DE102013103677B4

DE102013103677B4 - Verfahren zur Ansteuerung eines Wärmepumpenverbundes

Info

Publication number: DE102013103677B4
Application number: DE102013103677.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Zimmermann; Holger Fiess
Original assignee: Maxhuette Tech & Co Kg GmbH; Maxhuette Technologie & Co KG GmbH
Current assignee: Maxhuette Tech & Co Kg GmbH; Maxhuette Technologie & Co KG GmbH
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2033-04-12
Also published as: DE102013103677A1

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Wärmepumpenverbundes (5),wobei entsprechend einem Sollwertsignal (8) unter Verwendung eines Betriebsplanes (10) automatisch Ansteuersignale (9) ermittelt werden, auf deren Grundlage eine Einzelansteuerung der in dem Verbund (5) enthaltenen Wärmepumpen (1-4) erfolgt,wobei jeder Wärmepumpe (1-4) ein Verfügbarkeitsstatus (25) und eine Nutzungspriorität (26) zugewiesen wird,und wobei der Betriebsplan (10) automatisch an sich ändernde Verfügbarkeiten (25) der Wärmepumpen (1-4) und/oder sich ändernde Nutzungsprioritäten (26) der Wärmepumpen (1-4) angepaßt wird,wobei der Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder die Nutzungspriorität (26) wenigstens einer Wärmepumpe (1-4) mit dem Ziel einer Optimierung eines Betriebsparameters einer Wärmepumpe (1-4) oder eines Betriebsparameters des Verbundes (5) automatisch verändert wird,wobei der Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder die Nutzungspriorität (26) der wenigstens einen Wärmepumpe (1-4) automatisch mit dem Ziel verändert wird, den Betriebsparameter „Gesamtauslastung des Wärmepumpenverbundes“ derart zu optimieren, daß zwischen den Ansteuerstufen aller aktiven Wärmepumpen (1-4) möglichst wenig Ansteuerstufen liegen, und wobei sich die Nutzungspriorität (26) der übrigen Wärmepumpen (1, 3, 4) automatisch verändert, wenn sich der Verfügbarkeitsstatus (25) einer Wärmepumpe (2) ändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Wärmepumpenverbundes. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steuereinheit zur Ansteuerung eines Wärmepumpenverbundes sowie ein Computerprogrammprodukt.
Es ist bekannt, in einem Verbund arbeitende Wärmepumpen entsprechend einem Sollwertsignal eines Regelkreises oder dergleichen nacheinander ein- und auszuschalten. Dabei ist die Reihenfolge der ein- bzw. auszuschaltenden Wärmepumpen festgelegt. Das führt zu einer ungleichmäßigen Auslastung der einzelnen Wärmepumpen, welche nachteilig für die Zuverlässigkeit des Verbundes ist.
Aus DE 35 43 707 A1 und DE 10 2010 025 157 A1 sind darüber hinaus Systeme bekannt, bei denen die einzelnen Komponenten einer Verdichter-Verbundanlage bzw. eines verteilten thermischen Energiemanagementsystems in Abhängigkeit von ihren Betriebsstunden angesteuert werden. Dies führt bereits zu einer gewissen Verbesserung der Auslastung.
In US 2008 / 0 190 126 A1 ist ein Kühlsystem mit mehreren Kompressoren beschrieben. Um die Effizienz des Systems zu verbessern, wird dort vorgeschlagen, daß in dem Fall, daß von den Kompressoren zu viel Kühlleistung bereitgestellt wird, die Auslastung desjenigen Kompressors verringert wird, der bezogen auf seine Maximalleistung am stärksten belastet ist, während umgekehrt in dem Fall, daß von den Kompressoren zu wenig Kühlleistung bereitgestellt wird, die Auslastung desjenigen Kompressors, der bezogen auf seine Maximalleistung am wenigsten belastet ist, erhöht wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit des Wärmepumpenverbundes weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Steuereinheit nach Anspruch 3 bzw. durch ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Steuereinheit sowie das Computerprogrammprodukt und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß entsprechend einem Sollwertsignal unter Verwendung eines Betriebsplanes automatisch Ansteuersignale ermittelt werden, auf deren Grundlage eine Einzelansteuerung der in dem Verbund enthaltenen Wärmepumpen erfolgt, daß jeder Wärmepumpe ein Verfügbarkeitsstatus und eine Nutzungspriorität zugewiesen wird, und daß der Betriebsplan automatisch an sich ändernde Verfügbarkeiten der Wärmepumpen und/oder sich ändernde Nutzungsprioritäten der Wärmepumpen angepaßt wird.
