DE60021137T2 - Vorrichtung mit Wärme-Kraftkupplung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit einer Energieerzeugungsausrüstung und insbesondere auf eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung, die in der Lage ist, thermische Energie in Antwort auf veränderliche Wärmeanforderungen angemessen zuzuführen.
  • Zuletzt wurden Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtungen im Hinblick auf eine Bewahrung der globalen Umwelt fokussiert, die als Vor-Ort-Energieerzeugungseinrichtungen zum Erzeugen elektrischer Energie und zum gleichzeitigen Verteilen von Warmwasser unter Einsatz einer Energiequelle wie eines Gasmotors, der mit Stadtgas versorgt wird, eingesetzt. Eine solche Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung umfasst eine besondere Einrichtung zum Minimieren jeglicher Verluste thermischer Energie, da es nicht immer erforderlich ist, dass die während der Erzeugung elektrischer Energie erzeugte Wärme unmittelbar verbraucht wird, obgleich sie bereit ist, auf Nachfrage entnommen zu werden. Beispielsweise umfasst ein in der japanischen Patentoffenlegungsschrift (Hei) 8-4586 offenbartes Kraft-Wärme-Kopplungssystem einen Warmwasserspeichertank zum Speichern eines Volumens von Warmwasser, das durch die thermischen Energie erwärmt worden ist, welche durch einen Stromgenerator erzeugt worden ist.
  • Das in der Veröffentlichung offenbarte, herkömmliche Kraft-Wärme-Kopplungssystem besitzt einen Vorteil, dass die thermische Energie gespeichert wird, und nicht in der Luft verschwendet wird, und wird somit ermöglichen, jegliche Nachfrage einer Wärmezufuhr zu befriedigen, die außerhalb des Betriebes zur Stromerzeugung auftritt. Es ist allerdings erforderlich, eine Vielzahl unterschiedlicher Nachfragen zu erfüllen, einschließlich der Zufuhr von Warmwasser und der Anforderung des Erwärmens, wobei auf jede Variable der Nachfrage der thermischen Energie separat reagiert wird. Das Problem ist, dass jedes der herkömmlichen Kraft-Wärme-Kopplungssysteme kaum in der Lage ist, einer Anzahl variabler Nachfragen für die thermische Energie nachzukommen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine herkömmliche Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, thermische Energie angemessenen in Antwort auf eine Mehrzahl getrennter Nachfragen zum Zuführen der Wärmeenergie zuzuführen.
  • Als ein erstes Merkmal der vorliegenden Erfindung sind vorgesehen ein Stromgenerator, ein Warmwasserspeichertank zum Speichern eines ersten Warmwassers, das durch eine Abwärme von dem Stromgenerator erwärmt ist, einen ersten Wärmetauscher, der in dem Warmwasserspeichertank zum Erzeugen des ersten Warmwassers vorgesehen ist, einen zweiten Wärmetauscher, der oberhalb des ersten Wärmetauschers in dem Warmwasserspeichertank zum Abziehen von Wärme von dem ersten Warmwasser vorgesehen ist, um ein zweites Warmwasser zu erzeugen, einen ersten Temperatursensor, der zwischen dem obersten Ende des ersten Wärmetauschers und dem untersten Ende des zweiten Wärmetauschers vorgesehen ist, und einen Controller, der auf eine durch den ersten Temperatursensor erfasste Temperatur reagierend zum Steuern des Betriebes des Stromgenerators angeordnet ist.
  • Als ein zweites Merkmal umfasst die vorliegende Erfindung einen zweiten Temperatursensor, der oberhalb des zweiten Wärmetauschers vorgesehen ist, wobei der Controller den Stromgenerator entweder antreibt, wenn eine durch den ersten Temperatursensor erfasste Temperatur nicht höher als eine erste Referenztemperatur ist, oder antreibt, wenn eine durch den zweiten Temperatursensor erfasste Temperatur nicht höher als eine zweite Referenztemperatur ist, die höher eingestellt ist als die erste Referenztemperatur. Als ein drittes Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der Stromgenerator gestoppt, wenn die durch den ersten Temperatursensor erfasste Temperatur eine dritte Referenztemperatur überschreitet, die höher eingestellt ist als die erste Referenztemperatur.
  • Als ein viertes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die erste Referenztemperatur auf ein höheres Niveau eingestellt als die Temperatur des Warmwassers, das durch eine thermische Last erfordert wird, zu welcher das zweite Warmwasser zugeführt wird. Als ein fünftes Merkmal umfasst die vorliegende Erfindung einen Wiedererwärmungsboiler, der an einem Warmwasserdurchgang vorgesehen ist, der mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, und Ventilmittel zum Umschalten zwischen einem Betrieb zum Fördern des zweiten Warmwassers von dem Wiedererwärmungsboiler zu der thermischen Last, die über dem Warmwasserdurchgang verbunden ist, und dem anderen Betrieb des Rückführens mindestens eines Abschnitts des Warmwassers zu dem zweiten Wärmetauscher, während die thermische Last umgangen wird.
