AT517698B1 - Warmwasserbereitungsanlage - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage umfassend mindestens zwei Boilern (5’, 5’’), wobei die Warmwasserbereitungsanlage mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung (7) und dem allgemeinen Stromnetz (4) verbunden ist, wobei eine Hilfsleistung Pcalc zunächst gleich der aktuelle Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung Pakt gesetzt wird, Boiler (5’, 5’’) mit Heizbedarf in Betrieb genommen werden, solange Leistung Pcalc größer ist als die Leistungsaufnahme des jeweiligen Boilers Pi, Pcalc sich bei Inbetriebnahme eines Boilers (5’, 5’’) um Pi des jeweiligen Boilers (5’) verringert, die Restleistungsmengen, die von Pcalc bleibt, als Reststrom in das allgemeine Stromnetz eingespeist oder zum Betrieb einer Hausanlage eines Gebäudes genutzt wird.

Description

Beschreibung

WARMWASSERBEREITUNGSANLAGE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Warmwasserbereitungsanlage für mehrere Parteien, welche mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung und dem allgemeinem Stromnetz verbindbar ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Warmwasserbereitungsanlage. Schließlich betrifft die Erfindung eine Steuer- oder Regeleinrichtung für eine solche Warmwasserbereitungsanlage und ein solches Verfahren.

STAND DER TECHNIK

[0002] In den letzten Jahren werden Systeme zur lokalen Energieerzeugung angepriesen. Neben dem Umweltgedanken bei der Nutzung von alternativen Energiequellen, ist die Erzeugung von Energie an Ort und Stelle effizienter gegenüber der Nutzung von Strom aus dem allgemeinen Netz und hat den Vorteil einer gewissen Unabhängigkeit von Energieversorgungsunternehmen (EVU). Die Nutzung der alternativen Energiequellen stellt eine aktuelle Herausforderung da. Im Stand der Technik werden verschiedene Strategien beschrieben.

[0003] Warmwassersolaranlagen (Solarthermie) nutzen Sonnenergie zum Erwärmen von Wasser. Die Motivation liegt dabei unter anderem darin, dass die Warmwasserbereitung im Haushalt einen großen Anteil des Energieverbrauchs darstellt und warmes Wasser sich als Energiespeichermedium eignet. Notwendige Systeme für Wasserleitungen führen bei Solarthermie zu hohem Raumbedarf, Wartungskosten, Rohrbruch-Risiko. Außerdem können solche Systeme durch Pumpen einen beträchtlichen eigenen Energiebedarf haben oder Energie über Rohrabwärme verlieren. Speziell im Geschossbau ist die Einrichtung einer Warmwassersolaranlage nur bedingt sinnvoll.

[0004] Alternative Methoden setzen auf die lokale Erzeugung von Strom durch Sonnenenergie beruhend auf Photovoltaik-Anlagen (PV-Anlagen). PV-Anlagen können durch Kopplung mit einem Wechselrichter auch zur Erzeugung von Wechselstrom genutzt werden. Ebenso kann Strom lokal in Kleinanlagen zur Nutzung von Windkraft bzw. Wasserkraft erzeugt werden, wenn dies den lokalen Gegebenheiten entspricht. Obwohl Strom im Haushalt universell einsetzbar ist, besteht mit diesen alternativen Energiequellen oft ein Problem darin, dass es eine zeitliche Diskrepanz zwischen der Energieerzeugung und Phasen des intensiven Energiebedarfs gibt. So ist zum Beispiel die Leistung von PV-Anlagen vom Tageslicht abhängig (Tagbogen) und in den Abendstunden oder auch bei Bewölkung teilweise gar nicht mehr gegeben.

[0005] Das allgemeine Stromnetz kann einen Leistungsüberschuss bei lokaler Stromerzeugung abfangen, welcher bei entsprechenden Vereinbarungen mit dem EVU rückvergütet werden kann. Alternativ müssen vor Ort Speichermöglichkeiten für die Energie geschaffen werden. Speicher in Form von elektrochemischen Speichern, wie z.B. Nickel-Lithium Akkumulatoren, sind kostenintensiv. Neben Akkumulatoren ist auch hier Warmwasser als Speicher denkbar. Das Aufheizen von Wasser mit elektrischer Energie erfolgt klassischerweise in sogenannten Boilern, die sowohl dem Heizen des Wassers als auch dem Speichern und Bereitstellen vom Warmwasser dienen.

[0006] Der Stand der Technik zur Nutzung lokaler Energiequellen für die Warmwasserbereitung wird durch verschiedene am Markt befindliche Systeme gebildet.

[0007] Die Patentschrift DE 10 2011 052 452 offenbart einen Heizwasserspeicher, der über ein Widerstandheizelement, dass an eine Photovoltaikanlage angeschlossen ist, beheizt werden kann.

[0008] Eine ähnliche Anwendung ist das Produkt PV HeatingSolution der Firma AE-Refusol, bei der direkt mittels Photovoltaik ein Heizstab betrieben werden kann, der in einen bestehenden Warmwasserboiler integriert wird. Hier kann auf einen Wechselrichter verzichtet werden. (http://www.advanced-energy.de/de/PV_Heater.html aufgerufen am 18.08.14) [0009] Die Patentschrift „Power switching equipment for boilers used within regulated water heating using direct current from photovoltaic panels“ (CA 2805096 C) offenbart eine Schaltung, die den Betrieb eines Boilers mit durch Photovoltaikzellen erzeugten Gleichstrom erlaubt.

