DE202008001386U1

DE202008001386U1 - Heizanlage durch Anordnung eines Verbrennungsmotors mit Generator und Luft-Wasser Wärmepumpe

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Publication number: DE202008001386U1
Application number: DE202008001386U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2018-02-01

Abstract

Heizanlage (1), mit Zuleitung von Kaltwasser (2) und einer Warmwasserableitung (3), mindestens einem Abnehmer für Warmwasser z. B. Heizkörper (4), einem Speicher für erwärmtes Wasser (5), einer Zuführung von Primärenergie durch fossile oder erneuerbare Energieträger (6), einer Zuführung von Sekundärenergie durch Luft (7) und einer Ableitung von elektrischer Energie (17), dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (8) mit einem luft- oder wassergekühltem Blockheizkraftwerk [BHKW] (9) bestehend aus Verbrennungsmotor (10) und Generator (11) in einem schall- und wärmegedämmten geschlossenen System erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizanlage, welche durch Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einem Generator [Blockheizkraftwerk] in einem geschlossenen System einen Bedarf an warmem Heizwasser und warmen Wasser zum sonstigen Gebrauch deckt. Als Energieträger kommen herkömmliche Heizmedien, wie Erdgas, Heizöl, Biodiesel oder andere in Kombination mit dem Träger für erneuerbare Energie Luft zur Anwendung.
Stand der Technik sind neben anderen Lösungen Heizwasserheizungen unter Anwendung von Brennwertkesseln. Damit wird durch Ausnutzung der Kondensationswärme des Wasserdampfes der Energiegehalt des eingesetzten Brennstoffs fast vollständig genutzt. Als Energieträger werden Erdgas und Heizöl verwendet. Die Wirkungsgrade werden mit 94%, mit 6% latentem Wärmeverlust, bei der Verwendung von Öl und 89%, mit 11% latentem Wärmeverlust, bei Gas, angegeben.
Zur Erreichung des Effekts Ausnutzung Kondensationswärme müssen im Warmwasserheizkreislauf Rücklauftemperaturen von => 57°C bei Erdgas und von => 48°C bei Heizöl erzeugt werden. Abhängig vom tatsächlichen Heizungsenergiebedarf sind die zu erzeugenden Vorlauftemperaturen des Heizungswassers entsprechend höher.
Heizanlagen unter Verwendung der Brennwerttechnik erzeugen ausschließlich warmes Wasser zu Heizzwecken und Brauchwasser. Zu deren Betrieb ist neben einem fossilen Brennstoff immer eine untergeordnete Menge elektrischer Strom erforderlich. Stromausfallzeiten können nur durch externe Lösungen, wie Notstromaggregate u. a. mit entsprechend hohem zusätzlichem Aufwand kompensiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Lösung zu schaffen, welche die Vorteile aus der zur Verfügung stehenden Wärme eines betriebenen Verbrennungsmotors, der Funktion einer Luft-Wasser-Wärmepumpe zur Verfügung stellt und damit deren energetischen Vorteile zusätzlich nutzt. Gleichzeitig wird die mechanische Energie über einen Generator in elektrischen Strom gewandelt. Dieser deckt den gesamten Bedarf an Energie für alle betriebsnotwendigen elektrischen Bauteile. Für den Betrieb nicht notwendige elektrische Energie soll externen Verwendungen zur Verfügung stehen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Heizanlage gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 gelöst.
Nachfolgend soll die Lösung anhand des Ausführungsbeispiels unter der 1 näher erläutert werden.
In einem schall- und wärmegedämmten Gehäuse (1) sind ein Verbrennungsmotor (10), ein Generator (11), beide verbunden als Blockheizkraftwerk [BHKW] (9) und eine Luft-Wasser-Wärmepumpe (8) angeordnet. Diese Anordnung bildet ein geschlossenes System.
