Anwendungsgebiet der Erfindung:
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Die Nutzung der regenerativen Energien, darunter die thermische Nutzung der Sonnenenergie
("Solarthermie") ist eine Zukunftsaufgabe von globaler Dimension.
Die Erfindung
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- - betrifft die untereinander gekoppelte oder sequentielle Bereitstellung
- - von Wärme für Heizung oder Warmwasserbereitung
- - von Kälte für Klimatisierungs- oder einfache Kühlzwecke (z. B. Obst-/Gemüsekühlung)
- - von elektrischer (oder Antriebs-)energie
auf der Basis solarthermisch genutzter Sonnenenergie;
- - ist vorzugsweise anzuwenden, wenn beim Anwender
- - ein definiert zuordenbarer Bedarf an den vorgenannten Energieformen vorliegt
- - Solarstrahlungsverhältnisse mit mindestens durchschnittlichen mitteleuropäischen
Niveau vorliegen und
- - geeignete Möglichkeiten zur Installation von Solaranlagen bestehen;
- - ermöglicht infolge der Kopplung der verschiedenen Wandlungsmechanismen der
Solarthermie in die jeweils bereitzustellende Energie im Sinne eines integrierten Energiesystems
eine Erhöhung des Anlagenauslastungsgrades und damit eine Verringerung des spezifischen
Investitionsaufwandes.
Charakteristik bekannter technischer Lösungen
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Die thermische Nutzung der Solarenergie für die jeweils einzelne Bereitstellung der drei
Zielenergien Wärme, Kälte und Elektro- bzw. Antriebsenergie ist prinzipiell bekannt,
entsprechende technische Systeme gehören zum Stand der Technik, z. B.
- - auf dem Markt erhältliche solarthermische Heizungs- oder Warmwasserbereitungsysteme
- - Wärmepumpen-Heizungssysteme mit solarthermisch erzeugter Kaltwärme, auch unter
Nutzung von jahreszeitlich unterschiedlicher Solarthermietemperatur und
Wärmespeichern wie in der Zeitschrift NEWS-Informationen für den Tiefbau, Heft 1/200 l
beschrieben;
- - Kälteerzeugung durch (z. B. solarthermisch erzeugte) Wärme mittels marktgängiger
Absorptions- oder Adsorptionskälternaschinen
- - solarthermische Kraftwerke wie z. B. in der Zeitschrift BWK53 (2001), 6, S. 55 ff
beschrieben.
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Der Grad der Anwendung dieser Systme ist aber - in Anbetracht der Kostenfreiheit der
Solarstrahlung (!) - unbefriedigend. Die Ursache hierfür sind folgende, ebenfalls bekannte
Besonderheiten der Solarstrahlung:
- 1. Solarstrahlung ist zeitlich unkontinuierlich verfügbar, wobei das Schwanken der
Strahlungsintensität infolge Wettereinfluß häufig nicht vorab bekannt ist;
- 2. schwankende Strahlungsintensität bedeutet schwankendes Wärmeangebot bei konstant
gehaltener Solarwärmetemperatur (oder schwankende Solarwärmetemperatur bei
konstanter Wärmeabnahme), was für vorgegebene Nutzungszwecke hinderlich ist;
- 3. Solarstrahlung tritt zwar überall flächenhaft verteilt auf, aber insgesamt mit einer im
Verhältnis zu konventionellen Energieträgern sehr gern Energiedichte;
- 4. Die Kosten für die Bereitstellung solarthermisch erzeugter Zielenergie werden- da die
Solarstrahlung kostenfrei zur Verfügung steht - nur durch die Investkosten der Anlage
bestimmt, die aber mit Rücksicht auf Merkmal 3. vergleichsweise sehr hoch ausfallen.
