DE102012006634A1

DE102012006634A1 - Method for supplying heat consumers with heat energy from central heat producing system, involves partially intermediately storing supplied heat in heat accumulator for covering heat requirement during downtimes between operation intervals

Info

Publication number: DE102012006634A1
Application number: DE201210006634
Authority: DE
Inventors: Rainer Schlitt; Fritz Richarts
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2013-10-02

Abstract

The method involves performing heat supply with a maximum constant thermal output in short operation intervals. Supplied heat is partially intermediately stored in a heat accumulator for covering a heat requirement during downtimes between the intervals, where the accumulator is provided at a location of a consumer installation. Temperatures of a transport medium i.e. hot water, in forward and return lines are held constant during an operating phase, and lowered during shutdown by exchange of the hot water provided in pipelines against cold water provided in a return-water container (2).

Description

Stand der Technik und AufgabenstellungState of the art and task

Bei der Versorgung von Wärmeverbrauchern mit Wärmeenergie überwiegt zur Zeit die Wärmeerzeugung in Einzelanlagen in unmittelbarer Nähe der wärmeverbrauchenden Anlagen. Die Erzeugung der Wärme in Energiezentralen, 1(1), und deren Transport mittels Rohrleitungen zu weiter entfernt liegenden Einzelverbrauchern, 1(2), stellt immer noch die Ausnahme dar. Demgegenüber bietet die Bereitstellung von Wärme in zentralen, größeren Wärmeerzeugungsanlagen weitaus größere Möglichkeiten für den Einsatz fortschrittlicher Wärmegewinnungsanlagen, z. B. auf der Basis von Biomasse oder Umweltwärme oder mittels Kraft-Wärme-Kopplung. Das setzt jedoch voraus, dass die zentral erzeugte Wärme mittels Rohrnetzen an einzelne, weiter entfernt liegende Abnehmer transportiert wird. Der aktuelle Stand der Nah- und Fernwärmetechnik ist jedoch mit physikalisch und betrieblich bedingten Wärmeverlusten beim Transport verbunden. Der Anteil dieser Verluste an der gesamten in das Netz eingespeisten Wärme wird in dem Maße höher, wie die Gesamtwärmemenge kleiner wird. Ebenso wächst dieser Verlustanteil mit der räumlichen Ausdehnung des Nah- oder Fernwärmesystems.When supplying heat consumers with heat energy currently outweighs the heat generation in individual plants in the immediate vicinity of the heat-consuming plants. The generation of heat in energy centers, 1 ( 1 ), and their transport by means of pipelines to more remote individual consumers, 1 ( 2 ), is still the exception. In contrast, the provision of heat in central, larger heat generation facilities offers far greater opportunities for the use of advanced heat recovery systems, eg. B. on the basis of biomass or environmental heat or by means of combined heat and power. This requires, however, that the centrally generated heat is transported by means of pipe networks to individual, more distant customers. However, the current state of local and district heating technology is associated with physical and operational heat losses during transport. The proportion of these losses in the total heat fed into the grid becomes higher as the total amount of heat decreases. Likewise, this proportion of losses increases with the spatial extent of the local or district heating system.

Die physikalisch verursachten Verluste infolge der Temperaturdifferenz zwischen der Rohrinnenseite und der Umgebung lassen sich eingrenzen durch einen entsprechend höheren Aufwand bei der Wärmeisolierung. Hier wird aber der Spielraum durch nicht mehr vertretbare bauliche Aufwendungen und Materialkosten stark begrenzt.The physically caused losses due to the temperature difference between the inside of the pipe and the environment can be limited by a correspondingly higher cost in the thermal insulation. Here, however, the scope is severely limited by unjustifiable structural expenses and material costs.

Die betriebliche Komponente der Verluste bezieht sich auf die Wärmebilanz eines Betrachtungszeitraums. Da aber die Wärmeversorgung ununterbrochen gesichert sein muss, unabhängig davon, ob die momentane Wärmeleistung niedrig oder hoch ist, treten im Netz unablässig Wärmeverluste auf, die sich im Laufe der Betriebszeit zu erheblichen Mengen aufsummieren. Die momentane Wärmelast bei den Abnehmern ändert im Verlauf eines Jahres ihren Wert zwischen z. B. 10% bei der Sommergrundlast und 100% im Falle der winterlichen Höchstlast.The operational component of losses relates to the heat balance of a period of observation. But since the heat supply must be continuously secured, regardless of whether the current heat output is low or high, occur in the network incessantly heat losses, which accumulate in the course of operating time to significant amounts. The current heat load at the customers changes their value between z. For example, 10% for the summer base load and 100% for the winter maximum load.

