EP4113016A1 - Method and control unit for controlling a heating network - Google Patents

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EP4113016A1
EP4113016A1 EP21182516.1A EP21182516A EP4113016A1 EP 4113016 A1 EP4113016 A1 EP 4113016A1 EP 21182516 A EP21182516 A EP 21182516A EP 4113016 A1 EP4113016 A1 EP 4113016A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating network
flow temperatures
heat
heating
sub
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP21182516.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thanh Phong Huynh
Sebastian THIEM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP21182516.1A priority Critical patent/EP4113016A1/en
Priority to PCT/EP2022/065362 priority patent/WO2023274666A1/en
Publication of EP4113016A1 publication Critical patent/EP4113016A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24DDOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00Details
    • F24D19/10Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24DDOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D10/00District heating systems

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1 and a control unit according to the preamble of patent claim 10.
  • decentralized heat generation systems In the future, more and more decentralized heat generation systems will be connected to a common heating network. Compared to conventional large-scale systems, these decentralized generation systems often have a low feed-in capacity.
  • the associated energy systems for example industrial plants, office buildings or residential buildings, are not only heat consumers (consumers) but also heat generators (producers), i.e. prosumers.
  • the energy systems mentioned can thus feed out heat from the common heating network, ie consume and feed generated heat into the heating network.
  • Known heating networks are characterized by conventional large-scale systems, such as waste-to-energy plants as heat generators or heat supply systems.
  • each energy system meaning in this case each consumer, is typically connected to the heating network via a heat transfer station.
  • This heat transfer station typically includes a heat exchanger and one or more valves, by means of which the mass flow of a heat transfer medium of the heating network can be adjusted or controlled or regulated.
  • the heat or thermal power transferred to the respective energy system by means of the heat exchanger can be controlled or regulated.
  • connectees i.e. the energy systems
  • the connectees are statically guaranteed certain minimum flow temperatures.
  • no significant dynamic adjustments to the flow temperature with corresponding optimization potential are carried out.
  • the object of the present invention is to provide improved control for a heating network, in particular with regard to a large number of decentralized generators.
  • the method according to the invention and/or one or more functions, features and/or steps of the method according to the invention and/or one of its configurations can be computer-aided.
  • the minimization of the target function or the target functions is carried out by means of an arithmetic unit of a control unit according to the present invention.
  • the heating network includes several sub-heating networks.
  • Each of the sub-heating networks has permissible flow temperatures or a permissible range of the flow temperatures within which the sub-heating network can be technically operated.
  • the controller is basically designed to set the flow temperature of each sub-heating network within its specified permissible range, for example by means of a correspondingly designed control unit.
  • An essential aspect of the method according to the invention is to determine flow temperatures that are as efficient as possible for the respective sub-heating networks. After these efficient flow temperatures have been determined according to the invention, they are set accordingly and the partial heating networks are operated in accordance with the determined flow temperatures.
  • the flow temperatures are typically determined according to regular time steps t, for example every hour or every 15 minutes, so that the method according to the invention can be repeated at each time step.
  • the heat outputs and flow temperatures are time-dependent and are determined and set again for each time step t.
  • the flow temperatures and the associated heat output, which the participants connected to the heating network exchange with one another or feed into and/or feed out of the heating network, are determined using an optimization process.
  • the objective function which depends on the heat outputs and these included as variables minimized. Equivalent to this - depending on the definition of the sign - the target function can be maximized. However, since the target function typically refers to technical variables such as the total heat conversion or total carbon dioxide emissions or models them, these are minimized in the present case.
  • the values of its variables, in this case the first and second heat outputs are determined.
  • the heat outputs generated and fed in as well as consumed and thus fed out are determined in such a way that the total carbon dioxide emissions associated with all heat exchanges via the heat network are minimized as far as possible within the framework of numerical accuracy. This is comparable to a model predictive control.
  • the first heat outputs are thus determined by minimizing the target function.
  • the heat outputs are dependent on the permissible flow temperatures, ie the associated heat outputs are determined for each permissible flow temperature within a sub-heating network.
  • a rough initial technical selection of the flow temperatures is only made based on the previously specified permissible flow temperatures.
  • the permissible flow temperatures are determined by the technical parameters of the equipment connected to the heating network.
  • the possible flow temperatures are determined.
  • the possible flow temperatures are a subset of the (technically) permissible flow temperatures.
  • the flow temperatures are preselected. This flow temperature is only considered as a possible flow temperature if a non-zero heat output is to be exchanged within the associated partial heating network for a flow temperature (according to the heat outputs determined in the first step).
  • only the permissible flow temperatures are taken into account as possible flow temperatures for which a heat exchange, that is to say, for example, a first heat output different from zero, is to take place within the associated partial heating network.
  • the set of permissible flow temperatures can also correspond to the set of possible flow temperatures, so that no restriction is possible in advance.
  • thermal outputs are again determined by an optimization process. This is done for each combination of possible flow temperatures determined in the second step, with exactly one possible flow temperature for each partial heating network being used for the combination.
  • An associated set of heat outputs is then available for each combination of possible flow temperatures.
  • the target function used in the first step is used to determine the second heat outputs for a combination of possible flow temperatures limited to the above combination. In other words, the target function used only includes the terms and variables associated with the combination.
  • n combinations of possible flow temperatures there are n partial optimization problems. For each of these sub-problems, exactly one flow temperature from the possibly restricted set of possible flow temperatures is used in each sub-heating network.
  • Each sub-problem represents a new combination of possible flow temperatures of the sub-heating network. These several sub-problems are then solved independently of one another, in particular in parallel. In other words, associated (second) heat outputs are determined for each sub-problem, ie for each combination of possible flow temperatures.
  • a combination on which the control is based is determined from the multiple combinations of possible flow temperatures. This is technically necessary because each sub-heating network can only be operated with exactly one flow temperature.
  • the combination that is ultimately used for control is determined or ascertained by the fact that the associated restricted target function has the smallest value among all restricted target functions for this combination and associated (second) heat outputs.
  • the restricted objective function with the largest value is relevant.
  • a target function value and associated heat output are determined for each combination.
  • the combination that has the smallest target function value is therefore used to set the flow temperatures. Accordingly, the actual heat outputs are set or controlled according to the heat outputs associated with and determined for the combination.
  • the flow temperatures determined in this way are set for the partial heating networks.
  • the method according to the invention ensures that the technical goal, for example minimizing the total carbon dioxide emissions and/or an optimal balance between consumption and generation, is achieved for the set flow temperatures.
  • the heating network can be operated as efficiently as possible with regard to the total carbon dioxide emissions and/or the total energy requirement and/or external heat requirement.
  • the solving of the n sub-problems can be parallelized, so that the computing time can be reduced as a result.
  • the total heat loss of the heating network which depends on the flow temperatures, could be used as a target function.
  • the heating network is operated with the lowest possible heat losses.
  • a type of sequential optimization or control thus takes place, which makes it possible, in particular for a heating network with a large number of connectees, to operate them as efficiently as possible in terms of energy. This is the case in particular because the best possible flow temperatures for the partial heating networks are determined and set. This leads to lower heat losses, since it is possible to react dynamically to the connectees and their technical requirements.
  • the mass flow is almost constant, so that the primary control variable - as with conventional network control - is the temperature of the heat transfer medium.
  • the flow temperatures of the partial heating networks are determined via the sequential solution of purely linear problems, so that the computing time only scales linearly with the number of participants, energy systems or connectees. This can further reduce the computing time.
  • the method according to the invention can be repeated for several time steps t .
  • the flow temperatures and associated heat outputs are determined again for each time step t .
  • control unit for controlling a heating network with several partial heating networks is characterized in that the control unit is designed to determine the flow temperatures of the partial heating networks according to a method according to the present invention and/or one of its configurations and to set the determined flow temperatures of the partial heating networks.
  • total carbon dioxide emissions are used as the target function.
  • Carbon dioxide emissions are typically associated with heat generation and/or heat consumption.
  • the technical goal is to minimize this as much as possible.
  • an objective function that models the total carbon dioxide emissions associated with the heat outputs exchanged is advantageous.
  • the flow temperatures and the associated heat output are determined in such a way that the overall carbon dioxide emissions are as low as possible are connected.
  • this is represented by the following objective function ⁇ t , k , ⁇ P k , ⁇ , t s ⁇ c Max , k , ⁇ , t s ⁇ P k , ⁇ , t B ⁇ c at least , k , ⁇ , t B allows where P k , ⁇ , t S the heat output of a generation and P k , ⁇ , t B is the heat output of a consumption at grid node k with flow temperature ⁇ at time t .
  • the constants of the named linear combination c Max , k , ⁇ , t S , c at least , k , ⁇ , t B are maximum or minimum specific carbon dioxide quantities or, analogously, maximum or minimum specific carbon dioxide prices.
  • the constants c Max , k , ⁇ , t S , c at least , k , ⁇ , t B any other specific variable associated with the heat outputs, for example specific heat losses.
  • a target function that is linear in the heat outputs is advantageously used.
  • the target function is therefore a linear combination formed by the heat outputs to be determined.
  • the computing time can be reduced by using a linear combination.
  • the heating network is controlled in such a way that the determined second heat outputs associated with the set flow temperatures are exchanged within the heating network.
  • control unit transmits the heat output determined to the participating energy systems or heating systems, which then feed a corresponding heat output into or out of the heating network at time t or within the time interval marked t in accordance with the second heat output determined.
  • the central control unit with regard to the energy systems thus controls the flow temperatures of the partial heating networks and the associated time-dependent heat exchanges.
  • the flow temperatures are - like the (second) heat outputs - are determined as a function of time and can therefore be reset for each time step or for each time range.
  • the objective function and/or the restricted objective functions are minimized under secondary conditions.
  • the heat outputs and/or flow temperatures determined must meet technical boundary conditions that must be taken into account when minimizing (or maximizing).
  • generation plants and consumption plants can each provide or consume a maximum heat output or amount of heat.
  • T ⁇ t t must therefore P k , ⁇ , t S ⁇ ⁇ t t ⁇ E Max S respectively P k , ⁇ , t B ⁇ ⁇ t t ⁇ E Max B get noticed.
  • the maximum possible heat output must be observed, i.e.
  • the temperature of the fed-in heat output of the generating plants ⁇ in and the lines ⁇ ( i, j ) is higher than the temperature of the power drawn ⁇ out .
  • t S ⁇ ⁇ in ⁇ ⁇ i j ⁇ ⁇ out ⁇ ⁇ at least , t B to be considered as a secondary condition in the optimization process as a physical boundary condition.
  • thermotechnical installations of the energy systems are taken into account as a secondary condition.
  • plant-specific and/or energy-system-specific technical boundary conditions can be transmitted to the control unit in order to carry out the optimization.
  • control takes place by means of a central control unit with regard to the energy systems.
  • the heating network is advantageously controlled in a centralized manner.
  • the various heat inputs and heat outputs can be better coordinated by the central control unit. This means that the best possible match between consumption and generation can be achieved. This is comparable to a local energy market for electrical energy.
  • the control unit forms a local energy market platform with regard to heat or thermal energy.
  • a sequential optimization method based on a local energy market for thermal energy is used to determine the optimal flow temperatures of the partial heating networks.
  • a permissible temperature range which is determined by thermotechnical systems within the associated partial heating network, is discretized for the provision of the permissible flow temperatures for one of the partial heating networks.
  • the installations of one of the energy systems can only be operated in the temperature range from 60 degrees Celsius to 100 degrees Celsius.
  • it is advantageous to discretize the permissible temperature range for example in steps of 10 Kelvin. Due to the discretization, the determination of the flow temperatures remains practicable. Furthermore, it makes sense from a technical point of view, since heating systems are typically insensitive to small fluctuations in the flow temperature. Thus, only the essential flow temperatures are taken into account through the discretization, which can save further computing time.
  • the heating network is designed as a local heating network or district heating network.
  • the controller according to the invention or a controller according to an embodiment of the present invention can advantageously be used for existing and known heating networks.
  • the single figure shows a heating network with several partial heating networks, the flow temperatures of which are determined and set according to one embodiment of the present invention.
  • the figure shows a schematic heating network 2, the heating network being divided into several sub-heating networks 21, 22, 23.
  • thermal engineering systems 41, 42, 43 are connected to the heat network 2 for heat exchange.
  • the systems 41, 42, 43 can feed heat output into the heating network 2 and/or feed it out of the heating network 2.
  • sub-heating network 21 has two consumer systems 43 and a generating system 41
  • sub-heating network 22 has a consumer system 43
  • a generating system 41 and a prosumer system 42
  • sub-heating network 22 has a consumer system 43 and two prosumer systems 42.
  • a prosumer system is a thermotechnical system that both generate and consume heat.
  • the energy systems or the plants 41, 42, 43 are each coupled via a heat exchanger to the respective sub-heating network 21, 22, 23 and thus to the heating network 2 for heat exchange.
  • Each of the sub-heating networks 21, 22, 23 can in principle be operated with a different flow temperature.
  • a central control unit 1 controls or regulates the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23. Furthermore, the control unit 1 controls or regulates the heat outputs that are fed in and/or fed out by the heating systems 41, 42, 43 within a time step.
  • control unit 1 determines the flow temperatures according to the present invention and/or one of its configurations.
  • the flow temperatures advantageously determined in this way are set by the control unit 1 and the heating network 2 is thus controlled or regulated accordingly.
  • the heat losses of the heating network 2 depend crucially on the flow temperatures.
  • the thermal losses (heat losses) of a district heating network in Germany amount to an average of 13 percent and accordingly lead to avoidable additional costs when operating a district heating network. With a reduction of typical flow temperatures by 20 degrees Celsius, heat losses can be reduced by 9 percent. Furthermore, a reduction in the operating temperatures has a positive effect on the aging of the plastic-jacketed composite pipes used in the heating network 2, so that any repairs or even replacements are avoided. Therefore, the lowest possible flow temperatures should always be aimed for. This is also made possible by the present invention and its configurations.
  • the sub-heating networks 21, 22, 23 are hydraulically and thermally decoupled from one another by means of heat exchangers at nodes in the heating network.
  • the mass flow in the lines is not considered in detail here and is considered to be optimally adjusted. This is comparable to known network control with constant mass flow.
  • a respective permissible temperature range with which the partial heating networks 21, 22, 23 may in principle be operated is first discretized.
  • the technical boundary conditions of the lines used and the connected generation or consumer systems restrict the permissible temperatures in a partial heating network 21, 22, 23. If the temperature range in a partial heating network 21, 22, 23 is limited in the range from 60° C. to 100° C., the increment of the discretization can in principle be chosen arbitrarily.
  • An advantageous increment of 10 Kelvin results in the exemplary permissible flow temperatures ⁇ x SUB ⁇ 60 °C , 70 °C , 80 °C , 90 °C , 100 °C for the partial heating network x .
  • the power balance for a node i and a time step t must be taken into account as constraints in the optimization, i.e. when minimizing the objective function will.
  • the sum of all powers fed in via generator systems 41 and/or prosumer systems 42 P i , ⁇ , t in as well as the sum of all powers drawn (fed) from consumer systems 43 and/or prosumer systems 42 P i , ⁇ , t out as well as the power P ( i,j ), ⁇ ,t supplied via the lines of the heating network 2 results in the value zero.
  • P i , ⁇ , t out P i , ⁇ , t in + ⁇ i j ⁇ E ⁇ ⁇ ⁇ x SUB P i j , ⁇ , t ⁇ i ⁇ N , ⁇ t ⁇ be taken into account as physical constraints.
  • the power that is fed in or drawn off at node i is determined via offers from the connected subscriber k .
  • the services fed in P i , ⁇ , t in correspond to the sum of the variables P k , ⁇ , t S .
  • the power transfer between the nodes is determined by the variable P ( i,j ), ⁇ , t . Due to the second law of thermodynamics, the temperature of the fed-in power of the generator systems ⁇ in and the lines ⁇ ( i,j ) is higher than the temperature of the power drawn ⁇ out . Thus, as a constraint ⁇ Max , t S ⁇ ⁇ in ⁇ ⁇ i j ⁇ ⁇ out ⁇ ⁇ at least , t B required.
  • the method according to the invention is used repeatedly over time.
  • Initial will be the crowd ⁇ ⁇ ⁇ x SUB the permissible flow temperatures of the partial heating network x are only limited by the technical parameters of the connected equipment.
  • the optimization process or the solver determines possible solutions for the variables of the heat output P i , ⁇ , t in , P i , ⁇ , t out and P ( i,j ) , ⁇ ,t .
  • the heat outputs or their variables used when minimizing the target function are set for more than one flow temperature. This corresponds to the first step of the method according to the invention.
  • This solution cannot be implemented technically, since a partial heating network 21, 22, 23 can only be operated with one flow temperature. It is therefore for each sub-heating network 21, 22, 23 to determine exactly one flow temperature. This is done according to the following steps.
  • the permissible flow temperatures ⁇ ⁇ ⁇ x SUB for the partial heating networks 21, 22, 23 are initially further restricted to possible flow temperatures.
  • the heat outputs or their variables set for several flow temperatures the amount ⁇ ⁇ ⁇ x SUB correspondingly limited to the flow temperatures used in this sense. This further restriction corresponds to the second step of the method according to the invention.
  • each sub-problem represents a new combination of possible flow temperatures in the partial heating networks 21, 22, 23.
  • the sub-problems are solved independently of each other.
  • the combination with the highest target function value then determines the actual flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23. This corresponds to the third and fourth step of the method according to the invention.
  • the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23 are set according to the determined flow temperatures and the heating network 2 is thus operated according to the determined advantageous flow temperatures.
  • the present invention is advantageous with regard to local heat markets, since these typically have a large number of decentralized generation plants. This is explained in more detail in the following non-limiting exemplary embodiment, which describes a use of the present invention for such a heating market.
  • a local heat market can be realized as a day-ahead auction, which at a specified time of the day, for example 12:00 p.m. for 24 hours of the following day, matches offers for the heat exchanges via an algorithm in the time steps t .
  • the participating energy systems transmit at least an intended heat consumption and/or an intended heat generation to the control unit 1.
  • a minimum reference temperature and/or maximum reference power as well as a maximum feed temperature and/or a maximum feed power can be transmitted to the control unit.
  • This technical transmitted data/information can then be used as secondary conditions in the process for determining the flow temperatures are taken into account.
  • the same target function is preferably used for market matching and for determining the flow temperatures.
  • the control unit 1 can thus be designed as a local heat market platform.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Wärmenetzes (2) vorgeschlagen, wobei das Wärmenetz (2) mehrere Teilwärmenetze (21, 22, 23) aufweist, und für jedes Teilwärmenetz (21, 22, 23) eine oder mehrere für dessen Betrieb zulässige Vorlauftemperaturen bereitgestellt werden. Das Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass die zur Steuerung verwendeten Vorlauftemperaturen durch die folgenden Schritte eingestellt werden:- (S1) Ermitteln von ersten Wärmeleistungen durch ein Minimieren einer Zielfunktion, wobei die ersten Wärmeleistungen von den zulässigen Vorlauftemperaturen abhängig sind;- (S2) Ermitteln von möglichen Vorlauftemperaturen für jedes Teilwärmenetz (21, 22, 23), wobei die möglichen Vorlauftemperaturen des jeweiligen Teilwärmenetzes (21, 22, 23) dadurch bestimmt werden, dass innerhalb des jeweiligen Teilwärmenetzes (21, 22, 23) eine erste Wärmeleistung ausgetauscht werden soll;- (S3) Ermitteln von zweiten Wärmeleistungen für jede Kombination der möglichen Vorlauftemperaturen durch ein Minimieren einer auf die jeweilige Kombination eingeschränkten Zielfunktion, wobei für die Kombination genau eine mögliche Vorlauftemperatur für jedes Teilwärmenetz (21, 22, 23) verwendet wird;- (S4) Ermitteln derjenigen Kombination von möglichen Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze (21, 22, 23), dessen zugehörige eingeschränkte Zielfunktion unter allen eingeschränkten Zielfunktionen den kleinsten Wert aufweist; und- (S5) Einstellen der Vorlauftemperaturen gemäß der im vierten Schritt (S4) ermittelten Kombination.Weiterhin betrifft die Erfindung eine SteuereinheitA method for controlling a heating network (2) is proposed, the heating network (2) having a number of partial heating networks (21, 22, 23) and providing one or more flow temperatures permissible for operation of each partial heating network (21, 22, 23). become. The method is characterized in that the flow temperatures used for control are set by the following steps: - (S1) determining first heat outputs by minimizing a target function, the first heat outputs being dependent on the permissible flow temperatures; - (S2) determining possible flow temperatures for each sub-heating network (21, 22, 23), the possible flow temperatures of the respective sub-heating network (21, 22, 23) being determined in that a first heat output is to be exchanged within the respective sub-heating network (21, 22, 23); - (S3) Determination of second heat outputs for each combination of possible flow temperatures by minimizing a target function restricted to the respective combination, with exactly one possible flow temperature for each partial heating network (21, 22, 23) being used for the combination; - (S4) Determination of that combination of possible flow temperatures of the sub-heating networks (21, 22, 23) whose associated restricted target function has the smallest value among all restricted target functions; and-(S5) setting the flow temperatures according to the combination determined in the fourth step (S4).The invention also relates to a control unit

