产生电流的供热系统的制作方法

专利名称：产生电流的供热系统的制作方法
产生电流的供热系统本发明涉及一种用于对象的供热系统，具有热学的热生成器(尤其是传统的加热 装置)与多个耗热器的热耦合，用于同时产生热和电流，该热耦合由控制装置调节，其中耗 热器之一具有基于热力学循环过程的、尤其是基于水蒸发过程或者ORC过程或者Kal ina过 程的转换系统，用于将热力学能量转换为电能，并且将热力学循环过程中出现的凝结热传 输给另外的耗热器。对于下面的描述，参照所附的“所用术语及其含义列表”以及“缩略语列表”。在OTAG Vertriebs GmbH&Co. KG，Olsberg 的小册子 “Kurzinfo: Lion Powerblock"(截止 2007 年 10 月)(http://www. otag. de/download/071007_Lion_ Kurzinfo_2007_D.pdf)中，提出了一种根据现有技术的用于居室对象的供热系统。该系统 的主要部件是气体燃烧器，该气体燃烧器基于水蒸气的热力学循环，该热力学循环包括管 状蒸发器和用于水蒸气凝结并且用于将凝结热传输到热循环的热交换器。借助双自由式活 塞单流式蒸汽机，所产生的蒸气压力能量首先转换为线性的运动能量，并且随后借助所耦 合的线性发电机转换为电流。至自由式活塞的工作室中的蒸气输送以机械方式通过滑阀 (Schieber)来控制，这些滑阀牢固地与活塞杆相连，并且根据活塞位置以及活塞速度在确 定的并且不可进一步调节的时间上打开和关闭入口。这导致其中入口打开的活塞段始终是 固定的，并且因此仅仅针对一个工作压力而最佳地设计。因此，例如在起动或者关断时出现 的较低的工作压力不能被最优地利用，因为在此需要较长地打开入口，以便保证膨胀室的 充分利用。在活塞完成其膨胀功之后，活塞经过汽缸壁中的开口，该开口用作膨胀的蒸气的 出口，直到活塞在其向回运动中又将该开口关闭，这一方面导致了完成对于汽缸中余留的 蒸气的压缩工作，以便将活塞又推到其初始位置中。该压缩工作由双自由式活塞的方向相 反的工作循环进行，该工作循环带有在能量转换中不可避免地出现的损耗。另一方面，活塞 不能完成最大可能的膨胀功，因为在活塞经过排出开口的时刻在工作室中始终还必须有过 压，由此余留的蒸气主要流入压缩室中，这导致进一步的转换损耗。这种已知的迷你BHKW的另一缺点来自于将水用作热力学循环过程的介质，因为 水在正常压力下在100°c的情况下才凝结。然而，由于在家中的耗热器通常只需要明显更 低的温度水平，如在驱动地板加热装置时具有最高50°c的始流温度，所以由此并未充分 利用电流生成器的最大可能的效率，其中该效率基于在蒸发温度和凝结温度之间的差距 (Spreizimg)。虽然也可以设想以水蒸气作为介质的具有在100°C以下的凝结温度的循环过 程，然而由此导致的负压力由于技术上几乎不可避免的不密封性原因而难以持久维持。对于借助迷你BHKW来产生电流的经济的方法而言，此外以下的特性是有益的-当恰好没有加热要求时，高效地产生电流也应当是可能的，以便保证装置的更高 的充分利用；-供热系统应当能够将夏天过多地存在的来自热学太阳能收集器的热能有效地用 于产生电流；-供热系统应当能够自动地将热力学循环的凝结温度与存在的可变的低温水平(例如加热回流温度)匹配，以便实现最大的温度差距；以及-电流产生装置不应与燃烧装置的类型(气、油、小球等)关联。目前的关于带有同时的热产品和基于热力学过程的电流产品的供热系统的现有 技术的特征在于如下特征a)仅仅唯一的热生成器传统的加热装置，其为了达到在热力学过程中所要求的 高的温度而实施为气体加热装置；b)加热装置与热耦合的热存储器组合，在该热存储器中可以缓存加热装置所产生 的热并且时间推移地转发给耗热器。在热能生成和热能需求之间的平衡根据下式得到Eaeiz (t) +Esp0ut (t) = Effff (t) +E冊(t) +Ethdy (t) +ESpIN (t)其中&p。UT(t)= Effff(t)+Ehw(t)并且由此适用』Heiz(t)= Ethdy(t)+Espra(t)；c)该系统只有一种工作方式，其中借助将热力学能量转换为电能的转换系统同时 产生电流，并且借助在热力学过程中聚集的凝结热来填充热存储器；d)并不存在至位于对象上的热学散热器的热耦合，该散热器在生成电流时被用于 提高效率；e)并不存在至位于对象上的热学太阳能收集器的热耦合，这些太阳能收集器被用 于产生太阳能电流；f)并不存在至位于对象上的废气热回收装置的热耦合，该废气热回收装置用于在 产生电流时提高效率；g)热力学循环过程基于单级的水蒸气循环；h)热力学能量至电能的转换借助单流式蒸汽机与具有两个方向相反的压力缸 (如其在传统的自由式活塞系统中所使用的那样)的结构类型的线性发电机的组合来进 行，其中在此始终有一个工作室保持未被使用，并且交替地始终仅仅一个压力缸进行工作 循环。原则上，转换系统的功率可以通过工作循环的重复频率来调节，然而其中由于缺乏针 对每个工作循环的入口体积的调节可能性，该转换系统只能以入口压力与出口压力的恒定 的比例来实现，这又导致了与出口压力相关的热力学循环过程的凝结温度不可被调节；i)耗热器的不恒定的功率消耗的均衡通过热存储器填充状态来进行。工作模式活 动，直到热存储器填充状态超过上限，并且一旦低于下限时又活动。在此适用Paeiz (t) = Ρ·γ ⑴+PSpIN ⑴其中屮丽(t) = f (输入温度TTHDY_In)总之，对于通过热力学过程借助迷你BHKW来经济地产生电流要考虑以下的边界 条件和要求-只有在高的温差情况下能够实现在产生电流时的高效率，即需要加热装置的尽 可能高的初始温度(> 300°C )，并且尤其是在生成电流的情况下，当不存在加热要求时，需 要尽可能低的凝结温度(< 20°C )；-目前已知没有如下的工质借助该工质可以在技术上实现在所要求的温度范围 中的热力学过程，并且该工质的热力学特性还能够实现在生成电流时的高效率。水除了具 有不利的高沸点之外还具有的特性是需要蒸气的高的过热，以便能够以干的蒸气实现膨 胀，这对热力学效率有负面影向；
-在“当不存在加热要求时，生成电流”的工作方式中，对于积累的凝结热需要在尽 可能低的温度水平(< 20°C )上的非常高的冷却功率，然而该冷却功率从环境中只能借助 高的初始成本(例如地热探针-水冷循环)或者通过高的能量开销(例如通过带有通风设 备的热交换器)来实现；并且-在居室对象的情况下只有转换系统引起的少量的噪声发射是可接受的。此外，要解决的问题是，如何可以将不同的热生成器、热存储器和耗热器彼此最佳 地热耦合。根据本发明，在开头所提及类型的供热系统中设计了，该供热系统可以以两种工 作方式的至少一种工作，其中在第一工作方式中所产生的热被输送给热力学循环，用于产 生电流，并且从热力学循环过程中形成的剩余热量被用于加热；在第二工作方式中与加热 要求无关地通过散热器吸收热力学过程的凝结热来产生电流。根据本发明的供热系统的有 利的和合乎目的的扩展方案由从属权利要求中得到。本发明主要涉及一种用于居室对象的供热系统，借助该系统加热对象的空间和/ 或对象的用水(耗热器)。首先提出了一种系统，其中“在小的范围中”(即不是在大型装 置或者发电厂建筑中)将传统的加热装置与热力学循环、例如与ORC循环(有机朗肯循环) 组合，以便通过这种方式实现用于产生电流的有效选项。目前，ORC装置极少被使用在小负 荷领域中，因为传统的ORC装置的效率在该领域中通常被视为太低。本发明提出了一种供热系统，其通过一种或者多种优选的措施来克服现有技术的 上述缺点，并且满足附加的要求。这些优选的措施不仅涉及在基本的系统结构中的改进，而 且涉及关于每个单个的部件的满足要求的、效率和成本优化的构型的改进，以及涉及优化 的总系统结构，该总系统结构由附加的要求得到。一种由下面列出的有利措施的组合构成 的特别的总系统得到供热系统的优选的技术实现，其由于热力学的系统设计而实现在从热 力学能量至电能的转换中的最大能量效率a)至位于对象上的热学散热器的热耦合用于在产生电流时提高效率以及用于实 现另一工作方式“仅仅产生电流”；b)至热学太阳能收集器的热耦合用于在低温范围中借助热力学过程来产生太阳 能电流以及用于实现另一工作方式“产生太阳能电流”，其中借助热学太阳能收集器来产生 电流；c)至位于对象上的废气热回收装置的热耦合，该废气热回收装置用于在低温范围 中借助热力学过程提高在产生电流时的效率；d)通过将对于扩大的温度范围合适的介质、尤其是热油或者硅酸盐用于单级的热 力学循环过程，在技术上实现了具有有利于Carnot效率的非常宽的温度差距(譬如从20°C 到300°C )的热-力耦合，所述介质具有在出口温度以上的、譬如300°C的临界温度，并且其 中理想地在散热器的水平上的低的凝结温度范围中也不形成相对于环境压力的负压力；e)使用非常有效的多级热力学循环过程，其具有高温循环和低温循环，优选两个 ORC循环，其中由两个循环产生电流；f)使用对于该应用最优地适合的阀控制的、必要时双动式的压力缸/线性发电机 系统，该系统可以通过调节针对每个工作循环的入口体积或者膨胀路径而不仅在传输功率 方面而且在入口压力和出口压力的比例方面进行调节；
