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Die Erfindung betrifft eine gebäudetechnische Hybridanlage, insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie in der Gebäudetechnik.
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Zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Gebäude sind aus dem Stand der Technik bereits umfangreiche Lösungsansätze bekannt.
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Ein derartiger Lösungsansatz besteht in der Anwendung von Blockheizkraftwerken (BHKW), insbesondere in Form von Kleinst-BHKW, auch bezeichnet als Nano-BHKW. Bei derartigen BHKW wird durch die Verbrennung von Energieträgern in Form fossiler Brennstoffe oder in Form von Flüssiggasen Energie erzeugt, indem die Energieträger beispielsweise diskontinuierlich in einem Verbrennungsmotor verbrannt werden oder deren, bei der Verbrennung entstehende, expandierende Gase einer Turbine oder einem Stirling-Motor zugeführt werden. Hierbei nutzen die BHKW insbesondere das bei der Verbrennung des jeweiligen Energieträgers entstehende Heissgas aus, was jedoch besonders hohe Betriebstemperaturen erfordert. Die Nachteile derart betriebener BHKW liegen, neben der Verwendung fossiler Brennstoffe mit deren bekannten Nachhaltigkeitsproblemen, auch darin, dass diese einen sehr sauberen Verbrennungsprozess bedingen. Eventuell in dem Heissgas vorhandene Verunreinigungen führen in der Regel zu einer sofortigen Einschränkung des Betriebes des BHKW und bei längerem Einwirken zu dessen Ausfall.
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Um den bekannten Nachhaltigkeitsproblemen fossiler Brennstoffe zu begegnen ist es aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt, Biomasse zwar als Energieträger zu verwenden; da sich bei einer Verbrennung von Biomasse jedoch die anfallenden Heissgase oder Abgase nicht reinhalten lassen, können hierbei Antriebsmethoden mit innerer Verbrennung zur Erzeugung elektrischer Energie nicht verwendet werden. Ein weiterer Nachteil bei der Verbrennung von Biomasse besteht darin, dass über kurze Zeiträume hohe thermische Energien anfallen, welche von dem entsprechenden Gebäude häufig nur zu einem geringen Teil direkt aufgenommen werden können. Um einen wirtschaftlichen Betrieb einer Biomasseverbrennung zu erreichen, müssen daher Pufferspeicher vorgesehen werden, in welchen die überschüssige, thermische Energie zwischengespeichert werden kann.
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Die Umsetzung von Biomasse zur Energieerzeugung erfolgt in der Regel innerhalb eines, durch äußere Verbrennung bewirkten, wasserbasierten Dampfkraft- oder einen ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) ab. Ein Nachteil der Umsetzung von Energieträgern innerhalb eines wasserbasierten Dampfkraft- oder ORC-Prozesses besteht vorliegend darin, dass ein wirtschaftlicher Betrieb derartiger Systeme nur durch einen hohen Energieumsatz und den Aufbau hoher Dampfdrücke gewährleistet werden kann, was dazu führt, dass bei der Konzeption der Systeme hohe sicherheitstechnische Auflagen, insbesondere hinsichtlich der Druckbehälterverordnung beachtet werden müssen.
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Darüber hinaus besteht bei bekannten BHKW ein wesentlicher Nachteil darin, dass diese nur bei einer gewährleisteten, hohen Wärmeabnahme einen ausreichenden Gesamtwirkungsgrad erreichen. Eine solche Wärmeabnahme wird jedoch in der Regel nur bei entsprechend geringen Außentemperaturen, insbesondere im Winter, bereitgestellt, sodass die bekannten BHKW vor allem im Sommer nicht wirtschaftlich betrieben werden können, da in diesem Fall die BHKW ausschließlich zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden und die entstehende Abwärme ungenutzt entlassen werden muss.
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Zudem sind bekannte BHKW in der Regel primär stromgeführt ausgelegt, was nachteilig dazu führt, dass zum einen meist mehr elektrische Energie erzeugt wird als zur Nutzung des Gebäudes benötigt und dass zum anderen gerade im Winter die thermische Leistung nicht ausreicht, um den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken. Um dieser Tatsache zu begegnen werden beispielsweise zusätzliche Spitzenlastkessel in ein solches BHKW integriert, was jedoch meist mit hohen Aufwendungen verbunden ist und die Wirtschaftlichkeit des BHKW zusätzlich verringert.
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Die bisherige Ausrichtung bekannter BHKW auf eine Verarbeitung einer einzigen Wärmequelle unter sehr hoher Temperatur ermöglicht einerseits zwar den Betrieb kleiner, leistungsfähiger Motoren, andererseits müssen diese jedoch mechanisch und thermisch hoch belastbar ausgebildet werden, was dementsprechende Bereitstellungskosten mit sich bringt. Zudem unterliegen die Motoren einem erhöhten Verschleiß, durch welchen deren Lebensdauer und somit die Lebensdauer des gesamten BHKW herab gesetzt wird und dementsprechend hohe Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen anfallen.
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Eine Einbindung etwa vorhandener Solarthermiesysteme in den Energieerzeugungsvorgang bekannter BHKW ist ferner ebenfalls nicht möglich, da die durch die Solarthermie bereitstellbaren Temperaturen zur Durchführung des motorischen Prozesses innerhalb der BHKW nicht ausreichen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bildet es somit, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und insbesondere eine gebäudetechnische Anlagenanordnung bereitzustellen, welche unter Nutzung eines nachhaltigen Energieträgers eine wirtschaftliche Erzeugung elektrischer Energie sowie eine Einbindung alternativer Thermiesysteme ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine gebäudetechnische Hybridanlage mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße gebäudetechnische Hybridanlage weist eine gebäudetechnische Wärmequelle, einen gebäudetechnischen Wärmeabnehmer und eine Niedertemperaturwärmekraftanlage auf, nachfolgend auch als Haupteinheiten bezeichnet. Die gebäudetechnische Wärmequelle, nachfolgend auch kurz als Wärmequelle bezeichnet, verwendet ein Heizwasser als Wärmeträgermedium; der gebäudetechnische Wärmeabnehmer, kurz als Wärmeabnehmer bezeichnet, verwendet ein Kühlwasser als Wärmeträger. Die Temperatur des Heizwasser ist höher als die Temperatur des Kühlwassers. Bei einer Wärmequelle handelt es sich vorzugsweise um eine Heizungsanlage, beispielsweise um eine Gasheizung oder um einen Pufferspeicher mit hohem thermischen Ladungszustand; als Wärmequelle kann aber beispielsweise auch eine Wärmekollektor oder eine betriebliche Prozesswärme abgebende Anlage handeln. Wärmequelle kann somit jede gebäudetechnische Einrichtung sein, die einen Heizwasserstrom bereitstellen kann. Bei dem Wärmeabnehmer handelt es sich vorzugsweise um einen gebäudetechnischen Wärmeverbraucher, vorzugsweise um ein Heizungssystem wie Heizkörper oder Fußbodenheizung. Ein Wärmeabnehmer kann aber beispielsweise auch ein Pufferspeicher in einem geringen thermischen Ladungszustand sind. Wärmeabnehmer kann somit jede gebäudetechnische Einrichtung sein, die Wärme abführen und damit einen Kühlwasserstrom bereitstellen kann. Wärmequelle und Wärmeabnehmer sind fluidisch mit der Niedertemperaturwärmekraftanlage verbunden.
