DE19740398C2

DE19740398C2 - Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zur Energieversorgung

Info

Publication number: DE19740398C2
Application number: DE19740398A
Authority: DE
Inventors: Joerg Hartan; Ingo Gatzke; Ralph Bahke
Original assignee: VNG Verbuhdbetz Gas AG
Current assignee: VNG Verbuhdbetz Gas AG
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2017-09-10
Also published as: WO1999013276A1; AU1022299A; DE19740398A1; EP1012513A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zum Heizen, Kühlen und zur Elektroenergieversorgung von Gebäuden und Einrichtungen. DOLLAR A Bekannte Lösungen haben insgesamt den Nachteil, daß sie keine Komplexlösungen für die vorgenannten Zwecke anbieten und die vorhandenen regenerativen Energien bei weitgehender Reduzierung des Primärenergieeinsatzes nur unzureichend nutzen. DOLLAR A Die Erfindung behebt diesen Mangel durch eine elektronisch gesteuerte, komplexe Einrichtung, die eine zuverlässige, effiziente Heizung, Kühlung und Elektroenergieversorgung im Sommer- und Winterbetrieb bei niedrigstem Primärenergieeinsatz sichert. DOLLAR A Kernstück der Einrichtung sind eine Brennkraftmaschine 1, ein Generator 2 und ein Wärmespeicher 4, dem ein Zusatzspeicher 6 zugeordnet ist. Beide Speicher sind durch eine Wärmepumpe 3 miteinander verbunden, wobei der Zusatzspeicher 6 als Wärmequelle für die Wärmepumpe 3 dient. Anlagemodule, die Wärmeenergie mit relativ hohem thermischen Niveau erzeugen, sind an den Wärmespeicher 4 und diejenigen Module, die Wärmeenergie mit einem relativ niedrigen thermischen Niveau liefern an den Zusatzspeicher 6 angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung kleiner bis mittlerer Leistung zur Ener gieversorgung von privaten und/oder öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen unter Einsatz von Primäre nergie aus flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen, vorzugsweise Erdgas, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Anlagen und Einrichtungen zur Energieversorgung von Gebäuden mit Wärme- und Elektroenergie und zur Aufbe reitung von warmem Brauchwasser bekannt. Die für die Heizung, einschließlich Warmwasseraufbereitung, Kli matisierung und Stromerzeugung von Gebäuden vorgesehe nen Anlagen werden zumeist voneinander getrennt installiert und betrieben. Das hat zwangsläufig zur Folge, daß sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten, insbesondere für die einzusetzenden Primärenergien, hoch sind.

Aus DE 42 03 491 A1 ist eine elektronisch gesteuerte Energieversorgungseinheit bekannt, die zur Erzeugung von Wärme und elektrischer Energie dient. Die Energie versorgungseinheit umfaßt einen Generator für die Stromerzeugung, der von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Wärmeenergie wird aus den Abgasen des Motors und aus dem Kühlwasser der Brenn kraftmaschine mittels Wärmetauscher gewonnen und in einem Boiler bereitgestellt. Mit Hilfe einer Wärmepum pe, die von der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wird Restwärme aus den Motorabgasen zurückgewonnen und für die Aufheizung des Boilers genutzt. Der Boiler kann gegebenenfalls auch durch die erzeugte elektrische Energie aufgeheizt werden. Die Energiever sorgungseinheit nach DE 42 03 491 A1 besitzt keine Ausrüstungen zur Klimatisierung der Gebäude und zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft. Regenerative Energien werden nicht ausgenutzt.

Eine ähnliche Heizungs- und Stromerzeugungsanlage zur Umwandlung von Primärenergie und Umgebungswärme in elektrische Energie und Nutzwärme schlägt die DE 40 06 742 A1 vor. Kernstück der Anlage ist ein mit einem Brenner betriebener Heizkessel und ein mit dem selben Brenner beheizbarer Stirlingmotor, der einen Generator und eine Wärmepumpe antreibt. Der Generator ist vorzugsweise ein Lineargenerator, der über eine entsprechende Regelung mit dem Antriebsmotor einer Wärmepumpe, mit dem öffentlichen Stromnetz oder mit weiteren Verbrauchern elektrisch verbunden werden kann. Mit Hilfe der Wärmepumpe werden auch Wärmeener gien aus der Umgebungswärme zurückgewonnen und für Heizzwecke zur Verfügung gestellt. Ein Teilsystem zur Klimatisierung von Gebäuden und Einrichtungen und zur Rückgewinnung der Wärmeenergien aus den Klimaanlagen sieht dieser Lösungsvorschlag nicht vor.