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Steuereinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1 and a control unit according to the preamble of patent claim 10.

Zukünftig werden immer mehr dezentrale Wärmeerzeugungsanlagen an ein gemeinsames Wärmenetz angeschlossen. Diese dezentralen Erzeugungsanlagen weisen im Vergleich zu konventionellen Großanlagen eine vielfach geringe Einspeiseleistung auf. Durch den Anschluss der dezentralen Erzeugungsanlagen sind die zugehörigen Energiesysteme, beispielswiese industrielle Anlagen, Bürogebäude oder Wohngebäude, nicht nur Wärmeverbraucher (Verbraucher) sondern ebenfalls Wärmeerzeuger (Erzeuger), das heißt Prosumer. Die genannten Energiesysteme können somit Wärme aus dem gemeinsamen Wärmenetz ausspeisen, das heißt verbrauchen und erzeugte Wärme in das Wärmenetz einspeisen.In the future, more and more decentralized heat generation systems will be connected to a common heating network. Compared to conventional large-scale systems, these decentralized generation systems often have a low feed-in capacity. By connecting the decentralized generating plants, the associated energy systems, for example industrial plants, office buildings or residential buildings, are not only heat consumers (consumers) but also heat generators (producers), i.e. prosumers. The energy systems mentioned can thus feed out heat from the common heating network, ie consume and feed generated heat into the heating network.

