DE102011011022B4

DE102011011022B4 - Verfahren zur Zustandsbestimmung eines thermischen Pufferspeichers sowie zur multikriteriellen Regelung einer Heizungsanlage

Info

Publication number: DE102011011022B4
Application number: DE102011011022.4A
Authority: DE
Inventors: Urs Wehmhörner; Josef Lipp; Johannes Jungwirth; Florian Sänger
Original assignee: Vk Energie GmbH
Current assignee: Vk Energie De GmbH
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2031-02-12
Also published as: DE102011011022A1

Abstract

Verfahren zur multikriteriellen Regelung einer Heizungsanlage, wobei basierend auf einer momentanen Wärmebilanz, einem momentan nutzbaren Energieinhalt, und einer verbleibenden Speicherkapazität ein Zeitfenster für einen quasistationären Betrieb der Heizungsanlage mit momentan benötigter Wärmeerzeugung und/oder mit momentan benötigter Stromerzeugung berechnet wird und die Heizungsanlage während des Zeitfensters auf diese momentan benötigte Wärmeerzeugung und/oder momentan benötigte Stromerzeugung geregelt oder gesteuert wird, umfassend die folgenden Schritte zur Zustandsbestimmung eines thermischen Pufferspeichers (2):- kontinuierliches Messen der Temperatur einer Flüssigkeitssäule im Pufferspeicher (2) an zumindest vier, insbesondere zumindest fünf, insbesondere zumindest sieben, insbesondere zumindest zehn, entlang der Höhe (hPS) des Pufferspeichers (2) angeordneten Temperaturmessstellen (4),- Bestimmen eines kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs mittels Interpolation und/oder Berechnung basierend auf den gemessenen Temperaturen,- Berechnen des momentan nutzbaren Energieinhaltes des Pufferspeichers (2) basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf, und- Berechnen der momentan nutzbaren Speicherkapazität des Pufferspeichers (2) basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf,- Berechnen einer momentanen Wärmebilanz, welche eine Differenz aus Ladeleistung und Entladeleistung des Pufferspeichers (2) wiedergibt,- Regeln einer Wärmequelle der Heizungsanlage (1), insbesondere eines Spitzenlastkessels (5) und/oder eines Kraft-Wärme-Kopplungs-Moduls (6), basierend auf der momentanen Wärmebilanz und dem momentan nutzbaren Energieinhalt,- Festlegen eines Zeitabstandes, in dem eine Veränderung des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs messbar ist, insbesondere zwischen 50 und 300 Sekunden, insbesondere zwischen 100 und 200 Sekunden,- Bestimmen, ob eine Mitte einer Mischzone aus kalter und warmer Flüssigkeit im Pufferspeicher (2) während des Zeitabstandes nach oben oder unten wandert und Bestimmen einer Höhendifferenz, über welche die Mitte der Mischzone im Zeitabstand wandert,- Berechnen einer mittleren thermischen Leistung im Zeitabstand, basierend auf der Höhendifferenz und einer Temperaturdifferenz im Pufferspeicher (2) oder basierend auf einer Änderung des absoluten Pufferspeicherinhalts im Zeitabstand,- Berechnen des momentan nutzbaren Energieinhaltes, basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Sollvorlauftemperatur der Heizungsanlage,- Berechnen der momentan nutzbaren Speicherkapazität, basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Eingangstemperatur des Pufferspeichers (2), und- Berechnen des Zeitfensters für eine quasistationäre Steuerung und/oder Regelung der Wärmequelle der Heizungsanlage, basierend auf einer Division des momentan nutzbaren Energieinhaltes oder der verbleibenden Speicherkapazität mit der berechneten momentanen Wärmebilanz.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur multikriteriellen Regelung einer Heizungsanlage, umfassend ein Verfahren zur Zustandsbestimmung des thermischen Pufferspeichers, sowie eine Heizungsanlage mit einem Steuergerät, ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens zur multikriteriellen Regelung der Heizungsanlage. Eine derartige Heizungsanlage sowie ein derartiges Verfahren sind aus der DE 10 2004 036 487 A1 bekannt. Die DE 196 02 973 A1 betrifft ein Wärmeenergievorratsmessgerät für Wärmespeichertanks.
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) werden in der Regel als Grundlastwärmeerzeuger zusammen mit einem Spitzenlastkessel 5 und einem thermischen Speicher (Heizungspufferspeicher) installiert. Dabei gleicht der Speicher kurzfristige Wärmeschwankungen aus und der zusätzliche Kessel springt bei einem erhöhten Wärmebedarf zur Spitzenlastdeckung an. Für die Anlagenregelung wird der Speicher nach dem Stand der Technik mit typischerweise drei Temperaturmessstellen ausgerüstet. Überschreitet ein Temperaturmesswert einen eingestellten Sollwert, schaltet das KWK-Modul 6 ab oder reduziert seine Leistung. Im umgekehrten Falle - also bei Unterschreitung eines eingestellten Sollwerts - startet das KWK-Modul 6 oder erhöht seine Leistung. Wenn die Temperatursollwertabweichung entsprechend einer eingestellten Hysterse und Wartezeit zu groß wird, schaltet der Spitzenlastkessel 5 zu.
1 zeigt ein beispielhaftes Hydraulikschema mit einer Heizungsregelung nach dem Stand der Technik. Die Heizungsanlage 1 aus 1 umfasst einen thermischen Pufferspeicher 2. Über diesen thermischen Pufferspeicher 2 wird eine Wärmesenke bzw. ein Verbraucher 3 versorgt. Der thermische Pufferspeicher 2 wird gespeist über einen Spitzenlastkessel 5 und ein KWK-Modul 6. Der Spitzenlastkessel 5 und das KWK-Modul 6 werden über eine herkömmliche Steuereinheit 7 gesteuert. Die Temperatur im thermischen Pufferspeicher 2 wird über drei Temperaturmessstellen 4 bestimmt. Der Pufferspeicher 2 erstreckt sich in vertikaler Richtung über eine Höhe h_PS des Pufferspeichers 2. Unter Verbraucher bzw. Wärmesenke ist z.B. die Prozesswärme im Gewerbe-Handel-Dienstleistungs-(GHD)-Sektor, der Heizkreislauf und die Warmwasseranforderung oder die Ladung von Warmwasserspeichern zu verstehen.
KWK-Anlagen werden momentan entweder strom- oder wärmegeführt betrieben. Beim wärmegeführten Betrieb ist das primäre Regelungsziel die Deckung des Wärmebedarfs.
Das KWK-Modul 6 versucht dabei ausschließlich dem Wärmebedarf des Gebäudes zu folgen. Bei Stromführung entspricht der Strombedarf des Versorgungsobjekts dem Regelungsziel. Dementsprechend folgt das KWK-Modul 6 ausschließlich dem elektrischen Gebäudebedarf. Es wird jeweils nur eine Energieform betrachtet und ausgeregelt.
Den aktuellen Regelungen von KWK-Anlagen und Heizungssystemen im Allgemeinen fehlt die Kenntnis über den Speicherzustand (Pufferspeicherinhalt und Pufferspeicherkapazität) und die thermischen Verbraucherlasten. Folglich treten sowohl bei der Wärme- als auch bei der Stromführung ungünstige Betriebszustände auf, weil bei beiden Betriebsweisen der jeweils komplementäre Bedarf vernachlässigt wird und nicht in die Regelstrategie mit einfließt. So steht das KWK-Modul 6 im Modus „Stromführung“ still, wenn der Strombedarf gering ist, jedoch Heizwärme benötigt wird. Ebenso schaltet das KWK-Modul 6 ab, wenn die Wärmeabnahme zu gering ist und der Pufferspeicher „voll“ ist, also die maximal zulässigen Temperaturen der jeweiligen Temperaturmessstelle erreicht sind. Im Fall der „Wärmeführung“ wird der Strombedarf außer Acht gelassen. Das KWK-Modul 6 läuft unter Umständen in Zeiten niedrigen Strombedarfs (aufgrund von Heizwärmebedarf) und reduziert die Leistung zu einem anderen Zeitpunkt, z.B. wenn der Strombedarf hoch, der Wärmebedarf aber niedrig ist. Weitere Sollwerte oder Eingangsparameter werden im Stand der Technik überhaupt nicht betrachtet. Da die heutigen KWK- und Heizungsregelungen typischerweise nur drei Temperaturwerte mit festen Solltemperaturen als Schaltwerte im Speicher kennen, sind sie träge und ist die Reaktionszeit bei Bedarfsänderungen sehr lang. Tritt ein Bedarfssprung (beispielsweise am Ende der Nachtabsenkung) auf, wird der Speicher so lang entleert, bis die Sollwerttemperatur ders entsprechenden Temperaturmessstelle unterschritten ist; erst danach reagiert die Heizungstechnik auf den Sprung. Ein weiterer Aspekt ist das anschließende Zuschalten des Spitzenlastkessels 5. Ohne Kenntnis des tatsächlichen Bedarfs wird der Spitzenlastkessel 5 bei Nennlast betrieben, um den Temperatursollwert zu erreichen.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur kostengünstigen und exakten Zustandsbestimmung eines thermischen Pufferspeichers bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur energieeffizienten Regelung einer Heizungsanlage anzugeben und eine Heizungsanlage bereitzustellen, die bei kostengünstiger Herstellung und Wartung energieeffizient geregelt wird.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der momentan nutzbare Energieinhalt des Pufferspeichers basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Sollausgangstemperatur des Pufferspeichers, welche einer Sollvorlauftemperatur einer Heizungsanlage entspricht, berechnet wird, und/oder dass die momentan nutzbare Speicherkapazität des Pufferspeichers basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und der Eingangstemperatur des Pufferspeichers (Vorlauftemperatur eines Wärmeerzeugers) berechnet wird.