Eine kombinierte Anlage zur Erzeugung von Elektroener gie unter Ausnutzung der Abwärme aus der Hausstromer zeugung für eine Raumheizung ist aus DE 44 34 831 A1 bekannt. Die Elektroenergie wird mit einer Gasmo tor-Generator-Anordnung erzeugt, wobei über eine Abwärmerückgewinnungsrohrleitung ein als Wärmequelle arbeitender Wärmeaustauscher an die Gasmotor-Genera tor-Anordnung angeschlossen ist. In dem quellenseiti gen Wärmeaustauscher wird ein Wärmeträger erhitzt und der so gebildete Dampf den Wärmeaustauschern zur Raum heizung zugeführt. Der verflüssigte Dampf fließt an schließend nach Abgabe seiner Wärmeenergie in den quellenseitigen Wärmeaustauscher der Gasmotor-Genera tor-Anordnung zurück. Gemäß einer bevorzugten Ausfüh rung dieser Anlage ist ferner eine Absorptionskühlein richtung vorgesehen, die in eine Umlaufrohrleitung eingebunden ist. Die Umlaufrohrleitung ist mit einem Gas-Flüssigkeitsphasen-Änderungen unterworfenen Wärme mittel gefüllt. An diese Umlaufrohrleitung sind Wärme austauscher angeschlossen, die zur Kühlung von Gebäu destockwerken dienen. Der Nachteil dieser Einrichtung besteht wiederum darin, daß die Anlage keine Mittel zur Nutzung regenerativer Energien vorsieht.

Aus DE 41 02 636 A1 ist ferner bekannt, die in einer Kraft-Wärme-gekoppelten Anlage mit Hilfe eines Genera tors erzeugte elektrische Energie in einer Batterie zu puffern. Neben einer größeren Unabhängigkeit von öffentlichen Energieversorgungsnetzen sollen mit dieser Maßnahme die Betriebszeiten der Anlage redu ziert und die hausinterne Versorgung mit elektrischer Energie an den jeweiligen Bedarf besser angepaßt werden können. Die vorgeschlagene Anlage, die gleich zeitig zur Versorgung mit warmem Brauchwasser und mit Heizwärme dient, arbeitet ausschließlich mit Elektro energie als Primärenergieeinsatz und besitzt keine weiteren Ausrüstungen zur Nutzung regenerativer Ener gien und zur Wärmespeicherung. Besonders nachteilig ist anzusehen, daß größere Wärmemengen, die in Spit zenbelastungszeiten auftreten, nicht ausgenutzt und zum Schutz der Anlage freigesetzt werden müssen.

Ein Vorschlag zur Einbindung von Solarkollektoren in eine Heizungsanlage, die mit fossilen Primärenergien betrieben wird, ist aus DE 26 19 744 C2 bekannt. Die vorgeschlagene Heizungsanlage ist ebenfalls mit einem Flüssigkeitswärmespeicher und mit Wärmepumpen ausgerü stet, um eine höchstmögliche effiziente Ausnutzung der durch Solar- und Primärenergie erzeugten Wärme zu erreichen. Die mittels der Solarkollektoren erzeugte Wärmeenergie wird in dieser Anlage soweit wie möglich nur zu Heizzwecken genutzt. Eine weitergehende Ausnut zung der Solarenergie, beispielsweise in Jahreszei ten, in denen die Sonneneinstrahlung nicht so stark ist, und die Nutzung weiterer regenerativer Energien sieht diese Anlage nicht vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elek tronisch steuerbare Einrichtung der eingangs genann ten Gattung zum Heizen, Kühlen und zur Energieversor gung von Gebäuden und Einrichtungen unter Einbezie hung regenerativer Energien zu entwickeln, die mit relativ niedrigem Kosten- und Investitionsaufwand rea lisierbar ist und den notwendigen Primärenergieanteil für die Wärme- und Energieversorgung weiter redu ziert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im An spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 11.

Mit der erfindungsgemäßen Kopplung an sich bekannter Grundmodule und ihrem speziellen abgestimmten Zusam menwirken wird eine völlig neue Qualität in der Ausnutzung der eingesetzten Primärenergie erreicht, wobei die erfindungsgemäße Anlage gleichzeitig zum Heizen, zur Erzeugung warmen Brauchwassers und zur Klimatisierung (Kühlen) von Gebäuden eingesetzt werden kann. Die Erfindung stellt somit keine Ergän zung oder Erweiterung bekannter Kraft-Wärme-gekoppel ter Systeme, sondern eine neuartige, vollkommen eigenständige und umweltfreundliche Lösung dar, die eine außerordentlich hohe Wirtschaftlichkeit besitzt. Sie vereint in ihrer Gesamtheit die komplexen Funktio nalitäten Heizung, Stromerzeugung, Brauchwassererzeu gung und Kühlung unter effizienter Nutzung regenerati ver Umweltenergien.

