DE202005009663U1

DE202005009663U1 - Blockheizkraftwerk

Info

Publication number: DE202005009663U1
Application number: DE202005009663U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-20
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2015-03-16

Abstract

Blockheizkraftwerk zur Umwandlung fossiler Brennstoffenergie in thermische sowie in elektrische Energie, mit einer Brennkraftmaschine, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, und in deren Abgastrakt eine Wärmetauschereinheit zur Nutzung der im Abgas enthaltenen thermischen Energie angeordnet ist, wobei der Brennkraftmaschine und/oder dem elektrischen Generator eine Wärmepumpenanordnung zur Nutzung eines Temperaturgefälles zwischen dem Blockheizkraftwerk und einer Umgebung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Sommerbetriebsmodus eine Brauchwassererwärmung weitestgehend durch einen Betrieb der Wärmepumpe unter Nutzung einer Umgebungswärme der Außenluft vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blockheizkraftwerk mit einer Brennkraftmaschine, einem elektrischen Generator und einem Wärmetauschersystem.
Blockheizkraftwerke dienen zur Versorgung von Wohnungen, Häusern und Wirtschaftseinheiten mit Energie in Form von Wärme und elektrischem Strom. Diese Art der Energieversorgung wird auch als Kraft-Wärme-Koppelung bezeichnet. Herkömmliche Blockheizkraftwerke weisen typischerweise eine Hubkolben-Brennkraftmaschine oder einen anderen Verbrennungsmotor auf, dessen Kurbelwelle – ggf. über ein Getriebe oder eine geeignete Über- bzw. Untersetzung – einen elektrischen Generator antreibt. Die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltene Abgasenergie wird mittels geeigneter Wärmetauscher zur Wärmegewinnung genutzt, während die mechanische Wellenleistung der Kurbelwelle zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird. Diese elektrische Energie kann zur Deckung eines eigenen Bedarfs sowie wahlweise oder zusätzlich zur Einspeisung eines öffentlichen oder privaten Energieversorgungsnetzes genutzt werden.
Ein vorrangiges Ziel aller bekannter Kraft-Wärme-Koppelungsanlagen ist die möglichst effiziente Nutzung der im Brennstoff enthaltenen fossilen Energie, die in der Brennkraftmaschine in mechanische Wellenenergie zum Antrieb des Generators und in Wärmeenergie umgewandelt wird.
Aus der DE 39 12 113 A1 ist ein erweitertes Blockheizkraftwerk mit einer Wärmepumpe zur Restwärmeintegration bekannt. Das Blockheizkraftwerk umfasst einen Antriebsmotor und einen Generator zur Stromerzeuger sowie mindestens zwei Wärmetauscher zur Übertragung der Kühlwasserwärme aus dem Motorblock und der Abgaswärme in den Heizkreislauf einer Gebäudeheizung. Eine zusätzliche, im Maschinenraum installierte Wärmepumpe nimmt die vom Triebwerk und vom Generator durch Konvektion und Strahlung an die Raumluft abgegebene Restwärmeleistung über den Verdampfer auf und gibt diese über den Kondensator an den Heizkreislauf wieder ab.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Ziel zu Grunde, die Effizienz bei der Nutzung der fossilen Brennstoffenergie weiter zu nutzen, d.h., den Wirkungsgrad eines Blockheizkraftwerks zu steigern.
Dieses Ziel wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blockheizkraftwerk, das zur Umwandlung fossiler Brennstoffenergie in thermische sowie in elektrische Energie dient. Das Blockheizkraft – teilweise auch als Kraft-Wärme-Koppelungs-Anlage bezeichnet – weist eine Brennkraftmaschine auf, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, und in deren Abgastrakt eine Wärmetauschereinheit zur Nutzung der im Abgas enthaltenen thermischen Energie angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Brennkraftmaschine und/oder dem elektrischen Generator eine Wärmepumpenanordnung zur Nutzung eines Temperaturgefälles zwischen dem Blockheizkraftwerk und einer Umgebung zugeordnet.
Das Blockheizkraftwerk weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, in dem während des Betriebs des Blockheizkraftwerks eine höhere Temperatur herrscht als in der Umgebung des Gehäuses. Im Gehäuse ist normalerweise eine Motor-Generator-Einheit, bestehend aus Brennkraftmaschine und Generator sowie ggf. die Wärmetauschereinheit zur Nutzung der Abgasenergie angeordnet. Zusätzlich kann die Brennkraftmaschine und/oder der elektrische Generator einen Kühlflüssigkeitsmantel aufweisen. Die thermische Energie aus dem Abgas und/oder aus der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine und/oder des Generators wird zur Erwärmung eines Speicherbehälters verwendet, der zur Heizwasser- bzw. Brauchwassererwärmung und zur Speicherung der Wärme über längere Zeiträume dient.
Die Wärmepumpenanordnung gewinnt ihre zusätzliche Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Gehäuseinneren des Blockheizkraftwerks und der äußeren Umgebung des Blockheizkraftwerks. Mittels der Wärmepumpe kann das Temperaturniveau innerhalb des Gehäuses des Blockheizkraftwerks von ca. 60 bis 80 °C zur zusätzlichen Erwärmung des Speicherinhalts genutzt werden. Durch die Anordnung des Verdampfers innerhalb der sog. „Kapsel" (des Gehäuses des Blockheizkraftwerks) wird diese auf eine deutlich niedrigere Temperatur (ca. 30 °C niedriger) heruntergekühlt, während der Speicherinhalt (normalerweise Wasser) zusätzlich erwärmt werden kann.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung ermöglicht es, die ansonsten ungenutzte Kapseltemperatur von typischerweise 60 bis 80 °C für Heizzwecke zu nutzen.
