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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Optimierung des Energieverbrauchs
eines Verbrauchers, der Energie aus einem Energiespeicher beziehen
kann, bei dem die Entnahme von Energie zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich
günstig
ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die die Entnahme
von Warmwasser aus einem Wasserspeicher steuert, der u. a. durch
wechselhaft verfügbare Energiearten
(z. B. Solarenergie) erwärmt
wird.
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Der
Energiebedarf zur Versorgung der Haushalte mit Warmwasser und Heiz-
und Kühlenergie macht
einen großen
Teil des gesamten Primärenergieaufkommens
der hoch entwickelten Volkswirtschaften der westlichen Welt aus.
Bisher werden hierfür
vorwiegend fossile Energieträger
eingesetzt, die in erheblichem Umfang für die klimaschädlichen CO2-Emissionen verantwortlich sind. Es ist
daher vordringliches Ziel einer nachhaltigen, umwelt- schonenden
und klimaverträglichen
Energiepolitik, gerade in diesem Verbrauchssektor regenerative Energieträger an die
Stelle fossiler Energieträger
zu setzen.
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Inzwischen
steht ein breites Spektrum regenerativer Energietechnologien zur
Verfügung,
das längst
das Entwicklungsstadium verlassen hat. Die als erprobte Komponenten
und Anlagen am Markt verfügbaren
Produkte zeichnen sich durch Modularität und Zuverlässigkeit
aus und lassen sich in komplexe Systeme der Gebäudetechnik integrieren, indem
sie mit konventionellen Produkten kombiniert werden.
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Beispiele
für regenerative
Energietechnologien für
die Gebäudeversorgung
mit Warmwasser und Heiz- bzw. Kühlenergie
sind luft- und bodengekoppelte Wärmepumpen,
Solarkollektoren und Pellet-Heizungen. Auch mit biogenen Brennstoffen
betriebene Systeme zur Kraft-Wärme-Kopplung
und Systeme zur Nutzung von Abwärme
gehören
dazu. Es wird heute allgemein als sinnvoll erkannt, auch und gerade
auf der Ebene der Energieversorgung einzelner Gebäude Versorgungssysteme
einzurichten, die mehrere Energiearten parallel nutzbar machen können.
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Mit
der Bereitstellung eines „Energie-Mix" auf der Versorgerseite
stellt sich sofort die Frage nach der „richtigen" Zusammensetzung. Diese muss sich u.
a. nach der zeitabhängigen
Entnahme oder nach der aktuellen Verfügbarkeit bestimmter Energieformen
richten.
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In
einer parallelen Patentanmeldung wird ein Verfahren zur hierarchischen
Energieversorgung eines Wasserspeichers mit Wärmeenergie vorgestellt, das
vom Vorhandensein verschiedener Arten von Wärmequellen ausgeht, die a priori
unabhängig
voneinander Wärme
an denselben Speicher liefern können.
Das Verfahren sieht vor, die Unabhängigkeit der Einspeisung aufzugeben
und durch die Steuerung einiger Wärmequellen auf der Basis der
Energieeintragsaufteilung aller Wärmequellen zu ersetzen. Die Steuerung
orientiert sich an einem Bewertungsmaß mit vorgegebenem Optimalitätskriterium
(vorzugsweise der Minimierung der laufenden Gesamtkosten der Energieeinspeisung)
und befolgt dazu ein Regelwerk, das die Schritte festlegt, mit denen
das Optimum einzustellen ist.
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Das
hierarchische Verfahren nimmt kontinuierlich erhobene Messwerte
der Wärmezuflüsse aller Energiearten
zum Anlass, insbesondere eine Rangfolge bei der Zu- oder Abschaltung
einzelner Wärmequellen
zu berechnen und durch tatsächliche
Ansteuerung der entsprechenden Vorrichtungen zu befolgen. Dabei
wird ganz allgemein stets von der Anwesenheit wenigstens eines Wärmeenergielieferanten ausgegangen,
der prinzipiell nicht gesteuert werden kann oder soll (sog. „Vorrangenergie"). Zur Vorrangenergieseite
können
vor allem Solaranlagen oder Fernwärmetauscher zählen, die über ohnehin
optimierte Steuerungen verfügen,
in die man schon zum Erhalt des Wirkungsgrades besser nicht eingreift.
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Zur
Vorrangenergieseite zählt
aber konzeptionell auch die Verbraucherseite, die einen üblicherweise
negativen und praktisch unregelbaren Energieeintrag in den Wasserspeicher
liefert. Die Verbraucherseite wird deshalb von der parallelen Patentanmeldung
auch nicht im Detail diskutiert.
