DE102009047908A1

DE102009047908A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Versorgung eines kalten Nahwärmenetzes mit Wärme

Info

Publication number: DE102009047908A1
Application number: DE102009047908A
Authority: DE
Inventors: Jürgen 73655 Falliano
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: DE102009047908B4

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgestellt, mit der ein kaltes Nahwärmenetz (1), das beispielsweise mit einer Vorlauftemperatur von 4°C arbeitet, bivalent durch einen Luftwärmetauscher (LWT) oder einen Erdwärmetauscher (EWT) versorgt werden kann. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Versorgungssicherheit bei gleichzeitig reduzierten Investitions- und Betriebskosten.

Description

Sogenannte kalte Nahwärmenetze werden in Wohn- oder Gewerbegebieten eingesetzt, um die verschiedenen Verbraucher mit Wärme- und Kälteenergie zu versorgen. Typische Betriebstemperaturen eines kalten Nahwärmenetzes sind +4°C in der Vorlaufleitung und 0°C in der Rücklaufleitung. Da das Temperaturniveau dieser sogenannten kalten Nahwärme nicht ausreicht, um sie direkt zur Gebäudeheizung einzusetzen, ist an den angeschlossenen Wohn- oder Gewerbegebäuden eine Wärmepumpe vorgesehen, die das Temperaturniveau der kalten Nahwärme auf ein für das Heizungssystem geeignetes Niveau erhöht.
Die an das kalte Nahwärmenetz angeschlossenen Verbraucher benötigen keine Luft-Wärmetauscher oder Erd-Wärmetauscher in Form von vertikalen Erdsonden, flächigen Erdkollektoren, vertikalen Erdsonden, Wärmekörben oder einem Brunnensystem, das dem Grundwasser Wärme entzieht. Daher reduziert sich bei den Hauseigentümern der Investitionsaufwand erheblich. In Folge dessen wird die Installation einer Wärmepumpen-Heizung attraktiver. Bislang ist es bekannt, solche kalten Nahwärmenetze beispielsweise durch ein zentrales Erdsondenfeld mit Erdwärme zu versorgen, wie es schematisch in 1 dargestellt ist.
Weil das Nahwärmenetz ausschließlich (monovalent) mit Erdwärme versorgt wird, muss der zugehörige Erd-Wärmetaucher sehr groß dimensioniert werden. Nur dann ist sichergestellt, dass auch an sehr kalten Tagen über eine längere Kälteperiode ausreichend kalte Nahwärme zur Verfügung steht, um den Wärmebedarf der angeschlossenen Häuser zu decken. Ein solcher Erd-Wärmetauscher verursacht hohe Investitionskosten, die spätestens mit der Inbetriebnahme des Nahwärmenetzes anfallen.
Eine Alternative zur Versorgung eines kalten Nahwärmenetzes mit Wärme besteht darin, der Umgebungsluft Wärme zu entziehen und diese auf dem genannt niedrigen Temperaturniveau in den Vorlauf des kalten Nahwärmenetzes einzukoppeln. Nachteilig an diesem System ist, dass bei Außentemperaturen kleiner 7°C der dazu erforderliche Luft-Wärmetauscher zum Vereisen neigt, was die Wärmeübertragung massiv beeinträchtigt. Daher ist bei Außentemperaturen kleiner 7°C ein wirtschaftlicher Betrieb bei diesem System nur schlecht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bereitstellung kalter Nahwärme sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Nahwärmenetzes bereitzustellen, welches eine sehr kostengünstige und sichere Bereitstellung kalter Nahwärme bei gleichzeitig verbesserter Versorgungssicherheit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zur Bereitstellung kalter Nahwärme umfassend jeweils einen Anschluss für eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung eines Nahwärmenetzes, mindestens einen Luft-Wärmetauscher und mindestens ein Gebläse, wobei der mindestens eine Luft-Wärmetauscher zur Übertragung von in der Umgebungsluft enthaltener Wärme auf den im Nahwärmenetz zirkulierenden Wärmeträger ausgebildet ist, und wobei das mindestens eine Gebläse Umgebungsluft durch den mindestens einen Luft-Wärmetauscher fördert, dadurch gelöst, dass ein Anschluss für eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung eines Erd-Wärmetauschers vorgesehen sind.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung kalter Nahwärme ist eine bivalente Versorgung des Nahwärmenetzes mit Wärme aus der Umgebungsluft und Erdwärme vorgesehen, so dass sich beide regenerativen Energiequellen ideal ergänzen. Infolgedessen wird eine höhere Versorgungssicherheit bei reduzierten Investitionskosten erreicht. Außerdem kann diese Vorrichtung auf einfache Weise an eine veränderte Wärmenachfrage adaptiert werden, indem zum Beispiel ein Luft-Wärmetauscher mit höherer Übertragungsleistung und/oder eine weitere Erdsonde installiert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, das nahwärmenetz mit Wärme aus der Umgebungsluft zu versorgen, sobald die Außentemperatur größer als ein erster Temperaturgrenzwert von beispielsweise etwa 7°C ist. Dann nämlich ist es möglich, über einen Luft-Wärmetauscher die in der Umgebungsluft vorhandene Wärme auf den im Nahwärmenetz zirkulierenden flüssigen Wärmeträger zu übertragen und dadurch die Vorlauftemperatur des Nahwärmenetzes von beispielsweise +4°C zu gewährleisten.
Dabei ist es ausreichend, wenn die Umgebungsluft in einen Wärmetauscher gefördert wird, der von dem Wärmeträgermedium des Nahwärmenetzes durchströmt wird.
Wenn die Umgebungstemperatur unter den ersten Temperaturgrenzwert sinkt, dann wird erfindungsgemäß das Nahwärmenetz mit Erdwärme aus Erd-Wärmetauscher, der beispielsweise aus mehreren vertikalen Erdsonden besteht, versorgt. Dabei benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein gegenüber herkömmlichen Erdsondenfeldern deutlich verkleinerten Erd-Wärmetauscher, was sich positiv auf die Investitionskosten auswirkt.
Die erfindungsgemäße bivalente Versorgung des Nahwärmenetzes gewährleistet auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen die Versorgung des Nahwärmenetzes. Dies ist insbesondere deshalb von großer Bedeutung, da naturgemäß bei niedrigen Außentemperaturen auch der Wärmebedarf des Nahwärmenetzes bzw. der daran angeschlossenen Verbraucher zunimmt.
Weil jedoch, wie nachfolgend noch anhand der Figuren deutlich werden wird, diese niedrigen Außentemperaturen nur relativ selten auftreten, kann die Kapazität des Erdsondenfelds gegenüber einem monovalenten deutlich verringert werden.