Die erfindungsgemäße Anlage, die im Winterbetrieb zur Erzeugung von Wärme und Elektroenergie aus fossilen Energieträgern, wie beispielsweise Gas oder Öl, eingesetzt wird, dient im Sommerbetrieb zur Klimati sierung der Gebäude und Einrichtungen und zur Aufbe reitung von warmem Brauchwasser bei gleichzeitiger Stromerzeugung. Es sind somit keine zusätzlichen Kosten für die Klimatisierung im Sommerbetrieb notwen dig, wobei lediglich bei der Projektierung entspre chende Dimensionierungen der Heizflächen zu berück sichtigen sind, die während des Sommerbetriebes als Kühlflächen dienen.

Die erfindungsgemäße Anlage kann überall dort effizi ent eingesetzt und damit der Primärernergieverbrauch reduziert werden, wo gegenwärtig noch konventionelle Gas-, Öl-, oder Feststoffheizungen installiert sind.

Kernstück der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppel ten Einrichtung ist ein Wärmespeicher in Verbindung mit einem Zusatzspeicher zur Aufnahme von Wärmeener gie mit relativ geringem thermischen Niveau, der mit einer Brennkraftmaschine, die einen Stromgenerator antreibt, mit einer Wärmepumpe, die wahlweise als Kompressions- oder Absorptionswärmepumpe ausgebildet ist, mit Solareinrichtungen zur Ausnutzung regenerati ver Energien und mit Einrichtungen zur Ausnutzung der beim Einsatz der Primärenergie entstehenden Abwärme, die auch an den Zusatzspeicher angeschlossen sind, verbunden ist.

Durch den Einsatz der beiden Speicher kann bei ent sprechender Dimensionierung der Gesamtanlage die Be triebsstundenzahl der Brennkraftmaschine so gestaltet werden, daß bei ordnungsgemäßer Wartung eine höchst mögliche Lebensdauer problemlos mit Standardmaschinen erreicht wird. Der Einsatz spezieller und damit teurer Verbrennungsmaschinen, die für den Dauerbe trieb ausgelegt werden müssen, sind somit nicht erforderlich. Durch die Integration der Wärmepumpenan lage ist es sogar möglich, für diesen Einsatzfall eine kostengünstige luftgekühlte Brennstoffmaschine einzusetzen, da die Zylinder- und Gehäuseabwärme nutzbar in das Speichersystem eingekoppelt werden kann. Die erfindungsgemäße Anlage, die mit einer temperatur- und taupunktgeführten Regelung ausgestattet ist, sichert durch die Anwendung einer effizienten, elektronischen Steuerung eine höchstmög liche Ausnutzung regenerativer Energien. Die Lauf zeit der Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtungen und der Verbrauch an Primärenergien kann infolge der Energiespeicherung auf ein Mindestmaß reduziert wer den.

Die in der Brennkraftmaschine, die gekoppelt mit einem Generator zur Erzeugung von Elektroenergie eingesetzt wird und zum Antrieb der Wärmepumpe dient, enstehende Wärme, wird über das Kühlsystem der Brenn kraftmaschine auf thermisch verschiedenem Niveau den beiden Speichern zugeführt. Mit Hilfe von Wärmeüber tragern wird den Abgasen, dem Kühlwasser und dem Motoröl der Brennkraftmaschine auf thermisch relativ hohem Niveau ein Teil der Restwärme entzogen und zur weiteren Aufladung des Wärmespeichers eingekoppelt.

Mit Hilfe eines Brennwertkondensators wird den be reits abgekühlten Abgasen weitere Restwärme, ein schließlich der Kondensationswärme, infolge des Brennwerteffektes entzogen und dem Zusatzspeicher auf relativ geringem thermischen Niveau zugeführt.

Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Brennkraftmaschine-Generator-Einheit in einer schall- und wärmeisolierten Einhausung thermisch gekapselt. Die in der Einhausung entstehende Abwärme wird durch einen Luft-Wasserwärmeübertrager auf thermisch niedri gem Niveau ebenfalls in den Zusatzspeicher eingekop pelt und kann dadurch mit genutzt werden. Diese Energien dienen als Quelle für die Wärmepumpe.

