DE102012014513B4 - Energieversorgungsanlage - Google Patents

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Abstract

Energieversorgungsanlage (10) mit(a) einem Brennstofftank (20), der ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Brennstoffs (40), und(b) einer Wärmepumpe (30), die mindestens eine Wärmesonde (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass(c) die Wärmesonde (50) mit dem Brennstofftank (20) thermisch gekoppelt ist und(d) der Brennstofftank (20) einen Verdampfer der Wärmepumpe (30) bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Energieversorgungsanlagen dieser Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dezentrale Energieversorgungsanlagen, die eine Wärmepumpe für ein Heizsystem verwenden, insbesondere von Ein- und Mehrfamilienhäusern, werden häufig in Verbindung mit Zusatzbrenneinrichtungen betrieben, die dafür mit einer Tankanlage ausgestattet sind. Insbesondere sind Energieversorgungsanlagen dieser Art bei sogenannten Niedrigenergiehäusern anzutreffen.
  • Die verwendeten Wärmepumpen weisen dabei in der Regel eine Wärmesonde zur Aufnahme von thermischer Energie aus der Umgebung auf. Dies kann zum Beispiel durch Sonnenreflektoren oder durch Absorption von Erdwärme erfolgen. Der Transport der thermischen Energie erfolgt dabei durch ein Kältemittel innerhalb eines Leitungssystems der Wärmepumpe.
  • Gleichzeitig müssen für die Zusatzbrenneinrichtungen, die ebenfalls der Energieversorgung dienen, Brennstofftanks installiert werden. Diese Brennstofftanks dienen der Speicherung des benötigten Brennstoffs und ermöglichen gleichzeitig eine Versorgung der Verbrennungsanlage auch bei hohem Energieverbrauch über mehrere Wochen ohne Nachfüllung. Diesbezüglich müssen sie hinsichtlich ihrer Größe ausreichend dimensioniert sein.
  • Nachteilig am Stand der Technik ist, dass bei den bekannten Energieversorgungsanlagen jeweils eine Wärmesonde und ein Brennstofftank installiert werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass dadurch mindestens zwei Kreislaufsysteme mit unterschiedlichen Medien, in der Regel als Rohrleitungssysteme, verlegt werden müssen. Dadurch wird die Gefahr von Leckage erhöht.
  • Aus der US 4 517 799 A ist eine Wärmepumpe bekannt, bei der ein Verbrennungsmotor einen Verdichter antreibt. Der Verbrennungsmotor ist in einem Wasserbad gelagert, um dessen Abwärme aufzufangen. Im Wasserbad ist ein Wärmetauscher der Wärmepumpe angeordnet, so dass die Abwärme des Motors in weitem Umfang genutzt werden kann.
  • Aus der DE 29 25 782 A1 ist eine Wärmepumpe bekannt, bei der zur Speicherung von Wärmeenergie ein Heizöltank verwendet wird, dessen Heizöl das Medium zur Speicherung der Wärmeenergie ist. Nachteilig an einem solchen System ist, dass nur vergleichsweise kleine Mengen an Wärme gespeichert werden können und die Wärme vor dem Entnehmen eingespeichert werden muss.
  • In der US 2012 / 0 125 029 A1 wird ein System zum Erzeugen von Strom sowie Wasser auf drei unterschiedlichen Temperaturstufen beschrieben. Das System kann einen Motor und eine Wärmepumpe aufweisen, die Wärme aus einem Puffertank entnimmt. Nachteilig an einem solchen System ist die hohe Komplexität.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Energieversorgungsanlage vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Energieversorgungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage ist, dass durch eine thermische Kopplung der Wärmesonde der Wärmepumpe mit dem Brennstofftank die Wärmesonde technisch einfacher gestaltet sein kann.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Wärmepumpe eine Vorrichtung verstanden, die Wärmeenergie von der Wärmesonde an einen beabstandeten Ort transferiert, so dass der Brennstofftank gekühlt und ein zu heizendes Objekt erwärmt wird.
