DE2916530A1 - METHOD AND DEVICE FOR GENERATING AND DISTRIBUTING THERMAL ENERGY WITH COMPENSATION TRANSFER IN GEOTHERMAL LAYERS - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR GENERATING AND DISTRIBUTING THERMAL ENERGY WITH COMPENSATION TRANSFER IN GEOTHERMAL LAYERSInfo
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Description
Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung und Verteilung thermischer Energie mit KompensationsVerlagerung in geothermische Schichten -Process and device for the generation and distribution of thermal energy with compensation relocation in geothermal layers -
Es ist üblich, den Wert thermischer Energie niedriger Temperatur für Kühlungs- oder Raumheizungszwecke durch Verwendung von Thermopumpen zu steigern, die entweder Kälte- dann handelt es sich um Kältekompressoren - oder Wärme - dann sind es Wärmepumpen oder, noch besser, beides zugleich abgeben - dann hat man Kälte-Wärme-Pumpen. It is common to use low temperature thermal energy for cooling or space heating purposes by using thermal pumps to increase the either refrigeration - then it is a question of refrigeration compressors - or heat - then it is heat pumps or, even better, deliver both at the same time - then you have cold-heat pumps.
Es ist bekannt, daß der Leistungs-Koeffizient einer Pumpe, das ist das Verhältnis zwischen der nutzbaren thermischen Leistung und der aufgenommenen elektrischen Leistung, umso höher ist, als die Differenz zwischen den beiden Temperaturen der Wärmequelle und der Kältequelle kleiner sind und man möglichst die Verwendung der vom Kondensator bzw. dem Verdampfer der Pumpe abgegebenen Wärme- und Kälteenergien kombiniert.It is known that the coefficient of performance of a pump is that the ratio between the usable thermal power and the consumed electrical power is higher than the Difference between the two temperatures of the heat source and the cold source are smaller and you can use it if possible of the heat and cold energies given off by the condenser or evaporator of the pump.
In der Praxis nutzen Thermopumpen nur eine dieser. Energien aus, sei es bei Heizungseinrichtungen, wo man am Verdampfer die thermische Primärenergie ausbeutet, die von geothermischen Schichten, von Sonnenkollektoren oder der Umgebungsluft geliefert wird, sei es, daß es sich um Kälteerzeugungsanlage handelt, wo man die Primärenergie einem Kühlmedium, z.B. Luft oder Wasser, entnimmt.In practice, thermal pumps only use one of these. Energies, be it in heating systems, where the thermal Exploits primary energy supplied by geothermal layers, solar panels or the ambient air, be it that it is a refrigeration system where the primary energy is taken from a cooling medium, e.g. air or water.
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Es gibt wenig Anlagen, die gleichzeitig die Heizenergie und die Kälteenergie, die von der Pumpe abgegeben werden, ausnutzen, denn es kommt selten vor, daß der Wärme- und Kältebedarf gleich groß ist und selbst , wenn dies der Fall ist, tritt der größte Wärmebedarf in der kalten Jahreszeit auf, während der größte Kältebedarf in den Sommer fällt, so daß es notwendig wird, zusätzlich Kühlanlagen vorzusehen, um während der heißen Jahreszeit die überschüssige Wärmeenergie des Kondensators abzuleiten.There are few systems that use the heating energy and the cooling energy that are given off by the pump at the same time, because it seldom happens that the heating and cooling requirements are the same, and even when this is the case, the greatest heating requirement occurs in the cold season, while the greatest need for cooling falls in the summer, so that additional cooling systems are necessary to be provided in order to dissipate the excess heat energy of the condenser during the hot season.
Wenn es sich dabei um die übertragung von Sonnenenergie handelt, muß die Wärme während einer ziemlich langen Zeitspanne gespeichert werden, was man üblicherweise in künstlichen in Bodennähe angelegten Speichern tut. Man benötigt dazu große und kostspielig herzustellende Speichervolumen, deren Wärmerückgabewirkungsgrad umso schlechter ist, je langer die Speicherung dauert, denn, da die Umgebungstemperatur im allgemeinen niedriger als die der gespeicherten Mediums ist, sind die peripherischen Verluste sehr bedeutend.If it is about the transmission of solar energy, the heat must be stored for a fairly long period of time, which is usually done in artificial ones near the ground Saving does. This requires large storage volumes that are expensive to produce, the heat return efficiency of which is all the worse. the longer the storage lasts, because as the ambient temperature is generally lower than that of the stored medium, the peripheral losses are very significant.
Außerdem kann wegen der Größe der Speichervolumen und der Oberfläche der Sonnenkollektoren , die normalerweise für einen schwachen Sonneneinfall im Winter ausgelegt sind, eine solche Heizungsanlage nur untergeordneten Zwecken dienen, bei denen im allgemeinen der Kältebedarf vernachlässigbar ist.In addition, because of the size of the storage volume and the surface the solar collectors, which are normally designed for weak sunlight in winter, are such a heating system only serve subordinate purposes, for which the cooling requirement is generally negligible.
Bei Heisungsanlagen mit geothermischer übertragung hat man bisher die Erdwärme wie eine fossile Energie benützt, so daßIn heating systems with geothermal transmission one has so far the geothermal energy has been used like fossil energy, so that
«? β L λ / ο 4U«? β L λ / ο 4 U
um eine bedeutsame Schwächung des Wärmepotentials der Schichten zu vermeiden, die Ausbeutung begrenzt werden muss, die, selbst wenn sie rentabel ist, nur den Randbedarf dicht besiedelter Gebiete befriedigen kann.in order to avoid a significant weakening of the thermal potential of the layers, the exploitation must be limited, which, by itself if it is profitable, it can only meet the peripheral needs of densely populated areas.
