DE102007019351B3 - Method for controlling the energy yield from a number of heat sources of different energy types comprises using one heat source as a priority heat source and the other heat sources as further heat sources and further processing - Google Patents

Method for controlling the energy yield from a number of heat sources of different energy types comprises using one heat source as a priority heat source and the other heat sources as further heat sources and further processing Download PDF

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Constatin Prof. Dr.-Ing. Kinias
Gerd Prof. Dr. Stange
Klaus Lüking
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Scheer Heizsysteme & Produktio
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Abstract

Method for controlling the energy yield from a number of heat sources of different energy types comprises using one heat source as a priority heat source and the other heat sources as further heat sources, measuring a control set for determining a priority progression for changing the energy supply, measuring the temperature in the hot water storage device, measuring the energy yield of each heat source, calculating an evaluation parameter for the distribution of the energy flows, optimizing the evaluation parameter, controlling the further heat sources and repeating from the temperature measuring step. Preferred Features: The control set depends on the daytime so that the calculating unit follows an internal clock.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der Einspeisung von Wärmeenergie in einen herkömmlichen Wasserspeicher, wobei auf der Versorgerseite mehrere alternative (konventionelle und/oder regenerative) Wärmeenergiequellen zur Verfügung stehen.The The invention relates to a method for controlling the feed of Thermal energy in a conventional Water storage, where on the supply side several alternative (conventional and / or regenerative) heat energy sources are available.

Der Energiebedarf zur Versorgung der Haushalte mit Warmwasser und Heiz- und Kühlenergie macht einen großen Teil des gesamten Primärenergieaufkommens der hoch entwickelten Volkswirtschaften der westlichen Welt aus. Bisher werden hierfür vorwiegend fossile Energieträger eingesetzt, die in erheblichem Umfang für die klimaschädlichen CO2-Emissionen verantwortlich sind. Es ist daher vordringliches Ziel einer nachhaltigen, umwelt- schonenden und klimaverträglichen Energiepolitik, gerade in diesem Verbrauchssektor regenerative Energieträger an die Stelle fossiler Energieträger zu setzen.The energy needs to supply households with hot water and heating and cooling energy make up a large part of the total primary energy supply of the highly developed economies of the western world. Up to now, fossil fuels have been used predominantly for this, which are responsible to a large extent for the climate-damaging CO 2 emissions. It is therefore an urgent goal of a sustainable, environmentally friendly and climate-friendly energy policy to substitute renewable energy sources for fossil fuels, especially in this consumption sector.

Inzwischen steht ein breites Spektrum regenerativer Energietechnologien zur Verfügung, das längst das Entwicklungsstadium verlassen hat. Die als erprobte Komponenten und Anlagen am Markt verfügbaren Produkte zeichnen sich durch Modularität und Zuverlässigkeit aus und lassen sich in komplexe Systeme der Gebäudetechnik integrieren, indem sie mit konventionellen Produkten kombiniert werden.meanwhile stands for a broad spectrum of regenerative energy technologies available the longest has left the development stage. The proven components and equipment available in the market Products are characterized by modularity and reliability and can be integrated into complex systems of building technology by: they are combined with conventional products.

Beispiele für regenerative Energietechnologien für die Gebäudeversorgung mit Warmwasser und Heiz- bzw. Kühlenergie sind luft- und bodengekoppelte Wärmepumpen, Solarkollektoren und Pellet-Heizungen. Auch mit biogenen Brennstoffen betriebene Systeme zur Kraft-Wärme-Kopplung und Systeme zur Nutzung von Abwärme gehören dazu. Diese Aufzählung erhebt nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.Examples for regenerative Energy technologies for the building supply with hot water and heating or cooling energy are air and ground-coupled heat pumps, Solar collectors and pellet heaters. Also with biogenic fuels operated systems for combined heat and power and systems for using waste heat belong to. This list does not claim to be complete.

Mit der Bereitstellung eines „Energie-Mix" auf der Versorgerseite stellt sich sofort die Frage nach der „richtigen" Zusammensetzung. Dies ist weder allein politisch noch durch Kostenkalkulation zu beantworten, sondern insbesondere auch technologische Aspekte spielen eine Rolle. Die Zusammensetzung muss sich z. B. nach der zeitabhängigen Entnahme oder nach der aktuellen Verfügbarkeit bestimmter Energieformen richten. Bei der Mehrzahl der heute eingesetzten Versorgungssysteme für Warmwasser und Raumheizung bzw. -kühlung handelt es sich – selbst, wenn regenerative Energieträger einbezogen werden – um spezialisierte Systeme.With the provision of an "energy mix" on the supplier side Immediately questions the "right" composition, which is not alone politically still by cost calculation to answer, but in particular technological aspects also play a role. The composition must be z. B. after the time-dependent removal or according to the current availability directed to specific forms of energy. In the majority of today used Supply systems for hot water and space heating or cooling is it - itself, if regenerative energy sources be involved - um specialized systems.