  • Der Brennstofftank ist vorzugsweise zur Speicherung von Flüssiggas ausgebildet. Eine Speicherung anderer flüssiger Brennstoffe ist ebenfalls möglich. Insbesondere ist der Brennstofftank mit Brennstoff gefüllt.
  • In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Energieversorgungsanlage eine Verbrennungseinrichtung auf, die zum Antreiben der Wärmepumpe mit dieser gekoppelt und zum Verbrennen des Brennstoffs ausgebildet ist.
  • Unter einer Verbrennungseinrichtung ist vorliegend insbesondere jede Einrichtung zu verstehen, die durch Oxidation des Brennstoffs mechanische und/oder elektrische Energie erzeugt. Beispielsweise ist die Verbrennungsvorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie mittels eines Verbrennungsmotors, insbesondere Hubkolbenmotors, Wankelmotors, Stirlingmotors und/oder Gasmotors eingerichtet und/oder zur Erzeugung elektrischer Energie beispielsweise mittels einer Brennstoffzelle.
  • Unter einer Kopplung zum Antreiben der Wärmepumpe mit der Verbrennungseinrichtung wird jede mechanische Kopplung, zum Beispiel mittels einer Antriebswelle, oder jede elektrische Kopplung, zum Beispiel mittels elektrischer Leiter, verstanden.
  • Vorteilhafterweise kann die bei der Verbrennung entstehende Wärme als auch die mechanische und/oder elektrische Energie gleichzeitig genutzt werden. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad der Energieversorgungsanlage verbessert.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Verbrennungseinrichtung einen Generator zum Erzeugen von elektrischem Strom umfasst, und die Wärmepumpe durch den vom Generator erzeugten Strom angetrieben ist. Bevorzugt sind die Verbrennungseinrichtung und der Generator Teil eines Blockheizkraftwerkes (BHKW).
  • Vorteilhafterweise kann die bei einer wärmegeführten Verbrennungsanlage erzeugte mechanische Energie den Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom und/oder die Wärmepumpe antreiben. Bevorzugt kann der von dem Generator erzeugte elektrische Strom für elektrische Verbraucher eines Ein- oder Mehrfamilienhauses verwendet werden. Besonders bevorzugt wird die Wärmepumpe durch den vom Generator erzeugten Strom elektrisch angetrieben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante hat der Brennstofftank zumindest über den überwiegenden Anteil seiner Oberfläche direkten thermischen Kontakt mit dem ihn umgebenden Erdreich. Vorzugsweise ist der Brennstofftank in ein ihn umschließendes Sandbett installiert. Die Funktion einer Erdwärmesonde kann somit durch den Brennstofftank erreicht werden. Der Brennstofftank ist dabei vorzugsweise in einem Bereich mit hoher Erdwärmedichte in dem Erdreich positioniert und weist bevorzugt eine gute Wärmeleitfähigkeit in dem Kontaktbereich mit dem Erdreich auf, so dass eine gute Wärmeaufnahme aus dem Erdreich erfolgen kann. Eine zusätzliche Wärmesonde, dass heißt insbesondere eine Tiefenbohrung und/oder Flächenkollektoren für die Wärmepumpe sind damit nicht erforderlich, da die Wärmesonde mit dem Brennstofftank thermisch gekoppelt ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante ist die Wärmepumpe eine Verdichter-Wärmepumpe und der Brennstoff ist das Kältemittel der Wärmepumpe. Verdichter-Wärmepumpen stellen eine häufig verwendete Bauweise für Wärmepumpen dar und sind technisch ausgereift und wenig anfällig.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmepumpe eine Absorptions-Wärmepumpe oder eine Adsorptions-Wärmepumpe, die mittels des Brennstoffs betrieben wird.
  • Besonders bevorzugt handelt es sich um einen ölfreien Verdichter, so dass ein Eintrag von Kompressoren-Öl in den Brennstofftank verhindert werden kann.
  • Ist der Brennstoff gleichzeitig das Kältemittel der Wärmepumpe, so liegt eine stoffliche Trennung zwischen Brennstoff und Kältemittel nicht vor und die thermische Kopplung des Brennstofftanks mit der Wärmepumpe kann besonders einfach realisiert werden, da kein Wärmetauscher erforderlich ist.