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Die Niedertemperaturwärmekraftanlage weist eine Verdampfereinheit, eine Kolben-/Zylindereinheit, eine Kondensatoreinheit sowie eine Förderpumpeneinheit auf. Die Verdampfereinheit, die Kolben-/Zylindereinheit, die Kondensatoreinheit und die Förderpumpeneinheit werden zusammengefasst nachfolgend auch als druckführende Einheiten bezeichnet.
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Die Verdampfereinheit ist erfindungsgemäß dazu in der Lage, Wasser als Energieträger für die Niedertemperaturwärmekraftanlage zu verdampfen und einen dementsprechenden Frischdampft bereitzustellen. Hierzu weist die Verdampfereinheit vorliegend einen Verdampfungswärmetauscher auf, welchem mittels des Heizwassers auf der gebäudetechnischen Wärmequelle Wärme zuführbar ist und mit welchem mittels Wärmeübergang von dem Heizwasser in das Wasser dessen Verdampfen bereitgestellt und der Frischdampf erzeugt wird. Das Heizwasser wird hierbei vorzugsweise aus einem Heizwasservorlauf einer Gebäudeheizung bereitgestellt.
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Der Verdampfungswärmetauscher ist vorzugsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet, wodurch eine hohe Effekivität eines Wärmeübergangs innerhalb des Verdampfungswärmetauschers sowie zu dem zu verdampfenden Wasser ermöglicht wird. Die hohe Effektivität begründet sich hierbei insbesondere auf den hohen Wärmeübergang zwischen dem in dem Plattenwärmetauscher strömenden Heizwasser und dem zu erhitzenden Wasser, der durch eine große wirksame innere und äußere Oberfläche des Plattenwärmetauschers und die Strömungsverhältnisse im Inneren des Plattenwärmetauschers erreicht wird.
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Zudem kann die Verdampfereinheit einen Dampfabscheider zur Abtrennung von anfallendem Kondensat oder Flüssigkeitspartikeln aus dem Frischdampf aufweisen. Ein solcher optionaler Dampfabscheider ist somit Teil einer druckführenden Einheit.
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Die Verdampfereinheit ist mit der Kolben-/Zylindereinheit verbunden, wobei der Frischdampf durch die Verdampfereinheit an die Kolben-/Zylindereinheit abgebbar bereitgestellt wird. Die Zuführung des Frischdampfes zu der Kolben-/Zylindereinheit erfolgt vorzugsweise durch einen herausgebildeten Dampfstrom und aufgrund der in dem Frischdampf gespeicherten Verdampfungswärme.
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Die Kolben-/Zylindereinheit ist erfindungsgemäß als einfach wirkende Kolben-/Zylindereinheit ausgebildet und weist vorliegend einen Zylinderkopf, einen Zylinder, einen Kolben sowie eine Kurbelwelle auf, wobei der Kolben axial beweglich in dem Zylinder angeordnet und mit der Kurbelwelle verbunden ist.
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Mittels des Zylinderkopfes ist hierbei der durch die Verdampfereinheit bereitgestellte Frischdampf in den Zylinder einleitbar.
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Kolben und Zylinder bestehen vorzugsweise aus Aluminium, wobei der Kolben zur Erhöhung der Oberflächenhärte zusätzlich eine Eloxierung im Mantelbereich und der Zylinder eine Beschichtung aus Nickel aufweisen kann. Insbesondere zur Reduzierung bewegter Massenanteile kann der Kolben auch aus Graphit oder Kunststoff bestehen.
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Die axiale Bewegung des Kolbens wird erfindungsgemäß durch eine Expansion des Frischdampfes in dem Zylinder bewirkt. Hierbei nutzt die Niedertemperaturdampfmaschine die Eigenschaft des Frischdampfes, dass dieser bei entsprechend geringen Umgebungsdrücken eine sehr hohe Volumenänderungsarbeit bewirken und auf diese Weise ein, für die Bewegung des Kolbens erforderliches, Expansionsvolumen bereitstellen kann.
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Die in dem Frischdampf eingespeicherte Energie sorgt vorliegend für eine stabile Bereitstellung der axialen Bewegung des Kolbens und somit des Arbeitsbereichs der Niedertemperaturwärmekraftanlage.
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Die einfach wirkende Ausbildung der Kolben-/Zylindereinheit begünstigt es, dass deren Arbeitsraum heiß gehalten werden kann und somit in diesem nur ein sehr geringer Teil des Frischdampfes während der Expansion kondensiert. Durch den auf diese Weise stark reduzierten Wasseranteil des Frischdampfes sinkt zum einen der strömungstechnische und mechanische Widerstand in dem Arbeitsraum. Zum anderen erfolgt in diesem Bereich nur eine geringe Wärmeabgabe des Frischdampfes an die Kolben- und die Zylinderwand, wodurch dem Frischdampf nur wenig Energie entzogen wird und durch diesen entsprechend viel Arbeit verrichtet werden kann. Umgekehrt kann sogar gemäß einer später noch näher beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung durch eine Zylinderkopfheizung dem Frischdampf während der Expansion Wärme zugeführt werden. Nach der Expansion liegt der Frischdampf vorliegend als Abdampf vor, welcher über einen Abdampfauslass, beispielsweise in Form eines Auslassschlitzes innerhalb des Zylinders, welcher von dem Kolben in seinem oberen Totpunkt überfahren wird, aus der Kolben-/Zylindereinheit ausgelassen wird.
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Die durch die Expansion des Frischdampfes bewirkte, axiale Bewegung des Kolbens wird erfindungsgemäß von diesem auf die Kurbelwelle übertragen und dabei in eine Rotationsbewegung umgesetzt. Die Kurbelwelle ist vorliegend mit einer Arbeitsmaschine verbindbar, mit welcher aus der Rotationsbewegung die gewünschte elektrische Energie bereitstellbar ist. Die Arbeitsmaschine wird hierbei insbesondere durch einen Generator gebildet, durch welchen die elektrische Energieversorgung des entsprechenden Gebäudes ermöglicht oder unterstützt wird.
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Zudem ist die Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse aufgenommen, welches derart ausgebildet ist, dass ein großer Teil des Abdampfes, welcher nicht über den Dampfauslassschlitz aus dem Zylinder abgeführt werden kann, bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens in das Kurbelgehäuse strömt. Hierzu ist dem Kolben vorzugsweise ein Kolbenventil zugeordnet, über welches der Teil des Abdampfes in das Kurbelgehäuse ablassbar ist. Um in dem Kurbelgehäuse eine möglichst rasche Kondensation des Teils des Abdampfes zu erreichen, weist dieses vorzugsweise eine Kühlung auf, welche beispielsweise von einem Kaltwasservorlauf gespeist wird, bei welchem es sich um einen Heizungsrücklauf der Gebäudeheizung handelt. Das so aus dem Teil des Abdampfes gebildete Kondensat kann anschließend über einen zugeordneten Kondensatbehälter der Verdampfereinheit wieder zugeführt werden.
