Vorrichtung und Verfahren für den Betrieb einer Wärmeübergabestation

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmeübergabestation zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid.

Stand der Technik

[0002] Fernwärme bezeichnet die Versorgung von Gebäuden mit Heizwärme und Warmwasser. Dafür ist beispielsweise Wasser als Medium für den Wärmetransport gut geeignet, wobei es flüssig oder in Dampfform Verwendung findet. Das Medium wird in wärmegedämmten Rohrleitungen in einem ständigen Umlauf gefördert. Als Nahwärme wird eine entsprechende Wärmeübertragung zu Heizzwecken über vergleichsweise kurze Distanzen bezeichnet, wobei der Übergang zur Fernwärme jedoch fließend ist.

[0003] Wärmeübergabestationen verbinden solche Nah- und Fernwärmenetze mit Wärmeverbrauchern. Die Betriebstemperaturen der Fernwärmenetze richten sich dabei nach den Verbrauchern mit dem höchsten benötigten Temperaturniveau. In der Innenstadt Münchens beispielsweise beträgt die Temperatur des Fernwärme-Vorlaufes im Winter 130 °C und im Sommer 80 °C. Die Temperatur des Rücklaufes darf einen Wert von 45 °C nicht überschreiten. Diese Temperaturen gehören zu den Parametern, die üblicherweise in den technischen Anschlussbedingungen des jeweiligen Versorgungsunternehmens festgelegt sind und müssen durch die Betriebsart und Bauweise der Anlage eingehalten werden. Allerdings benötigt die überwiegende Zahl der Verbraucher niedrigere Vorlauftemperaturen für ihre Heizsysteme. Im Fall von Wohngebäuden liegt die benötigte Vorlauftemperatur der Warmwasserversorgung üblicherweise bei etwa 60 - 65 °C, und daher muss nach dem Stand der Technik zunächst durch Beimischung von kälterem Wasser die Temperatur gesenkt werden. Auf diese Weise wird jedoch ein großer Teil des theoretisch nutzbaren Potenzials (Exergie) des Heißwassers verschwendet, was nachteilig ist. Es wird also nach dem Stand der Technik Wärme auf hohem Temperaturniveau über weite Strecken transportiert und anschließend unter Exergievemichtung auf ein niedriges Temperaturniveau abgesenkt.

[0004] Das Dokument EP 2 538 040 A1 offenbart eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und ein assoziiertes Verfahren. Das Dokument DE 10 2012 217 929 A1 offenbart ein Kraft-Wärme-Kraftwerk und ein Verfahren zum Betrieb eines Kraft-Wärme-Kraftwerks.

Beschreibung der Erfindung

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu überwinden und das Potential der Fernwärme besser auszunutzen.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmeübergabestation nach Anspruch 1.

[0007] Die erfindungsgemäße Wärmeübergabestation zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid umfasst eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung mit einem Arbeitsmedium, insbesondere eine ORC-Vorrichtung mit einem organischen Arbeitsmedium, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst: einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager zum Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid, eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid, und eine Speisepumpe zum Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer. Optional kann in dem Kondensator vor dem Kondensieren ein Enthitzen des Arbeitsmediums erfolgen. Weiterhin kann optional in dem Kondensator nach dem Kondensieren ein Unterkühlen des Arbeitsmediums unter die Kondensationstemperatur erfolgen. Das erste wärmeführende Fluid und das zweite wärmeführende Fluid können dasselbe Fluid sein. In der Wärmeübergabestation wird Wärme wird aus einem Netz mit einem ersten Temperaturniveau in ein Netz mit einem zweiten, niedrigeren Temperaturniveau übergeben.

[0008] Erfindungsgemäß ist die Wärmeübergabestation dazu ausgebildet, die elektrische Energie zumindest teilweise zum Betreiben des Kundenwärmenetzes, insbesondere einer kundenseitigen Heizungsanlage, zu verwenden.

[0009] Der Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation besteht darin, dass der genannte Exergieunterschied zwischen der Fernwärmeseite und der Wärmekundenseite für die Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann, indem ein Kreisprozess zwischengeschaltet wird, beispielsweise ein Organic-Rankine-Prozess (ORC-Prozess) mit einem organischen Arbeitsmedium, ein Stirling-Kreisprozess, ein Dampfkraftprozess, etc. Ein Teil der dem Fernwärmenetz entzogenen Hochtemperaturwärme wird im thermodynamischen Kreisprozess in elektrische Energie gewandelt. Die Kondensationswärme des Arbeitsmediums speist das Heiznetz mit Niedertemperaturwärme. So kann die Wärmeversorgung ganz oder teilweise über den thermodynamischen Kreisprozess realisiert werden. Der Hauptnutzen der Erfindung besteht in der zusätzlichen Bereitstellung elektrischer Energie an den Wärmekunden.

[0010] Die erfindungsgemäße Wärmeübergabestation kann dahingehend weitergebildet werden, dass einen dritter Wärmeübertrager zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid vorgesehen sein kann. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil der Wärmeenergie direkt auf das Kundenwärmenetz übertragen wird und somit eine Absicherung der Wärmeversorgung gegen einem Ausfall der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung erzielt wird.

[0011] Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil; Mittel zum Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und zum Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und Mittel zum Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager vorgesehen sein können. Die Rücklauftemperatur des Lieferantenwärmenetzes kann dabei durch entsprechende Regelung der Kreisprozessvorrichtung auf einem konstanten Niveau gehalten werden. Die Vorlauftemperatur im Kundenwärmenetz ist beliebig regelbar. Wenn höherer Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom zum Kreisprozess gesenkt.

[0012] Gemäß einer anderen Weiterbildung können die Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einem Vorlauf oder in einem Rücklauf des Kundenwärmenetzes vorgesehen sein, und sie umfassen vorzugsweise ein Dreiwegeventil oder eine Pumpe in einem Vorlauf zum dritten Wärmeübertrager. Dieses entspricht jeweils vorteilhaften Beispielen für die Anordnung und für die konkrete Ausgestaltung dieser Mittel.

[0013] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass ein vierter Wärmeübertrager zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitmedium vorgesehen ist. Alternativ zur Stromerzeugung wird durch die Weiterbildung ein Wärmepumpen-Betriebsmodus der Kreisprozessvorrichtung ermöglicht. Der Wärmepumpenbetrieb bietet für Wärmekunden den Vorteil, dass die installierte Anschlussleistung geringer ausfallen kann.

[0014] Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass Mittel zum Umleiten des Arbeitsmediums aus einem Vorlauf des Verdampfers zum vierten Wärmeübertrager, insbesondere in Form eines Dreiwegeventils oder eines Magnetventils; und Mittel zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor vorgesehen sind. Auf diese Weise kann das Arbeitsmedium statt zum ersten Wärmeübertrager zum vierten Wärmeübertrager geleitet werden, um dort beim Betrieb der Expansionsmaschine als Kompressor Wärme aus dem ersten Fluid aufzunehmen.