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Die
Verbraucherseite kann natürlich
ganz besonders zur Optimierung des Energieverbrauchs beitragen,
wenn sie nur will oder sich dieses zumindest bewusst macht. Da der
Mensch gern technische Hilfsmittel zur Unterstützung seiner Denkleistung verwendet,
wurden geeignete Vorrichtungen zu diesem Zweck natürlich schon
vorgeschlagen: allen voran der Nachtstromschalter, der zum automatischen
Einschalten von Stromverbrauchern während der Niedriglastzeiten
dient.
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Es
ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Optimierung
des Energieverbrauchs eines Verbrauchers, insbesondere zur Ansteuerung
des Verbrauchers während
hinsichtlich der Optimalität
des Energieverbrauchs günstigen
Zeitintervallen, vorzuschlagen, die vorrangig in Kombination mit
einer Steuereinrichtung zur hierarchischen Energieversorgung effektiv
arbeitet.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Unteransprüche geben
vorteilhafte Ausbildungen der Vorrichtung an. Zudem sind Unteransprüche auf
ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung in Kombination mit einer
Steuereinrichtung zur hierarchischen Energieversorgung gerichtet.
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Es
dürfte
dem Fachmann zunächst
auf der Hand liegend erscheinen, wie eine Vorrichtung zur Steuerung
der Entnahme von Warmwasser aus einem Wasserspeicher nach dem Vorbild
eines Nachtstromschalters auszugestalten ist. Insbesondere muss
diese umfassen:
- a. Mittel zum Empfangen von
Signalen einer externen Steuereinrichtung, die das Vorliegen günstiger
Zeitintervalle indizieren,
- b. eine automatische Ansteuereinrichtung zum Aktivieren des
Verbrauchers während
eines günstigen
Zeitintervalls und zum Deaktivieren des Verbrauchers außerhalb
des günstigen
Zeitintervalls,
- c. eine Auswahleinrichtung, ob die automatische Ansteuereinrichtung
genutzt werden soll oder nicht.
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Das
Merkmal c soll im Folgenden als Standby-Schalter bezeichnet werden.
Ist er aktiviert, so wird der Verbraucher, dem die erfindungsgemäße Vorrichtung
(i. F. Standby-Vorrichtung)
zugeordnet ist, unmittelbar nach dem Empfang des Signals der externen
Steuereinrichtung automatisch mit der Energieentnahme aus dem Speicher
beginnen.
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Kombiniert
man diese an sich bekannte Standby-Vorrichtung nun mit einem hierarchischen Energieversorgungssystem,
das mehrere Energiearten nach bestimmten Regeln (Mix-Strategie)
bereitstellen kann, dann ist ebenfalls klar, dass man die Steuereinrichtung
(typisch Mikroprozessor) des Energieversorgungssystems zugleich
als Signalgeber für
die Standby-Vorrichtung vorsehen sollte, um eine Optimierung der
Energieentnahme zu erreichen. Die Bewertung, wann ein günstiges
Zeitintervall zur Entnahme vorliegt, wird im Zuge der Steuerung
der Versorgerseite sowieso fortlaufend durchgeführt.
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Nun
wird man aber z. B. in einem Mehrfamilienhaus typisch nur eine hierarchisch
gesteuerte Energieversorgung und zugleich i. a. eine Mehrzahl von Standby-Vorrichtungen – jede verbunden
mit dem ihr zugeordneten Verbraucher – vorsehen müssen. Wenn
alle diese Vorrichtungen zum selben Zeitpunkt – nämlich direkt nach dem Empfang
des Signals – Energie
aus dem Speicher entnehmen, kann dies sehr rasch zur Abkühlung des
Speichers führen
und dazu, dass die hierarchische Steuerung relativ teure Wärmequellen
zuschalten muss. Daraus kann bei fortlaufender Bewertung des Energie-Mix
folgen, dass das zur Entnahme von Energie günstige Zeitintervall unter
Last schon nach kurzer Zeit endet. Denkt man bei den Verbrauchern
beispielsweise an Waschmaschinen, ist es aber offensichtlich für deren
Betrieb und für
das Waschergebnis nicht günstig,
den Wasch vorgang auf unbestimmte Zeit zu unterbrechen oder die Warmwasserzufuhr
zu unterbinden, wo die optimierten Programme der Waschmaschinenhersteller
eine solche vorsehen.