Dagegen kann eine Anlage gemäss vorliegender Erfindung, z.B. eine Stadtfernheizungs- und kühlanlage mit Kompensationsverlagerung in geothermische, bevorzugterweise lauwarme Schichten, wie man sehen wird, durch eine ausgedehnte Verteilung der thermischen Produktion, die sowohl die Bedürfnisse der Wärmeverbraucher als auch die der im Großraum verstreuten Kälteverbraucher befriedigt; durch die Ausbeutung einer geothermisehen Schicht im Bereich ihres Temperaturgleichgewichts, dadurch, daß man in der heißen Jahreszeit durch Wärmezufuhr, die in der kalten Jahreszeit erfolgte Wärmeabzapfung kompensiert, durch die optimale Ausnutzung über eine längere Periode, z.B. ein Jahr, der Energiequellen beispielsweise von Sonnenkollektoren zusammen mit der Rückgewinnung der Wärmeenergie der Pumpen und der Kompensation der verteilten Kälteenergie einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad haben, und zwar sowohl vom energiewirtschaftlichen Standpunkt wegen des hohen Pumpenwirkungsgrades durch gleichzeitige Lieferung von Wärme und Kälte, als auch vom wirtschaftlichen Standpunkt durch die Optimierung der Investitionskosten, insbesondere derjenigen für Hochleistungspumpen, Sonnenkollektoren mit maximaler Rückgewinnung der jährlich gewonnenen Sonnenenergie, derjenigen für die Ausbeutung der Geothermie wegen ihres intensiven Charakters als auch wegen ihrer extensiven Möglichkeiten innerhalb eines Ballungsraumes, wobei sowohl der eine, wie der andere an denIn contrast, an installation according to the present invention, e.g. a city district heating and cooling system with compensation shifting into geothermal, preferably lukewarm, layers, as will be seen, through an extensive distribution of thermal Production that satisfies both the needs of the heat consumers and those of the cold consumers scattered across the metropolitan area; by exploiting a geothermal layer in their area Temperature equilibrium, in that one in the hot season by supplying heat that took place in the cold season Heat draw off is compensated by the optimal utilization over a longer period, e.g. one year, of the energy sources, for example of solar panels together with the recovery of the thermal energy of the pumps and the compensation of the distributed Cooling energy have an extraordinarily high degree of efficiency, both from an energy point of view because of the high Pump efficiency through simultaneous supply of heat and cold, as well as from an economic point of view through the Optimization of investment costs, especially those for high-performance pumps, solar collectors with maximum recovery the solar energy obtained annually, that for the exploitation of geothermal energy because of its intensive character as well as because of their extensive possibilities within a metropolitan area, whereby both the one and the other to the
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thermischen Wiederaufbau der Schicht gebunden sind.thermal reconstruction of the layer are bound.
Die Erfindung betrifft ein zyklisches Wärmeaustauschverfahren zwischen einem Wärmevertexlungskreislauf und einem Wärmerückgewinnungskreislauf (oder Kälteverteilungskreislaufs). Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch die Tatsache, daß ein Wärmeaustauschkreislauf vorgesehen ist, der mit einem Wärmeverteilungsund -rückgewinnungskreislauf, sowie einer natürlichen lauwarmen geothermischen Schicht verbunden ist, daß der Wärmevertexlungskreislauf während eines Teiles des Jahreszyklusses der Schicht eine gewisse Wärmemenge entnimmt, die höchstens einer Temperaturabsenkung um einige Grad gegenüber dem natürlichen Wärmegleichgewichtszustand entspricht und die der Schicht im Lauf desselben Jahreszyklusses in etwa wieder durch den Wärmerückgewinnungskreislauf zugeführt wird, so daß am Ende des Zyklus die Temperatur wieder auf ihrem Anfangswert zu Beginn des Zyklus liegt.The invention relates to a cyclic heat exchange process between a heat dispersal circuit and a heat recovery circuit (or cold distribution circuit). This The method is characterized by the fact that a heat exchange circuit is provided with a heat distribution and recovery circuit, as well as a natural lukewarm geothermal layer is connected to that the heat vertexification cycle takes a certain amount of heat from the shift during part of the annual cycle, which is at most a temperature drop by a few degrees compared to the natural state of thermal equilibrium and that of the shift in the course of the same annual cycle roughly again through the heat recovery cycle is supplied so that at the end of the cycle the temperature is again at its starting value at the beginning of the cycle.
Um jederzeit möglichst die abgegebene! und wiedergewonnenenEnergien auszugleichen, ist ein Übertragungskreislauf vorgesehen, der den Wärmevertexlungskreislauf direkt mit demWiedergewinnungskreislauf verbindet um die verfügbare Energie im Wiedergewinnungskreislauf dem Verteilungskreislauf zuzuführen. In order to get the submitted! and regained energies To balance, a transfer circuit is provided which connects the heat dewatering circuit directly to the recovery circuit connects to supply the available energy in the recovery cycle to the distribution cycle.