[0010] Ebenso beschäftigt sich die US 5 293 447 mit den elektrischen Besonderheiten der Photovoltaik (wechselnde verfügbare Leitung) bei der Warmwasserbereitung. Das Besondere derartiger Anlagen ist dabei einen Boiler mit Widerstandheizelementen mit variablem Widerstand.

[0011] Den nächstliegenden Stand der Technik stellt zum Beispiel die Ausführung der Firma DAfi GmbH dar. Im Konzept „smartfox“ wird das Zusammenspiel einer lokalen Energiequelle mit einer Warmwasserbereitung für ein Einfamilienhaus gelöst. (http://smartfox.at/SMARTFOX_2/ aufgerufen am 11.08.14) [0012] Anwendung finden diese Konzepte zur Nutzung lokaler Stromquellen vorwiegend im Bereich von Einfamilienhäusern. Die hier eingesetzten Konzepte und im Stand der Technik beschriebenen Erfindungen befassen sich vorwiegend mit den elektronischen Besonderheiten und der effizienten Nutzung der geringen zu erwartenden Leistung.

[0013] Die in US 2009/214195 A1 offenbarte Warmwasserbereitungsanlage weist keine Warmwasserbereitungsanlage für mehrere Parteien auf und zeigt auch nicht, dass Boiler bestimmten Parteien zugeordnet sind. Die bezüglich des Wasserflusses in Serie geschalteten Tanks in US 2009/214195 A1 sind abhängig voneinander.

[0014] US 2009/316361 A1 zeigt keine elektrisch beheizten Warmwasserbereiter. Die offenbarten Behälter dienen nicht der Bereitstellung von Warmwasser (für den Verbrauch).

[0015] Größere Wohngebäude bieten ein besonderes Potential für die Erzeugung von Strom vor Ort. Neben der Nutzung von Dach- und Freiflächen, bietet der Geschossbau mit mehreren Parteien auch Optionen für gebäudeintegrierte Photovoltaik (GIPV). Direkte Abdeckung des Warmwasserbedarfs mit Hilfe von Warmwassersolaranlagen erfordert aufwändige Installation und Wartung. Alternativen für die effektive Nutzung von lokalen, alternativen Stromquellen zur elektrischen Warmwasserbereitung gibt es nur für den Betrieb in einzelnen Häusern.

[0016] Damit stehen im Stand der Technik keine Konzepte zum effizienten Zusammenspiel zwischen Stromerzeugung und Warmwasserbereitung für größere Wohnanlagen mit mehreren Parteien zur Verfügung. Anforderungen an eine solche Anlage sind gegenüber einem Einfamilienhaushalt in soweit unterschiedlich, dass die Möglichkeit der detaillierte Abrechnung für den Gebäudebetreiber und die einzelnen Parteien sowie die gleichberechtigte Behandlung aller Einheiten gewährt werden muss. Außerdem erfordert eine solche Anlage, dass die Benutzung aus technischer Sicht für die einzelnen Parteien möglichst einfach ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0017] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die zuvor genannten Probleme zu mindern. Die Aufgabe wird in der hier beschriebenen Erfindung gelöst durch eine Warmwasserbereitungsanlage für mehrere Parteien, welche mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung und dem allgemeinem Stromnetz verbindbar ist, gekennzeichnet durch eine Steuer- oder Regeleinrichtung und mindestens zwei Boiler, die mit der Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden sind, wobei jeder Partei mindestens ein Boiler zugeordnet ist.

[0018] Die hier offenbarte Erfindung, löst die Aufgabe, in dem jeder Partei mindestens ein Boiler zugeordnet ist. Der Betrieb der Boiler kann über die Steuer- oder Regeleinrichtung geregelt werden und entweder mit dem Strom der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung oder aus dem allgemeinen Stromnetz erfolgen.

[0019] Ein Boiler bezeichnet in diesem Zusammenhang, einen elektrisch beheizbaren Warmwasserspeicher. Die Boiler können dabei so ausgeprägt sein, dass es sich um handelsübliche Boiler handelt, wie sie im Geschossbau eingesetzt werden. Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, dass alle Boiler gleich ausgebildet sind. Die Zahl der eingesetzten Boiler wird dabei von dem Bedarf und der Leistungsfähigkeit der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung abhängig sein, wobei im Prinzip keine obere Grenze gesetzt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind 12 Boiler vorgesehen.

[0020] Die Steuer- oder Regeleinrichtung kann zum Beispiel als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildet sein. In Ausführungsvarianten verfügt die Steuer- oder Regeleinrichtung auch über Verbindungen, die Fernabfragen und Fernsteuerung aller relevanten Daten ermöglichen. Außerdem kann ein „Energiemonitoring“ integriert sein oder auch weitere Aufgaben eines Haustechniksystems von der Steuer- oder Regeleinrichtung übernommen werden.

[0021] Die Warmwasserbereitungsanlage selbst besteht damit aus überraschend einfache Komponenten. Das hat den Effekt, dass die erfindungsgemäße Anlage und ihre Steuerung geringe Herstellkosten, geringen Platzbedarf, und effizienten Betrieb erlauben. Damit ermöglicht die Erfindung, die effiziente Nutzung von lokaler Stromerzeugung in einem Mehrparteiengebäude.

[0022] Weiters wird die Aufgabe einer effizienten Nutzung der lokalen Stromerzeugung durch ein Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage umfassend mindestens zwei Boilern gelöst, wobei die Warmwasserbereitungsanlage mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung und dem allgemeinem Stromnetz verbunden ist und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Inbetriebnahme der einzelnen Boiler in Abhängigkeit vom Heizbedarf der jeweiligen Boiler, von der Leistungsaufnahme der jeweiligen Boiler (P,) sowie von der Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung geregelt oder gesteuert werden.