g)或者替代于f)使用合适的旋转转换系统来将热力学能量转换为机械转动能， 尤其是通过使用DiPietro引擎来转换；h)作为对g)的进一步改进旋转系统具有旋转发电机，尤其是RMT发电机；i)控制装置控制由于附加的热生成器在不同的工作方式中所需的功率匹配，其中 防止了加热装置需要可调节的功率，并且在不同的工作方式中的热平衡或者通过在用于将 热力学能量转换至电能的转换系统中的功率调节或者借助调节存储器流入pSpIN(t)并且由 此通过热存储器的存储器填充状态来平衡；j)使用高温加热装置，尤其是高温生物物质燃烧装置作为热产生装置。一般而言，通过根据本发明的、在对象上可用的散热器(例如实施为空气湿度热 交换器、地热收集器、地热探针、水体、空气冷却装置或者冷气存储器)的热耦合，能够实现 附加的工作方式，其中当恰好没有加热要求时也可以通过散热器吸收热力学循环过程的凝 结热来产生电流。通过将对象上的散热器热耦合到热力学循环过程，实现了在膨胀之前的 介质的温度水平(TTHDY_In)与对象上的散热器的温度水平(Tws)之间的最大的温度差距。在热能转换时理论上的可能的Carnot效率由此从下式得到rL CAENOT — l_TWs/TTHDY_In关于最大可能的Carnot效率特别有利的是，使用特别的高温加热装置，尤其是使 用这样实施的生物物质燃烧装置，例如木材小球加热装置，其能够实现在水的沸点以上的 介质出口温度Tmjt，尤其是具有高于300°C的出口温度。为了能够利用高温加热装置的高出口温度，需要对于该温度范围合适的热力学循 环介质(例如热油)，其带有在高温加热装置的出口温度以上的临界温度。借助热力学循环过程来获取电流通过如下方式来进行工质、优选是具有低沸点 的冷却剂被蒸发，其中通过蒸发形成高压力。该压力可以以体积变化功的形式在气体膨胀 时被作为机械动能而提取并且在此转换为电能。优选的是一种对于热力学循环过程合适的介质、例如热油或者特别地针对该应用 而开发的ORC介质，该介质除了所要求的良好的热传递特性之外，特征还在于，在该介质中 在所要求的低的凝结温度范围中并不形成相对于环境压力的负压力，因为在负压力中在技 术上难以持久地避免的侵入空气降低了热力学循环过程的效率。此外，在膨胀之前应当仅 仅需要被蒸发的气体的尽可能小的过热，因为在过热的情况下增加的能量并未提高热力学 循环过程的能量产出。控制装置管理能量分布并且根据式子Eaeiz (t) = Effff (t) +Ehw (t) +Ethdy (t) +EEest (t)基于周期性地确定的测量数据调节在热能产生和热能需求之间的平衡。根据本发明的一个特别的实施形式，设计了一种阀控制的活塞式发动机，借助该 活塞式发动机可以单独地并且可变地调节每个工作周期的进入时间和排出时间。这一方面 导致了膨胀在给定的条件下分别在最优的压力条件下完成。另一方面借助该进入时间控制 入口体积，并且由此控制在进行膨胀之后介质的出口压力，这又能够实现将在热力学循环 过程的膨胀之后介质的温度可变地与在转换时刻最大地要求的、耗热器之一的温度匹配。 理想的是，介质的凝结同样在该温度水平上进行。于是，从可用的热能中将给定的情况下最 大可能的部分用于产生电流。在热能产生和热能需求之间的平衡在此由控制装置优选根据下式周期性地确定并且调节Eaeiz (t) = Effff (t) +E冊(t) +Ethdy (t)在能量利用中的另一改进通过热耦合的热存储器来实现，在该热存储器中可以缓 存由加热装置产生的热并且时间推移地转发给至少一个耗热器。该热耦合能够实现的是， 加热装置为了加热目的而始终只须短时地工作。此外，热存储器能够实现的是，如后面描述 的那样，将太阳能用于加热目的以及用于产生太阳能电流。热存储器优选是附加地实施的 热存储器，其具有不同的温度水平(分层存储器)，其中在始流和回流中分别在可选的、热 存储器中可用的最佳可能的温度水平上进行热交换。除了多次使用的缓存存储器之外，其 他存储器类型也是可能的，例如节省位置的、带有存储器介质的潜热存储器，该存储器介质 在所要求的存储器温度范围中进行优选从固体向液体的相变，或者热化学热存储器也是可 能的。在热能产生和热能需求之间的平衡在此由控制装置优选根据下式周期性地确定并且 调节Eaeiz (t) +Esp 0UT (t) = Ewff (t) +Ehw (t) +Etiiiy (t) +Esp IN (t)控制装置在任何时刻都独立地基于用于检测影响过程的参数的传感器的数据通 过改变过程控制量(例如循环的流速等等)来调节各最有利的工作。基于传感器数据通过 调节出现的热流将供热系统的各部件之间的每次热交换调整为使得进行尽可能有效和完 全地将各较热的介质的热能传递给各较冷的介质。控制装置也可以将对象的电源的信息包 括到供热系统的控制中，以便在特别有利的时间段中实现产生电流。在热能产生和热能需求之间的平衡由控制装置优选根据下式周期性地确定并且 调节
Eaeiz (t) +Esp 0UT (t) = Ewff (t) +Ehw (t) +Etiiiy (t) +Esp IN (t) +ERest (t)借助用于检测影响过程的参数的传感器，控制装置独立地调节以下的典型的工作 方式的一个或者多个a)工作方式“加热，Wff和电流产生”功能能量传递温度水平和优选的温度范围加热，WW加热 和THDY电流产 生 图5EHeiz+ Esp OUT = Ethdy+ Ehw+ Esp EV +EwwTh out= TTHDY-in > 300°C THK VL =TSP ιη = TxHDY-Out = Tww =Τκοη = Tnin= 45°C...85°C THK RL = TSP out = 20°C...70°C
b)工作方式“由加热热量仅仅产生电流”功能能量传递温度水平和优选的温度范围由加热热量进行 THDY电流产生 图6EHeiz = ETHDY+ ERest ERest= EwsTh out = Tthdy-ih > 300°C TxHDY-Out = TiCond = T\VsIn =. 15°C...25°C T ws out = < 20°Cc)工作方式“静止状态”。在上面说明的温度的情况下假设在温度传递中没有损耗的理想情况，其中控制装 置在各最有利的温度差距的情况下对工作进行调节。在多种工作方式中在技术上实现在热能产生和热能需求之间的热平衡的困难是 在各部件之间所需要的功率平衡，其中这些部件必须具有与工作方式以及凝结温度相关的 功率产生能力。始终必须适用PHeiz (t) +Psp out ⑴=Pww (t) +Phw (t) +Pthdy (t) +Psp IN (t) +Pws α)等式的生成器侧可以总是针对所有工作方式通过使用在功率Plfeiz (t)中可调节的 加热装置来平衡，该加热装置与所需的功率无关地在恒定的热传递效率的情况下产生恒定 大小的输出温度Tmut。等式的消耗器侧可以始终通过热力学转换系统的可变的功率产生能 力PTHDY(t)来平衡，然而该转换系统附加地需要针对凝结温度的调节。此外提供了调节热存 储器吸收功率Psp1n(t)的可能性。在技术上实现在所要求的高的输出温度Tmut > 300°C的情况下具有可调节的加热 功率PlfeizU)的加热装置是困难的。因此有利的是，供热系统可以与工作模式无关地借助恒 定的加热功率Plfeiz来工作，其方式是所需的功率平衡或者通过可变化的存储器流Λρ_α) 或者通过热力学转换系统的可调节的功率产生能力Pthdy(t)来实现。所需的动态功率平衡如下地对相关的工作方式起作用a)工作方式“加热，Wff和电流产生”该工作方式的热平衡为Eaeiz (t) +Esp 0UT (t) = Ethdy (t) +E冊(t) +ESpIN (t) +Ewff (t)热存储器吸收热力学过程的凝结热并且同时由热存储器馈送给耗热器。由此适 用Esp0ut (t) = Ewff (t) +E冊(t)Eaeiz (t) = Etiiiy (t)+Espra (t)
ESpIN(t) = Eaeiz (t)-Etiiiy (t)在功率水平上，这意味着Psp IN(t) = PHeiz(t)-Pth3y (t)在恒定的加热功率的情况下Paeiz (t) =^leiz=常数在该工作模式活动期间，热力学转换系统的功率产生能力PTHDY(t)是恒定的在TK。nd = THeizk RL 时的 1 THDY-Heizk由此得到恒定的存储器流入
