DE2532850C2 - Verfahren zur Fernwärmeversorgung von Verbrauchern - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fernwärmeversorgung von Verbrauchern, wobei ein strömender Wärmeträger in mindestens einer Heizzentrale, insbesondere einem Heizkraftwerk, erhitzt, durch die Verbraucher im wesentlichen nicht voll abgekühlt und zur weiteren Abkühlung unter Rückgewinnung von den Verbrauchern zuzuführender Wärme mindestens einer Wärmepumpe, welche in der Nähe der Verbraucher installiert ist, zugeleitet wird,

Heizzentralen von Fernwärmeversorgungsanlagen sind aus Gründen des Umweltschutzes und beim Einsatz von kernkraftbetriebenen Heizzentralen in Form von Heizkraftwerken zusätzlich aus sieherheitstechnischen Überlegungen nicht in unmittelbarer Nähe von Verbrauchs-Schwerpunkten errichtet. Die erzeugte Wärme muß daher über einen Wärmeträger, z. B. Wasser oder Dampf, den Verbrauchern zugeleitet werden. Hierbei sind einzelne Verbraucher oft zu einem Verbrauchs-Schwerpunkt zusammengefaßt

Die für den Transport des Wärmeträgers benötigten Rohrleitungen und Pumpen erfordern einen hohen Aufwand an Investitionen. Außerdem steigen die Betriebskosten zur Fortleitung des Wärmeträgers mit zunehmender Transport-Entfernung. Um nun die Gesamtkosten für die Fortleitung des Wärmeträgers in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen zu halten, ist eine hohe gleichmäßige Auslastung der Transporteinrichtungen erwünscht Aus dieser Forderung ergeben sich in der Praxis jedoch einige Schwierigkeiten.

Bei dem üblichen fortschreitenden Ausbau von Fernwärmeversorgungsnetzen steigt der Wärmeverbrauch und damit die zu fördernde Menge des Wärmeträgers stetig an. Da die Leistungsfähigkeit der Transporteinrichtungen für den Wärmeträger dem stetig ansteigenden Wärmeverbrauch aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht laufend angepaßt werden kann, könnte man diese Einrichtungen von vornherein größer, d. h. für den maximal zu erwartenden Verbrauch dimensionieren. Dies würde jedoch bedeuten, daß diese Einrichtungen in den ersten Jahren des Betriebes nicht voll genutzt und der Wärmetransport daher unwirtschaftlich wäre. Dies kann man vermeiden, indem man zur Fernwärmeversorgung erst dann übergeht, wenn die Anzahl der Wärmeverbraucher nicht mehr wesentlich ansteigt. Ein solches Vorgehen ist jedoch mit sämtlichen Nachteilen der Einzel-Wärmeversorgung verbunden, wie z. B. erhöhte Luftverschmutzung und geringere Wirkungsgrade bei der Wärmeerzeugung.

Durch die CH-PS 187 961 wurde bereits ein Verfahren bekannt, bei dem ein strömender Wärmeträger in einer Heizzentrale erhitzt und durch die Verbraucher im wesentlichen nicht voll abgekühlt wird. Der Wärmeträger wird daher zur weiteren Abkühlung unter Rückgewinnung von den Verbrauchern zuzuführender Wärme einer Wärmepumpe zugeleitet, welche in der Nähe der Verbraucher installiert ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fernwärmeversorgung von Verbrauchern der eingangs genannten Art so weiterzubilden, d<iß seine Wirtschaftlichkeit und Anpassungsfähigkeit an den wechselnden und/oder steigenden Verbrauch, insbesondere bezüglich des Wärmeträger-Transports ohne großen zusätzlichen Aufwand dauernd gegeben oder sogar gesteigert ist. Zudem soll das Verfahren einfach, betriebssicher und den üblichen Anforderungen gewachsen sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der erhitzte Wärmeträger den Verbrauchern unmittelbar zugeführt, nach seiner Abkühlung in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt, der Wärmepumpe zugeleitet wird, die mindestens einen ersten Teilstrom auf Nutztemperatur erwärmt und mindestens einen zweiten Teilstrom zur Rückgewinnung der für die Erwärmung des ersten Teilstromes erforderlichen Wärme abkühlt.