  • Der Brennstofftank bildet einen Verdampfer der Wärmepumpe. In anderen Worten bedeutet dies, dass in Strömungsrichtung des Kältemittels hinter dem Brennstofftank der Verdichter liegt, dahinter der Verflüssiger und dahinter der Brennstofftank als Verdampfer. Dadurch kann eine zusätzliche Installation eines Verdampfers für die Wärmepumpe unterbleiben.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Verdichter von dem Brennstofftank umschlossen. Vorteilhaft ergibt sich daraus eine einfache Vor-Ort-Montage der Energieversorgungsanlage, da der Brennstofftank mit dem Verdichter vorinstalliert aufgestellt werden kann.
  • Bevorzugt ist der Brennstoff Flüssiggas, besonders bevorzugt mit mindestens 50 % Propananteil. Bevorzugt ist der Brennstoff Brenngas mit zumindest 95% Propananteil.
  • Vorzugsweise weist die Energieversorgungsanlage zumindest eine Heatpipe auf, die einerseits im thermischen Kontakt mit dem Erdreich oder einer anderen Wärmequelle und andererseits dem Brennstofftank steht, so dass beispielsweise Erdwärme oder Wärme von Flächenkollektoren in den Brennstofftank geleitet werden kann. Dadurch wird insbesondere bei hohem Energiebedarf der zu versorgenden Einrichtung eine zusätzliche Energiequelle bereitgestellt, so dass eine Verdampfung des Brennstoffs gewährleistet werden kann.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen
    • 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltungsvariante einer nicht erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage und
    • 2 ein Blockschaltbild einer Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage, bei der der Brennstoff das Kältemittel der Wärmepumpe ist.
  • In 1 ist eine Energieversorgungsanlage 10 mit einem Brennstofftank 20 und einer Wärmepumpe 30 gezeigt.
  • Im Inneren des Brennstofftanks 20 ist ein Brennstoff 40 gelagert. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Brennstofftank 20 um einen Flüssiggastank und bei dem Brennstoff 40 um ein Flüssiggas, vorzugsweise mit einem Mindestpropananteil von 50%.
  • Die Wärmepumpe 30 ist eine Verdichter-Wärmepumpe mit einer Wärmesonde 50, einem Verdichter 60, einem Verflüssiger 70 und einem Expansionsventil 80. Der Brennstofftank 20 und die Wärmepumpe 30 weisen eine thermische Kopplung auf, dadurch dass die Wärmesonde 50 der Wärmepumpe 30 in den Brennstofftank 20 geführt ist und dort mit dem Brennstoff 40 Wärme austauscht.
  • Des Weiteren umfasst die Energieversorgungsanlage 10 eine Verbrennungseinrichtung 90, die als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Die Verbrennungseinrichtung 90 verbrennt den Brennstoff 40 und erzeugt dabei Wärme und mechanische Energie.
  • Die Verbrennungseinrichtung 90 treibt über eine Welle einen Generator 100 an. Dieser erzeugt elektrischen Strom, der durch die mit der Energieversorgungsanlage 10 zu versorgende Einrichtung 110 mit elektrischer Energie versorgt.
  • Gleichzeitig erzeugt die Verbrennungsrichtung 90 thermische Energie, die zur Erwärmung von Brauchwasser 95, beispielsweise mittels eines Abgaswärmetauschers 96, und/oder einer Heizungsanlage verwendet wird. Der Brennstofftank 20 ist dabei vollständig mit Erdreich 150 bedeckt, dass heißt unter eine Erdoberfläche 120 in das Erdreich 150 abgesenkt.
  • 2 zeigt eine abgewandelte erfindungsgemäße Versorgungsanlage 10, bei der das Kältemittel der Wärmepumpe 30 durch den Brennstoff 40 gebildet ist. Der Verdichter 60 der Wärmepumpe 30 ist mit einem separaten Anschluss 160 an die Hochdruck-Gasphase des Brennstofftanks 40 angeschlossen. Der Brennstoff 40 strömt ungedrosselt und damit ohne nennenswerte Drosselverluste aus dem Brennstofftank 40 in den Verdichter 60.