Ferner ist es von Vorteil, dass die momentane Wärmebilanz basierend auf einer zeitlichen Veränderung der Messwerte an den Temperaturmessstellen oder basierend auf einer zeitlichen Veränderung des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs oder basierend auf einer zeitlichen Veränderung des normierten (auf 0°C) (absoluten) Pufferspeicherinhalts berechnet wird.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der momentan nutzbare Energieinhalt mittels einer Integration des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs über die Höhe des Pufferspeichers berechnet wird. Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die momentan nutzbare Speicherkapazität mittels einer Integration des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs über die Höhe des Pufferspeichers berechnet wird. Wobei in beiden Fällen unter Integration auch eine vereinfachte Berechnung, so z. B. Summenbildung mit kleinen Schritten entlang des Temperaturverlaufs oder Mittelwertbildung über Speicherhöhenabschnitte, zu verstehen ist.
In vorteilhafter Ausbildung wird der kontinuierliche Speichertemperaturverlauf über ein mathematisches Approximationsverfahren bestimmt. Jedes mathematische Approximationsverfahren ist einsetzbar. Die Sigmoidkurve ist bevorzugt, da sie robust, sehr genau und schnell approximiert.
Das kontinuierliche Messen der Temperatur an der Flüssigkeitssäule im Pufferspeicher erfolgt an zumindest vier, insbesondere an zumindest fünf, insbesondere an zumindest sieben, insbesondere an zumindest zehn, über die Höhe des Pufferspeichers verteilten Temperaturmessstellen. Der Ausdruck „kontinuierliches Messen“ schließt ein zeitgetaktetes Messen mit entsprechend kurzer Taktung nicht aus.
Die Ausgestaltungen für das Verfahren zur Zustandsbestimmung eines thermischen Pufferspeichers finden entsprechend vorteilhafte Anwendung für das Verfahren zur multikriteriellen Regelung der Heizungsanlage. Die Erfindung ist bei allen Heizungsanlagen mit Speichern einsetzbar, so z. B. auch bei Wärmepumpen, Kesseln mit solarer Unterstützung, Biomassekessel mit Speicher, etc. Zusätzlich erfolgt bevorzugt das Steuern und/oder Regeln der Heizungsanlage basierend auf dem momentanen Strompreis und/oder der momentanen Netzspannung und/oder dem momentanen Wetter und/oder einem prognostizierten Strompreis und/oder einem prognostizierten Wetter und/oder einem externen Steuersignal einer übergeordneten Steuerung und/oder der Regelleistungsvorhaltung.
Die hier vorgestellte Erfindung ist nicht auf eine Technologie beschränkt und kann in jedem beliebigen Heizungssystem, Klima- und Raumkonditionierungskonzept beliebiger Größenordnung eingesetzt werden. Bedingung ist die Verwendung eines Speichers, der in der Bauform, der technischen Ausführung und der Größe variieren kann. Bevorzugt kommt die Erfindung bei einer Kraft-Wärme-Kopplung in einem Gewerbe-, Handels-, Dienstleistungsgebäude, Wohngebäude oder Industriegebäude zum Einsatz, weil hier durch die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung mehrere Regelungsziele vorhanden sind. Der Einsatz der Erfindung erwirkt für diesen Anwendungsfall einen sofortigen Nutzen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Heizungsanlage basierend auf dem verbleibenden Pufferspeicherinhalt und/oder basierend auf der verbleibenden Speicherkapazität des Pufferspeichers gesteuert und/oder geregelt wird.
Vorteilhafterweise wird basierend auf der momentanen Wärmebilanz, dem momentan nutzbaren Energieinhalt, und der verbleibenden Speicherkapazität ein Einschaltzeitpunkt und/oder ein Ausschaltzeitpunkt für eine Wärmeerzeugung und/oder eine Stromerzeugung und/oder eine Laständerung (Modulation) der Wärme- und/oder Stromerzeuger in der Heizungsanlage berechnet.
Die Heizungsanlage wird anhand eines Zeitfensters geregelt / gesteuert. Basierend auf der momentanen Wärmebilanz, dem momentan nutzbaren Energieinhalt, und der verbleibenden Speicherkapazität wird ein Zeitfenster für einen quasistationären Betrieb der Heizungsanlage mit momentan benötigter Wärmeerzeugung und/oder mit momentan benötigter Stromerzeugung berechnet. Die benötigte Wärme und/oder der benötigte Strom werden der Heizungsanlage im Zeitfenster als konstant vorgegeben.
Im Detail umfasst das Verfahren hierzu folgende Schritte: (i) Festlegen eines Zeitabstandes, in dem eine Veränderung des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs messbar bzw. erkennbar ist. Insbesondere beträgt der Zeitabstand zumindest 50 Sekunden, insbesondere zumindest 100 Sekunden. Die Obergrenze des Zeitabstandes liegt bevorzugt bei 300 Sekunden, insbesondere bei 200 Sekunden, (ii) Bestimmen ob eine Mitte einer Mischzone aus kalter und warmer Flüssigkeit im Pufferspeicher während des Zeitabstandes nach oben oder unten wandert und Bestimmen einer Höhendifferenz, über welche die Mitte der Mischzone im Zeitabstand wandert. (iii) Berechnen einer mittleren thermischen Leistung im Zeitabstand basierend auf der Höhendifferenz und einer Temperaturdifferenz im Pufferspeicher oder der Änderung des absoluten Pufferspeicherinhalts im Zeitabstand, (iv) Berechnen des momentan nutzbaren Energieinhaltes basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Sollvorlauftemperatur der Heizungsanlage. (v) Berechnen der momentan nutzbaren Speicherkapazität basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Vorlauftemperatur der Wärmeerzeuger. (vi) Berechnen des Zeitfensters für eine quasistationäre Steuerung und/oder Regelung der Heizungsanlage, insbesondere der Wärmequelle und/oder des Kraft-Wärme-Kopplungs-Moduls 6, basierend auf einer Division des momentan nutzbaren Energieinhaltes oder der verbleibenden Speicherkapazität mit der berechneten momentanen Wärmebilanz.
Ferner umfasst die Erfindung eine Heizungsanlage gemäß Anspruch 8
Es sind zumindest vier, insbesondere zumindest fünf, insbesondere zumindest sieben, insbesondere zumindest zehn, entlang der Höhe des Pufferspeichers angeordnete Temperaturmessstellen vorgesehen. Die Anzahl und die Position der Temperaturfühler bestimmen die Genauigkeit des berechneten Temperaturverlaufs. Eine geeignete Anzahl an Messstellen ist gegeben, wenn die Menge an Stützstellen für eine hohe Genauigkeit der berechneten Temperaturkurve zu den Messstellen (nach beliebigem mathematischen Interpolations- oder Fittingverfahren) gegeben ist. Eine geeignete Position der Temperaturmessstellen ist gegeben, wenn die Messstellen jene Speicherbereiche abdecken, in denen sich die Temperaturmischzone mit hoher Wahrscheinlichkeit befindet um Temperaturänderungen (somit Speicherzustandsänderungen) schnell zu identifizieren. Die Temperaturmischzone ist definiert durch Temperaturgradienten wesentlich größer Null und ist jener Bereich, der die Speicherzustands- und damit auch die Laständerungen von Wärmeerzeugern und Wärmeverbrauchern zeigt. Somit ist die Kombination aus Messstellenanzahl und Messstellenposition derart zu wählen, dass die Auswahl der beiden Papameter die Kurvenanpassung oder -interpolation mit hoher Genauigkeit gewährleistet. Sowohl die Temperaturmessstellenanzahl, als auch die Positionierung der Messstellen hängt von dem gewählten Speichertyp ab. Das Kurvenberechnungsverfahren ist unabhängig vom Speichertyp, benötigt jedoch die Parameter Höhe und Querschnittsfläche des Speichers und Höhenposition sowie Anzahl der installierten Temperaturmessstellen am oder im Speicher. Die Installation der Temperaturmessstelle kann als Anlegemessstelle, in Tauchhülsen, oder direkt im Heizungswasser erfolgen. Im Falle der Installation als Anlegefühler ist auf eine Installation unter der Dämmung (mit ausreichender Stärke) zu achten, ansonsten kann das Messergebnis durch die Umgebung verfälscht werden.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Temperaturmessstellen zum Messen der Temperatur an einer Außenwand des Pufferspeichers angebracht sind. Die innerste Wandung des Pufferspeichers ist daher bevorzugt nicht durchbrochen. Somit können die Temperaturmessstellen auch an bestehenden Pufferspeichern nachgerüstet werden. Diese Temperaturmessstellen werden auch als Anlegefühler bezeichnet. Sie haben eine sehr gute Genauigkeit und sind einfach nachzurüsten. Alternativ oder zusätzlich sind seitliche, oder oben angebrachte Tauchhülsen, oder interne Fühlereinbauten als Temperaturmessstellen vorgesehen. Die Temperaturmessstellen können an mehreren Seiten eingebaut werden. Die Seite(n) mit den Anschlüssen von Wärmeerzeugern und -verbrauchern bleiben bevorzugt frei, weil hier Turbulenzen das Messergebnis verfälschen können.