[0015] Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass die Mittel zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor umfassen: Mittel zum unmittelbaren Leiten des Arbeitsmediums vom vierten Wärmeübertrager zu einer Niederdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine, insbesondere ein erstes Ventil zum Sperren der Verbindung zwischen Verdampfer und der Hochdruckseite der Expansionsmaschine und eine Bypassleitung mit einem zweiten Ventil zum Herstellen einer Verbindung zwischen dem vierten Wärmeübertrager und der Niederdruckseite der Expansionsmaschine, und desweiteren Mittel zum unmittelbaren Leiten des komprimierten Arbeitsmediums von einer Hochdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine zum Kondensator, insbesondere ein viertes Ventil zum Sperren einer Verbindung zwischen der Niederdruckseite der Expansionsmaschine und dem Kondensator und eine Bypassleitung mit einem dritten Ventil zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Hochdruckseite der Expansionsmaschine und dem Kondensator. Dies stellt bevorzugte Ausgestaltungen der genannten Mittel zur Verfügung.

[0016] Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Wärmeübergabestation derart ausgebildet sein, dass das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird. Dabei wird der Kondensator mit einem großen Massenstrom durchströmt. Dies ist für den elektrischen Wirkungsgrad der Anlage vorteilhaft.

[0017] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Wärmeübergabestation mit einem dritten Wärmeübertrager weiterhin Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des ersten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil, insbesondere ein Dreiwegeventil, und Mittel zum Leiten des ersten Teils des ersten Fluids zum dritten Wärmeübertrager umfasst.

[0018] Die zuvor genannte Weiterbildung kann zudem dahingehend weitergebildet werden, dass ein Wärmespeicher in thermischem Kontakt mit dem zweiten Fluid vorgesehen ist. Dieses ermöglicht eine Abflachung der Temperaturgradienten des in den Kondensator eintretenden zweiten Fluids. Ist die Temperatur des zweiten Fluids größer als die Temperatur des Wärmespeichers wird das zweite Fluid gekühlt, falls sie kleiner ist, wird es erwärmt.

[0019] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 11.

[0020] Das erfindungsgemäße Verfahren übergibt Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid mittels einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer ORC-Vorrichtung, wobei die thermische Kreisprozessvorrichtung einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager, eine Expansionsmaschine, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager und eine Speisepumpe umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid mit dem ersten Wärmeübertrager; Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums mit der Expansionsmaschine und zumindest teilweises Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie mit dem Generator; Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid mit dem zweiten Wärmeübertrager; und Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer mit der Speisepumpe. Vor dem Kondensieren kann optional ein Enthitzen des entspannten Arbeitsmediums erfolgen. Nach dem Kondensieren kann optional ein Unterkühlen des kondensierten Arbeitsmediums erfolgen.

[0021] Erfindungsgemäß wird die elektrische Energie zumindest teilweises zum Betreiben des Kundenwärmenetzes, insbesondere einer kundenseitigen Heizungsanlage, verwendet.

[0022] Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Weiterbildungen entsprechen jenen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dessen Weiterbildungen und werden deshalb hier nicht nochmals aufgeführt.

[0023] Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der weitere Schritt des unmittelbaren Übertragens von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid mit einem dritten Wärmeübertrager vorgesehen.

[0024] Eine Weiterbildung der zuvor genannten Weiterbildung besteht darin, dass die folgenden weiteren Schritte vorgesehen sind: Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil; Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager.

[0025] Gemäß einer anderen Weiterbildung umfasst das Verfahren den Schritt des unmittelbaren Übertragens von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitsmedium mit einem vierten Wärmeübertrager.

[0026] Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird.

[0027] Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht geeignet miteinander kombiniert werden.

[0028] Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.

Zeichnungen

[0029] 

Fig. 1

stellt die Exergienutzung und den Temperaturverlauf bei reinem Heizbetrieb schematisch dar.

Fig. 2

zeigt die entsprechende Exergienutzung mit einem integrierten ORC-Prozess.

Fig. 3

zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation.

Fig. 4

zeigt ein T-Q-Diagramm des ORC-Prozesses.

Fig. 5

zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation.

Fig. 6

illustriert Kavitationsvermeidung durch Verringerung des Massenstroms.

Fig. 7

zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation in einem ersten Betriebsmodus.

Fig. 8

zeigt die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation in einem zweiten Betriebsmodus.

Fig. 9

zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation.

Fig. 10

zeigt eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation.

Ausführungsformen

[0030] Zunächst wird im Folgenden die grundlegende Motivation der Erfindung im Bezug auf die Exergie dargestellt. Die Exergie bezeichnet den Teil der Energie, der vollständig in eine beliebige andere Energieform gewandelt werden kann, wie beispielsweise in elektrische Energie. Es handelt sich also um den arbeitsfähigen Teil der Energie. Im Gegensatz dazu ist die Anergie der nicht arbeitsfähige Teil einer Energie, eine Wandlung in andere Energieformen ist hier nicht möglich. So kann Wärmeenergie selbst in einem idealisierten Prozess nur zu einem Teil in mechanische Energie gewandelt werden.

[0031] Ein Wärmestrom Q besteht aus einem Exergie-Anteil Ė und einem Anergie-Anteil Ä, wobei sich der Exergie-Anteil mit Hilfe der Gleichung

errechnet. Hierbei ist T die Temperatur der Wärmequelle und T_U die Temperatur der Umgebung. Bei einem konventionellen Heizsystem wird die im Wärmestrom enthaltene Exergie durch Absenkung der Temperatur vernichtet, wie Fig. 1 verdeutlicht. Die Absenkung der Temperatur kann hierbei unterschiedliche Gründe haben. So kann eine Absenkung der Temperatur notwendig sein, um z.B. Temperaturgrenzen im Heizungssystem einzuhalten, dies gewährleistet beispielsweise die Wärmeübergabestation. Eine weitere Reduktion der Temperatur findet bei jeglicher Wärmeübertragung statt, sei es in der Wärmeübergabestation oder aber in der Heizung, welche z.B. einen Raum erwärmt. Wenn die Wärme sich auf Umgebungstemperatur reduziert hat, dann besitzt sie keine Arbeitsfähigkeit mehr und ist reine Anergie.

[0032] Im Gegensatz dazu ermöglicht die Integration eines thermodynamischen Kreisprozesses in das Heizsystem (siehe Fig. 2) die Weiterverwendung eines Teils der im Wärmestrom enthaltenen Exergie in Form von elektrischer Energie. Der Energiestrom, welcher in elektrische Energie gewandelt wird, steht zwar nicht mehr für die Beheizung zur Verfügung, er kann jedoch durch eine geringfügige Erhöhung der Wärmezufuhr in den ORC-Prozess ausgeglichen werden. Aufgrund geringer Preise der Energieträger und damit der erzeugten thermischen Energie im Vergleich zu den Bezugspreisen für elektrische Energie ist dies besonders im Bereich der Wohnungswirtschaft/Kleinverbraucher wirtschaftlich interessant.