Es wird also ein Teilstrom des abgekühlten Wärmeträgers in unmittelbarer Nähe der Verbraucher wieder aufgeheizt und den Verbrauchern zugeführt. Die hierzu erforderliche Wärmemenge wird einem anderen Teilstrom des bereits abgekühlten Wärmeträgers entzogen, in einer an sich bekannten Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und zur Aufheizung des ersten Teilstromes bereitgestellt. Auf diese Weise wird das nutzbare Wäcmegefälle des Wärmeträgers vergrößert und somit der Ferntransport von Wärme ohne jegliche Beeinflussung des von der Heizzentrale abgehenden Wärmeträgerstromes erhöht. Dies bedeutet, daß die Transporteinrichtungen für die Fernwärme von vornherein auf eine optimale Grundlast ausgelegt werden können, da ein Anstieg und/oder eine Schwankung des Wärmeverbrauchs durch den Einsatz von Wärmepumpen abgefangen wird und die Transporteinrichtungen daher nicht zusätzlich belastet

Auf diese Weise kann das Wärmeangebot einem steigenden oder täglich, ja sogar in noch kürzeren Zeitspannen wechselnden Wärmebedarf angepaßt werden, bei gleichzeitig unverändert wirtschaftlichem Betrieb der Fernleitungsanlagen. Vorzugsweise wird man den abgekühlten Wärmeträger mehrerer kleiner Verbraucher zusammenfassen und dann jeweils einer Wärmepumpe zuführen. Besteht die Heizzentrale aus einem Heizkraftwerk so ergibt sich noch der Vorteil, daß sich bei mehrstufiger Erwärmung des zusätzlich abgekühlten Wärmeträgers eine höhere Stromausbeute ergibt, als dies ohne diese zusätzliche Abkühlung möglich wäre. Damit wird ein Teil der Antriebsleistung der Wärmepumpe gedeckt und die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage günstig beeinflußt.

Wie sich aus vorstehendem ergibt, dient die erfindungsgemäße Anordnung einer Wärmepumpe nicht dazu, den thermodynamischen Prozeß der gegebenenfalls mit der Stromerzeugung gekoppelten Fernwärme-Erzeugung verbessern zu wollen. Denn es ist bekannt, daß durch die Einschaltung einer Wärmepumpe in einen geschlossenen Wärmeträgerkreislauf zwischen Fernwärme-Erzeugern und -Verbrauchern keine thermodynamische Verbesserung gegenüber alleiniger Wärmeversorgung aus solchen Fernwärme-Erzeugern erreicht werden kann. Die Erfindung gibt daher im wesentlichen die Lehre, wie die hohen Kosten für den Fernwärmetransport zwischen Fernwärme-Erzeugern unt/ -Verbrauchern verringei··. und die Anpassungsfähigkeit gesteigert werden kann.

In vorteilhafter Weise kann als Arbeitsmittel für die Wärmepumpe Luft in einem geschlossenen Kreislauf benutzt werden, wobei tier untere Druck-Pegel des Arbeitsmittels höher ist als der Atmosphärendruck der Umgebung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der erste Teilstrom des Wärmeträgers auf eine gegenüber der Aufheizung in der Heizzentrale geringere Temperatur erwärmt und entsprechenden Verbrauchern zugeführt werden. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit weiter gesteigert, denn der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe erhöht sich mit kleiner werdenden Temperaturunterschieden zwischen ihrer wärmeaufnehmenden und wärmeabgebenden Seite. Dieses Verfahren läßt sich in der Praxis leicht durchführen, da Wärmeverbraucher, wie z. B. Warmwasserbereiter, deren maximale Temperatur meistens begrenzt ist, mit en'.sprechend geringen Temperaturen des Wärmeträgers aufgeheizt werden können.

Um Temperaturschw«tfikungen von den Verbrauchern fernzuhalten, bewährte es sich, wenn der erste Teilstrom des Wärmeträgers auf konstante Wärmepumpen-Austrittstemperatur geregelt wird.