Besonders bevorzugt umfasst die Heizungsanlage ein mit der Steuer-/Regeleinheit gesteuertes und/oder geregeltes Kraft-Wärme-Kopplungs-Modul (KWK-Modul 6) zur gleichzeitigen Wärmeerzeugung und Stromerzeugung.
Die Heizungsanlage kann einen mit der Steuer-/Regeleinheit gesteuerten und/oder geregelten zweiten Wärmeerzeuger umfassen. Das kann auch ein zweites, oder drittes, oder x-tes KWK-Modul 6 oder ein Spitzenlastkessel 5 sein, das bzw. der je nach Speicherzustand und multikriteriell geregelt zugeschaltet wird.
Um den KWK-Betrieb nach multikriteriellen Regelungszielen optimieren zu können, muss eine intelligente Regelung für Heizungs- und/oder KWK-Anlagen (auch als Blockheizkraftwerk bezeichnet) mit thermischen Speichern eingesetzt werden. Durch einen variablen, aktiv gesteuerten Einsatz des Pufferspeichers kann die Erzeugung durch das KWK-Modul 6 und der Verbrauch durch die thermischen Lasten im Versorgungsobjekt entkoppelt werden. Des Weiteren wird die direkte Kopplung von Wärme- und Stromerzeugung im KWK-Modul 6 zeitlich aufgelöst. Um das maximale Potential der Entkopplung von Erzeugung und Bedarf sowie Wärme- und Stromerzeugung ausschöpfen zu können, müssen der Regelung möglichst detaillierte Informationen über Erzeugung und Verbrauch (thermisch und elektrisch), sowie weitere relevante Parameter zur Verfügung stehen. Dazu zählen: die thermische Last des Gebäudes, die elektrische Last des Gebäudes, die thermische Erzeugung der KWK-Anlage, die elektrische Erzeugung der KWK-Anlage, die thermische Speicherkapazität des Speichers, der nutzbare Energieinhalt des Speichers, die maximale Laufzeit der KWK-Anlage, und/oder die maximale Abschaltzeit der KWK-Anlage.
Alle diese Informationen sind bevorzugt der erfindungsgemäßen intelligenten Regelung zu jedem Zeitpunkt und möglichst ohne zeitliche Verzögerung zur Verfügung zu stellen. Dies ist im Stand der Technik noch nicht möglich und geschieht daher nicht.
Die Erfassung von elektrischem Bedarf und Erzeugung ist Stand der Technik und wird bereits eingesetzt, um beispielsweise mit Hilfe eines „stromgeführten“ Betriebs den Anteil des eigengenutzten Stroms zu maximieren. Eine exakte, kontinuierliche und schnelle Erfassung der thermischen Leistungen und Energien der Wärmeerzeuger und vor allem der Wärmeverbraucher, sowie eine Weitergabe an die Regelung ist nach dem Stand der Technik nicht möglich. Zwar sind die notwendigen Sensoreinheiten, wie z.B. Wärmemengenzähler oder Temperatursensoren mit Wasserzählern auf dem Markt verfügbar, werden aber aufgrund der relativ hohen Anschaffungskosten nicht für die Zwecke der Regelung von Heizungssystemen bzw. KWK-Anlagen mit Pufferspeichern eingesetzt. Die Zustandsbestimmung des Speichers, insbesondere des Pufferspeicherinhalts und der Speicherkapazität, ist auch nicht mit Wärmemengenzählern möglich. Die Kenntnis dieser thermischen Größen ist für die Realisierung eines multikriteriellen Regelungssystems jedoch unverzichtbar.
Die weiteren berechenbaren Größen, „thermische Speicherkapazität“ und „Energieinhalt des Speichers“, werden im Stand der Technik überhaupt nicht betrachtet, werden in der Erfindung aber bevorzugt eingesetzt. Die maximalen Lauf- bzw. Abschaltzeiten der Heizungsanlage, insbesondere des BHKWs, können aus thermischer Speicherkapazität und Energieinhalt des Speichers sowie thermischem Bedarf und Erzeugung berechnet werden. Dies ermöglicht zeitlich bestimmte Optimierungs- und Regelungszeiträume nach beliebigen Sollwerten.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung genauer erläutert. Dabei zeigt:

1 eine KWK- und Heizungssteuerung nach dem Stand der Technik,
2 eine Gegenüberstellung eines herkömmlichen Pufferspeichers mit einem erfindungsgemäßen Pufferspeicher gemäß dem Ausführungsbeispiel,
3 eine erfindungsgemäße Heizungsanlage gemäß dem Ausführungsbeispiel,
4 eine erfindungsgemäße Regelung der Heizungsanlage gemäß dem Ausführungsbeispiel,
5 Leistungen eines beispielhaften Versorgungsobjektes am „Übergangstag-Heiter“,
6 einen realen Beladevorgang am Pufferspeicher,
7a ein Schaubild zur Wärmebilanzberechnung über Kolbenhub,
7b ein Schaubild zur Wärmebilanzberechnung über den absoluten Pufferspeicherinhalt,
8 eine Sigmoidkurve des Beladevorgangs am Pufferspeicher gemäß dem Ausführungsbeispiel,
9 einen Vergleich von Wärmebilanzen und Strombilanzen,
10 Stromkennzahlen von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch,
11 Prüfstandsergebnisse einer Heizungsanlage mit KWK-Anlage und objektorientierter Regelung gemäß der Erfindung, und
12 einen Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens (untere Hälfte in 12) mit einer Standardregelung (obere Hälfte in 12).

Es werden folgende Abkürzungen in der Beschreibung und in den Figuren verwendet:

t: Zeit
T: Temperatur
h: Höhe
A: Fläche
PS: Pufferspeicher 2
KWK: Kraft-Wärme-Kopplungsanlage = Wärmeerzeuger
SLK: Spitzenlastkessel 5 = Wärmeerzeuger
HK: Heizkreis = Wärmeverbraucher
WWS: Warmwasserspeicher = Wärmeverbraucher
VL: Vorlauf
RL: Rücklauf

Im Folgenden wird anhand der 1 bis 4 das Ausführungsbeispiel zur Erfindung genauer erläutert. Sodann wird, basierend auf den 5 bis 10, eine beispielhafte Berechnung und Vermessung einer erfindungsgemäßen Heizungsanlage an einem Mehrfamilienhaus mit zehn Wohneinheiten vorgestellt.
Um einen flächendeckenden Einsatz eines intelligenten Regelungssystems umzusetzen, muss die Erfassung der relevanten Daten, speziell der thermischen Leistungen und Energien, mit einem möglichst geringen Einsatz an Arbeitsaufwand und finanziellen Mitteln realisiert werden. Um auch bestehende Anlagen mit einer intelligenten, multikriteriellen Regelung ausstatten zu können, ist auch die Möglichkeit einer nachträglichen Installation der Temperaturmessstellen in bestehende Heizungssysteme ermöglicht. Ein direkter Eingriff in das hydraulische System, wie es z.B. für die Installation von Wärmemengenzählern notwendig ist, ist somit vermieden, da zum einen der Arbeitsaufwand erheblich ist und zum anderen die Investitionskosten für Wärmemengenzähler den Preis für das gesamte Regelungssystem vervielfachen würden.
Da die Lebenszyklen in der Heizungstechnik im Bereich von bis zu 20 Jahren liegen, muss die Messtechnik in ihrem Aufbau möglichst robust, langlebig und störungsunempfindlich sein. Der Einsatz einer bereits langjährig erprobten Technologie zur Aufnahme der Messwerte ist daher bevorzugt. Unter Verwendung einer einfachen und robusten Temperaturmessung wird der thermische Zustand des Gebäudes erfasst. Der exakte Verlauf der Speichertemperaturen, der nutzbare Energieinhalt und die momentane Wärmebilanz werden mit Hilfe des im Folgenden vorgestellten Mess- und Berechnungsmodells auf Basis der Temperaturmesswerte bestimmt.
2 zeigt eine Gegenüberstellung eines herkömmlichen Pufferspeichers 2 mit einem erfindungsgemäßen Pufferspeicher 2. Hier ist gut zu sehen, dass in dem herkömmlichen Pufferspeicher (s. jeweils die linke Hälfte) lediglich drei Temperaturmessstellen 4 zum Einsatz kommen. Im Ausführungsbeispiel der Erfindung sind es zehn Temperaturmessstellen 4 (s. jeweils die rechte Hälfte).
2 zeigt, dass durch die Verbesserung der Messtechnik die Speicherzustandsänderungen deutlich besser erkannt werden, weil die Mischzone (Mischschicht) kontinuierlich detektiert wird. Aus den Temperaturwerten der einzelnen Temperaturmessstellen 4 wird durch die Erfindung eine stetige Kurve abgeleitet (siehe 7a und 7b und 8), die kontinuierlich eine temperaturgestützte Speicherzustandsbestimmung anhand der Wärmebilanz für eine multikriterielle Regelung von Wärmeerzeugern mit thermischen Speichern ermöglicht.
Ziel der hier vorgestellten Erfindung ist die temperaturgestützte Speicherzustandsbestimmung anhand der Wärmebilanz am Pufferspeicher 2, um eine multikriterielle Regelung zu ermöglichen. Neben der momentanen Wärmebilanz aus Lade- und Entladeleistungen, wird der nutzbare Energieinhalt als auch die noch vorhandene Speicherkapazität des Pufferspeichers 2 sehr genau bestimmt. Darauf aufbauend wird ein Zeitfenster für einen quasistationären Betrieb mit momentaner Wärme- und Stromerzeugung unter den aktuellen Betriebsbedingungen berechnet. Für die Bestimmung all dieser Größen werden als Sensoren lediglich zusätzliche Temperaturmessstellen 4 installiert.