  • Nachdem der Brennstoff 40, der insbesondere durch Propan gebildet ist, durch den Verdichter 60 verdichtet worden ist und damit eine höhere Temperatur besitzt, wird diese Wärme mittels eines Wärmetauschers, der im Verflüssiger 70 integriert ist, an eine Nutzwärmeleitung 130 abgegeben, die die Einrichtung 110, insbesondere das Wohnhaus, mit Wärme versorgt.
  • Das kondensierte Propan wird hinter dem Expansionsventil 80, das elektronisch geregelt sein kann, in den Brennstofftank 40 eingespritzt. Es tropft dort in den Brennstofftank 20 und wird durch Erdwärme, die vom Erdreich 150 in den Brennstofftank 20 übergeht, wieder verdampft.
  • Der Brennstofftank 40 hat vorzugsweise ein Fassungsvolumen von zumindest 1,5 Tonnen, insbesondere von zumindest 2 Tonnen Propan. In der Regel ist es ausreichend, wenn der Brennstofftank 20 ein Fassungsvermögen von weniger als 5 Tonnen Propan besitzt.
  • Gestrichelt eingezeichnet ist eine optional zurüstbare Heatpipe 140, die Erdwärme aus dem umgebenden Erdreich 150 aufnimmt und in den Brennstofftank 20 oder an eine Außenseite des Brennstofftanks 20 transportiert, wo die Heatpipe 140 in engem thermischen Kontakt mit dem Brennstofftank 20 steht. Es ist auf diese Weise möglich, die maximal über den Brennstofftank 40 entnehmbare thermische Leistung zu steigern, sofern sich das als notwendig herausstellen sollte.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Energieversorgungsanlage
    20
    Brennstofftank
    30
    Wärmepumpe
    40
    Brennstoff
    50
    Wärmesonde
    60
    Verdichter
    70
    Verflüssiger
    80
    Expansionsventil
    90
    Verbrennungseinrichtung
    95
    Brauchwasser
    96
    Abgaswärmetauscher
    100
    Generator
    110
    zu versorgende Einrichtung
    120
    Erdoberfläche
    130
    Nutzwärmeleitung
    140
    Heatpipe
    150
    Erdreich
    160
    Anschluss

Claims (8)

  1. Energieversorgungsanlage (10) mit (a) einem Brennstofftank (20), der ausgebildet ist zum Aufnehmen eines Brennstoffs (40), und (b) einer Wärmepumpe (30), die mindestens eine Wärmesonde (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass (c) die Wärmesonde (50) mit dem Brennstofftank (20) thermisch gekoppelt ist und (d) der Brennstofftank (20) einen Verdampfer der Wärmepumpe (30) bildet.
  2. Energieversorgungsanlage (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verbrennungseinrichtung (90), die - mit der Wärmepumpe (30) zum Antreiben gekoppelt und - zum Verbrennen des Brennstoffs (40) ausgebildet ist.
  3. Energieversorgungsanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungseinrichtung (90) einen Generator (100) zum Erzeugen von elektrischem Strom umfasst, und die Wärmepumpe (30) durch den vom Generator (100) erzeugten Strom angetrieben ist.
  4. Energieversorgungsanlage (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstofftank (20) zumindest über den überwiegenden Anteil seiner Oberfläche direkten thermischen Kontakt mit dem umgebenden Erdreich (150) hat.
  5. Energieversorgungsanlage (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (30) eine Verdichter-Wärmepumpe ist und der Brennstoff (40) das Kältemittel der Wärmepumpe (30) ist.
  6. Energieversorgungsanlage (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstofftank (20) den Verdichter (60) umschließt.
  7. Energieversorgungsanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (40) Flüssiggas ist.
  8. Energieversorgungsanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Heatpipe, die in thermischem Kontakt mit dem Erdreich (150) und dem Brennstofftank (20) steht, so dass Erdwärme in den Brennstofftank (20) transportierbar ist.
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