So wird z. B. in der DE 100 49 038 B4 eine Vorrichtung zur Ermittlung der Verteilung der Energiekosten vorgeschlagen, die auf den Fall der Kombination einer Solarenergieerzeugung mit einer konventionellen Energieerzeugung spezialisiert ist. Dabei wird Solarwärme mit einem Kollektor gesammelt und über einen Wärmetauscher an einen Wasserkreislauf abgegeben, der seinerseits den Zulauf des Wasserspeichers bildet, welcher zusätzlich über eine konventionelle, insbesondere fossile, Heizung auf eine gewählte Endtemperatur gebracht werden kann. Konkret schlägt die DE 100 49 038 B4 also vor, das dem Speicher zugeführte Wasser mit Sonnenenergie vorzuwärmen und die so zugeführte Wärmemenge durch im Zulauf befindliche Sensoren (Massenfluss und Temperatur) zu ermitteln, um die Gesamtenergiekosten nach Anteilen der konventionellen und der solaren Energieeinträge unterscheiden zu können.So z. B. in the DE 100 49 038 B4 proposed a device for determining the distribution of energy costs, which specializes in the case of combining solar energy generation with conventional energy production. This solar heat is collected with a collector and delivered via a heat exchanger to a water cycle, which in turn forms the inlet of the water reservoir, which can be brought in addition to a selected, in particular fossil, heating to a selected final temperature. Specifically, the DE 100 49 038 B4 So before, to preheat the water supplied to the memory with solar energy and to determine the amount of heat supplied by in-feed sensors (mass flow and temperature) in order to distinguish the total energy costs for shares of conventional and solar energy inputs.

Der Ansatz der DE 100 49 38 B4 ist gewiss richtig vor dem Hintergrund, dass zu den Hauptgründen für ungünstiges Ressourcenmanagement im privaten Energiesektor die menschliche Bedenkenlosigkeit zählt. Dem Endnutzer wird so zumindest ein Mittel zur Messung der Umweltfreundlichkeit seines Verbrauchsverhaltens in die Hand gegeben. Allerdings greift das Konzept der DE 100 49 38 B4 zu kurz:

  • – Der Durchlauf der solaren Vorwärmstufe ist per Konstruktion fest vorgeschrieben, was keineswegs automatisch günstig sein muss, da dies in jedem Fall einen erhöhten Energieverbrauch durch Pumpleistung bedeutet.
  • – Die faktische Reihenschaltung der Wärmeversorger bringt mit sich, dass der Wärmeaustausch aus der konventionellen Versorgung mit dem vorgewärmten Speicherwasser ineffizienter wird. Dies ist aber besonders zu bedenken, sobald noch andere Alternativen zur weiteren Erwärmung des Speichers zur Verfügung stehen.
  • – Es wird eine Ermittlung der Heizkosten getrennt nach Energieart vorgeschlagen. Daraus werden aber keine erkennbaren Konsequenzen gezogen, insbesondere wird keine Steuerung der Versorger auf Basis dieser Kosten in Betracht gezogen.
The approach of DE 100 49 38 B4 It is certainly right against the background that human concerns are one of the main reasons for unfavorable resource management in the private energy sector. The end-user will at least be given a means of measuring the environmental friendliness of his consumption behavior. However, the concept of the DE 100 49 38 B4 too short:
  • - The passage of the solar preheating stage is by design fixed, which in no way must be automatically favorable, since this means in any case an increased energy consumption by pumping power.
  • - The actual series connection of the heat supplier entails that the heat exchange from the conventional supply with the preheated storage water becomes inefficient. However, this is particularly important as soon as other alternatives for further heating of the memory are available.
  • - It is proposed to determine the heating costs separately by energy type. However, no identifiable consequences are drawn from this, in particular no control of the suppliers on the basis of these costs is considered.

Aus der DE 295 18 427 U1 ist ein System mit einem Gebäude üblicherweise zuzuordnenden Einrichtungen zur Energieerzeugung und Energieumwandlung einschließlich Verbraucher- und Energiespeichergeräten bekannt, bei denen ein Energiemanager vorgesehen ist, der die direkte Verwertung und/oder Speicherung und Abgabe der erzeugten und umgewandelten Energie einstellt.From the DE 295 18 427 U1 For example, there is known a system of building commonly associated power generating and power conversion devices, including consumer and power storage devices, which provide an energy manager that stops direct utilization and / or storage and delivery of the generated and converted energy.