P =P -PrSp IN rHeiz rTHDY-Heizk耗热器的非恒定的功率消耗的平衡通过热存储器填充状态来进行。工作模式保持P=P -PrTHDY-Stromp rHeiz rWs如果希望与工作方式无关地以相同大小的加热功率I3lteiz来驱动加热装置，这意味活动，直到热存储器填充状态超过上限，并且一旦低于下限时又活动。b)工作方式“由加热热量仅仅产生电流”在此并不进行关于存储器流入的调节。该工作方式的热学平衡为Eaeiz (t) =ETIfflY(t)+ERest(t)并且由此Pthdy (t) =PHeiz-Pffs(t)在足够低的温度水平Tws的情况下，可以由散热器提取恒定的冷却功率PWs。由此 适用在TK。nd = Tffs 的情况下，Pthdy (t) = P丽=常数在该工作模式活动期间，热力学转换系统的功率产生能力PTHDY(t)是恒定的
着「01001 P= ρ= ρ= ρLV/■ wjHeiz-Stromp 1 Heiz-Heizk 1 Heiz-Heiz Solar 1 Heiz-Solar由此，对于每种工作方式得到针对Pthdy的独特的功率水平工作方式a) PT丽_Heizk = PHeiz-PSpIN工作方式b) PTHDY_str。mp = Plfeiz-Pws由于散热器的较低的温度，Pthdy-stromp 问于 PraDY-Heizko 在 Tws 禾B Tlleizk EL 温度水平不等的情况下，适用PlHDY-Stromp 兴 PlHDY-Heizk当散热器的温度水平等于加热体的回流温度Tlteizk EL时，得到用于实现仅仅具有两 种工作方式a)和b)以及恒定的转换功率Poty以及具有恒定的加热功率I3lteiz的供热系统 的可能性。当TK。nd = THeizkKL = Tws 时适用PneiZ — PlHDY-Stromp — PlHDY-Heizk由此降低的该系统的最大Carnot效率由此由下式得出rL CAENOT — l~THeizkEL/THeiz当出口压力恒定地对应于散热器的温度水平Tws时，得到另一可能性来实现具有 恒定的加热功率I3lteiz的供热系统。由此省去的工作方式a)因此必须通过一种工作方式来替代，在该工作方式中加热装置2产生热能仅仅用于用作加热热量(Heizwaerme)以及用于 WW加热，其中为此当然要集成相应的热循环。这虽然要求具有可变的转换功率PTmY (t)的 转换系统，然而该应用的一个优点在于，转换系统仅仅需要实现从入口压力至出口压力的 恒定的比例，并且功率可以通过重复频率f。y。来控制。一种实现例如借助涡轮机或者单流 式蒸汽机是可能的。在此适用:P丽(t)= f(fcyc)该应用的最大Carnot效率由下式得到rL CAENOT — l~THeizkEL/THeiz对于产生电流的一个优选的选择是耦合到热力学循环过程的、线性的转换系统， 用于借助一个或多个压力缸、线性发电机、过滤和整流单元将热力学能量转换为电能。线 性的转换系统设计耦合到热力学循环过程上的并且对此特别地协调的活塞-气缸单元，用 于将热力学能量首先转换为动能，该动能随后借助同样特别地针对该应用协调的线性发电 机来产生电能，该电能借助电网频率转换器(Netzrichter)转换为适于电网馈电的交流电 压。合适的压力缸-线性发电机装置的特征在于高的总转换效率、低的制造成本、安静的运 行以及长的寿命，因为不存在横向力和旋转力。该转换系统的一个特别的方面在于，借助阀控制的活塞式发动机可以独立地并且 可变地调节每个工作周期的进入时间和排出时间。这一方面导致在给定的条件下膨胀分别 在最优的压力条件下进行。另一方面，借助进入时间控制入口体积并且由此控制在进行膨 胀之后介质的出口压力，这又能够实现介质的温度在热力学循环过程的膨胀之后可以可变 地与在转换时刻耗热器之一最大所需的温度匹配。理想的是，介质的凝结同样在该温度水 平上进行。于是，从可用的热能中将给定的情况下最大可能的部分用于产生电流。为了防止活塞在气缸头或者气缸盖上的撞击，原则上可能限制活塞行程，其方式 是例如将活塞杆耦合到空转的曲轴上。另一防止硬的撞击的可能性在于，可用的膨胀行程并未被完全用于舒张，并且剩 余的活塞路径通过磁体卡锁来实现。在此，引导活塞直至撞击的感应力被调节为使得在撞 击时只有小的力起作用，并且由此长寿命的工作是可能的。在具有可变的转换功率PTmY(t)的热力学压力缸转换系统中，由工作周期(行程 (Hub) 1和行程(Hub) 2)的数目和活塞行程做的功Wthdy以及时钟频率&。的乘积来确定转 换功率Pthdy (t) = 2 * Wtiiiy * fCyc(t)所做的功Wthdy是恒定的汽缸尺寸和可变参数的函数Wthdy 一 f (Tverdampf VEinl, TKond)ο Tverdampf ；介质温度一介质的入口压力ο VEinl 每个行程的入口体积ο TKond 凝结温度一介质的出口压力在恒定的、高的Tvapmiz和每个行程具有恒定的入口体积VEinl的转换系统情况下，可 以不调节介质的出口压力。这意味着，在这些系统中只有一个凝结温度水平对于所有工作 方式都是可能的Wthdy=常数
在该热力学压力缸转换系统的情况下的转换功率PTmY(t)可以通过改变时钟频率 来改变Pthdy (t) = 2 * Wtiiiy * fCyc(t)一种将时钟频率f。y。可变地构建的可能性在于，通过借助线性发电机的可变的电 学参数来构建感应力Flnd来改变活塞行程的膨胀速度并且由此改变膨胀持续时间tExp。时钟频率f。y。取决于膨胀持续时间tExp。如果在一个工作周期之后立即(没有时 滞地)进行相反的工作周期，则适用fcyc= 1/(2 * tExp)膨胀持续时间tExp取决于活塞的行程长度和膨胀速度，然而该行程长度是恒定的， 并且膨胀速度又是在膨胀期间压力缸的机械的推力Fllub和线性发电机的相反的感应力Flnd 之间的力平衡的结果。tExp = f (Flnd)并且由此fCyc(t)= f (Flnd)线性发电机的电学上可调节的参数是线圈电感，其例如可以通过电学上可选择的 线圈对的布线来改变。另一将线性发电机的感应力Find可变地构建的可能性是，逆变器的负载电流例 如通过逆变器的输入电阻来调节。该实施形式的特别的优点是，例如实施为半导体段 (Halbleiter-Strecke)的接口也能够在膨胀阶段期间实现非常快地并且精确地调节感应 力Find。这又导致由压力缸和线性发电机构成的组合在尺寸设计方面可以被优化，因为由此 可以在最大加速度和最大活塞速度的受限因素的情况下实现最优的工作。当活塞在膨胀期 间首先恒定地以最大的加速度来加速时，得到最高的功率产生能力。如果达到所允许的活 塞的最大速度，则活塞以该最大速度继续运动，直到需要将活塞以负的和恒定的最大加速 度来制动。由此，一种具有可变的转换功率PTmY(t)的供热系统对于所有工作方式是可能的， 然而其中由于缺少对出口压力的调节可能性，在此也适用TKond 一 Tlleizk EL 一 TwsrL CAENOT — l_THeizk RL/THeiz这种转换系统(例如压力缸、单流式蒸汽机或者Corliss引擎)的技术实现借助 周期性的阀定时来进行。每个单个的入口阀和出口阀被周期性地以时钟频率Fcyc在通过阀 定时设置而确定的时间段上(如

图10中所示)打开和关闭，其中周期持续时间tCy。对应于 工作周期的持续时间tAusl和相反的工作周期的持续时间tAust2之和tEinll = tEinl2 =常数tCyc = tAusll+tAusl2= l/tCyctExp= 1/(2 * fcyc)所有阀的时间同步通过如下方式进行压力缸在其膨胀阶段中通过压力缸的机械 运动或者由其导出的同步运动、例如旋转运动来周期性地改变阀状态，并且由此直接以机 械方式控制每个单个阀的关闭时间。每个阀的打开时间例如通过控制活塞的尺寸来确定， 该控制活塞通过线性运动来打开和关闭阀。线性实施周期性工作的、带有双动式压力缸的转换系统的一个例子是已知的James Watt蒸汽机。该周期性的压力缸转换系统的旋转实施具有独立的旋转阀，这些旋转阀与时钟频 率fCy。同步地在确定的时间段(如图10中所示)被打开和关闭。独立的阀的打开时间TEinl 由旋转的阀区段的角量得到，在该角量中阀的穿流是可能的。时钟频率fey。在纯机械系统 中由压力缸的机械运动导出，该运动被转换为旋转运动，如在已知的Corliss引擎中那样。 另一实现的可能性如下得到其中例如借助电动机外部控制地获得时钟频率，该电动机与 活塞位置同步地旋转。旋转阀的时间同步例如通过如下方式实现所有阀通过旋转轴彼此 连接，该旋转轴以时钟频率fCyc旋转。为了实现动态调节介质的出口压力并且由此动态调节凝结温度TK。nd，需要的是可 以调节每个行程的入口体积VEinl，这可以通过入口阀的可变的打开时间、inl来实现。理想 的是，入口阀被外部控制，即控制装置借助进入持续时间、inl来调节入口体积vEinl (t)，使得 在整个活塞行程上的膨胀结束之后达到所希望的介质压力。