Eine Kernidee der Erfindung ist es, das Ein- und Ausschalten der Wärmepumpen entsprechend der angeforderten Verbundgesamtleistung automatisch sowie unter Berücksichtigung des Verfügbarkeitsstatus und/oder der Nutzungspriorität jeder Wärmepumpe intelligent zu steuern. Das Ansteuern der einzelnen Wärmepumpen erfolgt also weder in einer fest vorgegebenen Reihenfolge, noch zufällig. Statt dessen erfolgt das Ansteuern der einzelnen Wärmepumpen flexibel, gezielt und dynamisch anpaßbar unter Berücksichtigung wechselnder Parameter oder Kriterien, wobei es sich dabei um wärmepumpen- bzw. verbundinterne, als auch externe Parameter oder Kriterien handeln kann. Die Erfindung stellt mit anderen Worten eine universell einsetzbare, an eine Vielzahl von äußeren Umständen und Anforderungen automatisch anpaßbare Steuerungstechnik zur Verfügung, mit der eine intelligente Steuerung eines Wärmepumpenverbundes möglich ist. Die Ansteuerung erfolgt dabei auf der Grundlage eines Betriebsplans, der vorzugsweise automatisch erstellt wird und hinsichtlich eines oder mehrerer Betriebsparameter optimierbar ist, dabei Verfügbarkeitsstatus und/oder Nutzungspriorität der einzelnen Wärmepumpen berücksichtigend. Der Verbund ist anders ausgedrückt unter Verwendung unterschiedlicher Betriebspläne intelligent ansteuerbar.
Erfindungsgemäß wird der Verfügbarkeitsstatus und/oder die Nutzungspriorität wenigstens einer Wärmepumpe mit dem Ziel einer Optimierung wenigstens eines Betriebsparameters einer oder mehrerer
Wärmepumpen oder eines Betriebsparameters des Verbundes automatisch verändert. Damit werden nicht nur diejenigen Fälle berücksichtigt, bei denen wärmepumpeneigene zwingende Gründe, wie beispielsweise eine Störung, den Verfügbarkeitsstatus beeinflussen, beispielsweise durch eine automatische Abschaltung. Es können statt dessen auch gezielte Optimierungen des Wärmepumpenverbundbetriebes stattfinden. Beispielsweise können auch nicht gestörte Wärmepumpen abgeschaltet werden, wenn dies dem Erreichen des Optimierungsziels dient. Der Art und Weise der Optimierung sowie der Berücksichtigung interner und externer Größen sind dabei keine Grenzen gesetzt.
Erfindungsgemäß werden der Verfügbarkeitsstatus und/oder die Nutzungspriorität der Wärmepumpen automatisch mit dem Ziel verändert, die Gesamtauslastung des Verbundes zu optimieren. Eine möglichst gleichmäßige Auslastung der einzelnen Wärmepumpen erhöht die Zuverlässigkeit des Verbundes. Gemäß der Erfindung verändert sich die Nutzungspriorität der übrigen Wärmepumpen automatisch, wenn sich der Verfügbarkeitsstatus einer Wärmepumpe ändert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zusätzlich der Verfügbarkeitsstatus und/oder die Nutzungspriorität der Wärmepumpen automatisch mit dem Ziel verändert, einen oder mehrere der folgenden Betriebsparameter zu optimieren: Betriebszeit, Lärmentwicklung, Energieverbrauch, Reaktionszeit.
Die erfindungsgemäße Steuereinheit ist ausgebildet zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens und umfaßt zu diesem Zweck entsprechende Module. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit als eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgeführt.
Vorzugsweise umfaßt die Steuereinheit eine Datenverarbeitungseinheit, ausgebildet zur Durchführung aller Schritte entsprechend des hier beschriebenen Verfahrens, die in einem Zusammenhang mit der Verarbeitung von Daten stehen. Die Datenverarbeitungseinheit weist vorzugsweise eine Anzahl von Funktionsmodulen auf, wobei jedes Funktionsmodul ausgebildet ist zur Durchführung einer bestimmten Funktion oder einer Anzahl bestimmter Funktionen gemäß dem beschriebenen Verfahren. Bei den Funktionsmodulen kann es sich um Hardwaremodule oder Softwaremodule handeln. Mit anderen Worten kann die Erfindung, soweit es die Datenverarbeitungseinheit betrifft, entweder in Form von Computerhardware oder in Form von Computersoftware oder in einer Kombination aus Hardware und Software verwirklicht werden. Soweit die Erfindung in Form von Software, also als Computerprogrammprodukt, verwirklicht ist, werden sämtliche beschriebenen Funktionen durch Computerprogrammanweisungen realisiert, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner mit einem Prozessor ausgeführt wird. Die Computerprogrammanweisungen sind dabei auf an sich bekannte Art und Weise in einer beliebigen Programmiersprache verwirklicht und können dem Rechner in beliebiger Form bereitgestellt werden, beispielsweise in Form von Datenpaketen, die über ein Rechnernetz übertragen werden, oder in Form eines auf einer Diskette, einer CD-ROM oder einem anderen Datenträger gespeicherten Computerprogrammprodukts.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Wärmepumpenverbund beschränkt, sondern auch auf andere in einem Verbund zusammengefaßte Arbeitsmaschinen, wie insbesondere Kältemaschinen, übertragbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Wärmepumpenverbundes mit einer erfindungsgemäßen Steuereinheit,
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Steuereinheit,
3 eine Tabelle zur Festlegung der Leistungsklassen der Wärmepumpen,
4 eine Tabelle zur Festlegung der Ansteuerstufen,
5 eine Tabelle zur Ansteuerung der einzelnen Wärmepumpen,
6 eine Tabelle zur Ermittlung der kombinierten Leistungsstufen im Verbund,
7 eine Tabelle zur Zuordnung der Ansteuerstufen,
8 eine Tabelle entsprechend 3 bei einem Störfall,
9 eine Tabelle entsprechend 3 bei einem Störfall mit geänderter Reihenfolge der Wärmepumpen,
10 eine Tabelle entsprechend 5 bei einem Störfall,
11 eine Tabelle entsprechend 6 bei einem Störfall,
12 eine Tabelle entsprechend 7 bei einem Störfall.

Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind mehrere Wärmepumpen 1, 2, 3, 4 mit einer Gebäudeautomation 6 verbunden. Die Wärmepumpen 1-4 arbeiten dabei in einem Verbund 5 derart, daß sich die abrufbare Gesamtleistung aus den summierten Einzelleistungen der in dem Verbund 5 enthaltenen Wärmepumpen 1-4 ergibt.
Die Anzahl der Wärmepumpen 1-4 in dem Wärmepumpenverbund 5 kann variieren. Typischerweise umfaßt der Verbund 5 zwischen zwei und acht Wärmepumpen. Nachfolgend wird beispielhaft ein Verbund aus vier Wärmepumpen 1-4 beschrieben, ohne daß dies einschränkend zu verstehen ist.
Wie in 1 abgebildet, ist der Verbund 5 mit der Gebäudeautomation 6 über eine Steuereinheit 7 verbunden. Die Steuereinheit 7 erhält von der Gebäudeautomation 6, beispielsweise von einem Heiz- oder Kühlregelkreis oder dergleichen, ein analoges Eingangssignal (E) 8 als Sollgröße. Die Steuereinheit 7 ist zur programmierten Einzelansteuerung der Wärmepumpen 1-4 in dem Verbund 5 unter dem Gesichtspunkt einer möglichst gleichmäßigen Auslastung aller Wärmepumpen 1-4 des Verbundes 5 ausgebildet. Tritt bei einer Wärmepumpe ein Störfall auf oder muß die Wärmepumpe im Rahmen einer Wartung entfrostet werden, wird der Ausfall dieser Wärmepumpe von den im Verbund 5 verbleibenden Wärmepumpen übernommen. Ist die Wärmepumpe wieder einsatzbereit, beispielsweise weil der Störfall behoben wurde, wird diese Wärmepumpe wieder in den Verbund 5 aufgenommen. Die einzelnen Wärmepumpen 1-4 des Verbundes 5 erhalten von der Steuereinheit 7 entsprechende Ansteuersignale (A₁ bis A₄) 9.
Nachfolgend werden anhand von Tabellen die der Steuereinheit 7 zur Verfügung stehenden Informationen in Form eines Betriebsplanes 10 sowie die Programmierung der Steuereinheit 7 und deren Funktionsweise beschrieben. Dem hier beispielhaft beschriebenen, sehr einfachen Normal-Betriebsplan liegt eine störungsfreie Betriebsumgebung zugrunde.
Die Steuereinheit 7 umfaßt Informationen 11 über die Festlegung der Leistungsklassen 12 der in dem Verbund 5 enthaltenen Wärmepumpen 1-4, siehe 3. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Nennleistung der vier Wärmepumpen 1-4 bei einem Einsatz zu Heizzwecken jeweils 10 kW. Werden dieselben Wärmepumpen 1-4 im Verbund 5 zu Kühlzwecken eingesetzt, beträgt ihre Nennleistung im Beispiel jeweils 8 kW. Die Leistungsklassen 12 der in dem Verbund 5 enthaltenen Wärmepumpen 1-4 können sich jedoch auch voneinander unterscheiden. So ist es beispielsweise möglich, daß der Verbund 5 eine Wärmepumpe mit einer Nennleistung von 40 kW und drei Wärmepumpen mit einer Nennleistung von jeweils 20 kW umfaßt (nicht dargestellt). Alle nachfolgend behandelten, direkt oder indirekt von der Nennleistung der eingesetzten Wärmepumpen 1-4 abhängigen Größen würden dann entsprechend angepaßt werden.