Durch die Erfindung ist so eine fast vollständige Nutzung der Abwärme der Anlage gewährleistet, was dem Blockheizkraftwerk (BHKW)-Prinzip, einschließlich der Nutzung des Brennwerteffektes entspricht.

Über den Zusatzspeicher, an den ein Rückkühler zur Wärmerückgewinnung aus der Lüftungsanlage eines Gebäudes, ein Wärmeübertrager für die Ausnutzung der Abwasserrestwärme und während des Winterbetriebes auch die Solarkollektoren primärseitig angeschlossen sind, werden mit der Wärmepumpe, die den Wärmespei cher mit dem Zusatzspeicher wärmetechnisch verbindet, Wärmeenergien aus der Umwelt, die ein relativ niedri ges Niveau besitzen, ausgenutzt und mit einem höheren thermischen Niveau in den Wärmespeicher zur Aufberei tung von Warmwasser für die Heizung und für warmes Brauchwasser eingespeist. Anlagenbedingt wird durch den Einsatz der Wärmepumpe die Wirkungszahl der erfin dungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtung dahingehend erhöht, daß ein Mehr an nutzbarer Wärme- und Elektroenergie bereitgestellt wird als die einge setzte Primärenergie beinhaltet.

Dieser Effekt ergibt sich durch die Einkopplung der Umweltenergie aus den Solaranlagen im Zusammenwirken mit der Wärmepumpe.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungs beispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Kraft-Wärme-gekoppelten Heizungs-, Kühlungs- und Energieversorgungseinrichtung.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird die zum Hei zen, zur Klimatisierung (Kühlen), zur Erzeugung von Elektroenergie und von warmem Brauchwasser eingesetz te Primärenergie, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise Erdgas, in an sich bekannter Weise einer Brennkraftmaschine 1, beispielsweise einem Gasmotor oder einer Turbine zugeführt, die einen Generator 2 zur Erzeugung von Elektroenergie antreibt. Brennkraft maschine 1 und Generator 2 sind in einer schall- und wärmeisolierten Einhausung 36 untergebracht, die mit einer Zuführung für Zu- und Abluft 37; 38 zu Kühl zwecken ausgerüstet ist.

An den Generator 2, der die Wärmepumpe 3 antreibt, sind über den E-Netzanschluß 32 das Hausnetz 34 für die Elektroenergieversorgung und das öffentliche E-Netz angeschlossen. Die Anschlußverbindung an das öffentliche E-Netz erfolgt unter Zwischenschaltung von Zählereinheiten 15 für den Bezug und für die Rück speisung/Lieferung von Elektroenergie.

Der Generator 2 ist vorzugsweise als Asynchronmaschi ne ausgeführt, die starr mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Diese Variante bietet den Vorteil, daß der Generator als Antrieb zum Starten der Brennkraft maschine 1 verwendet und gleichzeitig auf aufwendige Netzsynchronisationen verzichtet werden kann. Bei Generatoren großer Leistung ist gegebenenfalls eine sogenannte Softanlaufschaltung notwendig. Die Nutzung von Synchron- bzw. Gleichstromgeneratoren ist natür lich möglich und u. a. dann sinnvoll, wenn eine Insel betriebsfahrweise der Elektroenergieversorgungsanlage angestrebt wird.

Nach dem Startvorgang läuft die Brennkraftmaschine 1 mit der Nenndrehzahl des Motors entsprechend der anliegenden Netzfrequenz hoch. Bei Belastungen der Brennkraftmaschine durch Erhöhung der Primärenergiezu fuhr erfolgt eine Übersynchronisation des Generators 2, und es wird Strom in das angeschlossene Netz einge speist. Die Belastung der Brennkraftmaschine läßt sich durch Messung der Leistung so regeln, daß der Generator mit seiner angegebenen Nennleistung arbei tet. Dieser Zustand bildet den Nennarbeitspunkt bei der Erzeugung von Elektroenergie und Abwärme.

Wird während des Generatorbetriebes im parallel angeschlossenen Hausnetz 34 Elektroenergie verbraucht, so wird die Energie direkt vom Generator 2 geliefert und muß nicht gebührenpflichtig aus dem öffentlichen E-Netz entnommen werden. Durch den Einsatz des Wärmespeichers 4 kann die Laufzeit der Einrichtung zur Erzeugung von Elektroenergie so gesteuert werden, daß sie immer dann arbeitet, wenn der Elektroenergieverbrauch im Gebäude bzw. im öffent lichen Netz gegeben ist.

Prinzipiell ist anstelle der Brennkraftmaschine-Gene ratoreinheit auch der Einsatz einer Brennstoffzelle möglich, ohne daß sich die nachgeschalteten Anlagen teile und Wirkprinzipien dadurch wesentlich verän dern.