[0033] Fig. 3 zeigt in einer ersten Ausführungsform der Erfindung die einfachste Realisierung der Strom erzeugenden Wärmeübergabestation. Die hier verwendeten Bezugszeichen werden auch in den weiteren Figuren für die anderen Ausführungsformen beibehalten, wenn es sich um gleiche Elemente handelt.

[0034] Die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation 1 zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz 10 mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz 20 mit einem zweiten wärmeführenden Fluid umfasst eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung 30 mit einem Arbeitsmedium (beispielsweise Wasser oder Wasserdampf), insbesondere eine ORC-Vorrichtung mit einem organischen Arbeitsmedium, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung 30 umfasst: einen als Verdampfer 31 ausgebildeten ersten Wärmeübertrager zum Verdampfen und optional zusätzlichen Vorwärmen und/oder Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid, eine Expansionsmaschine 32 zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator 33 zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie, einen als Kondensator 34 ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager zum Kondensieren und optional vorherigen Enthitzen und/oder zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid, und eine Speisepumpe 35 zum Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer. Die Speisepumpe wird durch einen Motor 36 betrieben. Zudem ist im Heizkreislauf des Kundenwärmenetzes eine Pumpe 21 vorgesehen, mit der das zweite Fluid (beispielsweise Wasser) gefördert wird.

[0035] Zum Zweck der Übersichtlichkeit wird eine vereinfachte Darstellung des Fernwärmenetzes 10, des ORC-Prozesses 30 sowie des Heiznetzes 20 gewählt. Im Verdampfer 31 wird flüssiges Arbeitsmedium unter Wärmezufuhr verdampft, in der Expansionsmaschine 32 (z.B. Schraubenexpander, Turbine) entspannt und auf einem niedrigeren Druckniveau verflüssigt. Bei der Verflüssigung im Kondensator 34 wird Wärme vom Arbeitsfluid an das Heizwassernetz abgegeben und dadurch die geforderte Vorlauftemperatur erreicht. Über eine Welle ist die Expansionsmaschine 32 mit dem Generator 33 gekoppelt, welcher die mechanische Energie in elektrische wandelt. Diese kann sowohl in ein Netz eingespeist werden, als auch zur Deckung des Eigenbedarfs der Heizungsanlage verwendet werden. Der Kreislauf wird geschlossen, indem die Speisepumpe 35 den Druck des Arbeitsmediums auf den Verdampfungsdruck erhöht und es emeut in den Verdampfer 31 fördert. Die Integration eines thermodynamischen Kreisprozesses 30 in eine Wärmeübergabestation 1 bietet somit die Möglichkeit einer dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung bei Wärmeverbrauchern. Im Fall von größeren Wärmeübergabestationen wird durch einen modularen Aufbau der Parallelbetrieb mehrerer Anlagen in einem Stack ermöglicht. Auf diese Weise werden ein besseres Teillastverhalten sowie eine erhöhte Flexibilität erreicht.

[0036] Die Kombination einer Wärmeübergabestation mit einem thermodynamischen Kreisprozess beinhaltet allerdings die Problematik, dass der ORC nur einen Teil des Temperaturgefälles zwischen Fernwärme Vorlauf und -Rücklauf nutzen kann. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass der Pinch Point zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Temperatur des Arbeitsmediums die Wärmeaufnahme begrenzt, wie das T-Q-Diagramm des ORC-Prozesses in Fig. 4 verdeutlicht. Dargestellt sind dort die Temperaturverläufe der Fluide im Fernwärmenetz, im Heiznetz, sowie im ORC-Prozess. Hierbei ist Q̇_max,ORC die maximale Wärmemenge, welche der ORC aufnehmen kann, bei Q̇_{Anforderung,Kunde} handelt es sich um den Wärmebedarf des Gebäudes. Als Pinch Point (auch Zwickpunkt oder Punkt der geringsten Grädigkeit genannt) bezeichnet man in der thermodynamischen Verfahrenstechnik den Punkt der kleinsten Temperaturdifferenz zwischen zwei Medien, die über ein oder mehrere Wärmeübertrager Wärme übertragen.

[0037] Darüber hinaus ist die Heizleistung bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 3 abhängig vom Betrieb des ORC 30. Bei einem Ausfall des thermodynamischen Prozesses 30 ist die Wärmeversorgung des Heiznetzes 20 nicht mehr möglich, da über den Kondensator 34 keine Wärme mehr ausgekoppelt wird. Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Anfälligkeit der Arbeitsmedium-Speisepumpe 35 gegenüber Kavitation. Gelangt innerhalb von kurzer Zeit eine große Menge kalten Wassers in den Kondensator 34, beispielsweise bei plötzlich auftretendem Wärmebedarf, so sinkt der Druck im Kondensator 34. Wird hierbei der zur vorherrschenden Temperatur des Arbeitsmediums korrespondierende Siededruck unterschritten, kommt es zur Kavitation, also dem lokalen Entstehen von Dampfblasen im Kondensat im Zulauf und Eintritt zur Speisepumpe 35, die anschließend wieder zusammenfallen. Durch die damit verbundenen Druckwellen kommt es zu Schäden an den Laufrädern der Speisepumpe 35, darüber hinaus führt der entstehende Dampf zum Zusammenbruch des geförderten Volumenstromes, was anschließend zum sofortigen Stillstand des Kreisprozesses 30 führt.

[0038] Die Patentschrift DE 10 2009 053 390 B3 "Thermodynamische Maschine sowie Verfahren zu deren Betrieb" beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermeidung von Kavitation in einem thermodynamischen Kreisprozess, welches insbesondere bei Verwendung von Luftkondensatoren vorteilhaft ist. Hierbei wird dem Arbeitsmedium durch Hinzufügen eines nicht kondensierenden Gases im Kondensator ein zusätzlicher Druck aufgeprägt. Da dies gleichbedeutend ist mit einer größeren Vorlaufhöhe der Pumpe, vergrößert sich im Pumpenzulauf der Abstand des tatsächlichen Druckes zum Siededruck. Im Gegenzug verringert sich dadurch die Druckdifferenz über der Expansionsmaschine und somit die abgegebene elektrische Leistung. Da bei Kondensation gegen Wasser die Druckdifferenz über der Expansionsmaschine verhältnismäßig gering ist, ist diese Lösung für den vorliegenden Anwendungsfall nachteilig.

[0039] Diese Nachteile können jedoch durch die nachfolgend dargestellten weiteren Ausführungsformen sowie bevorzugte Kombinationen daraus vermieden werden.