由此，调节介质的凝结温度，使 得该凝结温度对应于所耦合的耗热器的最大所需温度。优选的是，为此使用可电驱动的入口阀。原则上，阀的驱动也可以气动地或者液压 地进行。此外可想象的是一种解决方案，其中入口阀借助控制活塞来实现，该控制活塞通过 线性运动打开和关闭入口阀，其中控制活塞的线性运动被外部控制，即并不是由压力缸的 运动导出的。控制活塞的受控的线性运动例如可以借助线性电动机来实现。一种实现可能性是在图11中示出的阀控制的双动式的压力缸，其中通过工质流 入压力缸的工作室而使活塞-气缸单元的活塞移动。控制装置根据对传感器数据的分析自 动地确定流入的持续时间。要控制的入口体积于是为输入侧可用的介质压力(然而其可以 视为恒定的)和在凝结期间在输出侧所希望的温度的函数。因为始终将全部的活塞行程用于膨胀，所以在进入持续时间tEinl和所希望的凝结 温度TK。nd之间形成直接关联，即在每个可调节的凝结温度TK。nd处存在相应的进入持续时间 tEinl并且由此存在针对活塞行程所做的功Woty的恒定值。由此适用Wthdy = f (TKond)这意味着，活塞行程所做的功Wthdy不可以通过进入持续时间、inl来调节。通过进 入持续时间、-仅仅可以调节膨胀之后的介质的出口压力。于是，在热力学压力缸转换系 统中的转换功率Pthdy (t)只能通过改变时钟频率来改变。转换功率Pthdy由工作周期的数目 (行程1和行程2、以及活塞行程所做的功Woty以及时钟频率fey。的乘积得到Pthdy (t) = 2 * WTIfflY (TKond) * fCyc(t)当然，该原则也可以以两个方向相反的压力缸来应用，如其在传统的自由活塞系 统中所使用的那样，其中在此始终有一个工作室保持未被使用，并且交替地始终仅仅一个 压力缸执行工作周期，在该工作周期期间另一压力缸恰好处于排出阶段。借助这样实现的转换系统，于是时钟频率fCy。调节转换功率Pthdy,而借助进入持续 时间 tEinl 调节凝结温度TK。nd。对于不同的工作方式，由此得到工作方式a)当 TK。nd = Taeizk EL 时，Pthdy-Heizk — 2 * WTHDY—Heizk * fcyc-Heizk — PlIeiz-PspIN工作方式b)当 Tliond = Tws 时，
PlHDY-Stromp — 2 女 WlHDY-Stromp 女 fcyc-Stromp — PHeiz~Pws然而在技术上费事的是，将线性发电机的感应力可调节地配置，以便由此调节转 换功率。阀控制的双动式压力缸的另一优点在于，不必要在执行的工作周期之后立即开始 执行下一个工作周期。借助在工作周期实施之间插入的可变的时滞tt。t，可以调节重复频率 并且由此调节转换功率PTHDY。时钟频率fey。取决于膨胀持续时间tExp和时滞tt。t fcyc= 1/(2 * (tExp+ttot))为了所需的功率匹配，控制装置在不同的工作方式中确定相应的时钟频率fey。fCyc = Pthdy/2 ^ Wthdy控制装置在此从执行一个工作周期开始等待直到执行相反的工作周期，直到半个 周期持续时间Tcye结束。在此进行功率调制的阀控制(Ventilsteuerimg)，如在图12中所 示的那样。时滞由滤波单元和整流单元几乎无损耗地补偿。出口阀在此按照半个周期持续时间T。y。、即与时钟频率f。y。同步地交替打开和关 闭。出口阀由此可实施为外部控制的、例如通过可电驱动的阀，或者通过从压力缸的线性运 动导出的控制来实现，例如借助与活塞位置同步的旋转阀控制来实现。基本上，借助耦合到热力学循环过程的、阀控制的旋转转换系统来产生电流是可 能的，如譬如借助与其特别地调谐的压缩空气发动机，其中线性活塞运动借助曲轴首先转 换为转动能量，该转动能量借助同样特别地针对该应用调谐的发电机转换为电能。另一优选的可能性通过使用旋转活塞机(Rotationskolbenmaschine)、尤其是 DiPietro引擎，其中同样可以调节每个工作周期的入口体积。尤其是针对风力装置设计的 RMT发电机适于作为旋转发电机。两种部件在所需的功率范围中已经在低转速的情况下具 有特征转换时高的效率以及非常低的启动损耗和关断损耗。当然，在所有所描述的系统中在发电机上产生的电压也可以用于其它目的。替代 产生电网电压，可以借助合适的转换器来产生电池充电电压，例如用于电动汽车的锂离子 电池，或者产生合适的电压以便由此借助电解来获得氢气。由转换系统所产生的动能也可 以用于其它目的，例如用于借助制冷机来冷却室内空气。在初始温度为Th 0ut > 300°C的燃烧装置情况下，在技术上难以达到对于有效工作 所需的废气温度。根据本发明的对燃烧装置(Feuerimgsanlage)的效率的明显改进通过作 为针对具有温度水平TM。k的回收热能EKU。k(t)的、独立的热生成器的功能的废气热回收装 置的热耦合来实现。在热能生成和热能需求之间的平衡在此由控制装置优选根据下式来周期性地确 定和调节Eaeiz (t) +Esp 0UT (t) +Efflck (t) = Effff (t) +E冊(t) +Ethdy (t) +Esp IN (t) +ERest (t)—方面，废气剩余热量可以用于满足热需求和Wff需求，其中适用EKU。k(t)=E 丽( ) +E 冊( )在图8中示出了通过热存储器的该热耦合的一种可能的技术实现。该装置的缺点 在于，Effff(t)+Ehw(t)是可变的，而一旦加热装置工作，回收的热量始终恒定地积累。只有当 存在热需求时，才可以进行热平衡。因此，另一根据本发明的改进是使用废气剩余热量用于在热力学循环中产生电 流，即在工作方式a)和b)中，其中适用
Ethdy (t) =ERUck(t)+Eaeiz (t)通过热学的太阳能收集器直接热耦合到耗热器或者优选耦合到热存储器上，可以 将每年的加热费用降低。在热能生成和热能需求之间的平衡在此由控制装置优选根据下式 周期性地确定和调节Eaeiz (t) +Esol (t) +Esp 0UT (t) +ERUck (t) = Ewff (t) +Ehw (t) +ETIfflY (t) +Esp IN (t) +ERest (t)最优的能量利用通过根据本发明的加热装置的各部件的热耦合来形成，该加热装 置保证了每个热生成器与每个耗热器、热存储器或者每个其他的热生成器以热交换方式工 作，其中在不同的热承载介质的情况下，优选的是设置方向相反的热传递，并且在相同的热 承载介质的情况下优选设置介质交换。此外，根据本发明的供热系统可以可选地以多种工作方式运行。在第一工作方式 中，由一个或多个热生成器产生或存储的热用于加热或者填充热存储器。在第二工作方式 中，所产生的热被输送给热力学循环过程，用于产生电流，其中由热力学循环过程形成的剩 余热量被传递给散热器。在第三工作方式中，所产生的热被输送给热力学循环过程，用于产 生电流，其中由热力学循环过程形成的剩余热量用于加热或者填充热存储器。控制装置在 此根据事先确定的标准自动地确定供热系统以哪种工作类型运行，并且对此可选地可以从 对象的供电器获取信息，以便能够在特别有利的时间范围中产生电流。太阳能可以借助该供热系统有效地用于产生电流以及获取加热热量，其方式是在 热存储器或者在太阳能收集器中占主导地位的低温水平(该低温水平仅需高于散热器的 温度(Tws))被进一步加热了剩余的温度范围，直到与消耗相关的额定温度。其他的优点通过如下方式形成太阳能收集器在供热系统的一种工作方式中、尤 其是在夜晚或者冬季用作散热器，其吸收热力学循环过程的剩余热量。在此，多级太阳能收 集器结构是有利的，其包括不同收集器类型的串联连接，该串联连接一方面包括较小热隔 离的成本低廉的收集器而另一方面包括具有高的热隔离的高价值的收集器。为了将能量优 化的目的，此外在一些工作方式中有利的是，各收集器类型也可以被跨接，即不被太阳能介 质流过。在此，控制装置根据确定的标准、例如外部温度来确定是否仅仅收集器类型之一或 者两种串联地被太阳能介质流过。也可以将存在的对象的加热体或者地板加热装置用作针对热力学循环过程的持 久的散热器，即使不存在加热需求。在盥洗室中的特别的加热体例如随便也可以用于干燥 衣物，其中当在只产生电流期间积累剩余热量时，加热体才始终被以剩余热量加热。通常，在太阳能辅助的加热装置的情况下，在太阳能的原始能量的可用性和加热 需求之间存在颠倒的关系，即在夏季尽管有许多原始能量可供使用，然而几乎没有或者只 有少量的加热需求，而在冬季适用相反的关系。本发明正是利用这种颠倒的关系，更确切地 说，多余的原始能量转换为电流。通过已经在太阳能辅助的加热装置中存在的部件(太阳 能收集器、热存储器、加热装置和加热体)的多次的资源双重利用，在此仅仅带来转换系统 的初始成本加上物有所值的扩展，例如附加的收集器面和存储器容量，用于产生太阳能电 流。