatz P_THDY1(t) und P_THDY2(t) der Umwandlungssysteme (116, 118) für jede Betriebsart einstellbar ist, wobei für die relevanten Betriebsarten gilt: a) Betriebsart „Heizen, WW und Stromproduktion" bei T_Kond = T_{Heizk RL} PHeiz = PTHDY1 PTHDY2 = PRück + PRest1 b) Betriebsart „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme" bei T_Kond = T_Ws PHeiz = PTHDY1 PTHDY2 = PRück + PRest1 c) „Ausschließliche Stromproduktion aus Heizungswärme und gespeicherter oder direkter Solar Energie" PHeiz = PTHDY1 PTHDY2 = PSP Out + PRück + PRest1
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 60, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe ein Umwandlungssystem mit einem regulierbaren Auslassdruck aufweist, insbesondere ein ventilgesteuerter Lineargenerator oder eine DiPietro-Engine.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 61, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe ein Umwandlungssystem ohne einen regulierbaren Auslassdruck aufweist, insbesondere eine Gleichstromdampfmaschine oder eine Turbine.
Heizsystem nach einem der Ansprüche 51 bis 62, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stufe ein Umwandlungssystem ohne einen regulierbaren Auslassdruck aufweist, insbesondere eine Gleichstromdampfmaschine oder eine Turbine, wobei das Heizsystem mit einer Betriebsart a) nach Anspruch 19 realisiert ist, in der nur die erste Stufe Strom produziert und mit der zweiten Stufe in dieser Betriebsart nur Heizwärme produziert wird, indem das Umwandlungssystem der zweiten Stufe (220) in dieser Betriebsart nicht vom thermodynamischen Niedertemperatur-Kreislaufmedium (221) durchströmt wird, dass die Steuerung (12) ein Gleichgewicht zwischen thermischer Energieerzeugung und thermischem Energiebedarf nach der Formel EHeiz(t) + ESol(t) + ESp OUT(t) + ERück(t) = EWW(t) + EHW(t) + ETHDY1(t) + ETHDY2(t) + ESp IN(t) + ERest(t)periodisch ermittelt und einstellt, und dass eine Steuerung die abgewandelte Betriebsart a)' nach der unten genannten Energieübertragung einstellt: Betriebsart a)' „Heizen, WW und Stromproduktion" Funktion Energieübertragung Temperaturniveaus und bevorzugte Temperaturbereiche Heizen, WW Erhitzung und THDY-Stromproduktion Fig. 19 E_Heiz = E_THDY1 E_THDY2 = E_Rück + E_Rest1 E_{Sp IN} = E_THDY2 E_{Sp OUT} = E_HW + E_WW T_Bren = T_THDY1-In = 300°C T_THDY1-Out = T_THDY2-In = T_{Sp In} = 150°C T_{HK VL} = T_WW = T_Kond = T_{H In} = 45..85°C T_{HK RL} = T_{SP Out} = T_{Heiz Ab} = T_THDY2-Out = 20..60°C T_{Heiz Rück} = T_{Heiz Mit} = 100..140°C

wobei: E_Heiz: erzeugte Wärmeenergie der konventionellen Heizanlage (2) E_Sol: vom Solarkollektor erzeugte Wärmeenergie E_{Sp OUT}: zu speichernde Wärmeenergie E_Rück: Rückgewonnene Abgaswärme E_WW: Energiebedarf an Brauchwasser E_HW: Energiebedarf an Heizwärme E_THDY1: Energie der ersten Stufe des thermodynamischen Prozesses elektrische Energie (Prozess-Exergie) E_THDY2: Energie der zweiten Stufe thermodynamischen Prozesses oder Summe der Teilprozesse zur Umwandlung in elektrische Energie (Prozess-Exergie) E_{Sp IN}: dem Wärmespeicher zu entnehmende Wärmeenergie E_Rest: Kondensationswärmeenergie (Prozess-Anergie). t: Zeit.
Heizsystem nach Anspruch 63, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwandlungssystem für den Hochtemperaturkreislauf (402) mittels eines Stirlingmotors realisiert ist.