Des Weiteren ist es auch möglich, zu Beginn des Betriebs eines Nahwärmenetzes, wenn die Anschluss-Leistung und/oder die Zahl der angeschlossenen Verbraucher noch relativ gering ist, nur eine oder zwei Erdsonden vorzusehen, so dass die Investitionskosten nochmals verringert werden können. Wenn im Laufe der Zeit immer mehr Verbraucher an das Nahwärmenetz angeschlossen werden, ist es ohne Weiteres möglich, nachträglich weitere Erdsonden ins Erdreich einzubringen und dadurch die Leistung des Erd-Wärmetauschers zu erhöhen. In entsprechender Weise ist es natürlich auch möglich einen größeren Luft-Wärmetauscher vorzusehen, so dass auch die Versorgung des Nahwärmenetzes bei Außentemperaturen größer als der erste Temperaturgrenzwert gewährleistet ist, selbst wenn der Wärmebedarf des Nahwärmenetzes zunehmen sollte.
Schließlich ist ein weiterer großer Vorteil der Erfindung darin zu sehen, dass die bivalente Versorgung des Nahwärmenetzes mit Wärme aus der Umgebungsluft und mit Erdwärme eine größere Versorgungssicherheit gewährleistet, da beispielsweise wenn der Luft-Wärmetauscher oder das zum Luft-Wärmetauscher gehörende Gebläse ausfallen sollte, auch bei Außentemperaturen größer als dem ersten Temperaturgrenzwert die Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes über das Erdsondenfeld erfolgen kann.
Schließlich ist es auch möglich, immer dann, wenn der Luft-Wärmetauscher mehr Wärme bereitstellt als im Nahwärmenetz verbraucht wird diese überschüssige Wärme in dem Erd-Wärmetauscher einzuspeichern. Dadurch ergeben sich eine auf Dauer ausgeglichene Energiebilanz des Erd-Wärmespeichers und eine über die gesamte Lebensdauer des Erdwärmetauschers konstante Leistung. Gleichzeitig ist es auch möglich, den Erd-Wärmetauscher als saisonalen Wärmespeicher zu betreiben und in den Sommermonaten die dann reichlich zur Verfügung stehende Wärme aus der Umgebungsluft in dem Erd-Wärmetauscher zu speichern. Dadurch wird einerseits die Leistungsfähigkeit beziehungsweise die nutzbare Erdwärme nochmals erhöht.
In der Summe ergibt sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein sehr sicheres, umweltfreundliches, emissionsarme Versorgung des Nahwärmenetzes bei gleichzeitig minimierten Investitions- und Betriebskosten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Nahwärmenetz, dem Luft-Wärmetauscher und dem Erd-Wärmetauscher eine Ventilanordnung, insbesondere ein 6/3-Wege-Ventil oder ein 8/4-Wege-Ventil vorgesehen ist. Mit Hilfe dieser Ventilanordnung, die als Wege-Ventil- oder als Strom-Ventil-Anordnung ausgebildet sein kann, ist es möglich, in Abhängigkeit von beispielsweise der Außentemperatur und der Wärmelast des Nahwärmenetzes den Randbedingungen das Nahwärmenetz mit Wärme aus der Umgebungsluft oder Erdwärme zur versorgen.
Zusätzlich ist es auch noch möglich, um eine weitere Steigerung der Versorgungssicherheit zu gewährleisten, ein Anschluss für eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung einer Fremdeinspeisung vorzusehen. Eine solche Fremdeinspeisung kann ein mobiler Wärmeerzeuger sein, der beispielsweise bei einem gleichzeitigen Ausfall des Erd-Wärmetauschers und des Luft-Wärmetauschers während der Reparaturarbeiten an den genannten Wärmetauchern eingesetzt wird. Die Fremdeinspeisung kann auch unterstützend eingesetzt werden, wenn der Luft-Wärmetauscher und/oder der Erd-Wärmetauscher aufgrund einer sprunghaft gestiegenen Wärmenachfrage an ihrer Leistungsgrenze angelangt sind. Dann kann mit der Fremdeinspeisung die Zeit überbrückt werden, bis der Erd-Wärmetauscher und/oder der Luft-Wärmetauscher der gestiegenen Nachfrage angepasst wurden.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die Vorrichtung mindestens eine Umwälzpumpe zur Förderung des Wärmeträgers durch das Nahwärmenetz, den Luft-Wärmetauscher, den Erd-Wärmetauscher und/oder die Fremdeinspeisung vorgesehen ist.
Des Weiteren ist eine Steuer- und Regeleinrichtung zur Steuerung des mindestens einen Gebläses, der mindestens einen Umwälzpumpe und/oder der Ventilanordnung vorgesehen.
Die Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere die Umwälzpumpe, das Gebläse sowie die Steuer- und Regeleinrichtung, sind vorteilhafter Weise zusammen mit dem Luft-Wärmetauscher und den Anschlüssen für das Nahwärmenetz, den Erd-Wärmetauscher und, falls vorhanden, die Fremdeinspeisung, in einem geschlossenen Container, bevorzugt einem sogenannten Überseecontainer, untergebracht. Alternativ kann die Vorrichtung auch in einem Fertig-Beton-Gehäuse untergebracht werden. Solche Fertig-Beton-Gehäuse werden zum Beispiel für Trafo-Stationen, Gas-Stationen oder als Fertig-Garagen eingesetzt.
Dann nämlich ist es möglich, die Vorrichtung in dem Container zu installieren und diesen fertig installierten Container auf einen entsprechend vorbereiteten Stellplatz abzusetzen. Dieser Container muss dann vor Ort lediglich mit dem Nahwärmenetz, dem Erd-Wärmetauscher sowie einem elektrischen Netz verbunden werden und ist innerhalb kürzester Zeit betriebsbereit.
Wenn nun die Nachfrage des Nahwärmenetzes beispielsweise aufgrund neu angeschlossener Häuser zunimmt, ist es auch möglich, den vorhandenen Container zu entfernen und einen anderen Container mit einem größeren Luft-Wärmetauscher dort abzusetzen. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit geringen Installations- und Umbaukosten kontinuierlich an den Wärmebedarf des Nahwärmenetzes angepasst werden. In ähnlicher Weise ist es auch möglich, dass den Erd-Wärmetauscher durch das Einbringen weiterer Erdsonden in seiner Leistungsfähigkeit zu vergrößern, so dass auch hier die Leistungsfähigkeit des Erd-Wärmetauschers an den Wärmebedarf des Nahwärmenetzes angepasst werden kann.
Damit die in dem Container aufgrund der dort vorhandenen elektrischen Anlagen, wie beispielsweise der Steuerung, der Umwälzpumpen, der Antriebsmotoren für das Gebläse entstehende Abwärme auch in das Nahwärmenetz angekoppelt werden kann, ist vorgesehen, dass das Gebläse die Umgebungsluft in den Container ansaugt und zwar so, dass die angesaugte Umgebungsluft die in dem Container entstehende Abwärme aufnimmt und erst anschließend durch den Luft-Wärmetauscher strömt. Es hat sich bei Modellrechnungen herausgestellt, dass mit einer Temperatur von 7,2°C angesaugte Umgebungsluft von der in dem Container anfallenden Abwärme auf etwa 8,0°C erwärmt wird. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht und die in dem Container anfallende Abwärme wird in dem Nahwärmenetz unmittelbar weiter verwendet.