有利的地实现了成本高昂的收集器面积的高的总系统工作负荷，因为在夏季不再存在 太阳能热量的过度供给，而在冬季通过加热装置可以利用太阳能供给。然而迄今提出的系统(其基于用于获取电流的热力学过程)会由于开头所描述 的、目前可获得的循环介质的弱点而不能覆盖值得期望的高的温度范围，该温度范围一方面通过加热装置的高燃点(> 1000°C )并且另一方面通过环境温度(< 0°C )在理论上给 出可用的温度潜力。因此，一种根据本发明的明显的改进是针对相继的温度范围将两个热力学循环过 程(子过程)组合，其中每个子过程本身是独立的热力学过程，并且每个子过程具有自己的 转换系统用于将压力转换为电能，并且对于较高温度范围的子过程的凝结热借助通过热交 换器的耦合用作较低的温度范围的子过程的蒸发能量。于是，例如可以将水蒸气循环过程、 丁苯循环过程、丙苯循环过程、乙苯循环过程、甲苯循环过程或者OMTS循环过程用于300°C 到150°C的温度范围，并且将带有介质R245fa的ORC循环过程用于从150°C到15°C的低温 范围。通过由此得到的温度范围的相加，在该例子中得到50%的理论Carnot效率。在热能生成和热能需求之间的平衡在此由控制装置优选根据下式周期性地确定 和调节Eaeiz (t) +Esol (t) +Esp 0UT (t) = Effff (t) +Effl (t) +Ethdyi (t) +Ethdy2 (t) +ESpIN (t) +ERest (t)当在子过程之间所需的功率补偿通过如下方式来进行控制装置控制第一子过程 的介质的凝结和第二子过程的介质的蒸发之间的过渡温度、两个子过程的功率比例，并且 将其相应地与要求匹配，从而得到根据本发明的进一步改进。此外，根据本发明的是，两个用于将压力转换为电能的转换系统的各部件成本低 廉地耦合，使得并非所有单个部件都需要是双倍的，借助转换系统的机械耦合(该耦合实 施为使得机械力相加)，于是只需发电机和电网频率转换器，它们分别传输子过程的能量之 和。借助发电机输出端的电耦合可以实现另一种可能的将两个用于将压力转换为电 能的转换系统的各部件成本低廉地耦合，使得并非所有单个部件都需要是双倍的，这使得 只需要电网频率转换器，其传输子过程的能量之和。原则上，针对子过程的两种转换系统的压力缸借助曲轴的耦合也是可能的，其中 电流生成通过旋转发电机来进行。特别有利的是，在此废气热回收装置和热学太阳能装置与双级热力学过程的低温 循环的耦合。能量输送Ethdy在此在不同的温度水平上在两个级中进行。在低温级(第2 级)中，回收的热能Eκu。k被用于加热或者部分蒸发热力学介质，直到温度水平TM。k，其中适 用Ethdy2 (t) = Esol (t) +Efflck (t) +EEestl (t)于是，由于不同的温度水平，用于转换为电能ETmY_stufe2的能量量并且由此E胃相 加地提高回收的废气热EKU。k(t)以及太阳能h^t)的值。在热力学过程的第一级中，回收的热能&&仅仅用于将热力学介质从温度水平 TKU。k剩余蒸发至温度水平Tlteiz,其中适用Ethdyi (t) = Eaeiz (t)-ERestl (t)借助用于检测影响过程的参数的传感器，控制装置独立地调节以下典型工作方式 中的一种或者多种a)工作方式“加热，Wff和电流产生”功能能量传输温度水平和优选的温度范围加热，WW加热EHeiz = ETHDYI +Tfiren = TthDYI-Ih = 300°C和THDY电流产 生ERestl ΕχΗ Υ2 = ERiick +TTHDYl-Out= ΤχΗ Υ2-Ιη = 150°C图19ERestlThk VL =Tsp In = TrHDY2-Out = TwwEspIN = ERest2=Τκοη = TH in= 45°C...85°CEsp out = EHW +Thk rl = Tsp out = THeiz Ab =Eww20°C...60°C THeiz Ruck = THeiz Mit = 100 0C". 140 °c
b)工作方式“由加热热量仅仅产生电流”功能能量传输温度水平和优选的温度范围由加热热量的Eneiz= ETHDYI +Tfiren = TTHDY1-In = 300°CTHDY电流产生ERestlTTHDYl-Out= ΤτΗ Υ2-Ιη = 150°CFig. 20ETHDY2 = Enack +TxHDY2-Out= T\vs = Tneiz Ab =ERestl15°C...25°CERest2 = EwsTneiz Rfick = Tneiz Mit = IOO0C". 140 0Cc)工作方式“由加热热量和存储的或者直接的太阳能仅仅产生电流”功能能量传输温度水平和优选的温度范围由加热热量和热EHeiz = Ethdyi +Tsp out = Th in = 20°C...60°C存储器以及太阳ERestlTeren = ΤχΗ ΥΙ-Ιη = 300°C能的THDY电ΕχΗ Υ2 =TTHDYl-Out= TthdY2-Iii = 150°C流产生Esp out + ERfick +TTHDY2-Out=Tws=Tsp In" 15°C...图21ERestl25°CERest2 = EwsTHeiz Ab = Tsp Out= Τκο Out =20°C...60°CTHeiz Riick = Tfleiz Mit = 100OC". 140 0C d)工作方式‘(填充太阳能存储器”功能能量传输温度水平和优选的温度范围填充太阳能存储Esp in = EsoiTsp i = TKoiout= 40°C...90°C器 图22Tsp out = Τκο in = 20°C...40°Ce)工作方式“太阳能加热和WW”功能能量传输温度水平和优选的温度范围借助热存储器的 太阳能加热和Esp out = EHW + EwwThk vl = TSp ιη = Τκ0ι out= Tww=45°C...90°CWW 图23Esp in = EsoiThk rl = Tsp out= Τκο in = 20°C...50°C
在上面所说明的温度情况下假设在热传递时没有损耗的理想情况，其中控制装置 在各最有利的温度差距的情况下对工作进行调节。当然，根据上表可以由多种工作方式的组合或者通过在一些工作方式中省去生成 器、存储器或者消耗器来形成其他的工作方式，然而这些工作方式在此未作进一步阐述。供热系统如何工作取决于当前的情况。通常，加热能量的产生比产生电流更高效。 然而，在工作选择时，控制装置尤其是也考虑原始能量提供、(预测的)加热能量需求、热存 储器的与时间相关的利用率以及在馈入的电流的产量和有效的加热成本之间的关系。控制 装置负责管理能量，用于根据情况地在考虑到所确定的和预测的影响过程的参数情况下进 行能量分配。根据本发明的一个方面也提供了不同工作方式的序列，只有当加热能量需求和Wff 能量需求小于所安装的加热装置的最大加热功率时该序列由于由此得到的、在同时有效的 电流产生情况下高的和恒定的加热装置的工作负荷才始终是有利的。根据工作方式的这种 序列，交替地首先是工作方式a) “加热，WW和电流产生”活动，直到热存储器被充分地填充， 并且随后在达到该条件之后，工作方式b) “由加热热量仅仅产生电流”和e) “太阳能加热 和借助热存储器的鼎”并行地激活，直到在热存储器中所存储的热量低于下阈值。为了使得该系统能够以所有工作方式工作，转换系统116和118的功率产生能力 Pthdyi (t)和PTmY2(t)必须针对每种工作方式都是可调节的，其中对于每种相关的工作方式 适用a)在TK。nd2 = Tlfeizk κ的情况下的工作方式“加热，Wff和电流产生”PHeiz 一 PthdyiPTHDY2 一 PRuck+PRestlb)在TK。nd2 = Tffs情况下的工作方式“由加热热量仅仅产生电流”Paeiz = PotyiPTHDY2 一 PRuck+PRestl
c) “由加热热量和存储的能量或者直接的太阳能仅仅产生电流”Pneiz 一 PthdyiΡχπ Υ2 一 Psp Out+PRuck+PRestI因为在这些工作方式中第二级TK。nd2的凝结温度不同，所以对于第二级，如下转 换系统是有利的其具有可调节的出口压力，如例如前面描述的阀控制的线性发电机或者 DiPietro 引擎。因为在这些工作方式中第一级TK。nd2的凝结温度是恒定的，所以对于第一级而言没 有可调节的出口压力的转换系统是有利的，如例如单流式蒸汽机或者涡轮机。借助修改的实施形式(参见图，技术上实现所有工作方式是可能的，其中第二 级具有不带可调节的排出压力的转换系统，例如单流式蒸汽机或者涡轮机。这通过如下方 式来实现供热系统以工作方式a)实现，其中仅仅第一级产生电流。借助第二级在该工作 方式中仅仅产生加热热量，其方式是第二级的转换系统在该工作方式中并未被热力学的低 温循环介质流过。由此修改的工作方式a)通过以下特性来表征a)工作方式“加热，Wff和电流产生”功能能量传递温度水平和优选的温度范围加热’ WW加热EHeiz = ETHDYITeren = TTHDY1-In = 300°C和THDY电流产EJHDY2 =TiHDYl-Out= TxHDY2-In =Tsp In =生ERjick + ERestl150°C图19Esp IN = ETHDY2THK VL = Tww = Τκοη = TH ιη=Esp OUT = EHW + Eww45°C...85°CTHK RL = Tsp out= Tneiz Ab = TxHDY2-Out= 20°C... 60°C1 Heiz Riick =量 Heiz Mit =100°C...140°C对于所有所说明的系统结构的其他一般的效率提高一方面由以下得出对于热力 学循环过程设置内部的热交换器(再生器)。另一方面，在炎热的夏季夜晚通常难以达到在希望值15°C以下的冷却温度。在 此，一个成本低廉的解决方案是喷洒装置，其附加地尤其是通过在此形成的蒸发致冷 (Verdunstungskaelte)来冷却太阳能收集器。当然，该喷洒装置只有当在由此总体上预期 是成本有利时才由控制装置激活。此外可设想的是，针对高温循环402的转换系统可以借助斯特林发动机来实现， 因为斯特林发动机针对较高的温度而设计。由此在理论上可能的是，将大于500°C的燃烧器 循环温度以高的整体效率转换为电能。本发明的其他细节由下面参照附图的描述得到。在附图中图1示出了根据本发明的供热系统的智能能量分配管理的所有涉及的部件的热 耦合以及与其关联的任务的示意图；图2示出了根据本发明的供热系统的技术实现；图3示出了组合的冷凝器的示意图；图4示出了根据本发明的供热系统的成本低廉的实现；图5示出了工作方式“加热，Wff和电流产生”；图6示出了工作方式“由加热热量仅仅产生电流”；图7示出了带有耦合到热存储器的废气热回馈的根据本发明的供热系统的技术 实现；图8示出了耦合到热力学过程的废气热回馈的根据本发明的供热系统的技术实 现；图9示出了用于将热力学能量转换为电能的一种可能的线性转换系统的示意图；图10示出了周期性的阀定时的示意图；图11示出了阀控制的双动式的压力缸的示意图；图12示出了功率调制的阀定时的示意图；图13示出了一种用于将热力学能量转换为电能的可能的旋转转换系统的示意 图；图14示出了双级热力学循环过程的示意图；图15示出了用于将压力能量转换为动能的转换系统的机械耦合的示意图16示出了发电机输出的电耦合的示意图；图17示出了太阳能收集器电路的技术实现；图18示出了带有THDY循环中的废气热回馈和太阳能收集器的双级实施形式的技 术实现；图19示出了工作方式“加热，Wff和电流产生”；图20示出了工作方式“由加热热量仅仅产生电流”；图21示出了工作方式“由加热热量和存储的或者直接的太阳能仅仅产生电流”；图22示出了工作方式“填充太阳能存储器”；图23示出了工作方式“太阳能加热和WW” ；图M示出了带有THDY循环中的凝结温度的废气热回馈和太阳能收集器的双级实 施形式的修改的技术实现；图25示出了修改后的工作方式“由加热热量仅仅产生电流”。在图1中大体上说明了根据本发明的供热系统的各部件及其根据本发明的热耦 合5 热生成器1，包括传统的加热装置2和可选的太阳能收集器3 ；可选的热和/或冷存储 器4 ；散热器6 ；耗热器7，该耗热器包括用于热水加热的装置8 ；加热热量循环9 ；以及热力 学循环过程10，其借助用于将热力学能量转换为电能的转换系统11用于产生电流。该供 热系统及其各部件的工作由中央控制装置12控制。影响过程的控制参数被引入控制装置 中，这些控制参数由合适的传感器13持续地检测并且输送给控制装置12。控制装置12也 能够基于所检测的参数和/或所确定的假设来估计或者预测(其他)对于供热系统的控制 相关的参数。图2示出了根据本发明的迷你BHKW的示意性结构，其带有燃烧器循环70，该燃 烧器循环流过燃烧装置71的锅炉；热力学循环74，借助该循环获得电流；加热循环79，其 流过加热体80 ；以及冷却循环77，其将废热传输给散热器，其中燃烧器循环70流过热力学 循环74的蒸发器73并且根据工作方式在输出侧或者加热循环79或者冷却循环77流过两 个分离的冷凝器75和76。热存储器81通过热交换器热耦合到加热循环79。根据图3，分离的冷凝器210和211成本低廉地组合成组合的热交换器，该热交换 器分别具有用于热力学循环200、收集器循环201和加热循环202的分开的输入和输出。图4示出了另一根据本发明的迷你BHKW的示意性结构，该迷你BHKW可以通过一 些部件的双重功能而成本低廉地制造。于是，燃烧装置331的锅炉(其被热力学循环过程 330的介质流过)同时是热力学循环过程330的蒸发器。热存储器332可以可选地通过冷 凝器333成本低廉地集成在热存储器332中用作热力学循环过程的热学散热器。同样，加 热循环可以通过加热循环通过集成在热存储器332中的热交换器334来获得所需的加热热 量而成本低廉地间接用作热力学循环过程的热学散热器。图5说明了在根据图4的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于工作方式 “加热，WW和电流产生”是必要的。图6说明了在根据图4的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于工作方式 “由加热热量仅仅产生电流”是必要的。图7示出了另一可能的迷你BHKW的示意性结构，其具有废气热回馈338，该废气热 回馈通过热交换器339耦合到热存储器340。
图8示出了另一可能的迷你BHKW的示意性结构，其具有废气热回馈350，该废气热 回馈通过热交换器351耦合热力学循环介质352。在图9中所示的装置包括热力学部分501，该热力学部分具有工质、一个或多个压 力缸502、线性发电机503 (其具有磁体和线圈)、作用到两个部分上的控制装置506 (其为 中央控制装置12的一部分)、整流和滤波单元504(其将通过磁体运动产生的电压脉冲转换 为直流电压)、以及逆变器505 (其将直流电压转换为适于电网馈送的交流电压)。热力学 过程的凝结热被输送给耗热器。在图10中示出了周期性的阀定时的示意图，其中每个单个的入口阀和出口阀都 周期性地以时钟频率fCy。在通过阀定时设置确定的时段上被打开和关闭，其中周期持续时 间tCy。对应于工作周期的持续时间tAusll和相反的工作周期的持续时间tAusl2之和。在图11中示出了阀控制的压力缸，其中两个工作周期完全彼此独立(尤其是在 时间上)；于是没有如在已知的多冲程发动机情况中那样设置事先确定的周期性的时钟序 列。更确切地说，视情况地开始各自的工作周期，即只有当满足确定的标准时(尤其是工 质的压力足够时)，控制装置609通过打开或者关闭端子605、606、607、608用于执行工作 周期。四个端子605、606、607、608可以由控制装置609选择性地打开或者关闭，其中管路 601、602借助这些端子耦合到工作室603、604。膨胀的工质通过第一管路601进入压力缸600的第一工作室603。控制装置609 为此打开端子605并且关闭端子606。同时，控制装置609关闭第二管路的端子608并且打 开端子607。由此，将力Fllub施加到活塞608上，这在做功的情况下导致活塞608向右(根 据附图中的视图)运动。该过程是压力缸的“正常的”工作周期，其中该过程在活塞608的 一个行程之后结束。在相反的工作周期中，控制装置609关闭打开的端子606、607并且打开闭合的端 子605、608，使得得到相反方向的活塞力Fllub以及活塞608向左运动。两个工作周期中的哪 一个工作周期(正常或者相反的工作周期)被执行取决于活塞26的当前位置。借助控制装置609，调节流入工作室603或604的体积(入口体积)。在分析传感 器数据610之后，自动地确定流入的开始和持续时间，并且由此调节压力以及由此调节在 膨胀之后的介质温度，使得其对应于耦合的耗热器的最大所需温度。入口体积于是是压缩 期间输入侧可用的介质压力以及输出侧所希望的压力的函数，这能够实现非常有效的能量 转换。如已经提及的那样，各循环过程和线性发电机的控制/调节在考虑影响过程的参 数(热能输送、热学加热需求、工质的压力和温度、热存储器和环境等等)的情况下来进行， 这些参数由多个合适的传感器610 (压力传感器、温度传感器等等)提供。当然，该原理也可以以两个方向相反的压力缸如其在传统的自由式活塞系统中所 使用的那样来应用，其中在该情况中工作室304保持未被使用，并且交替地始终仅仅一个 压力缸执行工作周期，而另一压力缸处于排出阶段中。在图12中示出了功率调制的阀定时的示意图，其中在执行的工作周期之后并不 立即开始执行下一个工作周期。借助在工作周期执行之间插入的可变的时滞tt。