Mit anderen Worten: erfindungsgemäss ist ein zyklisches, thermisches Austauschverfahren vorgesehen zwischen:In other words: according to the invention there is a cyclical, thermal Exchange procedure planned between:
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1. einem Übertragungskreislauf, der zwei Energieverteilungskreisläufe beschickt, eine mit Wärme, den anderen mit Kälte,1. a transmission circuit, the two energy distribution circuits charged, one with warmth, the other with cold,
2. mindestens einer äußeren Wärmequelle,2. at least one external heat source,
3. einem geothermischen Kreislauf, der mit einer natürlichen Schicht verbunden ist,3. a geothermal cycle that works with a natural Layer is connected,
und dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch:and this procedure is characterized by:
- die Tatsache vor allem, daß das Gleichgewicht zwischen der- the fact above all that the balance between the
vom Übertragungskreislauf an den Wärme- bzw. den -kälteverteilungskreislauf abgegebenen Energie erhalten wird durch einen Austausch zwischen der Gruppe dieser drei Kreisläufe und dem geothermischen Kreislauf;'from the transfer circuit to the heat or cold distribution circuit The energy given off is obtained through an exchange between the group of these three cycles and the geothermal Circulation; '
- in zweiter Linie durch die Tatsache, daß die äußeren Wärmequellen dem geothermischen Kreislauf eine Wärmemenge zuführen, die von einem Jahreszyklus zum anderen die Schicht in etwa auf dem gleichen Energieniveau halten.- in the second place by the fact that the external heat sources Supply the geothermal cycle with an amount of heat that, from one annual cycle to the next, roughly covers the layer keep the same energy level.
Das Verfahren ist dazu bestimmt, die Energiebedürfnisse niedrigen Niveaus (Heizung und Kühlung) in Wohngebieten zu befriedigen.The procedure is designed to keep the energy needs low Levels (heating and cooling) in residential areas.
Zu einem gegebenen Zeitpunkt ist folgender Ablauf gegeben:At a given point in time, the following sequence is given:
1. es steht nicht genügend Wärme zur Verfügung,um den Bedarf des Wärmeverteilungskreislaufes zu befriedigen, d.h., wenn die1. There is not enough heat available to meet the demand of the heat distribution cycle, i.e. if the
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νοη äußeren und inneren QueLLen (z.B. WärmeäquivaLent der mechanischen Energie von Pumpen und Motoren) abgegebenen Wärmemengen geringer sind, ais der Bedarf des Wärmeverteiiungskreis-Laufes, so Liefert die geothermische Schicht den Ausgieich.νοη external and internal sources (e.g. heat equivalents of mechanical energy from pumps and motors) are lower than the need for the heat distribution circuit, so the geothermal layer provides the balance.
2. Es besteht ein Wärmeüberschuss gegenüber dem Bedarf des WärmeverteilungskreisLaufes, so absorbiert die geothermische Schicht den Überschxiss.2. There is an excess of heat compared to the demand of the heat distribution circuit, so the geothermal absorbs Layer the excess.
Im Laufe einer zykiischen Periode wird der Schicht in etwa die gieiche Wärmemenge zugeführt, wie abgezapft wird (z.B. im Laufe eines Jahres).In the course of a cyclical period, roughly the same amount of heat is supplied to the layer as is drawn off (e.g. in the Within a year).
Günstigerweise soiLte das natürliche Temperaturgleichgewicht der unterirdischen Schicht bei etwa 3o°C liegen, was einer Schicht in mittlerer Tiefe entspricht.The natural temperature equilibrium should favorably of the underground layer are around 30 ° C, which corresponds to a layer at medium depth.
Die Einrichtungen für die thermische Produktion und Verteil Lung sind erfindungsgemäss bevorzugterweise:According to the invention, the devices for thermal production and distribution are preferably:
- in erster Linie, der thermische übertragungskreiaLauf mit mindestens einer Transferpumpe, von der mindestens ein Kondensator den Wärmeverteiiungskreis Lauf und mindestens ein Verdampfer den KäLteverteiLungskreisiauf versorgt,- First and foremost, the thermal transfer circuit with at least one transfer pump, of which at least one condenser runs the heat distribution circuit and at least one Evaporator supplies the cold distribution circuit,
- in zweiter Linie, mindestens ein geothermischer Kreisiauf mit mindestens einem Förder- und mindestens einem Rückführungsbrunnen in die geothermische Schicht, wobei das Wasser des geo- - in the second line, at least one geothermal circuit with at least one extraction well and at least one return well into the geothermal layer, whereby the water of the geo-
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thermischen Kreislaufes in einem und/oder dem andern thermischen Austauschsystem zirkuliert,von denen eines mit dem Wärmeverteilerkreislauf und das andere mit dem Kälteverteilungskreislauf verbunden ist,thermal cycle in one and / or the other thermal Exchange system circulates, one of which is connected to the heat distribution circuit and the other is connected to the refrigeration distribution circuit,
- in dritter Linie, ein Leitungssystem mit KurzSchlußmöglichkeiten und/oder Pumpen mit veränderlicher Fördermenge, die den thermischen Austausch zwischen dem geothermischen Kreislauf und den Wärme- und Kälteverteilerkreisläufen regulieren,- in the third line, a line system with short-circuit options and / or pumps with variable delivery rates, which facilitate the thermal exchange between the geothermal circuit and the heat and regulate cold distribution circuits,
- in vierter Linie, mindestens ein Wiedergewinnungskreislauf, der die Abwärme der äußeren Wärmequellen erfasst und von denen jeder mit mindestens einem der vorgenannten Kreisläufe, d.h. dem geothermischen, dem Wärme- und dem Kälteverteilungskreislauf, durch mindestens einen thermischen Austauscher verbunden ist,- in the fourth line, at least one recovery circuit that collects the waste heat from external heat sources and from them each with at least one of the aforementioned circuits, i.e. the geothermal, the heat and the cold distribution circuit, is connected by at least one thermal exchanger,
- in fünfter Linie, mindestens ein Leitungssystem mit Kurzschlußmöglichkeit und/oder Pumpe mit veränderlicher Fördermenge zum Regulieren des thermischen Austausches zwischen dem Wiedergewinnungskreislauf und mindestens einem der drei vorgenannten Kreisläufe,- in the fifth line, at least one line system with the possibility of short-circuiting and / or variable flow pump for regulating the thermal exchange between the recovery circuit and at least one of the three aforementioned cycles,
- in sechster Linie, ein Steuersystem für die gesamte Anlage.- in the sixth line, a control system for the entire plant.