Wird Wasser als Wärmeträger benutzt, so besteht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, daß der zweite Teilstrom des Wärmeträgers etwa auf Umgebungstemperatur abgekühlt und in der Nähe der Wärmepumpe in die Umgebung, z. B. einen Fluß, abgeführt wird, während eine entsprechende Zusatzwassermenge der Umgebung in der Nähe der Heizzentrale entnommen, aufbereitet, in der Heizzentrale erwärmt und als Wärmeträger benutzt wird. Auf diese Weise werden die Rückleitungen für den Wärmeträger von der Wärmepumpe zur Heizzentrale eingespart, bzw. diese Leitungen können zusätzlich für den Transport des erwärmten Wärmeträgers zu den Verbrauchern eingesetzt werden.

Um nun auch die Wärmepumpe veränderten Bedingungen anpassen zu können, ist es empfehlenswert, die Wärmeleistung der Wärmepumpe durch Verändern der Menge des im KreirS'-uf zirkulierenden Arbeitsmittels zu regeln.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht nun darin, daß das verdichtete Arbeitsmittel der Wärmepumpe in einer Turbine entspannt und die gewonnene Energie an den Verdichter der Wärmepumpe abgegeben wird. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit weiter erhöht.

Weitere Vorteile gehen aus der Beschreibung von zwei für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Fernwärmcversorgungsanlagen im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Es zeigt

Fig. I das Schaltschema einer Fernwärmeversorgungsanlage, in der der abgekühlte Wärmeträger der Heizzentrale wieder zugeführt wird und

F i g. 2 eine Fernwärmeversorgungsanlage, bei der der abgekühlte Wärmeträger in die Umgebung abgegeben und an der Heizzentrale eine entsprechende Frischwassermenge der Umgebung entnommen wird.

In den Zeichnungen sind gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 führt von der Heizzentrale 20, die vorzugsweise als Heizkraftwerk ausgebildet ist, eine Vorlauf-Fernleitung 21 über einen Leitungsknotenpunkt 22 und eine verhältnismäßig kurze Versorgungsleitung 23 zu den Verbrauchern 11. Die Verbraucher sind hierbei als ein einzelner Verbraucher dargestellt, es können selbstverständlich, wie es in der Praxis meist zutreffen wird, mehrere parallelgeschaltete einzelne Verbraucher vorhanden sein. Vom Verbraucher 11 führt eine Abflußleitung 12 über eine Umwälzpumpe 13 zu einem Verzweigungv punkt 14. Von hier aus ist die Abflußleitung über die Teilstrecken 15, 10 und die Primärseite des zweiten Wärmetauschers 4 zu dem Sammelpunkt 18 geführt. An diesen Sammelpunkt 18 schließt sich eine Rücklauf-Fernleitung 19 zur Heizzentrale 20 an, so daß der Kreislauf für den Wärmeträger geschlossen ist.

Vom Verzweigt ,igspunkt 14 geht zusätzlich eine mit einem Regelventil 8 versehene Teilstromleitung 7 auc und führt über die Primärseite des ersten Wärmetauschers 2, einen Temperaturfühler 9 für der, Regler 8, zu dem Leitungsknotenpunkt 22. Vom Verzweigungspunkt 24 führt eine Pypassleitung 25 mit zwischengeschaltetem Regelventil 17 irjm Ssmmelpunkt 18, so daß der zweite Wärmetauscher 4 wärmeträgerseitig umgehbar ist.

Die Sekundärseiten der Wärmetauscher 2, 4 sind in den Arbeitskreislauf einer Wärmepumpe 26 eingeschaltet. Die Wärmepumpe ist in bekannter Weise mit einem Verdichter 1, der druckseitig über die Sekundärseile des ersten Wärmetauschers 2 mit einer Entspannungsturbine 3 verbunden ist, gebildet. Die Ausgangsscite der Entspannungsturbine 3 ist über die Sekundärseite des zweiten Wärmetauschers 4 mit der Saugseite des Verdichters 1 verbunden, so daß der Kreislauf für das Arbeitsmittel geschlossen ist. Verdichter 1. Entspannungsturbine ί. sowie der elektrische Antriebsmotor 5 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 6 bzw. ihre Wellen sind gekuppelt. Die das Arbeitsmittel der Wärmepumpe führenden Leitungen sind in den Zeichnungen mit einer zusätzlichen gestrichelten Linie gekennzeichnet.

