DE4428095C2 - Wärmespeichersystem eines Fernwärmenetzes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichersystem eines Fernwärmenetzes, umfassend zumindest einen Wasserspeicher, der über Leitungen mit ei­ ner Fernwärmenetz-Vorlaufleitung und einer Fernwärmenetz-Rücklauflei­ tung verbunden ist, wobei in die Leitungen zum wechselseitigen Fördern von heißem und kaltem Wasser zumindest eine Maschine eingesetzt ist.

Bisher bekannte Wasserspeichereinbindungen nutzen entweder beim La­ den und Entladen des Wasserspeichers die Druckdifferenz zwischen Netz und Wasserspeicher nicht, dass heißt, die zuvor aufgewendete Energie zur Druckerhöhung wird durch Drosselung in einer Armatur abgebaut und geht damit dem Prozess verloren.

Oder es werden zwei getrennte Maschinen eingesetzt, eine Pumpe und eine separate Turbine zur Rückgewinnung der Druckenergie. Dadurch entsteht allerdings ein höherer Aufwand an Maschinen, Armaturen und Rohrleitungen.

Ein derartiges Wärmespeichersystem ist aus der Zeitschrift: "Fernwärme International", Jahrgang 8.1979, Heft 1, Seite 20 ff bekannt. Das in dieser Zeitschrift beschriebene Wärmespeichersystem weist als Maschinen un­ ter anderem eine Pumpe und eine Turbine auf, die durch eine Koppel­ welle miteinander verbunden sind. Dabei wird die Pumpe drehzahlge­ regelt von einem Elektromotor angetrieben. Bedingt durch eine im Betrieb der Pumpe und der Turbine sich einstellende Differenz des Durchflusses durch die beiden Maschinen ist ein Ausdehnungsgefäß erforderlich, das in die Pumpenleitung eingeschaltet ist. Dadurch, dass die Pumpe und die Turbine wechselseitig in die Fernwärmenetz-Vorlaufleitung und die Fern­ wärmenetz-Rücklaufleitung fördern müssen, ist ein aufwendiges Leitungs­ system mit einer entsprechenden Anzahl von Absperrschiebern notwen­ dig, die die verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten gewährleisten müs­ sen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmespeichersystem für ein Fernwärmenetz bereitzustellen, bei dem die Förderung von heißem und kaltem Wasser zwischen den Fernwärmenetz-Leitungen und dem Wasserspeicher gegenüber dem Stand der Technik bezüglich Bauauf­ wand und Betreibungsenergie verringert ist.

Die Aufgabe wird bei einem Wärmespeichersystem nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Maschine eine hydraulische Strömungsmaschine ist, die wechselweise im Pumpenbetrieb oder im Turbinenbetrieb betreibbar ist. Dabei ist also nur noch eine einzige Strömungsmaschine erforderlich. Dadurch, dass diese wechselweise betreibbar ist, kann darüber hinaus auf aufwendige umschaltbare Verbin­ dungen des Wasserspeichers mit dem Fernwärmenetz verzichtet werden. Diese Strömungsmaschine kann beispielsweise in eine Vorlaufleitung, die den Wasserspeicher mit dem Fernwärmenetz verbindet, eingesetzt sein. Selbstverständlich ist es auch vorgesehen, zwei Strömungsmaschinen vorzusehen, wobei dann die erste Strömungsmaschine in die Vorlauf­ leitung und die zweite Strömungsmaschine in eine Rücklaufleitung zu dem Wasserspeicher eingesetzt wird. Auch ist es für bestimmte Anwen­ dungen vorgesehen, zwei oder mehr Maschinen beispielsweise ver­ schiedener Größe parallel oder seriell zu schalten. Dies kann besonders aus Wirtschaftlichkeitsüberlegungen oder wegen erwünschter Redundanz sinnvoll sein. Im übrigen ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich und vorgesehen, mehrere Wasserspeicher vorzusehen, die miteinander gekoppelt werden. Dadurch kann in einfacher Art und Weise eine Erhöhung des Speichervolumens erreicht werden, ohne das der Bauaufwand für den Einzelwasserspeicher zu groß wird.