Die Steuereinheit 7 umfaßt darüber hinaus Informationen 13 über die Festlegung der Ansteuerstufen 14, siehe 4. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Ansteuerstufen 14 für alle Wärmepumpen 1-4 des Verbundes 5 identisch. Es sind insgesamt acht Ansteuerstufen 14 mit Zuordnungen von 0 % bis 100 % Leistung vorgesehen. Daher kann jeder der eingesetzten Wärmepumpen 1-4 in acht verschiedenen Stufen angesteuert werden. Mit anderen Worten können die Wärmepumpen 1-4 ihre Leistung in diesen Abstufungen abgeben. Sowohl die Anzahl der Ansteuerstufen 14, als auch die Zuweisungen der Leistungswerte in Prozent zu den einzelnen Ansteuerstufen 14 können in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung variieren. Auch müssen die Ansteuerstufen 14 nicht für alle Wärmepumpen 1-4 gleich sein. So ist es beispielsweise möglich, daß der Verbund 5 eine Anzahl Wärmepumpen mit acht Ansteuerstufen und eine Anzahl Wärmepumpen mit lediglich sechs oder aber mit zehn Ansteuerstufen enthält (nicht dargestellt). Alle nachfolgend behandelten, direkt oder indirekt von den Ansteuerstufen 14 abhängigen Größen würden dann entsprechend angepaßt werden.
Zur automatischen Ermittlung der Leistungsstufen 18 und damit der Ansteuersignale (A₁ bis A₄) 9, auf deren Grundlage die Einzelansteuerung der in dem Verbund 5 enthaltenen Wärmepumpen 1-4 erfolgt, kommt ein Signalermittlungsmodul 21 als Teil der Steuereinheit 7 zum Einsatz, siehe 2. Dieses Signalermittlungsmodul 21 ermittelt entsprechend dem Sollwertsignal (E) 8 die Ansteuersignale (A₁ bis A₄) 9 unter Verwendung des Betriebsplanes 10. Der Betriebsplan 10 umfaßt alle hierfür notwendigen Informationen und Zuordnungen und wird in diesem Ausführungsbeispiel durch die in den 3 bis 7 abgebildeten Tabellen dargestellt.
Bevor die Ansteuersignale (A₁ bis A₄) 9 ermittelt werden können, erfolgt für jede Wärmepumpe 1-4 eine Zuweisung der einzelnen Leistungsstufen 16. Die Steuereinheit 7 umfaßt zu diesem Zweck Informationen 15 über die möglichen Leistungsstufen 16 der einzelnen Wärmepumpen 1-4, siehe 5. Dabei wird für jede Wärmepumpe 1-4 diejenige Leistungsabgabe ermittelt, die sich aus der Leistungsklasse 12 der jeweiligen Wärmepumpe 1-4 unter Berücksichtigung der jeweiligen Leistungsstufe 16 ergibt. Beispielsweise beträgt bei der ersten Wärmepumpe 1 bei der vierten Ansteuerstufe die Leistungsabgabe 6,5 kW, entsprechend einer Leistungsstufe von 65 % bei einer Leistungsklasse von 10 kW.
Die Steuereinheit 7 umfaßt weiterhin Informationen 17 über die Ermittlung der kombinierten Leistungsstufen 18 im Verbund 5, siehe 6. Diese Informationen ergeben sich aus den im Zusammenhang mit 5 beschriebenen Informationen über die möglichen Ansteuerungen der einzelnen Wärmepumpen 1-4 bei Anwendung der grundlegenden Regel, daß zunächst alle in dem Verbund 5 verfügbaren Wärmepumpen 1-4 entsprechend ihrer Nutzungspriorität (wie weiter unten im Detail beschrieben) in derselben Ansteuerstufe 14 betrieben werden, bevor bei einer entsprechenden Anforderung (Änderung der Sollgröße 8) eine oder mehrere der Wärmepumpen 1-4, dies wiederum entsprechend ihrer Nutzungspriorität, in einer höheren Leistungsstufe 16 betrieben werden. Gleiches gilt entsprechend bei einer Verringerung der angeforderten Leistung. Bei dieser Regel handelt es sich um die dem Betriebsplan 10 zugrundeliegende Basisregel, auf welcher aufbauend jede Ansteuerung erfolgt. Ziel dieser Regel ist es, sicherzustellen, daß zwischen den Ansteuerstufen 14 aller aktiven Wärmepumpen 1-4 möglichst wenig Ansteuerstufen 14 liegen oder anders ausgedrückt, daß sich die Ansteuerstufen 14 und damit die Leistungsstufen 16 aller aktiven Wärmepumpen 1-4 möglichst wenig voneinander unterscheiden. Damit soll eine gleichmäßige Auslastung aller Wärmepumpen 1-4 erreicht werden.