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe (8) besteht aus Kompressor, Lüfter, Wärmeübertrager und Steuerung.
Diesem System werden über Zuleitungen Kaltwasser (2), z. B. aus einem Heizungskreislauf (4) und/oder einem Speicher (5) und ein Energieträger (6) zugeführt. Darüber hinaus erfolgt bei bestimmten Betriebszuständen die Zuführung des Energieträgers Außenluft (7) über einen Lüfter (12) und steuerbare Lüftungsklappen (13) für Zu- und Abluft.
Über die Ableitungen (3) wird in zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus warmes Wasser abgeführt. über eine weitere Ableitung (16) erfolgt die Wegführung von abgekühlter Verbrennungsluft.
Der Verbrennungsmotor (10) gibt ca. 40% der erzeugten Energie als Abwärme in das mit Luft gefüllte geschlossene System ab. Diese Energie wird durch die Luft-Wasser- Wärmepumpe (8) in einem ersten Erzeugungsprozess in ca. 40°C warmes Wasser gewandelt. Dieses steht als Vorlauf dem Heizungssystem (4) direkt zur Verfügung.
Diesem ersten Erzeugungsprozess ist die bedarfsabhängige Aufheizung des Rücklaufwassers von ca. 30°C auf wieder ca. 40°C zugeordnet.
Das Temperaturniveau des zweiten Erzeugungsprozesses wird mit über 40°C bis ca. 60°C bestimmt. Dieses wird in einem außerhalb der Heizanlage liegenden Speicher (5) vorgehalten.
Die Temperaturen von über 40 bis ca. 60°C werden über einen Wasser-Wärmetauscher am Abgasrohr des Verbrennungsmotors in einem weiteren Erzeugungsprozess in relativ kurzer Zeit erreicht bzw. konstant gehalten.
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe erzeugt in einem weiteren Betriebszustand aus der Außenluft Energie zur Warmwassererzeugung. Immer dann wenn, die Luft-Wasser-Wärmepumpe in einem hohen Wirkungsgradbereich betrieben werden kann, wird über einen Lüfter (12) und steuerbare Lüftungsklappen (13) eine bestimmte Luftmenge angesaugt und der Funktion der Wärmepumpe zugeführt. Hierbei wird ein zusätzliches Energiepotential erschlossen und in warmes Wasser gewandelt.
Aus dem sich durch Warmwasserverbrauch und Wärmeabgabe über die Heizkörper, durch Messfühler ermittelten Energiebedarf, ergibt sich für die Heizanlage ein notwendiger Betriebszustand. Über eine Steuerung wird festgelegt, welcher Energieerzeugungsprozess energetisch der zweckmäßigste ist.
Innerhalb des Steuerungsprozesses werden die Effekte aus einem möglichen Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors (10) zur Minderung des Energie genutzt.
Durch die Zusammenfügung der Arbeitsweisen von BHKW und Luft-Wasser-Wärmepumpe ergibt sich für die Heizanlage eine Energieeffizienz von mind. 150% im Mix. Dem Wärmepumpenbetrieb steht die gesamte Abwärme des BHKW zur Verfügung. Hier erfolgt eine Leistungsumsetzung bis ca. COP 5 (COP in W/W).
Die Kopplung des Verbrennungsmotors (10) mit einem Generator (11) ermöglicht die Bereitstellung des gesamten Eigenstrombedarfs der Heizanlage (hier ca. 85%). Der Eigenstrombedarf wird durch die betriebsnotwendigen Verbraucher Kompressor, Lüfter, Pumpen, Notstromversorgung und Steuerung bestimmt. Damit stehen ca. 15% elektrische Energie einem externen Verbraucher zur Verfügung.
Die Heizanlage ist mit einer im BHKW-Betrieb ladbaren Notstrombatterie (14) ausgestattet, welche den Startvorgang des Verbrennungsmotors unabhängig von elektrischen Netzen ermöglicht.
In weiteren besonderen Ausgestaltungen der erfinderischen Lösung ist es auch möglich, mehrere hier beschriebene Heizanlagen (1) in einem System kombiniert anzuordnen. Damit ist es möglich, eine weitere Erhöhung der Effizienz und Kapazität bei der Bereitstellung von Heizwasser zu erreichen.
Zusammengefasst ergeben sich durch die Erfindung folgende Vorteile:

– Das bei bekannten Lösungen zwingend erforderliche Gegenheizen zur Verhinderung oder Beseitigung von Vereisungen des Kondensats entfällt immer. Das hat positiv zur Folge, dass dafür keine Energie erforderlich ist und keine Abschaltungen des Energieerzeugungsprozesses, unter Umständen zu einem den Prozess störenden Zeitpunkt, erfolgen müssen.
– Die optimierte Verknüpfung beider Energieerzeugungsprozesse lässt die Erreichung eines rechnerischen Wirkungsgrades von > 150% zu.
– Die Heizanlage kann unabhängig von einem öffentlichen Stromnetz erfolgen. Der gesamte elektrische Betriebsstrom wird von der Anlage selbst erzeugt. Der in jedem Betriebszustand immer anfallende überschüssige elektrische Strom kann externen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden.
– Die Auswahl des BHKW bezogen auf den Energieträger kann variabel erfolgen. Damit können Entwicklungen am Energiemarkt und Entwicklungen zu Gunsten erneuerbarer Energieträger prinzipiell Beachtung finden und Ziele einer hohen Energieeffizienz umgesetzt werden.
– Die Heizanlage arbeitet mit Vorlauftemperaturen von < 45°C ohne zusätzliche Kaltwasserbeimischung. Damit wird beim Verbrauch von Energieträgern eine Absenkung erreicht.

Claims

Heizanlage (1), mit Zuleitung von Kaltwasser (2) und einer Warmwasserableitung (3), mindestens einem Abnehmer für Warmwasser z. B. Heizkörper (4), einem Speicher für erwärmtes Wasser (5), einer Zuführung von Primärenergie durch fossile oder erneuerbare Energieträger (6), einer Zuführung von Sekundärenergie durch Luft (7) und einer Ableitung von elektrischer Energie (17), dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung einer Luft-Wasser-Wärmepumpe (8) mit einem luft- oder wassergekühltem Blockheizkraftwerk [BHKW] (9) bestehend aus Verbrennungsmotor (10) und Generator (11) in einem schall- und wärmegedämmten geschlossenen System erfolgt.
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Energie aller Abwärme produzierender Teile für die Gewinnung von warmen Wasser zur Verfügung steht und der Wert für Verlustenergie nur eine minimale Größe erreicht.
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das BHKW (9) seine Wärmeleistung aus Abwärme im Temperaturbereich ca. 40–ca. 60°C und einen Teil der Abgaswärme im Temperaturbereich von ca. 120–ca. 180°C im geschlossenen Gehäuse der Wärmepumpenfunktion zur Verfügung stellt
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das BHKW seine elektrische Leistung über einen Generator (11) dem Eigenstrombedarf der Heizanlage zur Verfügung stellt und diesen vollständig deckt sowie die darüber hinaus erzeugte elektrische Leistung externen Verbrauchern zur Verfügung stellt.
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (8) in zwei von einander unabhängigen Betriebszuständen Wärmeenergie erzeugt. Zum Ersten durch die Nutzung der Wärme des BHKW im Zustand „An" und zum Zweiten durch Nutzung von Energie aus über einen Lüfter (12) angesaugter Außenluft (7).
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Abgas-Wasserwärmetauscher (15) warmes Wasser in einem höheren Temperaturbereich in kurzer Zeit zur Verfügung gestellt wird und die Energie der Abluft in hohem Maße genutzt wird
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über Pumpen und eine Steuerung die Optimierung der Wärmeerzeugung dahingehend erfolgt, dass ausgehend vom jeweiligen Bedarfszustand der Abnehmer die Laufzeiten und Laufintervalle der Wärmepumpe und des BHKW gegeneinander abgestimmt werden und ein Betriebsregime zu Gunsten der Nutzung der erneuerbaren Energie aus Luft erreicht werden kann.
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrieb unabhängig von elektrischen Versorgernetzen ermöglicht wird.
Heizanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene System als Gehäuse ausgeprägt ist und durch steuerbare Lüftungsklappen (13) zur Erreichung eines bestimmten Betriebszustandes geöffnet werden kann.