Der Wärmeträger wird während des Betriebs der Anlage in der Heizzentrale 20 erwärmt und über die Vorlauf-Fernleitung 21 zum Leitungsknotenpunki 22

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ehern 11 geleitet. Hier kühlt er sich bis auf die Rücklauftemperalur bzw. Kondensattemperatur, welche im allgemeinen z. B. zwischen 50 und 7(T liegen dürfte, ab und strömt über die Abflußleitung 12 und die Umwälzpumpe 13 zum Verzweigungspunkt 14. F.in erster Teilstrom des Wärmeträgers tritt jetzt über die Teilstromleitung 7 in die Primärseite des ersten Wärmetauschers 2 ein und wird von dem sekundärseitigen Arbeitsmittel der sich in Betrieb befindenden Wärmepumpe auf Nutztemperatur erhitzt und am Leitungsknotenpunkt 22 dem von der Heizzentralc zuströmenden Wärmeträger wieder beigemischt. Als Wärmequelle /ur Aufwärmung des Heizwasser-Teilstromes 7 dient die Kompressionswärme des gasförmigen Arbeitsmittels der Wärmepumpe.

Der zweite Teilstrom des Wärmeträgers wird über die Teilstrecke 15 zum Verzweigungspunkt t4. über die Teilstrecke 10 und durch den zweiten Wärmetauscher 4 zum Sammelpunkt 18 sowie über die Rücklauf-Fernleitung 19 der Heizzentrale wieder zugeführt. Dem zweiten Teilstrom des Wärmeträgers wird hierbei im zweiten Wärmetauscher 4 Wärme entzogen. Als Wärmesenke zur Abkühlung des /weiten Teilstromes dient das in der Entspannungsturbine durch Expansion abgekühlte, gasförmige Arbeitsmittel der Wärmepumpe. Das gasförmige Arbeitsmittel wird jetzt vom Verdichter 1 angesaugt, verdichtet, im ersten Wärmetauscher 2 abgekühlt, der Entspannungsturbine 3 und wiederum dem zweiten Wärmetauscher 4 zu neuem Kreislauf zugeleitet. Hierbei wird die im Wärmetauscher 4 dem zweiten Teilstrom des Wärmeträgers entzogene Wärm= in bekannter Weise auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und im Wärmetauscher 2 an den ersten Teilstrom des Wärmeträgers zur Erhitzung auf Nutztemperatur abgegeben. Das Regelventil 8 stellt hierbei im Zusammenwirken mit seinem Fühler 9 die den ersten Wärmetauscher 2 durchströmende Wärmeträgermenge so ein. daß sich eine konstante Austrittstemperatur für den ersten Teilstrom am Wärmetauscheraustritt einstellt Der zweite Wärmetauscher 4 kann wärmeträgerseitig über die Bypassleitung und das Regelventil 17. falls erforderlich, umgangen werden.

Vorzugsweise wird der erste Teilstrom des Wärmeträgers nach dem Austritt aus dem ersten Wärmetauscher 2 nicht zu dem Leitungsknotenpunkt 22 geleitet und dem von der Heizzentrale kommenden Wärmeträger beigemischt, sondern in gesonderten Leitungen Verbrauchern zugeführt, die lediglich eine geringere Nutztemperatur erfordern, wie z. B. Warmwasscrbercitern. Der abgekühlte Wärmeträger wird selbstverständlich wieder im Bereich der Abflußleitung 12 dem Wärmeträgerkreislauf zugeführt. Dieses Verfahren hat

to den Vorteil, daß die Wärmepumpe den ersten Teilsirom nicht auf die meist hohe, von der Heizzentrale vorgegebene Wärmcträgertemperatur aufheizen muß und somit wirtschaftlicher arbeiten kann. Die vorstehende Ausführungsvariantc ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.

Zur Regelung der Wärmeleistung der Wärmepumpe kann die umlaufende Menge des Arbeitsmediums, z. B. Luft oder Gas, geregelt werden.

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Wärmepumpe im Wärrr.eträgcrkreislauf eines Fernwärme-Versorgungs-Systems wird der Aufwand für den Fernwärmetransport über große Entfernungen spürbar reduziert. Außerdem ist bei unveränderter Leitungskapazität eine stetige Anpassung an einen über längere Zeitabschnitte steigenden Wärmeverbrauch und/oder an den während der Heizperiode und während eines Heiztages schwankenden Wärmebedarf der Verbraucher mr":»lich, so daß insgesamt gesehen, der Betrieb wirtschaftlicher ist.