Natürlich kommt die Steuerung eines Versorgers nicht für jede Energieart nach Belieben in Frage. Kommerziell erhältliche Solarmodule verfügen für gewöhnlich über einen internen Fluidkreislauf (durch die Solar-Panele), der mittels Sensoren hinsichtlich Temperatur und Fließgeschwindigkeit überwacht wird, und in den eine Umwälzpumpe für das Wärmespeichermedium (z. B. Wasser-Glykol) integriert ist. Zum einen besteht eine Notwendigkeit, den Stillstand des Mediums – besonders unter intensiver Sonnenstrahlung – zu vermeiden und ausreichende Wärmemengen abzuführen, um eine Beschädigung der Solaranlage zu verhin dern. Zum anderen sind oft bereits herstellerseitig Optimierungen für die Umwälzkontrolle vorgesehen, um z. B. bei bekannter Temperatur des Wasserspeichers auch bei schwacher Sonneneinstrahlung (beispielsweise DE 10 2005 008646 B3 ) einen möglichst günstigen Wirkungsgrad zu erzielen. In derartig ausgefeilte Steuerungen der Solarmodule kann und soll i. a. kein Eingriff vorgenommen werden.Of course, controlling a utility is not an option for every type of energy. Commercially available solar modules usually have an internal fluid circuit (through the solar panels) which is monitored by sensors for temperature and flow rate, and incorporates a thermal storage medium recirculation pump (eg, water-glycol). For one thing, there is a need to stop of the medium - especially under intense solar radiation - to avoid and dissipate sufficient amounts of heat to countries verhin damage to the solar system. On the other hand, optimizations for the circulation control are often already provided by the manufacturer, in order, for. B. at a known temperature of the water storage even at low solar radiation (for example DE 10 2005 008646 B3 ) to achieve the best possible efficiency. In such sophisticated controls of the solar modules can and should generally no intervention be made.

Ebenso wird es bei Übergabestationen von Fern- und Nahwärme zumeist sinnvoll sein, keinerlei Eingriff in die vom Hersteller vorgesehene Betriebsweise anzustreben. Fern- und Nahwarme zählt zu den industriellen Abfallprodukten in Ballungsgebieten und soll gemeinhin bestmöglich für die Hauswassererwärmung ausgeschöpft werden. Auf die Erzeugerseite ist hier ohnehin keine Einflussnahme möglich, sondern höchstens auf die Energieentnahme aus dem Netz.As well it will be at transfer stations of district and local heating mostly meaningful, no interference with the manufacturer to aim for the intended mode of operation. Far and Nahwarme belongs to the industrial waste products in metropolitan areas and is said to be common best possible for the Domestic water heating exhausted become. In any case, there is no influence on the producer side here possible, but at the most on the withdrawal of energy from the grid.

Energiearten, deren Beiträge zur Energieeinspeisung in einen Warmwasserspeicher vorrangig und unbeeinflusst sein sollen, werden im Folgenden als Vorrangenergien bezeichnet. Komplementär wird von Nachrangenergien die Rede sein, die nach Bedarf zur Wärmeeinspeisung zugeschaltet werden können, um etwa eine vorgegebene Solltemperatur des Wasserspeichers zu erreichen. Dies umfasst beispielsweise alle konventionellen Brennertechnologien (Öl, Gas, Kohle), aber durchaus auch alternative Versorgungen wie Pellet-Heizung oder Geothermie-Wärmepumpen (wieder ohne Anspruch auf Vollständigkeit). Gemeinsame Merkmale der Nachrangenergien sind:

  • – Die Vorrichtungen zur Wärmeerzeugung sind lokal – also im jeweiligen Gebäude – vorhanden und unter Kontrolle des Besitzers.
  • – Das Abschalten bzw. Herunterfahren einer solchen Vorrichtung führt unmittelbar zu einer Einsparung an Brennstoff oder Strom (für Pumpen).
  • – Alle Nachrangenergien einspeisenden Vorrichtungen sind voneinander unabhängige Module, die einzeln oder gegebenenfalls parallel aktiviert werden können.
Energy types whose contributions to the energy feed into a hot water storage tank are to be prioritized and unaffected are referred to below as "pre-energy". Complementary will be from Nachrangenergien the question, which can be switched on as needed for heat supply to achieve about a predetermined target temperature of the water reservoir. This includes, for example, all conventional burner technologies (oil, gas, coal), but also alternative supplies such as pellet heating or geothermal heat pumps (again without claim to completeness). Common features of the subsequence energies are:
  • - The devices for generating heat are local - ie in the respective building - available and under the control of the owner.
  • - The shutdown or shutdown of such a device leads directly to a saving of fuel or electricity (for pumps).
  • - All additional energy feeding devices are independent modules that can be activated individually or, if necessary, in parallel.

Dieses vorausgesetzt, soll der Gedanke der separierten Energiekostenermittlung hiernach verallgemeinert aufgegriffen und für flexible Systeme, die den künftigen Anforderungen an eine standardisierte Erfassung sämtlicher Energieströme im Interesse beliebiger modularer Erweiterbarkeit gerecht werden, fortentwickelt werden.This provided that the idea of the separated energy cost calculation hereafter generalized and for flexible systems, the future Requirements for standardized recording of all energy flows in the interest of any modular extensibility, evolved become.

Die Aufgabe der Erfindung ist deshalb ein Verfahren zur Kontrolle der Energieeinspeisung in einen Wasserspeicher, das einen optimalen Energie-Mix realisiert.The The object of the invention is therefore a method for the control of Energy feed into a water reservoir, which is optimal Energy mix realized.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.These Task is solved by a method having the features of claim 1. The subclaims give advantageous embodiments.