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Die Steuerung einer jeden erfindungsgemässen Anlage wird progressiv durchgeführt, indem man die Fördermengen thermogener Medien jeder Transferpumpe, die KurzSchlußleitungen und/oder die Umwälzpumpen beeinflusstem dadurch eine wirtschaftlich optimale Verteilung der thermischen Energie zu erreichen, die dem Wärmeverteilungs-, dem Kälteverteilungs- und dem geothermischen Kreislauf zugeführt werden muss.The control of each system according to the invention becomes progressive performed by measuring the flow rates of thermogenic media each Transfer pump, the short circuit lines and / or the circulation pumps influenced thereby to achieve an economically optimal distribution of the thermal energy, which the heat distribution, must be fed to the cold distribution and geothermal circuit.
Die Gesamtheit der Wärmegewinnungsanlage aus äußeren Quellen ist möglichst optimal ausgelegt, damit während eines natürlichen Zyklus der geothermischen Schicht eine Energiemenge zugeführt wird, die der entnommenen entspricht, damit die Durchschnittstemperatur der Schicht im Gleichgewicht gehalten wird. Der Schutz der vorliegenden Erfindung bezieht sich auch auf die Kombination der einzelnen Ansprüche untereinander und nicht nur auf den Gegenstand des jeweiligen Anspruchs. Um das Verfahren und die erfindungsgemässenEinrichtungen klar darzustellen, und aufzuzeigen, wie der thermische Austausch zwischen den einzelnen Kreisläufen und dem Steuersystem erfolgt, wird nachstehend als nicht ausschließliches Beispiel die Anwendung in einer städtischen Wärme- und Kälteerzeugungs- ud Verteilungsanlage beschrieben. Diese in der einzigen Fig» schematisch dargestellten Anlage besteht aus:The entirety of the heat recovery system from external sources is designed as optimally as possible, so during a natural Cycle, the geothermal layer is supplied with an amount of energy that corresponds to that withdrawn, so that the average temperature of the layer is kept in equilibrium. The protection The present invention also relates to the combination of the individual claims with one another and not only to the subject matter of the respective claim. To the method and the devices according to the invention to represent clearly and to show how the thermal exchange between the individual circuits and the control system, the following is a non-exclusive example of the application in an urban heating system. and refrigeration and distribution systems. This system, shown schematically in the single figure, consists of:
- einem thermischen Austauschkreislauf A,- a thermal exchange circuit A,
- einem geothermischen Kreislauf B,- a geothermal circuit B,
- einem Wärmeverteilerkreislauf C,- a heat distribution circuit C,
- einem Kälteverteilerkreislauf D,- a refrigeration distribution circuit D,
- einem Sonnenkollektorkreislauf E,- a solar collector circuit E,
- einem Kreislauf zur Rückgewinnung industrieller Abwärme F.- a circuit for the recovery of industrial waste heat F.
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Austauschkreislauf A: ein Kompressor 1 fördert ein thermogenes Medium (z.B. Ammoniak) zum Kondensator 2, der die Konensationswärme an den Wärmeverteilungskreislauf C abgibt; dann durchströmt das Medium eine Drossel 3 und gelangt in den Verdampfer 4, wo der Kälteverteilerkreislauf die Verdampfungswärme liefert. Als Variante kann eine Vielzahl von Austauschkreisläufen mit mehreren Austauschstufen, von denen jede ihren Kompressor mit veränderlicher Fördermengen, ihren Verdampfer, ihre Drossel und ihren Kondensator besitzt, verwendet werden, wodurch ein höherer Leistungswert erzielt wird. Exchange circuit A: a compressor 1 conveys a thermogenic medium (eg ammonia) to the condenser 2, which gives off the heat of condensation to the heat distribution circuit C; the medium then flows through a throttle 3 and reaches the evaporator 4, where the cold distribution circuit supplies the heat of evaporation. As a variant, a plurality of exchange circuits with several exchange stages, each of which has its compressor with variable flow rates, its evaporator, its throttle and its condenser, can be used, whereby a higher performance value is achieved.
Geothermischer Kreislauf B: ein Förderbrunnen 5 liefert Warmwasser zum Rückführungsbrunnen 6. Dieses Wasser durchfliesst zuerst den Wärmetauscher 7 des Wärmevertexlerkrexslaufs C, dann den Wärmetauscher 8 des Kreislaufs zur Rückgewinnung industrieller Abwärme F, und schließlich den Wärmetauscher 9 des Kälteverteilerkreislaufs D. Geothermal circuit B: a conveying well 5 supplies hot water to the return well 6. This water first flows through the heat exchanger 7 of the heat distribution circuit C, then the heat exchanger 8 of the circuit for recovering industrial waste heat F, and finally the heat exchanger 9 of the cold distribution circuit D.
Der Austausch zwischen den drei Kreisläufen wird mit Kurzschlußleitungen geregelt, mit denen gewisse Kreisläufe abgetrennt werden können, wenn die Austauschbedingungen ungünstig sind.The exchange between the three circuits is done with short-circuit lines regulated, with which certain circuits can be separated if the exchange conditions are unfavorable.