[0040] Der Heizbetrieb ist bei der zweiten Ausführungsform 2 nach Fig. 5 unabhängig vom Betrieb des Kreisprozesses. Ein variabler Teil der Wärme wird vom Kreisprozess aufgenommen, während der Rest über einen dritten Wärmeübertrager 40 direkt in das Heiznetz 20 übertragen wird. Alternativ zum 3-Wege-Ventil 22 kann eine weitere Pumpe im Heiznetz-Vorlauf zum dritten Wärmeübertrager 40 zur Aufteilung des Massenstroms verwendet werden. Die Pumpen können weiterhin sowohl im Vor- als auch im Rücklauf des Heiznetzes 20 angeordnet sein. Bei einem Ausfall des Kreisprozesses kann die gesamte Wärmemenge über den dritten Wärmeübertrager 40 zugeführt werden. Eine Notlauffunktionalität ist somit bei ausreichender Dimensionierung des dritten Wärmeübertragers 40 gegeben. Die Rücklauftemperatur des Fernwärmenetzes kann durch entsprechende Regelung des Kreisprozesses auf einem konstanten Niveau oder unterhalb einer geforderten Maximaltemperatur gehalten werden. Im ORC-Betrieb ist die Temperatur geringfügig höher als bei ausgeschaltetem ORC. Die Vorlauftemperatur im Heiznetz 20 ist beliebig regelbar. Wenn höherer Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom im Kreisprozess gesenkt. Bei konstanten Eingangs- und Ausgangstemperaturen des Arbeitsmediums findet dadurch eine geringere Wärmezufuhr an den ORC statt. Dies wiederum bedeutet aufgrund des konstanten Massenstromes im Fernwärmenetz 10, dass die Ausgangstemperatur auf der Seite des Fernwärmenetzes 10 steigt. Dadurch liegt über dem dritten Wärmeübertrager 40 eine größere Temperaturdifferenz an, wodurch die direkt an das Heiznetz 20 übertragene Wärmemenge erhöht wird. Das System kann sowohl in Heizwassernetze eingebunden werden, in denen Fernwärmenetz- und Heizwassemetz voneinander getrennt sind, als auch in Netzen in denen nur ein gemeinsames Netz besteht. Für die Integration in ein gemischtes Netz wird der dritte Wärmeübertrager 40 nicht mehr benötigt, da man einen Teilstrom des Fernwärmewassers direkt in das Heiznetz leiten kann.

[0041] Diese zweite Ausführungsform verfügt weiterhin über eine verbesserte Funktionalität zur Vermeidung von Kavitationsschäden. Hierbei kann der Massenstrom des Heizwassers durch den Kondensator 34 über das 3-Wege-Ventil 22 reduziert werden. Wie Fig. 6 zeigt, vergrößert sich dadurch die Temperaturspreizung des Wassermassenstroms. Die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums wird durch die Eintrittstemperatur des Wassers, die Temperaturdifferenz im Pinch Point, sowie dem Massenstrom und damit der Temperaturspreizung des Wassers aufgeprägt. Steigt die wasserseitige Eintrittstemperatur, erhöht sich auch der Kondensationsdruck des Arbeitsmediums. Nimmt der Massenstrom des Wassers ab, steigt die Austrittstemperatur des Wassers. Da die Wärmeübertragerfläche konstant bleibt, die Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium und Wasser jedoch steigt, wird das Arbeitsmedium stärker unterkühlt. Eine größere Unterkühlung wirkt im Speisepumpenvorlauf wie eine größere Vorlaufhöhe, da sich der Abstand des tatsächlichen Drucks zum Verdampfungsdruck am Pumpeneingang vergrößert.

[0042] Bei der großen Temperaturspreizung zwischen Fernwärme Vorlauf (z.B. 120 °C) und Rücklauf (z.B. 45 °C) stößt die Wärmeübertragung im Verdampfer 34 schnell an ihre Grenzen. Aufgrund des Pinch Points zwischen Arbeitsmedium und Fluid am Eintritt in den ersten Wärmeübertrager (Verdampfer) ist die Auskühlung des Fernwärmerücklaufes und somit die Wärmezufuhr nur begrenzt möglich.

[0043] Weiterhin ermöglicht diese zweite Ausführungsform 2 verschiedene Betriebsmodi. Ein erster Betriebsmodus dient zum Heizen und zur Stromproduktion. Bei durchschnittlichem Wärmebedarf läuft der Kreisprozess parallel zur Wärmeversorgung und ein Teil des Wärmebedarfes wird durch die Kondensationswärme gedeckt. Ein kleiner Teil der Wärme aus dem Heiznetz 20 wird über die Expansionsmaschine 32 und den Generator 33 in elektrische Energie gewandelt. Ein zweiter Betriebsmodus dient als reiner Heizbetrieb. Dazu wird bei sehr großem Wärmebedarf der Kreisprozess 30 ausgeschaltet und die gesamte benötigte Wärme über den dritten Wärmeübertrager 40 dem Heiznetz 20 zugeführt. Dieser Betriebsmodus gleicht hierbei dem einer herkömmlichen Übergabestation.

[0044] Im Fall von sensiblen Wärmequellen (z.B. Geothermie-Heizwerk) ist die Rücklauftemperatur ein wichtiger Parameter, um möglichst viel Wärme aus der Quelle zu entnehmen und den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern. Die dritte Ausführungsform 3 gemäß Fig. 7 stellt eine Weiterentwicklung der zweiten Ausführungsform 2 dar, durch die entsprechend niedrige Temperaturen im Fernwärme-Rücklauf erreicht werden können.

[0045] Alternativ zur Stromerzeugung wird durch die dritte Ausführungsform 3 nach Fig. 7 ein Wärmepumpen-Betriebsmodus des ORC ermöglicht. Dazu wird der Expander 32 als Kompressor 32 betrieben, indem das Ventil 54 geschlossen und das Ventil 53 geöffnet wird, so dass das Fluid auf der Niederdruckseite in die Expansionsmaschine 32 strömt. Weiterhin wird das Ventil 55 geschlossen. Durch das offene Ventil 52 strömt das verdichtete Arbeitsmedium in den Kondensator 34, wo es Wärme an das Heiznetz 20 abgibt. Durch die Drossel 56 erfolgt eine Druckabsenkung, die mit einer Verringerung der Siedetemperatur einhergeht. Mittels des dritten Wärmeübertragers 40 wird ein Teil der Wärmeenergie an das Heiznetz 20 übertragen und so die Rücklauftemperatur auf einen für die Wärmepumpe geeigneten Bereich herabgesenkt. Anschließend kann das Arbeitsmedium über das 3-Wege-Ventil 51 zum vierten Wärmeübertrager 50 geleitet werden, wo es verdampft werden kann. Dadurch wird der Fernwärme-Rücklauf weiter gekühlt.