Unverzichtbarer Bestandteil der Erfindung ist in erster Linie die kontinuierliche Erfassung der Energieströme auf der Erzeugerseite. Auf der Verbraucherseite ist die Verteilung von Wärmemengen z. B. auf verschiedene Wohneinheiten hinlänglich beschrieben worden und somit Stand der Technik. Die Erfindung befasst sich im Folgenden ausdrücklich nicht mit der Verbraucherseite, obwohl natürlich gerade auch das Entnahmeverhalten der Verbraucher ein wesentlicher Aspekt bei der Bewertung der Optimalität eines eingespeisten Energie-Mix ist. Auf diesen Aspekt wird auch in einer parallelen Patentanmeldung gesondert eingegangen.indispensable Part of the invention is primarily the continuous Capture of energy flows on the producer side. On the consumer side is the distribution of heat quantities z. B. been described adequately on various housing units and thus state of the art. The invention will be discussed below expressly not with the consumer side, although of course especially the withdrawal behavior the consumer is an essential aspect in the evaluation of the optimality of a fed energy mix is. This aspect is also reflected in one parallel patent application separately.

Erfindungsgemäß erfolgt fortlaufend die Messung der Beiträge aller einspeisenden Wärmequellen zur gesamten Energielieferung, wobei auch von vornherein nach Beiträgen von Vorrang- und Nachrangenergien unterschieden wird. Die Energielieferungen der Vorrangenergien werden erfindungsgemäß dazu genutzt, Art und Umfang der Zuschaltung der zur Verfügung stehenden Nachrangenergien zu steuern. Die Steuerung basiert auf einer rechnergestützten Auswertung aller simultan erhobenen Messdaten, bei der in Abhängigkeit von aktueller Ist- und vorgewählter Soll-Temperatur des Wasserspeichers jedem Energie-Mix ein Bewertungsmaß zugeordnet wird. Dieses Bewertungsmaß ist erfindungsgemäß einer Optimalitätsforderung unterworfen und soll nun sein Optimum dadurch annehmen und über die Zeit aufrecht erhalten, dass insbesondere bei extern bedingten Schwankungen der Einträge von Vorrangenergien zusätzliche Nachrangenergien als Wärmequellen nach einem vorprogrammierten Regelsystem (i. F. Mix-Strategie) angesteuert und gegebenenfalls aktiviert oder deaktiviert werden.According to the invention continuously measuring the contributions of all incoming heat sources to the entire energy supply, whereby also from the outset after contributions from Distinction between priority and secondary energy. The energy supplies the Vorrangenergien be used according to the invention, nature and extent the connection of the available to control standing subordinate energies. The control is based on a computerized Evaluation of all simultaneously measured data, depending on from actual and current selective Target temperature of the water reservoir assigned to each energy mix an evaluation measure becomes. This evaluation measure is According to the invention a Optimality requirement is subject to and should now accept its optimum and over the Maintained time, especially for externally induced fluctuations of the entries of ancillary energies additional Subsequent energies as heat sources controlled according to a pre-programmed control system (in the first instance mix strategy) and optionally activated or deactivated.

Das zeitabhängige Verbrauchsverhalten – also z. B. stark erhöhte Warmwasserentnahme aus dem Speicher wegen Duschbetrieb am Morgen oder dergleichen – wird zwar zweifellos die rechnergestützte Steuerung der Nachrangenergiequellen beeinflussen, ist aber aus der Sicht des erfindungsgemäßen Verfahrens nichts anderes als eine weitere Quelle von Vorrangenergie, die eben üblicherweise mir einen negativen Energieeintrag liefert. Von daher ist das Ausklammern einer Detailbetrachtung der Verbraucherseite (insbesondere einer Kostenaufteilung auf diese) aus der Lösung des Optimierungsproblems gut zu rechtfertigen.The time-dependent Consumption behavior - so z. B. greatly increased Hot water withdrawal from the store due to shower operation in the morning or the like - will Although undoubtedly the computer-aided Control of subordinate energy sources influence, but is out the view of the method according to the invention nothing else than another source of pre-energy that is usually mine provides a negative energy input. That's why the exclusion a detailed consideration of the consumer side (in particular a Cost allocation to these) from the solution of the optimization problem good to justify.