Innerhalb dieser Grenzwerte findet der Betrieb der Nah- oder Fernwärmeanlage statt. Die Verlustleistung des Rohrnetzes ist dabei nahezu konstant. Schwankungen können auftreten durch veränderte Vor- und Rücklauftemperaturen und durch Änderungen der Umgebungstemperatur. Diese Schwankungen sind jedoch so schwach, dass die Verlustleistung näherungsweise als konstant angesehen werden kann. Bezieht man den Mittelwert der Verlustleistung auf die Jahreshöchstlast eines Fernwärmenetzes, so ergeben sich Werte zwischen 2 und 10%, je nach Rohrdimension und räumlicher Ausdehnung des Netzes. Betrachtet man aber die Wärmemengen, die sich in einem Betriebsjahr aufsummieren, dann beträgt das Verhältnis zwischen den Verlustwärmen und der in das Netz eingespeisten Wärme zwischen 5 und 30%. Hieraus ist ersichtlich, dass im Interesse einer noch vertretbaren Größe der Netzwärmeverluste die Versorgung von Wärmeverbrauchern mittels Nah- und Fernwärmenetzen aus zentralen Wärmeerzeugungsanlagen auf eine Minderzahl von dafür geeigneten Fällen begrenzt ist, in denen die Verlustanteile ein bestimmtes Maß nicht überschreiten. Dadurch wird auch die Erschließung von regenerativen Energiequellen für die Bereitstellung von Wärme in erheblichem Maße beeinträchtigt.Within these limits, the operation of the local or district heating plant takes place. The power loss of the pipe network is almost constant. Fluctuations can occur due to changing flow and return temperatures and changes in the ambient temperature. However, these fluctuations are so weak that the power loss can be considered approximately constant. If the mean value of the power loss is related to the annual peak load of a district heating network, values of between 2 and 10% result, depending on the pipe dimension and the spatial extent of the network. But considering the amounts of heat accumulating in one year of operation, the ratio between the heat losses and the heat fed into the grid is between 5 and 30%. From this it can be seen that in the interests of a still acceptable size of grid heat losses, the supply of heat consumers by local and district heating networks from central heat generation facilities is limited to a minority of suitable cases in which the loss shares do not exceed a certain level. This will also significantly affect the development of renewable energy sources for the provision of heat.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch eine geeignete Ausstattung und Betriebsführung der Anlage die betrieblich bedingten Verluste soweit zu verringern, dass die Nah- und Fernwärmeversorgung auch in den Fällen ermöglicht wird, die zurzeit als dafür nicht geeignet eingestuft werden. Die Versorgung von einzelnen Abnehmern wird erfindungsgemäß sichergestellt durch eine Wärmelieferung mittels Rohrnetz mit einer konstant hohen Wärmeleistung und kürzestmöglichen Betriebszeiten sowie mittels Speicherung der gelieferten Wärme unmittelbar an der Abnehmeranlage. Die Verringerung der Wärmeverluste wird dadurch erreicht, dass die Betriebsdauer des wärmeführenden Netzes auf einen kürzest möglichen Zeitraum begrenzt wird.The object of the invention is to reduce the operational losses by a suitable equipment and operation management of the plant so far that the local and district heating supply is made possible even in cases that are currently classified as not suitable. The supply of individual customers is ensured according to the invention by a heat supply by means of a pipe network with a constant high heat output and shortest possible operating times and by storing the heat supplied directly to the customer system. The reduction in heat losses is achieved by limiting the service life of the heat-conducting network to a shortest possible time.