[0023] Dabei kann die Warmwasserbereitungsanlage wie oben beschrieben aufgebaut sein. Mit Inbetriebnahme eines Boilers ist hier das zeitlich definierte Starten der Heizphasen des Boilers gemeint. Die Abhängigkeit der Inbetriebnahme der Boiler ist so zu verstehen, dass entsprechend dem Verfahren bei einem Anstieg der aktuellen Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung auch mehr Leistung für die Heizphasen der Boiler bereitsteht und mehr Boiler in Betrieb genommen werden. Es ergibt sich nach dem Verfahren auch, dass ein Boiler gestartet wird, wenn genug Leistung bereitsteht, um die Leistungsaufnahme des jeweiligen Boilers zu erfüllen. Nach diesem Verfahren wird eine Steuerung auch keinen Boiler ohne Heizbedarf starten, bzw. die Heizphase eines Boilers beenden, sobald kein Heizbedarf mehr besteht.

[0024] Die aktuelle Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung (Pakt) kann zum Beispiel durch einen Energiezähler gemessen werden, der zur Erfassung der Messwerte mit der Steueroder Regeleinrichtung verbunden ist. Je nach Ausführung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung unterliegt die aktuelle Leistung Pakt Schwankungen. So ist zum Beispiel bei einer Ausführungsvariante mit einer PV-Anlage mit Wechselrichter von einem Tagesbogen mit Maximum für Pakt um die Mittagsstunden auszugehen und in der Nacht keine Leistung Pakt zu erwarten. Zusätzlich gibt es weniger reguläre Leistungsschwankungen bedingt durch Faktoren wie Bewölkung und Niederschlag, so dass eine kontinuierliche Erfassung von Pakt bevorzugt ist. Ebenso ist, wenn die lokale Stromerzeugungsvorrichtung als Windrad mit Generator ausgebildet ist, mit meteorologisch bedingten Schwankungen zu rechnen.

[0025] Die Leistungsaufnahme P, der jeweiligen Boiler, entspricht der Leistung, die bei vollem Betrieb des Boilers maximal der Stromversorgung entnommen wird. In der erfindungsgemäßen Anlage, ist es denkbar, dass einzelne Boiler mit unterschiedlicher Leistungsaufnahme P, eingesetzt werden. Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Leistungsaufnahmen Pi der Boiler im Wesentlichen gleich sind. Handelsübliche Boiler, die im Geschossbau eingesetzt werden und Leistungsaufnahmen zwischen 1 und 6 kW haben, sind dabei bevorzugt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist P, für alle Boiler etwa 2kW.

[0026] Der Heizbedarf eines Boilers ist in verschiedenen Ausführungsvarianten unterschiedlich definiert. Der Heizbedarf dadurch definiert sein, dass die Ist-Temperatur Tist des Boilers unter der Soll-Temperatur Tson liegt. Je nach technischer Ausführung der Boiler, können diese ihren Ladezustand, z.B. mit einem Thermostat selber erfassen, und an die Steuer- oder Regeleinrichtung weitergeben. Alternativ sind auch Ausführungsvarianten denkbar, in denen der tatsächli che Heizbedarf der Boiler durch ein Thermometer bestimmt wird, das direkt mit der Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden ist.

[0027] In einer bevorzugten Variante wird der Heizbedarf zusätzlich über die bereits erfolgte Betriebszeit im jeweiligen Steuerungszyklus beeinflusst. Dabei gilt, dass der Heizbedarf eines Boilers gegeben ist, wenn Tist des Boilers kleiner ist als Tson des Boilers und die maximale Betriebszeit Zmax des Boilers nicht von der tatsächlichen Betriebszeit Zist des Boilers überschritten wurde. Dabei ist die maximale Betriebszeit Zmax dem Verfahren vorzugeben und die tatsächlichen Betriebszeiten Zist für alle Boiler werden nach Ablauf eines Steuerungszyklus auf null gesetzt. Die effektive Ladezeit, die für die vollständige Aufheizung eines Boilers notwendig ist, dient als Richtwert für die maximale Betriebszeit. Zmax erlaubt dann die einmalige vollständige Aufladung der eingesetzten Boiler in jedem Steuerungszyklus. In einer bevorzugten Variante entspricht die maximale Betriebszeit Zmax 4 Stunden für einen Steuerungszyklus von 24 Stunden. Sollte die Betriebszeit eines Boilers im Laufe des Steuerungszyklus die maximale Betriebszeit von 4 Stunden erreichen, wird dieser Boiler im Steuerungszyklus nicht mehr für die Beheizung freigegeben.

[0028] In einer Ausführungsvariante wird die Inbetriebnahme eines Boilers indirekt von der Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung abhängig gemacht. Wenn Boiler während eines Steuerungszyklus nicht die notwendige Betriebszeit bekommen haben, da die Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung dies eben nicht erlaubt hat, ist eine Nachheizung möglich. Für eine solche Nachheizung muss in den entsprechenden Ausführungsvarianten die Inbetriebnahme eines Boilers auch dann zugelassen werden, wenn aktuell keine Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung gegeben ist. Vor Ablauf des Steuerungszyklus kann dann eine Inbetriebnahme der jeweiligen Boiler durch Strom aus dem allgemeinen Netz erfolgen. Der Beginn des Nachheizens sollte dabei so gewählt werden, dass mindestens die maximale Betriebszeit Zmax vor Ablauf des Steuerungszyklus liegt. Dies garantiert den Betrieb des Boilers zum vollständigen Aufladen innerhalb eines Steuerungszyklus durch Netzstrom, auch wenn die lokale Stromerzeugungsvorrichtung wenig oder keine Leistung liefert.