.10 In F i g. 2 ist eine Ausführungsvariante einer Fernhci· zungsanlage dargestellt. Hier wird der zweite I eilstrom des Wärmeträgers im zweiten Wärmetauscher 4 bis etwa auf Umgebungstemperatur abgekühlt und an einer Austrittsstelle 30 z. B. in einen nahen Fluß abgeführt.

Eine entsprechende Zusatzwassermenge wird in der Nähe der Heizzentrale 20. z. B. einem Fluß, entnommen und über die Zufuhrstelle 31. eine Speisepumpe 32. eine Wasseraufbereitungsanlage 33 und eine Speiseleitung 34 der Heizzentrale zugeführt und als Wärmeträger benutzt. Auf diese Weise kann eine besondere Rücklauf-Fernleitung eingespart werden bzw. bereits vorhandene Rücklauf-Fernleitungen können zur Steigerung des Wärmetransports als Vorlaul-hernieitungen verwendet werden. Ansonsten ist die Wirkungsweise der hier gezeigten Anlage identisch mit der in Fig. 1 gezeigten und beschriebenen Anlage, so daß sich weitere Ausführungen erübrigen.

Für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird für den Wärmetransport bevorzugt Wasser als

so Wärmeträge^r eingesetzt; wobei auch Zustandsänderungen. wie z. B. Verdampfung und Kondensation >isgenutzt werden können.

Als Arbeitsmittel für die Wärmepumpe ist bevorzugt Luft oder ein anderes geeignetes Gas, wie z. B. COj, im geschlossenen Kreislauf vorgesehen. Der untere Druck-Pegel des Arbeitsgases im geschlossenen Wärmepumpenkreislauf liegt vorzugsweise im Oberdnickbereich — z.B. 10bar — um eine entsprechend hohe Leistungsdichte zu erreichen. Die Höhe des zu wählenden unteren Druck-Pegels im geschlossenen Wärmepumpenkreislauf wird von konstruktiven Oberlegungen und Wirtschaftlichkeits-Kriterien des jeweiligen Bedarfsfalles bestimmt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Fernwärmeversorgung von Verbrauchern, wobei ein strömender Wärmeträger in mindestens einer Heizzentrale, insbesondere einem Heizkraftwerk, erhitzt, durch die Verbraucher im wesentlichen nicht voll abgekühlt und zur weiteren Abkühlung unter Rückgewinnung von den Verbrauchern zuzuführender Wärme mindestens einer Wärmepumpe, welche in der Nähe der Verbraucher installiert ist, zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erhitzte Wärmeträger den Verbrauchern (11) unmittelbar zugeführt, nach seiner Abkühlung in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt, der Wärmepumpe (26) zugeleitet wird, die mindestens einen ersten Teilstrom auf Nutztemperatur erwärmt und mindestens einen zweiten Teilstrom zur Rückgewinnung der für die Erwärmung des ersten Teilstromes erforderlichen Wärme abkühlt

2. Verfahren nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmittel für die Wärmepumpe Luft in einem geschlossenen Kreislauf benutzt wird, wobei der untere Druck-Pegel des Arbeitsmittels höher ist als der Atmosphärendruck der Umgebung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom des Wärmeträgers auf eine gegenüber der Aufheizung in der Heizzentrafe (20) geringere Temperatur erwärmt und entsprechenden Verbrauchern zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem de^r Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom des Wärmeträgers auf konstante V-'^rmepumpen-Austrittstemperatur geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Wasser als Wärmeträger, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilstrom des Wärmeträgers etwa auf Umgebungstemperatur abgekühlt und in der Nähe der Wärmepumpe (26) in die Umgebung, z. B. einen Fluß, abgeführt wird, während eine entsprechende Zusatzwassermenge der Umgebung in der Nähe der Heizzentrale (20) entnommen, aufbereitet, in der Heizzentrale aufgeheizt und als Wärmeträger eingesetzt wird (Fig. 2).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleistung der Wärmepumpe (26) durch Verändern der Menge des im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmittels geregelt so wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Arbeitsmittel der Wärmepumpe in einer Turbine (3) entspannt und die gewonnene Energie an den Verdichter (1) der Wärmepumpe abgegeben wird.