[0046] Der Wärmepumpenbetrieb bietet für Wärmekunden den Vorteil, dass die installierte Anschlussleistung geringer ausfallen kann. Dies liegt darin begründet, dass die Nennanschlussleistung sich durch eine festgelegte Spreizung zwischen Fernwärme Vor- und Rücklauf sowie der Fläche der Wärmeübertrager definiert. Durch die zusätzliche Auskühlung des Rücklaufes bei konstanter Wärmeübertragerfläche und konstantem Massenstrom, ist die tatsächliche Wärmezufuhr im Wärmepumpenbetrieb größer als die Nennanschlussleistung. Für Betreiber von beispielsweise Geothermie-Heizwerken ergibt sich der Vorteil, dass der regenerativen Wärmequelle so mehr Energie entzogen werden kann. Durch die höhere Ausbeute thermischer Energie bei niedrigen Rücklauftemperaturen kann darüber hinaus ein Teil der Bereitstellung von Spitzenlastenergie ersetzt werden.

[0047] Im ORC-Betrieb gemäß Fig. 8 verhält sich diese dritte Ausführungsform 3 analog zur zweiten Ausführungsform 2. Hierbei sind die Ventile 54 und 55 offen, das 3-Wege-Ventil 51 versperrt den Zugang zum vierten Wärmeübertrager 50 und ermöglicht den Zugang zum ersten Wärmeübertrager 31.

[0048] Durch die Ventile 52, 53, 54, 55 ist ein Bypass der Expansionsmaschine 32 möglich, somit sinken die Druckverluste und die Wärmebereitstellung an das Heiznetz 20 kann über einen Naturumlauf realisiert werden. Alternativ kann der dritte Wärmeübertrager 40 den Bypass ermöglichen. Im Wärmepumpen-Betriebsfall sind niedrige Fernwärme-Rücklauftemperaturen erreichbar. Eine Begrenzung der Heiznetz-Vorlauftemperatur besteht durch die maximale Kondensationstemperatur plus der Grädigkeit des Wärmeübertragers. Der Einsatz ist mit geringfügigen Modifikationen sowohl bei getrennten als auch bei gemischten Heizkreisen möglich. Die Kavitationsvermeidung ist hier wie für die zweite Ausführungsform gegeben. Die Temperaturspreizung des Verdampfers ist wie in der zweiten Ausführungsform. Bei der großen Temperaturspreizung zwischen Fernwärme Vor- und Rücklauf stößt die Wärmeübertragung im Verdampfer schnell an ihre Grenzen. Aufgrund des Pinch Points zwischen Arbeitsmedium und Fluid in der Fernwärmeleitung ist die Auskühlung des Fernwärme Rücklaufes und somit die Wärmezufuhr an den ORC nur begrenzt möglich.

[0049] Fig. 9 zeigt eine vierte Ausführungsform 4 der erfindungsgemäßen Wärmeübergabestation. In dieser vierten Ausführungsform 4 sind Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des ersten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil in Form eines Dreiwegeventils, und Mittel zum Leiten des ersten Teils des ersten Fluids zum dritten Wärmeübertrager 40 vorgesehen. Weiterhin gibt es einen Wärmespeicher 60 in thermischem Kontakt mit dem zweiten Fluid. Bei einem Ausfall des Kreisprozesses kann die gesamte Wärmemenge über den dritten Wärmeübertrager 40 zugeführt werden. Eine Notlauffunktionalität ist somit bei ausreichender Dimensionierung des dritten Wärmeübertrager 40 gegeben. Im ORC-Betrieb ist die Fernwärme-Rücklauftemperatur leicht erhöht gegenüber der zweiten Ausführungsform 2. Die Vorlauftemperatur im Heiznetz ist beliebig regelbar. Wenn (z.B. bei Spitzenlast) ein gesteigerter/erhöhter Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom zum Kreisprozess gesenkt, dadurch wird mehr Wärme auf einem höheren Temperaturniveau über den dritten Wärmeübertrager 40 an das Heiznetz 20 übertragen. Die Heiznetz Vorlauftemperatur ist wie bei der zweiten Ausführungsform 2. Der Einsatz ist mit geringfügigen Modifikationen sowohl bei getrennten als auch bei gemischten Heizkreisen möglich. In den Rücklauf des Heiznetzes 20 ist als thermischer Puffer ein Wärmespeicher 60 (Latentwärmespeicher oder ein sensibler Wärmespeicher) vor den Kondensator 34 geschaltet werden. Dieses ermöglicht eine Abflachung der Temperaturgradienten des in den Kondensator 34 eintretenden Heizwassers. Bei der großen Temperaturspreizung zwischen Fernwärme Vor- und Rücklauf stößt die Wärmeübertragung im Verdampfer schnell an ihre Grenzen. Aufgrund des Pinch Points zwischen Arbeitsmedium und Fluid in der Fernwärmeleitung ist die Auskühlung des Femwärme Rücklaufes und somit die Wärmezufuhr nur begrenzt möglich.

[0050] Bei der fünften Ausführungsform 5 nach Fig. 10 wird der Kondensator 34 des ORC auf der Seite des Heiznetzes 20 immer mit der kältesten Temperatur sowie mit einem großen Massenstrom durchströmt, da das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator 34 als auch durch den dritten Wärmeübertrager 40 geleitet wird. Dies ist für den elektrischen Wirkungsgrad der Anlage vorteilhaft, da sich bei einem größeren Massenstrom eine geringere Temperaturdifferenz im Heizwasser-Rücklauf einstellt. Bei konstantem Pinch Point stellt sich somit ein niedrigerer Gegendruck zur Expansionsmaschine ein (siehe dazu Fig. 11), was zu einer höheren elektrischen Leistung führt. Bei einem Ausfall des Kreisprozesses kann die gesamte Wärmemenge über den dritten Wärmeübertrager 40 zugeführt werden. Eine Notlauffunktionalität ist somit bei ausreichender Dimensionierung des dritten Wärmeübertragers 40 gegeben. Aufgrund der Erwärmung des Heiznetz-Rücklaufes im Kondensator 34 kann der Fernwärme-Rücklauf durch den dritten Wärmeübertrager 40 nicht so weit gekühlt werden wie bei der zweiten Ausführungsform. Dadurch ergibt sich im ORC-Betrieb je nach Betriebsweise eine Erhöhung der Fernwärme-Rücklauftemperatur, beispielsweise um etwa 10 bis 15 K. Die Vorlauftemperatur im Heiznetz 20 ist beliebig regelbar. Wenn Wärmebedarf besteht, wird der Massenstrom im Kreisprozess gesenkt, dadurch wird mehr Wärme auf einem höheren Temperaturniveau über den dritten Wärmeübertrager 40 direkt an das Heiznetz übertragen. Der Einsatz ist mit geringfügigen Modifikationen sowohl bei getrennten als auch bei gemischten Heizkreisen möglich. Kavitationsvermeidung: In den Rücklauf des Heiznetzes kann wie bei der vierten Ausführungsform 4 als thermischer Puffer ein Latentwärmespeicher oder ein sensibler Wärmespeicher vor den Kondensator 34 geschaltet werden. Dieses ermöglicht eine Abflachung der Temperaturgradienten des in den Kondensator eintretenden Heizwassers. Temperaturspreizung im Verdampfer der fünften Ausführungsform 5 entspricht jener der zweiten Ausführungsform 2.