[0029] In einer Variante gibt es zusätzliche Umschaltmöglichkeiten innerhalb des Wohnungsverteiler, die den Betreib der Boiler durch externe Manipulation auf Netzstrom umgestellt werden. Eine solche Ausführungsvariante erlaubt z.B. die Reaktion auf erhöhten Warmwasserverbrauch. Es ist hierbei denkbar, dass ein Boiler im Betrieb durch Tagstrom, durch die Steueroder Regeleinrichtung wie der vollständig geladene Boiler erfasst wird, also als Boiler, der keinen Heizbedarf für den Betrieb über die Warmwasserbereitungsanlage hat.

[0030] Bei den unterschiedlichen Ausführungsvarianten, gilt unabhängig davon, wie der Heizbedarf jeweils definiert oder erfüllt wird, dass die Betriebszeiten und der Verbrauch der jeweiligen Boiler durch die Steuer- oder Regeleinrichtung erfasst und gespeichert wird. Entsprechend der verschiedenen Ausführungsvarianten sollte dabei auch anteilig erfasst werden, inwieweit der Betrieb jeweils mittels lokaler Stromerzeugungsvorrichtung, im Netzbetrieb durch gesteuertes Nachheizen, oder im Netzbetrieb durch externe Manipulation erfolgte.

[0031] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage umfassend mindestens zwei Boiler, wobei die Warmwasserbereitungsanlage mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung und dem allgemeinem Stromnetz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfsleistung Pcaic zunächst gleich der aktuelle Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung Pakt gesetzt wird, Boiler mit Heizbedarf in Betrieb genommen werden, solange Leistung Pcaic größer ist als die Leistungsaufnahme des jeweiligen Boilers P,, Pcaic sich bei in Betriebnahme eines Boilers um P, des jeweiligen Boiler verringert, die Restleistungsmengen, die von Pcaic bleibt, als Reststrom in das allgemeine Stromnetz eingespeist oder zum Betrieb der Allgemeinanlagen des Gebäudes genutzt wird.

[0032] Durch den Gegenstand dieser Erfindung wird ein Verfahren bereit gestellt, mit dem eine effiziente Nutzung der Leistung, die von der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung erbracht wird, ermöglicht ist, wobei eine Warmwasserbereitungsanlage mit mindestens zwei Boilern gesteuert wird. Das Verfahren zur Steuerung kann dabei zum Beispiel aus folgenden wesentlichen Schrit- ten a bis I bestehen: [0033] a) Pakt wird erfasst [0034] b) Für jeden Boiler i: [0035] c) Pi wird erfasst

[0036] d) [0037] e) [0038] f) [0039] g) Falls Boiler i einen Heizbedarf hat [0040] h) Boiler i wird mit P, in Betrieb genommen

[0044] I) Reststrom=Pca|C

[0041] i) [0042] j) [0043] k) [0045] Dabei ist Pcaic eine Hilfsgröße in der physikalischen Einheit einer Leistung zur Bestim mung der in Betrieb zu nehmenden Boiler und des Reststroms.

[0046] Der Reststrom ist dabei die Leistung, die nicht für die Inbetriebnahme der Boiler genutzt wird. Der Reststrom kann zum Beispiel für den Betrieb der allgemeinen Hausanlage eines Gebäudes, also zum Beleuchten von Fluren und zur Versorgung von gemeinsamen Räumen wie Waschküche genutzt werden. Auch die Einspeisung in das Stromnetz ist denkbar. Hierbei wird eine Vergütung der Leistung durch einen entsprechenden Vertrag mit einem EVU zu erwarten. Reststrom tritt zum Beispiel auf, wenn die aktuelle Leistung Pakt, die Summe aller P, für Boiler mit Heizbedarf übersteigt. Also zum Beispiel wenn in einer Anlage mit 12 Boilern mit jeweils einem Verbrauch von P,=2kW die aktuelle Leistung Pakt einer angeschlossenen PV Anlage 25kW beträgt. Dann können alle Boiler in Betrieb genommen werden, und es bleibt ein Reststrom von 1 kW. Bei gleichartigen Boilern tritt Reststrom auch auf, wenn Pakt nicht ein ganzzahliges Vielfaches der P, der Boiler ist. So können mit 5,5 kW zwei Boiler ä 2kW in Betrieb genommen werden, und es bleibt ein Reststrom von 1,5 kW.

[0047] Verschiedenen Ausführungformen, können sich bei diesem Verfahren unterscheiden, zum Beispiel durch die Reihung, mit der die Boiler i für die in Inbetriebnahme durchlaufen werden. Bei unterschiedlichen Boilern bietet sich an Boiler mit höherem P, zuerst abzufragen. Unter gleichen Boilern ist eine Rotation denkbar, so dass die einzelnen Boiler im Laufe des Steuerungszyklus alle die Gelegenheit bekommen durch die Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung betrieben zu werden.

[0048] In einer Ausführungsvariante ist hinsichtlich der Warmwasserbereitungsanlage vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, dass die aktuelle Leistung einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung erfasst wird, der Heizbedarf von mehreren, einzelnen Boilern erfasst wird, die Inbetriebnahmen der einzelnen Boiler jeweils gestartet und beendet werden, und der Bezug von Strom aus dem allgemeinem Stromnetz und die Einspeisung ins allgemeine Stromnetz reguliert werden.

