DE102014014325A1

DE102014014325A1 - Wärmepumpenvorrichtung und Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenvorrichtung

Info

Publication number: DE102014014325A1
Application number: DE102014014325.2A
Authority: DE
Inventors: Enno Wagner; Oliver Bast; Johannes Üpping; Albert Riemenschneider
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem (10) mit einer Wärmepumpeneinheit (11). Die Wärmepumpeneinheit weist eine steuerbare elektrische Leistungsaufnahme auf, zum Umwandeln der elektrischen Aufnahmeleistung in Wärme. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Regeleinheit (14) zum Regeln des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (11) und insbesondere der elektrischen Aufnahmeleistung der Wärmepumpeneinheit (11), wobei die Regeleinheit (14) dazu ausgestaltet ist, den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (11) in einer ersten Betriebsart in Abhängigkeit einer Soll-Raumtemperatur und/oder einer Soll-Warmwassertemperatur zu regeln. Das Wärmepumpensystem (10) weist außerdem eine Schnittstelle (17) zur Kommunikation mit einer externen Einheit (20, 30) und zur Übermittlung von Regelvorgaben für die Regeleinheit (14) für die zweite Betriebsart auf, wobei über die Datenschnittstelle (17) eine zweite Betriebsart durch die eine externe Einheit aktivierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem und ein Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystems.
Wärmepumpensysteme weisen typischerweise eine Wärmepumpe auf, welche zur Warmwasserbereitung oder zur Raumheizung verwendet wird. Die Regelung der Wärmepumpe erfolgt in Abhängigkeit einer Soll-Temperatur des Warmwassers oder einer Soll-Raumtemperatur. Diese Soll-Raumtemperatur oder Soll-Warmwassertemperatur wird typischerweise von dem Benutzer vorgegeben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmepumpensystem und ein Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystems vorzusehen, welche die Einsatzmöglichkeiten des Wärmepumpensystems erweitert.
Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpensystem nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystems nach Anspruch 5 gelöst.
Die Erfindung betrifft den Gedanken, ein Wärmepumpensystem mit einem externen Steuereingang bzw. einer Schnittstelle vorzusehen, über welche(n) z. B. ein Energieversorgungsunternehmen die Regelung der Wärmepumpe beeinflussen können, um die durch das Wärmepumpensystem aufgenommene, elektrische Leistung von extern des Wärmepumpensystems zu erhöhen oder zu reduzieren. So kann es beispielsweise zu bestimmten Zeitpunkten möglich sein, dass zu viel Energie in dem Versorgungsetz vorhanden ist und dass diese Energie möglichst kurzfristig verbraucht werden muss. Dazu kann ein Energieversorgungsunternehmen über die Schnittstelle in die Regelung des Wärmepumpensystems eingreifen und die Wärmepumpe so regeln, dass ihre elektrische Leistungsaufnahme erhöht wird. Durch diesen Vorgang kann eine Netzstabilisierung insbesondere hinsichtlich der Netzfrequenz und der Netzspannung ermöglicht werden, weil somit auch kurzfristig mehr Energie verbraucht werden kann.
Das Wärmepumpensystem gemäß der Erfindung kann in einer ersten Betriebsart betrieben werden, welche der Normalbetriebsart entspricht. Hierbei wird die Wärmepumpe basierend auf einem Soll-Temperaturwert geregelt. Das Wärmepumpensystem kann über die Schnittstelle in einer zweiten Betriebsart betrieben werden, wobei eine externe Einheit über die Schnittstelle in die Regelung des Wärmepumpensystems eingreifen kann, um die elektrische Aufnahmeleistung zu erhöhen oder zu reduzieren. Die externe Einheit kann ein Energieversorgungsunternehmen darstellen. Alternativ dazu kann die externe Einheit auch als eine Photovoltaikeinheit ausgestaltet sein, die in demselben Gebäude wie das Wärmepumpensystem vorgesehen ist. Wenn die Photovoltaikeinheit z. B. erfasst, dass sie mehr Energie erzeugt als sie ins Netz abgeben kann oder wenn sie erfasst, dass der durch sie erzeugte Strom günstiger ist als der von einem Energieversorger bezogene Strom, dann kann sie in die Regelung des Wärmepumpensystems derart eingreifen, dass die elektrische Aufnahmeleistung und somit die Ist-Raumtemperatur oder die Ist-Warmwassertemperatur erhöht wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Benutzer bzw. Eigentümer des Wärmepumpensystems einen oberen und unteren Grenzwert, beispielsweise der Soll-Raumtemperatur oder der Soll-Warmwassertemperatur, vorgeben, welcher nicht überschritten oder unterschritten werden darf, wenn das Energieversorgungsunternehmen Einfluss auf die Regelung der Wärmepumpe nimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Temperaturband, d. h. eine Mindesttemperatur und eine maximale Temperatur für die Ist-Raumtemperatur und/oder die Ist-Warmwassertemperatur, durch den Nutzer ausgewählt werden und die Regelung des Wärmepumpensystems erfolgt mit einer Solltemperatur innerhalb dieses Temperaturbandes.