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Zur Behebung der in den Merkmalen 1. bis 3. angesprochenen Mängel ist (neben Maßnahmen
der Netzbildung und Speicherung) das Mittel der Integration durch Verknüpfung der
Solaranlage mit konventioneller Energietechnik inform. sog. multivalenter Anlagen bekannt,
z. B. die sog. "solarunterstützte Warmwasserbereitung" alternativ durch Solarthermie u./o.
konventionellen Heizkesselbetrieb. Mit derartiger Multivalenttechnik wird der unter Merkmal
4 genannte Mangel zu hoher Investkosten nicht behoben, sondern im Gegenteil verstärkt.
Bekannt ist weiterhin, daß Kostendämpfungseffekte u. a. durch apparatetechnisch
verwirklichte Zweckekopplung (= "Funktionsintegration") erreicht werden können, bekannte
Beispiele sind
- - die Kraft-Wärme-Kältekopplung durch Blockheizkraftwerke (BHIKW) in Kopplung mit
Ab- oder Adsorptionskälteanlagen zur sommerliche Kältebereitstellung;
- - der sog. Wärmepumpentransformator, wie von Alefeld in der Zeitschrift BWK 33 (1981)
12, S. 486 ff. beschrieben
- - solarautarke Versorgungssysteme für Inselbetrieb wie in OS DE 199 62 644 A1 beschrieben
- - invers betreibbare Baugruppensysteme wie z. B. Elektroantriebssysteme für generatorisches
Bremsen oder mit Elektromotor angetriebene Wasserpumpensysteme, die als Turbine-
Generator-System umschaltbar sind, wie in Ebel, O. G.: Maschinelle und elektrische
Anlagen in Wasserwerken, München: Oldenbourg beschrieben.
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Diese Anwendungen gehen entweder nicht vorsätzlich von thermischer Nutzung der
Solarenergie aus oder optimieren den Solarenergieeinsatz nicht entsprechend dem natürlich
bedingten unterschiedlichen exergetischen Niveau (= Temp.) der Solarthermie-Wärme,
wodurch Potenzen zur Investkostensenkung ungenutzt bleiben.
Darstellung der Erfindung
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Der in den Patentansprüchen formulierten Erfindung liegt das Problem zugrunde, die
spezifischen Investkosten solarthermischer Anlagen und damit deren Einsatzchancen dadurch
zu verbessern, daß der Anlagenauslastungsgrad, also die Benutzungsdauer der
Anlagenhauptbaugrupgen erhöht wird bei gleichzeitig sinkendem Energieverbrauch solcher
Anlagenkomponenten mit Bedarf an konventionellen Energien.
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Zur Erreichung dieses Ziels folgt als Aufgabe die Gestaltung eines integrierten
Energiesystems auf der Basis der solarthermischen Nutzung der Solarstrahlung für die
gekoppelte oder sequentielle Bereitstellung von Wärme, Kälte und Elektro- bzw.
Antriebenergie mit den Mitteln der o. g. Funktionsintegration, indem
möglichst alle genannten Zielenergien mit einem, verschiedenen Wirkungsprozesse
erlaubenden, apparativ möglichst einfachen Apparatesystem realisiert werden, das die
mit unterschiedlicher Temperatur anfallende Solarwärme optimal verwenden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe wie folgt gelöst:
- 1. Es wird eine zentrale Baugruppe (ZB) so aus wenigen Hauptbaugruppen (HB)
zusammengesetzt, so daß jede dieser HB an mehreren der folgenden physikalischen Wirkungsabläufe
beteiligt wird:
- - Wirkungsablauf wie in einem einfachen Wärmeübertrager (entspricht der üblichen
Nutzung der Solarthermiewärme)
- - Wirkungsablauf entsprechend rechtsläufigen Kreisprozessen wie in
- - bekannten (einkomponentigen) Wärmekraftanlagen/Wärmekraftmaschinen
- - mehrkomponentigen Sorptionskraftanlagen, vergl. OS DE 196 50 183 A1 bzw.