[0049] Die Verbindung zwischen der Steuer- oder Regeleinrichtung und den Boilern soll so gestaltet sein, dass der tatsächliche Heizbedarf (s. oben) aller angeschlossenen Boiler einzeln erfasst werden kann. In einer bevorzugten Variante wird die Ist-Temperatur sowie die SollTem-peratur der Boiler einzeln in der Steuer- oder Regeleinrichtung erfasst. Außerdem soll die Verbindung derart gestaltet sein, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung die Heizphasen der Boiler regulieren kann. In einer Ausführungsvariante kann das für die einzelnen Boiler jeweils über eine Sicherung mit Meldekontakt geregelt werden. Andere Schaltervorrichtungen oder Mechanismen sind natürlich auch denkbar.

[0050] Der Bezug von Strom aus dem allgemeinen Stromnetz und die Einspeisung ins allgemeine Stromnetz, werden durch die Steuer- oder Regeleinrichtung reguliert. Die Verbindung zum allgemeinen Stromnetz ist also in einer bevorzugten Variante so ausgebildet, dass Strom aufgenommen werden kann, aber auch überschüssige Leistung ins allgemeine Stromnetz abgegeben werden kann. Entsprechend der Bedingungen mit einem Vertragspartner für die Rückvergütung (z.B. EVU) kann hier eine weitere Messvorrichtung angebracht sein.

[0051] Weiters kann die Schaltung natürlich geeignet erweitert werden. So würde ein Fachmann zum Beispiel Elemente, zur Absicherung wie einen Überspannungsschutz und gegebenenfalls mehrere Leitungsschutzschalter ergänzen.

[0052] In einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Inbetriebnahme der einzelnen Boiler in Abhängigkeit vom Heizbedarf der jeweiligen Boiler von der Leistungsaufnahme der jeweiligen Boiler (P,) sowie von der Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung geregelt oder gesteuert werden.

[0053] Dieser Gegenstand der Erfindung stellt eine Warmwasserbereitungsanlage bereit, wobei mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung die bedarfsoptimierte, effiziente Nutzung der Stromerzeugungsvorrichtung gewährleistet wird. Die Steuer- oder Regeleinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass die Steuerung wie beansprucht, ausgeführt werden kann. Die Steuerung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass Speichervariablen für verschiedene Messwerte (z.B. aktuelle Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung Pakt) erfasst werden oder Parameter (z.B. Leistungsaufnahme der Boiler P,) zur Verfügung stehen. Mathematische und logische Operationen wie Addition, Subtraktion und Vergleiche können durchgeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante bietet sich für die Steuer- oder Regeleinrichtung in einer erfindungsgemäßen Warmwasserbereitungsanlage eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) an.

[0054] Gegenstand der Erfindung ist weiters eine Vorrichtung umfassend eine Warmwasserbereitungsanlage wie beschrieben und eine lokale Stromerzeugungsvorrichtung.

[0055] Bezüglich der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung ist dabei bevorzugt, dass diese derart gestaltet ist, dass Wechselstrom erzeugt wird. Faktoren wie Größe des Gebäudes und des Grundstücks, meteorologische Eigenheiten in Abhängigkeit von der Lage, so wie geomor-phologische Gegebenheiten werden die Bevorzugung einer bestimmten lokaler Stromerzeugungsvorrichtung beeinflussen.

[0056] In einer Ausführungsform dieser Erfindung ist die Vorrichtung umfassend eine Warmwasserbereitungsanlage und eine lokale Stromerzeugungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Stromerzeugungsvorrichtung eine Photovoltaikanlage mit Wechselrichter, einen Generator mit einer Wind- oder Wasserkraftanlage oder eine Kombination daraus umfasst.

[0057] Besonders bevorzugt ist dabei für die lokale Stromerzeugungsvorrichtung eine PV-Anlage. Speziell im Bereich des Geschossbaus bietet sich für den Einsatz von GIPV großes Potential. Ebenso können je nach Gegebenheiten auch Vorrichtungen mit Windkraftanlagen zur Erzeugung des Stroms denkbar sein. Die Auswahl einer Windkraftanlage wird vor allem von Platz und Wetter Gegebenheiten eines Grundstücks beeinflusst werden. Bei solchen Windkraftanlagen oder auch bei einer Wasserkraftanlage, müssen Generatoren zum Umwandlung der Energie in elektrische Energie bereitstehen.

[0058] Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer bevorzugten Ausführungsvariante beansprucht, wobei die Inbetriebnahme der Boiler mit Heizbedarf einer Reihung folgt, welche dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem zu definierendem Intervall so geändert wird, so dass zwischen allen Boilern rotiert wird.

[0059] Wie bereits oben beschrieben, dient eine Anpassung der Reihung der Boiler im Verfahren zur Steuerung dazu, dass nicht nur ein einzelner Boiler betrieben wird, sollte die zur Verfügung stehende Leistung Pakt für einen längeren Zeitraum nur für einen Boiler ausreichen. Durch

Rotation der Reihung wird im oben beschriebenen Verfahren, dann immer ein anderer Boiler als Erstes angesprochen bzw. der Heizbedarf abgefragt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird daher die Reihung der Boiler für die Inbetriebnahme, in einem zu definierendem Intervall so geändert, dass zwischen allen Boilern rotiert wird. So wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform alle 30 Minuten die Reihung zwischen gleichen Boilern in einer Kreisschaltung geändert.