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Die Kolben-/Zylindereinheit ist zudem erfindungsgemäß mit der Kondensatoreinheit derart verbunden, dass der Großteil des Abdampfes, nachfolgend nur als Abdampf bezeichnet, mittels Verdrängung durch den Kolben aus dem Zylinder in die Kondensatoreinheit abführbar ist.
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Die Kondensatoreinheit weist vorliegend einen Kondensationswärmetauscher auf, aus welchem mittels Kühlwasser Wärme abführbar ist. Das Kühlwasser wird hierbei durch einen Kühlwasservorlauf bereitgestellt, bei dem es sich um den Rücklauf des Wärmeabnehmers, vorzugsweise um einen Heizungsrücklauf eines Heizungssystems handelt. Die Bezeichnung als Vorlauf oder Rücklauf erfolgt jeweils aus der Sicht der betrachteten Haupteinheit. Der Kühlwasservorlauf für die Niedertemperaturwärmekraftanlage ist somit zugleich der Rücklauf des Wärmeabnehmers und der Kühlwasserrücklauf ist zugleich der Vorlauf des Wärmeabnehmers. Im bestimmungsgemäßen Betriebszustand weist der Kühlwasservorlauf eine niedrigere Temperatur als der Kühlwasserrücklauf auf. Der Kondensationswärmetauscher ist vorzugsweise ebenfalls als Plattenwärmetauscher ausgebildet und ermöglicht durch das Kühlwasser eine Kondensierung des Abdampfes zu Wasser, welches anschließend ebenfalls der Verdampfereinheit wieder zugeführt werden kann. Gleichzeitig wird die in dem Abdampf eingespeicherte Energie während der Kondensation als Kondensationswärme freigesetzt und kann in thermischer Form über den Kühlwasserrücklauf dem Wärmeabnehmer, vorzugsweise einem Heizungssystem wie Heizkörper oder Fußbodenheizung, nahezu verlustlos zugeführt werden.
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Die Förderung des kondensierten Wassers von der Kondensatoreinheit zurück zur Verdampfereinheit sowie die Förderung des Teils des Abdampfes aus dem Kurbelgehäuse werden erfindungsgemäß durch die Förderpumpeneinheit bereitgestellt. Die Förderpumpeneinheit weist hierzu als wesentliche Komponente vorzugsweise eine Speisepumpe auf, welche an die Kurbelwelle der Kolben-/Zylindereinheit angekoppelt ist. Die Speisepumpe kann hierbei beispielsweise als Ein- oder Mehrkolbenpumpe ausgebildet sein, welche zur Vermeidung einer unerwünschten Dampfbildung in deren Ansaugbereich gekühlt wird.
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Die Niedertemperaturwärmekraftanlage zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass diese eine Vakuumpumpeneinheit aufweist, mittels welcher die Verdampfereinheit, die Kolben-/Zylindereinheit, die Kondensatoreinheit und die Förderpumpeneinheit evakuierbar und somit mit einem Unterdruck beaufschlagbar sind. Unter einem Unterdruck wird in diesem Zusammenhang ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks gemäß nachfolgender näherer Definition verstanden.
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Als Unterdruck wird im Frischdampf ein Druck (absolut) von 0,12 bar bis 0,95 bar und im Abdampf ein Druck (absolut) von 0,01 bar bis 0,47 bar verstanden. (Der Unterdruck in der Förderpumpeneinheit und des Kondensats entspricht unter Vernachlässig von Druckverlusten durch Strömung auf der Saugseite dem Druck im Abdampf und auf der Pumpseite dem Druck im Frischdampf.) Hierbei liegt im Frischdampf eine Temperatur von 50 Grad Celsius bis 98 Grad Celsius und im Abdampf eine Temperatur von 10 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius vor. Dabei werden die Drücke innerhalb der genannten Bereiche so eingestellt, dass ein Durckgefälle zwischen der Frischdampfseite und der Abdampfseite vorliegt, damit der Dampf durch Expansion mechanische Arbeit verrichten kann. Die erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmekraftanlage wird innerhalb der angegebenen Bereiche bei solchen Wertepaaren betrieben, wie sie durch das physikalische Verhältnis von Druck und Verdampfungstemperatur bedingt sind.
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Bevorzugt liegen beispielsweise folgende Arbeitsbereiche vor: Beispiel 1:
| Frischdampf: | Druck (absolut): 0,55 bar, Temperatur: 85 Grad Celsius, |
| | (bei Heizwassertemperatur: 90 Grad Celsius) |
| Abdampf: | Druck (absolut): 0,1 bar, Temperatur 45 Grad Celsius |
| | (bei Kühlwassertemperatur 40 Grad Celsius) |
Beispiel 2:
| Frischdampf: | Druck (absolut): 0,65 bar, Temperatur: 90 Grad Celsius, |
| | (bei Heizwassertemperatur: 95 Grad Celsius) |
| Abdampf: | Druck (absolut): 0,15 bar, Temperatur 50 Grad Celsius |
| | (bei Kühlwassertemperatur 45 Grad Celsius) |
Beispiel 3:
| Frischdampf: | Druck (absolut): 0,30 bar, Temperatur: 74 Grad Celsius, |
| | (bei Heizwassertemperatur: 78 Grad Celsius) |
| Abdampf: | Druck (absolut): 0,08 bar, Temperatur 40 Grad Celsius |
| | (bei Kühlwassertemperatur 35 Grad Celsius) |
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Als möglicher erfindungsgemäßer Arbeitsbereich wird aber auch folgendes Beispiel angesehen: Beispiel 4:
| Frischdampf: | Druck (absolut): 0,30 bar, Temperatur: 74 Grad Celsius, |
| | (bei Heizwassertemperatur: 78 Grad Celsius) |
| Abdampf: | Druck (absolut): 0,15 bar, Temperatur 50 Grad Celsius |
| | (bei Kühlwassertemperatur 45 Grad Celsius) |
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Die sich einstellenden Frisch- und Abdampfdrücke (mit den jeweils entsprechenden Temperaturen) sind entscheidend von den zur Verfügung stehenden Heiz- und Kühlwassertemperaturen abhängig. Es können sich beispielsweise relativ heiße Frischdämpfe mit höheren Drücken und parallel dazu trotzdem auch Abdämpfe mit sehr niedrigen Druck und Temperatur bilden.
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Grundsätzlich steuern deshalb immer die gerade zur Verfügung stehenden Kühl- und Heizwassertemperaturen die Druckverhältnisse (Frisch- und Abdampf) in der Niedertemperaturwärmekraftanlage. Letztlich ändert sich dadurch nur der Wirkungsgrad zur Abzweigung der mechanischen Energie.