Es versteht sich von selbst, dass die Luftführung durch den Container und den Luftwärmetauscher so erfolgen muss, dass die Geräuschemissionen minimiert werden. Dies kann durch eine ausreichend niedrige Strömungsgeschwindigkeit und geeignete Schallschutzeinrichtungen erfolgen. Dies ist besonders deshalb wichtig, da die erfindungsgemäße Vorrichtung in aller Regel im Bereich von Wohngebieten oder Gewerbegebieten aufgestellt wird und dauerhafte Geräuschquellen von den Anwohnern als störend empfunden werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eines der Verfahren zum Betreiben eines kalten Nahwärmenetzes gemäß der Ansprüche 13 bis 19. Dabei ist ein wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens darin zu sehen, dass das Nahwärmenetz alternativ/bivalent mit Wärme aus der Umgebungsluft oder Erdwärme versorgt werden kann. Dabei ist vorgesehen, das Nahwärmenetz mit Wärme aus der Umgebungsluft zu versorgen, wenn die Temperatur der Umgebungsluft höher als ein erster Temperaturgrenzwert T_Grenz,1. Dann nämlich ist es möglich, die in der Umgebungsluft enthaltene Wärme über einen Luft-Wärmetauscher auf den Wärmeträger im Nahwärmenetz zu übertragen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Nahwärmenetz mit Erdwärme versorgt wird, wenn die Temperatur der Umgebungsluft niedriger oder gleich dem ersten Temperaturgrenzwert ist. Dann nämlich wird Übertragungsleistung des Luft-Wärmetauschers aufgrund der geringen Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft und Wärmeträger sehr gering und es besteht die Gefahr, dass der Luft-Wärmetauscher vereist. Wenn bei diesen niedrigen Außentemperaturen die Wärmeversorgung über den Erd-Wärmetauscher erfolgt, kann in diesen relativ kurzen Zeitintervallen eine große Leistung aus einem relativ kleinen Erdwärmetauscher entnommen werden.
Um eine ausgeglichene Energiebilanz des Erd-Wärmetauschers auch über viele Jahre oder Jahrzehnte erreichen zu können, ist weiter vorgesehen, dass der Erd-Wärmetauscher mit Wärme aus der Umgebungsluft versorgt wird, wenn die Temperatur der Umgebungsluft höher als ein zweiter Temperaturgrenzwert ist. Dieser zweite Temperaturgrenzwert kann beispielsweise zwischen 15°C und 20°C, so dass nur dann Umgebungswärme in dem Erd-Wärmetauscher eingespeichert wird, wenn in dem Nahwärmenetz ohnehin nahezu kein Wärmebedarf vorhanden ist.
Erfindungsgemäß kann das Nahwärmenetz auch mit Wärme aus einer Fremdeinspeisung, wie beispielsweise einem mobilen Heizkessel versorgt werden, wenn die Versorgung mit Wärme aus der Umgebungsluft oder Erdwärme nicht ausreicht, um den aktuellen Wärmebedarf, insbesondere eine kurzzeitig auftretende Spitzenlast, zu decken oder aus technischen Gründen die Wärme aus der Umgebungsluft bzw. die Erdwärme nicht zu Verfügung steht.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht naturgemäß auch vor, dass das Nahwärmenetz im Sommer zu Kühlzwecken eingesetzt werden kann. In diesem Fall würde die Rücklaufleitung des Nahwärmenetzes, welche mit Abwärme aus den angeschlossenen Verbrauchern beladen ist und daher eine relativ hohe Temperatur hat, mit dem Einlass des Erd-Wärmetauschers verbunden. Infolgedessen sinkt die Temperatur des Wärmeträgers im Erd-Wärmetauscher ab und die Vorlauftemperatur ist im Kühlbetrieb des Nahwärmenetzes niedriger als die Rücklauftemperatur.
Es ist selbstverständlich auch möglich, wie eine herkömmliche freie Kühlung auch das Nahwärmenetz bei ausreichend niedriger Außentemperatur durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zu kühlen. Es sind auch Kombinationen der zuvor genannten Schaltbetriebsvarianten möglich.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen in der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
1 ein Nahwärmenetz, welches über einen Erd-Wärmetauscher mit Wärme versorgt wird nach dem Stand der Technik,
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Versorgung eines Nahwärmenetzes,
3 eine schamtische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
4 bis 10 Diagramme zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein kaltes Nahwärmenetz 1 nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt. Dabei umfasst das kalte Nahwärmenetz 1 im Wesentlichen eine Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL. Das Nahwärmenetz versorgt mehrere Wärmeverbraucher 3 (Wohnhäuser) mit kalter Nahwärme. Durch die Vorlaufleitung VL und die Rücklaufleitung strömt ein flüssiger Wärmeträger, in aller Regel Wasser mit entsprechenden Frostschutzzusätzen. Die Vorlauftemperatur beträgt etwa +4°C. Die Wärmeverbraucher 3 entziehen dem Wärmeträger entsprechend ihrem Wärmebedarf Wärme. Der abgekühlte Wärmeträger wird in der Rücklaufleitung beispielsweise mit einer Temperatur von 0°C zu einem Erd-Wärmetauscher EWT gefördert. Der Erd-Wärmetauscher EWT umfasst mehrere Erdsonden 7 im dargestellten Ausführungsbeispiel. Diese vertikalen Erdsonden 7 werden von dem Wärmeträger des Nahwärmenetzes 1 durchströmt und entziehen dem die Erdsonden 7 umgebenden Erdreich (nicht dargestellt) Wärme. Infolgedessen erhöht sich die Temperatur des Wärmeträgers und er verlässt den Erd-Wärmetauscher EWT mit einer Temperatur von +4°C entsprechend der gewünschten Vorlauftemperatur des Nahwärmenetzes 1.
Nachteilig an diesem System ist, dass die Versorgung der Wärmeverbraucher 3 bzw. des kalten Nahwärmenetzes 1 ausschließlich über den Erd-Wärmetauscher EWT erfolgt und der Erd-Wärmetauscher EWT relativ groß dimensioniert werden muss, was zu entsprechenden Herstellungskosten führt. Des Weiteren ist auch die Sicherheit gegen Ausfälle vergleichsweise niedrig, da nur eine Wärmequelle, nämlich der Erd-Wärmetauscher 5, zur Verfügung steht.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 9 zur Versorgung eines Nahwärmenetzes mit Wärme schematisch dargestellt. Gleiche Bauteile werden mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen und es gilt das bezüglich 1 Gesagt entsprechend. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 9 ist im Wesentlichen als „Blackbox” dargestellt und wird häufig in einem sogenannten Überseecontainer untergebracht sein. Bevorzugt an der Unterseite der in 2 dargestellten Blackbox Anschlüsse für die Vorlaufleitung VL und die Rücklaufleitung RL des Nahwärmenetzes 1 vorgesehen. Des Weiteren sind Anschlüsse für die Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL des Erdwärmetauschers EWT vorgesehen. Schließlich können optional noch Anschlüsse für eine Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL einer Fremdeinspeisung FES vorgesehen sein.