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Für die Optimierung
des hierarchischen Energieversorgungssystems, dem man vorzugsweise als
eine Nebenregel vorschreiben möchte,
dass günstige
Zeitintervalle eine bestimmte Mindestdauer (Bsp. zwei Stunden für die Waschmaschine)
haben sollen, ist es deshalb sehr zweckmäßig, eine Lastprognose vornehmen
zu können.
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Diese
wird erfindungsgemäß durch
eine zusätzliche
Einrichtung an der Standby-Vorrichtung
ermöglicht,
die ein Signal aussendet und dadurch anzeigt, ob der Standby-Schalter aktiviert
ist oder nicht. Kerngedanke der Erfindung ist also die Rückkopplung
der Verbraucherseite auf die Energieversorgerseite durch Ankündigung
einer Energieentnahme, noch bevor diese tatsächlich erfolgt.
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Dazu
ist es erforderlich, dass die Standby-Vorrichtung Signale an einen
Empfänger
sendet, der mit der Steuereinheit der hierarchischen Energieversorgung
kommuniziert. Die prozessorbasierte Steuereinheit kann dann auf
Basis von Anzahl und ggf. Art (die Standby-Vorrichtungen können sich identifizieren,
um dabei den Verbrauchertyp anzuzeigen) der Ankündigungen von Energieentnahme
eine Lastprognose berechnen und geeignete Maßnahmen zur Aufrechterhaltung
günstiger
Verbrauchsbedingungen während
der Lastzeit treffen.
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Beispielsweise
kann eine Pellet-Heizung zur Speicherwasserheizung für den erwarteten
Lastzeitraum hinzugeschaltet werden. Gerade eine Pellet-Heizung
eignet sich nicht so gut für
die kurzzeitige Energieeinspeisung etwa im Vergleich mit einem Gasbrenner.
Wenn man jedoch weiß,
dass für
die kommenden Stunden Wärmebedarf
herrscht, ist sie eindeutig umweltverträglicher und i. a. auch kostengünstig. Als
ein weiteres Beispiel kann die hierarchische Steuerung auch entscheiden,
dass sie bei der angekündigten
Lastspitze lieber die Mittagszeit abwartet, um die Leistung des
Solarmoduls voll auszuschöpfen.
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Die
erfindungsgemäße Standby-Vorrichtung mit
Rückkopplungssender
enthebt den menschlichen Nutzer, der sich des gesteuerten Verbrauchers
bedienen will, nicht nur der permanenten Überwachung, wann er diesen
günstig
einschalten kann. Sie erlaubt vielmehr die Einbeziehung des kollektiven Verhaltens
einer ganzen Hausgemeinschaft in die Findung einer optimalen Energieversorgungsstrategie,
ohne den einzelnen über
Gebühr
damit zu behelligen oder ihn gar zu einer Absprache mit seinen Mitbewohnern
zu zwingen. Der einzelne Hausbewohner kennt das Verhalten der anderen
grundsätzlich
nicht.
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Es
sei erlaubt hierbei anzumerken, dass man selbstverständlich Log-Dateien
der zentralen Steuereinrichtung der hierarchischen Energieversorgung auswerten
könnte,
gewissermaßen
als „Diskussionsgrundlage" in einer Hausversammlung.
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Um
der erfindungsgemäßen Standby-Vorrichtung
noch einen zusätzlichen – womöglich auch erzieherischen – Wert zu
geben, wird ferner vorgeschlagen, in die Vorrichtung ein Display
zu integrieren, welches das Vorliegen (oder eben das Nicht-Vorliegen)
eines günstigen
Zeitintervalls zum Zeitpunkt der Betrachtung anzeigt. Dieses Display
kann beliebig nach dem Stand der Technik ausgestaltet sein, aber
schon aus Gründen
der Wartungsfreiheit wäre eine
ampelartige Anordnung wenigstens zweier verschiedenfarbiger Leuchtdioden
völlig
ausreichend. Das Display kann aber natürlich auch einen Zahlenwert
anzeigen, insbesondere den aktuellen Energiepreis, den die Energieentnahme
zum Zeitpunkt der Betrachtung kosten würde (sofern die Steuereinheit diese übermittelt).
Besonders intelligente Displays könnten sogar den Tagesgang des
Preises oder der günstigen
Zeitintervalle als Historie gespeichert haben und als Grafik darstellen.
Sogar Vorausschätzungen
der weiteren Entwicklung auf Basis bisheriger Mittelwerte sind denkbar.