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Es können sich innerhalb einer Betriebsphase der Niedertemperaturwärmekraftanlage sogar mehrfach diese Betriebsgrößen ändern, weil die Heiz- und Kühltemperaturen schwanken. Ausgleichende Regulierungen sind (wenn überhaupt gewollt) über Kühl- und Heizmediummassestrommengen möglich, aber für die Aufrechterhaltung des Betriebs der erfindungsgemäßen Niedertemperaturwärmekraftanlage auch nicht erforderlich, solange ein noch ausreichendes Temperaturgefälle besteht. In diesem Betriebsverhalten, welches sich auch als passives Regelungsverhalten bezeichnen lässt, liegt zugleich ein besonderer Vorteil der Niedertemperaturwärmekraftanlage. Im Falle einer vorzugsweisen Ausbildung mit angekoppeltem Generator als Arbeitsmaschine kann der Anteil der elektrischen Energie erhöht werden indem die Temperaturdifferenz zwischen Heizwasser und Kühlwasser erhöht wird, soweit es die gebäudetechnischen Betriebsbedingungen zulassen. Falls umgekehrt ausnahmesweise ein geringerer Anteil elektrischer Energie gewünscht sein sollte kann in einfacher Weise zum einen der Heizwassermassenstrom oder der Kühlwassermassenstrom reduziert werden, so dass die Verdampfungsleistung oder die Kondensationsleistung sinkt. Zum anderen kann über einen optionalen Mischer ein Teilmassenstrom des Heizwassers der Wärmequelle in den Kreislauf des Wärmeabnehmers und umgekehrt ein Teilmassenstrom des Kühlwassers aus dem Wärmeabnehmer in den Kreislauf der Wärmequelle eingemischt werden. Vorzugsweise wird der Teilmassenstrom des Heizwassers für dieses Regelungsziel in den Kühlwasservorlauf eingemischt. Dadurch sinkt die Temperaturdifferenz zwischen Heizwasser und Kühlwasser und die mechanische Leistungsabgabe der Niedertemperaturwärmekraftanlage wird reduziert.
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Durch den Unterdruck innerhalb der druckführenden Einheiten der Niedertemperatunwärmekraftanlage wird vorliegend die obenstehend bereits angeführte, hohe Volumenänderungsarbeit des Frischdampfes zur Bereitstellung der Kolbenbewegung bewirkt, wobei bei niedrigen Drücken bis tief in den Unterdruckbereich hinein bereits geringe Wasserdampf- oder im vorliegenden Fall Frischdampfmengen sehr hohe Volumenänderungsarbeiten leisten können.
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Die Vakuumpumpeneinheit hat die Funktionen zum ersten, vorhandene Luft, welche für den Prozess unerwünscht ist, zu entfernen, zum zweiten einen Unterdruck zu erzeugen und zum dritten den Unterdruck während des Betriebes aufrecht zu erhalten, da eine absolute Dichtigkeit praktisch kaum erreichbar ist. Die Vakuumpumpeneinheit ist vorzugsweise im Bereich der Kondensatoreinheit angeschlossen, da prinzipbedingt der geringste Druck („größte Unterdruck”) innerhalb der Kondensatoreinheit bereitgestellt werden muss. Diese Anordnung der Vakuumpumpeneinheit beruht auf der Erkenntnis, dass durch einen besonders niedrigen Druck und dementsprechend niedrige Temperaturen auf der Kondensationsseite ein hoher Wirkungsgrad der Niedertemperaturwärmekraftanlage bei geringen Frischdampfdrücken bereitgestellt werden kann. Außerdem sammelt sich in der Kondensatoreinheit etwa verbliebene oder eingedrungene Luft, so dass sie dort von der Vakuumpumpe abgesaugt werden kann.
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Die Bezeichnung der gebäudetechnischen Hybridanlage ergibt aus den gleichzeitig bereitgestellten Funktionen der Wärmedurchleitung von einer Wärmequelle zu einem Wärmeabnehmer und der gleichzeitigen Auskopplung eines Teils der Wärmeenergie und deren Umwandlung in mechanische und letztlich vorzugsweise elektrische Energie.
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Durch die erfindungsgemäße gebäudetechnische Hybridanlage werden zusammengefasst insbesondere folgende Vorteile bereitgestellt:
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass gebäudetechnische Wärmequellen mit sehr geringer Temperatur für einen Betrieb ausreichend sind. Eine solche Wärmequelle kann insbesondere auch ein Heizkessel, ein Pufferspeicher oder eine Solarkollektoranlage sein. Es kann sich dabei um einen Heizwasserstrom mit beispielsweise 85 Grad Celsius und weniger handeln. Als Vorteil ist damit auch eine wirtschaftliche Energieerzeugung aus Biomasseverbrennung einschließlich Holzverbrennung möglich. Insbesondere Betreibern eines Heizkessels mit Holzbefeuerung auf Basis der Holzvergasungstechnologie wird mit der erfindungsgemäßen gebäudetechnischen Hybridanlage eine Möglichkeit geboten, die ökologische Nachhaltigkeit weiter zu erhöhen und zudem zu geringen Kosten zusätzlich Elektroenergie bereitzustellen. Möglich ist auch die Nutzung von Prozessabwärme in einem betrieblichen Umfeld als gebäudetechnische Wärmequelle. Der Vorteil besteht also darin, dass aus einer solchen thermischen Energiequelle von geringer Temperatur ein Teil der Energie als mechanische Energie, welche vorzugsweise über einen damit angetriebenen Generator als elektrische Energie nutzbar gemacht werden kann, ausgekoppelt werden kann. Insbesondere besteht ein Vorteil darin, dass Heißwasser in flüssigem Aggregatzustand bei Atmosphärendruck als Heizquelle verwendbar ist.
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Besonders vorteilhaft ist dabei die zugleich vergleichsweise geringe erforderliche Temperatursenke von beispielsweise 45 Kelvin, so dass an der Kondensationsseite ein Temperaturniveau anliegt, beispielsweise 40 Grad Celsius, welches als Vorlauftemperatur für eine Raumheizung verwendbar bleibt. In diesem Fall kann die Niedertemperaturwärmekraftanlage mit einer Heizungsanlage als gebäudetechnische Wärmequelle verbunden werden und einen Teil der Wärmeenergie, insbesondere bei Überschüssen, verstromen.
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Durch die geringen Temperaturen und Drücke können auch bei den bewegten Bauteilen der Niedertemperaturwärmekraftanlage Materialien wie Kunststoffe eingesetzt werden, die durch geringe Masse und geringe Wärmeleitfähigkeiten zusätzliche Wirkungsgradvorteile gegenüber herkömmlichen Wärmekraftmaschinen ermöglichen.
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Bei einer konstruktiven Auslegung der Niedertemperaturwärmekraftanlage müssen keine drucksicherheitsrelevanten Vorgaben berücksichtigt werden, da bei einer eventuellen Beschädigung der Niedertemperaturwärmekraftanlage keine relativ gegenüber dem Atmosphärendruck gespannten Medien vorliegen. Ferner kann im Beschädigungsfall prinzipbedingt kein Dampf austreten. Darüber hinaus durch die Einwirkung des Atmosphärendrucks ein sofortiger Stopp der Dampfbildung innerhalb des System bewirkt. Es besteht somit weder eine Explosions- noch eine Verbrühungsgefahr. Ein sicherheitsrelevanter Vorteil besteht auch darin, dass im Beschädigungsfall der druckführenden Einheiten auch die mechanischen Prozesse selbststätig zum Erliegen kommen. Somit kann eine erfindungsgemäße gebäudetechnische Hybridanlage kostengünstig bereitgestellt und zudem besonders sicher betrieben werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der gebäudetechnischen Hybridanlage weist die Kolben-/Zylindereinheit der Niedertemperaturwärmekraftanlage eine Zylinderheizung auf.