[0051] Zusammenfassend weist die erfindungsgemäße Wärmeübergabestation die folgenden Vor- und Nachteile auf. Als Vorteile sind eine bessere Ausnutzung der eingesetzten Exergie (bei wenig zusätzlicher Wärmeleistung großer zusätzlicher Nutzen, siehe Fig. 2); weniger Vernichtung von Exergie bei Wärmeübergabe an Wärmeverbraucher; dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung beim Endnutzer (Strom erzeugendes Heizsystem); Nutzung unterschiedlicher Temperaturvarianten und Netztypen (gemischte und getrennte Kreise); große Flexibilität in Leistung und Betrieb, an wachsendes Wärmenetz anpassbar (kann als Stack ausgeführt werden); und Steigerung von Wirkungsgrad und Stromkennzahl des Gesamtsystems aufzuführen. Als Nachteil ist eine geringfügig niedrigere maximale Wärmebereitstellung für den Wärmekunden zu nennen und in den Ausführungsformen 1, 2, 4, 5 eine geringfügige bis mäßige Erhöhung der Temperatur des Fernwärmerücklaufs. In den Ausführungsformen mit Notlauffunktion kann durch einen Bypass des ORC, also dessen Abschaltung, und einer ausreichenden Dimensionierung des dritten Wärmeübertragers 40 trotzdem die gesamte Anschlussleistung zur Verfügung gestellt werden.

[0052] Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Ansprüche

1. Wärmeübergabestation (2, 3, 4, 5) zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz (10) mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz (20) mit einem zweiten wärmeführenden Fluid, umfassend:

eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung (30) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere eine ORC-Vorrichtung mit einem organischen Arbeitsmedium, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung umfasst:

einen als Verdampfer (31) ausgebildeten ersten Wärmeübertrager (31) zum Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid,

eine Expansionsmaschine (32) zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums,

einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator (33) zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie,

einen als Kondensator (34) ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager (34) zum Kondensieren und optional zusätzlichen Enthitzen und/oder optional zusätzlichen Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid,

und

eine Speisepumpe (35) zum Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer;

dadurch gekennzeichnet, dass

die Wärmeübergabestation (2, 3, 4, 5) dazu ausgebildet ist, die elektrische Energie zumindest teilweise zum Betreiben des Kundenwärmenetzes, insbesondere einer kundenseitigen Heizungsanlage, zu verwenden,

2. Wärmeübergabestation nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:
einen dritten Wärmeübertrager (40) zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid.

3. Wärmeübergabestation nach Anspruch 2, weiterhin umfassend:

Mittel (22) zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil;

Mittel zum Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und zum Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und

Mittel zum Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager.

4. Wärmeübergabestation nach Anspruch 3, wobei die Mittel zum Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einem Vorlauf oder in einem Rücklauf des Kundenwärmenetzes vorgesehen sind und vorzugsweise ein Dreiwegeventil, ein Magnetventil oder eine Pumpe in einem Vorlauf zum dritten Wärmeübertrager umfassen.

5. Wärmeübergabestation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin umfassend:
einen vierten Wärmeübertrager (50) zum unmittelbaren Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitsmedium.

6. Wärmeübergabestation nach Anspruch 5, weiterhin umfassend:

Mittel (51) zum Umleiten des Arbeitsmediums aus einem Vorlauf des Verdampfers zum vierten Wärmeübertrager, insbesondere in Form eines Dreiwegeventils oder eines Magnetventils; und

Mittel (52, 53, 54, 55) zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor.

7. Wärmeübergabestation nach Anspruch 6, wobei die Mittel zum Betreiben der Expansionsmaschine als Kompressor umfassen:

Mittel (53, 54) zum unmittelbaren Leiten des Arbeitsmediums vom vierten Wärmeübertrager (50) zu einer Niederdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine (32), insbesondere ein erstes Ventil (54) zum Sperren der Verbindung zwischen Verdampfer und der Hochdruckseite der Expansionsmaschine und eine Bypassleitung mit einem zweiten Ventil (53) zum Herstellen einer Verbindung zwischen dem vierten Wärmeübertrager (50) und der Niederdruckseite der Expansionsmaschine (32), und

Mittel (52, 55) zum unmittelbaren Leiten des komprimierten Arbeitsmediums von einer Hochdruckseite der als Kompressor betriebenen Expansionsmaschine (32) zum Kondensator (34), insbesondere ein viertes Ventil (55) zum Sperren einer Verbindung zwischen der Niederdruckseite der Expansionsmaschine (32) und dem Kondensator (34) und eine Bypassleitung mit einem dritten Ventil (52) zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Hochdruckseite der Expansionsmaschine (32) und dem Kondensator (34).

8. Wärmeübergabestation nach Anspruch 2, wobei die Wärmeübergabestation derart ausgebildet ist, dass das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird.

9. Wärmeübergabestation nach Anspruch 2 oder 8, weiterhin umfasssend:

Mittel (41) zum Aufteilen des Massenstroms des ersten Fluids in einen ersten Teil und

einen zweiten Teil, insbesondere ein Dreiwegeventil, und

Mittel zum Leiten des ersten Teils des ersten Fluids zum dritten Wärmeübertrager.

10. Wärmeübergabestation nach Anspruch 9, weiterhin umfassend:
einen Wärmespeicher (60) in thermischem Kontakt mit dem zweiten Fluid.

11. Verfahren zum Übergeben von Wärme von einem Lieferantenwärmenetz mit einem ersten wärmeführenden Fluid auf ein Kundenwärmenetz mit einem zweiten wärmeführenden Fluid mittels einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer ORC-Vorrichtung, wobei die thermische Kreisprozessvorrichtung einen als Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmeübertrager, eine Expansionsmaschine, einen mit der Expansionsmaschine gekoppelten Generator, einen als Kondensator ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager und eine Speisepumpe umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Vorwärmen, Verdampfen und optional zusätzliches Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme aus dem ersten Fluid mit dem ersten Wärmeübertrager;

Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums mit der Expansionsmaschine und zumindest teilweises Wandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie mit dem Generator;

Kondensieren und optional zusätzliches Enthitzen und/oder optional zusätzliches Unterkühlen des entspannten Arbeitsmediums und Übertragen von Wärmeenergie aus dem entspannten Arbeitsmedium auf das zweite Fluid mit dem zweiten Wärmeübertrager; und

Fördern des kondensierten Arbeitsmediums unter Druckerhöhung zum Verdampfer mit der Speisepumpe;

gekennzeichnet durch

zumindest teilweises Verwenden der elektrischen Energie zum Betreiben des Kundenwärmenetzes, insbesondere einer kundenseitigen Heizungsanlage.