Der obere Teil des Containers, welcher die Vorrichtung 9 beherbergt, ist freigeschnitten dargestellt, so dass ein Luft-Wärmetauscher LWT sichtbar ist. Der Luft-Wärmetauscher LWT wird von unten nach oben von Umgebungsluft (nicht dargestellt) durchströmt. Um eine ausreichende Konvektion zwischen dem Luft-Wärmetauscher LWT und der Umgebungsluft zu erreichen, sind unterhalb des Luftwärmetauschers LWT zwei Gebläse 11 mit elektrischen Antrieben M angeordnet. Die Gebläse 11 saugen die Umgebungsluft so an, dass die Umgebungsluft zuerst durch den Container strömt und die dort anfallende Abwärme, beispielsweise durch die Antriebe M der Gebläse 11, aber auch der nicht dargestellten Umwälzpumpen für das Nahwärmenetz 1 sowie des ebenfalls nicht dargestellten Schaltschranks bzw. der Steuer- und Regeleinrichtung sowie evtl. vorhandener Stellglieder aufnimmt. Dadurch wird die in dem Container anfallende Abwärme auf die Umgebungsluft übertragen und dadurch die Temperatur der Umgebungsluft signifikant erhöht. In manchen Betriebspunkten erhöht sich dadurch die Temperatur der Umgebungsluft um 0,8°C, was erstens die Rückgewinnung der in dem Container anfallenden Abwärme ermöglicht und die Leistungsfähigkeit des Luft-Wärmetauschers LWT verbessert.
Wenn die Temperatur der Umgebungsluft nicht mehr ausreicht, um das Nahwärmenetz 1 mit Wärme zu versorgen, dann werden die Gebläse 11 abgeschaltet und das Nahwärmenetz 1 wird mit dem Erdwärmetauscher EWT gekoppelt. Dabei wird die gleiche Schaltung verwendet, wie sie aus dem Stand der Technik (siehe 1) bekannt ist und im Zusammenhang mit der 1 bereits erläutert wurde. Allerdings, und dies ist ein wesentlicher Unterschied, kann der Erdwärmetauscher EWT bei dem erfindungsgemäßen System deutlich kleiner dimensioniert werden, als wenn der Erdwärmetauscher EWT ausschließlich als einzige Wärmequelle für das Nahwärmenetz 1 zur Verfügung steht. In 2 ist dies dadurch angedeutet, dass nur zwei Erdsonden 7 anstelle von drei Erdsonden 7 gemäß dem System nach dem Stand der Technik (siehe 1) dargestellt sind. Die während der Heizperiode anfallenden Betriebszeiten des Erdwärmetauschers EWT sind verhältnismäßig klein, da, wie nachfolgend anhand der Beispielrechnungen noch erläutert wird, die Temperatur der Umgebungsluft nur relativ selten kleiner als die erste Grenztemperatur von beispielsweise von 7,2°C ist. Dadurch wird dem Erdreich nur eine relativ kleine Wärmemenge entzogen und es ist daher möglich, mit einer reduzierten Zahl von Erdsonden 7 und/oder einer reduzierten Länge der Erdsonden 7, dass die Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes in den genannten Betriebszeiten sicherzustellen.
Des Weiteren ist es möglich, bei hohen Außentemperaturen für den Erdwärmetauscher EWT das umgebende Erdreich wieder zu erwärmen, indem nämlich beispielsweise Abwärme aus dem Nahwärmenetz 1 oder Wärme aus der Umgebungsluft, wenn beispielsweise Umgebungstemperaturen von mehr als 15°C herrschen, in den Erdwärmetauscher EWT eingekoppelt wird.
Schon durch die bivalente Versorgung des Nahwärmenetzes 1, einmal mittels des Luftwärmetauschers LWT und des Erdwärmetauschers 5, ist eine gegenüber herkömmlichen monovalenten Systemen deutlich verbesserte Versorgungssicherheit gegeben, da beim Ausfall zum Beispiel des Luftwärmetauschers oder der Gebläse 11 der Erdwärmetauscher EWT die Energieversorgung des Nahwärmenetzes übernehmen kann.
Um die Versorgungssicherheit des Nahwärmenetzes 1 noch weiter zu erhöhen, oder, wenn zusätzliche Wärmeverbraucher an das Nahwärmenetz 1 angeschlossen wurden und infolge dessen die Wärmenachfrage des Nahwärmenetzes 1 sprunghaft angestiegen ist, kann zusätzlich noch eine Fremdeinspeisung FES vorgesehen werden, die Lastspitzen ausgleicht oder bei einer technischen Störung, sei es des Luftwärmetauschers und/oder des Erdwärmetauschers, die Versorgung des Nahwärmenetzes 1 mit kalter Nahwärme sicherstellt. Als Fremdeinspeisung können dabei herkömmlich mobile Heizkessel dienen. Es ist aber auch denkbar, dass über die Fremdeinspeisung vor Ort anfallende Abwärme beispielsweise aus einem Gewerbebetrieb in das System eingekoppelt werden. Dann ist es häufig auch möglich, die Vorlauf- und Rücklauftemperatur des Nahwärmenetzes von +4°C/0°C auf beispielsweise +10°C/16°C anzuheben. Dadurch verbessert sich die Leistungszahl der bei den Verbrauchern 3 installierten Wärmepumpen und in Folge dessen reduzieren sich Stromaufnahme und Betriebskosten der Wärmepumpen. Außerdem kann das Nahwärmenetz 1 mit einer größeren temperaturspreizung von zum Beispiel 6°C zwischen Vorlauf und Rücklauf betrieben werden, so dass der Volumenstrom des Wärmeträgers reduziert werden kann. Die interne Verschaltung bzw. Verbindung zwischen dem Nahwärmenetz 1 mit einem Einlass und einem Auslass des Luftwärmetauschers LWT oder der Vorlaufleitung VL und der Rücklaufleitung RL des Erdwärmetauschers EWT bzw. der Fremdeinspeisung FES folgt über eine Ventilanordnung, die ebenfalls im Inneren des Containers angeordnet ist. Diese Ventilanordnung kann aus mehreren Einzelventilen, die als Wegeventil oder als Stromventil ausgebildet sind, erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, die Ventilanordnung als 6/3-Wegeventil oder als 8/4-Wegeventil auszubilden.