Die Erfindung betrifft ferner den Gedanken, dass Wärmepumpensysteme bei der Realisierung von intelligenten Stromnetzen mitberücksichtigt werden können und zur kurzfristigen Leistungsaufnahme aktiviert werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Regler des Wärmepumpensystems ist es nunmehr möglich, einen Wärmebedarf für ein Haus, d. h. für die Heizung und/oder die Warmwasserbereitung, für einen oder mehrere Tage im Voraus zu berechnen bzw. zu schätzen. Aus dem benötigten Wärmebedarf kann der benötigte Strombedarf bzw. Energiebedarf ermittelt und ggf. an die Energieversorgungsunternehmen zur Planung übermittelt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Leistungsbänder, d. h. für die minimale und maximale durch das Wärmesystem verbrauchbare Leistung über den Tag, definiert. Diese Leistungsbänder müssen nicht konstant sein, sondern können über den Tag variieren. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass während des Zeitraumes zwischen 24:00 Uhr und 6:00 Uhr die benötigte Leistung sinkt.
Der Dateneingang bzw. die Schnittstelle des Wärmepumpensystems kann auch als eine Datenschnittstelle vorgesehen sein, so dass sowohl eine Kommunikation von den Energieversorgungsunternehmen an die jeweiligen Wärmepumpensysteme als auch eine Kommunikation von Wärmepumpensystemen an die Energieversorgungsunternehmen erfolgen kann. Beispielsweise können die Wärmepumpensysteme somit den geschätzten Strombedarf für den nächsten Tag oder die nächsten Tage an das Energieversorgungsunternehmen übermitteln. Dies kann beispielsweise über ein standardisiertes Protokoll wie beispielsweise TCP/IP erfolgen.
Gemäß der Erfindung kann das Energieversorgungsunternehmen bzw. ein Regler einer Photovoltaikeinheit (welche/welcher sich im Bereich bzw. der Umgebung des Wärmepumpensystems befindet) das Wärmepumpensystem innerhalb der definierten Leistungsbänder regeln. Damit kann das Energieversorgungsunternehmen beispielsweise das Wärmepumpensystem so steuern, dass es mehr Energie aufnimmt als eigentlich nötig wäre, um die benötigte Soll-Raumtemperatur und/oder Soll-Warmwassertemperatur vorzusehen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist der Regler des Wärmepumpensystems dazu ausgestaltet, die extern empfangenen Daten- und Steuersignale zu überprüfen und ggf. in die externe Regelung einzugreifen, wenn absehbar ist, dass der benötigte Wärmebedarf nicht mehr gedeckt werden könnte.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Wärmepumpensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Simulationsmodells eines Wärmpumpensystems und eines Gebäudes,
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Berechnung einer elektrischen Aufnahmeleistung für die Vergangenheit und eine Berechnung einer prognostizierten elektrischen Aufnahmeleistung,
4 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Regelung des Wärmepumpensystems, und
5 zeigt einen Graphen, der die Abhängigkeit der elektrischen Aufnahmeleistung bezogen auf den Tagesablauf darstellt.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Wärmepumpensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Wärmepumpensystem 10 weist eine Wärmepumpe 11, optional eine Warmwasserbereitung 12, optional eine Heizeinheit 13 für eine Raumheizung, einen Regler 14, eine Prognose- und Simulationseinheit 15 sowie eine Datenschnittstelle 17 auf. Über die Datenschnittstelle 17 kann das Wärmepumpensystem 10 mit einer Photovoltaikvorrichtung 20 und/oder mit einem elektrischen Energieversorgungsunternehmen 30 gekoppelt sein. Die Wärmepumpe 11 nimmt eine elektrische Aufnahmeleistung auf und kann dies in Wärme umwandeln, welche über die Warmwasserbereitung 12 und/oder über die Heizeinheit 13 beispielsweise an ein Haus oder ein Gebäude abgegeben werden kann. Der Regler 14 ist dazu ausgestaltet, in einer ersten Betriebsart (Normalbetriebsart) in Abhängigkeit einer Soll-Raumtemperatur bzw. eines Soll-Raumtemperaturbandes mit einem Minimalwert und einem Maximalwert die Wärmepumpe 11 und beispielsweise insbesondere die Drehzahl des Verdichters der Wärmepumpe zu regeln, um die gewünschte Soll-Raumtemperatur oder die Soll-Warmwassertemperatur zu erreichen.