[0060] Das Verfahren kann in zwei Ausführungsvarianten gegliedert werden, wobei der Heizbedarfs eines Boilers zum Einen gegeben ist, wenn die Ist-Temperatur Tist des Boilers kleiner ist als die Soll-Temperatur Tson des Boilers, zum Anderen nur gegeben ist, wenn die Ist-Temperatur Tist des Boilers kleiner ist als die Soll-Temperatur Tson des Boilers UND die maximale Betriebszeit Zmax des Boilers nicht von der tatsächlichen Betriebszeit Zis, des Boilers überschritten wurde.

[0061] Die Erfindung offenbart verschiedene Definitionen des Heizbedarfs, welche bereits betrachtet wurden. Eine Ist-Temperatur, die kleiner ist als die Soll-Temperatur, entspricht dem Stand der Technik für die Bestimmung des Heizbedarfs. Die Betriebszeit als weiteren Parameter in der Bestimmung des Heizbedarfs zollt der Aufgabe für die Nutzung einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung in einer Mehrparteien-Anlage. Durch die Einführung einer maximalen Betriebszeit kann vermieden werden, dass eine Partei bevorzugt durch Strom der lokal erzeugten Energie versorgt wird (s. Ausführungsvariante 2). Auch für die parteiengemäße Aufschlüsselung der Stromkosten kann der Aspekt der maximalen Betriebszeit sinnvoll sein. Es ist denkbar, dass Betrieb, über die maximale Betriebszeit hinaus, der durch manuelles, aktives Umschalten auf Netzstrom erfolgt, anders abgerechnet wird, als der Betrieb im Zuge des Steuerungsverfahrens.

[0062] Der Gegenstand der Erfindung umfasst weiter das Verfahren in einer Ausführungsvariante, bei der Boiler nach einer zu bestimmenden Zeit und vor Ablauf des Steuerungszyklus durch Leistung aus dem allgemeinem Stromnetz in Betrieb genommen werden, solange ein Heizbedarf besteht.

[0063] In dieser Ausführungsvariante erfolgt das Nachheizen der Boiler mit Heizbedarf. Das Nachheizen erfolgt durch Betrieb aus dem allgemeinen Stromnetz. Der Zeitpunkt zum Start des Nachheizens sollte so gewählt sein, dass die zu erwartende Leistungsphase der lokalen Stromerzeugungsquelle bereits abgeschlossen ist. Auf der anderen Seite ist die Zeit, zu der das Nachheizen stattfindet, vor Ablauf des Steuerungszyklus zu definieren. Ein Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage ist in diese Ausführungsvariante bevorzugt, wenn zu erwarten ist, dass die Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung nicht ausreicht, um alle Boiler vollständig innerhalb des Steuerungszyklus aufzuheizen. Die Ausführungsvarianten mit Nachheizen sind besonders bevorzugt zusammen mit der Definition des Heizbedarfs über die maximale Betriebszeit. In einer besonders bevorzugten Variante erfolgt die Nachheizung ab 20:00 Uhr, wobei ein Steuerungszyklus von 24 Stunden um 24:00 Uhr beendet wird, und die maximale Betriebszeit 4 Stunden beträgt.

[0064] Außerdem wird für den Betrieb eine erfindungsgemäße Steuer- oder Regeleinrichtung beansprucht, für eine Warmwasserbereitungsanlage, oder eine Vorrichtung mit Warmwasserbereitungsanlage, oder ein Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage wie sie beschrieben wurden.

[0065] Eine solche Steuer- oder Regeleinrichtung kann derart gestaltet sein, dass die Erfassung und Einstellung aller notwendigen Parameter erfolgt. In einer Variante erfolgt dabei die Einstellung der Soll-Temperaturen dezentral an einzelnen Boilern, während vorwiegende Aspekte zentral über die Steuer- oder Regeleinrichtung erfolgen. Die Steuer- oder Regeleinrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass eine externe Auswertung und Wartung erfolgt. In einer bevorzugten Variante übernimmt die Steuer- oder Regeleinrichtung auch die parteiengemäße Aufschlüsselung der Strombezüge und eine Abrechnung der Stromkosten für einzelne Parteien.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0066] Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Warmwasserbereitungsanlage und Vorrichtung in schematischen Figuren und das Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage in beispielhaften Ausführungsvarianten dargestellt. VERWENDETE ABKÜRZUNGEN: EVU: Energieversorgungsunternehmen GIPV: Gebäudeintegrierte Photovoltaik SPS: speicherprogrammierbare Steuerung PV: Photovoltaik [0067] Figuren, die dabei zur Erklärung dienen zeigen: [0068] Fig. 1: Eine mögliche Anordnung für die erfindungsgemäße Warmwasserbereitungsan lage verbunden mit einer Photovoltaik-Anlage.

[0069] Fig. 2: Eine mögliche Anordnung für die erfindungsgemäße Warmwasserbereitungsan lage verbunden mit einer nicht weiter spezifizierten lokalen Stromerzeugungsvorrichtung.

[0070] Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Warmwasserbereitungsanlage verbunden mit einer lokalen Stromquelle, bestehend aus einer PV-Anlage 1 und einem Wechselrichter 2, welche wiederum an die Steuer- oder Regeleinrichtung 3 angeschlossen sind. Die Steueroder Regeleinrichtung 3 ist zum allgemeinen Stromnetz 4 verbunden.