Beschreibung des VerfahrensDescription of the procedure

Das Grundprinzip des Verfahrens basiert auf

a) Speicherung der Wärme bei den Abnehmern, 1(3)
b) Lieferung der Wärme an die Abnehmer während kurzen Betriebszeiten mit höchstmöglichen Leistungen
c) Austausch des warmen Netzinhalts durch einen in der zentrale bereitgehaltenen kalten Wasservorrat
d) Kaltes Netz während der Stillstandszeiten
e) Vorwärmen des Netzes mittels gespeichertem warmen Netzinhalt aus der vorangegangenen Betriebsphase

The basic principle of the procedure is based on

a) storage of heat at the customers, 1 ( 3 )
b) Supply of heat to the customers during short periods of operation with the highest possible performance
c) Replacement of the warm net content by a cold water supply provided in the central
d) Cold network during downtime
e) preheating the network by means of stored warm network content from the previous operating phase

Bei herkömmlichem Wärmeversorgungsbetrieb wird das Netz ständig auf weitgehend konstantem Temperaturniveau warm gehalten und es wird kontinuierlich Wärme eingespeist, jedoch mit zeitlich veränderlichen Leistungen.In conventional heat supply operation, the network is kept constantly warm to a largely constant temperature level and it is continuously fed heat, but with time-varying performance.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ändert sich die Netztemperatur: Während der Betriebsphase befindet sie sich auf dem betrieblich erforderlichen hohen Temperaturniveau. In der übrigen Zeit ist das Netz kalt. Dadurch treten während dieser Zeit keine Verluste auf. Die Netzabkühlung wird erreicht mittels Austausch des warmen Netzinhalts durch einen in der Zentrale vorhandenen kalten Wasservorrat. Die Netzerwärmung wird vor Beginn der Betriebsphase durch die Rückspeisung des vorab am Standort der Zentrale zwischengespeicherten originären Rohrnetzinhalts herbeigeführt.In the method according to the invention, the network temperature changes: During the operating phase, it is at the operationally required high temperature level. In the rest of the time the network is cold. As a result, no losses occur during this time. The network cooling is achieved by replacing the warm network content with a cold water supply in the central station. The network heating is brought about before the start of the operating phase by the return feed of the previously cached at the headquarters headquarters original pipe network content.

Das Gesamtsystem wird überwacht und gesteuert durch eine zentrale Leittechnik, die im laufenden Betrieb die Ladung der Satellitenspeicher bei den einzelnen Abnehmern erfasst. Bei Erreichen eines minimalen Ladezustands wird die Betriebsphase durch Austausch des kalten Rohrinhalts gegen den in der Zentrale bevorrateten warmen Speicherinhalt eingeleitet und anschließend mit Lieferung der vollen Wärmeleistung an die Abnehmer gestartet. Die Netzleistung ist auch bei Niedriglast, z. B. während des Sommerbetriebs, gleich oder größer als die Jahreshöchstlast der Abnehmer. Je höher die Einspeiseleistung, umso kürzer ist auch die Betriebsphase und der damit verbundene Wärmeverlust des Netzes. Auch die Anzahl der Betriebsphasen und damit die durch Abkühlung verursachten Verluste werden mit höherer Einspeiseleistung und größerer Speicherkapazität beim Abnehmer geringer. Das Leitsystem wird mit einem adaptiven, lernfähigen Regelsystem ausgestattet, das selbsttätig die optimale Einspeiseleistung bei minimalen Wärmeverlusten ermittelt und die dabei festgestellten Betriebsparameter für den weiteren regulären Betrieb in die Systemeinstellung übernimmt. Die Größe der Satellitenspeicher bei den einzelnen Abnehmern wird vorab entsprechend dem individuellen Wärmeverbrauch bei den Abnehmern und den minimal abgeschätzten Ladezeiten ermittelt. Das Leitsystem beendet die Betriebsphase durch Austausch des warmen Netzinhalts gegen das in der Zentrale bevorratete kalte Wasservolumen aus der vorangegangenen Stillstandsphase.The entire system is monitored and controlled by a central control system, which records the charge of satellite storage at individual customers during operation. Upon reaching a minimum state of charge, the operating phase is initiated by replacing the cold pipe contents against the stored in the central warm storage capacity and then started with delivery of the full heat output to the customer. The network performance is also at low load, z. B. during summer operation, equal to or greater than the maximum annual load of the customer. The higher the feed-in power, the shorter the operating phase and the associated heat loss of the grid. Also, the number of operating phases and thus the losses caused by cooling are lower with higher feed-in capacity and greater storage capacity at the customer. The control system is equipped with an adaptive, adaptive control system, which automatically determines the optimum feed-in performance with minimal heat loss and adopts the operating parameters determined for further regular operation into the system setting. The size of the satellite storage at the individual customers is determined in advance according to the individual heat consumption at the customers and the minimum estimated charging times. The control system terminates the operating phase by replacing the warm network content with the cold water volume stored in the central station from the previous standstill phase.