Eine besonders vorteilhafte Variante sieht eine Umschaltung zwischen einem Winterbetrieb und einem Sommerbetrieb vor. Da während der heißen Sommermonate die Heizungsanlage nicht genutzt wird, wird das Blockheizkraftwerk lediglich zur Erwärmung von Brauchwasser benötigt. Um das Einschalten des Blockheizkraftwerks in diesen Klimaphasen gänzlich vermeiden zu können, kann eine Umschaltung der Luftzufuhr zur Wärmepumpenanordnung vorgesehen sein, die im Sommer eine Brauchwassererwärmung nur mittels der Wärmepumpe ermöglicht. Zu diesem Zweck wird dieser die warme Außenluft zugeführt, deren Temperaturniveau von ca. 20 bis 30 °C ausreicht, um das im Speicherinhalt benötigte Temperaturniveau von ca. 60 °C zur Verfügung zu stellen. Diese Umschaltung kann mittels einer einfachen Klappenanordnung gewährleistet werden.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung kann eine zusätzliche Wärmeenergie in einem Bereich von ca. 20 bis 30 % der vom Blockheizkraftwerk zur Verfügung gestellten Gesamtenergie zur Verfügung stellen. Bei einer elektrischen Leistung von ca. 6 kW und einer thermischen Leistung von 12 kW (Abgaswärmetauscher und Kühlflüssigkeitsmantel) eines kleineren Blockheizkraftwerks (Diesel-Verbrennungsmotor mit ca. 0,5 bis 0,8 dm³) kann die Wärmepumpe eine zusätzliche thermische Energie in einer Größenordnung von 3 bis 5 kW liefern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Energieerzeugungsanlage, die bspw. zur Warmwasser- und Heizungsenergieerzeugung für Wohnhäuser oder kleinere Wirtschaftseinheiten geeignet ist. Zusätzlich wird dabei elektrische Energie erzeugt, die aus einer Wellenleistung einer Brennkraftmaschine gewonnen wird.
Ein Blockheizkraftwerk 10 umfasst eine Brennkraftmaschine 12 sowie einen elektrischen Generator 14 zur Erzeugung von elektrischer Energie. Der elektrische Generator 14 kann mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 12 direkt oder über ein Getriebe – bspw. ein Zahnrad- oder Riemengetriebe – gekoppelt sein. Der Brennkraftmaschine 12 ist weiterhin ein Wärmetauschersystem 16 zugeordnet, das mit einem Wärmespeicher 18 gekoppelt ist. Mittels des Wärmetauschersystems 16 wird die im Abgas der Brennkraftmaschine 12 enthaltene thermische Energie genutzt und zur Beheizung eines Speicherbehälters verwendet. Der Speicherbehälter kann bspw. ein wassergefüllter Behälter mit mehreren hundert Litern Inhalt sein, der zur Versorgung einer Heizungsanlage und zur Brauchwassererwärmung dient. Zusätzlich kann die in einem Flüssigkeitsmantel der Brennkraftmaschine 12 und/oder des Generators 14 enthaltene Wärme zur Erwärmung des Speicherinhalts genutzt werden. Als Brennkraftmaschine kommt insbesondere ein Dieselmotor in Frage, der mit Heizöl oder anderen flüssigen Brennstoffen (z.B. native Öle wie Rapsöl, Sonnenblumenöl etc.) betrieben wird. Auch ein Gasmotor eignet sich als Antrieb des Generators und zur Erzeugung der benötigten thermischen Energie. Die vom Generator gelieferte elektrische Energie kann zur Eigenversorgung oder zur Einspeisung in ein öffentliches Stromnetz verwendet werden.
Das Blockheizkraftwerk 10 ist üblicherweise in einem geschlossenen Gehäuse 20 angeordnet, das aus Gründen des Schallschutzes meist gegen die Umgebung abgedichtet ist. Innerhalb des Gehäuses 20 entsteht aufgrund der unvermeidlichen Strahlungswärme der Aggregate (Brennkraftmaschine, Generator, Wärmetauscher) eine erhebliche Abwärme, die zu einem Temperaturniveau von bis zu 80 °C oder mehr führen kann. Diese Abwärme wird bei herkömmlichen System nicht genutzt. Diese Wärme kann sich jedoch auf einzelne Bauteile oder Komponenten – z.B. Dichtungen des Motors – nachteilig auswirken. Daher wird diese Abwärme meist nach außen in die Umgebung abgeführt.
Die Erfindung sieht eine zusätzliche Wärmepumpe 22 vor, die diese Abwärme zur weiteren Beheizung des Speicherinhalts nutzen kann. Das Wärmepumpenprinzip ist bekannt und braucht an dieser Stelle nicht näher ausgeführt werden. Die innerhalb des Gehäuses 20 herrschende Wärme wird mittels der Wärmepumpe 22 abgesenkt, während die im Speicher herrschende Temperatur angehoben wird.
Eine weitere vorteilhafte Variante sieht eine Sommer-/Winter-Umschaltung vor. Während kälterer Jahreszeiten wird die Wärmepumpe 22 zur Kühlung des Gehäuseinnenraums des Blockheizkraftwerks 10 genutzt, während in heißeren Jahreszeiten die Wärmepumpe die komplette Brauchwassererwärmung mittels der Umgebungstemperatur übernimmt. Das Blockheizkraftwerk kann ausgeschaltet bleiben, da keine Heizungsenergie mehr benötigt wird. Die deutlich geringere Energiemenge für die Erwärmung des Brauchwassers kann von der Wärmepumpe alleine geliefert werden, die hierzu der Umgebungsluft die benötigte Wärme entzieht. Diese Umschaltung kann bspw. mittels einer geeigneten Klappenanordnung 24 erfolgen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Gedanken Gebrauch machen und deshalb ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