Nach dem Stand der Technik ist die Steuerung oder Regelung eines solchen Verbraucher, Erzeuger und Prosumer umfassenden Wärmenetzes ungelöst.According to the state of the art, the control or regulation of such a heat network comprising consumers, producers and prosumers is unresolved.

Bekannte Wärmenetze sind durch konventionelle Großanlagen, wie beispielsweise Müllheizkraftwerke als Wärmeerzeuger beziehungsweise Wärmebereitstellungsanlagen gekennzeichnet. Auf der Verbraucherseite wird typischerweise jedes Energiesystem, das heißt in diesem Fall jeder Verbraucher, über eine Wärmeübergabestation an das Wärmenetz angebunden. Diese Wärmeübergabestation umfasst typischerweise einen Wärmeübertrager und ein oder mehrere Ventile, mittels welchen der Massenstrom eines Wärmeträgermediums des Wärmenetzes eingestellt beziehungsweise gesteuert oder geregelt werden kann. Dadurch kann die mittels des Wärmeübertragers auf das jeweilige Energiesystem übertragene Wärme beziehungsweise thermische Leistung gesteuert oder geregelt werden.Known heating networks are characterized by conventional large-scale systems, such as waste-to-energy plants as heat generators or heat supply systems. On the consumer side, each energy system, meaning in this case each consumer, is typically connected to the heating network via a heat transfer station. This heat transfer station typically includes a heat exchanger and one or more valves, by means of which the mass flow of a heat transfer medium of the heating network can be adjusted or controlled or regulated. As a result, the heat or thermal power transferred to the respective energy system by means of the heat exchanger can be controlled or regulated.

Die übertragene Wärmeleistung hx an einem Wärmeübertrager kann gemäß hx = hx * cp *(Tq-Ts ) berechnet werden, wobei hx den Massenfluss des Wärmeträgermediums, beispielsweise Wasser, über den Wärmeübertrager, cp seine spezifische Wärmekapazität und Tq die Temperatur der Wärmequelle und Ts die Temperatur der Wärmesenke bezeichnet.The heat output hx transferred to a heat exchanger can be calculated according to Q̇ hx = hx * c p *(T q -T s ) , where hx is the mass flow of the heat transfer medium, for example water, through the heat exchanger, c p is its specific heat capacity and T q denotes the temperature of the heat source and T s denotes the temperature of the heat sink.

Bekannte Steuerungen oder Regelungen von Wärmenetzen versuchen den Massenfluss des Wärmeträgermediums in den Leitungen des Wärmenetzes möglichst konstant zu halten. Dies wird über zentrale Pumpen und vertraglich festgelegte Druckdifferenzen zwischen Vorlauf und Rücklauf des Wärmenetzes an den Wärmeübergabestationen sichergestellt. Hierbei ist für die transportierte Wärmeenergie innerhalb des Wärmenetzes der Massenfluss und die Vorlauftemperatur des Wärmeträgermediums innerhalb der Leitungen des Wärmenetzes maßgeblich. Somit wird die Vorlauftemperatur durch den Netzbetreiber des Wärmenetzes zentral für das gesamte Wärmenetz gesteuert. Dadurch ist die Vorlauftemperatur durch denjenigen Verbraucher bestimmt, der die höchsten Anforderungen an die Temperatur aufweist. Somit werden die weiteren Verbraucher gegebenenfalls mit einer nicht erforderlich hohen Temperatur beliefert.Known controls or regulations of heating networks try to keep the mass flow of the heat transfer medium in the lines of the heating network as constant as possible. This is ensured by central pumps and contractually defined pressure differences between the flow and return of the heating network at the heat transfer stations. The mass flow and the flow temperature of the heat transfer medium within the lines of the heating network are decisive for the thermal energy transported within the heating network. The flow temperature is thus controlled centrally for the entire heating network by the network operator of the heating network. As a result, the flow temperature is determined by the consumer who has the highest temperature requirements. In this way, the other consumers may be supplied with a temperature that is not required to be high.

Weiterhin sind den Anschlussnehmern, das heißt den Energiesystemen, bestimmte Mindestvorlauftemperaturen statisch garantiert. Dadurch werden keine wesentlichen dynamischen Anpassungen der Vorlauftemperatur mit entsprechenden Optimierungspotentialen durchgeführt.Furthermore, the connectees, i.e. the energy systems, are statically guaranteed certain minimum flow temperatures. As a result, no significant dynamic adjustments to the flow temperature with corresponding optimization potential are carried out.

Bekannte Netzsteuerung oder Netzregelung sind somit nicht für die Steuerung beziehungsweise Regelung von Wärmenetzen mit einer Vielzahl an dezentralen Erzeugungsanlagen, die durch verschiedene Energiesysteme umfasst sind, geeignet. Das ist beispielsweise deshalb der Fall, da keine zentrale auf Informationen der Teilnehmer basierte Steuerung der Anlagen und des Wärmenetzes erfolgt.Known network control or network regulation are therefore not suitable for controlling or regulating heating networks with a large number of decentralized generation systems that are comprised of different energy systems. This is the case, for example, because there is no central control of the systems and the heating network based on information from the participants.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steuerung für ein Wärmenetz, insbesondere im Hinblick auf eine Vielzahl von dezentralen Erzeugern, bereitzustellen.The object of the present invention is to provide improved control for a heating network, in particular with regard to a large number of decentralized generators.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.The object is achieved by a method having the features of independent patent claim 1 and by a control unit having the features of independent patent claim 10 . Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent patent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Wärmenetzes, wobei das Wärmenetz mehrere Teilwärmenetze aufweist, und für jedes Teilwärmenetz eine oder mehrere für dessen Betrieb zulässige Vorlauftemperaturen bereitgestellt werden, ist gekennzeichnet dadurch, dass die zur Steuerung verwendeten Vorlauftemperaturen durch die folgenden Schritte eingestellt werden:

  • Ermitteln von ersten Wärmeleistungen durch ein Minimieren einer Zielfunktion, wobei die ersten Wärmeleistungen von den zulässigen Vorlauftemperaturen abhängig sind;
  • Ermitteln von möglichen Vorlauftemperaturen für jedes Teilwärmenetz, wobei die möglichen Vorlauftemperaturen des jeweiligen Teilwärmenetzes dadurch bestimmt werden, dass innerhalb des jeweiligen Teilwärmenetzes eine erste Wärmeleistung ausgetauscht werden soll;
  • Ermitteln von zweiten Wärmeleistungen für jede Kombination der möglichen Vorlauftemperaturen durch ein Minimieren einer auf die jeweilige Kombination eingeschränkten Zielfunktion, wobei für die Kombination genau eine mögliche Vorlauftemperatur für jedes Teilwärmenetz verwendet wird;
  • Ermitteln derjenigen Kombination von möglichen Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze, dessen zugehörige eingeschränkte Zielfunktion unter allen eingeschränkten Zielfunktionen den kleinsten Wert aufweist; und
  • Einstellen der Vorlauftemperaturen gemäß der im vierten Schritt ermittelten Kombination.
The method according to the invention for controlling or regulating a heating network, the heating network having several partial heating networks, and one or more flow temperatures permissible for its operation being provided for each partial heating network, is characterized in that the flow temperatures used for control are set by the following steps:
  • Determining first heat outputs by minimizing a target function, the first heat outputs being dependent on the permissible flow temperatures;
  • Determining possible flow temperatures for each sub-heating network, the possible flow temperatures of the respective sub-heating network being determined in that a first heat output is to be exchanged within the respective sub-heating network;
  • Determination of second heat outputs for each combination of possible flow temperatures by minimizing a target function restricted to the respective combination, with exactly one possible flow temperature for each partial heating network being used for the combination;
  • Determining that combination of possible flow temperatures of the sub-heating networks whose associated restricted target function has the smallest value among all restricted target functions; and
  • Set the flow temperatures according to the combination determined in the fourth step.

Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere Funktionen, Merkmale und/oder Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer seiner Ausgestaltungen können computergestützt sein. Insbesondere wird das Minimieren der Zielfunktion beziehungsweise der Zielfunktionen mittels einer Recheneinheit einer Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt.The method according to the invention and/or one or more functions, features and/or steps of the method according to the invention and/or one of its configurations can be computer-aided. In particular, the minimization of the target function or the target functions is carried out by means of an arithmetic unit of a control unit according to the present invention.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Wärmenetz mehrere Teilwärmenetze. Jedes der Teilwärmenetze weist zulässige Vorlauftemperaturen beziehungsweise einen zulässigen Bereich der Vorlauftemperaturen auf, innerhalb welchem das Teilwärmenetz technisch betrieben werden kann. Die Steuerung ist grundsätzlich dazu ausgebildet, beispielsweise mittels einer entsprechend ausgestalteten Steuereinheit, die Vorlauftemperatur jedes Teilwärmenetzes innerhalb ihres genannten zulässigen Bereiches einzustellen. Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, möglichst effiziente Vorlauftemperaturen für die jeweiligen Teilwärmenetze zu ermitteln. Nach der erfindungsgemäßen Ermittlung dieser effizienten Vorlauftemperaturen werden diese entsprechend eingestellt und die Teilwärmenetze entsprechend den ermittelten Vorlauftemperaturen betrieben.According to the present invention, the heating network includes several sub-heating networks. Each of the sub-heating networks has permissible flow temperatures or a permissible range of the flow temperatures within which the sub-heating network can be technically operated. The controller is basically designed to set the flow temperature of each sub-heating network within its specified permissible range, for example by means of a correspondingly designed control unit. An essential aspect of the method according to the invention is to determine flow temperatures that are as efficient as possible for the respective sub-heating networks. After these efficient flow temperatures have been determined according to the invention, they are set accordingly and the partial heating networks are operated in accordance with the determined flow temperatures.

Das Ermitteln der Vorlauftemperaturen erfolgt typischerweise gemäß regelmäßigen Zeitschritten t beispielsweise jede Stunde oder alle 15 Minuten, sodass das erfindungsgemäße Verfahren zu jedem Zeitschritt wiederholt werden kann. Mit anderen Worten sind die Wärmeleistungen und Vorlauftemperaturen zeitabhängig und werden für jeden Zeitschritt t erneut ermittelt und eingestellt.The flow temperatures are typically determined according to regular time steps t, for example every hour or every 15 minutes, so that the method according to the invention can be repeated at each time step. In other words, the heat outputs and flow temperatures are time-dependent and are determined and set again for each time step t.

Die Vorlauftemperaturen sowie die zugehörigen Wärmeleistungen, die die an das Wärmenetz angeschlossenen Teilnehmer untereinander austauschen beziehungsweise in das Wärmenetz einspeisen und/oder ausspeisen, werden mittels eines Optimierungsverfahrens ermittelt. Mit anderen Worten wird die Zielfunktion, die von den Wärmeleistungen abhängig ist und diese als Variablen umfasst, minimiert. Äquivalent hierzu kann - je nach Festlegung des Vorzeichens - die Zielfunktion maximiert werden. Da sich die Zielfunktion jedoch typischerweise auf technische Größen, wie beispielsweise der Gesamtwärmeumsatz oder Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen bezieht beziehungsweise diese modelliert, wird diese vorliegend minimiert. Durch das Minimieren der Zielfunktion werden die Werte ihrer Variablen, vorliegend die ersten und zweiten Wärmeleistungen ermittelt. Beispielsweise werden dadurch die erzeugten und eingespeisten sowie verbrauchten und somit ausgespeisten Wärmeleistungen derart ermittelt, dass die Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen, die mit allen Wärmeaustauschen über das Wärmenetz assoziiert sind, im Rahmen der numerischen Genauigkeit möglichst minimiert. Dies ist vergleichbar zu einer modellprädikativen Regelung.The flow temperatures and the associated heat output, which the participants connected to the heating network exchange with one another or feed into and/or feed out of the heating network, are determined using an optimization process. In other words, the objective function, which depends on the heat outputs and these included as variables minimized. Equivalent to this - depending on the definition of the sign - the target function can be maximized. However, since the target function typically refers to technical variables such as the total heat conversion or total carbon dioxide emissions or models them, these are minimized in the present case. By minimizing the objective function, the values of its variables, in this case the first and second heat outputs, are determined. For example, the heat outputs generated and fed in as well as consumed and thus fed out are determined in such a way that the total carbon dioxide emissions associated with all heat exchanges via the heat network are minimized as far as possible within the framework of numerical accuracy. This is comparable to a model predictive control.

In dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden somit die ersten Wärmeleistungen durch ein Minimieren der Zielfunktion ermittelt. Hierbei erfolgt zunächst keine weitere Einschränkung der zulässigen Vorlauftemperaturen. Mit anderen Worten sind die Wärmeleistungen von den zulässigen Vorlauftemperaturen abhängig, das heißt innerhalb eines Teilwärmenetzes werden für jede zulässige Vorlauftemperatur die zugehörige Wärmeleistungen ermittelt. Lediglich durch die vorab festgelegten zulässigen Vorlauftemperaturen erfolgt eine grobe erste technische Auswahl der Vorlauftemperaturen. Hierbei sind die zulässigen Vorlauftemperaturen durch die technischen Parameter der an das Wärmenetz angebundenen Betriebsmittel festgelegt. Zusammenfassend werden im ersten Schritt des Verfahrens für jede zulässige Vorlauftemperatur ϑ = ϑ1x, ...,ϑNx eines Teilwärmenetzes x ein zugehöriger Satz an Wärmeleistungen Pk,ϑ,t am Netzknoten k des Wärmenetzes beziehungsweise Teilwärmenetzes für den Zeitschritt t ermittelt. Allerdings kann technisch lediglich eine der zulässigen Vorlauftemperaturen für ein Teilwärmenetz eingestellt werden, da jedes Teilwärmenetz technisch nur mit genau einer Vorlauftemperatur betreibbar ist. Das Ermitteln der Vorlauftemperatur, die schließlich für die Steuerung verwendet und eingestellt wird, ist Gegenstand der weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.In the first step of the method according to the invention, the first heat outputs are thus determined by minimizing the target function. Initially, there are no further restrictions on the permissible flow temperatures. In other words, the heat outputs are dependent on the permissible flow temperatures, ie the associated heat outputs are determined for each permissible flow temperature within a sub-heating network. A rough initial technical selection of the flow temperatures is only made based on the previously specified permissible flow temperatures. The permissible flow temperatures are determined by the technical parameters of the equipment connected to the heating network. In summary, in the first step of the method, for each permissible flow temperature ϑ = ϑ 1x , ...,ϑ Nx of a sub-heating network x , an associated set of heat outputs P k,ϑ,t at the network node k of the heating network or sub-heating network is determined for the time step t . However, technically only one of the permissible flow temperatures can be set for a sub-heating network, since each sub-heating network can technically only be operated with exactly one flow temperature. Determining the flow temperature, which finally is used and set for the control is the subject of the further steps of the method according to the invention.

Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die möglichen Vorlauftemperaturen ermittelt. Die möglichen Vorlauftemperaturen sind eine Teilmenge der (technisch) zulässigen Vorlauftemperaturen. Mit anderen Worten erfolgt gemäß dem zweiten Schritt des Verfahrens eine Vorauswahl der Vorlauftemperaturen. Nur wenn für eine Vorlauftemperatur eine von Null verschiedene Wärmeleistung innerhalb des zugehörigen Teilwärmenetzes ausgetauscht werden soll (gemäß den im ersten Schritt ermittelten Wärmeleistungen), wird diese Vorlauftemperatur als mögliche Vorlauftemperatur in Betracht gezogen. Mit anderen Worten werden nur die zulässigen Vorlauftemperaturen als mögliche Vorlauftemperaturen berücksichtigt, für die ein Wärmeaustausch, das heißt beispielsweise eine von Null verschiedene erste Wärmeleistung, innerhalb des zugehörigen Teilwärmenetzes erfolgen soll. Dadurch wird die Menge der zulässigen Vorlauftemperaturen auf die typischerweise kleinere Menge der möglichen oder potenziellen Vorlauftemperaturen eingeschränkt. Das ist deshalb von Vorteil, da dadurch Rechenzeit innerhalb der folgenden Schritte des Verfahrens eingespart werden kann. Die Menge der zulässigen Vorlauftemperaturen kann jedoch ebenfalls mit der Menge der möglichen Vorlauftemperaturen übereinstimmen, sodass keine Einschränkung vorab möglich ist.In the second step of the method according to the invention, the possible flow temperatures are determined. The possible flow temperatures are a subset of the (technically) permissible flow temperatures. In other words, according to the second step of the method, the flow temperatures are preselected. This flow temperature is only considered as a possible flow temperature if a non-zero heat output is to be exchanged within the associated partial heating network for a flow temperature (according to the heat outputs determined in the first step). In other words, only the permissible flow temperatures are taken into account as possible flow temperatures for which a heat exchange, that is to say, for example, a first heat output different from zero, is to take place within the associated partial heating network. This restricts the set of allowable flow temperatures to the typically smaller set of possible or potential flow temperatures. This is advantageous because it saves computing time in the subsequent steps of the method. However, the set of permissible flow temperatures can also correspond to the set of possible flow temperatures, so that no restriction is possible in advance.

Gemäß dem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden erneut Wärmeleistungen (zweite Wärmeleistungen) durch ein Optimierungsverfahrens ermittelt. Dies erfolgt für jede Kombination von im zweiten Schritt ermittelten möglichen Vorlauftemperaturen, wobei für die Kombination genau eine mögliche Vorlauftemperatur für jedes Teilwärmenetz verwendet wird. Für jede Kombination an möglichen Vorlauftemperaturen liegt danach wiederum ein zugehöriger Satz von Wärmeleistungen (zweite Wärmeleistungen) vor. Zum Ermitteln der zweiten Wärmeleistungen für eine Kombination an möglichen Vorlauftemperaturen wird die im ersten Schritt verwendete Zielfunktion auf die genannte Kombination eingeschränkt. Mit anderen Worten umfasst die verwendete Zielfunktion lediglich die zur Kombination zugehörigen Terme und Variablen. Für n Kombinationen an möglichen Vorlauftemperaturen bilden sich somit n Teiloptimierungsprobleme aus. Für jedes dieser Teilprobleme wird in jedem Teilwärmenetz genau eine Vorlauftemperatur aus der gegebenenfalls eingeschränkten Menge der möglichen Vorlauftemperaturen verwendet. Jedes Teilproblem stellt hierbei eine neue Kombination von möglichen Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetzes dar. Diese mehreren Teilprobleme werden dann unabhängig voneinander, insbesondere parallel, gelöst. Mit anderen Worten werden für jedes Teilproblem, das heißt für jede Kombination von möglichen Vorlauftemperaturen, zugehörige (zweite) Wärmeleistungen ermittelt.According to the third step of the method according to the invention, thermal outputs (second thermal outputs) are again determined by an optimization process. This is done for each combination of possible flow temperatures determined in the second step, with exactly one possible flow temperature for each partial heating network being used for the combination. An associated set of heat outputs (second heat outputs) is then available for each combination of possible flow temperatures. The target function used in the first step is used to determine the second heat outputs for a combination of possible flow temperatures limited to the above combination. In other words, the target function used only includes the terms and variables associated with the combination. For n combinations of possible flow temperatures, there are n partial optimization problems. For each of these sub-problems, exactly one flow temperature from the possibly restricted set of possible flow temperatures is used in each sub-heating network. Each sub-problem represents a new combination of possible flow temperatures of the sub-heating network. These several sub-problems are then solved independently of one another, in particular in parallel. In other words, associated (second) heat outputs are determined for each sub-problem, ie for each combination of possible flow temperatures.

Im vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den mehreren Kombinationen von möglichen Vorlauftemperaturen eine Kombination ermittelt, die der Steuerung zugrunde gelegt wird. Dies ist technisch erforderlich, da jedes Teilwärmenetz lediglich mit genau einer Vorlauftemperatur betrieben werden kann. Hierbei wird die Kombination, die zur Steuerung letztendlich verwendet wird, dadurch bestimmt oder ermittelt, dass für diese Kombination und zugehörigen (zweiten) Wärmeleistungen die zugehörige eingeschränkte Zielfunktion unter allen eingeschränkten Zielfunktionen den kleinsten Wert aufweist. Bei einer Maximierung ist analog die eingeschränkte Zielfunktion mit dem größten Wert maßgeblich. Mit anderen Worten wird für jede Kombination ein Zielfunktionswert sowie zugehörige Wärmeleistungen ermittelt. Somit liegen n Zielfunktionswerte Zn und zugehörige Wärmleistung (Pk,ϑ,t ) k∈K,ϑ∈ϑn,t∈τ mit zugehörigen möglichen Vorlauftemperaturen ϑ n vor. Für die Steuerung wird dann die Wärmleistungen (Pk,ϑ,t ) k∈K,ϑ∈ϑm,t∈τ und die Vorlauftemperaturen ϑ n mit Zm = minZn festgelegt. Die Kombination, die den kleinsten Zielfunktionswert aufweist, wird somit zum Einstellen der Vorlauftemperaturen herangezogen. Entsprechend werden die tatsächlichen Wärmeleistungen gemäß den zur Kombination zugehörigen und bestimmten Wärmeleistungen eingestellt beziehungsweise gesteuert.In the fourth step of the method according to the invention, a combination on which the control is based is determined from the multiple combinations of possible flow temperatures. This is technically necessary because each sub-heating network can only be operated with exactly one flow temperature. In this case, the combination that is ultimately used for control is determined or ascertained by the fact that the associated restricted target function has the smallest value among all restricted target functions for this combination and associated (second) heat outputs. In the case of a maximization, the restricted objective function with the largest value is relevant. In other words, a target function value and associated heat output are determined for each combination. Thus, there are n target function values Z n and associated heat output ( P k,ϑ,t ) k∈K , ϑ∈ϑn,t∈τ with associated possible flow temperatures ϑ n . The heat outputs ( P k,ϑ,t ) k∈K,ϑ∈ϑm,t∈τ and the flow temperatures ϑ n with Z m = min Z n are then specified for the control. The combination that has the smallest target function value is therefore used to set the flow temperatures. Accordingly, the actual heat outputs are set or controlled according to the heat outputs associated with and determined for the combination.

Im fünften Schritt des Verfahrens werden die derart ermittelten Vorlauftemperaturen für die Teilwärmenetze eingestellt.In the fifth step of the process, the flow temperatures determined in this way are set for the partial heating networks.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird trotz der Aufteilung in n Teilprobleme somit sichergestellt, dass für die eingestellten Vorlauftemperaturen das technische Ziel, beispielsweise eine Minimierung der Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen und/oder ein optimaler Abgleich zwischen Verbrauch und Erzeugung, erreicht wird. Mit anderen Worten kann das Wärmenetz im Hinblick auf die Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen und/oder den Gesamtenergiebedarf und/oder externen Wärmebedarf möglichst effizient betrieben werden.Despite the division into n sub-problems, the method according to the invention ensures that the technical goal, for example minimizing the total carbon dioxide emissions and/or an optimal balance between consumption and generation, is achieved for the set flow temperatures. In other words, the heating network can be operated as efficiently as possible with regard to the total carbon dioxide emissions and/or the total energy requirement and/or external heat requirement.