12. Verfahren nach Anspruch 11, mit dem weiteren Schritt:
unmittelbares Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das zweite Fluid mit einem dritten Wärmeübertrager.

13. Verfahren nach Anspruch 12, mit den weiteren Schritten:

Aufteilen des Massenstroms des zweiten Fluids in einen ersten Teil und einen zweiten Teil;

Leiten des ersten Teils des zweiten Fluids durch den Kondensator und Leiten eines zweiten Teils des zweiten Fluids durch den dritten Wärmeübertrager; und

Zusammenführen des ersten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den Kondensator und des zweiten Teils des Massenstroms des zweiten Fluids nach dem Leiten durch den dritten Wärmeübertrager.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit dem weiteren Schritt:
unmittelbares Übertragen von Wärme aus dem ersten Fluid auf das Arbeitsmedium mit einem vierten Wärmeübertrager.

15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zweite wärmeführende Fluid vollständig sowohl durch den Kondensator als auch durch den dritten Wärmeübertrager geleitet wird.

Claims

1. A heat transfer station (2, 3, 4, 5) for transferring heat from a supplier's heat network (10) including a first heat carrying fluid to a customer's heat network (20) including a second heat carrying fluid, comprising:

a thermodynamic cyclic process device (30) including a working medium, in particular an ORC device including an organic working medium, the thermodynamic cyclic process device comprising:

a first heat exchanger (31) configured as an evaporator (31) for preheating, evaporating and optionally additionally superheating the working medium while supplying heat from the first fluid,

an expansion engine (32) for generating mechanical energy by expanding the vaporized working medium,

a generator (33) coupled to the expansion engine for at least partially converting the mechanical energy into electric energy,

a second heat exchanger (34) configured as a condenser (34) for condensing and optionally additionally deheating and/or optionally additionally supercooling the expanded working medium and transferring heat energy from the expanded working medium to the second fluid, and

a feed pump (35) for feeding the condensed working medium to the evaporator while increasing the pressure;

characterized in that

the heat transfer station (2, 3, 4, 5) is configured to use the electric energy at least partially for operating the customer's heating network, in particular a heating system on the customer's side.

2. The heat transfer station according to claim 1, further comprising:
a third heat exchanger (40) for directly transferring heat from the first fluid to the second fluid.

3. The heat transfer station according to claim 2, further comprising:

means (22) for dividing the mass flow of the second fluid into a first portion and a second portion;

means for passing the first portion of the second fluid through the condenser and for passing a second portion of the second fluid through the third heat exchanger; and

means for combining the first portion of the mass flow of the second fluid after passing through the condenser and the second portion of the mass flow of the second fluid after passing through the third heat exchanger.

4. The heat transfer station according to claim 3, wherein the means for dividing the mass flow of the second fluid are provided in a feed line or in a return line of the customer's heat network and preferably comprise a three-way valve, a solenoid valve or a pump in a feed line to the third heat exchanger.

5. The heat transfer station according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
a fourth heat exchanger (50) for directly transferring heat from the first fluid to the working medium.

6. The heat transfer station according to claim 5, further comprising:

means (51) for diverting the working medium from a feed line of the evaporator to the fourth heat exchanger, in particular in the form of a three-way valve or a solenoid valve;

and

means (52, 53, 54, 55) for operating the expansion engine as a compressor.

7. The heat transfer station according to claim 6, wherein the means for operating the expansion engine as a compressor comprise:

means (53, 54) for directly leading the working medium from the fourth heat exchanger (50) to a low-pressure side of the expansion engine (32) operated as a compressor, in particular a first valve (54) for blocking the connection between the evaporator and the high-pressure side of the expansion engine and a bypass line including a second valve (53) for establishing a connection between the fourth heat exchanger (50) and the low-pressure side of the expansion engine (32), and

means (52, 55) for directly leading the compressed working medium from a high-pressure side of the expansion engine (32) operated as a compressor to the condenser (34), in particular a fourth valve (55) for blocking a connection between the low-pressure side of the expansion engine (32) and the condenser (34), and a bypass line including a third valve (52) for establishing a connection between the high-pressure side of the expansion engine (32) and the condenser (34).

8. The heat transfer station according to claim 2, wherein the heat transfer station is configured such that the second heat carrying fluid is passed entirely through both the condenser and the third heat exchanger.

9. The heat transfer station according to claims 2 or 8, further comprising:

means (41) for dividing the mass flow of the first fluid into a first portion and a second portion, in particular a three-way valve, and

means for leading the first portion of the first fluid to the third heat exchanger.

10. The heat transfer station according to claim 9, further comprising:
a heat accumulator (60) in thermal contact with the second fluid.

11. A method for transferring heat from a supplier's heat network including a first heat-carrying fluid to a customer's heat network including a second heat-carrying fluid by means of a thermodynamic cycle device, in particular an ORC device, wherein the thermal cycle device comprises a first heat exchanger configured as an evaporator, an expansion engine, a generator coupled to the expansion engine, a second heat exchanger configured as a condenser, and a feed pump, and wherein the method comprises the following steps:

preheating, evaporating and optionally additionally superheating the working fluid while supplying heat from the first fluid using the first heat exchanger;

generating mechanical energy by expanding the vaporized working medium using the expansion engine and at least partially converting the mechanical energy into electric energy using the generator;

condensing and optionally additionally deheating and/or optionally additionally supercooling the expanded working fluid and transferring heat energy from the expanded working fluid to the second fluid using the second heat exchanger; and

feeding the condensed working medium to the evaporator while increasing the pressure using the feed pump;

characterized by

at least partially using the electrical energy to operate the customer's heating network, in particular a customer's heating system.

12. The method according to claim 11, comprising the further step of:
directly transferring heat from the first fluid to the second fluid using a third heat exchanger.

13. The method according to claim 12, comprising the further steps of:

dividing the mass flow of the second fluid into a first portion and a second portion;

passing the first portion of the second fluid through the condenser and passing a second portion of the second fluid through the third heat exchanger; and

combining the first portion of the mass flow of the second fluid after passing through the condenser and the second portion of the mass flow of the second fluid after passing through the third heat exchanger.

14. The method according to any one of claims 11 to 13, comprising the further step of:
directly transferring heat from the first fluid to the working medium using a fourth heat exchanger.

15. The method according to claim 12, wherein the second heat carrying fluid is passed entirely through both the condenser and the third heat exchanger.