Es dürfte ferner ohne weiteres nachvollziehbar sein, dass das erfindungsgemäß bevorzugte Bewertungsmaß, welches es zu optimieren gilt, die laufenden Kosten der eingespeisten Energiearten sind, die natürlich in jedem Zeitschritt ein Minimum annehmen sollen. Allerdings kommen auch andere Bewertungsmaße durchaus in Frage. Beispielsweise könnten auch die Investitionskosten für Anschaffung und Einbau von Versorger-Modulen in das Bewertungsmaß mit einfließen. Investition dividiert durch Abschreibungszeitraum kann ohne weiteres den laufenden Kosten hinzuaddiert werden und verteuert diese Energieart entsprechend. Zumindest für Vorrangenergieversorger ist dies auch unproblematisch, da diese ohnehin vollumfänglich genutzt werden sollen. Nachrangenergien wie Geothermal-Wärme würden dann hingegen eine Anpassung der Mix-Strategie erfordern, damit nicht das durch Investitionen verteuerte, neu eingebaute Modul durch die Rechnersteuerung unsinnigerweise bevorzugt deaktiviert wird.It should also be readily understood that the preferred level of judgment to be optimized in accordance with the invention is the on-going cost of the types of energy input which, of course, is a minimum at each time step should be. However, other evaluation measures are also in question. For example, the investment costs for the purchase and installation of utility modules could also be included in the evaluation measure. Investment divided by depreciation period can easily be added to the running costs and makes this type of energy more expensive. At least for Vorrangenergieversorger this is also unproblematic, as they should be fully utilized anyway. Subsequent energies such as geothermal heat would, however, then require an adaptation of the mix strategy, so that the more expensive by investment, newly installed module by the computer control is unreasonably preferred deactivated.

Ein weiteres Beispiel für ein Bewertungsmaß ist die CO2-Bilanz. Es kann eine Optimierung dahingehend vorgenommen werden, dass der CO2-Ausstoß in die Atmosphäre in erster Linie gering sein soll, dabei aber auch bei Belastungsspitzen möglichst neutral in der CO2-Bilanz. Konkret sollen z. B. Solaranlage und Geothermie-Wärmepumpen bevorzugt betrieben werden, und wenn diese nicht ausreichen, solche zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe (z. B. Pellet-Heizung). Fossile Energieträger wären zu vermeiden. Dabei kann durchaus in Betracht gezo gen werden, dass elektrisch betriebene Umwälzpumpen bei Solar-Anlage etc. auch von Netzstrom gespeist werden und somit einen CO2-Ausstoß am Kraftwerk mit sich bringen.Another example of an evaluation measure is the CO 2 balance. An optimization can be made to the effect that the CO 2 emission into the atmosphere should be low in the first place, but also at peak loads as neutral as possible in the CO 2 balance. Specifically, z. B. Solar system and geothermal heat pumps are preferably operated, and if they are not sufficient, those for the use of renewable raw materials (eg., Pellet heating). Fossil fuels should be avoided. It can be considered quite gezo that electrically operated circulation pumps in solar system, etc. are also fed by mains electricity and thus bring a CO 2 emissions at the power plant with it.

Eine genaue Mix-Strategie muss – wie dieses Beispiel schon zeigt – für jede Zusammenstellung von Modulen gesondert erstellt werden. Sie besteht immer aus:

  • – Festlegung des Bewertungsmaßes (einheitlich für alle Energiearten)
  • – Festlegung der Optimalität des Bewertungsmaßes
  • – Programmierung von Steuerregeln zum Erreichen des Optimums.
An exact mix strategy must - as this example already shows - be created separately for every compilation of modules. It always consists of:
  • - Determination of the rating (uniform for all types of energy)
  • - Determination of the optimality of the evaluation measure
  • - Programming of control rules to reach the optimum.

Auch die konkreten Steuerregeln lassen sich nicht allgemein angeben, sondern hängen von der konkreten Auswahl an Modulen in einer konkreten Gesamtinstallation ab.Also the specific tax rules can not be generalized, but hang from the concrete selection of modules in a concrete overall installation from.

Zur beispielhaften Illustration der Erfindung zeigt die einzige 1 eine schematische Installation, umfassend einen Wasserspeicher W und eine Mehrzahl von Energieversorgern (S1, S2, P1, P2), die jeweils über einen eigenen Wärmetauscher an den Wasserspeicher angekoppelt sind, sowie einen Steuerrechner CPU, der mit allen Versorgern Daten austauscht.For exemplary illustration of the invention, the sole shows 1 a schematic installation comprising a water storage W and a plurality of energy suppliers (S1, S2, P1, P2), which are each coupled via a separate heat exchanger to the water storage, and a control computer CPU, which exchanges data with all suppliers.

Die parallele Ankopplung der unterschiedlichen Energieversorger ist wichtig für die Realisierung der Erfindung, da nur so die vollständige Unabhängigkeit der Systeme a priori gegeben ist. Eine Abhängigkeit wird erst über die erfindungsgemäße Ansteuerung erzeugt, d. h. die verschiedenen Energiearten sollen konzeptionell miteinander konkurrieren. Im Übrigen soll jederzeit der Austausch von Modulen oder die Erweiterung mit zusätzlichen Modulen möglich sein.The parallel connection of the different energy suppliers important for the realization of the invention, since only so the complete independence the systems is given a priori. A dependency is only about the Control according to the invention generated, d. H. the different types of energy should be conceptual compete with each other. Furthermore should at any time exchange modules or extension with additional Modules possible be.