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Die Zylinderheizung ist hierbei so ausgebildet, dass diese den Zylinder mindestens im Kopfbereich, vorzugsweise aber bis zu dem Abdampfauslass umschließt und durch den Heizwasserstrom geheizt wird, welcher auch für die Verdampfung des Wassers genutzt wird. Dabei wird der Heizwasserstrom bevorzugt in der Weise hydraulisch in Reihe geschaltet, dass dass Heizwasser zuerst die Zylinderheizung und nachfolgend die Verdampereinheit durchströmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die höchste verfügbare Temperatur in der Zylinderheizung anliegt.
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Diese vorteilhafte Weiterbildung steht vor dem Hintergrund, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Druck- und Temperaturbedingungen eine Überhitzung des erzeugten Frischdampfes, welche ein vorteilhaftes Expansionsverhalten ohne vorzeitige Kondensation und mit einem Anteil reiner Gasexpansion gewährleisten könnte, praktisch nicht möglich ist.
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Mittels der Zylinderheizung wird vorliegend eine Erhitzung des Zylinders und insbesondere der Zylinder- und vorzugsweise auch Kolbenwandungen in dem Arbeitsraum bewirkt und dadurch in diesem Bereich eine Wärmeabgabe an den Frischdampf ermöglicht. Insbesondere wird auch während der Expansion Wärme von dem Zylinder an den Frischdampf nachgeführt. Durch diese Wärmeabgabe wird als technologischer Vorteil die Expansion des Frischdampfes zwar nicht vollständig, aber stärker einem isothermischen Prozess angenähert gehalten, sodass, wie obenstehend bereits beschrieben, bei sich absenkendem Kolben ein größerer Teil der Arbeitsfähigkeit des Frischdampfes erhalten bleibt. Auf diese Weise kann die Niedertemperaturwärmekraftanlage der erfindungsgemäßen gebäudetechnischen Hybridanlage in einem Prozess betrieben werden, der nicht lediglich die Charakteristik eines ausschließlichen Dampfmotors, sondern teilweise auch eines Stirlingmotors aufweist. Zudem werden der Frischdampf durch den Wärmeeintrag trocken gehalten, indem einer Kondensation entgegengewirkt wird, und die Widerstände innerhalb der Kolben-/Zylindereinheit durch Verhindern einer verfrühten Wasserbildung reduziert, was im Ergebnis zu einer Steigerung des Wirkungsgrades der Niedertemperaturwärmekraftanlage führt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Kolben-Zylindereinheit einen Kolben aus Kunststoff auf. Diese Weiterbildung ist möglich, weil die Niedertemperaturwärmekraftanlage den Kolben nur vergleichsweise geringen thermischen Belastungen aussetzt, wie sie sich aus den angegebenen Temperaturbereichen ergibt, so dass zum ersten ein Materialversagen durch thermische Belastung auch bei einem Kunststoffkolben vermieden werden kann und zum zweiten die thermische Ausdehnung eines Kunststoffkolbens konstruktiv beherrschbar bleibt. Ferner wird durch die geringen Druckgefälle zwischen der Frischdampfseite und der Abdampfseite der Kolben mechanisch relativ gering beansprucht, so dass auch ein mechanisches Materialversagen eines Kunststoffkolbens vermieden werden kann. Der besondere Vorteil besteht in der geringen Masse, so dass weniger Massen im Betrieb bewegt werden müssen, und in der möglichen kostengünstigen Herstellung. Bevorzugt handelt es sich um einen Kolben aus faserbewehrtem Kunststoff.
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In einer alternativen Weiterbildung weist die Kolben-Zylindereinheit einen Kolben aus Graphit auf. Wie bei einem Kunststoffkolben besteht ein Vorteil in der geringen Masse, so dass weniger Massen im Betrieb beschleunigt und verzögert werden müssen. Zudem besteht ein besonderer Vorteil in den selbstschmierenden Eigenschaften von Graphit.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist die Förderpumpeneinheit eine Kühlung auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Niedertemperaturwärmekraftanlage auch bei besonders geringen Temperaturgefällen betrieben werden und mechanische Arbeit verrichten kann. Bei den ohnehin anliegenden sehr geringen Absolutdrücken kann es bei ungünstigen Temperatur-Druck-Arbeitsbereichen auf der Saugseite durch den konstruktionsbebedingten Druckabfall zu Dampfbildungen kommen. Der ordnungsgemäße Betrieb der Förderpumpeneinheit würde dann durch ein Ansaugen eines gasförmigen Mediums gestört werden. Durch die Kühlung wird dieser Dampfbildung entgegengewirkt. Damit kann der Arbeitsbereich der gebäudetechnischen Hybridanlage zusätzlich ausgeweitet und der Wirkungsgrad erhöht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Niedertemperaturwärmekraftanlage der gebäudetechnischen Hybridanlage zusätzlich eine Arbeitsmaschine auf, mit welcher mechanische in elektrische Energie umwandelbar ist, nachfolgend auch als Generator bezeichnet. Ferner sind die Kurbelwelle und rotierende Teile des Generators in einem gemeinsamen Druckraum angeordnet. Diese Weiterbildung ermöglicht es, den Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit wirksam zu steigern.
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Da es sich bei dem Generator nicht um eine druckführende Einheit handelt, besteht das Problem, dass der Austritt der Kurbelwelle aus dem durchführenden Kurbelgehäuse hin zu der unter Atmosphärendruck befindlichen Antriebswelle des Generators als bewegtes Bauteil abgedichtet werden muss. Prinzipiell ist dieses Problem durch geeignete Wellendichtringe lösbar, es verbleiben aber stets die Nachteile von zusätzlichen Kosten, mechanischen Reibungsverlusten und von Restundichtigkeiten. Dieses Problem wird durch die Weiterbildung vorteilhaft gelöst. Der gemeinsame Druckraum kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass alle Baugruppen von einem druckdichten Gehäuse aufgenommen werden, in welchem der gleiche Unterdruck eingestellt wird, wie der im Kurbelgehäuse anliegt. Das Gehäuse muss nicht notwendigerweise alle Baugruppen umfassen, entscheidend ist, dass der Bereich des Kurbelwellenaustritts erfasst ist. Es ist aber gemäß der Weiterbildung auch möglich, den Generator oder auch nur dessen rotierende Teile in das Kurbelgehäuse zu integrieren. In diesem Fall liegt der gemeinsame Druckraum in dem Kurbelgehäuse vor. Durch den gemeinsamen Druckraum kann auf eine druckdichte Abdichtung der Kurbelwelle hin zu der Antriebswelle verzichtet werden. Die mit einer solchen Abdichtung verbundenen Nachteile werden überwunden. Gemäß dieser Weiterbildung müssen keine bewegten Teile mehr unter Druckdifferenz abgedichtet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die gebäudetechnische Hybridanlage zusätzlich eine Stelleinrichtung auf, mittels derer der Massenstrom des Heizwassers oder der Massenstrom des Kühlwassers einstellbar ist. Die Stelleinreichtung kann also insbesondere nur den Massenstrom des Heizwassers, nur den Massenstrom des Kühlwasser oder beide Massenströme einstellen. Diese Weiterbildung nutzt das beschriebene passive Regelverhalten, indem über eine Einstellung des jeweiligen Massenstroms von Heizwasser und Kühlwasser