Revendications

1. Station de transfert de chaleur (2, 3, 4, 5) pour transférer de la chaleur d'un réseau de chaleur fournisseur (10) avec un premier fluide caloporteur vers un réseau de chaleur client (20) avec un second fluide caloporteur, comprenant :
un dispositif à cycle thermodynamique (30) avec un milieu de travail, en particulier un dispositif ORC avec un milieu de travail organique, le dispositif à cycle thermodynamique comprenant :

un premier échangeur de chaleur (31) conçu sous la forme d'un évaporateur (31) pour un préchauffage, une évaporation, et une surchauffe supplémentaire facultative du milieu de travail avec amenée de chaleur provenant du premier fluide,

une machine à expansion (32) pour produire de l'énergie mécanique par détente du milieu de travail vaporisé,

un générateur (33) couplé à la machine à expansion pour convertir au moins partiellement l'énergie mécanique en énergie électrique,

un deuxième échangeur de chaleur (34) conçu sous la forme d'un condenseur (34) pour une condensation et une désurchauffe supplémentaire facultative et/ou un sous-refroidissement supplémentaire facultatif du milieu de travail détendu et un transfert d'énergie calorifique du milieu de travail détendu au second fluide, et

une pompe d'alimentation (35) pour transporter le milieu de travail condensé vers l'évaporateur en augmentant la pression ;

caractérisée en ce que

la station de transfert de chaleur (2, 3, 4, 5) est conçue pour utiliser l'énergie électrique au moins en partie pour faire fonctionner le réseau de chaleur client, en particulier une installation de chauffage côté client.

2. Station de transfert de chaleur selon la revendication 1, comprenant en outre :
un troisième échangeur de chaleur (40) pour transférer directement de la chaleur du premier fluide au second fluide.

3. Station de transfert de chaleur selon la revendication 2, comprenant en outre :

des moyens (22) pour diviser le débit massique du second fluide en une première partie et une seconde partie ;

des moyens pour faire passer la première partie du second fluide à travers le condenseur et pour faire passer une seconde partie du second fluide à travers le troisième échangeur de chaleur ; et

des moyens pour réunir la première partie du débit massique du second fluide après passage dans le condenseur et la seconde partie du débit massique du second fluide après passage dans le troisième échangeur de chaleur.

4. Station de transfert de chaleur selon la revendication 3, dans laquelle les moyens pour diviser le débit massique du second fluide sont prévus dans un trajet ou un retour du réseau de chaleur client et comprennent de préférence une vanne à trois voies, une électrovanne ou une pompe dans un trajet vers le troisième échangeur de chaleur.

5. Station de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre :
un quatrième échangeur de chaleur (50) pour transférer directement de la chaleur du premier fluide au milieu de travail.

6. Station de transfert de chaleur selon la revendication 5, comprenant en outre :

des moyens (51) pour dévier le milieu de travail depuis un trajet de l'évaporateur vers le quatrième échangeur de chaleur, en particulier sous la forme d'une vanne à trois voies ou d'une électrovanne ; et

des moyens (52, 53, 54, 55) pour faire fonctionner la machine à expansion en tant que compresseur.

7. Station de transfert de chaleur selon la revendication 6, dans laquelle les moyens pour faire fonctionner la machine à expansion en tant que compresseur comprennent :

des moyens (53, 54) pour diriger directement le milieu de travail du quatrième échangeur de chaleur (50) vers un côté basse pression de la machine à expansion (32) fonctionnant en tant que compresseur, en particulier une première vanne (54) pour bloquer la liaison entre l'évaporateur et le côté haute pression de la machine à expansion et une conduite de dérivation avec une deuxième vanne (53) pour établir une liaison entre le quatrième échangeur de chaleur (50) et le côté basse pression de la machine à expansion (32), et

des moyens (52, 55) pour diriger directement le milieu de travail comprimé d'un côté haute pression de la machine à expansion (32) fonctionnant en tant que compresseur vers le condenseur (34), en particulier une quatrième vanne (55) pour bloquer une liaison entre le côté basse pression de la machine à expansion (32) et le condenseur (34) et une conduite de dérivation avec une troisième vanne (52) pour établir une liaison entre le côté haute pression de la machine à expansion (32) et le condenseur (34).

8. Station de transfert de chaleur selon la revendication 2, dans laquelle la station de transfert de chaleur est formée de telle sorte que le second fluide caloporteur est complètement conduit à la fois à travers le condenseur et à travers le troisième échangeur de chaleur.

9. Station de transfert de chaleur selon la revendication 2 ou 8, comprenant en outre :

des moyens (41) pour diviser le débit massique du premier fluide en une première partie et une seconde partie, en particulier une vanne à trois voies, et

des moyens pour diriger la première partie du premier fluide vers le troisième échangeur de chaleur.

10. Station de transfert de chaleur selon la revendication 9, comprenant en outre :
un accumulateur de chaleur (60) en contact thermique avec le second fluide.

11. Procédé de transfert de chaleur d'un réseau de chaleur fournisseur comprenant un premier fluide caloporteur à un réseau de chaleur client comprenant un second fluide caloporteur à l'aide d'un dispositif à cycle thermodynamique, en particulier un dispositif ORC, dans lequel le dispositif à cycle thermodynamique comprend un premier échangeur de chaleur sous la forme d'un évaporateur, une machine à expansion, un générateur couplé à la machine à expansion, un deuxième échangeur de chaleur sous la forme d'une condensateur et une pompe d'alimentation, le procédé comprenant les étapes suivantes consistant à :

préchauffer, évaporer et facultativement surchauffer de manière supplémentaire le milieu de travail avec amenée de chaleur provenant du premier fluide à l'aide du premier échangeur de chaleur ;

générer de l'énergie mécanique par détente du milieu de travail vaporisé avec la machine à expansion et en convertissant au moins partiellement l'énergie mécanique en énergie électrique à l'aide du générateur ;

condenser et désurchauffer facultativement de manière supplémentaire et/ou sous-refroidir facultativement de manière supplémentaire le milieu de travail détendu et

transférer l'énergie calorifique du milieu de travail détendu au second fluide à l'aide du deuxième échangeur de chaleur ; et

transporter le milieu de travail condensé avec augmentation de la pression vers l'évaporateur à l'aide de la pompe d'alimentation ;

caractérisé par l'étape consistant à

utiliser au moins partiellement de l'énergie électrique pour faire fonctionner le réseau de chaleur client, en particulier une installation de chauffage côté client.

12. Procédé selon la revendication 11, comprenant en outre l'étape consistant à :
transférer directement la chaleur du premier fluide au second fluide à l'aide d'un troisième échangeur de chaleur.

13. Procédé selon la revendication 12, comprenant en outre les étapes consistant à :

diviser le débit massique du second fluide en une première partie et une seconde partie ;

faire passer la première partie du second fluide à travers le condenseur et faire passer une seconde partie du second fluide à travers le troisième échangeur de chaleur ; et

Réunir la première partie du débit massique du second fluide après passage à travers le condenseur et la seconde partie du débit massique du second fluide après passage à travers le troisième échangeur de chaleur.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, comprenant l'étape supplémentaire consistant à :
transférer directement de la chaleur du premier fluide au milieu de travail à l'aide d'un quatrième échangeur de chaleur.

15. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le second fluide caloporteur est amené à passer complètement à la fois à travers le condenseur et à travers le troisième échangeur de chaleur.

Zeichnung