Aufgrund der intermittierenden Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anlage ist es sinnvoll und wirt schaftlich, die erzeugte Elektroenergie zwischenzu speichern. Entsprechend dem vorliegenden Ausführungs beispiel wird der vom Generator 2 erzeugte Wechsel strom in einem Batterieladegerät gleichgerichtet und an eine in die Photovoltaikanlage 16 integrierte Bat terieanlage geliefert, in der eine Speicherung der Elektroenergie erfolgt. Die so zum Eigenverbrauch ge speicherte Elektroenergie wird durch den Wechselrich ter als Wechselspannung über den E-Netzanschluß 33 und die Umschalteinrichtung 40 in das Hausnetz 34 ein gespeist. Darüber hinaus ist die Photovoltaikanlage 16 mit der Batterieanlage und über diese Batterie anlage mit dem öffentlichen E-Netz verbunden.

Die in die Photovoltaikanlage 16 einbezogenen Solarpa nele ergänzen die Nutzung mit regenerativer Energie in bekannter Weise.

Neben dem an sich bekannten Einsatz eines Wärmespei chers 4 ist ein zusätzlicher Zusatzspeicher 6 Bestand teil der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-gekoppelten Einrichtung. Dieser Zusatzspeicher 6 dient einerseits als Wärmelieferant für den Verdampfer der Wärmepumpe 3 in der Betriebsart Heizen während des Winterbetrie bes und als Kühlwasserlieferant in der Betriebsart Kühlen bei der Klimatisierung der Gebäude im Sommerbe trieb.

An den Zusatzspeicher 6, der über die Wärmepumpe 3 mit dem Wärmespeicher 4 verbunden ist, sind während des Winterbetriebes primärseitig die Solarkollektoren 13, der Brennwertkondensator 42 und das Kühlsystem 10 von Brennkraftmaschine 1 und Generator 2 vermittels der Leitungen 5 angeschlossen.

Darüber hinausgehend ist ein Wärmeübertrager zur Aus nutzung der Abwärme aus der Abluftrückkühlung 27 des Gebäudes ebenfalls an den Zusatzspeicher 6 angeschlos sen. Alle vorgenannten Module liefern Wärmeernergie mit einem relativ niedrigeren thermischen Niveau an den Zusatzspeicher 6, der die Wärmeenergiequelle für die Wärmepumpe 3 bildet.

Zusätzlich ist ein Wärmeübertrager im Zusatzspeicher 6 mit einer Abwasser-Abwärmegewinnung 20, die naturge mäß einen Abwasseranschluß 19 und einen Überlauf 31 zur Kanalisation besitzt, und über das Ventil 11 für die wählbare Umstellung auf Sommer- und Winterberieb mit der Fußbodenheizung 28 und den Heiz-/Kühlkörpern 29 des Gebäudes verbunden. Vorteilhafterweise ist der Zusatzspeicher 6 außerdem mit einem Anschluß 7 für einen weiteren Kühlkreislauf ausgestattet.

An den Wärmespeicher 4, der vorzugsweise als Schich tenspeicher ausgeführt ist, sind zu seiner Aufladung mit Wärmeenergie durch die Anschlußleitungen 8 pri märseitig das Abgassystem der Brennkraftmaschine 1 und im Sommerbetrieb die Solarkollektoren 13 ange schlossen. Durch die Anschlußleitungen 45 ist ferner der Ölkühler der Brennkraftmaschine 1 mit An schlußleitungen 8 verbunden und somit direkt an den Wärmespeicher 4 angekoppelt. Als weitere Wärmequelle für den Wärmespeicher 4 dient der Kondensator der Wär mepumpe 3.

Eine alternative Wärmeerzeugungseinrichtung in Form eines konventionellen Gasbrenners 39 (Redundanz) ergänzt die erfindungsgemäße Anlage.

Auf der Sekundärseite sind an den Wärmespeicher 4 über einen Mischer 18 der Vorlauf 21 der Heizungsin stallationen, die während des Sommerbetriebes gleich zeitig zur Kühlung resp. Klimatisierung dienen, und die Leitungen für den Brauchwasseranschluß 25 ange schlossen.

Der Vorlauf 21 der Heizungsinstallationen ist während des Sommerbetriebes zur Klimatisierung der Räume se kundärseitig mit dem Zusatzspeicher 6 verbunden, an den im Winterberieb die Rückkühlung 27 zur Wärmerück gewinnung aus der Abluft des Gebäudes angeschlossen ist. Die Umstellung auf Sommer- und Winterbetrieb wird mit Hilfe der Umschaltventile 11; 12 und den Ventilen 41; 42 und 43 realisiert, die sämtlich mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 9 angesteuert werden.