US-Pat. 4 342 201
- - Wirkungsablauf entsprechend bekannten linksläufigen Kreisprozessen wie in
- - Kompressionskälteanlagen/-Wärmepumpen
- - Sorptionskälteanlagen/-Wärmepumpen
- - Wirkungsablauf wie in (Sorptions-)Wärmetransformatoren, vergl. auch
OS DE 31 40 013 A1
- - Wirkungsablauf wie in sog. Kompressions-Absorptionskälteanlagen/-wärmepumpen
wie z. B. beschrieben bei Ziegler: Fo-berichte des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen
Vereins 34 (1998) 2. Aufl.
- 2. Die zentrale Baugruppe konstituierende Hauptfunktionsgruppen (HF) sind mindestens
- - als HF 1 ein in üblicher Weise funktionierendes Absorberkreislaufsystem mit
Absorber/Desorber
- - als HF 2 eine Baueinheit aus 2 Wärmeübertragern und dazwischenliegender
Teilbaugruppe aus parallelgeschalteter Pumpe und Expansionsventil (= HF 2a)
oder stattdessen
ein zweites Absorberkreislaufsystem (HF 2b)
- - als HF 3 eine Kraft- und Arbeitsmaschine zur Kraftumsetzung
- 3. Die zentrale Baugruppe ZB wird durch Rohrleitungssysteme, clie Umwälzpumpen und
Ventile i. allg. in sog. Beimischschaltung angeordnet haben, an die externen
Wärmeübertragersysteme angeschlossen, nämlich
- - an das Solarsystem zur Einspeisung der Solarwärme,
- - an das Wärmenutzungssystem zur Abnahme der Wärme für Heiz- u./o.
Warmwasserbereitungszwecke,
- - an das Kältenutzungssystem zur Erfüllung von Kühlfunktionen und
- - an ein Wärmeübertragersystem zur Wärmeübertragung an die Umgebung zwecks
Aufnahme von Umgebungsenergie bei Wärmepumpenbetrieb oder zur Abgabe von
Fortwärme
in solcher Weise angeschlossen, daß jedes dieser vorgenannten Systeme an die zur Erfüllung
der unter 1. genannten Wirkungsabläufe gerade nötige Hauptbaugruppe HB wahlweise
angekoppelt werden kann.
- 4. Für die jeweilige konkrete Zuordnung, d. h. jeweilige Einstellung der Ventile, wird eine
elektronische Steuerung vorgesehen, der eine (die je nach Nutzeranforderungen bzw. je
nach Solarangebot (Temperatur!) verschiedenen Wirkungsabläufe ermöglichende)
Belegungstabelle der Ventilstellungen zugrunde zu legen ist.
- 5. Für die Erfüllung der o. g. Wirkungsabläufe wie in Kraftmaschinen bzw.
Kompressionskältemaschinen wird eine Kraft- und Arbeitsmaschine mit inverser Funktionsmöglichkeit,
wie am Ende des Abschnitts "Charakteristik bekannter Lösungen" beschrieben, vorgesehen,
um die Investkosten klein halten zu können. Hierfür werden Schraubenmaschinen oder
Flügelzellenmaschinen in der Art gemäß Patent DE 43 04 423 als günstig angesehen.
- 6. Zur besseren praktischen Realisierung und zur Verbesserung der energetischen Effektivität
ist vor der Kraft- und Arbeitsmaschine bei Kraftmaschinenbetrieb (= Arbeitsweise als
Expander) ein Wärmeübertrager zur Nutzung intern erzeugter oder extern zugeführter
Wärme zwecks Überhitzung des Arbeitsmittels vorgesehen.
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Der Einbau von Wärmespeichern, z. B. ins Solarsystem, in bekannter Weise ist zu empfehlen.
Eine mehrstuflge Ausführung als Multi-effect-Anlage, vergl. US-Pat. 4 475 361, ist möglich.
Ausführungsbeispiel
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Fig. 1 Integriertes Solarenergiesystem - Prinzipschaltbild der zentralen Baugruppe ZB
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Fig. 2 Gesamtschaltplan des integrierten Solarenergiesystems (ISES)
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Die praktische Verwirklichung des erfindungsgemäßen Systems fordert die Klärung zweier
Fragen:
- - welche der Zielenergien ist primär gefordert?