Abweichend hiervon kann der Kreislauf B aus mehreren parallelen geothermischen Keisen bestehen, deren Gesamtförderung so ausgelegt wird, daß mit der Schicht entweder die max. WärmemengeNotwithstanding this, the circuit B can consist of several parallel geothermal circles exist, the total delivery of which is designed so that with the layer either the maximum amount of heat
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oder die ma.χ. Kältemenge ausgetauscht werden kann, ohne daß die Temperaturschwankungen des Thermalwassers die Grenzen der Verteilungstemperatur von Heizwasser und Kühlwasser überschreiten (z.B. 48°C und 12° C). Außerdem kann die Wärmeabgabe des Thermalwassers durch die Steuerung der Fördermenge bestens angepasst werden, dadurch, daß nur ein Teil der Förder- und Rückführungspumpen betrieben wird, wodurch der Verbrauch an elektrischer Energie eingeschränkt wird.or the ma.χ. Amount of cold can be exchanged without the Temperature fluctuations of the thermal water exceed the limits of the distribution temperature of heating water and cooling water (e.g. 48 ° C and 12 ° C). In addition, the heat output of the thermal water can be optimally adapted by controlling the delivery rate, in that only some of the delivery and return pumps are operated, which reduces the consumption of electrical Energy is restricted.
Wärmevertexlerkreislauf C:Heat distributor circuit C:
Das warme Verteilungswasser verlässt den Kondensator 2 mit einer genügend hohen Temperatur (z.B. 480C) für den sanitären Bedarf und den Betrieb von Gebäudeheizungen mit niedriger Vorlauftemperatur.The warm distribution water leaves the condenser 2 at a sufficiently high temperature (eg 48 ° C.) for the sanitary requirements and the operation of building heating systems with a low flow temperature.
Das Verteilungswasser wird durch Umwälzpumpen , z.B. 1o zu Heizelementen, z.B. 11 gefördert, deren Wärmeabgabe durch Regulierelemente, z.B. 12 geregelt wird.The distribution water is supplied by circulation pumps, e.g. 1o Heating elements, e.g. 11 promoted, their heat dissipation through Regulating elements, e.g. 12 is regulated.
Für den sanitären Bedarf wird Verteilungwasser direkt den Sanitärgeräten zugeführt, z.B. 12, wobei sein Druck und seine Lieferung durch die städtische Wasserversorgung sichergestellt werden (siehe unten).For the sanitary needs, distribution water is supplied directly to the sanitary appliances e.g. 12, its pressure and delivery being ensured by the municipal water supply (see below).
Nach Ausfluß aus den Verbrauchern fliesst das Verteilungswasser zunächst durch den Wärmetauscher 14 des Kreislaufs zur Rückgewinnung industrieller Abwärme ifiinä. dann, bei Wärme- After outflow from the consumers, the distribution water first flows through the heat exchanger 14 of the circuit for the recovery of industrial waste heat. then, at heat
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bedarfsspitzen über den Dreiwegehahn 15 durch den Puffer 16 der zum Abbau der Spitzen vorgesehen ist. Ein Druckschalter 17 steuert das Nachfüllen mit Leitungswasser über den Schieber 18.Demand peaks via the three-way valve 15 through the buffer 16 which is provided to reduce the peaks. A pressure switch 17 controls refilling with tap water via the slide 18.
Dagegen wird das warme Verteilungswasser durch den Dreiwegehahn in den beiden folgenden Fällen dem Wärmetauscher 7 zugeführt: a)- wenn seine Eintrittstemperatur in 7 niedriger als die des aus dem Schacht 6 kommenden Thermalwassers ist: der Wärmetauscher bewirkt also eine Vorerwärmung des Verteilungswassers und entlastet dadurch die Einwirkung des Austauschkreislaufs A,On the other hand, the warm distribution water is fed through the three-way valve fed to the heat exchanger 7 in the following two cases: a) - if its inlet temperature in 7 is lower than that of the thermal water coming from the shaft 6 is: the heat exchanger thus preheats the distribution water and thereby relieves the influence of the exchange cycle A,
b) - wenn die Differenz der von den beiden Verteilungskreisläufen C und D benötigten thermischen Leistungen ein Aufheizen des geothermischen Kreislaufs B erfordert.b) - if the difference between the thermal powers required by the two distribution circuits C and D causes heating of the geothermal circuit B requires.
Kälteverteilerkreislauf D: kaltes Wasser (z.B. 12° C) fliesst aus dem Verdampfer 4: die Temperatur sollte bevorzugterweise so gewählt werden, daß sie den Kühlwasserbedürfnissen von Klimaanlagen und von Nahrungsmittelkühlanlagen entspricht und für Gefrieranlagen (mit z.B. - 180C) als Warmwasserquelle dienen kann, wodurch deren Leistung fast verdoppelt werden könnte. Refrigerant distributor circuit D: cold water (eg 12 ° C) flows out of the evaporator 4, the temperature should preferably be chosen such that it corresponds to the cooling water requirements of air conditioning and food refrigeration and for freezing plants (with, for example - 18 0 C) serve as a source of hot water can which could almost double their performance.
Umwälzpumpen , wie z.B. 2o verteilen Kaltwasser an Kühlelemente, wie z.B. 21, deren Regulierung mit Schiebern, wie z.B. 22 durchgeführt wird»Circulation pumps such as 2o distribute cold water to cooling elements, such as 21, the regulation of which is carried out with slides such as 22 will"
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Das kalte Wasser liefert direkt gekühltes Wasser an Verbraucher, wie z.B. 23, wobei sein Druck und seine Lieferung durch die städtischen Wasserwerke sichergestellt werden (siehe unten).The cold water supplies chilled water directly to consumers, such as 23, with its printing and delivery being ensured by the municipal waterworks (see below).