die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampferseite und der Kondensatorseite der Niedertemperaturkraftmaschine und somit die elektrische Leistungsabgabe beeinflusst wird. Ferner kann eine solche Stelleinrichtung weitere Funktionen übernehmen und insbesondere auch eine Bypasseinrichtung aufweisen, mit der der Heizwasserstrom teilweise oder ganz an der Niedertemperaturwärmekraftanlage vorbei zum dem Wärmeabnehmer geleitet sowie ein Rücklauf zurückgeleitet wird. Auf diese Weise kann zum ersten die elektrische Leistungsabgabe durch Beeinflussung der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampferseite und der Kondensatorseite gesteuert werden. Zum zweiten kann auch ein Teilwärmestrom direkt in den Wärmeabnehmer eingeleitet werden, wenn bei bestimmten Betriebsbedingungen der Wärmebedarf eines Wärmeabnehmers, beispielsweise einer Raumheizung bei sehr geringen Temperaturen, nicht mehr ausreichend über den Kühlwasserrücklauf gedeckt werden kann. Ferner können über die Stelleinrichtung mehrere gebäudetechnische Anlagen angeschlossen welche dann je nach deren Betriebszustand als Wärmequelle über das Heizwasser oder als Wärmeabnehmer über das Kühlwasser mit der Niedertemperaturwärmekraftanlage zusammenwirken. Möglich ist es selbstverständlich auch, dass mehrere gebäudetechnische Anlagen in Parallel- oder in Reihenschaltung zusammen die Wärmequelle oder den Wärmeabnehmer bilden. Ferner können gebäudetechnische Anlagen je nach deren Betriebszustand alternativ die Wärmequelle oder den Wärmeabnehmer bilden. So kann insbesondere ein Pufferspeicher mit hoher Temperatur eine Wärmequelle bilden und der gleiche Pufferspeicher bei niedriger Temperatur einen Wärmeabnehmer bilden. Die Stelleinrichtung kann optional Betriebszustandsdaten der gebäudetechnischen Anlagen und oder der Niedertemperaturwärmekraftanlage erfassen und auswerten sowie eine Auswertungs- und Steuerungseinheit aufweisen, auf deren Grundlage die Einstellung des Massenstroms des Heizwassers und/oder des Massenstroms des Kühlwassers erfolgt.
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In einer weiteren Weiterbildung ist die gebäudetechnische Wärmequelle als Wärmekollektoranlage ausgebildet. Ferner ist auch bei dieser Weiterbildung bevorzugt eine Stelleinrichtung vorhanden, so dass je nach Betriebszustand, also insbesondere je nach Temperatur in der Wärmekollektoranlage wahlweise die Wärmekollektoranlage oder eine andere gebäudetechnische Anlage als Wärmequelle eingestellt werden kann. Durch diese Weiterbildung ist eine Stromerzeugung ohne Verbrennungsprozesse, weder aus fossilen Brennstoffen, noch aus Biomasse möglich. Besonders bevorzugt weist die gebäudetechnische Hybridanlage in dieser Weiterbildung zudem einen Abwärmetauscher als gebäudetechnischen Wärmeabnehmer auf. Der Abwärmetauscher kann beispielsweise kostengünstig als Wasser-Luft-Wärmetauscher mit Gebläse oder auch als Erwärmetauscher ausgebildet sein. Auf diese Weise kann vorteilhaft insbesondere im Sommer, wenn hohe solarthermische Erträge in der Wärmekollektoranlage vorliegen, aber andererseits kaum Heizungswärmebedarf besteht, die Wärmekollektoranlage sinnvoll zur Stromerzeugung ausgelastet werden. Die erforderliche Temperatursenke wird dann durch den Abwärmetauscher bereitgestellt. Im Falle eines Erdwärmetauschers kann zudem bei einer etwa vorhandenen Wärmepumpe mit einem Wärmepumpenerdwärmetauscher eine thermische Regenerierung des betreffenden Erdreichs bewirkt werden, wodurch der Wirkungsgrad eines Wärmepumpenbetriebs zu einem späteren Zeitpunkt erhöht wird.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die gebäudetechnische Hydridanlage einen Pufferspeicher auf. Durch die Stelleinrichtung ist dieser so mit der Niedertemperaturwärmekraftanlage verbindbar, dass er entweder mit der Verdampfereinheit oder mit der Kondensatoreinheit verbunden ist. Bei niedrigerer Temperatur des Pufferspeichers als der Heizwassertemperatur ist der Pufferspeicher mit der Kondensatoreinheit und die gebäudetechnische Wärmequelle mit der Verdampereinheit verbunden. Umgekehrt ist bei höherer Temperatur des Pufferspeichers als der Kühlwassertemperatur der Pufferspeicher mit der Verdampfereinheit und der gebäudetechnische Wärmeabnehmer mit der Kondensatoreinheit verbunden. Als besonderer Vorteil kann somit mit der gebäudetechnischen Hybridanlage sowohl bei einem Aufladevorgang des Pufferspeichers, als auch bei einem Entladevorgang des Pufferspeichers ein Teil der Energie als Elektroeinergie ausgekoppelt werden.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
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1a schematische Prinzipdarstellung
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1b schematische Prinzipdarstellung mit Pufferspeicher
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2. schematische Prinzipdarstellung der Niedertemperaturwärmekraftanlage
näher erläutert.
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Die 1a zeigt ein Ausführungsbeispiel der gebäudetechnischen Hybridanlage zunächst in einer Prinzipdarstellung der Haupteinheiten. Die hydraulische Verschaltung ist lediglich als Prinzip ohne Differenzierung in Vor- und Rückläufe dargestellt. Im Ausführungsbeispiel weist die gebäudetechnische Hybridanlage zudem eine Stelleinrichtung 27 auf, mit der die Massenströme des Heizwassers der gebäudetechnischen Wärmequelle 21 sowie die Massenströme des Kühlwassers des gebäudetechnischen Wärmeabnehmers 24 einstellbar sind. Im Ausführungsbeispiel ist die gebäudetechnische Wärmequelle 21 als Heizkessel 23 und Wärmekollektoranlage 22 ausgebildet, welche das Heizwasser erzeugen und über die Stelleinrichtung 27 an die Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 in die Verdampfereinheit 1 einleiten. Der Heizkessel 23 ist im Ausführungsbeispiel als Holzvergaserheizkessel ausgebildet. Die Funktion der Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 wird nachfolgend noch anhand von 2 näher dargestellt. Der gebäudetechnische Wärmeabnehmer 24 ist als Gebäudeheizung 25, auch bezeichnet als Raumheizung und als Abwärmetauscher 26 ausgebildet, welche ebenfalls über die Stelleinrichtung 27 mit der Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 mit der Kondensatoreinheit 4 verbunden sind und das Kühlwasser bereitstellen.
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In einem ersten Betriebszustand des Ausführungsbeispiels nach 1a wird über die Stelleinrichtung 27 ein Heizwasserstrom aus dem Heizkessel 23 der Holzvergaseranlage an die Verdampfereinheit 1 geleitet. Die Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 wandelt einen Teil der Wärmeenergie gemäß nachfolgender Beschreibung zu 1a in elektrische Energie um und überträgt die verbleibende Wärmeenergie über die Kondensatoreinheit 4 auf einem niedrigeren Temperaturniveau an das Kühlwasser, welches über die Stelleinrichtung 27 in die Gebäudeheizung 25 geleitet wird. Die Gebäudeheizung 25 heizt das Gebäude und entzieht somit dem Kühlwasser Wärme, welches dann abgekühlt über die Stelleinrichtung 27 an die Kondensatoreinheit 4 zurückgeleitet wird.