Weiterhin kann das Lösen der n Teilprobleme parallelisiert werden, sodass dadurch die Rechenzeit verringert werden kann.Furthermore, the solving of the n sub-problems can be parallelized, so that the computing time can be reduced as a result.

Ferner könnte als Zielfunktion der Gesamtwärmeverlust des Wärmenetzes, der von den Vorlauftemperaturen abhängig ist, verwendet werden. Dadurch wird das Wärmenetz mit möglichst geringen Wärmeverlusten betrieben.Furthermore, the total heat loss of the heating network, which depends on the flow temperatures, could be used as a target function. As a result, the heating network is operated with the lowest possible heat losses.

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt somit eine Art sequenzielle Optimierung oder Steuerung, die es insbesondere für ein Wärmenetz mit einer Vielzahl von Anschlussnehmern ermöglicht, diese energetisch möglichst effizient zu betreiben. Das ist insbesondere deshalb der Fall, da möglichst optimale Vorlauftemperaturen für die Teilwärmenetze ermittelt und eingestellt werden. Dies führt zu geringeren Wärmeverlusten, da dynamisch auf die Anschlussnehmer und ihre technischen Anforderungen reagiert werden kann.According to the present invention, a type of sequential optimization or control thus takes place, which makes it possible, in particular for a heating network with a large number of connectees, to operate them as efficiently as possible in terms of energy. This is the case in particular because the best possible flow temperatures for the partial heating networks are determined and set. This leads to lower heat losses, since it is possible to react dynamically to the connectees and their technical requirements.

Weiterhin ist der Massenfluss annähernd konstant, sodass die primäre Steuergröße - wie bei der konventionellen Netzregelung - die Temperatur des Wärmeträgermediums ist.Furthermore, the mass flow is almost constant, so that the primary control variable - as with conventional network control - is the temperature of the heat transfer medium.

Ferner ist für das vorliegende Verfahren lediglich ein geringer Informationsaustausch zwischen den Energiesystemen (Anschlussnehmer oder Teilnehmer) und der zentralen Steuereinheit, die das Wärmenetz entsprechend der vorliegenden Erfindung bezüglich der Energiesysteme zentral steuert, erforderlich.Furthermore, only a small exchange of information between the energy systems (connector or participants) and the central control unit, which controls the heating network according to the present invention with regard to the energy systems centrally.

Die Bestimmung der Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze erfolgt über die sequenzielle Lösung rein linearer Probleme, sodass die Rechenzeit lediglich linear mit der Anzahl der Teilnehmer, Energiesysteme beziehungsweise Anschlussnehmer skaliert. Dadurch kann die Rechenzeit weiter verkürzt werden.The flow temperatures of the partial heating networks are determined via the sequential solution of purely linear problems, so that the computing time only scales linearly with the number of participants, energy systems or connectees. This can further reduce the computing time.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für mehrere Zeitschritte t wiederholt werden. Dadurch werden für jeden Zeitschritt t die Vorlauftemperaturen und zugehörigen Wärmeleistungen erneut ermittelt.The method according to the invention can be repeated for several time steps t . As a result, the flow temperatures and associated heat outputs are determined again for each time step t .

Die erfindungsgemäße Steuereinheit zur Steuerung eines Wärmenetzes mit mehreren Teilwärmenetzen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze gemäß einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen zu bestimmen und die bestimmten Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze einzustellen.The control unit according to the invention for controlling a heating network with several partial heating networks is characterized in that the control unit is designed to determine the flow temperatures of the partial heating networks according to a method according to the present invention and/or one of its configurations and to set the determined flow temperatures of the partial heating networks.

Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und/oder Ausgestaltungen.Similar and equivalent advantages and/or configurations result for the method according to the invention.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als Zielfunktion Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen verwendet.According to an advantageous embodiment of the invention, total carbon dioxide emissions are used as the target function.

Mit einer Wärmeerzeugung und/oder einem Wärmeverbrauch sind typischerweise Kohlenstoffdioxidemissionen verbunden. Technisches Ziel ist es diese möglichst zu minimieren. Somit ist eine Zielfunktion, die die mit den ausgetauschten Wärmeleistungen assoziierten Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen modelliert, vorteilhaft. Dadurch werden die Vorlauftemperaturen sowie die zugehörigen Wärmeleistungen derart ermittelt, dass mit diesen gesamtheitlich möglichst geringe Kohlenstoffdioxidemissionen verbunden sind. Beispielsweise wird dies durch die folgende Zielfunktion t , k , ϑ P k , ϑ , t s c max , k , ϑ , t s P k , ϑ , t B c min , k , ϑ , t B

Figure imgb0001
ermöglicht, wobei P k , ϑ , t S
Figure imgb0002
die Wärmeleistung einer Erzeugung und P k , ϑ , t B
Figure imgb0003
die Wärmeleistung eines Verbrauchs am Netzknoten k mit der Vorlauftemperatur ϑ zum Zeitpunkt t ist. Die Konstanten der genannten Linearkombination c max , k , ϑ , t S ,
Figure imgb0004
c min , k , ϑ , t B
Figure imgb0005
sind maximale oder minimale spezifische Kohlenstoffdioxidmengen oder analog maximale oder minimale spezifische Kohlenstoffdioxidpreise. Alternativ können die Konstanten c max , k , ϑ , t S ,
Figure imgb0006
c min , k , ϑ , t B
Figure imgb0007
jede weitere mit den Wärmeleistungen assoziierte spezifische Größe sein, beispielsweise spezifische Wärmeverluste. Dadurch wird vorteilhafterweise eine in den Wärmeleistungen lineare Zielfunktion verwendet.Carbon dioxide emissions are typically associated with heat generation and/or heat consumption. The technical goal is to minimize this as much as possible. Thus, an objective function that models the total carbon dioxide emissions associated with the heat outputs exchanged is advantageous. As a result, the flow temperatures and the associated heat output are determined in such a way that the overall carbon dioxide emissions are as low as possible are connected. For example, this is represented by the following objective function t , k , ϑ P k , ϑ , t s c Max , k , ϑ , t s P k , ϑ , t B c at least , k , ϑ , t B
Figure imgb0001
allows where P k , ϑ , t S
Figure imgb0002
the heat output of a generation and P k , ϑ , t B
Figure imgb0003
is the heat output of a consumption at grid node k with flow temperature ϑ at time t . The constants of the named linear combination c Max , k , ϑ , t S ,
Figure imgb0004
c at least , k , ϑ , t B
Figure imgb0005
are maximum or minimum specific carbon dioxide quantities or, analogously, maximum or minimum specific carbon dioxide prices. Alternatively, the constants c Max , k , ϑ , t S ,
Figure imgb0006
c at least , k , ϑ , t B
Figure imgb0007
any other specific variable associated with the heat outputs, for example specific heat losses. As a result, a target function that is linear in the heat outputs is advantageously used.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist somit die Zielfunktion eine durch die zu ermittelten Wärmeleistungen gebildete Linearkombination.In an advantageous development of the invention, the target function is therefore a linear combination formed by the heat outputs to be determined.

Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung einer Linearkombination die Rechenzeit reduziert werden.Advantageously, the computing time can be reduced by using a linear combination.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Wärmenetz derart gesteuert, dass die zu den eingestellten Vorlauftemperaturen zugehörigen ermittelten zweiten Wärmeleistungen innerhalb des Wärmenetzes ausgetauscht werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the heating network is controlled in such a way that the determined second heat outputs associated with the set flow temperatures are exchanged within the heating network.

Mit anderen Worten übermittelt die Steuereinheit die ermittelten Wärmeleistungen an die teilnehmenden Energiesysteme beziehungsweise wärmetechnischen Anlagen, die dann entsprechend den ermittelten zweiten Wärmeleistungen zum Zeitpunkt t beziehungsweise innerhalb des mit t gekennzeichneten Zeitintervalls eine entsprechende Wärmeleistung in das Wärmenetz einspeisen oder aus diesem ausspeisen. Die bezüglich der Energiesysteme zentrale Steuereinheit steuert somit Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze und die zugehörigen zeitabhängigen Wärmeaustauche. Die Vorlauftemperaturen werden - wie die (zweiten) Wärmeleistungen - zeitabhängig ermittelt und können somit zu jedem Zeitschritt beziehungsweise für jeden Zeitbereich neu eingestellt werden.In other words, the control unit transmits the heat output determined to the participating energy systems or heating systems, which then feed a corresponding heat output into or out of the heating network at time t or within the time interval marked t in accordance with the second heat output determined. The central control unit with regard to the energy systems thus controls the flow temperatures of the partial heating networks and the associated time-dependent heat exchanges. The flow temperatures are - like the (second) heat outputs - are determined as a function of time and can therefore be reset for each time step or for each time range.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Energiesysteme zum Wärmeaustausch an das Wärmenetz angeschlossen, wobei technische Randbedingungen der jeweiligen Energiesysteme als Nebenbedingung bei dem Minimieren der Zielfunktion berücksichtigt werden.In an advantageous development of the invention, several energy systems are connected to the heating network for heat exchange, technical boundary conditions of the respective energy systems being taken into account as a secondary condition when minimizing the target function.

Grundsätzlich erfolgt das Minimieren der Zielfunktion und/oder der eingeschränkten Zielfunktionen unter Nebenbedingungen. Mit anderen Worten müssen die ermittelten Wärmeleistungen und/oder Vorlauftemperaturen technische Randbedingungen erfüllen, die beim Minimieren (oder Maximieren) zu berücksichtigen sind. Beispielsweise können Erzeugungsanlagen und Verbrauchsanlagen jeweils eine maximale Wärmeleistung oder Wärmemenge bereitstellen beziehungsweise verbrauchen. Für einen Zeitraum T = Δtt muss demnach P k , ϑ , t S Δ t t E max S

Figure imgb0008
beziehungsweise P k , ϑ , t B Δ t t E max B
Figure imgb0009
beachtet werden. Weiterhin sind für den Zeitschritt t beziehungsweise den mit t gekennzeichneten Zeitraum die maximal möglichen Wärmeleistungen zu beachten, das heißt es muss P k , ϑ , t S P max , t S
Figure imgb0010
beziehungsweise P k , ϑ , t B P max , t B
Figure imgb0011
sein. Diese technischen Randbedingungen werden bei Minimieren der Zielfunktion, das heißt beim Optimierungsverfahren berücksichtigt. Das numerische Minimieren der Zielfunktionen kann mit bekannten Lösern (englisch: Solvern) erfolgen.In principle, the objective function and/or the restricted objective functions are minimized under secondary conditions. In other words, the heat outputs and/or flow temperatures determined must meet technical boundary conditions that must be taken into account when minimizing (or maximizing). For example, generation plants and consumption plants can each provide or consume a maximum heat output or amount of heat. For a period of time T = Δt t must therefore P k , ϑ , t S Δ t t E Max S
Figure imgb0008
respectively P k , ϑ , t B Δ t t E Max B
Figure imgb0009
get noticed. Furthermore, for the time step t or the period marked with t , the maximum possible heat output must be observed, i.e. it must P k , ϑ , t S P Max , t S
Figure imgb0010
respectively P k , ϑ , t B P Max , t B
Figure imgb0011
be. These technical boundary conditions are taken into account when minimizing the target function, ie in the optimization process. The numerical minimization of the target functions can be done with known solvers.