  • Als ein sechstes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Stromgenerator ein Motorgenerator, der mit einem kommerziellen Stromsystem (Netzstromsystem) verbunden ist und entsprechend einem Antriebsbefehl von dem Controller angetrieben wird, um eine konstante Rate elektrischen Stroms zu erzeugen.
  • Gemäß dem ersten bis sechsten Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung die von ihrem Generatorsystem gesammelte thermische Energie nutzen und verteilen, und zwar in Antwort auf zwei unterschiedliche Nachfragen nach Wärme durch Beurteilen, ob die Nachfrage nach Wärme gegeben ist oder nicht und Prüfen der Temperatur des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank, um das Nachfrageniveau zu bestimmen und somit den Betrieb des Generatorsystems zu steuern. Insbesondere ermöglicht das zweite Merkmal der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von Wärme entsprechend zwei unabhängigen Nachfragen von Wärme, die sich in der erforderlichen Temperatur unterscheiden.
  • Gemäß dem vierten Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des Wassers, die durch den ersten Temperatursensor erfasst ist, überwacht werden und zum Zuführen des Warmwassers mit einer durch die thermische Last geforderten Temperatur eingesetzt werden. Gemäß dem fünften Merkmal kann das von dem Wiedererwärmungsboiler erhaltene Warmwasser zu dem Warmwasserspeichertank oder der zweiten Nachfrage von Wärme zugeführt werden, um erfolgreich auf eine abrupte Veränderung der Nachfrage nach Wärme zu antworten.
  • Gemäß dem sechsten Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Stromzufuhr durch das kommerzielle Stromzufuhrsystem sichergestellt werden, wenn der Motorgenerator außer Betrieb ist, und daher wird dem Motorgenerator ermöglicht, stabil mit einer konstanten Drehzahl zu arbeiten.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung der herkömmliche Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. 1 veranschaulicht eine Anordnung einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit einem Motorstromgenerator, der in seinem Stromgeneratorabschnitt mit einem kommerziellen Stromversorgungssystem (d.h. einem Netzstromversorgungssystem) verbunden ist. Der Motorgenerator 10 umfasst einen (Verbrennungs-)Motor 11 und einen Stromgenerator 12, die mechanisch miteinander verbunden sind. Der Stromgenerator 12 wird durch den Motor 11 angetrieben, um einen Wechselstrom entsprechend der Drehzahl des Motors 11 zu erzeugen.
  • Ein Stromwandler 13 besitzt eine Funktion zum Wandeln des durch den Stromgenerator 12 erzeugten AC-Ausgangs in einem AC-Strom (Wechselstrom), dessen Eigenschaften (Spannung, Frequenz, Rauschen, etc.) identisch zu denjenigen des Netzstromversorgungssystems sind, und zum Entwickeln einer Phasensynchronisation zu dem Netzstromversorgungssystem. Insbesondere umfasst der Stromwandler 13 einen Wandler zum Wandeln des von dem Stromgenerator 12 freigesetzten AC-Ausgangs in einen DC-Ausgang (Gleichstromausgang), einen Wandler zum Wandeln des DC-Ausgangs des Wandlers in eine AC-Form, die in der Frequenz und der Spannung identisch ist, zu einem Eingang von dem Netzstromversorgungssystem, und andere funktionale Einrichtungen einschließlich Rauschfiltern und Verbindungsschaltern. Ein Beispiel eines mit den anderen (kommerziellen) Systemen verbundenen Stromwandlers ist in der japanischen, geprüften Patentveröffentlichung (Hei) 4-10302 offenbart. Der AC-Ausgang, der durch den Stromgenerator 12 erzeugt und durch den Stromwandler 13 gewandelt ist, wird dann zu einer elektrischen Last 15 zugeführt, die ebenso mit dem Netzstromversorgungssystem 14 verbunden ist.