Claims

Blockheizkraftwerk zur Umwandlung fossiler Brennstoffenergie in thermische sowie in elektrische Energie, mit einer Brennkraftmaschine, die mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, und in deren Abgastrakt eine Wärmetauschereinheit zur Nutzung der im Abgas enthaltenen thermischen Energie angeordnet ist, wobei der Brennkraftmaschine und/oder dem elektrischen Generator eine Wärmepumpenanordnung zur Nutzung eines Temperaturgefälles zwischen dem Blockheizkraftwerk und einer Umgebung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Sommerbetriebsmodus eine Brauchwassererwärmung weitestgehend durch einen Betrieb der Wärmepumpe unter Nutzung einer Umgebungswärme der Außenluft vorgesehen ist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockheizkraftwerk ein Gehäuse aufweist, in dem während des Betriebs des Blockheizkraftwerks in einem Winterbetriebsmodus eine höhere Temperatur herrscht als in der Umgebung des Gehäuses.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse des Blockheizkraftwerks während des Betriebs in einem Sommerbetriebsmodus eine geringere oder annähernd gleiche Temperatur herrscht als/wie in der Umgebung des Gehäuses.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenanordnung ihre Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Gehäuseinneren des Blockheizkraftwerks und der äußeren Umgebung gewinnt.
Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenanordnung einen ersten Wärmetauscher sowie einen zweiten Wärmetauscher aufweist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher ein Verdampfer ist, der im Gehäuse des Blockheizkraftwerks angeordnet ist.
Blockheizkraftwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher ein Verflüssiger ist, der außerhalb des Gehäuses des Blockheizkraftwerks angeordnet ist.
Blockheizkraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem und zweitem Wärmetauscher ein Kompressor zur Förderung eines Kältemittels angeordnet ist.
Blockheizkraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zweitem und erstem Wärmetauscher ein Expansionsventil angeordnet ist.