Vorteile des Verfahrens gegenüber dem Stand der TechnikAdvantages of the method over the prior art

Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Versorgung von Verbrauchern von Wärmeenergie mit intermittierendem Betrieb weist gegenüber den bisher kontinuierlich betriebenen Nah- und Fernwärmenetzen folgende entscheidende Vorteile auf:

• Die Netzwärmeverluste werden auf einen Bruchteil der Werte bei kontinuierlichem Betrieb reduziert.
• Durch die drastische Verringerung der Netzwärmeverluste wird eine Wärmeerzeugung in zentralen Versorgungssystemen auch bei räumlich weit verteilten oder auch sehr kleinen Einzelabnehmeranlagen und entsprechend kleinen Rohrdimensionen ermöglicht.
• Die Möglichkeit der Versorgung räumlich weit verteilter Wärmeabnehmer mit geringem Leistungsbedarf eröffnet der Wärmegewinnung aus regenerativen Ressourcen neue zusätzliche Potenziale und kann einen wirkungsvollen Beitrag zur Sicherung von Ressourcen, zur Substitution von fossilen Energieträgern und zur Vermeidung von Klimagasfreisetzungen aus der Verbrennung fossiler Energieträger leisten.

The method proposed here for supplying consumers of heat energy with intermittent operation has the following decisive advantages over the previously continuously operated local and district heating networks:

• The network heat losses are reduced to a fraction of the values in continuous operation.
• Due to the drastic reduction in grid heat losses, heat generation in central supply systems is also made possible with spatially widely distributed or very small individual customer systems and correspondingly small pipe dimensions.
• The ability to supply geographically dispersed heat consumers with low power requirements opens up new additional potential for heat recovery from renewable resources and can make an effective contribution to securing resources, substituting fossil fuels and avoiding greenhouse gas emissions from burning fossil fuels.

Weitere Ausgestaltung des VerfahrensFurther embodiment of the method

An advantageous embodiment is the intermediate storage of the water content of the supply and return line in two separate containers in the heat generation center, 2 , This prevents mixing the different temperature controlled amounts of water from the supply and return line. The starting process at the beginning of the operating phase is thereby significantly accelerated
• At the end of the operating phase, the lower-temperature heating water in the return flow is first introduced into the return water tank. 2 ( 1 ), thereby being fed in that it is displaced from the return line by the heating water in the supply line, which in turn is heated by dewatering cold water from the return water tank, 2 ( 2 ) is displaced. Thereafter, by further desserts of cold water from the supply water tank, the return flow heating water located in the return is conveyed into the flow water tank.

Claims

A method for supplying heat consumers with heat energy from a central heat generation plant and transport and distribution of the heat generated to the spatially distributed customers by means transported in pipes fluid heat transfer media, characterized in that the heat delivery with the greatest possible constant heat output takes place in short operating intervals and the heat supplied to Covering the heat demand during downtimes between the operating intervals is stored in a partially existing at the location of the customer heat storage system.

A method according to claim 1, characterized in that when using heating water as a transport medium, the media temperatures in the supply and return lines during the operating phase are kept constant and during pauses in storage by replacing the hot water located in the pipelines against stored in the central heat generating center in containers cold water is pumped down to ambient temperature, the warm heating water is stored in these containers during breaks.

A method according to claim 1 and 2, characterized in that at the end of the break in operation, the warm heating water is exchanged in the located in the central containers by pumping against the cold water in the pipe network and thus the network is heated to its operating temperature required.

Process according to claims 1 to 3, characterized in that the storage of the heating water from the supply and return lines are stored in two separate arranged in the control center containers at different, the operating values of the supply and return lines corresponding temperatures.