  • Die durch den Motor 11 zum Antreiben des Stromgenerators 12 erzeugte Wärme wird durch einen Wärmetauschvorgang einer Wasserkühlvorrichtung 16 gesammelt. Die Sammlung der Wärme kann bevorzugt von allen erwärmten Bauteilen einschließlich eines Schalldämpfers des Motors 11 vorgenommen werden. Das zu der Wasserkühlvorrichtung zugeführte Kühlwasser wird durch eine Leitung 18 durch den Betrieb einer Pumpe 19 zirkuliert, da es als ein Medium zum Führen der Wärme zu einem Warmwasserspeichertank 17 verwendet wird. Der Warmwasserspeichertank 17 enthält einen Wärmetauscher (der nachfolgend als erster Wärmetauscher bezeichnet wird) 20, der mit der Leitung 18 in Verbindung steht. Das von einer Wasserquelle 31 zu dem Warmwasserspeichertank 17 zugeführte Wasser wird durch den ersten Wärmetauscher 20 erwärmt, um Warmwasser zu werden. Das erwärmte und in dem Warmwasserspeichertank 17 gespeicherte Warmwasser wird zur weiteren Verwendung zu einer Warmwasserzufuhreinheit 21 zugeführt, die eine erste thermische Last ist.
  • Ein Ventil 32 ist zwischen der Wasserquelle 31 und dem Warmwasserspeichertank 17 verbunden. Das Ventil 32 wird zum Zuführen des Wassers geöffnet, wenn das Warmwasser in dem Warmwasserspeichertank 17 auf unterhalb eines vorbestimmten Niveaus absinkt. Die Pumpe 19, die synchron mit den Motorgenerator 10 beginnt, zu arbeiten, kann automatisch nach einer vorbestimmten Zeitdauer (bestimmt durch einen Timer) nach dem Stoppen des Motorgenerators 10 ausgeschaltet werden. Die Pumpe 19 kann eingeschaltet werden, sobald die Temperatur des Motors 11 höher als diejenige des Warmwasserspeichertanks 17 ansteigt. In dieser Beschreibung wird der Motorgenerator 10 zusammen mit der Wasserkühlvorrichtung 16 und der Pumpe 19 als "Kraft-Wärme-Kopplungseinheit" bezeichnet.
  • Ein zweiter Wärmetauscher 22 ist oberhalb des ersten Wärmetauschers 20 vorgesehen. Der zweite Wärmetauscher 22 steht mit einer Leitung 23 in Verbindung, die wiederum mit einem Heizsystem 24 verbunden ist, wie einem zentralen Heizsystem oder einem Geschossheizsystem, das als zweite thermische Last dient. Die zweite Leitung 23 bildet einen zweiten Warmwasserkreis, der von dem Warmwasserkreis zum Zuführen des Warmwassers von dem Warmwasserspeichertank 17 zu der Warmwasserzufuhreinheit 21 getrennt ist. Der zweite Warmwasserkreis 23 führt einen sekundären Austausch der Wärme von dem Warmwasserspeichertank 17 aus, wodurch die Effizienz erhöht wird.
  • Der zweite Wärmetauscher 22 ist in einer Position gelegen, die höher ist als der erste Wärmetauscher 20, da das durch den ersten Wärmetauscher 20 erzeugte Warmwasser eine höhere Temperatur besitzt und konvektiv von dem ersten Wärmetauscher 20 nach oben strömt. Dies ermöglicht, dass der zweite Wärmetauscher 22 mehr thermische Energie von dem durch den Effekt der Konvektion nach oben bewegten Warmwasser aufnimmt.
  • In dem zweiten Warmwasserkreis 23 sind ebenso ein Wiedererwärmungsboiler 25 und ein Dreiwegeventil 26 vorgesehen. Der Wiedererwärmungsboiler 25 ist mit einer Pumpe 27 zum Zirkulieren des Warmwassers durch den zweiten Warmwasserkreis 23 ausgestattet. Das Dreiwegeventil 26 ist eine Einrichtung zum Umschalten der Strömung des Warmwassers zu einem Bypass 28 oder zu dem Heizsystem 24. Die folgenden Passagen werden durch Betätigen des Dreiwegeventils 26 ausgewählt. Wenn das Dreiwegeventil 26 zu dem Heizsystem 24 zugeschaltet ist, ist die Passage (der Durchgang) geöffnet zum Fördern des Warmwassers über den Wiedererwärmungsboiler 25 und das Heizsystem 24 von und zu dem Warmwasserspeichertank 17.
  • Ein Temperatursensor TS1 ist in dem Warmwasserspeicher 17 vorgesehen, und eine Information über die Temperatur TI des Warmwassers, die durch den Temperatursensor TS1 gemessen isst, wird zu einem Controller 29 übertragen. Der Temperatursensor TS1 kann auf einem geeigneten Höhenniveau zwischen im wesentlichen der Oberseite des ersten Wärmetauschers 20 und der Unterseite des zweiten Wärmetauschers 22 und am meisten bevorzugt in der Mitte zwischen dem ersten Wärmetauscher 20 und dem zweiten Wärmetauscher 22 gelegen sein. Es ist sehr wahrscheinlich, dass infolge der Wirkung der Konvektion die Temperatur des Warmwassers im wesentlichen an der Unterseite des Warmwasserspeichertanks 17 geringer ist und im wesentlichen an der Oberseite höher ist. Da der Temperatursensor TS1 in der Mitte gelegen ist, kann er einen Durchschnittswert der Temperatur in dem Warmwasserspeichertank 17 erfassen.
  • In Antwort auf die Temperaturinformation TI steuert der Controller 29 den Start- und Stoppbetrieb des Motors 11. Da die Temperaturinformation TI die Nachfrage nach Wärme von der Warmwasserzufuhreinheit 21 darstellt, welche das Warmwasser direkt von dem Warmwasserspeichertank 17 abzieht, oder von dem Heizsystem 24 darstellt, welches das Warmwasser indirekt über den zweiten Wärmetauscher 22 abzieht, beurteilt der Controller 29, dass die Nachfrage überschreitet, wenn die Temperaturinformation TI nicht höher ist als ein Referenzniveau Tref-1, und treibt den Motor 11 an, um Wärme zu erzeugen. Wenn andererseits die Temperaturinformation TI höher ist als das Referenzniveau Tref-1, beurteilt der Controller, dass ein ausreichendes Niveau von Wärmeenergie in dem Warmwasserspeichertank 17 gespeichert ist und stoppt den Betrieb des Motors 11.
  • Das Referenzniveau Tref-1 der Temperatur wird durch mehrere Parameter der Art und der Größenordnung der thermischen Last (d.h. der Art und der Kapazität der Warmwasserzufuhreinheit 21 und des Heizsystems 24), der thermischen Ausgabe der Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10, dem Volumen des Warmwasserspeichertanks 17, etc. bestimmt. Das Bezugsniveau Tref-1 besitzt eine Hysterese zum Sicherstellen eines stabilen Betriebes des Motors 11, d.h. zum Vermeiden häufiger Start- und Stoppvorgänge.
  • In dem Fall, dass der Motor 11 mit der Temperaturinformation TI gesteuert wird, kann dessen Betrieb zum Antreiben des Stromgenerators 12 zum Erzeugen eines konstanten Stromausgangs oder in einem elektrischen, lastabhängigen Modus zum Erzeugen eines variablen Ausgangs in Abhängigkeit von der Größenordnung der elektrischen Last 15 vorstellbar sein. In dem Modus mit konstantem Stromausgang wird der Motor 11 als Antriebsquelle derart betrieben, um seine Drehzahl konstant zu halten und somit wird sein Betrieb ein hohes Niveau der Effizienz sicherstellen, wodurch der Kraftstoffverbrauch minimiert und ein annehmbares Niveau von Abgas freigesetzt wird. Falls die Nachfrage nach Elektrizität den Ausgang des Stromgenerators 12 überschreitet, wird ein Fehlbetrag der Elektrizität durch die Zufuhr von dem Netzstromversorgungssystem 14 gedeckt.
  • Die Temperatur des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank 17 variiert signifikant in Abhängigkeit vom Verbrauch des Warmwassers, d.h. der Nachfrage nach thermischer Energie, und dem Modus des Betriebes des Motorgenerators 10, beispielsweise entweder dem Modus mit konstantem Ausgang oder dem von einer elektrischen Last abhängigen Modus. Beispielsweise in einem System, in welchem bei geringem Verbrauch des Warmwassers die Temperatur des Warmwassers auf etwa 80°C aufrechterhalten werden kann, während die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10 in Antwort auf die durch den Temperatursensor TS1 erfasste Temperaturmessung arbeitet, kann entweder ein abrupter, grober Verbrauch des Warmwassers, der daraus resultiert, dass die Nachfrage nach Wärme gleichzeitig sowohl von der Warmwasserversorgungseinheit 21 als auch von dem Heizsystem 24 gegeben wird, oder das Starten des Systems dazu führen, dass die Temperatur des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank 17 auf ein so niedriges Niveau wie bei dem zugeführten Kühlwasser fällt.
  • In dem Fall, dass die Referenztemperatur des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank 17 mit der von der Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10 gesammelten Wärme kaum aufrechterhalten wird, arbeitet der Wiedererwärmungsboiler 25 effektiv. Der Warmwassercontroller 30 versieht den Wiedererwärmungsboiler 25 und das Dreiwegeventil 26 mit einem Befehl "B" zum Wiedererwärmen bzw. einem Befehl "C" zum Umschalten. Der Warmwassercontroller 30 ist mit einer niedrigeren Referenztemperatur Tref-L voreingestellt, die niedriger ist als die Referenztemperatur Tref-1, und wenn die Temperatur T1 des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank 17 niedriger abfällt als die untere Referenztemperatur Tref-L, gibt er den Wiedererwärmungsbefehl "B" und den Umschaltbefehl "C" aus. Wenn der Wiedererwärmungsbefehl "B" ausgegeben wird, beginnt der Wiedererwärmungsboiler 25, zu arbeiten. Wenn der Umschaltbefehl "C" ausgegeben wird, schaltet das Dreiwegeventil 26 seinen Durchgang zu dem Bypass 28. Dementsprechend zirkuliert das durch den Wiedererwärmungsboiler 25 erwärmte Warmwasser durch die Leitung 23 und erhöht die Temperatur des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank 17 über den zweiten Wärmetauscher 22.
  • Wenn die Temperatur des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank 17 die untere Referenztemperatur Tref-L überschreitet, werden der Wiedererwärmungsbefehl "B" und der Umschaltbefehl "C" aufgehoben, um den Betrieb des Wiedererwärmungsboilers 25 zu stoppen und das Dreiwegeventil 26 zum Heizsystem 24 für den Heizbetrieb umzuschalten. Die untere Referenztemperatur Tref-L besitzt eine Hysterese, die analog zu derjenigen der Referenztemperatur Tref-1 ist.
  • Wenn, wie oben erwähnt, das Dreiwegeventil 26 zu dem Bypass 28 umgeschaltet worden ist, stoppt die Zufuhr des Warmwassers zu dem Heizsystem 24. Wenn der Betrieb der Warmwasserzufuhreinheit 21 das Warmwasser zu einem Bad oder einer Küche zuführen soll, wird eine solche Zufuhr selten für eine übermäßige Zeitdauer fortgesetzt, und daher liegt das Stoppen der Zufuhr des Warmwassers zu dem Heizsystem 24 ebenso innerhalb weniger Minuten. Andererseits ist in dem Heizsystem 24, das als thermische Last wirkt, die Nachfrage nach Wärme ziemlich moderat, so dass die Temperatur in dem zu heizenden Raum auf das gewünschte Maß angestiegen ist. Dementsprechend, da die Temperatur in dem Raum selten extrem abfällt, gibt es mit geringer Wahrscheinlich das Auftreten irgendeines Problems in der Praxis.
  • Wenn darüber hinaus die Nachfrage nach Wärme an dem Heizsystem 24 ansteigt, wird der Wiedererwärmungsboiler 25 eingeschaltet, während das Dreiwegeventil 26 zu dem Heizsystem 24 umgeschaltet ist, um hierdurch leicht das Heizsystem 24 mit einer ausreichenden Zufuhr von Warmwasser zu unterstützen. Ein Anstieg der Nachfrage nach Wärme an dem Heizsystem 24 kann basierend auf einer in dem Heizsystem 24 voreingestellten, gewünschten Temperatur beurteilt werden. Es ist ebenso möglich, dass das Dreiwegeventil 26 in seiner Öffnung variabel ist, um zumindest einen Teil des Warmwassers in der Leitung 23 zu dem zweiten Wärmetauscher 22 zurückzuführen, anstatt den gesamten Strom des Warmwassers mit dem Dreiwegeventil 26 umzuschalten.
  • Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Während der Temperatursensor TS1 in der vorhergehenden Ausführungsform in dem Warmwassertank 17 vorgesehen ist, wird ein zweiter Temperatursensor TS2 hinzugefügt. Wie in 1 gezeigt, ist der zweite Temperatursensor TS2 oberhalb des Temperatursensors TS1 und besonders bevorzugt in einer Position gelegen, die höher ist als der zweite Wärmetauscher 22. Wenn die durch den Temperatursensor TS1 erfasste Temperaturinformation T1 niedriger ist als die Referenztemperatur Tref-1, und/oder eine durch den zweiten Temperatursensor TS2 erfasste Temperaturinformation T2 niedriger ist als die Referenztemperatur Tref-2, betreibt der Controller 29 die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10. Es wird angenommen, dass die Referenztemperatur Tref-2 auf ein höheres Maß eingestellt ist als die Referenztemperatur Tref-1. Beispielsweise ist die Referenztemperatur Tref-1 40°C, während die Referenztemperatur Tref-2 58°C ist.
  • Die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10, die angeordnet ist, um zu arbeiten, wenn die Temperaturinformation T1 oder die Temperaturinformation T2 niedriger ist als das Referenzniveau, spricht auf zwei Arten thermischer Lasten an, d.h. die Warmwasserzufuhreinheit 21 und das Heizsystem 24. Es wird sich mit Wahrscheinlichkeit ein Zustand entwickeln, dass das Warmwasser höher ist als das Niveau der Temperaturinformation T1, welches die Nachfrage nach einer niedrigeren Temperatur der thermischen Last erfüllt, jedoch niedriger ist als das Niveau der Temperaturinformation T2, welches die Nachfrage einer höheren Temperatur der thermischen Last erfüllt, und umgekehrt. Die zwei in der oberen und der unteren Region in dem Warmwasserspeichertank 17 vorgesehenen, zwei Temperatursensoren können eine Variation des Temperaturprofils in dem Warmwasserspeichertank 17, die durch eine Veränderung der Last verursacht ist, folgen.
  • Die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10 wird ausgeschaltet, wenn die durch den Temperatursensor TS1 gemessene Temperaturinformation T1 eine Referenztemperatur Tref-3 (beispielsweise 70°C überschreitet, die höher ist als die Referenztemperatur Tref-1. Wenn die durch den Temperatursensor TS1 gemessene Temperaturinformation T1 die Referenztemperatur Tref-3 erreicht, zeigt dies an, dass die in dem Warmwasserspeichertank 17 gespeicherte thermische Energie zufriedenstellend ist.
  • Während die Referenztemperatur Tref-1 auf einen Wert eingestellt ist, der höher ist als die Temperatur des Warmwassers, welches durch die mit der Leitung 23 thermische Last (das Heizsystem 24 in dieser Ausführungsform) genutzt werden soll, kann jegliche Veränderung in der Nachfrage nach Wärme durch eine einzelne Einrichtung zum Überwachen der durch den Temperatursensor T1 gemessenen Temperaturinformation T1 unterstützt werden, um die Start- oder Stoppbefehle für die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10 ohne Einsatz zusätzlicher Elemente auszugeben.
  • Ebenso kann der Controller 29 eine Uhrvorrichtung aufweisen, die eine Betriebszeit an einem Tag bestimmt, während dessen die Start- und Stoppbetätigungen der Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10 auf der Basis der durch die Temperatursensoren TS1 und TS2 gemessenen Temperaturen gesteuert werden. Optional kann die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10 mit gewünschten anderen Bedingungen zusätzlich zu der durch die Temperatursensoren TS1 und TS2 gemessenen Temperatur betrieben werden.
  • Der tatsächliche Gebrauch des Warmwassers in dem Warmwasserspeichertank 17 wird nun ausführlich erläutert. Es wird angenommen, dass der Innenraum oberhalb des zweiten Wärmetauschers 22 in dem Warmwasserspeichertank 17 mehr als 40 Liter beträgt. Beispielsweise wird, wenn ein Raum von 50 Litern verfügbar ist, der Motorgenerator 10 mit dem Controller 29 derart betrieben, dass das Wasser in dem Raum auf 70°C erwärmt wird. Dann werden 50 Liter Wasser mit 10°C zu 50 Litern des Warmwassers zugegeben, wodurch man 100 Liter Warmwasser mit 40°C erhält, welche eine Badewanne einer normalen Abmessung füllen können.
  • Wenn der Raum oberhalb des ersten Wärmetauschers 20 in dem Warmwasserspeichertank 17 100 Liter beträgt, kann der durch den Controller 29 zum Erwärmen des Wassers auf 40°C gesteuerte Motorgenerator 10 ein Warmwasservolumen erzeugen, das zum Füllen der Badewanne mit einer normalen Abmessung erforderlich ist, und zwar ohne Zugabe von Kaltwasser.
  • Durch Einstellen des Betriebsraumes (der Kapazität) und der Temperaturmessstelle in dem Warmwasserspeichertank 17 wie oben erwähnt, wird die Anzahl von Start- und Stoppbetätigungen sowohl des Motorgenerators 10 als auch des Wiedererwärmungsboilers 25 vermindert. Daher können der Motorgenerator 10 und der Wiedererwärmungsboiler 25 hinsichtlich der Betriebslebensdauer verbessert werden, und ihr thermischer Ausgang wird minimiert, wodurch zu geringeren Kosten des Gesamtsystems beigetragen wird.
  • Das obengenannte System kann wie folgt modifiziert werden. Wie in 1 gezeigt, ist ein Mischventil 34 in einer Leitung 33 zwischen dem Warmwasserspeichertank 17 und der Warmwasserzufuhreinheit 21 vorgesehen, während eine Leitung 35 zum Zuführen von Wasser von der Quelle 31 zu dem Mischventil 34 vorgesehen ist. Das Warmwasser in einer oberen Region des Warmwasserspeichertanks 17 kann eine Temperatur von bis zu 80°C besitzen. In diesem Falle ist die Temperatur des Warmwassers zu hoch, damit diese von der Warmwasserzufuhreinheit 21 zum Gebrauch zugeführt werden kann. Das Warmwasser wird dann mit durch das Mischventil 34 zugeführtem Kaltwasser gemischt, um Warmwasser zu erhalten, das für die Zufuhr zu einem Bad und einer Küche geeignet ist.
  • Ein Steuern des Mischventils 34 wird wie folgt ausgeführt. Die Leitung 35 bleibt geschlossen, wenn das Warmwasser in dem Warmwasserspeichertank 17 eine Temperatur besitzt, die nicht höher ist als die Referenztemperatur Tref-2, und wird geöffnet, wenn diese höher ist als die Referenztemperatur Tref-2, um Kaltwasser zu dem Warmwasser in der Leitung 33 und dem Tank 17 zuzugeben. Das Mischventil 34 besitzt bevorzugt eine variable Öffnung.
  • Das Kraft-Wärme-Kopplungssystem dieser Ausführungsform kann eine Mehrzahl von Einheiten umfassen. In 1 sind die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit 10 als erste Einheit U1, der Wiedererwärmungsboiler 25 als zweite Einheit U2 und eine Kombination des Warmwasserspeichertanks 17, des Dreiwegeventils 26 und des Mischventils 34 als dritte Einheit U3 gezeigt. Da diese Einheiten miteinander durch Leitungen verbunden sind, können Sie entsprechend verschiedener Bedingungen am Einbauort positioniert werden. Ebenso können der Strom-/thermische Ausgabe der Kraft-Wärme-Kopplungseinheit, die thermische des Wiedererwärmungsboilers 25 und die Abmessungen/Kapazität des Warmwasserspeichertanks 17 beliebig in Abhängigkeit vom Bedarf eines Nutzers bestimmt werden. Darüber hinaus können der Wiedererwärmungsboiler 25 und der Warmwasserspeichertank 17 vorteilhaft aus allgemein verfügbaren, handelsüblichen Produkten ausgewählt werden.
  • Die Einheiten sind nicht auf die in der Figur gezeigte Anordnung beschränkt. Beispielsweise kann die Pumpe 19 in der Einheit U1 in der Einheit U3 gelegen sein. Das Dreiwegeventil 26 und das Mischventil 34 in der Einheit U3 können durch extern montierte oder äußere Leitungen begleitet sein. Der Controller 29 und der Warmwassercontroller 30 können durch einen Mikrocomputer umgesetzt sein. In diesem Falle können die zwei Controller integral mit einer einzelnen CPU gesteuert werden.
  • Der Wiedererwärmungsboiler 25 und der Warmwasserspeichertank 17 in den Einheiten U1 bis U2 können vom Wandmontagetyp sein. Der Wiedererwärmungsboiler 25 und der Warmwasserspeichertank 17 vom Wandmontagetyp werden bevorzugt in einem System mit kompakten Abmessungen wie einem Heimsystem eingesetzt, wodurch die Installationsfläche des Gesamtsystems minimiert wird und eine größere Freiheit bei der Anordnung der Leitungen in einem dreidimensionalen Raum sichergestellt wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in einer Vielzahl modifizierter Formen verwirklicht werden. Beispielsweise sind die thermischen Lasten nicht auf die Warmwasserzufuhreinheit 20 und das Heizsystem 24 beschränkt, während die Anzahl von Einheiten ebenso keinerlei Beschränkung unterliegt. In einem System, in welchem der Verbrauch thermischer Energie an dem Heizsystem 24 verglichen mit der Kapazität des Warmwasserspeichertanks 17 geringer ist, können der Wiedererwärmungsboiler 25 und das Dreiwegeventil 26 weggelassen werden.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf Motorgeneratoren als Stromgeneratorsysteme, welche die Abwärme nutzen, beschränkt, sondern können erfolgreich als andere Stromsysteme einschließlich eines Brennstoffzellengenerators genutzt werden.
  • Wie oben dargelegt, erlauben die Zielrichtungen der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 bis 6, dass das Stromgeneratorsystem eine geeignete Kombination thermischer Ausgänge in Antwort auf zwei unterschiedliche Nachfragen nach Wärme erzeugt und bereitstellt. Der Betrieb des Stromgeneratorsystems lässt sich leicht steuern, indem es durch die Ergebnisse der Messungen betrieben wird, welche durch die Temperatursensoren gegeben werden, und nicht direkt die Nachfrage nach Wärme überprüfen. Insbesondere kann die Zielrichtung der Erfindung gemäß Anspruch 2 eine Veränderung in dem Temperaturprofil in dem Warmwasserspeichertank mittels eines Paars von Temperatursensoren mit geeigneter Anordnung unterstützen.
  • Während die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht Verluste der thermischen Energie durch präzises Steuern des Startens und Stoppens des Stromgenerators zu minimieren, wird sie effektiv mit ihrem auf thermischer Energie orientierten Betrieb als Haushaltsenergiequelle als zentrales Heizsystem insbesondere in kalten Gebieten, wo die Nachfrage nach Wärme höher ist, verwendet.
  • Gemäß Anspruch 5 spricht die vorliegende Erfindung auf eine abrupte Variation der Nachfrage nach Wärme an, die nicht erfolgreich nur mit Abwärme von dem Stromgenerator unterstützt wird. Ebenso ist der zweite Wärmetauscher kompatibel zur Verwendung beim Entnehmen und Übertragen thermischer Energie von dem Warmwasserspeichertank zu der zweiten thermischen Nachfrage zu verwenden beim Versorgen des Warmwasserspeichertanks mit thermischer Energie, die in dem Wiedererwärmungsboiler erzeugt wird, kompatibel.
  • Gemäß Anspruch 6 ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass der Motorgenerator zum Erzeugen eins konstanten Stromausgangs arbeitet, und gestoppt wird, wenn die Wärmeerzeugung in dem Motorgenerator über der gegenwärtigen Nachfrage nach Wärme ist, wodurch der Brennstoffverbrauch vermindert wird und das Abgas auf einen vorteilhaften Niveau gehalten wird, während eine lange Lebensdauer des Motors sichergestellt wird.

Claims (6)

  1. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung, umfassend: einen Stromgenerator (10); einen Warmwasserspeichertank (17) zum Speichern eines ersten warmen Wassers, das durch eine Abwärme von dem Stromgenerator (10) erwärmt ist; einen ersten Wärmetauscher (20), der in dem Warmwasserspeichertank (17) zum Erzeugen des ersten warmen Wassers vorgesehen ist; einen zweiten Wärmetauscher (22), der oberhalb des ersten Wärmetauschers (20) in dem Warmwasserspeichertank (17) zum Abziehen von Wärme von dem ersten Warmwasser vorgesehen ist, um ein zweites Warmwasser zu erzeugen; einen ersten Temperatursensor (TS1), der zwischen dem obersten Ende des ersten Wärmetauscher (20) und dem untersten Ende des zweiten Wärmetauschers (22) vorgesehen ist; und einen Controller (29), der auf eine durch den ersten Temperatursensor (TS1) erfasste Temperatur reagierend zum Steuern des Betriebes des Stromgenerators (10) angeordnet ist.
  2. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Temperatursensor (TS2), der oberhalb des zweiten Wärmetauschers (22) vorgesehen ist, und wobei der Controller den Stromgenerator (10) entweder antreibt, wenn eine durch den ersten Temperatursensor (TS1) erfasste Temperatur nicht höher als eine erste Referenztemperatur ist, oder antreibt, wenn eine durch den zweiten Temperatursensor (TS2) erfasste Temperatur nicht höher als eine zweite Referenztemperatur ist, die höher eingestellt ist als die erste Referenztemperatur.
  3. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher Stromgenerator (10) gestoppt wird, wenn die durch den ersten Temperatursensor (TS1) erfasste Temperatur eine dritte Referenztemperatur überschreitet, die höher eingestellt ist also die erste Referenztemperatur.
  4. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher die erste Referenztemperatur auf ein höheres Niveau eingestellt ist als die Temperatur des Warmwassers, das durch eine thermische Last erfordert wird, zu welcher das zweite Warmwasser zugeführt wird.
  5. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend einen Wiedererwärmungsboiler (25) der an einem Warmwasserdurchgang (23) vorgesehen ist, der mit dem zweiten Wärmetausche (22) verbunden ist, und Ventilmittel (26) zum Umschalten zwischen einem Betrieb zum Fördern des zweiten Warmwassers von dem Wiedererwärmungsboiler (25) zu der thermischen Last (24), die über den Warmwasserdurchgang (23) verbunden ist, und dem anderen Betrieb des Rückführens mindestens eines Abschnitts des Warmwassers zu dem zweiten Wärmetauscher (22), während die thermische Last (24) umgangen wird.
  6. Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher der Stromgenerator (10) ein Motorgenerator ist, der mit einem kommerziellen Stromsystem (14) verbunden ist, und entsprechend einem Antriebsbefehl von dem Controller (29) angetrieben wird, um eine konstante Rate elektrischen Stroms zu erzeugen, wobei jeglicher Mangel an Elektrizität durch die Zufuhr von dem kommerziellen Stromsystem (14) gedeckt ist.
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