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In einem zweiten Betriebszustand des Ausführungsbeispiels nach 1a, der bei solaren Wärmeerträgen möglich ist, wird über die Stelleinrichtung ein Heizwasserstrom aus der Wärmekollektoranlage 22 an die Verdampfereinheit 1 geleitet. Im Übrigen entspricht der zweite Betriebszustand dem ersten Betriebszustand.
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In einem dritten Betriebszustand des Ausführungsbeispiels nach 1a, der bei hohen solaren Wärmeerträgen aber fehlendem Raumheizungsbedarf möglich ist, wird über die Stelleinrichtung 27 ein Heizwasserstrom aus der Wärmekollektoranlage 22 an die Verdampfereinheit 1 geleitet. In diesem Betriebszustand wird das Kühlwasser jedoch über die Stelleinrichtung in einen Abwärmetauscher 26 geleitet. Der Abwärmetauscher 26 entzieht dem Kühlwasser Wärme, welches dann abgekühlt über die Stelleinrichtung 27 an die Kondensatoreinheit 4 zurückgeleitet wird. Der dritte Betriebszustand ermöglicht also eine sinnvolle Ausnutzung der gebäudetechnischen Hybridanlage auch außerhalb der Heizperiode.
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Ein vierter Betriebszustand des Ausführungsbeispiels nach 1a entspricht in den Grundzügen zunächst dem ersten Betriebszustand. Allerdings wird über die Stelleinrichtung 27 ein Teil des Heizwasserstroms im Sinne eines Bypasses direkt in den Kühlwasserkreislauf, vorzugsweise in den Kühlwasserrüeklauf, welcher zugleich der Raumheizungsvorlauf ist, eingeleitet. Damit wird das Temperaturniveau der Gebäudeheizung 25 erhöht, was bei besonders geringen Außentemperaturen vorteilhaft sein kann. Zugleich wird ein Teil des Kühlwassers wieder in den Heizwasserkreislauf zurückgeleitet.
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1b zeigt eine Ausführungsform mit einem Pufferspeicher 28, während im Übrigen der gleiche Aufbau wie in 1a besteht. Der Pufferspeicher ist in der 1b in der Anordnung weder der gebäudetechnischen Wärmequelle 21 noch dem gebäudetechnischen Wärmeabnehmer 24 zugeordnet, da er je nach Betriebszustand sowohl eine Wärmequelle als auch ein Wärmeabnehmer sein kann.
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In einem ersten Betriebszustand des Ausführungsbeispiels nach 1b weist der Pufferspeicher eine geringe thermische Ladung bzw. Temperatur, beispielsweise 25 Grad Celsius auf. In diesem Fall wird beispielsweise durch den Heizkessel 23 ein Heizwasser mit einer hohen Temperatur bereitsgestellt und der Verdampfereinheit 1 der Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 zugeführt. Die Stelleinrichtung 27 hat den Pufferspeicher 28 mit der Kondensatoreinheit 4 der Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 verbunden, wodurch der Pufferspeicher Kühlwasser bereitstellt und zugleich allmählich aufgeladen wird.
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In einem zweiten Betriebszustand des Ausführungsbeispiels nach 1b weist der Pufferspeicher eine hohe thermische Ladung bzw. Temperatur, beispielsweise 85 Grad Celsius auf. In diesem Fall wird der Pufferspeicher über die Stelleinrichtung 27 mit der Verdampfereinheit 1 der Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 verbunden, so dass dieser Heizwasser aus dem Pufferspeicher zugeführt wird. Zugleich wird aus der Gebäudeheizung 25 Kühlwasser an die Kondensatoreinheit 4 der Niedertemperatunwärmekraftanlage 20 geführt. Zugleich wird durch den erwärmten Kühlwasserrücklauf der Heizbetrieb der Gebäudeheizung 25 durchgeführt.
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Die 2 dient der nähreren Darstellung der Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die 2 zeigt die Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 in einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen Prinzipdarstellung, wobei die Niedertemperaturwärmekraftanlage in diesem Ausführungsbeispiel an eine Biomasseverbrennungsanlage und Wärmekollektoranlage 22 (siehe 1a) angeschlossen ist und zur Versorgung eines entsprechenden Gebäudes mit elektrischer Energie dient. Konkret handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel bei der Biomasseverbrennungsanlage um einen Heizkessel auf Basis der Holzvergasungstechnologie.
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Die Niedertemperaturwärmekraftanlage 20 weist vorliegend eine Verdampfereinheit 1, eine Kolben-/Zylindereinheit 2, eine Arbeitsmaschine 3, eine Kondensatoreinheit 4 sowie eine Förderpumpeneinheit 5 und eine Vakuumpumpeneinheit 6 auf, wobei mittels der Vakuumpumpeneinheit 6 alle weiteren, genannten Komponenten der Niedertemperaturwärmekraftanlage vakuumisiert und somit mit einem Unterdruck beaufschlagbar sind.
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Die Verdampfereinheit 1 und die Kondensatoreinheit 4 weisen in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einen Plattenwärmetauscher (nicht dargestellt) auf, wobei der Plattenwärmetauscher der Verdampfereinheit 1 als Verdampfer und der Plattenwärmetauscher der Kondensatoreinheit 4 als Kondensator arbeiten.
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Mittels der Verdampfereinheit 1 ist vorliegend Wasser als Energieträger der Niedertemperaturwärmekraftanlage verdampfbar, wobei die Verdampfereinheit 1 von einem Heizwasservorlauf 15 der angeschlossenen Gebäudeheizung mit Heizwasser versorgt wird und wobei durch das Heizwasser und einen entsprechenden Wärmeübergang innerhalb des Verdampfers das Wasser verdampft und ein Frischdampf erzeugt wird.
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Der Frischdampf wird über ein Frischdampfsystem 12 mit Dampfabscheider 8 von der Verdampfereinheit 1 der Kolben-/Zylindereinheit 2 zugeführt, wobei die Zuführung mittels eines sich ausbildenden Dampfstromes bereitgestellt wird.
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Die Kolben-/Zylindereinheit 2 weist, wie in 2 dargestellt, einen Zylinderkopf 2.1, einen Zylinder 2.2, einen Kolben 2.3 sowie eine Kurbelwelle 2.4 auf, welche in einem Kurbelgehäuse 2.5 aufgenommen ist. Über den Zylinderkopf 2.1 strömt der Frischdampf, insbesondere mittels einem oder mehreren Einlassventilen (nicht dargestellt) in den Zylinder 2.2, in welchem anschließend eine Expansion des Frischdampfes erfolgt. Der Kolben 2.3, welcher in dem Zylinder 2.2 axial beweglich aufgenommen ist, wird aufgrund der Expansion des Frischdampfes in dem Zylinder 2.2 in eine axiale Abwärtsbewegung versetzt. Gleichzeitig ist der Kolben 2.3 an seinem, dem Zylinderkopf 2.1 gegenüberliegenden Ende mit der Kurbelwelle 2.4 derart verbunden, dass die axiale Bewegung des Kolbens 2.3 auf die Kurbelwelle 2.4 übertragen und so in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird. Die Rotationsbewegung wird durch die Kurbelwelle 2.4 auf eine mit dieser verbundene Arbeitsmaschine 3, welche vorliegend als Generator ausgebildet ist, übertragen und in dieser in die gewünschte elektrische Energie zur Versorgung des Gebäudes umgewandelt wird.