[0071] Diese Verbindung ist in einer bevorzugten Variante so ausgebildet, dass Strom aufgenommen werden kann, aber auch überschüssige Leistung ins allgemeine Stromnetz gespeist werden kann. Wesentlicher Bestandteil sind mindestens zwei Boiler 5’ und 5”, die über die Anlage betrieben werden. Die Anlage kann mit einer beliebigen Zahl weiteren Boilern ergänzt sein, welche äquivalent zu den Boilern 5’ oder 5” in der Schaltung der Anlage integriert sind. Der Heizvorgang der einzelnen Boiler 5’, 5”, usw. wird über die Steuer- oder Regeleinrichtung 3 gestartet. Schalter 6’, 6”, usw., die mit der Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden sind, erlauben die Regulierung der Inbetriebnahme der einzelnen Boiler. In dieser Ausführungsform sind die Schalter 6’, 6”, ... als Sicherung mit Meldekontakt ausgebildet.

[0072] Fig. 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Warmwasserbereitungsanlage, die mit eine Spannungsquelle und dem allgemeinem Stromnetz 4 verbunden ist. Die Spannungsquelle, die nicht weiter spezifiziert ist, stellt die lokale Stromerzeugungsvorrichtung 7 dar. Die restliche Anordnung sowie Nummerierung erfolgt entsprechend Fig. 1. Mögliche Stromerzeugungsvorrichtungen könnten dabei zum Beispiel Kleinkraftanlagen sein, welche mit Windkraft betrieben werden (Windrad und Generator).

[0073] Die Steuer- oder Regeleinrichtung 3 in erfindungsgemäßen Warmwasserbereitungsanlagen, ist derart ausgebildet ist, dass die aktuelle Leistung einer lokalen Stromquelle erfasst wird, der Heizbedarf von mehreren, einzelnen Boilern 5’, 5”, ... erfasst wird, der Betrieb der einzelnen Boiler jeweils über Schalter 6’, 6”, ... gestartet und beendet werden, und der Bezug von Strom aus dem allgemeinem Stromnetz und die Einspeisung ins allgemeine Stromnetz 4 reguliert werden können.

[0074] Für Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage werden daher Parameter definiert, die permanent überwacht werden und an die Bedingungen angepasst werden. Tabelle 1 und Tabelle 2 geben einige dieser Parameter an.

[0075] Tabelle 1: Parameter zur Regulierung einer Vorrichtung nach Figur 1 oder 2, welche durch die Steuer- oder Regeleinheit erfasst und bestimmt werden.

[0076] Tabelle 2: Parameter zur Regulierung einer Vorrichtung nach Figur 1 oder 2, welche für die Steuerung voreingestellt werden können mit exemplarischen Werten für Ausführungsvarianten.

[0077] Ausführungsvariante 1: [0078] Eine bevorzugte Variante umfasst eine Vorrichtung nach Figur 1 für die Warmwasserbereitung in einem Wohngebäude mit 12 Wohneinheiten und 12 baugleichen Boilern 5’, 5”, die jeweils eine Leitungsaufnahme P, von 2kW haben. Eine PV-Anlage 1 mit Wechselrichter 2 dient als lokale Stromerzeugungsvorrichtung. Ein Steuerzyklus wird um 0:00 Uhr gestartet. Entsprechend der Erfahrung ist im Sommer ab 6:30 Uhr mit geringfügiger Leistung zu rechnen und das Maximum des Tagesbogens in den Mittagsstunden erreicht, wobei im Sommerbetrieb Maximalwerte über 25 kW erreicht werden.

[0079] Sobald die verfügbare Leistung der PV-Anlage 2kW übersteigt wird ein Boiler, dessen Ist- Temperatur unter der voreingestellten Soll-Temperatur liegt, beheizt. In jeweils weiteren verfügbaren 2kW Schritten werden zusätzliche Boiler für die Inbetriebnahme frei geschalten.

Wenn die verfügbare Leistung kein ganzzahliges Vielfaches der 2kW Schritte ist (z.B. 7kW), dann wird die restliche Leistung (z.B. 1kW), die nicht zum Betrieb eines Boilers geeignet ist, als Reststrom in das allgemeine Stromnetz eingespeist. So wird auch mit Leistung verfahren, wenn die Leistung der PV-Anlage die gesamte Leistungsaufnahme aller Boiler übersteigt. Also, für diese Ausführungsvariante, wenn Werte über 24kW erreicht werden.

[0080] Im Rhythmus von 30 Minuten werden die zu beheizenden Boiler zyklisch getauscht. Damit ist garantiert, dass im Laufe eines Tages, jeder kalte Boiler zumindest phasenweise in Betrieb genommen wird. Boiler, für die während der Leistungsphase ein Heizbedarf besteht werden in dieser Ausführungsvariante unbegrenzt beheizt. Am Abend werden Boiler, die dann noch oder durch Verbrauch im Laufe des Tages dann erst einen Heizbedarf haben, nicht mehr beheizt. Nach Ablauf des Steuerungszyklus um 24:00 Uhr, bleiben solche Boiler bei dieser Ausführungsvariante bis zur nächsten Leistungsphase bedürftig.

[0081] Ausführungsvariante 2: [0082] Die Vorrichtung entspricht in dieser Variante der in Ausführungsvariante 1, wobei die Steuerung eine maximale Betriebszeit einzelner Boiler für jeweils eine Tagesphase Zmax von 4 Stunden vorsieht. Die effektive Ladezeit die für die vollständige Aufheizung eines Boilers notwendig ist, dient als Richtwert für die maximale Betriebszeit. Zmax erlaubt also die einmalige vollständige Aufladung der eingesetzten Boiler. Ein Boiler für den die Betriebszeit (Zist) im jeweiligen Steuerungszyklus (Tag) bereits Zmax erreicht, wird als ein Boiler ohne Heizbedarf betrachtet unabhängig von der Ist-Temperatur. Sollte die Betriebszeit eines Boilers im Laufe des Steuerungszyklus, hier eines Tages, die maximale Betriebszeit von 4 h erreichen, wird dieser Boiler nicht mehr für die Beheizung freigegeben.