In 1 sind zwei Vorrangenergieversorger P1, P2 und zwei Versorger mit Nachrangenergien S1, S2 dargestellt. Jeder Erzeuger führt die erzeugte Wärme über ein – durchaus jeweils eigenes – Speichermedium zu seinem Wärmetauscher mit W. In den jeweiligen Zu- und Abläufen zu den Wärmetauschern sind Temperatur- und Durchflusssensoren (im Grunde nach dem Stand der Technik) vorgesehen, z. B. SP1A am Abfluss des Wärmetauschers von P1 und SP1Z am Zufluss, deren Besonderheit im Sinne der Erfindung nun darin besteht, dass sie ihre Messwerte nicht allein der Steuerelektronik von P1, sondern auch in einer standardisierten Form dem Prozessrechner CPU zur Verfügung stellen. CPU verarbeitet alle eintreffenden Daten – diese können kontinuierlich oder nur in vorgewählten Zeitabständen erhoben und verarbeitet werden – und berechnet nach der Mix-Strategie Steuerbefehle an S1 und S2. Der Temperaturfühler T überwacht die Temperatur im Wasserspeicher und meldet diese fortlaufend an CPU und/oder alle Module, die diese Information für ihre eigene Betriebsoptimierung benötigen.In 1 are two Vorrangenergieversorger P1, P2 and two utilities with Nachrangenergien S1, S2 shown. Each generator carries the heat generated via a storage medium of its own with its own storage medium to its heat exchanger W. Temperature and flow sensors (basically according to the state of the art) are provided in the respective inlets and outlets to the heat exchangers, e.g. B. SP1A at the outflow of the heat exchanger of P1 and SP1Z the inflow, the peculiarity in the sense of the invention is that they make their measurements not only the control electronics of P1, but also in a standardized form the process computer CPU available. CPU processes all incoming data - these can be collected and processed continuously or only at preselected intervals - and calculates control commands to S1 and S2 according to the mix strategy. The temperature sensor T monitors the temperature in the water storage tank and continuously reports this to the CPU and / or all modules that need this information for their own operation optimization.

Um Missverständnissen vorzubeugen sei besonders darauf hingewiesen, dass in 1 zwar ein geschlossener Wasserspeicher dargestellt ist, der nur Wärmeenergie über Wärmetauscher aufnimmt und abgibt, dies aber nicht einschränkend verstanden werden darf. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso mit einem offenen Speicher, dem Kaltwasser zugeführt und Warmwasser über einen Ablauf direkt entnommen wird (insbesondere auch Trinkwasser, sog. Kombispeicher), problemlos arbeiten. Zu- und Abläufe der Speicher sollten hierfür mit Durchflussmessern und Temperaturfühlern ausgestattet sein – zumindest der Zulauf, wenn der Füllstand des Speichers konstant gehalten wird.To avoid misunderstandings, it should be noted that in 1 Although a closed water storage is shown, which absorbs and gives off only heat energy through heat exchangers, this should not be understood as limiting. The inventive method can also work with an open storage, fed to the cold water and hot water is removed directly via a drain (especially drinking water, so-called combined storage). Inlets and outlets of the storage tank should be equipped with flowmeters and temperature sensors for this purpose - at least the inflow if the filling level of the storage tank is kept constant.

Es mag für das Verständnis der erfindungsgemäßen Wirkungsweise des Prozessrechners CPU hilfreich sein, die Elemente der 1 durch konkrete Beispielsysteme zu ersetzen und eine einfache Mix-Strategie zu formulieren. Dafür soll P1 mit einer Solaranlage identifiziert werden, S1 soll ein Erdgasbrenner sein und S2 eine Geothermie-Wärmepumpe. P2 möge das Verbrauchernetz repräsentieren, das der Einfachheit halber gerade keine Energie entnimmt.It may be helpful for understanding the operation of the process computer CPU according to the invention, the elements of 1 by replacing concrete example systems and formulating a simple mix strategy. For this, P1 should be identified with a solar system, S1 should be a natural gas burner and S2 a geothermal heat pump. Let P2 represent the consumer network, which for the sake of simplicity does not draw any energy at the moment.

Der Wasserspeicher W soll nun auf die Temperatur T0 erwärmt werden. Die aktuelle Temperatur T < T0 wird gemessen. Eine einfache Mix-Strategie kann nun zunächst so aussehen:

  • 1. Miss den aktuellen Energieeintrag von P1 und prognostiziere die Temperaturentwicklung von W unter Annahme gleich bleibender Energiezufuhr.
  • 2. Liegt die Prognose für die Zeit zum Erreichen von T0 jenseits einer akzeptablen Schwelle, aktiviere S2.
  • 3. Miss Energieeinträge von P1 und S2 und aktualisiere die Prognose.
  • 4. Liegt die Prognose immer noch zu hoch, aktiviere auch noch S1. Aktualisiere die Prognose.
  • 5. Sobald die Prognose anzeigt, dass die Zieltemperatur innerhalb der akzeptablen Zeit erreicht wird, fahre zunächst S1, dann S2 herunter.
  • 6. Prioritätsregel: Überwache Energiefluss aus P1 dahingehend, dass eine vorgegebenes Minimum an Energieübertrag an W nie unterschritten wird. Anderenfalls alle Sekundärsysteme abschalten (dies dient der Vermeidung einer Überhitzung des Solarmoduls, das seine Energie loswerden muss).
  • 7. Nebenbedingung: Überwache Energiefluss aus S2 dahingehend, dass der Energieübertrag an W oberhalb einer Mindestgrenze liegt, sonst S2 abschalten und S1 hochfahren. (Wenn S2 nicht mehr ökonomisch betrieben werden kann, ist S1 womöglich effektiver bzw. günstiger.)
The water storage W should now be heated to the temperature T0. The current temperature T <T0 is measured. A simple mix strategy can now look like this:
  • 1. Measure the actual energy input of P1 and predict the temperature evolution of W assuming a constant energy input.
  • 2. If the forecast for the time to reach T0 is beyond an acceptable threshold, activate S2.
  • 3. Miss energy entries from P1 and S2 and update the forecast.
  • 4. If the forecast is still too high, also activate S1. Update the forecast.
  • 5. As soon as the forecast indicates that the target temperature is reached within the acceptable time, first decrease S1, then S2.
  • 6. Priority Rule: Monitor energy flow from P1 so that a given minimum energy transfer to W is never exceeded. Otherwise turn off all secondary systems (this will prevent overheating of the solar module that needs to get rid of its energy).
  • 7. Second condition: Monitor energy flow from S2 so that the energy transfer at W is above a minimum limit, otherwise switch off S2 and start up S1. (If S2 can no longer be operated economically, S1 may be more effective or less expensive.)

Dieser skizzierte Algorithmus erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder auch nur auf gute Praktikabilität. Er führt aber schon vor Augen, wie komplex eine tatsächliche Mix-Strategie aussehen kann, wenn

  • – noch weitere Energieversorgermodule vorhanden sind;
  • – die prinzipiell unvorhersehbaren, zeitlich begrenzten Einflüsse (z. B. Lastspitzen bei der Entnahme, Wetterwechsel mit Bewölkung) effektiv kompensiert werden sollen;
  • – Nebenkopplungen der Module untereinander realisiert sind (Bsp. die Abwärme des Gasbrenners kann über einen Stirling-Motor in Energie zum Betrieb einer der Umwälzpumpen überführt werden, was den Betrieb des Gasbrenners effektiv verbilligt).
This outlined algorithm makes no claim to completeness or even to good practicability. But it already shows how complex an actual mix strategy can look like if
  • - Still more energy supplier modules are available;
  • - the principally unpredictable, temporally limited influences (eg load peaks during removal, weather changes with cloud cover) should be effectively compensated;
  • - The coupling of the modules are realized with each other (eg, the waste heat of the gas burner can be converted via a Stirling engine into energy for operating one of the circulating pumps, which effectively reduces the cost of operating the gas burner).

Übrigens wird bei obiger Mix-Strategie implizit vorausgesetzt, dass die Zeit zum Erreichen einer vorgewählten Soll-Temperatur ein fester, aus praktischen Gründen zwingender Parameter ist, dem sich die Optimalität des Energie-Mix unterzuordnen hat. Die Aufheizzeit ist somit hier ein Bestandteil des Regelsatzes. Dies muss aber keineswegs immer so sein. Ebenso gut kann man fordern, dass die Verfügbarkeit der Vorrangenergien lediglich eine Mindesttemperatur festlegt, auf die der Wasserspeicher erwärmt werden soll. Sieht man überdies großzügige Zeiträume vor bis diese erreicht werden soll, lässt sich gewiss auch eine kostengünstigere Mix-Strategie formulieren.by the way is implicitly assumed in the above mix strategy that time to reach a preselected Target temperature is a fixed parameter that is mandatory for practical reasons, the optimality subordinate to the energy mix. The heating time is thus here a part of the ruleset. But this is not always necessary be so. Just as well, one can demand that availability the Vorrangenergien sets only a minimum temperature on which heats the water tank shall be. You also see generous periods ahead until this is to be achieved, can certainly be a cheaper Formulate mix strategy.

Vorteilhafterweise kann man aufgrund der kontinuierlichen Überwachung und Regelung natürlich auch tageszeitabhängig zwischen verschiedenen Mix-Strategien wechseln.advantageously, One can, of course, also because of continuous monitoring and regulation the time of day switch between different mix strategies.