Wenn die Heizperiode begonnen hat, d. h. wenn die Außentemperatur niedriger als 15°C ist, jedoch größer als die erste Grenztemperatur T_Grenz1 ist, steuert die nicht dargestellte Steuerung die ebenfalls nicht dargestellte Ventilanordnung so an, dass die Rücklaufleitung RL des Nahwärmenetzes 1 mit dem Einlass des Luftwärmetauschers LWT verbunden wird und der Auslass des Luftwärmetauschers RWT mit der Vorlaufleitung VL des Nahwärmenetzes 1 verbunden ist. In dieser ersten Schaltstellung sind die Gebläse 11 aktiv und es wird Wärme von der Umgebungsluft über den Luftwärmetauscher LWT auf den in dem Nahwärmenetz 1 zirkulierenden Wärmeträger übertragen. Typische Betriebstemperaturen des Nahwärmenetzes 1 sind 0°C für die Rücklauftemperatur und +4°C für die Vorlauftemperatur.
Wenn die Temperatur der Umgebungsluft unter den ersten Temperaturgrenzwert T_Grenz, 1 absinkt, dann ist es energetisch und aus betriebstechnischer Sicht nicht mehr sinnvoll, das Nahwärmenetz 1 mit Wärme aus der Umgebungsluft zu versorgen. Dann wird die Ventilanordnung in eine zweite Schaltstellung gesteuert. In der zweiten Schaltstellung wird die Rücklaufleitung RL des Nahwärmenetzes mit einem Einlass EWT_Einlass des Erdwärmetauschers EWT und die Vorlaufleitung VL_NW des Nahwärmenetzes 1 mit einem Auslass EWT_Auslass des Erdwärmetauschers EWT verbunden. Somit ist auch bei niedrigen Außentemperaturen die Versorgung des Nahwärmenetzes 1 gewährleistet ist. Dabei ist die Versorgung mit Erdwärme unabhängig von der Außentemperatur.
Während der Heizperiode, wenn keine Störungen am System auftreten, sind die erste und die zweite Schaltstellung ausreichend, um das Nahwärmenetz 1 bei allen vorkommenden Außentemperaturen mit regenerativer Wärme, sei es aus der Umgebungsluft oder Erdwärme, zu versorgen.
Damit der Erdwärmetauscher EWT auf Dauer nicht an Leistungsfähigkeit verliert und um die teilweise von den Genehmigungsbehörden erhobenen Forderungen nach einer ausgeglichenen Energiebilanz des Erdwärmetauschers EWT zu erfüllen, kann bei hohen Außentemperaturen, d. h. wenn der Luftwärmetauscher LWT mehr Wärme bereitstellt als im Nachwärmenetz 1 benötigt, wird in einer dritten Schaltstellung der LWT_Auslass des Luftwärmetauschers LWT mit dem Einlass EWT_Einlass des Erdwärmetauschers EWT und der Einlass LWT_Einlass des Luftwärmetauschers LWT mit dem Auslass EST_Auslass des Erdwärmetauschers EWT verbunden werden. Dann ist es möglich, Wärme aus der Umgebungsluft in dem Erdwärmetauscher EWT einzukoppeln und in dem den Erdwärmetauscher EWT umgebenden Erdreich zu speichern. Dadurch wird die während der Heizperiode dem Erdreich entnommene Wärme wieder zugeführt und die Energiebilanz des Erdwärmetauschers EWT ist ausgeglichen. Es ist darüber hinaus auch möglich, mehr Wärme in den Erdwärmetauscher EWT einzukoppeln als in der vorhergehenden Heizperiode entnommen wurde. Infolgedessen wird das den Erdwärmetauscher EWT umgebende Erdreich über die Ursprungstemperatur erwärmt und es wird gewissermaßen ein saisonaler Wärmespeicher gebildet. Dadurch ist es möglich, trotz einer vergleichsweise geringen Größe des Erdwärmetauschers EWT in der nächsten Heizperiode zu entnehmen. Dadurch können die Kosten für das Einbringen zusätzlicher Erdsonden 7 aufgeschoben oder teilweise sogar vollständig vermieden werden.
In einer optionalen vierten Schaltstellung wird die Rücklaufleitung RL des Nahwärmenetzes 1 mit der Rücklaufleitung RL_FES der Fremdeinspeisung FES und die Vorlaufleitung VL des Nahwärmenetzes 1 mit der Vorlaufleitung VL_FES der Fremdeinspeisung FES verbunden. Dadurch ist es möglich, das Nahwärmenetz 1 über eine Fremdeinspeisung, beispielsweise in Form eines mobile Wärmeerzeugers, in Notsituationen oder wenn das Energieangebot aus der Umgebungsluft bzw. der Erdwärme nicht mehr ausreichen sollte, sicherzustellen.
Dadurch sind drei alternative Wärmequellen zur Versorgung des Nahwärmenetzes 1 vorhanden, so dass eine extrem hohe Versorgungssicherheit des Nahwärmenetzes 1 gegeben ist. Dies führt im Ergebnis dazu, dass die an das Nahwärmenetz 1 angeschlossenen Verbraucher 3 unter allen denkbaren Umständen mit ausreichend Nahwärme versorgt werden können.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einem Container 9 untergebracht ist.
In der Außenhaut des Containers 9 sind eine Ansaugöffnung 13 und eine Ausblasöffnung 15 für Umgebungsluft vorgesehen. Falls erforderlich, können sowohl an der Ansaugöffnung als auch an der Ausblasöffnung 15 Schalldämpfer, die in 3 durch eine Kreuzschraffur angedeutet sind, vorgesehen sein. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt vier Gebläse 11 vorgesehen. Abhängig von der umgewälzten Luftmenge können ein oder mehrere Gebläse 11 betrieben werden, so dass trotz einer konstanten Drehzahl der Antriebsmotoren der elektrischen Antriebe der Gebläse 11 die Leistungsaufnahme und der Luftstrom in weiten Grenzen geregelt werden kann. Alternativ ist natürlich auch eine Drehzahlregelung der Antriebe möglich.
In dem Container 9 ist eine Regel- und Steuereinrichtung 17 vorgesehen, die über nicht dargestellte Signalleitungen, die beispielsweise die elektrischen Antriebe der Gebläse 11, die Umwälzpumpen 1 sowie die Ventilanordnung VA ansteuert.
Der hydraulische Anschluss der Umwälzpumpen 19 an das Nahwärmenetz 1, den Luftwärmetauscher LWT, den Erdwärmetauscher EWT und die Fremdeinspeisung FES ist in 3 nicht dargestellt, da es sich um eine schematische Darstellung handelt. Es liegt jedoch im Können eines Fachmanns, wie beispielsweise einem Rohrnetzbauer, die Umwälzpumpen an geeigneter Stelle in die Rohrleitungen zu integrieren.