Die Prognose- und/oder Simulationseinheit 15 dient dazu, anhand von Wetterdaten (beispielsweise die Außentemperatur) und Benutzervorgaben (wie beispielsweise eine minimale und maximale Raumtemperatur) einen Wärmebedarf des Wärmepumpensystems für den nächsten Tag oder die nächsten Tage zu ermitteln. Basierend auf dem Wärmebedarf kann die elektrische Aufnahmeleistung ermittelt werden. Die elektrische Aufnahmeleistung für die nächsten Tage kann beispielsweise an das Energieversorgungsunternehmen 30 oder die Photovoltaikvorrichtung 20 über die Schnittstelle 17 übertragen werden.
In 2 ist ein thermodynamisches Simulationsmodell für das Wärmepumpensystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses Simulationsmodell kann in der Prognose- und/oder Simulationseinheit 15 für die Erstellung der Prognose verwendet werden. In dem Simulationsmodell ist ein Wärmepumpenmodell 110, ein Modell des Hauses 130 und ein Reglermodell 120 vorgesehen. Als Eingangsdaten des Simulationsmodells können Wetterdaten 140 (wie beispielsweise die Außentemperatur und die solare Einstrahlung) sowie Benutzervorgaben 150 (wie beispielsweise der gewünschte Temperaturbereich für die Soll-Raumtemperatur und/oder die Soll-Warmwassertemperatur) verwendet werden. Basierend auf diesen Daten ermittelt das Simulationsmodell bzw. die Prognose- und/oder Simulationseinheit 15 die Simulationsergebnisse 160. Das Reglermodell 120 kann beispielsweise eine klassische Reglerfunktion aufweisen. Das Wärmepumpenmodell 110 kann beispielsweise anhand von Kennfeldern eines Verdichters der Wärmepumpe abgebildet werden. Durch das Wärmepumpenmodell 110 kann beispielsweise bei Verwendung der Drehzahl als Eingangsgröße sowohl die thermische Leistung der Wärmepumpe als auch die elektrische Aufnahmeleistung P_el WP berechnet werden. Das Hausmodell 130 kann das Wärmeverteilsystem abbilden. In dem Hausmodell 130 kann sowohl der Wärmeübergang vom Heizsystem T_HK auf das Haus T_Raum als auch der Wärmeübergang von dem Haus auf die Umgebung t_außen abgebildet sein. Vorzugsweise werden bei dem Haus 130 sowohl die thermischen Massen innerhalb des Hauses als auch eine solare Einstrahlung mit berücksichtigt. Optional kann das Hausmodell durch zwei gekoppelte PT1-Glieder dargestellt werden.
Optional kann eine Analyse des Wärmepumpensystems für das thermodynamische Simulationsmodell während eines üblichen Regelungsbetriebs erfolgen. Beispielsweise können hierbei die Außentemperatur und die solare Einstrahlung als Eingangsgrößen verwendet werden. Die Raumtemperatur kann wiederum als Ausgangsgröße verwendet werden. Optional können die Abkühlkurven des Wärmepumpensystems beispielsweise nach Abschalten der Wärmepumpe verwendet werden, um Zeitkonstanten und Verstärkungsglieder für das thermodynamische Simulationsmodell zu erhalten.
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Berechnung einer Aufnahmeleistung eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems. Basierend auf den vergangenen Daten der Außentemperatur, der solaren Einstrahlung und der Soll-Raumtemperatur kann eine Analyse durchgeführt werden, um die elektrische Aufnahmeleistung des Wärmepumpensystems in der Vergangenheit zu bestimmen. In der Analyse 200 können die thermischen Massen c_Haus und/oder die Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangskoeffizienten K_Haus des Hauses ermittelt werden. Ferner kann eine solare Einstrahlung Q_solar als weitere Eingangsgröße verwendet werden. Ein Koeffizient k_solar kann verwendet werden, um das Verhältnis von solarer Einstrahlung (aus Wetterdaten 140) und der individuellen solaren Einstrahlung k_solar des Hauses zu bestimmen.
Durch die Analyse 200 können Lastgänge der Vergangenheit analysiert und parametriert werden. Anschließend kann basierend auf dem Simulationsmodell 100 eine Prognose für die zukünftige elektrische Aufnahmeleistung erfolgen. Als Eingangsdaten können hierfür die zukünftige Außenlufttemperatur T_außen, die zukünftige solare Einstrahlung, eine relative Luftfeuchte RF_außen etc. verwendet werden, wobei sich diese Daten auf den nächsten oder übernächsten Tag beziehen können.