t，可以调节 重复频率并且由此调节转换功率Ρ·γ。时钟频率fey。取决于膨胀持续时间tExp和时滞tt。t 在此，控制装置从执行一个工作周期起等待直至执行相反的工作周期，直到半个周期持续时间Tcy。结束。由此，在所生成的输出电压上进行功率调制，其中时滞被滤波和整流单元几 乎无损耗地补偿。出口阀在此在半个周期持续时间T。y。之后、即与时钟频率f。y。同步地交替 打开和关闭。在图13中示出了一种替代的旋转-转换系统，其可以替代前面描述的线性转 换系统来使用。旋转-转换系统耦合到热力学循环过程701上，其中首先将可用的热能 (Waermeenergie)转换为热力学能量(蒸气压力)。蒸气压力随后借助阀控制的膨胀式发动 机(Expansionsmaschine)702、例如旋转活塞式发动机(Rotationskolbenmotor)(尤其是 DiPietro引擎)转换为转动能，其中在此同样是控制装置705借助入口阀和出口阀来调节 每个单个的工作周期的入口体积，使得压力并且由此在膨胀之后的介质温度对应于所耦合 的耗热器的最大所需温度。转动能借助发电机703被转换为电能，该电能被电网频率转换 器(Netzrichter) 704最终转换为用于电网馈电的交流电。影响过程的控制参数被引入控 制装置705中，这些控制参数被合适的传感器706持续地检测并且输送给控制装置705 (中 央控制装置12的一部分)。图14描述了一种双级热力学过程，该过程包括针对相继的温度范围的两个子过 程400和401。每个子过程本身是独立的热力学过程，其具有对于所分配的温度范围合适的 介质。每个子过程具有自己的用于将压力转换为电能的转换系统402和403。子过程的针 对较高的温度范围400的凝结热借助通过热交换器404的耦合作为蒸发能量用于较低温度 范围401的子过程。图15描述了如何可以防止在双级热力学过程中所需的两个用于将压力转换电能 的转换系统的并非所有单个部件都双倍地实施的可能的成本低廉的解决方案，一个是针对 线性系统(图15a)并且一个是针对旋转系统(图15b)。这通过所示的、用于将压力转换成 动能的转换系统451和452的机械耦合来实现，它们实施为使得在将压力转换为动能时出 现的机械力被以向量方式相加，其方式是，它们通过控制装置调节地同时在该方向上起作 用。由此，仅仅需要一个发电机453和一个电网频率转换器454，它们分别传输子过程的能 量之和。图16描述了如何可以防止在双级热力学过程中所需的两个用于将压力转换电能 的转换系统的并非所有单个部件都双倍地实施的另一成本低廉的解决方案。借助发电机输 出端460和461的合适的电耦合462，实现了两个电压电势为电网频率转换器463作为能量 储备用于转换为电网兼容的交流电压，其中所述电耦合实施为使得由两个发电机产生的不 同的电压电势被输送给电网频率转换器463的输入端，而在发电机之间不会出现短路。这 导致了只需一个电网频率转换器463，其传输子过程的能量之和。图17是多级太阳能收集器结构的示意图，其包括较小的热隔离的收集器50和较 高的热隔离的收集器51的串联连接。此外，收集器类型的每个也可以被跨接，即并不被太 阳能介质流过。控制装置12根据传感器数据例如环境温度或者收集器温度以及根据当前 设置的、收集器作为热生成器或者散热器的应用目的来确定是否仅仅收集器类型之一或者 两种类型都连续地被太阳能介质流过。在图18中示出了双级实施形式的示意图，其具有在THDY循环中的废气热回馈和 太阳能收集器，主要包括燃烧器循环100、热力学高温循环101、热力学低温循环102、加热 循环117、太阳能循环103、Wff循环104以及冷却循环105。燃烧器循环100流过燃烧装置106的锅炉并且通过热交换器107耦合到热力学高温循环101。在热存储器115中存储的 太阳能^tjl (t)通过低温循环102通过热交换器112热耦合到热存储器115用于加热热力 学介质直到温度水平Tsrout,其中热交换器112具有双重功能在一种工作方式中，其用于加 热热力学介质直到温度水平Tsrout,并且在另一工作方式中，其用作冷凝器用于将低温循环 102的凝结热传输给存储介质。回收的热能EKU。k通过低温循环经由热交换器111热耦合到 废气热回收装置110用于从温度水平Tsp ^lt直到温度水平TKU。k将热力学介质加热或者部分 蒸发。在一种工作方式中，低温循环的剩余热量^test-Stufe2 (t)借助冷凝器109被传输给冷却 循环105。太阳能收集器循环103至热存储器115的热耦合借助热交换器113来进行。热 存储器115至Wff循环104的热耦合借助热交换器114来进行。图19描述了在根据图18的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于工作方 式“加热，WW和电流产生”是必要的。图20描述了在根据图18的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于工作方 式“由加热热量仅仅产生电流”是必要的。图21描述了在根据图18的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于工作方 式“由加热热量和存储的或者直接的太阳能仅仅产生电流”是必需的。替代太阳能收集器， 原则上也可以使用其他热能源，例如使用集中供暖。根据本发明的供热系统的基本的工作 原理并不由此改变。图22描述了在根据图18的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于工作方 式“填充太阳能存储器”是必要的。图23描述了在根据图18的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于工作方 式“太阳能加热和鼎”是必要的。图对是根据图18的修改后的实施形式的示意图，其中第二级具有转换系统，其没 有可调节的排出压力，例如单流式蒸汽机或者涡轮机。这通过如下方式实现供热系统以工 作方式a)来实现，其中只有第一级产生电流，并且借助第二级在该工作方式中通过第二级 的转换系统在该工作方式中并不被热力学低温循环介质流过而只产生加热热量。图25描述了在根据图M的整体结构中包含的部件和温度水平，它们对于修改过 的工作方式“加热，Wff和电流产生”是必要的。本发明借助了多个实施例来描述。当然，对于本领域技术人员而言明显的是，修改 是可能的，而并未由此脱离本发明的思想。此外，所示的实施例具有概略的性质。缺少的细 节对于本发明的本质无关紧要，然而可以由本领域技术人员补充。所使用的术语及其含义列表传统加热装置油、气、煤、电流、木块或者木材小球加热，木 材气化装置，生物材料燃烧装置，...热生成器热学热源，例如传统的加热装置、太阳能热学过 程、过程废热(譬如在产生沼气时的剩余热量)，...耗热器加热体、WW消耗器以及热力学过程热或冷存储器缓冲存储器、潜热存储器、热化学存储器，...散热器深水地热探针、地热收集器、积水(池塘、水池、 雨水或者过程用水、河流，…),带有或者没有 阀的气冷的热交换器，气冷的太阳能收集器，存 储的环境冷能、加热或者地板加热回流，蒸发冷 却，…热力学过程ORC过程，带有一种冷却剂或者多种冷却剂的混 \ 合物，热油，液压油，气体；Kalina过程；水蒸 气过程；...发电机异步发电机、同步发电机、RMT发电机电网频率转换器直流或者交流电网频率转换器，变频器，...传感器用于测量压力、温度、流量、太阳辐射、料位、 活塞位置或者旋转频率，...膨脉压力马达，涡轮机、DiPietro引擎，蒸气螺旋式 马达，...加热体用于居室对象的加热体，地板加热装置，墙壁加 热装置，...WW消耗器WW过程胃水，fefe^L,洗;M^,...太阳能收集器平面收集器、管式收集器、抛物型槽状收集器、 抛物型反射收集器，...缩略语列表BHKW组合式热电单元EHeiz传统加热装置产生的热能EHW对加热热量的能量需求EjCM-Ab在制冷机上积累的废热EKuhl对于室内冷却所需的能量ERest凝结热能(过程无效能)ERestl热力学过程的第一级的凝结热能ERest2热力学过程的第二级的凝结热能ERuck回收的废气热Esol热学太阳能EspIN要存储的热能Esp out要从热存储器中提取的热能Ethdy用于转换为电能的热力学过程的能量(过程有效 能)ETHDYI用于转换为电能的热力学过程的笫一级(高温级)的能量(过程有效能)ETHDY2用于转换为电能的热力学过程的第二级(高温级) 的能量(过程有效能)Ewq热源的热能供应Eww对过程用水的能量需求fcyc时钟频率Find发电机的感应力KW冷水PHeiz传统的加热装置的热学加热功率(热流)PHeiz-Heiz Solar在工作类型C)"由加热热量和存储的或者直接的太 阳能仅仅产生电流，，中的传统加热装置的热学加热 功率PlIeiz- Heizk在工作方式a) ‘‘加热，WW和产生电流”中的传统 加热装置的热学加热功率PHeiz- Solar在工作方式d)"填充太阳能存储器”中的传统加热 装置的热学加热功率