Weiterhin ergibt sich physikalisch für einen Leistungstransfer zwischen zwei Knoten (i,j) des Wärmenetzes und für die zugehörige Wärmeleistung P (i,j) ,ϑ,t, dass die Temperatur der eingespeisten Wärmeleistung der Erzeugungsanlagen ϑ in und der Leitungen ϑ (i,j) höher ist als die Temperatur der entnommenen Leistungen ϑout. Mit anderen Worten ist ϑ max , t S ϑ in ϑ i j ϑ out ϑ min , t B

Figure imgb0012
als Nebenbedingung bei den Optimierungsverfahren als physikalische Randbedingung zu berücksichtigen.Furthermore, physically for a power transfer between two nodes ( i,j ) of the heating network and for the associated heat output P ( i,j ) ,ϑ,t , the temperature of the fed-in heat output of the generating plants ϑ in and the lines ϑ ( i, j ) is higher than the temperature of the power drawn ϑ out . In other words is ϑ Max , t S ϑ in ϑ i j ϑ out ϑ at least , t B
Figure imgb0012
to be considered as a secondary condition in the optimization process as a physical boundary condition.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden somit maximale und/oder minimale Temperaturen von wärmetechnischen Anlagen der Energiesysteme als Nebenbedingung berücksichtigt.According to an advantageous embodiment of the invention, maximum and/or minimum temperatures of thermotechnical installations of the energy systems are taken into account as a secondary condition.

Weitere technische Randbedingungen können als Nebenbedingung bei den Optimierungsverfahren berücksichtigt werden. Grundsätzlich können anlagenspezifische und/oder energiesystemspezifische technische Randbedingungen an die Steuereinheit zur Durchführung der Optimierung übermittelt werden.Other technical boundary conditions can be taken into account as secondary conditions in the optimization process. In principle, plant-specific and/or energy-system-specific technical boundary conditions can be transmitted to the control unit in order to carry out the optimization.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Steuerung mittels einer bezüglich der Energiesysteme zentralen Steuereinheit.In an advantageous development of the invention, the control takes place by means of a central control unit with regard to the energy systems.

Dadurch wird vorteilhafterweise das Wärmenetz zentralisiert gesteuert. Zudem können die verschiedenen Wärmeeinspeisungen und Wärmeausspeisungen durch die zentrale Steuereinheit besser in Übereinstimmung gebracht werden. Das heißt, dass eine bestmögliche Übereinstimmung von Verbrauch und Erzeugung erreicht werden kann. Dies ist vergleichbar zu einem lokalen Energiemarkt für elektrische Energie. In diesem Sinne bildet die Steuereinheit eine lokale Energiemarktplattform bezüglich Wärme beziehungsweise thermischer Energie aus. Somit wird für die Bestimmung der optimalen Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze ein sequenzielles Optimierungsverfahren auf Basis eines lokalen Energiemarktes für thermische Energie verwendet.As a result, the heating network is advantageously controlled in a centralized manner. In addition, the various heat inputs and heat outputs can be better coordinated by the central control unit. This means that the best possible match between consumption and generation can be achieved. This is comparable to a local energy market for electrical energy. In this sense, the control unit forms a local energy market platform with regard to heat or thermal energy. Thus, a sequential optimization method based on a local energy market for thermal energy is used to determine the optimal flow temperatures of the partial heating networks.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird für das Bereitstellen der zulässigen Vorlauftemperaturen für eines der Teilwärmenetze ein zulässiger Temperaturbereich, der durch wärmetechnische Anlagen innerhalb des zugehörigen Teilwärmenetzes bestimmt ist, diskretisiert.According to an advantageous embodiment of the invention, a permissible temperature range, which is determined by thermotechnical systems within the associated partial heating network, is discretized for the provision of the permissible flow temperatures for one of the partial heating networks.

Beispielsweise können die Anlagen eines der Energiesysteme lediglich im Temperaturbereich von 60 Grad Celsius bis 100 Grad Celsius betrieben werden. Da es jedoch nicht praktikabel ist für überabzählbare Vorlauftemperaturen Kombinationen zu bilden und die zugehörigen Teilprobleme zu lösen, ist eine Diskretisierung des zulässigen Temperaturbereiches, beispielsweise in Schritten von 10 Kelvin, vorteilhaft. Durch die Diskretisierung bleibt das Ermitteln der Vorlauftemperaturen somit praktikabel. Weiterhin ist es technisch sinnvoll, da typischerweise wärmetechnische Anlagen unempfindlich gegenüber geringen Schwankungen der Vorlauftemperatur sind. Somit werden durch die Diskretisierung lediglich die wesentlichen Vorlauftemperaturen berücksichtigt, wodurch weitere Rechenzeit eingespart werden kann.For example, the installations of one of the energy systems can only be operated in the temperature range from 60 degrees Celsius to 100 degrees Celsius. However, since it is not practicable for uncountable flow temperatures combinations and to solve the associated sub-problems, it is advantageous to discretize the permissible temperature range, for example in steps of 10 Kelvin. Due to the discretization, the determination of the flow temperatures remains practicable. Furthermore, it makes sense from a technical point of view, since heating systems are typically insensitive to small fluctuations in the flow temperature. Thus, only the essential flow temperatures are taken into account through the discretization, which can save further computing time.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmenetz als Nahwärmenetz oder Fernwärmenetz ausgebildet.In an advantageous embodiment of the invention, the heating network is designed as a local heating network or district heating network.

Dadurch kann vorteilhafterweise die erfindungsgemäße Steuerung oder eine Steuerung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung für bestehende und bekannte Wärmnetze verwendet werden.As a result, the controller according to the invention or a controller according to an embodiment of the present invention can advantageously be used for existing and known heating networks.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur schematisiert ein Wärmenetz mit mehreren Teilwärmenetzen, deren Vorlauftemperaturen gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ermittelt und eingestellt werden.Further advantages, features and details of the invention result from the exemplary embodiments described below and from the drawing. The single figure shows a heating network with several partial heating networks, the flow temperatures of which are determined and set according to one embodiment of the present invention.

Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in der Figur mit denselben Bezugszeichen versehen sein.Identical, equivalent or equivalent elements can be provided with the same reference symbols in the figure.

Die Figur zeigt ein schematisiertes Wärmenetz 2, wobei das Wärmenetz in mehrere Teilwärmenetze 21, 22, 23 eingeteilt ist.The figure shows a schematic heating network 2, the heating network being divided into several sub-heating networks 21, 22, 23.

An dem Wärmenetz 2 sind mehrere wärmetechnische Anlagen 41, 42, 43 zum Wärmeaustausch angeschlossen. Hierbei können die Anlagen 41, 42, 43 eine Wärmeleistung in das Wärmenetz 2 einspeisen und/oder aus dem Wärmenetz 2 ausspeisen. Exemplarisch weist das Teilwärmenetz 21 zwei Verbraucheranlagen 43 sowie eine Erzeugeranlage 41 auf, das Teilwärmenetz 22 eine Verbraucheranlage 43, eine Erzeugeranlage 41 sowie eine Prosumeranlage 42, und das Teilwärmenetz 22 eine Verbraucheranlage 43 sowie zwei Prosumeranlagen 42. Eine Prosumeranlage ist eine wärmetechnische Anlage, die sowohl Wärme erzeugen als auch verbrauchen kann.Several thermal engineering systems 41, 42, 43 are connected to the heat network 2 for heat exchange. Here, the systems 41, 42, 43 can feed heat output into the heating network 2 and/or feed it out of the heating network 2. By way of example, sub-heating network 21 has two consumer systems 43 and a generating system 41, sub-heating network 22 has a consumer system 43, a generating system 41 and a prosumer system 42, and sub-heating network 22 has a consumer system 43 and two prosumer systems 42. A prosumer system is a thermotechnical system that both generate and consume heat.

Die Energiesysteme beziehungsweise die Anlagen 41, 42, 43 sind jeweils über einen Wärmeübertrager mit dem jeweiligen Teilwärmenetz 21, 22, 23 und somit mit dem Wärmenetz 2 zum Wärmeaustausch gekoppelt.The energy systems or the plants 41, 42, 43 are each coupled via a heat exchanger to the respective sub-heating network 21, 22, 23 and thus to the heating network 2 for heat exchange.

Jedes der Teilwärmenetze 21, 22, 23 kann grundsätzlich mit einer anderen Vorlauftemperatur betrieben werden. Hierbei steuert oder regelt eine zentrale Steuereinheit 1 die Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze 21, 22, 23. Weiterhin steuert oder regelt die Steuereinheit 1 die Wärmeleistungen, die durch die wärmetechnischen Anlagen 41, 42, 43 innerhalb eines Zeitschrittes eingespeist und/oder ausgespeist werden.Each of the sub-heating networks 21, 22, 23 can in principle be operated with a different flow temperature. In this case, a central control unit 1 controls or regulates the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23. Furthermore, the control unit 1 controls or regulates the heat outputs that are fed in and/or fed out by the heating systems 41, 42, 43 within a time step.

Zum zeitabhängigen Einstellen der Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze 21, 22, 23 muss für jedes Teilwärmenetz und für jeden Zeitschritt seine Vorlauftemperatur beziehungsweise ein Sollwert seiner Vorlauftemperatur ermittelt oder bestimmt werden. Vorliegend bestimmt die Steuereinheit 1 die Vorlauftemperaturen gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die derart vorteilhaft ermittelten Vorlauftemperaturen werden durch die Steuereinheit 1 eingestellt und somit das Wärmenetz 2 entsprechend gesteuert beziehungsweise geregelt.For the time-dependent setting of the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23, its flow temperature or a target value of its flow temperature must be determined or determined for each partial heating network and for each time step. In the present case, the control unit 1 determines the flow temperatures according to the present invention and/or one of its configurations. The flow temperatures advantageously determined in this way are set by the control unit 1 and the heating network 2 is thus controlled or regulated accordingly.

Hierbei hängen die Wärmeverluste des Wärmenetzes 2 entscheidend von den Vorlauftemperaturen ab. Die thermischen Verluste (Wärmeverluste) eines Fernwärmenetzes in Deutschland betragen durchschnittlich 13 Prozent und führen dementsprechend zu vermeidbaren Mehrkosten beim Betrieb eines Fernwärmenetzes. Bei einer Verringerung von typischen Vorlauftemperaturen um 20 Grad Celsius können die Wärmverluste um 9 Prozent reduziert werden. Weiterhin wirkt sich eine Verringerung der Betriebstemperaturen positiv auf die Alterung der eingesetzten Kunststoffmantelverbundrohre im Wärmenetz 2 aus, sodass es zu einer Vermeidung etwaiger Reparaturen oder gar Austausche kommt. Somit sind grundsätzlich möglichst geringe Vorlauftemperaturen anzustreben. Dies wird ebenfalls durch die vorliegende Erfindung und ihre Ausgestaltungen ermöglicht.Here, the heat losses of the heating network 2 depend crucially on the flow temperatures. The thermal losses (heat losses) of a district heating network in Germany amount to an average of 13 percent and accordingly lead to avoidable additional costs when operating a district heating network. With a reduction of typical flow temperatures by 20 degrees Celsius, heat losses can be reduced by 9 percent. Furthermore, a reduction in the operating temperatures has a positive effect on the aging of the plastic-jacketed composite pipes used in the heating network 2, so that any repairs or even replacements are avoided. Therefore, the lowest possible flow temperatures should always be aimed for. This is also made possible by the present invention and its configurations.