Die Ventilanordnung VA weist insgesamt 8 Anschlüsse auf, nämlich jeweils einen Einlass und einen Auslass für das Nahwärmenetz 1, den Luftwärmetauscher LWT, den Erdwärmetauscher EWT und die Fremdeinspeisung FES.
Mit einem ersten Anschluss ist die Ventilanordnung VA mit dem LWT_Einlass des Luftwärmetauschers LWT und mit dem zweiten Anschluss mit dem Auslass LWT_Auslass des Luftwärmetauschers LWT verbunden.
Ein dritter und ein vierter Anschluss ist mit der Vorlaufleitung VL bzw. der Rücklaufleitung RL_NW des Nahwärmenetzes 1 verbunden.
Ein fünfter und ein sechster Anschluss ist mit der Vorlaufleitung VL_FES und der Rücklaufleitung RL_FES der Fremdeinspeisung FES hydraulisch verbunden.
Der siebte und der achte Anschluss sind mit dem Einlass EWT_Einlass bzw. dem Auslass EWT_Auslass des Erdwärmetauschers EWT verbunden.
Dies bedeutet, dass die Ventilanordnung VA entweder als ein Ventil mit acht Eingängen bzw. Ausgängen ausgelegt ist, dass es die oben beschriebenen Schaltstellungen einnehmen kann, oder die Ventilanordnung aus mehreren Ventilen zusammengesetzt ist, die im Zusammenwirken die oben beschriebenen Schaltstellungen einnehmen können. Die Auswahl und die Verrohrung einer solchen Ventilanordnung VA liegt ebenfalls im handwerklichen Können eines einschlägigen Fachmanns und wird daher nicht im Detail erläutert.
Aus der schematischen Darstellung gemäß 3 ist gut zu erkennen, dass die durch die Ansaugöffnung 13 angesaugte Umgebungsluft, die durch drei Pfeilspitzen angedeutet wird, an allen elektrischen Verbrauchern innerhalb des Containers 9 vorbeiströmt und deren Abwärme aufnimmt. Die wichtigsten elektrischen Verbraucher sind die Umwälzpumpen 19, das Regel- und Steuergerät 17 sowie die elektrischen Antriebe 11.
In einem typischen Betriebspunkt der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Temperatur der angesaugten Umgebungsluft durch die Abwärme der elektrischen Verbraucher von 7,2°C auf 8,0°C vor dem Luftwärmetauscher LWT erhöht.
Im Luftwärmetauscher LWT gibt die Umgebungsluft Wärme an den flüssigen Wärmeträger des Nahwärmenetzes 1 ab und kühlt sich dadurch zum Beispiel auf 4°C ab. Ein wichtiger Aspekt, der bei der Wirksamkeit der Wärmeübertragung und der Leistungsfähigkeit der Wärmeübertragung von der Umgebungsluft auf den Wärmeträger im Luftwärmetauscher LWT strömenden flüssigen Wärmeträger des Nahwärmenetzes ist auch die Feuchtigkeit der Luft. Wenn nämlich im Bereich niedriger Temperaturen, beispielsweise unterhalb von 10°C die Umgebungsluft Wärme an den Luftwärmetauscher LWT überträgt, kondensiert vor allem bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit ein Teil der in der Umgebungsluft enthaltenen Feuchtigkeit und überträgt die dabei anfallende Kondensationswärme auf den im Luftwärmetauscher LWT vorhandenen flüssigen Wärmeträger des Nahwärmenetzes 1. Dadurch wird die Leistung des Luftwärmetauschers LWT deutlich erhöht. Die Wirksamkeit und Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der 4 bis 10, die auf detaillierten Modellrechnungen basieren, näher erläutert. Aus diesen Ergebnissen dieser Beispielrechnungen wird auch deutlich, dass es möglich ist, auch mit einem relativ klein dimensionierten Erdwärmetauscher EWT eine sicher und auch bei niedrigsten Außentemperaturen zuverlässige Wärmeversorgung des kalten Nahwärmenetzes 1 zu gewährleisten. Ein wichtiges Ergebnis dieser Berechnungen ist, dass auch bei extrem ungünstigen Wetterbedingungen, wie sie beispielsweise im Jahr 2005 aufgetreten sind, durch die Nutzung der Wärme der in der Umgebungsluft enthaltenen Wärme der Erdwärmetauscher EWT um etwa 40 kleiner als bei einer monovalenten Versorgung des Nahwärmenetzes 1 mit einem Erdwärmetauscher EWT (siehe 1) ausgelegt werden kann.
In 4 ist für den Zeitraum zwischen 25. Januar und 09. April 2004 die Außentemperatur als durchgezogene schwarze Linie 21 aufgezeichnet. Der damit korrelierende Wärmebedarf in Kilowattstunden ist als grauer Balken tageweise dargestellt. Aus der 4 ist der Zusammenhang zwischen Last des Nahwärmenetzes 1 und der Außentemperatur (Linie 21) gut zu erkennen.
Aus der 4 ist auch gut zu erkennen, dass selbst in der Heizperiode die Zahl der Tage, in denen die durchschnittliche Außentemperatur < 0°C ist, sehr klein ist.
Die Figur EWT stellt einen Ausschnitt der 4, nämlich den Zeitraum zwischen 09. Und 16. Februar, vergrößert dar.
In der 6 werden für den ausgewählten Betrachtungszeitraum zwischen dem 01. Januar 2005 und dem 21. Januar 2005 die Last des Nahwärmenetzes und der Bezug von Wärme aus der Umgebungsluft in Form eines Balkendiagramms tageweise nebeneinander gestellt. Die Last des Nahwärmenetzes 1 ist als schwarzer Balken dargestellt, während die aus der Umgebungsluft nutzbare Wärme in Form eines grau schraffierten Balkens dargestellt ist.
Wenn man beispielsweise den 01. Januar 2005 betrachtet, dann liegt die Last bei etwa einer Megawattstunde, während die Umgebungsluft nur etwa 0,6 Megawattstunden Wärme bereitstellen kann, die in das Nahwärmenetz eingekoppelt werden kann. In anderen Worten: Am 01. Januar 2005 könnte der Luftwärmetauscher LWT 60% der Last des Nahwärmenetzes 1 bereitstellen. Die verbleibenden 40% werden erfindungsgemäß, vorwiegend in den kalten Nachtstunden, vom Erdwärmetauscher EWT bereit gestellt werden.
Am 14. Januar 2005 ist das Verhältnis zwischen Last und Deckungsbeitrag des Luftwärmetauschers LWT noch ausgeprägter. Die Last liegt bei etwa 1,4 Megawattstunden, während über den Luftwärmetauscher LWT nur etwa 0,1 Megawattstunde Wärme bereitgestellt werden kann. Der Rest wird vom Erdwärmetauscher EWT bereitgestellt.