Das kalte Wasser wird durch eine gewisse Anzahl Umwälzpumpen, wie z.B. 24, Wärmetauschern, wie z.B. 25, die mit dem Sonnenkollektorkrexslauf E arbeiten, zugeführt. Im allgemeinen sind mehrere Sonnenkollektorkeisläufe , wie E, vorgesehen.The cold water is pumped through a number of circulating pumps, such as 24, heat exchangers such as 25, which work with the solar collector circuit E. In general several solar collector ice runs, such as E, are provided.
Der Rückfluß des kalten Verteilungswassers erfolgt zuerst über den Wärmetauscher 35 mit dem Kreislauf zur Rückgewinnung industrieller Abwärme F und anschließend ermöglicht der Dreiwegehahn 36, bei thermischen Bedarfsspitzen, es durch den kalten Puffer 32 zu leiten, der zum Abbau der Spitzen vorgesehen ist. Ein Druckschalter 33 steuert das Nachfüllen mit Leitungswasser über den Schieber 34.The cold distribution water is refluxed first Via the heat exchanger 35 with the circuit for recovering industrial waste heat F and then the three-way valve enables 36, in the event of thermal demand peaks, to pass it through the cold buffer 32, which is provided to reduce the peaks. A pressure switch 33 controls the refilling with tap water via the slide 34.
Wenn die Differenz der von den beiden Verteilerkreisläufen benötigten thermischen Leistung ein Kühlen des geothermisehen Kreislaufs erfordert, erlaubt der Dreiwegehahn 37 das kalte Verteilungswasser durch den Wärmetauscher 9 mit dem geothermischen Kreislauf B zu führen.If the difference is the required by the two distribution circuits thermal power requires cooling of the geothermal circuit, the three-way valve 37 allows the cold distribution water through the heat exchanger 9 with the geothermal circuit B lead.
Sonnenkollektorkreislauf E: Die vom Sonnenkollektorkrexslauf E eingefangene Sonnenenergie hat einen bedeutenden Einfluß zur alljährlichen Wiederherstellung des Potentials der geothermischen Schicht, denn die industriell wiedergewinnbare Wärmemenge ist oftmals nur diejenige, die sich aus der Abfallverbrennung ergibt und die nur einen geringen Teil des Gesamtbedarfs darstellt. Solar collector circuit E: The solar energy captured by the solar collector circuit E has a significant influence on the annual restoration of the potential of the geothermal layer, because the industrially recoverable amount of heat is often only that which results from waste incineration and which represents only a small part of the total requirement.
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Erfindungsgemäss ist der Kreislauf E, in dieser besonderen, nicht ausschließlichen Anordnung, mit dem Kälteverteilerkrexslauf D gekoppelt. Durch diese Anordnung, bei der das in den Sonnenkollektoren umgewälzte Medium (z.B. Wasser mit Frostschutzmittel) ziemlich kalt ist, ist es möglich, die Gesamtfläche der Sonnenkollektoren zu verkleinern, da die jährlich ausnutzbare Energie schnell mit dem Absenken der mittleren Temperatur steigt.According to the invention, the circuit E, in this particular one, is not exclusive arrangement, coupled with the Kälteverteilerkrexslauf D. By this arrangement, in which that in the solar panels circulated medium (e.g. water with antifreeze) is quite cold, it is possible to cover the total area of the solar panels to be reduced, since the energy that can be used annually increases rapidly as the mean temperature drops.
Die Verwendung eines Frostschutzmittels macht es erforderlich, den Kreislauf E mit dem Kreislauf D über ein Tauschersystem zu verbinden.The use of an antifreeze makes it necessary to connect circuit E to circuit D via an exchanger system associate.
Das nicht gefrierende Medium, im Beispiel der Fig. wird beim Austritt aus dem Wärmetauscher 25 durch eine Umwälzpumpe 26 zu den Sonnenkollektoren 28 befördert, wobei die Fördermenge in Funktion der Sonneneinstrahlung über den Schieber 27 gesteuert wird.The non-freezing medium, in the example in the figure, is closed by a circulating pump 26 when it exits the heat exchanger 25 the solar collectors 28, the delivery rate being controlled via the slide 27 as a function of the solar radiation.
Beim Austritt aus 28 gestattet ein Schieber 29 die einem Tauscher 3o zugeführte Menge zu regeln, mit der die Leistungsspitzen abgebaut werden, die der Kreislauf D nicht direkt aufnehmen kann. Zu diesem Zweck wird das Sekundärwasser, das 3o, von der Umwälzpumpe 31 gefördert, durchströmt, dem kalten Puffer 32 zugeleitet, dessen Rolle der Abbau von Leistungsspitzen ist, die sowohl von den Sonnenkollektoren kommen als auch vom Kälteverteilerkrexslauf. Die derart gespeicherte Energie wird später wieder vom Kälteverteilerkrexslauf Pfunter der regulierenden Wirkung des Dreiwegehahns 36 aufgenommen.When exiting 28, a slide 29 allows an exchanger 3o supplied amount to regulate with which the power peaks are reduced that the circuit D cannot absorb directly. For this purpose, the secondary water, the 3o, is from the circulation pump 31 promoted, flowed through, fed to the cold buffer 32, the role of which is to reduce power peaks, both of come from the solar collectors as well as from the cold distribution circuit. The energy stored in this way is later used again by the cold distribution circuit Pfunter the regulating effect of the three-way cock 36 added.