Für den eventuellen Störfall an der Brennkraftmaschi ne 1 ist als alternative Wärmeerzeugungseinrichtung in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine 1, die eine Abgasstromumschaltung 35 auf Sommer- und Winter betrieb besitzt, ein Gasbrenner 39 vorgesehen, der in Verbindung mit Abgaswärmetauscher 24 zur Aufladung des Wärmespeichers 4 direkt über die Anschlußleitun gen 8 mit diesem verbunden ist.

Über den sekundärseitig an den Wärmespeicher 4 ange schlossenen Mischer 18 erfolgt in besonderer Weise die Außentemperatur geführte Regelung des Heizungsvor laufes 21. Entgegen der allgemein üblichen Verfahrens weise wird der Mischer 18 nicht nur mit drei, sondern mit mehreren Anschlußpunkten betrieben. Diese sind eingangsseitig der Heißwasseranschluß aus dem oberen Bereich des Wärmespeichers 4, der Warmwasseranschluß aus dem mittleren Bereich des Wärmespeichers 4 und der Rücklauf 14 der Heizungsanlage sowie ausgangssei tig der Vorlauf 21 der Heizungsanlage. Mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit 9 erfolgt die automati sche Umschaltung zwischen den Eingangssträngen zur Re gelung der Vorlauftemperatur. So wird bei Vorlauftem peraturen bis zur Mitteltemperatur des Wärmespeichers 4 der Heizungs-/Kühlungsvorlauf 21 im mittleren Spei cherbereich in Verbindung mit dem kühleren Rücklauf 14 betrieben. Liegt der Sollwert der außentemperatur geführten Regelung über der Temperatur im Speichermit telbereich, wird die Zumischung aus dem Rücklauf 14 unterbrochen. Die Zumischung erfolgt dann aus dem oberen Bereich des Wärmespeichers 4 mit Heißwasser. Durch diese spezielle Anordnung der Eingangsströme für den Mischer 18 wird der Verbrauch an Heißwasser minimiert und somit die Systemanläufe für die Wieder aufladung des Wärmespeichers 4 stark reduziert. Dieser Effekt kommt der Lebensdauer der Brennkraftma schine 1 direkt zugute.

Der Rücklauf 14 der Heizungsinstallation wird dem Wärmespeicher 4 an unterster Stelle zugeführt und unterstützt auf diese Weise die Wärmeschichtung im Speicher 4. Um möglichst geringe Rücklauftemperaturen zu erreichen, sind erfindungsgemäß in den Heizungs-/Kühlungsrücklauf 14 des Gebäudes beispiels weise eine Fußboden- oder Flächenheizung 28 und ein Vorwärmer 26 zur Erwärmung der einströmenden Frisch luft der Lüftungsanlage angeordnet.

Innerhalb des Wärmespeichers 4 sind Wärmeübertrager vorgesehen, durch die das warme Brauchwasser im unte ren Teil des Wärmespeichers 4, der, wie vorstehend beschrieben, vorzugsweise als Schichtenspeicher ausgebildet ist, vorgewärmt wird. Dadurch wird einer seits die gewünschte Abkühlung des Wärmespeichers 4 in diesem Speicherbereich unterstützt und gleichzei tig die Wärmeentnahme im oberen heißeren Speicherbe reich minimiert. Ein nachgeschalteter einfacher thermischer Mischer 30 dient zur Einstellung der gewünschten Endtemperatur des aufbereiteten warmen Brauchwassers.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kraft- Wärme-gekoppelten Einrichtung besteht darin, daß die vorgeschlagene Anlage ohne zusätzlichen apparativen Aufwand oder anlageseitige Änderungen in den kalten Jahreszeiten zu Heizzwecken und während des Sommerbe triebes zur Klimatisierung/Kühlung der Gebäude und Einrichtungen wirksam eingesetzt werden kann. Im Sommerbetrieb wird mit Hilfe der Wärmepumpe 3 das im Zusatzspeicher 6 befindliche Medium (Wasser) auf annä hernd 0°C heruntergekühlt. Dieses Kaltwasser wird über Umschaltventile 11; 12 für den Kühlberieb im Sommer und für den Heizungsbetrieb im Winter dem Mischer 18 zugeleitet und auf eine Temperatur wenig oberhalb des Taupunktes der in den zu kühlenden Räumen befindlichen Luft abgemischt und über die Kühl-/Heizflächen 29 und gegebenenfalls den Fußboden heizungen 28 den entsprechenden Räumen zur Kühlung zu geführt. Es erfolgt somit durch die vorhandene Heizan lage die Kühlung der Räume, ohne daß zusätzliche anla genseitige Aufwendungen erforderlich sind. Vorhandene Lüftungs- und Klimaanlagen werden in diesen Kreislauf entsprechend eingebunden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einem Einsatz einer Absorptionsmaschine als Wärmepumpe 3 die im Sommer von den Solarkollektoren 13 in den Wärmespeicher 4 transportierte Wärmeenergie zur Kühlung ausgenutzt werden kann. Die Energiequelle der Absorptionskältemaschine ist dann der aufgeladene Wärmespeicher 4.

Die in der erfindungsgemäßen Einrichtung integrierten Solarkollektoren 13 erfüllen zwei Aufgaben. Durch die direkte Verbindung der Solarkollektoren 13 mit dem Wärmespeicher 4 wird die Sonnenenergie im Sommerbe trieb direkt zur Aufbereitung von warmem Brauchwasser und erforderlichenfalls zur Aufbereitung von warmem Wasser zu Heizzwecken eingesetzt. Diese Anordnung entspricht der allgemein bekannten klassischen Anwen dung von Solarsystemen in einem Temperaturbereich über 50°C.

Insbesondere in der kälteren Jahreszeit reicht jedoch die Sonnenenergie im allgemeinen nicht mehr aus, um den Wärmeträger der Solarkollektoren 13 auf das ge wünschte Temperaturniveau von über 50°C aufzuheizen. In konventionellen Anlagen werden die Kollektoren des halb in der Winterperiode nur bedingt ausgenutzt.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung können mit Hilfe der Wärmepumpe 3 in Verbindung mit dem Zusatzspeicher 6 Kollektorvorlauftemperaturen der Solarkollektoren 13 von wesentlich kleiner als 50°C ganzjährig effizi ent genutzt werden, indem das relativ geringe Tempera turniveau der Solarkollektoren 13 in der kälteren Jah reszeit dem noch kälteren Wärmeträger im Zusatzspei cher 6 über einen Wärmeübertrager zugeführt wird. Es erfolgt dadurch ein Wärmetransport auf relativ niedri gem Temperaturniveau aus der Umwelt in den Zusatzspei cher 6. Mit Hilfe der Wärmepumpe 3 wird diese Wärmee nergie auf ein nutzbares thermisches Niveau von ca. 50°C gehoben und dem Wärmespeicher 4, wie bereits be schrieben, zugeführt. Dadurch ist es weitgehend möglich, auf andere Umweltwärmelieferanten für den Betrieb der Wärmepumpe 3 zu verzichten, wie es bei spielsweise mit klassischen Wärmepumpenanlagen zur Ausnutzung von Wärmeenergien aus Erd-, Wasser- oder Luftwärme mit entsprechend hohem apparativen und damit finanziellen Aufwand der Fall ist. Die erfin dungsgemäße Einrichtung unterscheidet sich hierdurch grundlegend von bekannten Anlagen und Systemen und minimiert gleichzeitig den anlagenseitigen Aufwand, indem eine konsequente Dauernutzung der Solarkollekto ren 13 sowohl im Sommer als auch im Winter erfolgt. Die Umstellung auf Sommer- und Winterberieb wird wiederum mit Hilfe der Umschaltventile 22; 23 vorge nommen.