Wie man sieht, ist der Luftwärmetauscher LWT in den ersten drei Wochen des Jahres 2005 nur selten in der Lage, die gesamte Last des Nahwärmenetzes abzudecken. Ein solcher Tag ist beispielsweise der 08. Januar 2005. An diesem Tag beträgt die Last des Nahwärmenetzes etwa 0,9 Megawattstunden, während der Luftwärmetauscher mehr als 1,2 Megawattstunden bereitstellen könnte.
Die jeweilige Deckungslücke, die sich dadurch ergibt, dass der Luftwärmetauscher nicht die gesamte Last des Nahwärmenetzes 1 bereitstellen kann, wird von dem Erdwärmetauscher EWT bereit gestellt.
Es wird aber schon beim Betrachten dieses Zeitraums der ersten drei Kalenderwochen des Jahres 2005 deutlich, dass nur an wenigen Tagen der Erdwärmetauscher EWT ausschließlich für die Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes gebraucht wird.
In 7 ist der Zeitraum zwischen dem 13. März und dem 20. April 2005, also der sogenannten Übergangszeit dargestellt. Schon beim Betrachten dieses Diagramms wird deutlich, dass der Luftwärmetauscher deutlich mehr Wärme bereitstellen kann, als die Last des Nahwärmenetzes 1. Dies wird exemplarisch am 18. März 2005 deutlich. Dort beträgt die Last des Nahwärmenetzes etwa 0,4 Megawattstunden, während der Luftwärmetauscher LWT mehr als 2 Megawattstunden bereitstellen könnte. Aus diesem erheblichen Überschuss an Wärme aus der Umgebungsluft wird deutlich, wie robust dieses System ist und dass an solchen Tagen schon Wärme aus dem Luftwärmetauscher LWT in den Erdwärmetauscher EWT eingekoppelt werden kann, um das den Erdwärmetauscher umgebende Erdreich mit Wärme zu versorgen.
Es wird auch aus der Zusammenschau der 6 und 7 deutlich, dass eine Erschöpfung des Erdwärmetauschers EWT bzw. des ihn umgebenden Erdreichs nicht zu besorgen ist, da die Zeiträume, in denen Wärme aus dem Erdwärmetauscher EWT entnommen wird relativ kurz sind und auf diese kurzen Zeiträume viele Tage folgen an denen über den Luftwärmetauscher LWT Wärme in den Erdwärmetauscher EWT eingekoppelt werden kann.
In 8 ist der Zeitraum zwischen 30. Mai und 19. Juli 2005 dargestellt. In diesem Zeitraum ist der Wärmebedarf des Nahwärmenetzes 1 nur noch sehr wenig von dem Heizwärmebedarf bestimmt. Im Wesentlichen entsteht der Wärmebedarf beispielsweise im Juni durch den Warmwasserverbrauch der Verbraucher 3 (siehe 2) bestimmt. In dem in 8 dargestellten Zeitraum kann der Luftwärmetauscher LWT mindestens zwei Megawattstunden Wärme bereitstellen, während der maximale Wärmebedarf am 07. Juni 2005 mit etwa 0,6 Megawattstunden anzusetzen ist. Es wird also auch aus der 8 überdeutlich, dass der Luftwärmetauscher in aller Regel sehr viel mehr Wärme bereitstellen kann als das Nahwärmenetz 1 erfordert. Dies gilt naturgemäß besonders außerhalb der Heizperiode. Daher ist es völlig unproblematisch, auch einen beispielsweise aufgrund eines extrem kalten Winters stark ausgekühlten Erdwärmetauscher EWT im nachfolgenden Sommer wieder zu regenerieren, so dass die Energiebilanz des den Erdwärmetauscher EWT umgebenden Erdreichs auf jeden Fall ausgeglichen ist.
Falls dies gewünscht wird, kann im Sommer ohne Weiteres Wärme aus der Umgebungsluft in dem Erdwärmetauscher EWT bzw. dem umgebenden Erdreich gespeichert werden, so dass der Erdwärmetauscher EWT gleichzeitig als saisonaler Erdwärmespeicher arbeitet.
In 9 ist die Deckung der Wärmelast des Nahwärmenetzes 1 aus dem mit Hilfe des Luftwärmetauschers bzw. des Erdwärmetauschers in Abhängigkeit von der Außentemperatur aufgetragen.
Dabei ist die Heizlast als strichpunktierte Linie 23 dargestellt. Bei einer Außentemperatur von –12°C erreicht die Heizlast ein Maximum und fällt dann kontinuierlich mit steigender Außentemperatur ab. Bei 18°C und höheren Außentemperaturen ist kein Wärmebedarf mehr vorhanden und die Heizlast des Nahwärmenetzes 1 wird durch den Warmwasserbedarf verursacht. Daher ergibt sich für Außentemperaturen > 18°C eine konstante und sehr niedrige Wärmelast, die weniger als 10% der höchsten Wärmelast beträgt.
Mit einer durchgezogenen Linie 25 wird die vom Luftwärmetauscher LWT bereitgestellte Wärmeleistung in 9 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass der Luftwärmetauscher LWT bei Temperaturen unter 4°C keinen nennenswerten Beitrag zur Deckung der Heizlast des Nahwärmenetzes leistet. Ausgehend von einer Außentemperatur von 4°C steigt die Leistungsfähigkeit des Luftwärmetauscher 25 mit zunehmender Außentemperatur stark an. Bei einer Außentemperatur von 8°C schneiden sich die gestrichelte Linie 23 und die durchgezogene Linie 25. Dies bedeutet, dass bei Temperaturen ≥ 8°C der Luftwärmetauscher LWT mindestens so viel Wärme bereitstellen kann, wie das Nahwärmenetz 1 benötigt. In anderen Worten: Der Wärmebedarf des Nahwärmenetzes 1 kann ausschließlich über den Luftwärmetauscher LWT bereitgestellt werden.
In 9 ist eine erster Bereich 27 schräg schraffiert dargestellt. Dieser Bereich 27 stellt den Deckungsbeitrag des Erdwärmetauschers zur Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes dar. Eine zweiter, ebenfalls schraffierter Bereich 29 stellt den Deckungsbeitrag des Luftwärmetauschers LWT zur Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes 1 dar. Ein dritter Bereich 31 stellt die mögliche Zurückspeisung in das Erdsondenfeld verfügbare Wärme aus der Umgebungsluft dar. Die Rückspeisung in den erd-Wärmetauscher EWT ist bei Temperaturen > 8°C möglich.
Die Größe der Bereiche 27, 29 und 31 sind nicht als Maß für die tatsächlich in das Nahwärmenetz 1 eingekoppelte Wärmemenge zu verstehen.
In 10 ist die Häufigkeit von Stundenmittelwerten aufgetragen, beginnend bei einer mittleren Außentemperatur von –12°C bis zu einer Außentemperatur von 18°C. Es wird deutlich, dass die extrem tiefen Temperaturen zwischen –12°C und –5°C nur einen sehr geringen Anteil, wenn man sich vor Augen hält, dass ein Jahr 8760 Stunden hat. Außentemperaturen in einem Bereich zwischen 0°C und 4°C treten überdurchschnittlich häufig auf. So ist beispielsweise eine Außentemperatur von 2°C an über 450 Stunden im Jahr vorhanden.
Wie sich aus 10 ergibt, sind Außentemperaturen zwischen 5°C and 18°C sehr viel häufiger als die extrem tiefen Temperaturen. Dies bedeutet, dass die Außentemperaturen meistens oberhalb von 0°C liegen und der in 9 optisch so dominante Bereich 29 der Außentemperaturen von +4°C bis –12°C viel weniger relevant ist als dies die 9 vermittelt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, durch das erfindungsgemäß bivalente System ein Großteil der Wärmelast des Nahwärmenetzes 1 über den Luftwärmetauscher LWT aus der Umgebungsluft gewonnen werden kann. Konkret heißt dies, dass bei Außentemperaturen über 8°C ausschließlich Wärmeversorgung des Nahwärmenetzes ausschließlich über die Wärme aus der Umgebungsluft erfolgt. Bei Temperaturen < 4°C erfolgt die Wärmeversorgung ausschließlich über den Erdwärmetauscher EWT. In dem Bereich in dem die Tagesmittelwerte der Außentemperatur zwischen 4°C und 8°C liegt, wird der Wärmebedarf des Nahwärmenetzes teilweise vom Luftwärmetauscher LWT gedeckt und teilweise vom Erdsondenfeld EWT gedeckt.

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung kalter Nahwärme umfassend jeweils einen Anschluss für eine Vorlaufleitung (VL_NW) und eine Rücklaufleitung (RL_NW) eines Nahwärme-Netzes (1), mindestens einen Wärmetauscher (LWT) und mindestens ein Gebläse (11), wobei der mindestens eine Wärmetauscher (LWT) zur Übertragung von in der Umgebungsluft enthaltener Wärme auf den in dem Nahwärmenetz (1) zirkulierenden Wärmeträger ausgebildet ist und wobei das mindestens eine Gebläse (11) Umgebungsluft durch den mindestens einen Wärmetauscher (LWT) fördert, wobei ein Anschluss für einen Einlass (EWT_Einlass) und einen Auslass (EWT_Auslass) eines Erd-Wärmetauschers (EWT) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Nahwärmenetz (1), dem Luft-Wärmetauscher (LWT) und dem Erd-Wärmetauscher (EWT) eine Ventil-Anordnung (VA), insbesondere ein 6/3-Wege-Ventil oder ein 8/4-Wege-Ventil, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventil-Anordnung (VA) in einer ersten Schaltstellung die Rücklaufleitung (RL_NW) des Nahwärmenetzes (1) mit einem Einlass (LWT_Einlass) des mindestens einen Luft-Wärmetauschers (LWT) und die Vorlaufleitung (VL_NW) des Nahwärmenetzes (1) mit einem Auslass (LWT_Auslass) des mindestens einen Luft-Wärmetauschers (LWT) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventil-Anordnung (VA) in einer zweiten Schaltstellung die Rücklaufleitung (RL_NW) des Nahwärmenetzes (1) mit einem Einlass (EWT_Einlass) des Erd-Wärmetauschers (EWT) und die Vorlaufleitung (VL_NW) des Nahwärmenetzes (1) mit einem Auslass (EWT_Auslass) des Erd-Wärmetauschers (EWT) verbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventil-Anordnung (VA) in einer dritten Schaltstellung den Auslass (LWT_Auslass) des Luft Wärmetauschers (LWT) mit dem Einlass (EST_Einlass) des Erd-Wärmetauschers (EWT) und den Einlass (LWT_Einlass) des Luft-Wärmetauschers (LWT) mit dem Auslass (EWT_Auslass) des Erd-Wärmetauschers (EWT) verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Anschluss für eine Vorlaufleitung (VL_FES) und eine Rücklaufleitung (RL_FES) einer Fremdeinspeisung (FES) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (VA) in einer vierten Schaltstellung die Rücklaufleitung (RL_NW) des Nahwärmenetzes (1) mit der Rücklaufleitung (RL_FES) der Fremdeinspeisung (FES) und die Vorlaufleitung (VL_NW) des Nahwärmenetzes (1) mit der Vorlaufleitung (VL_FES) der Fremdeinspeisung (FES) verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Umwälzpumpe (19) zur Förderung des Wärmeträgers durch das Nahwärmenetz (1), den Luft-Wärmetauscher (LWT), den Erd-Wärmetauscher (EWT) und/oder die Fremdeinspeisung (FES) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und Regeleinrichtung (17) zur Steuerung des mindestens einen Gebläses (1), der Umwälzpumpe (19) und/oder der Ventilanordnung (VA) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem Container (9), bevorzugt einem Übersee-Container oder einem Fertig-Beton-Gehäuse, untergebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem mindestens einen Gebläse (1) durch den Luft-Wärmetauscher (LWT) geförderte die Umgebungsluft zuerst durch den Container (9), das mindestens eine Gebläse (11) und anschließend durch den Luft-Wärmetauscher (LWT) geblasen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Erd-Wärmetauscher (EWT) als vertikale Erdsonde (7), als Wärmekorb, als horizontaler Erdkollektor, als Erdpfahl und/oder Brunnen ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben eines kalten Nahwärmenetzes (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Nahwärmenetz (NW) mit Wärme aus der Umgebungsluft und/oder Erdwärme versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Nahwärmenetz (NW) mit Wärme aus der Umgebungsluft, bevorzugt mittels eines Luft-Wärmetauschers (LWT), versorgt wird, wenn die Temperatur (T_amb) der Umgebungsluft höher als ein erster Temperatur-Grenzwert (T_Grenz,1) ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperatur-Grenzwert (T_Grenz,1) in einem Bereich zwischen 5°C und 1°C, bevorzugt bei 7,2°C, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Nahwärmenetz (NW) mindestens teilweise mit Erdwärme, bevorzugt mittels eines Erd-Wärmetauschers (EWT), versorgt wird, wenn die Temperatur (T_amb) der Umgebungsluft niedriger oder gleich dem ersten Temperatur-Grenzwert (T_Grenz,1) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Erd-Wärmetauscher (EWT) mit Wärme aus der Umgebungsluft versorgt wird, wenn die Umgebungsluft höher als ein zweiter Temperatur-Grenzwert (T_Grenz,2) ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Temperatur-Grenzwert (T_Grenz,1) in einem Bereich zwischen 15°C und 20°C, bevorzugt bei 16°C, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Nahwärmenetz (1) mit Wärme aus einer Fremdeinspeisung (FES) versorgt wird, wenn die Wärme aus der Umgebungsluft und die Erdwärme nicht ausreicht, um den aktuellen Wärmebedarf zu decken, oder gestört ist.