In Weiterbildung der Erfindung sind zumindest zwei Strömungsmaschinen vorgesehen, wobei die erste Strömungsmaschine als Pumpe und Turbine und die zweite Strömungsmaschine als Pumpe ausgebildet und getrennt voneinander betreibbar sind. Die zum Beladen (Fördern von heißem Wasser in den Wasserspeicher) und Entladen (Fördern von heißem Wasser aus dem Wasserspeicher in die Fernwärmenetz-Vorlaufleitung) des Wasserspeichers verwendeten Maschinen sind also ggfs. beide als Pumpe und Turbine verwendbar, so dass eine aufwendige Verbindung der Maschinen jeweils mit der Fernwärmenetz-Vorlaufleitung und der Fernwärmenetz-Rücklaufleitung unterbleiben kann und die jeweilige Ver­ bindung mit nur einer Leitung ausreichend ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine mit der ersten Strömungsmaschine gekoppelte elektrische Maschine vorgesehen, die im Pumpenbetrieb motorisch oder im Turbinenbetrieb generatorisch betreibbar ist. Dadurch kann beim Turbinenbetrieb eine hohe Energierückgewinnung erzielt wer­ den.

In Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Maschine drehzahl­ regelbar, insbesondere nach Art einer Umrichtermaschine. Dabei wird die elektrische Maschine sowohl im motorischen als auch generatorischen Betrieb drehzahlgeregelt von einem Umrichter gespeist. Eine derartige Umrichtermaschine lässt sich sehr gut regeln, so dass beispielsweise zwei unabhängige Maschinen (Strömungsmaschinen, Pumpen) bezüglich eines gleichen Durchflusses so genau einregelbar sind, dass die später beschriebene Druckregelung des Netzes übernommen werden kann. Dabei braucht grundsätzlich nur einer der beiden elektrischen Maschinen ein Umrichtermotor zu sein. Natürlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, beide beziehungsweise alle elektrischen Maschinen als Umrichtermotoren auszubilden. Weiterhin ist mit einer Um­ richtermaschine bei generatorischen Betrieb eine hohe Energierück­ gewinnung möglich. Dadurch können 30% bis 50% der eingebrachten Energie zurückgewonnen werden, wobei das Druckgefälle zwischen dem Fernwärmenetz und dem Wasserspeicher genutzt wird. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, für bestimmte Anwendungen eine mechanische oder hydraulische Drehzahlregelung der Strömungsmaschine vorzu­ sehen.

In Weiterbildung der Erfindung ist die erste Strömungsmaschine in einer Vorlaufleitung eingesetzt, die in den Wasserspeicher im Bereich unterhalb des maximalen Wasserstandes des heißen Wassers mündet. Die zweite Leitung ist in entsprechender Weiterbildung als Rücklaufleitung ausgebil­ det, die in den Bodenbereich des Wasserspeichers mit kaltem Wasser mündet und wobei in die Rücklaufleitung die von einem Elektromotor an­ treibbare zweite Strömungsmaschine eingesetzt ist. Diese Kombination hat sich als günstige Zusammenstellung für eine sehr flexible Fahrweise des Wärmespeichersystems bezüglich der Wasseraustauschmenge bei unterschiedlichen Druckverhältnissen erwiesen.

In Weiterbildung der Erfindung wird beim Betrieb der nur als Pumpe be­ treibbaren zweiten Strömungsmaschine (Laden des Wasserspeichers) die erste Strömungsmaschine im Turbinenbetrieb betrieben. Andererseits wird in Weiterbildung der Erfindung beim Betrieb der ersten Strömungs­ maschine als Pumpe (Entladen des Wasserspeichers) ausschließlich diese betrieben. Diese Kombination hat sich in der Praxis als sehr günstig erwiesen. Beim Laden des Wasserspeichers zu Zeiten, wenn ein Über­ schuss an heißem Wasser in dem Fernwärmenetz zur Verfügung steht, wird dieses heiße Wasser aus der Fernwärmenetz-Vorlaufleitung in den Wasserspeicher geleitet. Da das heiße Wasser in der Fernwärmenetz- Vorlaufleitung unter einem hohen Druck steht, musste es bei bisherigen Lösungen gedrosselt in den Wasserspeicher eingeleitet werden. Durch die erfindungsgemäße Einleitung des heißen Wassers unter Antrieb einer Speicherturbine zur Erzeugung von Energie können je nach Ausbildung des Gesamtsystems 30% bis 50% der Motorleistung des Elektromotors durch die Turbinenleistung zurückgewonnen beziehungsweise erzeugt werden.

Die zuvor angesprochene Druckregelung in dem Fernwärmenetz erfolgt derart, dass der Fernwärmenetzdruck erhöht wird, indem der Fernwärme­ netz-Vorlaufleitung mehr Wasser zugeführt als der Fernwärmenetz-Rück­ laufleitung entnommen wird und dass der Fernwärmenetzdruck verringert wird, indem der Fernwärmenetz-Rücklaufleitung mehr Wasser entnom­ men als der Fernwärme-Vorlaufleitung zugeführt wird. In einer bevorzug­ ten Ausführungsform wird der Fernwärmenetzdruck erhöht, indem beim Betrieb der ersten Strömungsmaschine im Pumpenbetrieb der Durchfluss durch die Rücklaufleitung in den Wasserspeicher gedrosselt wird und der Fernwärmenetzdruck wird verringert, indem beim Betrieb der Strömungsmaschine im Turbinenbetrieb die zweite Strömungsmaschine gedrosselt betrieben wird.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind in die Vor­ laufleitung die erste Strömungsmaschine und in die Rücklaufleitung die zweite Strömungsmaschine eingesetzt und die erste Strömungsmaschine und die zweite Strömungsmaschine über je eine Bypassleitung umgeh­ bar. Die Vorlaufleitung und die Rücklaufleitung sind über eine Verbin­ dungsleitung verbunden, und schließlich sind in die Vorlaufleitung und in die Rücklaufleitung Drossel- und Absperrschieber eingesetzt. Diese Kom­ bination hat sich als besonders leistungsfähig bei geringem Aufwand er­ wiesen.

Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärme­ speichersystems eine erhebliche Verringerung des Bauaufwands erzielt und es werden Investitionskosten eingespart, da weniger Armaturen, Rohrleitungen und Maschinen mit Antrieben benötigt werden. Gleichzeitig kann das derartig ausgebildete Wärmespeichersystem mit weniger Energie betrieben werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungs­ beschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Wärmespeichersystem eines Fernwärmenetzes mit einer hy­ draulischen Strömungsmaschine zum Laden und Entladen des Wasserspeichers und

Fig. 2 ein Wärmespeichersystem eines Fernwärmenetzes mit einer ersten hydraulischen Strömungsmaschinen und einer zweiten Strömungsmaschine zum Laden und Endladen des Wasser­ speichers.

Fig. 1 zeigt die Einbindung des erfindungsgemäßen Wärmespeicher­ systems in ein Fernwärmenetz. Das Fernwärmenetz weist eine Fernwär­ menetz-Vorlaufleitung 1 und eine Fernwärmenetz-Rücklaufleitung 2 auf. Diese beiden Fernwärmenetz-Leitungen 1, 2 sind mit den verschieden­ sten Verbrauchern 3 verbunden. Weiterhin ist eine erste Fernwärmeer­ zeugungsanlage 18 vorhanden, die mit der Fernwärmenetz-Vorlaufleitung 1 und mit der Fernwärmenetz-Rücklaufleitung 2 unter Einfügung von Absperrarmaturen 4', 4" verbunden ist. Das erwärmte Wasser wird aus der Fernwärmeerzeugungsanlage 18 von einer Fernwärmeerzeugungs­ anlagenpumpe 19 in die Fernwärmenetz-Vorlaufleitung 1 eingespeist. Bei Bedarf ist (sind) noch ein oder mehrere Ferwärmeerzeugungsanlage(n) 18', die unterschiedliche Leistungen haben können, ebenfalls über Absperrarmaturen 4', 4" und über eine oder mehrere Fernwärmeer­ zeugungsanlagenpumpen 19 in das System eingeschaltet.

Ein Wasserspeicher 5 ist über Leitungen mit der Fernwärmenetz-Vorlauf­ leitung 1 und der Fernwärmenetz-Rücklaufleitung 2 verbunden, wobei die Leitungen eine Vorlaufleitung 6 und eine Rücklaufleitung 7 sind. In dem Wasserspeicher 5 ist sowohl kaltes Wasser 8 als auch heißes Wasser 9 eingefüllt. Das kalte Wasser 8 befindet sich im Bodenbereich des Was­ serspeichers 5 und ist durch eine Trennschicht 10 von dem im oberen Be­ reich des Wasserspeichers 5 befindliche heiße Wasser 9 getrennt. Beim wechselseitigen Austausch von kaltem Wasser 8 und heißem Wasser 9 aus bzw. in den Wasserspeicher 5 verschiebt sich somit die Trennschicht 10 innerhalb des Wasserspeichers 5, ohne dass es zu einer wesentlichen Vermischung des kalten Wassers 8 und des heißen Wassers 9 kommt.

In die Vorlaufleitung 6 ist eine erste hydraulische Strömungsmaschine 11 eingesetzt, die wechselweise im Pumpenbetrieb oder im Turbinenbetrieb betreibbar ist. Dabei ist die erste Strömungsmaschine 11 mit einer elektrischen Maschine 12 gekoppelt, die wahlweise im Pumpenbetrieb der Strömungsmaschine 11 motorisch und im Turbinenbetrieb generatorisch betreibbar ist. Dabei ist die Maschine 12 speziell eine Umrichtermaschine. Die erste Strömungsmaschine 11 ist über eine Bypassleitung 15 umgeh­ bar. Die Bypassleitung 15 ist durch ein elektrisch betreibbares, regelbares Absperrventil 16 verschließbar. Weitere Absperrventile sind darüber hinaus in der Rücklaufleitung 7 und der Vorlaufleitung 6 eingesetzt. Diese Absperrventile dienen insbesondere zum Absperren von Leitungsteilen beispielsweise bei einer Reparatur oder Wartung an dem System. So­ lange die Solltemperatur der Fernwärmenetz-Vorlaufleitung 1 nicht deut­ lich über der Temperatur des heißen Wassers aus dem Wasserspeicher 5 liegt, wird vom Wasserspeicher 5 heißes Wasser in die Fernwärmenetz- Vorlaufleitung 1 eingespeist. Ist die Differenz zwischen Vorlauftemperatur und Temperatur des heißen Wassers aus dem Wasserspeicher 5 zu groß, so kann über eine Leitung 20 in die Fernwärmenetz-Rücklaufleitung 2 eingespeist werden, um eine unzulässige Temperaturabsenkung der Fernwärmenetz-Vorlaufleitung 1 zu vermeiden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist zusätzlich zu Fig. 1 in der Rücklaufleitung 7 eine als Pumpe ausgebildete zweite Strömungsma­ schine 13 auf, die von einem Elektromotor 14 angetrieben wird. Dabei ist diese zweite Strömungsmaschine 13 ebenfalls über eine Bypassleitung 15' umgehbar. Die Bypassleitung 15' ist auch hier von einem regelbaren Absperrventil 16' sperrbar. Zudem ist bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen die Vorlaufleitung 6 und die Rücklaufleitung 7 eine über ein Ab­ sperrventil geregelt sperrbare Verbindungsleitung 17 eingeschaltet. Diese Verbindungsleitung 17 wird insbesondere geöffnet, wenn beim Laden des Wasserspeichers 5 das von der Fernwärmenetz-Vorlaufleitung 1 in den Wasserspeicher 1 einzufüllende Wasser über 100° Celsius heiß ist. In diesem Fall wird die Verbindungsleitung 17 soweit geöffnet, um soviel kaltes Wasser aus der Fernwärmenetz-Rücklaufleitung 2 hinzuzumischen, bis das in den Wasserspeicher einzufüllende Wasser maximal 100° Celsius heiß ist.

Betrieben wird das Wärmespeichersystem derart, dass beim Laden des Wasserspeichers 5 heißes Wasser durch die Vorlaufleitung 6 in den Wasserspeicher 5 geleitet wird. Dabei treibt das in den Wasserspeicher 5 geleitete heiße Wasser die erste Strömungsmaschine 11 an und erzeugt über die generatorisch betriebene elektrische Maschine 12 elektrische Energie. Zusätzlich kann die zweite Strömungsmaschine 13 betrieben werden, um kaltes Wasser aus dem Wasserspeicher 5 herauszupumpen.

Umgekehrt wird beim Entladen des Wasserspeichers 5 heißes Wasser 9 aus dem Wasserspeicher 5 in die Fernwärmenetz-Vorlaufleitung 1 ge­ pumpt. Dies geschieht ebenfalls durch die erste Strömungsmaschine 11, die in diesem Fall von der motorisch betriebenen elektrischen Maschine 12 angetrieben wird. Gleichzeitig strömt dann kaltes Wasser 8 in den Wasserspeicher 5. In diesem Fall kann die Bypassleitung 15' zur Um­ gehung der zweiten Strömungsmaschine 13 geöffnet werden, um die Strömungswiderstände möglichst gering zu halten. Bei einem hohen Netzdruck ist auch hier Energierückgewinnung möglich, wenn die zweite Strömungsmaschine 13 von der gleichen Bauart wie die erste Strömungsmaschine 11 ist.

Claims (11)

1. Wärmespeichersystem eines Fernwärmenetzes, umfassend zumin­ dest einen Wasserspeicher, der über Leitungen mit einer Fernwärmenetz- Vorlaufleitung und einer Fernwärmenetz-Rücklaufleitung verbunden ist, wobei in die Leitungen zum wechselseitigen Fördern von heißem und kaltem Wasser zumindest eine Maschine eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine hydraulische Strömungsmaschine (11) ist, die wechselweise im Pumpenbetrieb oder im Turbinenbetrieb betreibbar ist.

2. Wärmespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Strömungsmaschinen vorgesehen sind, wobei die erste Strömungsmaschine (11) als Pumpe und Turbine und die zweite Strömungsmaschine als Pumpe (13) ausge­ bildet und getrennt voneinander betreibbar sind.

3. Wärmespeichersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der ersten Strömungsmaschine (11) gekoppelte elektrische Maschine (12) vorgesehen ist, die im Pumpenbetrieb motorisch oder im Turbinenbetrieb generatorisch betreib­ bar ist.

4. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) drehzahl­ regelbar, insbesondere nach Art einer Umrichtermaschine ist.

5. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsmaschine (11) in einer Vorlaufleitung (6) eingesetzt ist, die in den Wasserspeicher (5) im Bereich unterhalb des maximalen Wasserstandes des heißen Wassers (9) einmündet.

6. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Leitung als Rücklaufleitung (7) ausgebildet ist, die in den Bodenbereich des Wasserspeichers (5) mündet und dass die zweite Strömungsmaschine (13) in die Rücklauflei­ tung (7) eingesetzt und von einem Elektromotor (14) antreibbar ist.

7. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der zweiten Strömungs­ maschine (13) (Laden des Wasserspeichers (5)) die erste Strö­ mungsmaschine (11) im Turbinenbetrieb betrieben wird.

8. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der ersten Strömungs­ maschine (11) im Pumpenbetrieb (Entladen des Wasserspeichers (5)) ausschließlich die erste Strömungsmaschine (11) betrieben wird.

9. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckregelung in dem Fernwärme­ netz derart erfolgt, dass der Fernwärmenetzdruck erhöht wird, indem der Fernwärmenetz-Vorlaufleitung (1) mehr Wasser aus dem Wasserspeicher (5) zugeführt als der Fernwärmenetz-Rücklaufleitung (2) entnommen wird und dass der Fernwärmenetzdruck verringert wird, indem der Fern­ wärmenetz-Rücklaufleitung (2) mehr Wasser entnommen als der Fern­ wärme-Vorlaufleitung (1) zugeführt wird.

10. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckregelung in dem Fernwärme­ netz derart erfolgt, dass der Fernwärmenetzdruck erhöht wird, indem beim Betrieb der ersten Strömungsmaschine (11) im Pumpenbetrieb der Durchfluss durch die Rücklaufleitung (7) in den Wasserspeicher (5) ge­ drosselt wird und dass der Fernwärmenetzdruck verringert wird, indem beim Betrieb der ersten Strömungsmaschine (11) im Turbinenbetrieb die zweite Strömungsmaschine (13) gedrosselt betrieben wird.

11. Wärmespeichersystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vorlaufleitung (6) die erste Strömungsmaschine (11) und in die Rücklaufleitung (7) die zweite Strömungsmaschine (13) eingesetzt sind, dass die erste Strömungs­ maschine (11) und die zweite Strömungsmaschine (13) über je eine By­ passleitung (15', 15") umgehbar sind, dass die Vorlaufleitung (6) und die Rücklaufleitung (7) über eine Verbindungsleitung (17) verbunden sind, dass in die Vorlaufleitung (6) und in die Rücklaufleitung (7) Drossel- und Absperrschieber (18', 18") eingesetzt sind.