Die Dichte von Wasser ändert sich mit der Temperatur und diese physikalische Eigenschaft führt dazu, dass sich das Wasser im Pufferspeicher 2 bei Temperaturen größer als 10°C nach der jeweiligen Dichte, somit der Temperatur, aufsteigend schichtet. Das wärmste Wasser ist oben, das kälteste, also das dichteste, ist unten im Pufferspeicher 2 zu finden. Diese Eigenschaft wird verwendet, um den Speicherzustand genau zu bestimmen und auszuwerten. Es werden die Speichertemperaturen entlang der Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 an bevorzugt zehn über die Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 beliebig verteilten Punkten an der Pufferspeicheraußenwand gemessen. Die Messung von Temperaturen stellt eine Standardanwendung dar, die aktuell mit verschiedenen Technologien in diversen Preis- und Qualitätsniveaus realisiert werden kann.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Regelung wird nicht erst das Erreichen eines Temperaturschwellwertes an einer Temperaturmessstelle 4 im Pufferspeicher 2 erfasst, sondern das gesamte Temperaturprofil über die Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 verteilt gemessen und berechnet. Abhängig von den Temperaturen, bzw. dem Beladegrad, bildet sich irgendwo im Pufferspeicher 2 eine Mischzone zwischen oberer Grenztemperatur (Vorlauftemperatur der Wärmeerzeuger) (T_PS,_oben ≈ T_{Wärmeerzeuger,VL}) und unterer Grenztemperatur (Rücklauftemperatur der Wärmeverbraucher bzw. Wärmesenke 3) (T_{PS, unten} ≈ T_{Wärmeverbraucher,RL}) aus (siehe 7a und 7b). Die Mischzone ist durch einen Temperaturgradienten (Temperaturänderung pro Höhensegment) wesentlich größer Null charakterisiert. Je höher der Gradient, desto kleiner die Mischzone. Die Speicherzustandsbestimmung erfolgt nun durch die Messung der Temperaturänderungen an allen Temperaturmessstellen 4.
Der Temperaturverlauf im Pufferspeicher 2 kann durch eine Sigmoidkurve der Gleichung 01 als stetige Funktion beschrieben werden. $T_{P S} (h_{P S}) = \frac{A}{1 + {(\frac{B}{h_{P S} - h_{0}})}^{C}} + D$
Hierin beschreibt Parameter A die Temperaturdifferenz (T_PS,oben - T_PS,unten) zwischen oberem (T_PS,oben) und unterem Grenzwert (T_PS,unten) der Speichertemperaturen. Der Parameter D entspricht einer Nullpunktverschiebung und ist damit durch den unteren Speichertemperaturgrenzwert eindeutig bestimmt. Daraus resultiert auch die robuste Berechnung mittels der Sigmoidkurve. Der zu verwendende Bereich der Sigmoidkurve wird durch den Parameter h₀ festgelegt. Dieser wurde empirisch auf h₀=300 bis 500, insbesondere h₀=400, festgelegt. Der empirische Wert h₀=400 gilt für den hier verwendeten Speicher. In allgemeiner Betrachtung ist h₀ bevorzugt um den Faktor 1,5, insbesondere um den Faktor 2, insbesondere um den Faktor 2,5 größer als die Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 in cm (bzw. in der Einheit, in der gerechnet wird). Sonst hat die verwendete Funktion eine Sprungstelle. Die Parameter B und C werden mit Hilfe eines numerischen Verfahrens zur Ausgleichsrechnung, bevorzugt dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus (weitere Anpassungsalgorithmen sind implementierbar), angepasst, um die Sigmoidkurve mit einem minimalen Fehlerquadrat den (bevorzugt zehn) Temperaturmesswerten anzunähern. Durch die Kenntnis der Parameter dieser Sigmoidkurve kann aus den diskret gemessenen Speichertemperaturen ein kontinuierlicher Temperaturverlauf im Pufferspeicher 2 interpoliert/berechnet werden. Dieser Temperaturverlauf und dessen Gradient ermöglichen die Berechnung von thermischen Leistungen und Energien, sowie Speicherenergiemengen, oder Beladungs- oder Entladungs-Zeitfenster, in denen die Heizungsanlage multikriteriell geregelt werden kann.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Heizungsanlage mit thermischem Pufferspeicher 2, Wärmesenke 3, Spitzenlastkessel 5, KWK-Modul 6 und einer erfindungsgemäßen Steuer-/Regeleinheit 8 zur Ansteuerung des Spitzenlastkessels 5 und des KWK-Moduls 6.
3 zeigt die temperaturgestützte Speicherzustandsbestimmung anhand der Wärmebilanz für eine multikriterielle Regelung von Wärmeerzeugern mit thermischen Speichern. Sowohl der Spitzenlastkessel 5 als auch die KWK-Anlage werden nicht mehr diskret anhand fester Solltemperaturwerte der Steuereinheit 7 (siehe 1), sondern kontinuierlich und multikriteriell anhand der Wärmebilanz der Steuereinheit 8 gesteuert.
Wird der Pufferspeicher 2 beladen, wird oben warmes Wasser eingebracht und verdrängt kaltes Wasser nach unten, die Mischzone wandert nach unten. Beim Verschieben der Mischzone in der Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 wird mit der Speicherquerschnittsfläche A_PS des Pufferspeichers ein Volumen V_PS verdrängt. Die Ermittlung der Höhe des Wendepunktes der Sigmoidkurve (Mitte der Mischzone) zu Beginn und zum Ende eines definierten Zeitabstandes bestimmt, in welche Richtung die Mischzone wandert und welche Höhendifferenz im vorgegebenen Zeitabstand überwunden wurde. Gleichung 02 gibt den mathematischen Zusammenhang für die Bestimmung der thermischen Leistung Q̇_PS während des Verdrängungsvorgangs an. ${\dot{Q}}_{P S} = A_{P S} \cdot \frac{Δ h_{P S}}{Δ t} \cdot ρ \cdot c_{ρ} \cdot (T_{P S, o b e n} - T_{P S, u n t e n})$
Mit der Temperaturdifferenz aus oberem und unterem Grenzwert (das entspricht der jeweiligen Vorlauf- und Rücklauftemperatur) und der Wärmekapazität und der Dichte von Wasser ergibt dies die mittlere thermische Leistung, die Wärmebilanz. Sie entspricht der Summe aus Wärmeerzeugung und Wärmebedarf nach Gleichung 03. ${\dot{Q}}_{P S} = {\dot{Q}}_{K W K} + {\dot{Q}}_{K e s s e l} - {\dot{Q}}_{G e b \ddot{a} u d e}$
Die Berechnung der Wärmebilanz kann auch anhand der Änderung der normierten (absoluten) Speicherkapazität im definierten Zeitabstand nach Gleichung 04 erfolgen. Die absolute Speicherkapazität erfolgt durch die Integration der Speichertemperaturkurve über die Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 bezogen auf eine Wassertemperatur von 0°C nach Gleichung 05. $\begin{array}{l} {\dot{Q}}_{P S} = \frac{Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, a b s o l u t_t 1} - Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, a b s o l u t_t 2}}{Δ t} \\ = \frac{Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, a b s o l u t_t 1} - Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, a b s o l u t_t 2}}{t_{1} - t_{2}} \end{array}$
$Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, a b s o l u t} = A_{P S} \cdot ρ \cdot c_{ρ} \int (T_{P S} - 0 ° C) d h_{P S}$
Die Berechnung des nutzbaren Energieinhaltes und der nutzbaren Speicherkapazität erfolgt abschließend durch Integration der Speichertemperaturkurve über die Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 nach Gleichung 06, Gleichung 07, und Gleichung 08. $Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, H K} = A_{P S} \cdot ρ \cdot c_{ρ} \int (T_{P S} - T_{H K, V L}) d h_{P S}$
$Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, W W S} = A_{P S} \cdot ρ \cdot c_{ρ} \int (T_{P S} - T_{W W S, V L}) d h_{P S}$
$Q_{P S, S p e i c h e r k a p a z i t \ddot{a} t} = A_{P S} \cdot ρ \cdot c_{ρ} \int (T_{W \ddot{a} r m e e r z e u g e r, V L} - T_{P S}) d h_{P S}$
Aus der aktuellen Wärmebilanz und den Energiewerten von Pufferspeicherinhalt und - kapazität wird ein Zeitfenster für einen quasistationären KWK-Einsatz unter den aktuellen Betriebsbedingungen nach Gleichung 09, Gleichung 10, und Gleichung 11 bestimmt. $t_{P S, N u t z b a r, H K} = \frac{Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, H K}}{{\dot{Q}}_{P S}}$
$t_{P S, N u t z b a r, W W S} = \frac{Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, W W S}}{{\dot{Q}}_{P S}}$
$t_{P S, B e l a d b a r} = \frac{Q_{P S, S p e i c h e r k a p a z i t \ddot{a} t}}{{\dot{Q}}_{P S}}$
Die erfindungsgemäße temperaturgestützte Speicherzustandsbestimmung anhand der Wärmebilanz und der Speicherenergien geht in einer multikriteriellen KWK- oder Heizungsregelung auf, die eine beliebige KWK-Fahrweise eines Heizungssystems unter allen denkbaren Regelungszielen ermöglicht. Dies sind unter anderem die aktuelle elektrische Last, der aktuelle Strompreis, die aktuelle Netzspannung, die aktuelle Sonneneinstrahlung, der prognostizierte Strompreis, das prognostizierte Wetter, externe Vorgaben einer übergeordneten Steuerung, die Bereitstellung von Regelleistung, die geforderte Vorhaltung von Regelleistung, etc..