Insgesamt bleibt festzuhalten, dass der erfindungsgemäße Ansatz erstmals eine modular aufgebaute Wärmeenergieversorgung mit verschiedenen Energiearten in der Weise steuert, dass aus den jeder Energieart zugeordneten, kontinuierlich messbaren Energiezuflüssen eine Rangordnung ermittelt wird, nach der weitere Wärmequellen systematisch hinzuzuschalten oder zu deaktivieren sind. Die Bildung dieser Rangordnung erfolgt zeitaktuell und mit externen, unkontrollierbaren Einflüssen Schritt haltend auf Basis automatischer Berechnungen, was die Bezeichnung hierarchische Energieversorgung begründen soll.All in all It should be noted that the inventive approach for the first time a modular built-up heat energy supply with different types of energy in the way that controls out of the each energy type associated, continuously measurable energy flows one Ranking is determined to systematically add to the other heat sources or to disable. The formation of this ranking takes place timely and with external, uncontrollable influences step based on automatic calculations, what the label establish a hierarchical energy supply.

Der erfindungsgemäße Automatismus dient dabei schon deshalb in besonderem Maße dem Ziel eines zukunftsweisenden Energie-Mix-Konzepts, weil alle Erfahrung immer wieder lehrt, dass menschliche Bedenkenlosigkeit leichter zu umgehen als auszuschalten ist.Of the Inventive automatism For this reason, it serves the purpose of a future-oriented one to a special degree Energy Mix concept because all experience repeatedly teaches that human reluctance easier to circumvent than turn off is.

Claims (9)

Verfahren zur Steuerung des Energieeintrags aus einer Mehrzahl von Wärmequellen unterschiedlicher Energiearten in einen Warmwasserspeicher gekennzeichnet durch die Schritte: a. Festlegen wenigstens einer Wärmequelle als Vorrangwärmequelle, b. Festlegen der anderen Wärmequellen als Nachrangwärmequellen, c. Festlegen eines Regelsatzes zur Bestimmung einer Rangfolge für die Veränderung der Energiezufuhr aus den Nachrangwärmequellen, wobei der Regelsatz von der Temperatur des Warmwasserspeichers und von den Energiezuflüssen aller Wärmequellen in den Warmwasserspeicher abhängt, d. Messen der Temperatur im Warmwasserspeicher, e. Messen des Energieeintrags jeder Wärmequelle in den Warmwasserspeicher, f. Berechnen eines Bewertungsmaßes für die gemessene Verteilung von Energiezuflüssen, g. Rechnerisches Optimieren des Bewertungsmaßes hinsichtlich eines vorgegebenen Optimalitätskriteriums durch rechnerisches Variieren des Energieeintrags wenigstens einer Nachrangwärmequelle nach der durch den Regelsatz vorgegebenen Rangfolge, h. Ansteuern der wenigstens einen Nachrangwärmequelle gemäß der berechneten Variation zum Einstellen einer optimalen Zusammensetzung der Energieeinträge und i. Wiederholen der Schritte d. bis i.Method for controlling the energy input from a plurality of heat sources different types of energy in a hot water tank through the steps: a. Determine at least one heat source as a priority heat source, b. Set the other heat sources as subordinate heat sources, c. Set a rule set to determine a ranking for the change the energy input from the subordinate heat sources, the rule set from the temperature of the hot water tank and the energy flows of all heat sources depends on the hot water tank, d. Measuring the temperature in the hot water tank, e. Measuring the Energy input of each heat source in the hot water tank, f. Calculate a score for the measured Distribution of energy inflows, G. Computational optimization of the evaluation measure with respect to a given Optimality criterion by mathematically varying the energy input of at least one Nachrangwärmequelle according to the order of precedence given by the rule set, H. head for the at least one subordinate heat source according to the calculated Variation for setting an optimal composition of energy inputs and i. Repeat steps d. to i. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die laufenden Betriebskosten aller Wärmequellen addiert und die laufenden Gesamtkosten als Bewertungsmaß benutzt werden.A method according to claim 1, characterized in that the running operating costs of all Heat sources are added and the running total costs are used as a measure of evaluation. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Optimalitätskriterium die Minimierung vorgesehen wird.Method according to claim 2, characterized in that that as an optimality criterion the minimization is provided. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimalitätskriterium ein Minimum an CO2-Ausstoß ist.A method according to claim 1, characterized in that the optimality criterion is a minimum of CO 2 emissions. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelsatz als Software in die Recheneinheit implementiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the rule set as software in the arithmetic unit is implemented. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelsatz eine Abhängigkeit von der Tageszeit aufweist, so dass die Recheneinheit gemäß interner Uhr Regeln befolgt oder aufhebt.Method according to claim 4, characterized in that that the ruleset is a dependency of the time of day, so that the arithmetic unit according to internal Obey or abolish rules. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelsatz eine Solltemperatur des Wassertanks vorschreibt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the rule set a set temperature of the water tank prescribes. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelsatz eine maximale Zeitspanne zum Erreichen der Solltemperatur vorschreibt.Method according to Claim 6, characterized that the rule set a maximum period of time to reach the target temperature prescribes. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelsatz vorrangig gültige Prioritätsregeln zur Wahrung der Betriebssicherheit umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the ruleset has priority priority rules to safeguard operational safety.
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