Das Wärmenetz 2 kann durch einen Graphen GDHN = (K,E) mit Knoten K und Leitungen E symbolisiert werden. Weiterhin ist das Wärmenetz 2 in die Subnetze x beziehungsweise Teilwärmenetze 21, 22, 23 unterteilbar, das heißt G sub,x GDHN. Die Teilwärmenetze 21, 22, 23 sind hydraulisch und thermisch mittels Wärmeübertrager an Knotenpunkten im Wärmenetz voneinander entkoppelt. Der Massenfluss in den Leitungen wird vorliegend nicht näher betrachtet und als optimal eingestellt angesehen. Dies ist vergleichbar zu bekannten Netzregelung mit konstantem Massenfluss.The heating network 2 can be symbolized by a graph G DHN = ( K,E ) with nodes K and lines E. Furthermore, the heating network 2 can be divided into the sub-networks x or sub-heating networks 21, 22, 23, ie G sub , x G DHN . The sub-heating networks 21, 22, 23 are hydraulically and thermally decoupled from one another by means of heat exchangers at nodes in the heating network. The mass flow in the lines is not considered in detail here and is considered to be optimally adjusted. This is comparable to known network control with constant mass flow.

Für das Ermitteln der Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze 21, 22, 23 wird zunächst ein jeweiliger zulässiger Temperaturbereich, mit welchem die Teilwärmenetze 21, 22, 23 grundsätzlich betrieben werden dürfen, diskretisiert. Dabei schränken die technischen Randbedingungen der eingesetzten Leitungen und der angeschlossenen Erzeuger- beziehungsweise Verbraucheranlagen die zulässigen Temperaturen in einem Teilwärmenetz 21, 22, 23 ein. Ist in einem Teilwärmenetz 21, 22, 23 der Temperaturbereich im Bereich von 60 °C bis 100 °C eingeschränkt, kann die Schrittweite der Diskretisierung grundsätzlich beliebig gewählt werden. Bei einer vorteilhaften Schrittweite von 10 Kelvin ergeben sich die beispielhaften zulässigen Vorlauf temperaturen Θ x SUB 60 °C , 70 °C , 80 °C , 90 °C , 100 °C

Figure imgb0013
für das Teilwärmenetz x. To determine the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23, a respective permissible temperature range with which the partial heating networks 21, 22, 23 may in principle be operated is first discretized. The technical boundary conditions of the lines used and the connected generation or consumer systems restrict the permissible temperatures in a partial heating network 21, 22, 23. If the temperature range in a partial heating network 21, 22, 23 is limited in the range from 60° C. to 100° C., the increment of the discretization can in principle be chosen arbitrarily. An advantageous increment of 10 Kelvin results in the exemplary permissible flow temperatures θ x SUB 60 °C , 70 °C , 80 °C , 90 °C , 100 °C
Figure imgb0013
for the partial heating network x .

Weiterhin muss die Leistungsbilanz für jeweils einen Knoten i und einen Zeitschritt t als Nebenbedingungen bei der Optimierung, das heißt beim Minimieren der Zielfunktion, berücksichtigt werden. Die Summe aller über Erzeugeranlagen 41 und/oder Prosumeranlagen 42 eingespeisten Leistungen P i , ϑ , t in

Figure imgb0014
sowie die Summe aller aus Verbraucheranlagen 43 und/oder Prosumeranlagen 42 entnommenen (ausgespeisten) Leistungen P i , ϑ , t out
Figure imgb0015
sowie über die Leitungen des Wärmenetzes 2 zugeführte Leistungen P (i,j),ϑ,t ergibt den Wert Null. Mit anderen Worten muss P i , ϑ , t out = P i , ϑ , t in + i j E ϑ Θ x SUB P i j , ϑ , t iϵN , tϵτ
Figure imgb0016
als physikalische Nebenbedingungen berücksichtigt werden. Die eingespeisten beziehungsweise entnommenen Leistungen an dem Knoten i werden im Beispiel eines lokalen Wärmemarktes über Angebote des angebundenen Teilnehmers k bestimmt. Die eingespeisten Leistungen P i , ϑ , t in
Figure imgb0017
entsprechen der Summe der Variablen P k , ϑ , t S .
Figure imgb0018
Die entnommenen Leistungen P i , ϑ , t out
Figure imgb0019
entsprechen der Summe der Variablen P k , ϑ , t B ,
Figure imgb0020
das heißt es ist P i , ϑ , t out = k K P k , ϑ , t S
Figure imgb0021
beziehungsweise P i , ϑ , t in = k K P k , ϑ , t B .
Figure imgb0022
Furthermore, the power balance for a node i and a time step t must be taken into account as constraints in the optimization, i.e. when minimizing the objective function will. The sum of all powers fed in via generator systems 41 and/or prosumer systems 42 P i , ϑ , t in
Figure imgb0014
as well as the sum of all powers drawn (fed) from consumer systems 43 and/or prosumer systems 42 P i , ϑ , t out
Figure imgb0015
as well as the power P ( i,j ),ϑ,t supplied via the lines of the heating network 2 results in the value zero. In other words must P i , ϑ , t out = P i , ϑ , t in + i j E ϑ θ x SUB P i j , ϑ , t iϵN , tϵτ
Figure imgb0016
be taken into account as physical constraints. In the example of a local heating market, the power that is fed in or drawn off at node i is determined via offers from the connected subscriber k . The services fed in P i , ϑ , t in
Figure imgb0017
correspond to the sum of the variables P k , ϑ , t S .
Figure imgb0018
The services taken P i , ϑ , t out
Figure imgb0019
correspond to the sum of the variables P k , ϑ , t B ,
Figure imgb0020
that means it is P i , ϑ , t out = k K P k , ϑ , t S
Figure imgb0021
respectively P i , ϑ , t in = k K P k , ϑ , t B .
Figure imgb0022

Entscheidend bei der Ermittlung der Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze 21, 22, 23 ist die grundsätzliche Flexibilität, die innerhalb des Wärmenetzes 2 mit mehreren Erzeugungsanlagen und Verbrauchsanlagen vorliegt. Verbraucheranlagen können typischerweise ihren Leistungsbezug über die Variation des Massenflusses regeln. Ihre Bezugstemperatur hat jedoch eine Mindesttemperatur ϑ min , t B .

Figure imgb0023
Auf Erzeugerseite können die eingespeisten Temperaturen direkt über die Erzeugeranlagen geregelt werden. Die technisch zu beachtende Maximaltemperatur ϑ max , t S
Figure imgb0024
können wie die Mindesttemperatur ϑ min , t B
Figure imgb0025
an die Steuereinheit 1 übermittelt werden und beim Ermitteln der Vorlauftemperaturen innerhalb der jeweiligen Optimierungen als Nebenbedingungen berücksichtigt werden. So ist es möglich, dass eine Erzeugeranlage mit einer höheren Maximaltemperatur eine Verbraucheranlage mit einer niedrigeren Mindesttemperatur bezüglich der ermittelten Wärmeleistung zugeordnet wird.Crucial to the determination of the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23 is the basic flexibility that is present within the heating network 2 with several generating plants and consumption plants. Consumer systems can typically regulate their power consumption by varying the mass flow. However, their reference temperature has a minimum temperature ϑ at least , t B .
Figure imgb0023
On the generator side, the temperatures fed in can be regulated directly via the generator systems. The technically observed maximum temperature ϑ Max , t S
Figure imgb0024
can like the minimum temperature ϑ at least , t B
Figure imgb0025
are transmitted to the control unit 1 and are taken into account as secondary conditions when determining the flow temperatures within the respective optimizations. It is thus possible for a generator system with a higher maximum temperature to be assigned to a consumer system with a lower minimum temperature with regard to the heat output determined.

Schließlich ist der Leistungstransfer zwischen den Knoten durch die Variable P (i,j),ϑ,t bestimmt. Aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik gilt, dass die Temperatur der eingespeisten Leistungen der Erzeugeranlagen ϑ in und der Leitungen ϑ (i,j) höher ist als die Temperatur der entnommenen Leistungen ϑ out . Somit wird als Nebenbedingung ϑ max , t S ϑ in

Figure imgb0026
ϑ i j ϑ out ϑ min , t B
Figure imgb0027
gefordert.Finally, the power transfer between the nodes is determined by the variable P ( i,j ),ϑ, t . Due to the second law of thermodynamics, the temperature of the fed-in power of the generator systems ϑ in and the lines ϑ ( i,j ) is higher than the temperature of the power drawn ϑ out . Thus, as a constraint ϑ Max , t S ϑ in
Figure imgb0026
ϑ i j ϑ out ϑ at least , t B
Figure imgb0027
required.

Zur zeitlichen Bestimmung der Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze 21, 22, 23 wird das erfindungsgemäße Verfahren zeitlich wiederholt verwendet.To determine the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23 over time, the method according to the invention is used repeatedly over time.

Initial wird die Menge ϑ Θ x SUB

Figure imgb0028
die zulässigen Vorlauftemperaturen des Teilwärmenetzes x lediglich durch die technischen Parameter der angebundenen Betriebsmittel beschränkt. Das Optimierungsverfahren beziehungsweise der Solver ermittelt mögliche Lösungen für die Variablen der Wärmeleistungen P i , ϑ , t in ,
Figure imgb0029
P i , ϑ , t out
Figure imgb0030
und P (i,j) ,ϑ,t . Typischerweise werden die Wärmeleistungen beziehungsweise ihre beim Minimieren der Zielfunktion verwendeten Variablen für mehr als eine Vorlauftemperatur gesetzt. Dies korrespondiert zum ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Technisch ist diese Lösung nicht umzusetzen, da ein Teilwärmenetz 21, 22, 23 nur mit einer Vorlauftemperatur betrieben werden kann. Es gilt somit für jedes Teilwärmenetz 21, 22, 23 genau eine Vorlauftemperatur zu ermitteln. Dies erfolgt nach den folgenden Schritten.Initial will be the crowd ϑ θ x SUB
Figure imgb0028
the permissible flow temperatures of the partial heating network x are only limited by the technical parameters of the connected equipment. The optimization process or the solver determines possible solutions for the variables of the heat output P i , ϑ , t in ,
Figure imgb0029
P i , ϑ , t out
Figure imgb0030
and P ( i,j ) ,ϑ,t . Typically, the heat outputs or their variables used when minimizing the target function are set for more than one flow temperature. This corresponds to the first step of the method according to the invention. This solution cannot be implemented technically, since a partial heating network 21, 22, 23 can only be operated with one flow temperature. It is therefore for each sub-heating network 21, 22, 23 to determine exactly one flow temperature. This is done according to the following steps.