- - welches Arbeitsmittel bzw. Arbeitsmittelpaar wird verwendet?
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Nach der Beantwortung dieser Fragen richtet sich die Gestaltung des Systems im Detail.
Für das Ausführungsbeispiel wird gewählt:
- - Das System soll der Gebäudeklimatisierung dienen, einige Räume sind sind bei
Raumtemperaturen um 0 . . . 5°C zu halten. Primär sind also die
Zielenergien Wärme für Heizung und WW-Bereitung sowie Kälte relativ gering
unter Umgebungstemperatur. Eine Nutzung der Solarwärme für eine Stromerzeugung
(im Sommer!) ist als Kostensenkungsmaßnahme zusätzlich erwünscht.
- - Als Arbeitsmittelpaar wird Ammoniak/Wasser gewählt mit Ammoniak als Kältemittel
und Wasser als Lösungsmittel für die Sorptionsaufgaben. Entsprechend den Eigenschaften
dieses Arbeitsmittelpaars hat das folgende Konsequenzen für die Hauptfunktionsgruppe
HF 2:
- - bei HF 2a ist ein Dephlegmator zur Ammoniakrektifikation zusätzlich erforderlich.
- - bei HF 2b ist das zweite Absorbersystem durch den zweiten Lösungskreislauf selbst
komplizierter, dafür ist dann aber ein Dephlegmator nicht erforderlich.
(im VDI-Bericht 1457 (1999), S. 387 ff wird diese Lösung vorgeschlagen).
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Im Ausführungsbeispiel wird die Ausführung mit HF 2a und zugehörig mit
Dephlegmator gewählt.
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Außerdem wird - weil nicht erfindungstypisch - zur Vereinfachung der Darstellung auf
einen Einbau von praktisch aber sinnvollen Wärmespeichern verzichtet!
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Entsprechend diesen Festlegungen zeigt Fig. 1 den Prinzipaufbau der zentralen Baugruppe
ZB mit
- - dem Lösungsmittelkreislauf LK als Hauptfunktionsgruppe HF 1.
- - der kombinierten Wärmeübertragereinheit WÜE als Hauptfunktionsgruppe HF 2a
- - der Kraft- und Arbeitmaschine KAM als Hauptfunktionsgruppe KAM
sowie als Zusatzfunktionsgruppe
- - dem Überhitzer Ü.
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Notwendige Anschlüsse zu den externen Wärmeübertragersysterrien (vergl. Pos. 3 im
Abschnitt "Darstellung der Erfindung") bzw. sinnvolle innere Verbindungen (als rekuperative
Zirkulationssysteme RZ) sind in Fig. 1 gekennzeichnet.
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Für die apparatetechnische Ausgestaltung werden in aus der Sorptionstechnik bekannter
Weise bei Hochdruck- und Niederdruck arbeitende Funktionselemente zu Baugruppen
zusammengefaßt, vergl. Fig. 2:
Es werden baugleich (aber nicht gleich groß!) ein Niederdruck (ND-)- und ein Hochdruckteil
(HD) vorgesehen,
- - die im oberen Teil einen als Verdampfer oder Kondensator nutzbaren Wärmeübertrager (1)
bei ND bzw (4) bei HD enthalten,
- - die im unteren Teil einen als Absorber oder Desorber nutzbaren Wärmeübertrager (3) bei
ND bzw. (6) bei HD enthalten,
- - die im Mittelstück einen Dephlegmator (2) bei ND bzw. (5) bei HD enthalten, der aber nur
bei Desorberbetrieb von (3) bzw. (5) aktiviert wird.
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Zwischen ND- und HD-Teil werden der Überhitzer Ü (7) und die: Kraft- und Arbeitsmaschine
KAM (8) angeordnet.