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Die erfindungsgemässe Anlage enthält eine gewisse Anzahl von Sonnenkollektorenkreisläufen, die durch die Aufstellungsmöglichkeiten bestimmt ist.The inventive system contains a certain number of Solar collector circuits created by the installation options is determined.
Kreislauf zur Rückgewinnung industrieller Abwärme F; Der Ausfluß aus dem Wärmespender 38 fließt, gefördert durch die Umwälzpumpe 39, nacheinander an den Tauschern 14 mit dem Kreislauf C, 8 mit dem Kreislauf B und 35 mit dem Kreislauf D vorbei. Drei Dreiwegehähne, 4o für den Tauscher 14,41, für 8 und 42 für 35 gestatten den Abwärmekreislauf nur dann mit diesen Wärmetauschern zu verbinden, wenn die Bedingungen günstig sind. Hahn 4o wird den Kreislauf F vom Kreislauf C getrennt halten, wenn dieser keine zusätzliche Wärme benötigt, z.B. im Sommer, wenn die Abwärmetemperatur niedriger ist als die des zurückfließenden warmen Wassers. Hahn 41 wird den Kreislauf F vom Kreislauf B getrennt halten, wenn dieser nicht aufgeheizt zu werden braucht oder wenn die Temperatur der Abwärme geringer als die des Thermalwassers im Tauscher 8 ist. Hahn 42 wird den Kreislauf F vom Kreislauf D getrennt halten, wenn dieser keine zusätzliche Wärme mehr annehmen kann, z.B. bei stärkster Sonneneinstrahlung. Circuit for the recovery of industrial waste heat F; The outflow from the heat dispenser 38 flows, conveyed by the circulating pump 39, past the exchangers 14 with the circuit C, 8 with the circuit B and 35 with the circuit D in succession. Three three-way cocks, 4o for exchanger 14, 41, for 8 and 42 for 35 allow the waste heat circuit to be connected to these heat exchangers only when the conditions are favorable. Tap 4o will keep circuit F separated from circuit C when it does not require any additional heat, for example in summer when the waste heat temperature is lower than that of the warm water flowing back. Tap 41 will keep circuit F separated from circuit B when it does not need to be heated or when the temperature of the waste heat is lower than that of the thermal water in exchanger 8. Hahn 42 will keep the circuit F separated from the circuit D when this can no longer accept additional heat, for example in the case of strong sunlight.
Um die Funktion der Anlage bei der nominalen Verteilungstemperatur der Wärme (z.B. 480C) und der Kälte (z.B. 12°C) zu optimieren, ist es nötig:In order to optimize the function of the system at the nominal distribution temperature of the heat (e.g. 48 0 C) and the cold (e.g. 12 ° C), it is necessary:
- die beiden thermischen Leistungen, die vom Austauschkreislauf abgegeben werden, auf ihren Minimalwerten auszugleichen,- balance the two thermal outputs that are emitted by the exchange circuit to their minimum values,
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- die elektrischen Leistungen und die Fördermengen der Wärmepumpen, der verschiedenen Umwälzpumpen der Keisläufe C,D,E und F und der Förder- und Rückführungspumpen des Kreislaufs B optimal einzusetzen.- the electrical power and the delivery rates of the heat pumps, of the various circulation pumps of circuits C, D, E and F and the feed and return pumps of circuit B to be optimally used.
Dieser optimale Ablauf wird durch einen nicht dargestellten Prozessrechner gesteuert, in den man z.B. die folgenden hauptsächlichsten Parameter eingibt:This optimal sequence is controlled by a process computer, not shown, in which, for example, the following main ones Enter parameters:
- Außentemperatur,- outside temperature,
- Rücklauftemperatur vor den Tauschern 7,9,14,35,- return temperature before the exchangers 7,9,14,35,
- Vorlauftemperatur von Kondensator 2 und vom Verdampfer 4,- flow temperature of condenser 2 and evaporator 4,
- Zulauftemperatur des Thermalwassers zu den Tauschern 8 und 9,- inlet temperature of the thermal water to exchangers 8 and 9,
- Zulauftemperatur der industriellen Abwärme vor den Tauschern 14, 8 und 35,- inlet temperature of the industrial waste heat upstream of the exchangers 14, 8 and 35,
- Zulauftemperatur des nicht gefrierenden Mediums zu den Sonnenkollektoren 28,- Inlet temperature of the non-freezing medium to the solar collectors 28,
- Fördermengen der Kreisläufe C,D, E und F.- Flow rates of circuits C, D, E and F.
Der Rechner gibt an hier nicht dargestellte Servomechanismen Steuerbefehle, die die folgenden Einstellungen regeln:The computer sends control commands to servomechanisms (not shown here) that regulate the following settings:
- Dreiwegehähne 19 und 37 um das thermische Gleichgewicht des Wärmeausgleichs im Kreislauf A zu erhalten,- Three-way cocks 19 and 37 around the thermal equilibrium of the To maintain heat balance in circuit A,
- Fördermenge des Kompressors 1 angepasst an die durch den Kreislauf A zu übertragenden , thermischen Leistungen,- Flow rate of the compressor 1 adapted to that through the circuit A thermal power to be transmitted,
- Dreiwegehähne 4o,41 und 42, um den Austausch zwischen dem Kreislauf F und den Kreisläufen C,B und D zu regulieren,- Three-way cocks 4o, 41 and 42 for the exchange between the To regulate circuit F and circuits C, B and D,
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- Umwälzpumpen, wie 1o für die Regulierung des Durchflusses- Circulation pumps, like 1o for regulating the flow
im Kreislauf C und wie 2o und 24 für denjenigen des Kreislaufes D,in circuit C and like 2o and 24 for that of circuit D,
- Dreiwegehähne 15 und 36 für die Speicherung und Abgabe thermischer Leistungsspitzen,- Three-way cocks 15 and 36 for the storage and delivery of thermal power peaks,
- Umwälzpumpen, wie 26 und 31 und Dreiwegehähne, wie 27 und für die Übertragung der durch die Sonnenkollektoren gewonnenen Energie,- Circulation pumps such as 26 and 31 and three-way taps such as 27 and for the transfer of the energy obtained by the solar panels Energy,
- Schieber, wie 12 und 22 die die Wärme-11 und Kälte-Verbraucher steuern , indem sie die Durchflußmenge in Funktion vom Leistungsbedarf verändern. - Sliders, like 12 and 22, which the heat 11 and cold consumers control by changing the flow rate as a function of the power requirement.
Die wirtschaftliche Bedeutung einer erfindungsgemässen Anlage ist außerordentlich groß, denn:The economic importance of a system according to the invention is extremely great, because:
1. Die Übertragungen des Kreislaufes A erfolgen mit sehr hohem Leistungskoeffizienten. Man kann z.B. bei einer Maximaltemperatur der Wärmequelle von 490C und einer Minimaltemperatur der Kältequelle von 110C und einer geothermischen Schicht aus der Wasser von 3o°C entnommen wird, durch optimierung der Durchflußmengen des geothermischen Kreislaufs und der beiden Verteilerkreisläufe für Wärme und Kälte Rücklauftemperaturen zu den Kondensator- und Verdampfersystemen in der Größenordnung von 3o° C erzielen. Man könnte z.B. mit einer Gruppe von 4Wärmepumpenstufen, die 4 parallele Elementarkreisläufe zwischen den Kreisläufen C und D beschicken, diese Wärmepumpen mit den Temperaturdifferenzen zwischen der Wärme- und der Kältequelle betreiben, die in etwa 14,23,31 und 380C betragen. Der Leistungskoeffizient für den gesamten1. The transmissions of circuit A take place with a very high coefficient of performance. You can, for example, at a maximum temperature of the heat source of 49 0 C and a minimum temperature of the cold source of 11 0 C and a geothermal layer from which water of 30 ° C is taken, by optimizing the flow rates of the geothermal circuit and the two distribution circuits for heat and cold Achieve return temperatures to the condenser and evaporator systems in the order of 30 ° C. One could, for example, with a group of 4Wärmepumpenstufen, the 4 parallel elementary circuits between the circuits C and D feed, these pumps operate with temperature differences between the heat and the cold source, which are approximately 14,23,31 and 38 0 C. The coefficient of performance for the whole
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Kreislauf würde für die WärmeVerlagerung etwa 1o und für die Kälteverlagerung etwa 9 betragen, während der Leistungskoeffizient bei ausgeglichenem gemischten Betrieb (Wärme-Kälte-Pumpe) sogar auf 19 steigen könnte.Circuit would be about 1o for the heat transfer and for the Cold displacement is about 9, while the coefficient of performance with balanced mixed operation (heat-cold pump) could even increase to 19.
2. Die von den Wärmepumpen insgesamt aufgenomene elektrische Leistung ist minimal, wegen:2. The total electrical power consumed by the heat pumps Performance is minimal because of:
der hohen Leistungskoeffizienten,the high coefficient of performance,
der Absorption der thermischen Leistungsspitzen durch die Puffer.the absorption of thermal power peaks by the buffers.
3. Die Fläche der Sonnenkollektoren ist minimal, wegen:3. The area of the solar panels is minimal because of:
- ihres Betriebes bei geringer Durchschnittstemperatur (z.B. 18°C),- their operation at a low average temperature (e.g. 18 ° C),
- der maximalen jährlichen Ausnutzung der Sonnenenergie.- the maximum annual utilization of solar energy.
Die bei einer gegebenen Gesamtenergiemenge benötigten Flächen sind etwa 1o χ kleiner als diejenigen, die man benötigt, wenn die Flächen nach der winterlichen Sonneneinstrahlung und für den Betrieb bei der üblichen mittleren Temperatur (von z.B. 4o°C) auslegen würde.The areas required for a given total amount of energy are about 1o χ smaller than those required when the Areas after the winter sun exposure and for operation at the usual average temperature (of e.g. 40 ° C) would interpret.
4. Die Brunnenanlagen für die Ausnutzung des lauwarmen Thermalwassers, wie sie erfindungsgemäss vorteilhafterweise benützt werden können, kosten bei gleicher nutzbarer abgegebener Wärmemenge etwajnur die Hälfte derjenigen für heißes Thermalwasser, das üblicherweise mit Wärmepumpen genutzt wird.4. The well systems for the utilization of the lukewarm thermal water, as used advantageously according to the invention with the same usable amount of heat given off cost about half of those for hot thermal water, which is usually used with heat pumps.
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5. Lauwarme Schichten sind im Überfluß in Sedimentschichten vorhanden und ihre intensive und extensive Ausbeutung ist dank der Wärmerückerstattung möglich. Durch Erhaltung ihres thermischen Energiepotentials ist ihre Verwendung in großem Rahmen für die städtische Wärme- und Kälteversorgung vorstellbar.5. Lukewarm layers abound in sedimentary layers and their intensive and extensive exploitation is possible thanks to the heat recovery. By preserving her thermal energy potential, its use on a large scale for urban heating and cooling is conceivable.
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