Die Steuereinheit 7 umfaßt weiterhin Informationen 19 über die Zuordnung 20 der Ansteuerstufen 14 entsprechend der Sollgröße 8, siehe 7. Das Signalermittlungsmodul 21 ermittelt auf der Grundlage dieser Tabelle die Ansteuerstufen 14 und damit bzw. daraus auf übliche Art und Weise die entsprechenden Ansteuersignale (A₁ bis A₄) 9. Dabei wird derjenige Wert gewählt, welcher der Sollwertvorgabe am nächsten liegt. Liegt der Wert genau in der Mitte, wird die nächstkleinere Ansteuerstufe 14 gewählt.
Wird beispielsweise die Sollgröße 8 durch ein analoges Spannungssignal zwischen 0 und 10 Volt ausgedrückt und beträgt die Sollgröße 2,5 V, so entspricht dies bei einer Gesamtnennleistung von 40 kW einer angeforderten Leistung von 10 kW. Diese Leistung könnte beispielsweise dadurch erzielt werden, daß die erste Wärmepumpe 1 mit der Ansteuerstufe „7“, entsprechend einer Leistungsstufe von 100 % betrieben wird. Erfindungsgemäß ermittelt das Signalermittlungsmodul 21 jedoch für die ersten drei Wärmepumpen 1, 2, 3 die Ansteuerstufe „1“ (30 %), während die vierte Wärmepumpe 4 mit der Ansteuerstufe „0“ (0 %) betrieben wird. Wie aus 6 ersichtlich, ergibt sich bei einer solchen Ansteuerung der Wärmepumpen 1-4 des Verbundes 5 eine Ausgangsleistung von 9 kW, welches unter Berücksichtigung der oben genannten Grundregel den nächstmöglichen Wert darstellt. Es addieren sich die Leistungsabgaben der ersten drei Wärmepumpen 1, 2, 3 im Verbund 5, wie in 6 im voraus ermittelt.
Um eine angeforderte Leistung von 13 kW, entsprechend einer Sollgröße 8 von 3,25 V, zu erreichen, wird zunächst versucht, alle Wärmepumpen 1-4 mit der gleichen Ansteuerstufe 14 zu betreiben. Bei der Ansteuerstufe „1“ läßt sich so jedoch nur eine Leistung von 12 kW erzielen. Entsprechend der oben beschriebenen Grundregel wird daher die Wärmepumpe mit der höchsten Nutzungspriorität, hier die erste Wärmepumpe 1, die nächstgrößere Ansteuerstufe „2“ zugewiesen. Somit sind der zweiten, dritten und vierten Wärmepumpe 2, 3, 4 die Ansteuerstufe „1“ und der ersten Wärmepumpe 1 die Ansteuerstufe „2“ zugeordnet. Damit ergibt sich eine Leistung von insgesamt 13,2 kW. Das stellt unter Berücksichtigung der Grundregel den zu 13 kW nächstmöglichen Wert dar.
Beträgt die Sollgröße 8 hingegen beispielsweise 6,25 V, so entspricht dies bei einer Gesamtnennleistung von 40 kW einer angeforderten Leistung von 25 kW und das Signalermittlungsmodul 21 ermittelt erfindungsgemäß für die ersten drei Wärmepumpen 1, 2, 3 die Ansteuerstufe „4“ (65 %) und für die vierte Wärmepumpe 4 die Ansteuerstufe „3“ (53 %). Es ergibt sich bei einer solchen Ansteuerung eine Gesamtleistung von 24,8 kW, welches unter Berücksichtigung der oben genannten Grundregel den zu 25 kW nächstmöglichen Wert darstellt. Auf diese Weise wird eine möglichst gleichmäßige Auslastung aller Wärmepumpen 1-4 des Verbundes 5 erreicht.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung (nicht dargestellt), wird nicht derjenige Wert gewählt, welcher der Sollwertvorgabe am nächsten liegt, sondern es wird stets die nächstgrößere Ansteuerstufe gewählt. So wird die Leistungsanforderung in jedem Fall unmittelbar, d. h. ohne weiteren Regelaufwand, sicher erfüllt.
Darüber hinaus weist ein Zuweisungsmodul 22, welches ebenfalls Teil der Steuereinheit 7 ist, jeder Wärmepumpe 1-4 einen Verfügbarkeitsstatus 25 und eine Nutzungspriorität 26 zu.