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Prinzipschaltbild der Regelung. Die kontinuierliche Rückkopplung durch die Wärmebilanz ermöglicht eine Regelung auf beliebige Regelungsgrößen (elektrische Last, Strompreise, Spannung, etc.) und gleichzeitig auf mehrere Regelungskriterien. Somit ist die Regelung multikriteriell.
Mithilfe der kontinuierlichen Rückkopplung über die Wärmebilanz ist es nun erstmals möglich, mehrere Größen in die Regelung zu integrieren. Die Regelung erfolgt kaskadiert und folgt in der inneren Kaskade einem Regelungsziel, das üblicherweise dynamischer ist, als das thermische Verhalten der Heizungsanlage, welches über die Rückkopplung mithilfe der Wärmebilanz in der äußeren Kaskade ausgeregelt wird.
Beispielfall 1: Im Falle einer Heizungsanlage mit KWK-Anlage (eine KWK-Anlage besteht aus einem oder mehreren KWK-Modulen 6, die bedarfsgerecht zu- bzw. abgeschaltet werden, bzw. hoch oder herunter moduliert werden) und der Regelung anhand der elektrischen Last eines Versorgungsobjektes wird die Stromerzeugung an den Bedarf angepasst. Die Anpassung führt zu einer Veränderung der Wärmeerzeugung, diese Veränderung erkennt die Wärmebilanz und bewertet sie anhand des Speicherzustands (Speicherkapazität und Pufferspeicherinhalt). Die Regelung fährt objektorientiert und hat zwei Regelungskriterien.
Beispielfall 2: Im Falle einer Heizungsanlage mit KWK-Anlage und der Regelung anhand eines flexiblen Strompreises wird die Stromerzeugung minimiert, wenn der Preis günstig ist und maximiert, wenn der Preis hoch ist. Die Wärmebilanz erkennt die Leistungsmodulation der KWK-Anlage und bewertet sie anhand des Speicherzustands (Speicherkapazität und Pufferspeicherinhalt). Die Regelung fährt objektorientiert und strompreisorientiert und hat drei Regelungskriterien.
Beispielfall 3: Im Falle einer Heizungsanlage mit KWK-Anlage in einem virtuellen Kraftwerk, die externe Leistungsvorgaben (über beliebige Kommunikationsschnittstellen) erhält, stellt die Regelung über die Wärmebilanz und den Speicherzustand die geforderten Ein- und Ausschaltpunkte und die Ein- und Ausschaltleistungen für die externe Steuerung bereit. Andersherum kann die Regelung über die Wärmebilanz und den Speicherzustand ein kontinuierliches Signal eines quasistationären Betriebs mit einer möglichen Ein- bzw. Ausschaltleistung über eine mögliche Ein- bzw. Ausschaltzeit dem „Kraftwerksbetreiber“ zur Verfügung stellen.
Beispielfall 4: Im Falle einer Heizungsanlage mit Wärmepumpe, die extern über Rundsteuerung vom Energieversorger ein- und ausgeschaltet werden kann, bestimmt die Regelung über die Wärmebilanz und den Speicherzustand die Ein- und Ausschaltpunkte und die Ein- und Ausschaltdauern für die externe Steuerung des Energieversorgers. Andersherum kann die Regelung ein frühzeitiges Signal des Energieversorgers mit der geplanten Ein- bzw. Ausschaltzeit derart interpretieren, dass der Speicher rechtzeitig voll, bzw. leer ist.
Die Beispielfälle lassen sich beliebig weiterführen, einzig ein thermischer Speicher ist nötig, um mithilfe der erfindungsgemäßen Zustandsbestimmung des Speichers den zeitlichen Freiheitsgrad des Pufferspeicherinhalts und der Speicherkapazität für die Regelung nutzbar zu machen.
Die exakte Kenntnis über das Zeitfenster einer Entkopplung von thermischem Bedarf und thermischer Leistung sowohl bei Speicherbe- als auch bei Speicherentladung beschreibt den Freiheitsgrad für einen optimierten Einsatz des KWK-Moduls 6 und ist wesentlich für eine multikriterielle Regelung.
Das im Folgenden betrachtete Versorgungsobjekt ist ein Mehrfamilienhaus (MFH) mit zehn Wohneinheiten, angelehnt an die deutsche Gebäudetypologie des Institutes Wohnen und Umwelt (IWU) [1] mit Standort München. Das Gebäude wurde im Jahr 2002 nach geltender Energieeinsparverordnung saniert [7] und wird von 22 Personen bewohnt.
Die Gebäudeenergieversorgung erfolgt über das elektrische Netz und einen Gasnetzanschluss. Zur Wärmeversorgung sind ein KWK-Modul 6 und ein Spitzenlastkessel (SLK) 5 mit einem Pufferspeicher und einem Warmwasserspeicher (WWS) installiert. Das KWK-Modul 6 ist auf ca. 24% der thermischen Spitzenlast ausgelegt. Der Spitzenlastkessel 5 stellt die benötigte Restwärme bereit. Das KWK-Modul 6 wird netzparallel betrieben. Im Folgenden wird eine Gebäudeenergieversorgung bestehend aus einem modulierenden KWK-Modul 6 mit einer elektrischen Nennleistung von 4,7 kW_el und einer thermischen Nennleistung von 12,5 kW_th, sowie einer modulierenden Gasbrennwerttherme mit einer Nennleistung von 45,0 kW_tn betrachtet.
Der thermische und elektrische Energiebedarf des Gebäudes wird über fünf sogenannte Typtage abgebildet. Die Typtage repräsentieren die Witterungsbedingungen heiterer und bewölkter Wintertage, heiterer und bewölkter Übergangstage und Sommertage. Mit Hilfe der fünf Typtage können Jahresenergiebilanzen erstellt werden. Der Heizwärmebedarf wurde mit TRNSYS simuliert. Eingangsdaten waren das Testreferenzjahr des Deutschen Wetterdienstes [2] und die Kennwerte der Gebäudetypologie des IWU [3]. Der Stromverbrauch ist den Referenzlastprofilen für Ein- und Mehrfamilienhäuser für KWK-Anlagen des VDI entlehnt [4]. Der Warmwasserbedarf entspricht dem Normaltag nach Mühlbacher [5]. Um die Einschränkungen der Standardregelungen der KWK-Module 6 und die Möglichkeiten des (Speicher-)Wärmemanagements deutlich zu machen, werden im Folgenden zwölf Stunden des Typtags „Übergangstag-Heiter“ verwendet, die in 5 zu sehen sind.
Der „Übergangstag-Heiter“ zeichnet sich durch eine große Schwankungsbreite des Heizwärmebedarfs (oberer Graph) und einen zeitlichen Versatz zwischen Heizwärme- und Strombedarf (mittlerer Graph) aus. Insbesondere in den Nachmittagsstunden ist der Wärmebedarf aufgrund solarer Gewinne minimal, der Strombezug hingegen maximal. Lediglich Warmwasserbedarf und Zirkulation (unterer Graph) entladen mit geringen Leistungen den Warmwasserspeicher, was zu regelmäßigen WWS-Ladungen führt.
Um das KWK-Modul 6 im Spannungsfeld Wärme und Strom optimal einzusetzen, ist ein Wissen über die Energiebedarfe und die jeweiligen Leistungen des Versorgungsobjekts essentiell. Um die elektrische Last eines Gebäudes zu erfassen, können die bereits heute vorhandenen Impulsschnittstellen von modernen Stromzählern genutzt werden, die die Momentanleistung als leistungsabhängige Taktfrequenz ausgeben. Einige KWK-Module 6 haben ebenfalls entsprechende Schnittstellen und können die Impulsfrequenz abgreifen und der Regelung bereitstellen. Die Wärmelast hingegen ist nicht bekannt und wird durch die Außenbedingungen und den Warmwasserbedarf hervorgerufen. Um den thermischen Zustand des Gebäudes zu erfassen, werden hier der exakte Verlauf der Speichertemperaturen, der nutzbare Energieinhalt, die nutzbare Speicherkapazität und die momentane Wärmebilanz mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt. Hierdurch kann das KWK-Modul 6 objektorientiert geführt werden. Dies entspricht einer Kombination aus Strom- und Wärmeführung, die je nach thermischem Gebäudezustand die Wirkungsanteile der Regelung anpasst.
Zentrale Komponente der technischen Gebäudeausrüstung ist der Pufferspeicher. Durch die thermische Speicherkapazität entsteht der nötige Freiheitsgrad, um eine multikriterielle Regelung zu realisieren. Durch messtechnische Untersuchungen verschiedener Pufferspeicher an den fünf Typtagen konnte das thermische Verhalten von Pufferspeichern umfassend analysiert werden. 6 zeigt einen realen Beladevorgang mit geringer Leistung.
In diesem Beispiel werden die Speichertemperaturen entlang der Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 gleichverteilt an zehn Punkten (Punkte in 6) gemessen und hier graphisch verbunden. Die Kurvenschar setzt sich aus Messwerten der Speichertemperatur im Zeitabstand von 20 Minuten zusammen. Der Pufferspeicher wird über eine Dauer von 200 Minuten gleichmäßig beladen. Das Vorlaufwasser der Wärmeerzeuger verdrängt stetig das kältere Rücklaufwasser.