I*Heiz-Stromp在工作方式b) “由加热热量仅仅产生电流”中的传 统加热装置的热学加热功率Phw对加热热量的热功率需求(热流)PRest热力学过程的冷凝废热功率(热流)PRlick回收的废气热的热功率(热流)PspIN热存储器吸收功率(热流)psp out热存储器输出功率(热流)Pthdy用于转换为电能的热力学过程的转换系统的功率 产生能力Pthdyi用于转换为电能的热力学过程的第一级(高温级) 的转换系统的功率产生能力Pthdy2用于转换为电能的热力学过程的第二级(低温级) 的转换系统的功率产生能力Pww对用于过程用水的加热热量的热功率需求(热流)RL回流SP存储器
T时间tAusll在工作周期中的出口阀的打开持续时间tAusl2在相反的工作周期中的出口阀的打开持续时间tcyc整个周期的周期持续时间tEinll在工作周期中的入口阀的打开持续时间tEinl2在相反的工作周期中的入口阀的打开持续时间(Exp活塞行程的膨胀持续时间THDY热力学循环过程TjCond热力学过程的凝结温度ttot活塞的静止时间(时滞)VEinl每个行程的入口体积VL始流WT热交换器WTHDY在一个工作周期中在膨胀期间活塞行程所做的功 Wthdy
权利要求
1.一种用于对象的供热系统，具有热学的热生成器(1)、尤其是传统的加热装置(2) 与多个耗热器(7)的热耦合(5)，用于同时产生热和电流，该热耦合由控制装置(1 来调 节，其中耗热器(7)之一具有基于热力学循环过程(10)的、尤其是基于水蒸发过程或者ORC 过程或者Kalina过程的转换系统(11)，用于将热力学能量转换为电能，并且将在热力学循 环过程(10)中出现的凝结热传递给另外的耗热器(7)，其特征在于，该供热系统能够以两种工作方式的至少一种来运行，其中在第一工作方 式中所产生的热被输送给热力学循环(10)用于产生电流，并且由热力学循环过程(10)形 成的剩余热量用于加热；在第二工作方式中与加热要求无关地通过散热器(6)吸收热力学 循环过程(10)的凝结热来产生电流。
2.根据权利要求1所述的供热系统，其特征在于热耦合到位于对象上的热学散热器， 用于在产生电流时提高效率并且用于实现另一工作方式，在所述另一工作方式中仅仅产生 电流。
3.根据权利要求1或2所述的供热系统，其特征在于借助低温范围中的热力学过程热 耦合到热学太阳能收集器上，用于生成太阳能电流，并且用于实现另一工作方式，在所述另 一工作方式中借助热学太阳能收集器来产生电流。
4.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于热耦合到位于对象上的废气热 回收装置上，该废气热回收装置用于借助在低温范围中的热力学过程来提高在产生电流时 的效率。
5.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于通过将对于扩大的温度范围 合适的介质、尤其是热油或者硅酸盐用于单级的热力学循环过程在技术上实现具有从大约 20°C到大约300°C的温度差距的热-力耦合，所述介质具有在出口温度以上的、大约300°C 的临界温度，并且其中尤其是在散热器的水平上的低的凝结温度范围中也不形成相对于环 境压力的负压力。
6.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于多级热力学循环过程，该多级 热力学循环过程具有高温循环和低温循环，其中由两个循环产生电流。
7.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于阀控制的、必要时双动式的压 力缸/线性发电机系统，该压力缸/线性发电机系统尤其是能够通过调节每个工作循环的 入口体积而在传输功率以及入口压力与出口压力的比例方面进行调节。
8.根据权利要求1至6之一所述的供热系统，其特征在于用于将热力学能量转换为机 械转动能的旋转转换系统，尤其是通过使用DiPietro引擎来转换，其中旋转系统具有旋转 发电机，尤其是RMT发电机。
9.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于控制装置例如通过附加的热生 成器控制在不同的工作方式中需要的功率匹配，并且在不同的工作方式中的热平衡通过在 用于将热力学能量转换为电能的转换系统中的功率调节或者通过热生成器的功率调节或 者借助调节存储器流入Psp IN(t)并且由此通过热存储器的存储器填充状态来平衡。
10.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于，热生成器是高温加热装置， 尤其是高温生物物质燃烧装置，高温加热装置具有大于300°c的介质排出温度。
11.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于控制装置(1 根据式子Eneiz (t) — Eww (t) +Ehw (t) +Ethdy (t) +ERest (t)周期性地确定和调节在热能产生和热能需求之间的平衡，其中 Eseiz 传统的加热装置( 所产生的热能 Effff 对过程用水的能量需求 Ehw 对加热热量的能量需求Eoty 用于转换为电能的热力学过程的能量(过程有效能) EEest 凝结热能(过程无效能) t 时间。
12.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于热耦合的热存储器，其中 由加热装置( 产生的加热热量可以被缓存并且时间推移地转发给至少一个耗热器(7)， 并且控制装置(1 根据下式Eneiz (t) +Egp OUT (t) — E丽( ) +E冊( ) +ETHDY (t) +Egp IN(t)+ERest(t)周期性地确定和调节在热能产生和热能需求之间的平衡，其中Eseiz 传统的加热装置( 所产生的热能Esp0ut 要存储的热能Effff 对过程用水的能量需求Ehw 对加热热量的能量需求Eoty 用于转换为电能的热力学过程的能量(过程有效能) Esp1n 要从热存储器提取的热能 EEest 凝结热能(过程无效能) t 时间。
13.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于用于检测影响过程的参数的 传感器(13)，其中控制装置(1 在包含影响过程的参数的情况下调节供热系统的工作， 控制装置(1 基于传感器数据通过调节出现的热流来调节供热系统的各部件之间的热交 换，使得进行各较热的介质的热能至各较冷的介质的尽可能有效的并且完全的传递。
14.根据上述权利要求之一所述的供热系统，其特征在于将转换系统(11)耦合到至少 一个制冷机，其中由转换系统(11)产生的机械动能用于冷却室内空气。
15.根据权利要求14所述的供热系统，其特征在于，在制冷机上积累的废热Ekm,在生 成器侧用于产生电流、填充存储器或者加热热水，并且控制装置(1 根据下式Eneiz (t) +Egp OUT (t) +Ekm—Ab (t) — E丽(t) +Et皿γ (t) +ESp IN (t)+ERest(t)+EKuhl(t)周期性地确定和调节热能产生和热能需求之间的平衡，其中Eseiz 传统的加热装置( 所产生的热能Esp 要存储的热能Effff 对过程用水的能量需求Ehw 对加热热量的能量需求Eoty 用于转换为电能的热力学过程的能量(过程有效能)Esp1n 要从热存储器提取的热能EEest 凝结热能(过程无效能)EKM_Ab 在制冷机上积累的废热EKuhl 用于室内冷却所需的能量t 时间。
全文摘要
一种用于对象的供热系统包括热学的热生成器(1)、尤其是传统的加热装置(2)与多个耗热器(7)的热耦合(5)，用于同时产生热和电流，该热耦合由控制装置(12)调节。耗热器(7)之一具有基于热力学循环过程(10)的、尤其是基于水蒸发过程或者ORC过程或者Kalina过程的转换系统(11)，用于将热力学能量转换为电能。在热力学循环过程(10)中出现的凝结热传递给另外的耗热器(7)。该供热系统能够以两种工作方式的至少一运行，其中在第一工作方式中所产生的热被输送给热力学循环(10)用于产生电流，并且在热力学循环过程(10)中形成的剩余热量用于加热；在第二工作方式中与加热要求无关地通过散热器(6)吸收热力学循环过程(10)的凝结热来产生电流。
文档编号F24D11/00GK102047044SQ200980112210
公开日2011年5月4日 申请日期2009年2月13日 优先权日2008年2月13日
发明者格哈德·席林 申请人:戴纳乔尼克股份有限公司