Der Verfügbarkeitsstatus 25 umfaßt im einfachsten Fall zwei Zustände, nämlich „aktiv“ (d. h. nutzbar) und „inaktiv“ (d. h. nicht nutzbar). Der Verfügbarkeitsstatus 25 kann weitere Zustände umfassen, beispielsweise „eingeschränkt nutzbar“ oder dergleichen, wobei dies vorzugsweise automatisch bei der Festlegung der zur Verfügung stehenden Leistungsklassen 12 und/oder Ansteuerstufen 14 der entsprechenden Wärmepumpe 1-4 berücksichtigt wird. In einem einfachen Fall erhält das Zuweisungsmodul 22 die Informationen zur Verfügbarkeit als Rückmeldesignal R₁, R₂, R₃, R₄) 27 (z. B. „Betrieb“, „Störung“ oder „Abtaubetrieb“) direkt von den einzelnen Wärmepumpen 1-4. Ist der Verfügbarkeitsstatus 25 einer Wärmepumpe 1-4 „aktiv“, dann wird diese Wärmepumpe 1-4 in dem Betriebsplan 10 berücksichtigt, anderenfalls nicht. Mit Hilfe des Zuweisungsmoduls 22 erfolgt anders ausgedrückt ein automatisches Sperren bzw. Freigeben von Wärmepumpen 1-4 anhand von wärmepumpeneigenen Zustandssignalen 27.
Die jeder Wärmepumpe 1-4 zugewiesene Nutzungspriorität 26 bestimmt die Reihenfolge der einzelnen Wärmepumpen 1-4 bei der Ermittlung der kombinierten Leistungsstufen 18 im Verbund 5. Sind, beispielsweise nach einer Erstinstallation, alle in dem Verbund 5 enthaltenen Wärmepumpen 1-4 gleich priorisiert, ist deren Reihenfolge beliebig. So werden sie beispielsweise fortlaufend nach ihrer Numerierung berücksichtigt, wie es in 6 der Fall ist.
Ein als Teil der Steuereinheit 7 ausgeführtes Optimierungsmodul 23 ist zum automatischen Ändern des Verfügbarkeitsstatus 25 und/oder der Nutzungspriorität 26 einer oder mehrerer Wärmepumpen 1-4. Mit Hilfe des Optimierungsmoduls 23 erfolgt beispielsweise ein automatisches Sperren und Freigeben anhand von Optimierungskriterien oder das Optimierungsmodul 23 ändert automatisch die Nutzungsprioritäten 26 und damit die Reihenfolge der Ansteuerung der einzelnen Wärmepumpen 1-4 anhand von Optimierungskriterien.
Erfolgt eine solche Änderung, so dient ein ebenfalls als Teil der Steuereinheit 7 ausgeführtes Anpassungsmodul 24 zum automatischen Anpassen des Betriebsplans 10 an sich ändernde Verfügbarkeiten 25 der Wärmepumpen 1-4 und/oder sich ändernde Nutzungsprioritäten 26 der Wärmepumpen 1-4.
Der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wichtigste und bereits oben genannte Betriebsparameter ist die Auslastung der Wärmepumpen 1-4. Die Optimierung erfolgt hier mit dem Ziel, eine möglichst gleichmäßige Auslastung aller Wärmepumpen 1-4, realisiert durch die Verwendung möglichst wenig voneinander beabstandeter, im besten Fall gleicher oder zumindest benachbarter Ansteuerstufen 14 der aktiven Wärmepumpen 1-4. Die Vorteile einer möglichst gleichmäßigen Auslastung liegen unter anderem in einer guten Energieeffizienz des Verbundes 5. Darüber hinaus kann auf erhöhte Leistungsanforderungen innerhalb kurzer Zeit reagiert werden, wenn angeforderte Wärmepumpen 1-4 nicht aus dem Ruhezustand, möglicherweise sogar über mehrere Ansteuerstufen 14 hinweg, hochgefahren werden müssen, sondern lediglich eine einzige Ansteuerstufe 14 hochgeschaltet werden.
Weitere Optimierungen sind alternativ oder auch zusätzlich zu der beschriebenen Auslastungsoptimierung möglich.
Von Vorteil ist eine Optimierung hinsichtlich der Laufzeiten der Wärmepumpen 1-4, mit dem Ziel, möglichst gleiche Laufzeiten zu erhalten. So kann beispielsweise einer Wärmepumpe 1-4 bei einer Überschreitung einer zuvor definierten Laufzeit eine niedrigere Priorität zugewiesen werden oder ihre Verfügbarkeit kann für einen bestimmten Zeitraum auf „inaktiv“ gestellt werden. In diesem Zusammenhang kann eine Betriebszeitenerfassung erfolgen, auf deren Grundlage der Verfügbarkeitsstatus 25 und/oder die Nutzungsprioritäten 26 der Wärmepumpen 1-4 angepaßt werden können.
Von Vorteil ist eine Optimierung hinsichtlich der Lärmentwicklung einzelner oder aller Wärmepumpen 1-4. So kann es beispielsweise in Krankenhäusern oder Hotels vorgesehen sein, zu bestimmten Zeiten, beispielsweise nachts, besonders laute Wärmepumpen 1-4 mit dem Verfügbarkeitsstatus „inaktiv“ oder mit einer niedrigeren Priorität zu versehen.