Es wird deutlich, dass sich eine Mischzone zwischen oberer Grenztemperatur (Vorlauftemperatur der Wärmeerzeuger) und unterer Grenztemperatur (Rücklauftemperatur der Wärmeverbraucher) mit einer relativen Dicke von ca. 40 cm ausbildet und weitestgehend unverändert über den Betrachtungszeitraum bestehen bleibt. Die Mischzone ist durch einen Temperaturgradienten wesentlich größer Null eindeutig definiert. Je höher der Gradient, desto kleiner die Mischzone. Die Mischzone des Speichervolumens wandert bei Beladevorgängen (entsprechend 6) nach unten, bei Entladevorgängen nach oben.
Eine Mischzone der Dicke Null wird durch einen unendlichen Temperaturgradienten definiert und entspricht einem idealen Temperatursprung zwischen oberer und unterer Grenztemperatur. Dieser theoretische Grenzfall wird Kolbenhub genannt [6] und 7a zeigt die ideale Mischzone als unendlich dünne Fläche.
Beim Verschieben des Kolbens in der Höhe h_PS des Pufferspeichers 2 wird mit der Speicherquerschnittsfläche A_PS des Kolbendeckels ein Volumen V_PS im definierten Zeitabstand verdrängt. Gleichung 12 gibt den mathematischen Zusammenhang für die Bestimmung des Volumenstromes V̇_PS im Speicher und die thermische Leistung Q̇_PS während des Verdrängungsvorgangs an. ${\dot{V}}_{P S} = A_{P S} \cdot \frac{Δ h_{P S}}{Δ t} = \frac{{\dot{Q}}_{P S}}{ρ \cdot c_{ρ} \cdot (T_{P S, o b e n} - T_{P S, u n t e n})}$
Die Höhenverschiebung im definierten Zeitabstand ergibt einen Nettovolumenstrom, der positiv einer Beladung durch die Wärmeerzeuger, negativ einer Entladung durch die Verbraucher, entspricht. Ist der Volumenstrom Null, steht der Kolben, die Wärmebilanz des Versorgungsobjektes ist ausgeglichen. Mit Hilfe der Kolbentheorie wird deutlich, dass diskrete Heizungsregelungen nach dem Stand der Technik, basierend auf Solltemperaturen, beim Vorbeiwandern der Mischzone am Sollwertprüfer einen Wärmebedarf oder eine Wärmeüberproduktion sprunghaft registrieren und Wärmeerzeuger zu- bzw. abschalten. Sind jedoch der kontinuierliche Speichertemperaturverlauf, der nutzbare Energieinhalt und die Wärmebilanz am Pufferspeicher bekannt, so kann die Heizungsregelung die Wärmeerzeugung frühzeitig anpassen. Objektorientierter Betrieb bedeutet dementsprechend, dass durch die Bestimmung der Wärmebilanz im Pufferspeicher ein Zeitfenster für einen „stromgeführten“ Betrieb unter aktuellen thermischen Bedingungen prognostiziert werden kann. Das reale Speicherverhalten aus 6 zeigt deutlich, dass die Mischzone eine endliche Dicke besitzt und der Temperaturverlauf durch eine S-förmige Kurve, wie in 7a als schwarze Kurve angedeutet, hinreichend genau abgebildet werden kann.
Mit Hilfe einer der logistischen Funktion verwandten Sigmoidkurve kann aus den Messwerten der Speichertemperatur eine stetige und differenzierbare Kurve entwickelt werden.
Die Wärmebilanzbestimmung über das Kolbehubverfahren benötigt eine stetige und differenzierbare Temperaturkurve. Hierzu ist ein geeignetes Berechnungsverfahren für den Temperaturverlauf zu wählen, um den Wendepunkt der Kurve (als Mitte der Temperaturmischzone) zu bestimmen. Der Wendepunkt gibt die Höhe des Kolbens im Speicher und die Querschnittsfläche die Fläche des Kolbens an. Hier hat sich die Berechnung des Temperaturverlaufs mithilfe der Sigmoidkurve bewährt. Durch die Eigenschaften der Parameter A und D (die abhängig von den Speichertemperaturen sind) erfolgt die Anpassung der Sigmoidkurve an die gemessenen Temperaturen nur anhand der Parameter B und C und ermöglich daher ein schnelles, einfaches und robustes Fitting. Die Gleichung 01 beschreibt die Sigmoidkurve und Gleichungen 02 und 12 geben den mathematischen Zusammenhang der Größen aus 7a wieder. Der Kolbenhub verdrängt ein Volumen pro Zeiteinheit und dieser Volumenstrom kann in eine thermische Leistung, die Wärmebilanz, ungerechnet werden.
Die Wärmebilanzberechnung über den absoluten Pufferspeicherinhalt (siehe 7b) erfolgt über die zeitliche Veränderung eines auf eine Bezugstemperatur normierten Pufferspeicherinhalts. Die Bezugstemperatur sollte kleiner der minimalen Sollvorlauftemperatur der Wärmeverbraucher sein, um einen realistischen Energieinhalt abzubilden. Die Wahl der Größe 0°C hat sich als robuste Größe etabliert, eine Bezugstemperatur von 20°C ist aber genauso möglich. Die Berechnung des absoluten Pufferspeicherinhalts basiert nicht auf einer differenzierbaren und nicht zwingend auf einer stetigen Temperaturkurve. Die Verwendung einer mathematischen Anpassung der Temperaturmesswerte zu einer stetigen Kurve führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Berechnung der Wärmebilanz als bei der Verwendung einer Treppenfunktion von Mischtemperaturen an den Temperaturmessstellen 4. Auch hier zeigt die Sigmoidkurve sehr gute Ergebnisse. Um den absoluten Pufferspeicherinhalt zu bestimmen existieren verschiedene Möglichkeiten:

1. Die Temperaturdifferenz zwischen Temperaturverlauf und Bezugstemperatur (= T_PS - 0°C) wird über der Höhe nach Gleichung 05 integriert. $Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, a b s o l u t} = A_{P S} \cdot ρ \cdot c_{ρ} \int (T_{P S} - 0 ° C) d h_{P S}$
2. Die Temperaturdifferenz zwischen Temperaturverlauf oder treppenförmigen Mischtemperaturen und Bezugstemperatur (= T_PS - 0°C) wird über Höhensegmente der Höhe Δh_PS nach Gleichung 13 aufsummiert. $Q_{P S, S p e i c h e r i n h a l t, a b s o l u t} = A_{P S} \cdot ρ \cdot c_{ρ} \cdot \sum (T_{P S} - 0 ° C) \cdot Δ h_{P S}$

Abschließend erfolgt die Wärmebilanzberechnung über den absoluten Pufferspeicherinhalt über die zeitliche Veränderung eines auf eine Bezugstemperatur normierten Pufferspeicherinhalts nach Gleichung 04.
Gleichung 01 beschreibt die stetige Funktion, die in 8 für denselben Beladevorgang wie in 6 dargestellt ist. Hierin beschreibt Parameter A die Temperaturdifferenz zwischen oberem und unterem Grenzwert der Speichertemperaturen. Der Parameter D entspricht einer Nullpunktverschiebung und ist damit durch den unteren Speichertemperaturgrenzwert eindeutig bestimmt. Der Gültigkeitsbereich der Sigmoidkurve wird durch den Parameter h₀=400 festgelegt. Die Parameter B und C werden mit Hilfe eines numerischen Verfahrens zur Ausgleichsrechnung angepasst, um die Sigmoidkurve mit einem minimalen Fehlerquadrat der Messwertkurve anzunähern. Die Parameter B = 500 und C = 50 wurden empirisch bestimmt, wobei es sich hierbei um Startwerte handelt, die zu jedem Zeitpunkt angepasst werden.
Zu Vergleichszwecken ist in 8 der bereits in 6 gezeigte Beladevorgang als Sigmoidkurve zu den identischen Zeitpunkten dargestellt. Die Übereinstimmung aus Messpunkten und stetiger Funktion macht die Funktionsfähigkeit der Anpassung als Sigmoidkurve deutlich. Die Anpassung geschieht bevorzugt mit Hilfe von zehn Temperaturmessstellen 4, wobei die Anzahl der Messstellen noch optimierbar ist, um einen messtechnischen Mehraufwand so gering wie möglich zu halten.
Ziel der hier vorgestellten Methodik ist die Bestimmung der Wärmebilanz am Pufferspeicher 2, um eine objektorientierte Betriebsart zu ermöglichen. Neben der momentanen Bilanz aus Lade- und Entladeleistungen soll sowohl der nutzbare Energieinhalt als auch die noch vorhandene Speicherkapazität des Pufferspeichers hinreichend genau bestimmbar sein. Darauf aufbauend wird ein Zeitfenster für einen quasistationären Betrieb mit momentaner Wärme- und Stromerzeugung unter den aktuellen Betriebsbedingungen berechnet.
Im ersten Schritt wird ein Zeitabstand definiert, in dem Veränderungen im Pufferspeicher, trotz dessen thermischer Trägheit, sichtbar werden ohne die Reaktionsgeschwindigkeit der Regelung durch einen zu großen Zeitabstand negativ zu beeinträchtigen. In den messtechnischen Untersuchungen hat sich ein Zeitabstand von 120 Sekunden als sehr guter Kompromiss herausgestellt.
