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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm einer Anordnung der herkömmliche Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.