Von Vorteil sind darüber hinaus spezielle Optimierungen hinsichtlich Reaktions- und Hochlaufzeiten mit dem Ziel schneller Reaktionsfähigkeit auf geänderte Sollgrößen und hinsichtlich der Temperaturentwicklung der Wärmepumpen 1-4 mit dem Ziel, ein Überhitzen zu vermeiden. Damit können die Standzeiten der Wärmepumpen 1-4 erhöht werden.
Die Optimierung kann, wie bereits teilweise beschrieben, unter Berücksichtigung weiterer externer Größen erfolgen, wie beispielsweise der Pumpentemperatur, der Uhrzeit (tagsüber oder nachts) oder dergleichen.
In den 8 bis 12 sind die der Steuereinheit 7 zur Verfügung stehenden, einen Störungs-Betriebsplan 10 definierenden Informationen dargestellt, der einer Ansteuerung des Verbundes bei einem Störfall einer Wärmepumpe zugrunde liegt.
Meldet eine Wärmepumpe 1-4 einen Störfall, ändert sich also der Verfügbarkeitsstatus 25 dieser Wärmepumpe 1-4, dann verändern sich in der Regel die Nutzungsprioritäten 26 der übrigen Wärmepumpen 1-4. Im Beispiel meldet sich die zweite Wärmepumpe 2 wegen einer Störung ab, siehe 8. Dadurch ändert sich die interne Zuweisung der Wärmepumpen 1-4. Die zweite Wärmepumpe 2 wird im Feld hinten angereiht. Die Anzahl der aktiven Wärmepumpen wird um die Anzahl der gestörten Wärmepumpen vermindert. Es befinden sich noch drei Wärmepumpen 1, 3, 4 im Verbund 5, siehe 9.
Ausgehend von einer entsprechend abgeänderten Zuweisungstabelle 15, siehe 10, werden von dem Anpassungsmodul 24 die neuen kombinierten Leistungsstufen 16 für den Verbund 5 ermittelt, siehe 11. Das Signalermittlungsmodul 21 verwendet die ebenfalls neu ermittelten Ansteuerstufen 14, siehe 12, zur Ansteuerung der verbleibenden drei Wärmepumpen 1, 3, 4. Bei einer Eingangsgröße 8 von 2,5 V ergibt sich bei regelgemäßer Ansteuerung eine Ausgangsleistung von 10,2 kW, bei 3,25 V ergibt sich 12,6 kW und bei 6,25 V ergibt sich 25,3 kW.
Das Signalermittlungsmodul 21, das Zuweisungsmodul 22, das Optimierungsmodul 23 und das Anpassungsmodul 24 sind als Teile eines Computerprogramms 28 ausgebildet, das in der Steuereinheit 7 ausgeführt ist, die zu diesem Zweck mit einem Mikroprozessor 29 versehen ist.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln. als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: erste Wärmepumpe
2: zweite Wärmepumpe
3: dritte Wärmepumpe
4: vierte Wärmepumpe
5: Wärmepumpenverbund
6: Gebäudeautomation
7: Steuereinheit
8: Eingangssignal, Sollgröße
9: Ansteuersignal
10: Betriebsplan
11: Tabelle
12: Leistungsklasse
13: Tabelle
14: Ansteuerstufe
15: Tabelle
16: Leistungsstufe
17: Tabelle
18: kombinierte Leitungsstufe im Verbund
19: Tabelle
20: Zuordnung
21: Signalermittlungsmodul
22: Zuweisungsmodul
23: Optimierungsmodul
24: Anpassungsmodul
25: Verfügbarkeitsstatus
26: Nutzungspriorität
27: Rückmeldesignal
28: Computerprogramm
29: Mikroprozessor

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Wärmepumpenverbundes (5), wobei entsprechend einem Sollwertsignal (8) unter Verwendung eines Betriebsplanes (10) automatisch Ansteuersignale (9) ermittelt werden, auf deren Grundlage eine Einzelansteuerung der in dem Verbund (5) enthaltenen Wärmepumpen (1-4) erfolgt, wobei jeder Wärmepumpe (1-4) ein Verfügbarkeitsstatus (25) und eine Nutzungspriorität (26) zugewiesen wird, und wobei der Betriebsplan (10) automatisch an sich ändernde Verfügbarkeiten (25) der Wärmepumpen (1-4) und/oder sich ändernde Nutzungsprioritäten (26) der Wärmepumpen (1-4) angepaßt wird, wobei der Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder die Nutzungspriorität (26) wenigstens einer Wärmepumpe (1-4) mit dem Ziel einer Optimierung eines Betriebsparameters einer Wärmepumpe (1-4) oder eines Betriebsparameters des Verbundes (5) automatisch verändert wird, wobei der Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder die Nutzungspriorität (26) der wenigstens einen Wärmepumpe (1-4) automatisch mit dem Ziel verändert wird, den Betriebsparameter „Gesamtauslastung des Wärmepumpenverbundes“ derart zu optimieren, daß zwischen den Ansteuerstufen aller aktiven Wärmepumpen (1-4) möglichst wenig Ansteuerstufen liegen, und wobei sich die Nutzungspriorität (26) der übrigen Wärmepumpen (1, 3, 4) automatisch verändert, wenn sich der Verfügbarkeitsstatus (25) einer Wärmepumpe (2) ändert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder die Nutzungspriorität (26) der wenigstens einen Wärmepumpe (1-4) automatisch mit dem Ziel verändert wird, zusätzlich einen oder mehrere der folgenden Betriebsparameter zu optimieren: Betriebszeit, Lärmentwicklung, Energieverbrauch, Reaktionszeit.