Im zweiten Schritt wird durch die Ermittlung der Höhe des Wendepunktes der Sigmoidkurve (Mitte der Mischzone) zu Beginn und zum Ende des definierten Zeitabstandes bestimmt, in welche Richtung die Mischzone wandert und welche Höhendifferenz im vorgegebenen Zeitabstand überwunden wurde. Unter Zuhilfenahme der Speicherquerschnittsfläche ist das verdrängte Volumen berechenbar. Mit der Temperaturdifferenz aus oberem und unterem Grenzwert und der Wärmekapazität und der Dichte von Wasser ergibt sich nach Gleichung 02 die mittlere thermische Leistung im betrachteten Zeitabstand.
In einem dritten Schritt erfolgt die Berechnung des nutzbaren Energieinhaltes für das Heizen unter Zuhilfenahme der Sollvorlauftemperatur aus der gewählten Heizkurve und die Berechnung des nutzbaren Energieinhaltes für die Warmwasserversorgung unter Zuhilfenahme der Sollvorlauftemperatur der Warmwassererzeugung.
In einem vierten Schritt erfolgt die Berechnung der nutzbaren (vorhandenen) thermischen Speicherkapazität unter Zuhilfenahme der Vorlauftemperatur der verwendeten Wärmeerzeuger.
Der quasistationäre KWK-Einsatz unter den aktuellen Betriebsbedingungen berechnet sich anschließend durch die Division des Energieinhalts, bzw. der Speicherkapazität, mit der berechneten Wärmebilanz. Dies ergibt ein Zeitfenster, das der Dauer einer Entladung bzw. Beladung des Pufferspeichers mit der momentanen Wärmebilanz entspricht.
Um die Genauigkeit des Wärmebilanzmodells und der Kolbenhubtheorie deutlich zu machen, werden in 9 Prüfstandsmessungen und Berechnungen am bereits vorgestellten Ausschnitt des „Übergangstag-Heiter“ gegenüber gestellt.
Im oberen Graph sind die realen Verläufe der Leistungen der Wärmeerzeuger und der Wärmeverbraucher am Pufferspeicher 2 zu sehen. Der mittlere Graph zeigt die Wärmebilanz der gemessenen Werte (schwarz) und die berechnete Wärmebilanz mit Hilfe der Sigmoidkurve (grau). Trotz des hochdynamischen Verhaltens von Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch ist eine sehr gute Bestimmung der Wärmebilanz mit Hilfe von Gleichung 02 möglich. Produktions- und Verbrauchsspitzen werden durch das Berechnungsmodell erkannt und ermöglichen eine zielgerichtete Regelung der Wärmeerzeuger.
Im Vergleich der Regelungen zeigt 9 die Schwächen der Standardheizungsregelung auf. So schaltet die installierte Regelung das KWK-Modul 6 wegen der Warmwasseranforderung erst nach ca. 25 Minuten zu. Würde die Regelung die Wärmebilanz berücksichtigen, könnte das KWK-Modul 6 bereits um 06:00 Uhr zugeschaltet werden, denn die Wärmebilanz identifiziert den Beginn des Heiztages eindeutig. Im Falle fester Schaltzeiten ließe sich ein Start des KWK-Moduls 6 erzwingen, wobei trotz Startbefehl immer auch eine Kontrolle der Speichersolltemperaturen stattfindet (diskrete Regelung). Des Weiteren können Bedarfsspitzen durch Verstellungen an Thermostatventilen oder, wie in 9 ebenfalls zu sehen, WWS-Ladungen hervorgerufen werden.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das ungesteuerte Zuschalten des Spitzenlastkessels 5. Obwohl verschiedene Regelungen den Spitzenlastkessel 5 modulierend ansteuern können, beträgt die thermische Kesselleistung anfangs nahezu Nennleistung. Das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der Wärmebilanz kann den Kessel mit kleinerer Leistung, und ohne den Pufferspeicher 2 unnötig zu beladen, betreiben. Dadurch steht die noch vorhandene Speicherkapazität für einen optimierten Betrieb des KWK-Moduls 6 zur Verfügung.
Im unteren Graph in 9 sind der Stromlastgang, die Stromerzeugung des KWK-Moduls 6 mit Standardheizungsregelung und der entsprechende Restlastgang des betrachteten Mehrfamilienhauses aufgetragen. Es wird deutlich, dass keine objektorientierte Betriebsweise umgesetzt ist. Stromeinspeisung und Strombezug wechseln sich ab. Das KWK-Modul 6 moduliert die Leistung runter, obwohl der Strombezug steigt. Diese Betriebszustände erzeugen ein „fluktuierendes“ Lastbild des Versorgungsobjektes (siehe elektrischen Restlastgang in 9 unten) und können durch die multikriterielle Regelung (vorzugsweise die objektorientierte Betriebsweise) unterbunden werden.
Das entwickelte Verfahren zur Bestimmung der Wärmebilanz geht in einer multikriteriellen Regelung auf, die eine objektorientierte Fahrweise des Heizungssystems in einem Wohngebäude ermöglicht. Die exakte Kenntnis über das Zeitfenster einer Entkopplung von thermischem Bedarf und thermischer Leistung sowohl bei Speicherbe- als auch bei Speicherentladung beschreibt den Freiheitsgrad für einen optimierten Einsatz des KWK-Moduls 6 und ist wesentlich für das Wärme- und Strommanagement mit Speicherzustandsbestimmung.
10 zeigt die thermische Leistung in Abhängigkeit der elektrischen Leistung in Zeitschritten von 15 Minuten für die oben erläuterten Typtage. (Hierbei handelt es sich nur um ein Einsatzbeispiel. Alle Wärmeversorgungsfälle mit Speicher sind möglich.) Daraus wird deutlich, dass die KWK-Anlage und das betrachtete Wohngebäude nur zu sehr wenigen Zeitpunkten tatsächlich aufeinander abgestimmt sind und die gleiche „Stromkennzahl“ aufweisen. Die meisten Zeitpunkte sind durch deutliche Abweichungen zwischen der KWK-Leistung und dem Gebäudebedarf gekennzeichnet. Hier muss das Strom- und Wärmemanagement einen optimalen Betrieb gewährleisten, der nur unter Kenntnis des Gebäudezustands möglich ist.
Der bevorzugte Einsatzbereich der Erfindung ist in 10 grau hinterlegt. Augenscheinlich ist, dass durch ein Wärme- und Strommanagement, im Rahmen des durch den Speicher gegebenen Freiheitsgrades, der Großteil der energetischen Gebäudezustände ausgeregelt werden können. (Hier betrachtet die multikriterielle Regelung den Strombedarf des Gebäudes. Selbstverständlich sind auch andere Regelungsziele möglich.) Lediglich die elektrische Spitzenleistung oberhalb der KWK-Nennleistung muss vom Netz bezogen und die thermische Spitzenleistung vom Kessel bereitgestellt werden. Diese objektorientierte Fahrweise versucht kaskadiert auf Wärme- und Strombedarf zu regeln. Hierbei wird der Stromnetzbezug minimiert (Stromführung) und werden die Rückwirkungen auf die thermische Bedarfsdeckung durch die Wärmebilanz bewertet.
Beispielhaft sei angenommen, dass bei positiver Wärmebilanz (grauer Bereich unterhalb der schwarzen Linie) die Speicherkapazität ein großes Zeitfenster zur Anpassung eröffnet, dann wird in diesem Fall weiterhin stromgeführt gefahren. Eine Vorzeichenänderung der Wärmebilanz durch erhöhten Wärmebedarf (grauer Bereich oberhalb der schwarzen Linie) führe zu einem Modulieren der KWK-Anlage, gegebenenfalls bis zur Nennleistung. Bliebe die Wärmebilanz negativ, würde der Spitzenlastkessel 5 mit einer thermischen Leistung entsprechend der Wärmebilanz zuschalten. Andererseits könnte sich das Zeitfenster durch eine stetige Speicherbeladung verkürzen. Auch hier greift das Wärmemanagement und reduziert die thermische Leistung, um weiterhin einen Optimierungsspielraum zu erhalten.
11 zeigt Prüfstandsergebnisse einer Heizungsanlage mit KWK-Anlage und objektorientierter Regelung gemäß der Erfindung. Hier wurde eine andere Heizungsanlage als in 9 vermessen. Gezeigt sind Ergebnisse an dem Modelltag: „Übergangstag-Heiter“. 11 zeigt im oberen Drittel die thermischen Leistungen der Heizungsanlage, im mittleren Drittel die gemessene und die berechnete Wärmebilanz im Vergleich und im unteren Drittel die Speicherkapazität sowie die Pufferspeicherinhalte. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zustandsbestimmung eines thermischen Pufferspeichers sowie zur multikriteriellen Regelung einer Heizungsanlage wird der Wärmbedarf vollständig vor der KWK-Anlage gedeckt.
12 zeigt einen Vergleich des erfindungsgemäßen Verfahrens (untere Hälfte in 12) mit einer Standardregelung (obere Hälfte in 12). Des Weiteren wird im Vergleich der Regelungen in 12 deutlich, dass das erfindungemäße Verfahren (untere Hälfte in 12) im Gegensatz zu der Standardregelung (obere Hälfte in 12) den Strombedarf des Versorgungsobjektes mit in die Regelung integriert und deckt.
Die wesentlichen Verbesserungen sind das sofortige Erkennen eines Wärmebedarfs durch die Wärmebilanz und den Speicherzustand um 06:00 Uhr des Tages (siehe 11-Mitte und -Unten, sowie 12-Unten, Zeitpunkt 1). Anschließend deckt das erfindungsgemäße Verfahren den Strombedarf bis bei Zeitpunkt 2 die Wärmeproduktion erhöht wird. Derweil läuft die KWK-Anlage mit Standardregelung längst in Volllast. Das entwickelte Verfahren registriert zu Zeitpunkt 3 durch die Wärmebilanz und den Speicherzustand (siehe 11-Mitte und -Unten) und deckt nun nur noch den Strombedarf. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Stromerzeugung von den Schwachlastzeiten (bis ca. 11:00 Uhr) in die Hochlastzeiten (und das können auch die Hochpreiszeiten sein) verlagert (siehe auch Zeitpunkt 4).