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Prinzipiell
soll das Display den Nutzer motivieren, den Standby-Schalter zu
aktivieren. Vorzugsweise zeigt es den Aktivierungsstatus des Schalters an,
besonders bevorzugt schlägt
es die Aktivierung explizit vor.
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Es
ist davon auszugehen, dass die erfindungsgemäße Standby-Vorrichtung in erster
Linie nach Art heutiger Zeitschaltuhren zwischen dem Verbraucher
und irgendeiner erforderlichen Energiequelle (üblich Steckdose) angeordnet
werden soll. Bei Heizungssystemen, die von einer zentralen Umwälzpumpe
betrieben werden, wäre
eine elektrische Ansteuerung von Ventilen wünschenswert. Allerdings wird
man nicht an allen Orten, wo ein Standby-Schalter anzuordnen wäre, einen
Stromnetzzugang bereitstellen wollen oder können. Dasselbe gilt für eine Verkabelung
zur Datenübermittlung.
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Von
daher ist es eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, die Standby-Vorrichtung
mit einer Funkschnittstelle nach Art der Bluetooth-Technologie auszubilden,
um den Datenaustausch mit der Energieversorgung zu realisieren.
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Die
hierfür
benötigte
Energie sollte vorzugsweise aus integrierten, wieder aufladbaren
Energiezellen entnommen werden, wobei es ganz besonders vorteilhaft
ist, wenn diese Zellen bei der Entnahme von Wärme aus dem Wasserspeicher
ganz oder teilweise wieder aufgeladen werden. Beispielsweise könnte ein
Thermoelement für
diesen Zweck vorgesehen werden, das Energie aus dem zu regulierenden
Warmwasser entnimmt, sobald der von der Standby-Vorrichtung angesteuerte
Verbraucher aktiviert wird.
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Das
von der erfindungsgemäßen Standby-Vorrichtung
gesendete Signal zur Anzeige des Aktivierungszustandes des Standby-Schalters
sollte vorzugsweise nicht permanent gesendet werden, sondern nur
dann, wenn sich der Aktivierungszustand ändert. Um aber sicherzugehen,
dass die Steuereinheit der Energieversorgung das Signal auch empfangen
hat, soll die Standby-Vorrichtung das Signal solange wiederholt
senden, bis sie selbst eine Empfangsbestätigung empfängt. Da die Standby-Vorrichtung
ohnehin fortwährend
den Mitteilungen eben jener Steuereinrichtung „lauscht", die u. a. die Empfangsbestätigung senden
soll, ist dies technisch leicht zu realisieren.
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Überhaupt
dürfte
dem Fachmann nachvollziehbar sein, dass keine nennenswerten Probleme bei
der Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftreten,
da alle vorgesehenen Komponenten für sich genommen bekannt und
handhabbar sind.
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Der
Erfindungsgedanke liegt indes in der konkreten Ausgestaltung zwecks
Realisierung einer Ankündigung
von geplanter Energieentnahme an die Energieerzeugerseite, die dann
automatisch durch die Vorrichtung erfolgt. Eine solche Ankündigung
ist speziell dann sinnvoll, wenn die Erzeugerseite einer Steuerung
unterworfen ist, die einen – nach
im Grunde beliebigen Kriterien – günstigen
Energie-Mix zumindest zeitweise bereitstellen soll und diese Aufgabe
besonders gut lösen
kann, wenn ihr Informationen über
die geplante Entnahme (nach einer Freigabe) von vornherein zur Verfügung stehen.
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Insofern
ist die hier beschriebene Standby-Vorrichtung in erster Linie zum
Betrieb in Kombination mit einer hierarchischen Energieversorgung vorgesehen,
deren automatisierte Ausführung
in einer parallelen Patentanmeldung noch näher beschrieben wird.
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Gleichwohl
kann die Vorrichtung aber auch dann sinnvoll eingesetzt werden,
wenn die Entnahmeankündigungen
lediglich entgegengenommen und angezeigt, nicht aber unmittelbar
verarbeitet werden. Wenn insbesondere ein menschlicher Supervisor
die Lastan kündigungen
auf seinem Monitor sieht, wird er irgendwann (zu günstigen
Zeitpunkten) durch das Zuschalten von Energiequellen (gewiss auch
nach sinnvollen Kriterien sortiert) dem nunmehr bekannten Mehrbedarf
gerecht werden und so unversehens sowieso eine hierarchische Steuerung
im Sinne der Erfindung durchführen.