DE102010018318A1 - Coupling system for a hybrid energy system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kopplungssystem (100) für eine Hybridenergieanlage umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung (110) und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) mit mindestens einer Kopplungseinrichtung (130) zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung (110) und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120). Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine Kopplung für eine Wärmepumpenvorrichtung (110) und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) realisiert, wobei im Verhältnis zu bereits bekannten nicht gekoppelten Anlagen ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad und niedriger Ressourcenverbrauch gewährleistet werden soll. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens eine Kopplungseinrichtung (130) eine elektrische Kopplungseinheit und/oder eine hydraulische Kopplungseinheit aufweist, die für eine Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung (110) und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung (120) schaltbar ausgeführt sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energietransformationssystem zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte und ein Verfahren zur Energietransformation mit einem Kopplungssystem (100).The invention relates to a coupling system (100) for a hybrid energy system comprising a heat pump device (110) and a combined heat and power device (120) with at least one coupling device (130) for coupling the heat pump device (110) and the combined heat and power device (120) ). It is an object of the invention to create a device and a method that realizes a coupling for a heat pump device (110) and a combined heat and power device (120) low resource consumption should be guaranteed. The invention is characterized in that the at least one coupling device (130) has an electrical coupling unit and / or a hydraulic coupling unit, which are designed to be switchable for coupling the heat pump device (110) and the combined heat and power device (120). The invention also relates to an energy transformation system for generating heat and / or cold and a method for energy transformation with a coupling system (100).
Description
Die Erfindung betrifft ein Kopplungssystem für eine Hybridenergieanlage umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit mindestens einer Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Energietransformationssystem mit einer Wärmepumpenvorrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte und einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Energietransformation mit einem Kopplungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.The invention relates to a coupling system for a hybrid energy plant comprising a heat pump device and a combined heat and power device with at least one coupling device for coupling the heat pump device and the combined heat and power device according to the preamble of claim 1. The invention also relates to an energy transformation system with a heat pump device for Generation of heat and / or cold and a cogeneration device for generating electricity and / or heat according to the preamble of claim 10. Furthermore, the invention relates to a method for energy transformation with a coupling system according to the preamble of claim 12.
Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtungen sind in der Haus- und Versorgungstechnik von Gebäuden allgemein bekannt. Diese Vorrichtungen erzeugen unter Zufuhr eines Brennstoffes, wie beispielsweise Öl oder Holz, sowohl Strom als auch Wärme. Dabei besitzen sie einen großen Gesamtwirkungsgrad, da die Wärme, die eigentlich als Nebenprodukt bei der Stromerzeugung entsteht, für die Wärmeversorgung des Gebäudes verwendet werden kann. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtungen sind in einem breiten Leistungsbereich, von 1 kW bis 150 MW elektrische Leistung, mit Gesamtwirkungsgraden von über 90% auf dem Markt vorhanden.Combined heat and power devices are well known in the domestic and supply engineering of buildings. These devices generate both power and heat by supplying a fuel, such as oil or wood. They have a high overall efficiency, as the heat, which is actually a by-product of power generation, can be used to heat the building. Combined heat and power plants are available in a wide power range, from 1 kW to 150 MW electrical power, with total efficiencies of over 90% in the market.
Weiterhin sind Wärmepumpen allgemein bekannt. Dabei handelt es sich um thermodynamische Maschinen, die mit einer Hilfsenergie angetrieben werden und eine Anhebung oder Absenkung der Temperatur eines Mediums realisieren können. Wärmepumpen werden sowohl als sogenannte Kältemaschinen, zum Beispiel als Kühlschrank, zur Absenkung eines Temperaturniveaus als auch als Wärmemaschinen zur Anhebung eines Temperaturniveaus verwendet. Derartige Wärmepumpen können mit einem kleinen Anteil von zugeführter Antriebsenergie einen großen Anteil Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau heben oder senken.Furthermore, heat pumps are well known. These are thermodynamic machines, which are powered by an auxiliary power and can realize an increase or decrease in the temperature of a medium. Heat pumps are used both as so-called chillers, for example as refrigerators, for lowering a temperature level and as heat machines for raising a temperature level. Such heat pumps can raise or lower a large proportion of ambient heat to a usable temperature level with a small proportion of supplied drive energy.
Es ist auch bekannt, Wärmepumpen reversibel einzusetzen, das heißt, die Antriebsenergie sowohl zur Anhebung eines Temperaturniveaus, beispielsweise zur Heizung oder Warmwasser-Bereitung, als auch zur Absenkung eines Temperaturniveaus, beispielsweise zur Klimatisierung oder Kühlung, einzusetzen. Dies ist über eine Umschaltung des Kältekreislaufs, beispielsweise mittels eines 4-Wege-Ventils, möglich.It is also known to employ heat pumps reversibly, that is to use the drive energy both for raising a temperature level, for example for heating or hot water preparation, as well as for lowering a temperature level, for example for air conditioning or cooling. This is possible by switching over the refrigeration cycle, for example by means of a 4-way valve.
Eine direkte Kombination dieser zwei Technologien, also eine Hybridenergieanlage aus einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und einer Wärmepumpe, welche gleichzeitig oder prinzipiell in der Lage ist Strom, Wärme und Kälte zu erzeugen, ist bisher nicht bekannt.A direct combination of these two technologies, ie a hybrid energy plant from a combined heat and power plant and a heat pump, which is simultaneously or in principle able to generate electricity, heat and cold, is not yet known.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine Kopplung für eine Wärmepumpenvorrichtung und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung realisiert, wobei im Verhältnis zu bereits bekannten nicht gekoppelten Anlagen ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad und niedriger Ressourcenverbrauch gewährleistet werden soll. Hierbei soll weiterhin nicht nur die Abwärme des Motors der Wärmepumpe möglichst effizient genutzt werden, sondern vor allem die Umweltwärme auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben und/oder gesenkt werden.The invention has for its object to provide an apparatus and a method which realizes a coupling for a heat pump device and a combined heat and power device, with a high overall efficiency and low resource consumption should be guaranteed in relation to already known non-coupled systems. This should continue to be used not only the waste heat of the engine heat pump as efficient as possible, but above all the environmental heat can be raised to a usable temperature level and / or lowered.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, des Patentanspruchs 10 und des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This is achieved by the objects with the features of claim 1, of claim 10 and claim 12 according to the invention. Advantageous developments can be found in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Kopplungssystem für eine Hybridenergieanlage, umfassend eine Wärmepumpenvorrichtung und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit mindestens einer Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung, ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kopplungseinrichtung eine elektrische Kopplungseinheit und/oder eine hydraulische Kopplungseinheit aufweist, die für eine Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung und der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung schaltbar ausgeführt sind.The coupling system according to the invention for a hybrid power plant, comprising a heat pump device and a combined heat and power device with at least one coupling device for coupling the heat pump device and the combined heat and power device, is characterized in that the at least one coupling device, an electrical coupling unit and / or a hydraulic Coupling unit, which are designed to be switchable for coupling the heat pump device and the cogeneration device.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung einen brennstoffbetriebenen Motor umfasst. In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung ein mit dem Motor gekoppeltes Getriebe umfasst.In an advantageous embodiment of the coupling system according to the invention it is provided that the coupling device comprises a fuel-powered engine. In a further advantageous embodiment of the coupling system according to the invention it is provided that the coupling device comprises a gearbox coupled to the engine.
In noch einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung eine mit dem Getriebe gekoppelte E-Maschine umfasst, um über den Motor angetrieben eine übersetzte Kraft an bzw. von der E-Maschine zu übertragen.In yet another advantageous embodiment of the coupling system according to the invention, it is provided that the coupling device comprises an electric motor coupled to the transmission in order to transmit a translated force to or from the electric machine via the engine.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung einen mit dem Getriebe gekoppelten Kompressor umfasst, um eine übersetzte Kraft zu dem Kompressor zu übertragen. In wiederum einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Kopplungseinrichtung eine Steuereinrichtung zum Schalten des Kopplungssystems umfasst.In another advantageous embodiment of the coupling system according to the invention it is provided that the coupling device comprises a compressor coupled to the transmission in order to transmit a translated force to the compressor. In yet another advantageous embodiment of the present coupling system is provided that the Coupling device comprises a control device for switching the coupling system.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung eine Motorsteuereinheit zur Steuerung des Motors umfasst.An advantageous embodiment of the present invention provides that the control device comprises a motor control unit for controlling the motor.
In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kopplungssystems ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Leistungselektronikeinheit zur leistungsabhängigen Regelung des Kopplungssystems umfasst.In another advantageous embodiment of the coupling system according to the invention it is provided that the control device comprises a power electronics unit for power-dependent control of the coupling system.
Zudem ist in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungssystems vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Schnittstelleneinheit umfasst, um einen Anschluss an weitere Bauteile zu realisieren.In addition, in another advantageous embodiment of the coupling system according to the invention, it is provided that the control device comprises an interface unit in order to realize a connection to further components.
Das erfindungsgemäße Energietransformationssystem mit einer Wärmepumpenvorrichtung zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte und einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung und die Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung über mindestens ein erfindungsgemäßes Kopplungssystem miteinander gekoppelt sind.The energy transformation system according to the invention with a heat pump device for generating heat and / or cold and a combined heat and power device for generating electricity and / or heat, is characterized in that the heat pump device and the combined heat and power device via at least one inventive coupling system with each other are coupled.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Energietransformationssystems ist vorgesehen, dass die Wärmepumpenvorrichtung über den Kompressor und/oder das Getriebe mit dem Motor und/oder der E-Maschine schaltbar gekoppelt ist.In an advantageous embodiment of the energy transformation system, it is provided that the heat pump device is switchably coupled to the engine and / or the electric motor via the compressor and / or the transmission.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Energietransformation mit einem erfindungsgemäßen Kopplungssystem, umfassend die Schritte Betreiben einer Wärmepumpenvorrichtung und Betreiben einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenvorrichtung und die Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung schaltbar miteinander gekoppelt sind und Energie der einen Vorrichtung für die jeweils andere Vorrichtung wahlweise bereitgestellt wird.The method according to the invention for energy transformation with a coupling system according to the invention, comprising the steps of operating a heat pump device and operating a combined heat and power device, is characterized in that the heat pump device and the cogeneration device are switchably coupled together and energy of the one device for the each other device is optionally provided.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Schalten ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi umfasst. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Umschalten der Betriebsmodi ein Umschalten der folgenden Betriebsarten ausgewählt aus der folgenden Gruppe umfasst: Stromerzeugung und/oder Wärmeerzeugung und/oder Kälteerzeugung.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the switching comprises switching between different operating modes. In another advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the switching of the operating modes comprises a switching over of the following operating modes selected from the following group: power generation and / or heat generation and / or refrigeration.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Koppeln elektrisch oder elektrisch und hydraulisch durchgeführt wird.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that the coupling is performed electrically or electrically and hydraulically.
In einer noch weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Koppeln reversibel durchgeführt wird, sodass von einem energieerzeugenden Betriebsmodus in einen energieverbrauchenden Betriebsmodus umgeschaltet wirdIn yet another advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the coupling is carried out reversibly, so that switching is made from a power-generating operating mode to an energy-consuming operating mode
Mit dem erfindungsgemäßen Kopplungssystem, dem erfindungsgemäßen Energietransformationssystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energietransformation werden insbesondere die folgenden Vorteile realisiert:
Durch die Kombination eines Kompressors als Teil der Wärmepumpe, eines brennstoffangetriebenen Motors und einer E-Maschine, welche sowohl als Motor als auch als Generator nutzbar ist, werden die Vorteile beider Technologien – Wärmepumpe und Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung – vereint. Mit einem als Hybridenergieanlage ausgebildetem Energietransformationssystem mit einem erfindungsgemäßen Kopplungssystem kann mit nur einem einzigen Gerät Wärme, Kälte, Strom und sogar die gleichzeitige Erzeugung von Wärme, Kälte und Strom erzeugt werden.The following advantages are realized in particular with the coupling system according to the invention, the energy transformation system according to the invention and the method according to the invention for energy transformation:
By combining a compressor as part of the heat pump, a fuel-powered engine and an electric motor that can be used both as a motor and as a generator, the advantages of both technologies - heat pump and combined heat and power unit - are combined. With a trained as a hybrid power plant energy transformation system with a coupling system according to the invention can be generated with only a single device heat, cold, electricity and even the simultaneous generation of heat, cold and electricity.
Dabei erfolgt die Optimierung des Betriebes im Hinblick auf Zielgrößen wie Primärenergieverbrauch, CO2-Ausstoß, Wirtschaftlichkeit, Angebot und Bedarf. Diese Flexibilität des Betriebes ist vorteilhaft für ein dezentrales Energiemanagement (DEM), um so Energieströme zu optimieren und an die Randbedingungen, beispielsweise einem sich verändernden Stromtarif, anzupassen. Dies kann gegebenenfalls auch für den Energieversorger wichtig sein.In doing so, the operation is optimized in terms of target values such as primary energy consumption, CO 2 emissions, profitability, supply and demand. This flexibility of operation is advantageous for decentralized energy management (DEM) in order to optimize energy flows and to adapt to the boundary conditions, for example a changing electricity tariff. If appropriate, this can also be important for the utility company.
Die verschiedenen Betriebsmodi sind hierbei:
- – Einzelbetrieb der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit Strom- und Wärmeerzeugung;
- – Kopplungsbetrieb der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung und der brennstoffbetriebenen Wärmepumpe mit Wärme- und anteilig geringer Stromerzeugung;
- – Kopplungsbetrieb der brennstoffbetriebenen Wärmepumpe mit Wärme- und Kälteerzeugung;
- – Kopplungsbetrieb der beispielsweise strombetriebenen Wärmepumpe mit Wärme- und Kälteerzeugung;
- – Gleichzeitiger Betrieb der Wärmepumpe mit Gas und Strom (Boosterfunktion)
- - Single operation of the combined heat and power plant with electricity and heat generation;
- - Coupling operation of the combined heat and power plant and the fuel-powered heat pump with heat and proportionately low power generation;
- - coupling operation of the fuel-powered heat pump with heating and cooling;
- - coupling operation of, for example, current-driven heat pump with heating and cooling;
- - Simultaneous operation of the heat pump with gas and electricity (booster function)
Je nach Bedarf und Anwendungsfall kann der Fokus auf Strom-, Wärme- oder Kälteerzeugung gelegt werden.Depending on need and application, the focus can be placed on electricity, heat or cooling.
Weiterhin ist die Leistungsmodulierung und Leistungsaddition des Motors und der E-Maschine vorteilhaft. Hierbei kann die E-Maschine den motorischen Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe übernehmen. Dieses Prinzip würde einem Fahrzeughybrid entsprechen. Unter E-Maschine wird hier eine Elektromaschine verstanden, die sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden kann.Furthermore, the power modulation and power addition of the motor and the electric motor is advantageous. Here, the electric machine can take over the motor drive of the compressor of the heat pump. This principle would correspond to a vehicle hybrid. E-machine is understood here as an electric machine that can be operated both as a motor and as a generator.
Durch die Leistungsaddition kann ein Spitzenlastkessel, ein sogenannter Booster, entfallen. Dies ist sowohl bezüglich des benötigten Bauraumes als auch bezüglich der Investitionskosten, vor allem für private Nutzer, interessant. Bei der elektrischen Kopplung kann das System auf kleinstem Raum betrieben werden. Eine kompakte Außeneinheit kombiniert mit einer wandhängenden Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung kann den Energiebedarf eines gesamten Gebäudes abdecken. Weiterhin kann das über einen Wärmetauscher gekühlte Abgas des Motors noch als zusätzliche Wärmequelle für die Wärmepumpe verwendet werden.Due to the addition of power, a peak load boiler, a so-called booster, can be omitted. This is interesting both in terms of the required installation space and in terms of investment costs, especially for private users. With the electrical coupling, the system can be operated in the smallest space. A compact outdoor unit combined with a wall-mounted micro-cogeneration device can cover the energy needs of an entire building. Furthermore, the exhaust gas cooled by a heat exchanger of the engine can still be used as an additional heat source for the heat pump.
Mechanisch oder elektrisch eingekoppelt werden kann in das erfindungsgemäße System außerdem auch ein Stirlingmotor, welcher mit einer externen Wärmequelle einen relativ günstigen thermischen Wirkungsgrad und zum Beispiel mit dem Brennstoff Holz auch einen guten Primärenergiefaktor erreicht. Weiterhin können eine Gasturbine und eine Brennstoffzelle elektrisch in das erfindungsgemäße System eingekoppelt werden.In addition, mechanically or electrically coupled into the system according to the invention, a Stirling engine, which also achieves a good primary energy factor with an external heat source a relatively low thermal efficiency and, for example, the fuel wood. Furthermore, a gas turbine and a fuel cell can be electrically coupled into the system according to the invention.
Insgesamt sind vor allem die Flexibilität und die Vielseitigkeit in der Anwendung einer derartigen Hybridenergieanlage von Vorteil.Overall, especially the flexibility and the versatility in the application of such a hybrid power plant advantage.
Die Zeichnungen stellen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in den Figuren:The drawings illustrate several embodiments of the invention and show in the figures:
Die
Die Hybridenergieanlage weist zum einen eine Brennstoffzufuhr
Zum Steuern und Schalten des Kopplungssystems
Das erfindungsgemäße Energietransformationssystem, das gemäß der
Die kleinen Doppelpfeile zwischen Getriebe
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
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