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Zwischen (3) und (6) wird in üblicher Weise ein sog. "Temperaturwechsler" (9) vorgesehen.
Externe Baugruppen sind die Wärmeübertragersysteme
- - Solarkollektoranlage (10), gekennzeichnet durch Symbol "S"
- - Übertragersystem zur Umgebung zur Aufnahme von Umgebungswärme oder
zur Abgabe von Abwärme an die Umgebung (11); Symbol "U"
- - Kältenutzungssystem (12); Symbol "K"
- - Wärmenutzungssystem (13); Symbol "W",
alle zur Realisierung der Beimischschaltungsregelung ausgeführt mit Pumpe (Symbol P)
und Mischventil (Symbol MV).
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Diese externen Baugruppen müssen je nach Art wahlweise an mehrere der Wärmeübertrager
(1) bis (6) angeschlossen werden können, dazu dient das in Fig. I dargestellte
Rohrleitungssystem mit entsprechenden Ventilen in Vorlauf (Symbol V) und Rücklauf
(Symbol R). Die in Fig. 1 angegebene Ventilbezeichnung ist dann so zu lesen:
Beispiel: Ventil 3WR heißt: es ist das Ventil des Rücklaufanschlusses der Baugruppe (3) an
das Wärmenutzungssystem (13).
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Neben Wirkungsabläufen, die das Niederdruckteil ND (I) bis (3) bzw. Hochdruckteil HD
(4) bis (6) benötigen, ist auch eine direkte Verbindung des Solarsystems (10) zum
Wärmenutzungssystem (13) nötig, um auch "übliche" Solarthermienutzung zu gewährleisten.
Das wird durch die Umgänge/Ventile SWV/SWR in der Baugruppe (10) ermöglicht.
Um Verdampfungen in den Baugruppen (1) und (4) sicher ausführen zu können, wird eine
Teilumlaufschaltung mit Umwälzpumpen (14) vorgesehen.
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Zur Demonstration des Funktionsverhaltens des ISES werde die Betriebsweise als
Wärmepumpentransformator gewählt, bei der
- - ein "normaler" Kompressionswärmepumpenbetrieb zur Erzeugung von Heizwärme aus
niedrigwarmer, sonst nicht nutzbarer Solarwärme
- - und ein Wärmetransformatorbetrieb zur Aufsplittung der gleichen niedrigwarmen
Solarwärme in nutzbare Heizwärme und nutzlose Kaltwärme (Abgabe an die Umgebung)
überlagert werden.
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In diesem Fall arbeitet
- - (4) als Verdampfer und (3) als Desorber, beide zur Aufnahme der niedrigwarmen
Solarwärme
- - (6) als Absorber zur Abgabe der erzeugten Nutz-(Heiz-)wärme
- - (1) als Kondensator zur Abgabe der kalten Abwärme an die Umgebung.
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Da (3) als Desorber arbeitet, muß der Dephlegmator (2) betrieben werden durch Anschluß
an die Umgebungsbaugruppe (11). Der Dephlegmator (5) ist außer Betrieb zu setzen.
Die KAM (8) arbeitet als Verdichter, insofern wird der Überhitzer (7) nicht benötigt.
Damit ergibt sich folgende Schaltstellung der Ventile und Pumpen:
- - offene Ventile: 1UV, 1UR, 2UV, 2UR, 3SV, 3SR, 4SV, 4SR, 6WV, 6WR, LVunt, L2ob,
DV, L1unt,
- - geschlossene Ventile: 1KKV, 1KR, 1SV, 1SR, 3UV, 3UR, 3WV, 3WR, 4UV, 4UR, 4WV,
4WR, 5UV, 5UR, 5WV, 5WR, 6SV, 6SR, 6UV, 6UR, SÜV, SÜR,
WÜV, WÜKSWV, SWR, L1ob, L2unt, Lvob.
- - Pumpen angeschaltet: LP, PS, PW, PU, KP, UWP2,
- - Pumpen ausgeschaltet: PK, PÜ, UWP1.