[0083] Bei geringer Leistung der PV-Anlage zum Beispiel bei Bewölkung, kann vor Ablauf des Tageszyklus noch Heizbedarf bestehen. In dieser Ausführungsvariante wird um 20:00 Uhr, eine Nachheizung mit Leistung aus dem allgemeinem Stromnetz eingeleitet. Sobald die Soll-Temperatur der Boiler erreicht ist, oder die maximale Betriebszeit überschritten wird, wird die Nachheizung eingestellt. Die Uhrzeit zum Start der Nachheizung ist dabei so gewählt, dass die maximalen Betriebszeiten vor Beendung des Steuerungszyklus um 24:00 Uhr noch erreicht werden können, und somit eine vollständige Aufladung der Boiler gewährleistet ist auch wenn die PV-Anlage keine Leistung bringt.

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1. Warmwasserbereitungsanlage für mehrere Parteien, welche mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung (7) und dem allgemeinem Stromnetz (4) verbindbar ist, gekennzeichnet durch - eine Steuer- oder Regeleinrichtung (3), und - mindestens zwei Boiler (5’, 5”), die mit der Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden sind, - wobei jeder Partei mindestens ein Boiler zugeordnet ist.
2. 2. Warmwasserbereitungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung derart ausgebildet ist, dass - die aktuelle Leistung einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung erfasst wird, - der Heizbedarf von mehreren, einzelnen Boilern (5’, 5”) erfasst wird, - die Inbetriebnahmen der einzelnen Boiler (5’, 5”) jeweils gestartet und beendet werden, und - der Bezug von Strom aus dem allgemeinem Stromnetz und die Einspeisung ins allgemeine Stromnetz reguliert werden.
3. 3. Warmwasserbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung (3) derart ausgebildet ist, dass die Inbetriebnahme der einzelnen Boiler (5’, 5”) in Abhängigkeit - vom Heizbedarf der jeweiligen Boiler (5’, 5”) - von der Leistungsaufnahme der jeweiligen Boiler (P,) sowie - von der Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung geregelt oder gesteuert werden.
4. 4. Vorrichtung umfassend eine Warmwasserbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und eine lokale Stromerzeugungsvorrichtung (7), wobei die lokale Stromerzeugungsvorrichtung (7) gegebenenfalls - eine Photovoltaikanlage (1) mit Wechselrichter (2), - einen Generator mit einer Wind- oder Wasserkraftanlage - oder eine Kombination daraus umfasst.
5. 5. Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage umfassend mindestens zwei Boiler (5’, 5”), wobei die Warmwasserbereitungsanlage mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung (7) und dem allgemeinem Stromnetz (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Inbetriebnahme der einzelnen Boiler in Abhängigkeit - vom Heizbedarf der jeweiligen Boiler (5’, 5”) - von der Leistungsaufnahme der jeweiligen Boiler (P,) sowie - von der Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung geregelt oder gesteuert werden.
6. 6. Verfahren zur Steuerung einer Warmwasserbereitungsanlage umfassend mindestens zwei Boilern (5’, 5”), wobei die Warmwasserbereitungsanlage mit einer lokalen Stromerzeugungsvorrichtung (7) und dem allgemeinem Stromnetz (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Hilfsleistung Pcaic zunächst gleich der aktuelle Leistung der lokalen Stromerzeugungsvorrichtung Pakt gesetzt wird, - Boiler (5’, 5”) mit Heizbedarf in Betrieb genommen werden, solange Leistung Pca,c größer ist als die Leistungsaufnahme des jeweiligen Boilers P,, - Pcaic sich bei Inbetriebnahme eines Boilers (5’, 5”) um P, des jeweiligen Boilers (5’) verringert, - die Restleistungsmengen, die von Pcaic bleibt, als Reststrom in das allgemeine Stromnetz eingespeist oder zum Betrieb einer Hausanlage eines Gebäudes genutzt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, derart gestaltet, dass die Inbetriebnahme der Boiler (5’, 5”) mit Heizbedarf einer Reihung folgt, wobei die Reihung in einem zu definierendem Intervall so geändert wird, so dass zwischen allen Boilern (5’, 5”) rotiert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Heizbedarfs eines Boilers (5’, 5”) gegeben ist, wenn - die Ist-Temperatur Tist des Boilers (5’, 5”) kleiner ist als die Soll-Temperatur Tson des Boilers (5’, 5”) - und gegebenenfalls die maximale Betriebszeit Zmax des Boilers (5’, 5”) nicht von der tatsächlichen Betriebszeit Zist des Boilers (5’, 5”) überschritten wurde.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei Boiler (5’, 5”) nach einer zu bestimmenden Zeit und vor Ablauf des Steuerungszyklus durch Leistung aus dem allgemeinem Stromnetz (4) in Betrieb genommen werden, solange ein Heizbedarf besteht.
10. 10. Steuer- oder Regeleinrichtung für eine Warmwasserbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, oder für eine Vorrichtung nach Anspruch 4, oder für ein Verfahren der Ansprüche 5 bis 9. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen