DE3044666A1

DE3044666A1 - Waerme-kraft-koppelungsanlage als kleinkraftwerk fuer den hausgebrauch

Info

Publication number: DE3044666A1
Application number: DE19803044666
Authority: DE
Inventors: Karl Günther Dipl.-Ing. 6670 St Ingbert Morath
Original assignee: MORATH KARL GUENTHER
Current assignee: MORATH KARL GUENTHER
Priority date: 1980-11-27
Filing date: 1980-11-27
Publication date: 1982-07-08

Description

Wärme-Kraft-Konnelungsanlage als Kleinkraftwerk für den
Hausgebrauch Die Erfindung betrifft eine Wärme-Kraft-Koppelungsanlage als Kleinkraftwerk für den Hausgebrauch, bestehend aus einer Stromerzeugungsanlage mit Brennkraftmaschine und Generator, sowie mit Wärmeaustauschern zur Nutzung der Abwärme des kühlwassers und der Abgase der Brennkraftmaschine für Heizzwecke, wobei die Wärmeaustauscher sekundärseitig im Kreislauf des Heizmediums (Wasser oder Luftj angeordnet sind Derartige Kleinkraftuerke gewinnen im Zuge der destrebungen zur Einsparung von Primärenergie steigende Bedeutung. Sie sind unter der Bezeichnung "TOTEM" (Total Energie Modul) bekannt und ermöglichen eine Energieausbeute von über 90 ,p davon 26 @ hochwertige Elektrizität. Die Wirkungsweise derartiger anlagen besteht darin, daß dem Kühlwasser und den Ab@asen der Brennkraftmaschine über Wärmeaustauscher wärme entzogen wird, die im Hauswärmenetz in die zu heizenden Räume @@führt und/oder zum Erwärmen von Brauchwasser benutzt wird. Da jegoch der Stromgenerator mehr Strom erzeugen kann als es der Einenbedarf an Licht- und kraftstrom im Bause erfordert, muß der verbleibende Teil des erzeugten Stromes in das all@gemeine Stromnetz zurückgespeist werden. Diese Notwendigkeit ergibt sich auch daraus, daßimmer eine genügend hohe Belastung der Brennkraftmaschine erforderlich ist, um genügend Abwärme für Heizzwecke zu liefern, er Eigenbedarf an Strom hingegen starken Schwankungen unterliegt.
Die notwenige und zwangläufige zeitweise Rückspeisung von überschüssigem Strom in das allgemeine Stromnetz ist nun ein Grund dafür, dan sich die Wärme-Kraft-Koppelungsanlagen noch nicht durchqesetzt haben, obwohl sie eine extrem hohe Energieausbeute versprechen. Zunächst einmal qeht die Erzeugung van elektrischer Energie in Kleinkraftwerkrn fir den Hausnebrauch auf Kosten des Stromabsatzes der Elektrizitätswerke. Wesentlicher jedoch sollten die Forderungen sein, die bei einer Rückspeisung von strom in ds allgemeine Stromnetz eingehalten werden müssen. Diese Forderungen sind 1. gleichbleibende Spannung (Drehstrom 380 V) 2. gleiche Fraquenz (50 Hz), 3. Phasensynchronität.
Die Einhaltung dieser Forderungen stellt einen erhöhten berwachungsaufwand dar seitens der Elektrizitätswerke, der in keinem Werhssltnis zu den abgegebenen Strommengen steht.
Jer Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Warme-Kraft-Koppelungsanlage als Kleinkraftwerk für den H2usgebraucn zu schaffen, das @undertprozentig eigengenutzt ist und höchstens Strom aus dem allgemeinen Stromnetz bezieht, nicht aber überschüssigen Strom in das allgemeine Stromnetz zurilckspeisen muß. Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemaß der Erfindung darin, daß das Heizmedium, mit dem die Heizanlage des Hauses betrieben wird, d.h. Wasser oder Luft, wahlweise durch die Wärmeaustauscher oder durch ein zentrales, vom Strom des Generators aufladbares Speicherheizgerät leitbar ist.
Auf diese Weise ist es möglich, die überschüssige Strommenge des Generators ausschließlich zum Aufladen des zentralen speicherheizgerätes zu nutzen und somit zu speichern, um dann in Zeiten geringen Eiqenbedarfs an Strom, z.B. nachts, die Stromerzeugungsanlage still zu setzen und die Heizwärme aus dem @peicherheizgerät zu entnehmen. Ein Eigenstrombedarf währen: dieser Zeit wird durch das angeschlossene allgemeine Leitungsnetz gedeckt Wegen das Weqfalls der Rückspeisung überschüssioer Stromerzeugunq in das allgemeine Stromleitungsnetz werden die Anforderungen an die Höhe der im Generator erzeugten Spannung und Frequenz qeringer. ie Forderung nach der Phasensynchronität entfällt ganz. Ferner ist durch die Einschaltung eines Speicherheizgerätes innerhalb des Kreislaufes des Heizmediums parallel zu den Wärmeaustauschern die Möglichkeit gegeben, die Brennkraftmaschzne mit Generator über lnngere Zeiträume still zu setzen, in denen die Speicher wärme des Speicherheizgerätes abgebaut wird. Wenn beispielsweise im Sommer nicht geheizt wird, wird der Ligenbedarf an Strom ausschließlich aus dem allgemeinen Stromnetz entnommen.
es sei denn, die Stromerzeugunqsanlsqe wird zur Erzeugung von warmem Brauchwasser zeitweise einqeschaltet. Normalerweise ist jedoch die Betriebsweise der Warme-Kraft-Koppelunqsanlane nemn der Erfindunq derart, daß die Stromerzeugungsanlaqe wqhrend zweier Zeitintervalle in Betrieb ist und unter Beheizung der Räume über Abwärme das Speicherheizgerät aufgeladen wird, wogegen die Stromerzeugungsanlage über ein Zeitintervall still steht, bei dem aus dem speicherheizgerät geheizt wird und Strom aus dem allgemeinen Stromnetz entnommen wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patenansprüchen 2 bis 5 angegeben, deren Merkmale in der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung näher erläutert werden.
In der Zeichnung ist eine Wärme-Kraft-Koopelungsanlage als Kleinkraftwerk für ein Wohnhaus in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Im Keller des Hauses befindet sich eine Stromerzeugungsanlage, bestehend aus einem Sas- oder Dieselmotor 1 mit Stromgenerator 2. Das Kühlwasser des Motors wird über ein Leitungssystem 3 einem Wärmeaustauscher h nrimirseitig zugeführt, in den auch die Abgase des Motors über ein Leitungssystem 5 primärseitiq eingeleitet sind. Die abgekühlten Abgase werden über den Kamin 6 des Hauses ins Freie geleitet.
er Wärmeaustauscher 4 hat also zwei Primärsysteme in Hinter einanderschaltung, wobei das zu erwärmende Heizmedium, im Ausführungsbeispiel Wasser, über den Zulauf 7 eintritt und unter umlenkung durch eine Querwand 8 im Ablauf 9 wieder austritt. Der Wärmeaustauscher 4 erfüllt somit die Funktion von zwei hintereinandergeschalteten Wärmeaustauschern und könnte auch aus solchen bestehen.
ier Zulauf 7 für ins Heizwasser kommuniziert mit dem Rück-Laufsystem 10 des Heizkörpers 11, der selbverständlich für eine Mehrzahl von Heizkörpern im Hause steht. Der erwärmtes Heizwasser führende Ablauf 9 kommuniziert mit dem sogenannten Vorlauf 1? der Heizungsanlage.
Vom Generator 2 führt eine Stromleitung 13 über ein Schaltgerät 14 zum allgemeinen Stromnetz 15, wobei das Schaltgerät 14 die Aufgabe hat, das allgemeine Leitungsnetz 15 bei stillstehender Stromerzeugungsanlage über einen Zahler auf das durch eine Lampe 16 versinn@ildlichte hauseiqene Stromnetz oder die Generatorleitung 13 (ohne Zähler) auf dieses hauseigene Stromnetz 16 zu schelten.
@ies alles ist im Prinzip bekannt. Neu ist die Anordnung eines elektrischen Speicherheizgerätes 18 als Zentralneizungs-Kessel für wasserheizung innerhalb des Heizwasser-Kreislaufes 10, 11, 12 in Parallelschaltung zum Wärmeaustauscher 4. Hierzu geht im Ausführungsbeisoiel die Rücklaufleitung 1ü in eine Ronrverzweigung 19 über, sodaß die Rücklaufleitung 10 se@@hl mit t dem Zulauf 7 zum Wärmeaustauscher 4 als auch über den Zulauf 7' zur Sekundärseite des Speicherheizgerätes 18 kommuniziert.
Von den parallelgeschalteten Abläufen 9 und 9' führen @eitungen 20 und 21 zu einem Umschaltventil 22, das wahl weise entweder die Leitung 20 oder die Leitung 21 mit dem Vorlauf 12 des H eizungssystems verhindert. Die Heizelemente 23 des Speicherheizgerätes 1H sind an die Stromleitung 13 des Senerators 7 angeschlossen, ebenso der Elektromagnet 24 des Umschaltventils 22, das den Steuerkolben des Umschaltventils entgegen dem Druck einer Feder 25 umzuschalten vermag. @as Umschaltventil 22 1 iegt im nusführunqsbeisniel im Vorlauf 12 des Heizungssvstems.
m zentralen Speicherheizgerät 1 ß ist ein Temperaturfühler 26 @ngeordnet, dessen bei Vollspeicherung des Speicherheizgeräte maximaler Meßwert über ein Schaltgerät 27 das Abschalten der @rennkraftmaschine 1 und dessen bei entladenem Speicherheiz- @erät minimaler Meßwert das Anlassen der Brennkraftmaschine 1 bewirkt.
@ie Wirkungsweise der beschriebenen Wärme-Kraft-koppelungs @@@@@ ist folgende: Zu Beginn der Heizperiode wird der Motor 1 und damit die Stromerzeugungsanlage in Betrieb genommen, wodurch Strom erzeugt una das Heizwasser durch Motor-Abwärme im Wärmeaustauscher (4 erwärmt wird. Das Umschaltventil 22 steht dabei in der darnestellten Schaltstellung und gibt den Wasserkreislauf über 9, 21, 12, 10, 7 frei. Diese Schaltstellung des Umschaltventils @2 ergibt sich aus dem Einschaltzustand des Elektromagneten @@, der zu len Heizelementen 23 des Speicherheizger@tes 18 über eine Zweinleigung 28 parallelgeschaltet ist und somit immer dann erregt ist, wenn der Generator 2 über die Stromleitung 13 Spannung liefert.
Ist die Vollsspeicherung des Speicherheizgerätes 18 erreicht lifrt der Temperaturfühler 26 einen Maximalwert, der iber das Schaltgerät 27 den Motor 1 still setzt. Ja gleichzeitig die Stromlieferung aufhört, fällt der Elektromagnet 24 ab, sodeß der Steuerkolben des Umschaltventils 22 unter dem Druck der Feder 25 umgeschaltet ist und das Heizwasser nunmehr über die Rohrabzweigung 19, den Zulauf 7' und den Ablauf 9' durch das Speicherheizgerät geht und dort eruärmt wird.
Ist das Speicherheizgerät 18 entladen, liefert der Temperat@rfühier 26 einen Minimalwert, der über das Schaltgerät 27 ein @nlassen des @otors bewirkt, wonach ein Zyklus abgeschlossen ist. Es wird angenommen, daß auf zwei Zeitintervalle mit Heizung über Abwärme (Wärmeaustauscher 4) ein Zeitintervall mit Heizung durch Speicherwärme kommt, wobei die Jmsch@ltzeibpunkte zwischen den Zeitintervallen vom Tagesablauf unabhängig sind. Entscheidend für das Inbetriebsetzen der Stromerzeuqungsanlage 1, 2 ist der Entladezustand des Speicherheizgerätes 18 bzw. dessen Vollspeicherung. Bei Heizung über Abwärme geht eine überschüssige Strommenge restlos in des Speicherheizgerät 18, sodaß eine Rückspeicherung in das allgemenie Stromnetz 15 entfällt. Ist die @tromerzeugungsanlage bei Heizung über öpeicherwirme stillgesetzt, wird der Strombedarf für das I-Iausnetz 16 aus dem allgemeinen Stromnetz 15 entnommen. Für elektrische Geräte, die an eine genaue Frequenz der Wechselspannung gebunden sind, wie z.B. Fernsehgeräte oder computergesteuerte Waschmaschinen, ist eine ständige Stromversorgung aus dem allgemeinen Stromnetz 15 auch bei in Betrieb befindlicher hauseigener Stromerzeugungsanlage 1 2 vorzusehen.
Ls versteht sich, daß die Ifeizungsanlage mit einer Umwärnpumpe sowie einer Steuerung über Raumthermostat in konventioneller Weise versehen werden kann. Als Speicherheizgerät 18 wird ein Elektro-Speicherheizkessel mit zonenweiser Entladung und temperaturgesteuerter Ventilanordnung nach der DE-PS 20 30 833 empfohlen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Wärme-Kraft-Koppelungsanlage als Kleinkraftwerk für den Hausgebrauch, bestehend aus einer Stromerzeugungsanlage mit Brennkraftmaschine und Generator, sowie mit Wärmeaustauschern zur Nutzung der Abwärme des Kühlwassers und der nbase der Brennkraftmaschine für Heizzwecke, wobei die Wärmeaustauscher sekundärseitin im Kreislauf des Heizmediums Xisser oder Luft) angeordnet sind, dadurch qekennzeichnet, 8ß das Heizmedium wahlweise durch die Wärmeaustauscher (4) oder durch ein zentrales vom Strom des Generators (2) aufladbares Speicherheizgerät (18) leitbar ist.
2. Merme-Kraft-Koppelunqsanlaqe nach anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Umschaltventil (22) im Kreislauf des Heizmediums zum Leiten des Heizmediums entweder durch die Wärmeaustauscher (4) oder das zentrale, aufneladene Speicherheizgerät (18), wobei das Umschaltventil den Kreislauf über (19, 7', 9', 20) das Speicherheizgerät selbsttatiq öffnet und den anderen Kreislauf (19, 7, 9, 21) schließt, sobald der Generator 2) nebst @rennkraftmaschine (1) bei aufgeladenem Speicherheizgerät stillgesetzt sind.
3. Wärme-Kraft-Koppelungsnalage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltventil (22) ein 3-Wege-Ventil mit elektromaqnetischer Umschaltung entqeqen Federdruck ist und der Elektromagnet (24) zu den Heizelementen (23) des zentralen Speicherheizgerätes (18) prallelgeschaltet ist.
4. Wärme-Kraft-Koppelungsnalage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß-das Umschaltventil (22) im Vorlauf (12) des Leitunnssystems für das Heizmedium angeordnet ist.
5. Wärme-Kraft-Koppelungsnalege nach Anspruch 1, gekennzeichnet durcn einen am zentralen Speicherheizgerät (18) angeordneten Temperaturfühler (26), dessen bei Vollspeicherunq maximaler Meßwert über ein Schaltgerät (27) das Abschalten der Brennkraftmaschine (1) und dessen bei entladenem Speicherheizgerät minimaler Meßwert das Anlassen der Brennkraftmaschine bewirkt.