Die zulässigen Vorlauftemperaturen ϑ Θ x SUB

Figure imgb0031
für die Teilwärmenetze 21, 22, 23 werden zunächst weiter auf mögliche Vorlauftemperaturen eingeschränkt. Sind in einem Teilwärmenetz 21, 22, 23 die Variablen P i , ϑ , t in > 0 ,
Figure imgb0032
P i , ϑ , t out > 0 ,
Figure imgb0033
P (i,j),ϑ,t > 0 für lediglich eine einzige Vorlauftemperatur größer als Null, wird die Menge ϑ Θ x SUB
Figure imgb0034
für das Teilwärmenetz x auf diese eine Vorlauftemperatur eingeschränkt. Sind in einem Teilwärmenetz 21, 22, 23 die Wärmeleistungen beziehungsweise ihre Variablen für mehrere Vorlauf temperaturen gesetzt, wird die Menge ϑ Θ x SUB
Figure imgb0035
entsprechend auf die in diesem Sinn verwendeten Vorlauftemperaturen eingeschränkt. Dieses weitere Einschränken entspricht dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.The permissible flow temperatures ϑ θ x SUB
Figure imgb0031
for the partial heating networks 21, 22, 23 are initially further restricted to possible flow temperatures. Are in a sub-heating network 21, 22, 23 the variables P i , ϑ , t in > 0 ,
Figure imgb0032
P i , ϑ , t out > 0 ,
Figure imgb0033
P ( i,j ),ϑ ,t > 0 for only a single flow temperature greater than zero, the amount ϑ θ x SUB
Figure imgb0034
restricted to this one flow temperature for partial heating network x . Are in a partial heating network 21, 22, 23, the heat outputs or their variables set for several flow temperatures, the amount ϑ θ x SUB
Figure imgb0035
correspondingly limited to the flow temperatures used in this sense. This further restriction corresponds to the second step of the method according to the invention.

Das Optimierungsproblem wird anschließend in n Teilprobleme aufgeteilt. Für ein Teilproblem wird in jedem der Teilwärmenetze 21, 22, 23 genau eine Vorlauftemperatur aus der eingeschränkten Menge ϑ Θ x SUB

Figure imgb0036
der möglichen Vorlauftemperaturen verwendet, wobei jedes Teilproblem eine neue Kombination an möglichen Vorlauftemperaturen in den Teilwärmenetzen 21, 22, 23 darstellt. Die Teilprobleme werden unabhängig voneinander gelöst. Anschließend legt die Kombination mit dem höchsten Zielfunktionswert die tatsächlichen Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze 21, 22, 23 fest. Dies korrespondiert zum dritten und vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.The optimization problem is then divided into n sub-problems. For a sub-problem, in each of the sub-heating networks 21, 22, 23 there is exactly one flow temperature from the limited amount ϑ θ x SUB
Figure imgb0036
the possible flow temperatures used, each sub-problem represents a new combination of possible flow temperatures in the partial heating networks 21, 22, 23. The sub-problems are solved independently of each other. The combination with the highest target function value then determines the actual flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23. This corresponds to the third and fourth step of the method according to the invention.

Im fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze 21, 22, 23 entsprechend den ermittelten Vorlauftemperaturen eingestellt und somit das Wärmenetz 2 gemäß der ermittelten vorteilhaften Vorlauftemperaturen betrieben.In the fifth step of the method according to the invention, the flow temperatures of the partial heating networks 21, 22, 23 are set according to the determined flow temperatures and the heating network 2 is thus operated according to the determined advantageous flow temperatures.

Weiterhin ist die vorliegende Erfindung bezüglich lokaler Wärmemärkte vorteilhaft, da diese typischerweise eine Vielzahl von dezentralen Erzeugungsanlagen aufweisen. Dies wird im folgenden, nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel näher ausgeführt, das eine Verwendung der vorliegenden Erfindung für einen solchen Wärmemarkt beschreibt.Furthermore, the present invention is advantageous with regard to local heat markets, since these typically have a large number of decentralized generation plants. This is explained in more detail in the following non-limiting exemplary embodiment, which describes a use of the present invention for such a heating market.

Ein lokaler Wärmemärkt kann als Day-Ahead-Auktion realisiert sein, welcher zu einem spezifizierten Zeitpunkt am Tag, beispielsweise 12:00 Uhr für 24 Stunden des Folgetages, Angebote bezüglich der Wärmeaustausche über einen Algorithmus in den Zeitschritten t in Übereinstimmung bringt. Hierzu übermitteln die teilnehmenden Energiesysteme wenigstens einen vorgesehenen Wärmeverbrauch und/oder eine vorgesehene Wärmeerzeugung an die Steuereinheit 1. Weiterhin können eine minimale Bezugstemperatur und/oder maximale Bezugsleistung sowie eine maximale Einspeisetemperatur und/oder eine maximale Einspeiseleistung an die Steuereinheit übermittelt werden. Diese technischen übermittelten Daten/Informationen können dann als Nebenbedingungen bei dem Verfahren zur Ermittlung der Vorlauftemperaturen berücksichtigt werden. Hierbei wird für das Market-Matching und für das Ermitteln der Vorlauftemperaturen bevorzugt dieselbe Zielfunktion verwendet. Die Steuereinheit 1 kann somit als lokale Wärmemarktplattform ausgebildet sein.A local heat market can be realized as a day-ahead auction, which at a specified time of the day, for example 12:00 p.m. for 24 hours of the following day, matches offers for the heat exchanges via an algorithm in the time steps t . For this purpose, the participating energy systems transmit at least an intended heat consumption and/or an intended heat generation to the control unit 1. Furthermore, a minimum reference temperature and/or maximum reference power as well as a maximum feed temperature and/or a maximum feed power can be transmitted to the control unit. This technical transmitted data/information can then be used as secondary conditions in the process for determining the flow temperatures are taken into account. In this case, the same target function is preferably used for market matching and for determining the flow temperatures. The control unit 1 can thus be designed as a local heat market platform.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the protective scope of the invention.

BezugszeichenlisteReference List

11
Steuereinheitcontrol unit
22
Wärmenetzheat network
2121
Teilwärmenetzpartial heat network
2222
Teilwärmenetzpartial heat network
2323
Teilwärmenetzpartial heat network
4141
Erzeugeranlageproduction plant
4242
Prosumeranlageprosumer plant
4343
Verbraucheranlageconsumer plant

Claims (10)

Verfahren zur Steuerung eines Wärmenetzes (2), wobei das Wärmenetz (2) mehrere Teilwärmenetze (21, 22, 23) aufweist, und für jedes Teilwärmenetz (21, 22, 23) eine oder mehrere für dessen Betrieb zulässige Vorlauftemperaturen bereitgestellt werden, gekennzeichnet dadurch, dass die zur Steuerung verwendeten Vorlauftemperaturen durch die folgenden Schritte eingestellt werden: - (S1) Ermitteln von ersten Wärmeleistungen durch ein Minimieren einer Zielfunktion, wobei die ersten Wärmeleistungen von den zulässigen Vorlauftemperaturen abhängig sind; - (S2) Ermitteln von möglichen Vorlauftemperaturen für jedes Teilwärmenetz (21, 22, 23), wobei die möglichen Vorlauftemperaturen des jeweiligen Teilwärmenetzes (21, 22, 23) dadurch bestimmt werden, dass innerhalb des jeweiligen Teilwärmenetzes (21, 22, 23) eine erste Wärmeleistung ausgetauscht werden soll; - (S3) Ermitteln von zweiten Wärmeleistungen für jede Kombination der möglichen Vorlauftemperaturen durch ein Minimieren einer auf die jeweilige Kombination eingeschränkten Zielfunktion, wobei für die Kombination genau eine mögliche Vorlauftemperatur für jedes Teilwärmenetz (21, 22, 23) verwendet wird; - (S4) Ermitteln derjenigen Kombination von möglichen Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze (21, 22, 23), dessen zugehörige eingeschränkte Zielfunktion unter allen eingeschränkten Zielfunktionen den kleinsten Wert aufweist; und - (S5) Einstellen der Vorlauftemperaturen gemäß der im vierten Schritt (S4) ermittelten Kombination. Method for controlling a heating network (2), the heating network (2) having a plurality of partial heating networks (21, 22, 23), and one or more flow temperatures permissible for its operation being provided for each partial heating network (21, 22, 23), characterized in that that the flow temperatures used for control are set using the following steps: - (S1) determining first heat outputs by minimizing a target function, the first heat outputs being dependent on the permissible flow temperatures; - (S2) Determination of possible flow temperatures for each sub-heating network (21, 22, 23), the possible flow temperatures of the respective sub-heating network (21, 22, 23) being determined in that within the respective sub-heating network (21, 22, 23) a first heat output to be exchanged; - (S3) determining second heat outputs for each combination of possible flow temperatures by minimizing a target function restricted to the respective combination, with exactly one possible flow temperature for each partial heating network (21, 22, 23) being used for the combination; - (S4) determining that combination of possible flow temperatures of the partial heating networks (21, 22, 23) whose associated restricted target function has the smallest value among all restricted target functions; and - (S5) Setting the flow temperatures according to the combination determined in the fourth step (S4). Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Zielfunktion Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen verwendet werden.Method according to Claim 1, characterized in that total carbon dioxide emissions are used as the target function. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass als Zielfunktion eine durch die zu ermittelten Wärmeleistungen gebildete Linearkombination verwendet wird.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that a linear combination formed by the heat outputs to be determined is used as the target function. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Wärmenetz (2) derart gesteuert wird, dass die zu den eingestellten Vorlauftemperaturen zugehörigen ermittelten zweiten Wärmeleistungen innerhalb des Wärmenetzes (2) ausgetauscht werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating network (2) is controlled in such a way that the determined second heat outputs associated with the set flow temperatures are exchanged within the heating network (2). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Energiesysteme (41, 42, 43) zum Wärmeaustausch an das Wärmenetz (2) angeschlossen sind, wobei technische Randbedingungen der jeweiligen Energiesysteme (41, 42, 43) als Nebenbedingung bei dem Minimieren der Zielfunktion berücksichtigt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that several energy systems (41, 42, 43) are connected to the heating network (2) for heat exchange, with technical boundary conditions of the respective energy systems (41, 42, 43) being considered as a secondary condition when minimizing the target function are taken into account. Verfahren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass maximale und/oder minimale Temperaturen von wärmetechnischen Anlagen der Energiesysteme (41, 42, 43) als Nebenbedingung berücksichtigt werden.Method according to Claim 5, characterized in that maximum and/or minimum temperatures of thermotechnical installations of the energy systems (41, 42, 43) are taken into account as a secondary condition. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Steuerung mittels einer bezüglich der Energiesysteme (41, 42, 43) zentralen Steuereinheit (1) erfolgt.Method according to one of Claims 5 or 6, characterized in that the control takes place by means of a central control unit (1) with regard to the energy systems (41, 42, 43). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zum Bereitstellen der zulässigen Vorlauftemperaturen für eines der Teilwärmenetze (21, 22, 23) ein zulässiger Temperaturbereich, der durch wärmetechnische Anlagen innerhalb des zugehörigen Teilwärmenetzes (21, 22, 23) bestimmt ist, diskretisiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that to provide the permissible flow temperatures for one of the sub-heating networks (21, 22, 23), a permissible temperature range, which is determined by thermotechnical systems within the associated sub-heating network (21, 22, 23), discretized will. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Wärmenetz (2) als Nahwärmenetz oder Fernwärmenetz ausgebildet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating network (2) is designed as a local heating network or district heating network. Steuereinheit (1) zur Steuerung eines Wärmenetzes (2) mit mehreren Teilwärmenetzen (21, 22, 23), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1) dazu ausgebildet ist, die Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze (21, 22, 23) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zu bestimmen und die bestimmten Vorlauftemperaturen der Teilwärmenetze (21, 22, 23) einzustellen.Control unit (1) for controlling a heating network (2) with a plurality of partial heating networks (21, 22, 23), characterized in that the control unit (1) is designed to To determine flow temperatures of the partial heating networks (21, 22, 23) according to one of claims 1 to 8 and to set the determined flow temperatures of the partial heating networks (21, 22, 23).
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