Steuereinheit (7) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend ein Signalermittlungsmodul (21), ausgebildet zum automatischen Ermitteln von Ansteuersignalen (9), auf deren Grundlage eine Einzelansteuerung der in dem Verbund (5) enthaltenen Wärmepumpen (1-4) erfolgt, unter Verwendung eines Betriebsplanes (10) entsprechend einem Sollwertsignal (8), ein Zuweisungsmodul (22), ausgebildet zum Zuweisen eines Verfügbarkeitsstatus (25) und einer Nutzungspriorität (26) zu jeder Wärmepumpe (1-4), und ein Anpassungsmodul (24), ausgebildet zum automatischen Anpassen des Betriebsplans (10) an sich ändernde Verfügbarkeiten (25) der Wärmepumpen (1-4) und/oder sich ändernde Nutzungsprioritäten (26) der Wärmepumpen (1-4), weiter aufweisend ein Optimierungsmodul (23), ausgebildet zum automatischen Ändern des Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder der Nutzungspriorität (26) wenigstens einer Wärmepumpe (1-4) mit dem Ziel einer Optimierung eines Betriebsparameters einer Wärmepumpe (1-4) oder eines Betriebsparameters des Verbundes (5), wobei der Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder die Nutzungspriorität (26) der wenigstens einen Wärmepumpe (1-4) automatisch mit dem Ziel verändert wird, den Betriebsparameter „Gesamtauslastung des Wärmepumpenverbundes“ derart zu optimieren, daß zwischen den Ansteuerstufen aller aktiven Wärmepumpen (1-4) möglichst wenig Ansteuerstufen liegen, und wobei sich die Nutzungspriorität (26) der übrigen Wärmepumpen (1, 3, 4) automatisch verändert, wenn sich der Verfügbarkeitsstatus (25) einer Wärmepumpe (2) ändert.
Computerprogramm (28) zur Ansteuerung eines Wärmepumpenverbundes (5) gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend Computerprogrammanweisungen zum automatischen Ermitteln von Ansteuersignalen (9), auf deren Grundlage eine Einzelansteuerung der in dem Verbund (5) enthaltenen Wärmepumpen (1-4) erfolgt, unter Verwendung eines Betriebsplanes (10) entsprechend einem Sollwertsignal (8), Computerprogrammanweisungen zum Zuweisen eines Verfügbarkeitsstatus (25) und einer Nutzungspriorität (26) zu jeder Wärmepumpe (1-4), Computerprogrammanweisungen zum automatischen Anpassen des Betriebsplans (10) an sich ändernde Verfügbarkeiten (25) der Wärmepumpen (1-4) und/oder sich ändernde Nutzungsprioritäten (26) der Wärmepumpen (1-4), und Computerprogrammanweisungen zum automatischen Ändern des Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder der Nutzungspriorität (26) wenigstens einer Wärmepumpe (1-4) mit dem Ziel einer Optimierung eines Betriebsparameters einer Wärmepumpe (1-4) oder eines Betriebsparameters des Verbundes (5), wobei der Verfügbarkeitsstatus (25) und/oder die Nutzungspriorität (26) der wenigstens einen Wärmepumpe (1-4) automatisch mit dem Ziel verändert wird, den Betriebsparameter „Gesamtauslastung des Wärmepumpenverbundes“ derart zu optimieren, daß zwischen den Ansteuerstufen aller aktiven Wärmepumpen (1-4) möglichst wenig Ansteuerstufen liegen, und wobei sich die Nutzungspriorität (26) der übrigen Wärmepumpen (1, 3, 4) automatisch verändert, wenn sich der Verfügbarkeitsstatus (25) einer Wärmepumpe (2) ändert, wenn das Computerprogramm (28) auf einem Rechner (7) ausgeführt wird.