Bezugszeichenliste

1

Brennkraftmaschine

2

Generator

3

Wärmepumpe

4

Wärmespeicher

5

Leitung

6

Zusatzspeicher

7

Anschluß für weiteren Kühlkreislauf

8

Anschlußleitung

9

elektronische Steuereinheit

10

Kühler

11

Umschaltventil

12

Umschaltventil

13

Solarkollektor

14

Rücklauf

15

Zählereinheit

16

Photovoltaikanlage

17

-

18

Mischer

19

Abwasserleitung

20

Abwasserzwischenspeicher

21

Heizungs-/Kühlungsvorlauf

22

Umschaltventil

23

Umschaltventil

24

Abgaswärmetauscher

25

Brauchwasseranschluß

26

Zuluftvorwärmung

27

Abluftrückkühlung

28

Fußbodenheizung

29

Heiz-/Kühlflächen

30

Brauchwasserthermostat

31

Abwasserüberlauf

32

E-Netzanschluß

33

E-Netzanschluß

34

Hausanschluß

35

Abgasstromumschaltung

36

Einhausung

37

Zuluft

38

Abluft

39

Gasbrenner

40

Umschalteinrichtung

41

Ventil

42

Brennwertkondensator

43

Ventil

44

Ventil

45

Anschlußleitung

Claims

1. Kraft-Wärme-gekoppelte Einrichtung zum Heizen, Kühlen und zur Energieversorgung von Gebäuden und Einrichtungen unter Verwendung fossiler Pri märenergie und unter Nutzung von Solarenergie bestehend aus einer Brennkraftmaschine und einem davon angetriebenen Generator, der zum Betrieb einer Wärmepumpe dient und mit dem Hausnetz des Gebäudes und dem öffentlichen Ver sorgungsnetz zur Einspeisung von Elektroenergie verbunden ist und eines im Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Wärmetauschers, der zusammen mit einem Solarkollektor primärsei tig an einen Wärmespeicher angeschlossen ist, mit dem sekundärseitig die mit Wärmeenergie und Warmwasser zu versorgenden Gebäudeausrüstungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmespeicher (4) ein Zusatzspeicher (6) zuge ordnet ist und beide Speicher (4; 6) über eine Wärmepumpe (3) wärmetechnisch miteinander gekoppelt sind, wobei Anlagenmodule, die Wärme energie mit einem relativ hohen thermischen Niveau erzeugen, an den Wärmespeicher (4) und Anlagenmodule, die Wärmeenergie mit einem nied rigeren thermischen Niveau liefern, an den Zusatzspeicher (6), der als Wärmequelle für die Wärmepumpe (3) dient, angeschlossen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Abgassystem der Brennkraftma schine (1), das Kühlsystem (10) von Brennkraft maschine (1) und Generator (2) und im Sommerbe trieb die Solarkollektoren (13), primärseitig an den Wärmespeicher (4) und Anlagenmodule (20; 27; 42) zur Rückgewinnung und Gewinnung von Wärmeenergie aus der Gebäudeabluft, dem Ab wasser und während des Winterbetriebes aus den Solarkollektoren (13) und dem Kühlsystem (10) der Brennkraftmaschine (1) und des Generators (2) primärseitig an den Zusatzspeicher (6) ange schlossen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wärmespeicher (4) und der Zusatzspeicher (6) Schichtenspeicher sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Abgasleitung der Brenn kraftmaschine (1) als alternative Wärmeerzeu gungseinrichtung ein Gasbrenner (39), der primärseitig direkt an den Wärmespeicher (4) angekoppelt ist, und eine Abgasstromumschaltung (35) auf Sommer- und Winterbetrieb vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abwasserleitung (19) des Gebäudes an einen Abwasserzwischenspeicher (20) angeschlossen und der Speicher (20) mit einem Wärmeübertrager im Zusatzspeicher (6) verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Zuluftvorwärmung (26) zur Konditionierung der Zuluft der Lüftungsanla ge des Gebäudes in den Rücklauf (14) der Hei zungs-/Kühlinstallationen (29; 28) eingekoppelt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß in die Lüftungsanlage des Ge bäudes eine Abluftrückkühlung (27) eingebunden und wärmetechnisch an den Zusatzspeicher (6) an gekoppelt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Heizungs-/Kühlungs vorlauf (21) ein Mischer (18) eingeschaltet und an den Mischer (18) eingansseitig der Wärmespeicher (4), mit je einem Anschluß im oberen und mittleren Bereich des Wärmespeicher (4), der Rücklauf (14) der Heizungs-/Kühlungsin stallationen (28; 29) und die Abluftrückkühlung (27) des Gebäudes angeschlossen sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umstellung auf Sommer- oder Winterbetrieb durch Umschaltventi le (11; 12; 22; 23), die in den Leitungsverbin dungen der jeweiligen Anlagenmodule zum Warm- oder Zusatzspeicher (4; 6) vorgesehen sind und die Abgasstromumschaltung (35) erfolgt und die Ventile (11; 12; 22; 23) und die Umschaltung (35) über die elektronische Steuereinheit (9) ansteuerbar sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umstellung auf die Betriebsart Heizen oder Kühlen durch die Um schaltventile (11; 12;) und Ventile (41; 43; 44) erfolgt, die über den Mischer (18) in den Heizungs- und Kühlungsvorlauf (21) eingeschal tet sind, wobei die Ventile (41; 43) und das Umschaltventil (12) mit dem Wärmespeicher (4), das Ventil (44) mit dem Rücklauf (14) und der Abluftrückkühlung (27) und das Umschaltventil (11) mit dem Zusatzspeicher (6) und der Abluft rückkühlung (27) verbunden sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftma schine (1) und der Generator (2) durch eine Brennstoffzelle mit einem elektronischen Wech selrichter ersetzt sind.