In dem Simulationsmodell bzw. mittels des Simulationsmodells 100 kann ein Lastgang der Wärmepumpe mit einer minimalen Solltemperatur und einer maximalen Solltemperatur durchgeführt werden. Die minimale und maximale Raumtemperatur kann durch den Benutzer vorgegeben werden, wodurch er eine auf ihn angepasste Komfortzone definieren kann. Dies ist insbesondere in 4 gezeigt. Hierbei kann die Komfortzone KZ eine über den Tag variable Zone darstellen. In 4 ist insbesondere gezeigt, dass in dem Zeitraum zwischen z. B. 22 Uhr und 6 Uhr morgens die minimale Soll-Raumtemperatur niedriger ist als in dem Zeitraum zwischen 6 Uhr und 22 Uhr. Die maximale Soll-Raumtemperatur über den Tagesverlauf kann ebenfalls in einem Zeitraum zwischen 23 Uhr und 6 Uhr abgesenkt sein.
5 zeigt einen Graphen, der die Abhängigkeit der elektrischen Aufnahmeleistung bezogen auf den Tagesablauf darstellt. Hierbei ist insbesondere zwischen der elektrischen Aufnahmeleistung und der in 4 dargestellten maximalen und minimalen Soll-Raumtemperatur ein Zusammenhang vorhanden. Mit steigender Soll-Raumtemperatur steigt auch die hierfür benötigte elektrische Aufnahmeleistung des Wärmepumpensystems. Über die Schnittstelle 17 kann das Wärmepumpensystem sowohl die Kurve gemäß 4 als auch die Kurve gemäß 5 an eine Photovoltaikeinheit oder an ein Netzversorgungsunternehmen übermitteln. In 5 ist somit sowohl die maximale Aufnahmeleistung P_WPmax als auch die minimale Aufnahmeleistung P_WPmin sowie die tatsächliche Aufnahmeleistung P_WP des Wärmepumpensystems gezeigt. In 5 ist zu sehen, dass durch die Schnittstelle 17 die Photovoltaikeinheit und/oder das Energieversorgungsunternehmen Einfluss nimmt auf die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe.
Wenn optional eine Photovoltaikeinheit mit dem Wärmepumpensystem gemäß der Erfindung gekoppelt wird, dann kann bei den zeitlichen Bereichen ohne eine Photovoltaikleistung die Wärmepumpe auf einem niedrigen Temperaturniveau geregelt werden, um somit möglichst wenig Netzstrom aufnehmen zu müssen. Dies ist beispielsweise in dem Zeitraum zwischen 6 Uhr und 7 Uhr in 5 gezeigt. Während der Mittagszeit, d. h. zwischen 12 Uhr und 14 Uhr, kann die Leistung der Wärmepumpe erhöht werden, um damit den durch eine Photovoltaikeinheit zur Verfügung gestellten Strom zu verwenden und die thermischen Massen des Hauses bzw. des Gebäudes aufzuheizen. Durch die maximale Soll-Raumtemperatur, die von dem Benutzer festgelegt ist, kann verhindert werden, dass das Haus bzw. das Gebäude über diese maximale Soll-Raumtemperatur hinaus aufgeheizt wird. Dadurch, dass das Gebäude bzw. das Haus bereits während der Mittagszeit aufgeheizt wird, kann beispielsweise auf eine weitere Aufheizung in den Abendstunden verzichtet werden, wodurch das Wärmepumpensystem Strom einsparen kann.

Claims

Wärmepumpensystem (10), mit einer Wärmepumpeneinheit (11), welche eine steuerbare elektrische Leistungsaufnahme aufweist, zum Umwandeln der elektrischen Aufnahmeleistung in Wärme, einer Regeleinheit (14) zum Regeln des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (11) und insbesondere der elektrischen Aufnahmeleistung der Wärmepumpeneinheit (11), wobei die Regeleinheit (14) dazu ausgestaltet ist, den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (11) in einer ersten Betriebsart in Abhängigkeit einer Soll-Raumtemperatur und/oder einer Soll-Warmwassertemperatur zu regeln, und einer Schnittstelle (17) zur Kommunikation mit einer externen Einheit (20, 30) und zur Übermittlung von Regelvorgaben für die Regeleinheit (14) für die zweite Betriebsart, wobei über die Datenschnittstelle (17) eine zweite Betriebsart durch die eine externe Einheit aktivierbar ist.
Wärmepumpensystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit einer Prognose- und Simulationseinheit (15) zum Erstellen einer Prognose einer elektrischen Aufnahmeleistung des Wärmepumpensystems (10) für zumindest den nächsten Tag, wobei das Prognose- und/oder Simulationsergebnis der Prognose- und Simulationseinheit (15) über die Schnittstelle (17) an eine externe Einheit (20, 30) übermittelbar ist, wobei die externe Einheit (20, 30) in Abhängigkeit der empfangenen Prognose- und Simulationsergebnisse die elektrische Aufnahmeleistung des Wärmepumpensystems in der zweiten Betriebsart erhöht oder reduziert, wobei die Erhöhung oder Reduzierung der elektrischen Aufnahmeleistung durch von dem Benutzer festgelegte maximale und minimale Soll-Raumtemperatur und/oder die maximale und minimale Soll-Warmwassertemperatur begrenzt wird.
Wärmepumpensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Außentemperatur, eine solare Einstrahlung und/oder eine Luftfeuchtigkeit als Eingangsgrößen für die Prognose- und/oder Simulationseinheit (15) dienen, um daraus einen prognostizierten elektrischen Aufnahmeleistungsbedarf zu ermitteln.
Wärmepumpensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die maximale und minimale Soll-Raumtemperatur und die maximale oder minimale Soll-Warmwassertemperatur abhängig von einer Tageszeit steuerbar sind.
Verfahren zum Steuern eines Wärmepumpensystems mit einer Wärmepumpeneinheit (11), die eine einstellbare elektrische Aufnahmeleistung und eine Schnittstelle (17) aufweist, mit den Schritten: – Festlegen eines Soll-Temperaturbandes durch Festlegen einer maximalen und minimalen Soll-Raumtemperatur und/oder einer maximalen und minimalen Soll-Warmwassertemperatur, – Regeln des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (11) in einer ersten Betriebsart basierend auf einer Soll-Raumtemperatur oder einer Soll-Warmwassertemperatur innerhalb des Soll-Temperaturbandes, – Aktivieren einer zweiten Betriebsart und Übermitteln von Regelvorgaben durch eine externe Einheit (20, 30) über die Schnittstelle (17), – Regeln des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (11) in der zweiten Betriebsart basierend auf über die Schnittstelle (17) erhaltenen Regelvorgaben von der externen Einheit (20, 30), solange die Ist-Raumtemperatur und/oder die Ist-Warmwassertemperatur sich innerhalb der maximalen und minimalen Soll-Raumtemperatur und/oder der maximalen und minimalen Soll-Warmwassertemperatur befindet, wobei die Regelvorgaben eine Erhöhung oder eine Reduzierung der elektrischen Aufnahmeleistung der Wärmepumpensysteme aufweisen.
Verfahren zur Stabilisierung eines elektrischen Versorgungsnetzes, wenn zu viel oder zu wenig Energie in dem Versorgungsnetz vorhanden ist, wobei an das Versorgungsnetz eine Mehrzahl von Wärmepumpensystemen angeschlossen ist, welche jeweils eine Wärmepumpeneinheit (11), die eine einstellbare elektrische Aufnahmeleistung und eine Schnittstelle (17) aufweist, wobei in einer ersten Betriebsart der Betrieb der Wärmepumpeneinheit (11) basierend auf einer Soll-Raumtemperatur oder einer Soll-Warmwassertemperatur geregelt wird, und ein Soll-Temperaturband durch Festlegen einer maximalen und minimalen Soll-Raumtemperatur und/oder einer maximalen und minimalen Soll-Warmwassertemperatur eingestellt ist, mit den Schritten: – Regeln des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (11) in einer ersten Betriebsart basierend auf einer Soll-Raumtemperatur oder einer Soll-Warmwassertemperatur, – Aktivieren einer zweiten Betriebsart über die Datenschnittstelle (17) durch einen Energieversorger (30), – Übermitteln von Regelvorgaben für die Regelung des Betriebs der Wärmepumpensysteme, und – Regeln des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (11) in der zweiten Betriebsart basierend auf den empfangenen Regelvorgaben, solange die Ist-Raumtemperatur und/oder die Ist-Warmwassertemperatur sich innerhalb der maximalen und minimalen Soll-Raumtemperatur und/oder der maximalen und minimalen Soll-Warmwassertemperatur befindet, wobei die Regelvorgaben eine Erhöhung oder eine Reduzierung der elektrischen Aufnahmeleistung der Wärmepumpensysteme in Abhängigkeit davon aufweisen, ob zu viel oder zu wenig Energie in dem Versorgungsnetz vorhanden ist.