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Aufgrund der durch die Vakuumpumpeneinheit 6 bereitgestellten Unterdruckbeaufschlagung wird vorliegend eine besonders effiziente Energiegewinnung auf Basis von Wasser als umweltfreundlichem und kostengünstigen Wärmeträger ermöglicht, da der Frischdampf bei Drücken unterhalb des Atmosphärendruckes dazu in der Lage ist, eine hohe Volumenänderungsarbeit während der Expansion zu verrichten, welche über den Kolben 2.2 und die Kurbelwelle 2.4 für die Arbeitsmaschine 3 nutzbar gemacht werden kann.
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Nach der Expansion liegt der Frischdampf als Abdampf vor, welcher bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 2.3 über einen Dampfauslass (nicht dargestellt) aus dem Zylinder 2.2 in ein Abdampfsystem 13 abgeführt wird.
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Es wurde gefunden, dass eine besonders gute und anhaltende Arbeitsfähigkeit des Frischdampfes während seiner Expansion in dem Zylinder 2.1 dann erhalten werden kann, wenn die Expansion in einer Charakteristik gehalten wird, die zu einem Teil isotherme Eigenschaften aufweist. Um eine solche isotherme Expansion zu begünstigen, weist die Kolben-/Zylindereinheit 2 gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung eine Zylinderheizung 2.6 auf, welche den Zylinder 2.2 im Expansionsbereich des Frischdampfes zumindest abschnittsweise umschließt und welche ebenfalls durch den Heizwasservorlauf 15 mit Heizwasser gespeist wird. Zudem ist das Kurbelgehäuse 2.5 mit einem Kaltwasservorlauf 17, entstammend aus den Heizungsrücklauf der Gebäudeheizung, verbunden und weist eine Kurbelgehäusekühlung 2.7 auf. Mittels der Kurbelgehäusekühlung 2.7 wird vorliegend bewirkt, dass ein Teil des Abdampfes, welcher nicht über den Dampfauslass in das Abdampfsystem 13 abgeführt wird und in das Kurbelgehäuse 2.5 gelangt, in diesem unmittelbar kondensieren kann und dass das so gewonnene Kondensat in einen unteren Kondensatbehälter 9 abgeführt und mittels einer Rückförderpumpe 11 im Zusammenwirken mit dem Ventil 7 wieder der Verdampfereinheit 1 zugeführt werden kann.
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Über das Abdampfsystem 13 ist die Kolben-/Zylindereinheit 2 mit der Kondensatoreinheit 4 verbunden, sodass der Abdampf der Kondensatoreinheit 4 zugeführt werden kann. Die Kondensatoreinheit 4, beziehungsweise deren Plattenwärmetauscher, wird über den Kaltwasservorlauf 17 der Gebäudeheizung mit Kaltwasser versorgt, sodass mittels der Kondensatoreinheit 4 eine Kondensation des Abdampfes bewirkt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kurbelgehäusekühlung 2.7 und die Kondensatoreinheit 4 hydraulisch in Reihe geschaltet, wobei der Kaltwasservorlauf 17 zuerst in die Kurbelgehäusekühlung 2.7 und erst nachfolgend die die Kondensatoreinheit geleitet wird. In der Kondensatoreinheit 4 wird zum einen die in dem Abdampf eingespeicherte Energie freigesetzt und kann in thermischer Form über den Kaltwasserrücklauf der Gebäudeheizung nahezu verlustlos zugeführt werden. Zum anderen wird ein durch die Kondensation bereitgestelltes Kondensat einem mit der Kondensatoreinheit 4 verbundenen Hauptkondensatbehälter 10 zugeführt und anschließend aus diesem über das Kondensatsystem 14 wieder der Verdampfereinheit 1 zugeführt.
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Die Rückförderung des Kondensats wird hierbei durch die Förderpumpeneinheit 5 bereitgestellt. Die Förderpumpeneinheit 5 ist vorliegend als Ein- oder Mehrkolbenpumpe ausgebildet. Die Förderpumpeneinheit 5 weist eine Kühlung 2.8 auf, welche im Ausführungsbeispiel wärmetauschend mit der Kurbelgehäusekühlung 2.7 verbunden ist.
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Die Vakuumpumpeneinheit 6 zur Generierung des Unterdruckes innerhalb der Niedertemperaturwärmekraftanlage ist vorliegend an einem oberen Abgang des Hauptkondensatbehälters 10 angeordnet und vorzugsweise als Drehschieber- oder Membranvakuumpumpe ausgebildet. Über den oberen Teil des Gasraumes des Hauptkondensatbehälters 10 und die mit dem Hauptkondensatbehälter 10 verbundene Kondensatoreinheit 4 ist die Vakuumpumpeneinheit 6 dazu in der Lage, sich dort ansammelnde, Luft und Dämpfe aus dem Innern aller Komponenten der Niedertemperaturwärmekraftanlage abzuführen, wobei durch die obenliegende Anordnung der Vakuumpumpeneinheit 7 eine Gefahr eines direkten Ansaugens von Kondensat wirksam vermieden wird. Durch die Anordnung der Vakuumpumpeneinheit 6 kann zudem besonders vorteilhaft die Unterdruckbeaufschlagung auf der Abdampfseite und damit im Bereich des geringsten Druckes erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfereinheit
- 2
- Kolben-/Zylindereinheit
- 2.1
- Zylinderkopf
- 2.2
- Zylinder
- 2.3
- Kolben
- 2.4
- Kurbelwelle
- 2.5
- Kurbelgehäuse
- 2.6
- Zylinderheizung
- 2.7
- Kurbelgehäusekühlung
- 2.8
- Kühlung der Förderpumpeneinheit
- 3
- Arbeitsmaschine
- 4
- Kondensatoreinheit
- 5
- Förderpumpeneinheit
- 6
- Vakuumpumpeneinheit
- 7
- Ventil
- 8
- Dampfabscheider
- 9
- unterer Kondensatbehälter
- 10
- Hauptkondensatbehälter
- 11
- Rückförderpumpe
- 12
- Frischdampfsystem
- 13
- Abdampfsystem
- 14
- Kondensatsystem
- 15
- Heizwasservorlauf
- 16
- Heizwasserrücklauf
- 17
- Kaltwasservorlauf
- 18
- Kaltwasserrücklauf
- 19
- Entlüftungssystem
- 20
- Niedertemperaturwärmekraftmaschine
- 21
- gebäudetechnische Wärmequelle
- 22
- Wärmekollektoranlage
- 23
- Heizkessel
- 24
- gebäudetechnischer Wärmeabnehmer
- 25
- Gebäudeheizung
- 26
- Abwärmetauscher
- 27
- Stelleinrichtung
- 28
- Pufferspeicher