Der Einsatzbereich der erfindungsgemäßen multikriteriellen Regelung gilt für alle Technologien, alle Speicher und weitere Wärmeerzeugungstechnologien mit thermischen Speichern. Augenscheinlich ist, dass durch die temperaturgestützte Speicherzustandsbestimmung anhand der Wärmebilanz und der durch den Speicher gegebenen Freiheitsgrade eine Vielzahl an energetischen Wärme- und Bedarfszustände ausregelbar sind.
Darüber hinaus sind viele weitere Regelungskriterien denkbar. So kann bevorzugt die genaue Kenntnis des Stromrestlastgangs und der Wärmebilanz am Pufferspeicher 2 auch bei zeitabhängigen Stromtarifen den KWK-Einsatz wirtschaftlich optimieren. In diesem Falle müssen KWK-Module 6 flexibel agieren, um auf veränderliche Preissignale reagieren zu können. Die genaue Kenntnis des Speicherzustands ist hierbei maßgeblich. Entsprechendes gilt für die oftmals diskutierte Regelleistungsbereitstellung durch dezentrale KWK-Anlagen. Mit Hilfe der hier gezeigten Methode kann kontinuierlich eine Zeitdauer mit einer bestimmten Leistung ausgegeben und einer übergeordneten Steuerung zur Verfügung gestellt werden. Diese Eigenschaft führt auch im Hinblick auf die Realisierung von virtuellen Kraftwerken zu einer einfachen Kommunikation zwischen verteilter Erzeugung und zentraler Steuerung. Sind immerzu alle Speicherkapazitäten und Leistungen der verteilten KWK-Anlagen bekannt, kann die Kraftwerkssteuerung tatsächlich ein Pooling der momentan verfügbaren und im prognostizierten Zeitfenster vorhandenen KWK-Leistungen erreichen und alle Eigenschaften der bedarfsgerechten, großtechnischen Stromerzeugung aufweisen.
Literatur:

[1] Institut Wohnen und Umwelt (IWU): Deutsche Gebäudetypologie, Darmstadt, 2003
[2] Deutscher Wetterdienst (DWD): Testreferenzjahre für Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse TRY, Offenbach a. Main, 2004
[3] Institut Wohnen und Umwelt (IWU): Basisdaten für Hochrechnungen mit der deutschen Gebäudetypologie, Darmstadt, 2003
[4] Verein Deutscher Ingenieure (VDI): Richtlinie 4655: Referenzlastprofile von ein- und Mehrfamilienhäusern für den Einsatz von KWK-Anlagen, Düsseldorf, 2008
[5] Mühlbacher, H.: Verbrauchsverhalten von Wärmeerzeugern bei dynamisch variierten Lasten und Übertragungskomponenten, München, 2008
[6] Huhn, R.: Beitrag zur thermodynamischen Analyse und Bewertung von Wasserwärmespeichern in Energieumwandlungsketten, Dresden, 2007
[7] Energieeinsparverordnung (EnEV) 2002. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden, Berlin 2002

Claims

Verfahren zur multikriteriellen Regelung einer Heizungsanlage, wobei basierend auf einer momentanen Wärmebilanz, einem momentan nutzbaren Energieinhalt, und einer verbleibenden Speicherkapazität ein Zeitfenster für einen quasistationären Betrieb der Heizungsanlage mit momentan benötigter Wärmeerzeugung und/oder mit momentan benötigter Stromerzeugung berechnet wird und die Heizungsanlage während des Zeitfensters auf diese momentan benötigte Wärmeerzeugung und/oder momentan benötigte Stromerzeugung geregelt oder gesteuert wird, umfassend die folgenden Schritte zur Zustandsbestimmung eines thermischen Pufferspeichers (2): - kontinuierliches Messen der Temperatur einer Flüssigkeitssäule im Pufferspeicher (2) an zumindest vier, insbesondere zumindest fünf, insbesondere zumindest sieben, insbesondere zumindest zehn, entlang der Höhe (h_PS) des Pufferspeichers (2) angeordneten Temperaturmessstellen (4), - Bestimmen eines kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs mittels Interpolation und/oder Berechnung basierend auf den gemessenen Temperaturen, - Berechnen des momentan nutzbaren Energieinhaltes des Pufferspeichers (2) basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf, und - Berechnen der momentan nutzbaren Speicherkapazität des Pufferspeichers (2) basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf, - Berechnen einer momentanen Wärmebilanz, welche eine Differenz aus Ladeleistung und Entladeleistung des Pufferspeichers (2) wiedergibt, - Regeln einer Wärmequelle der Heizungsanlage (1), insbesondere eines Spitzenlastkessels (5) und/oder eines Kraft-Wärme-Kopplungs-Moduls (6), basierend auf der momentanen Wärmebilanz und dem momentan nutzbaren Energieinhalt, - Festlegen eines Zeitabstandes, in dem eine Veränderung des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs messbar ist, insbesondere zwischen 50 und 300 Sekunden, insbesondere zwischen 100 und 200 Sekunden, - Bestimmen, ob eine Mitte einer Mischzone aus kalter und warmer Flüssigkeit im Pufferspeicher (2) während des Zeitabstandes nach oben oder unten wandert und Bestimmen einer Höhendifferenz, über welche die Mitte der Mischzone im Zeitabstand wandert, - Berechnen einer mittleren thermischen Leistung im Zeitabstand, basierend auf der Höhendifferenz und einer Temperaturdifferenz im Pufferspeicher (2) oder basierend auf einer Änderung des absoluten Pufferspeicherinhalts im Zeitabstand, - Berechnen des momentan nutzbaren Energieinhaltes, basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Sollvorlauftemperatur der Heizungsanlage, - Berechnen der momentan nutzbaren Speicherkapazität, basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Eingangstemperatur des Pufferspeichers (2), und - Berechnen des Zeitfensters für eine quasistationäre Steuerung und/oder Regelung der Wärmequelle der Heizungsanlage, basierend auf einer Division des momentan nutzbaren Energieinhaltes oder der verbleibenden Speicherkapazität mit der berechneten momentanen Wärmebilanz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der momentan nutzbare Energieinhalt des Pufferspeichers (2) basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und einer Ausgangstemperatur des Pufferspeichers (2) berechnet wird, und/oder dass die momentan nutzbare Speicherkapazität des Pufferspeichers (2) basierend auf dem kontinuierlichen Speichertemperaturverlauf und der Eingangstemperatur des Pufferspeichers (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die momentane Wärmebilanz basierend auf einer zeitlichen Veränderung der Messwerte an den Temperaturmessstellen (4) oder basierend auf einer zeitlichen Veränderung des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs oder basierend auf einer zeitlichen Veränderung eines absoluten Pufferspeicherinhalts berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der momentan nutzbare Energieinhalt mittels einer Integration oder Summierung des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs über die Höhe (h_PS) des Pufferspeichers (2) berechnet wird und/oder dass die momentan nutzbare Speicherkapazität mittels einer Integration oder Summierung des kontinuierlichen Speichertemperaturverlaufs über die Höhe (h_PS) des Pufferspeichers (2) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierliche Speichertemperaturverlauf mittels eines mathematischen Approximationsverfahrens, insbesondere als Sigmoidkurve, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsanlage ferner basierend auf einem verbleibenden Pufferspeicherinhalt und/oder basierend auf der momentan nutzbaren Speicherkapazität des Pufferspeichers (2) gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf der momentanen Wärmebilanz, dem momentan nutzbaren Energieinhalt, und der momentan nutzbaren Speicherkapazität ein Einschaltzeitpunkt und/oder ein Ausschaltzeitpunkt für eine Wärmeerzeugung und/oder eine Stromerzeugung und/oder eine Laständerung der Wärme- und/oder Stromerzeuger in der Heizungsanlage berechnet wird.
Heizungsanlage, umfassend: - zumindest einen thermischen Pufferspeicher (2) zur Aufnahme einer Flüssigkeitssäule, - zumindest eine den Pufferspeicher (2) mit Flüssigkeit und/oder Energie speisende Wärmequelle, - mehrere entlang der Höhe (h_PS) des Pufferspeichers (2) angeordnete Temperaturmessstellen (4) zum kontinuierlichen Messen der Temperatur der Flüssigkeitssäule im Pufferspeicher (2), und - eine Steuer-/Regeleinheit (8) ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens zur multikriteriellen Regelung der Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und zumindest vier, insbesondere zumindest fünf, insbesondere zumindest sieben, insbesondere zumindest zehn, übereinander angeordnete Temperaturmessstellen (4).
Heizungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessstellen (4) zum Messen der Temperatur an einer Außenwand des Pufferspeichers (2) ausgebildet sind.
Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein mit der Steuer-/Regeleinheit (8) gesteuertes und/oder geregeltes Kraft-Wärme-Kopplungs-Modul (6) zur gleichzeitigen Wärmeerzeugung und Stromerzeugung.
Heizungsanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine mit der Steuer-/Regeleinheit (8) gesteuerte und/oder geregelte weitere Wärmequelle, insbesondere einen Spitzenlastkessel (5), zur Wärmeerzeugung.