DE102016115649A1

DE102016115649A1 - Verfahren zum energieeffizienten Betrieb einer Verkaufsfiliale

Info

Publication number: DE102016115649A1
Application number: DE102016115649.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Falliano
Original assignee: Lidl Stiftung and Co KG
Current assignee: Lidl Stiftung and Co KG
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01
Also published as: NL2019438B1; NL2019438A

Abstract

Es wird eine Filiale eines Discounters vorgeschlagen, die mit elektrischer Energie einer vor Ort installierten Photovoltaik-Anlage betrieben wird. Zur Wärmeversorgung und zur Abfuhr von Abwärme werden Umgebungsluft und oberflächennahe Geothermie eingesetzt.

Description

Moderne Filialen von Lebensmitteldiscountern haben einen Energiebedarf von ca. 330.000 bis 400.000 kWh/a. Aus Gründen des Klimaschutzes und der Ressourcenschonung, aber auch aus wirtschaftlichen Gründen, ist es erstrebenswert, den Bezug von fossiler und elektrischer Energie zu reduzieren. Im Idealfall ist die Energiebilanz einer Filiale über das Jahr gesehen ausgeglichen. D. h. die in der Filiale verbrauchte Energie wird im Wesentlichen dort erzeugt und so weit wie möglich auch dort verbraucht.
Dabei soll nicht nur der Energiebedarf zum Heizen und Kühlen des Gebäudes (gemäß EnEV) erzeugt werden, sondern auch die Energie, welche für den Betrieb der Filiale benötigt wird. Das kann zum Beispiel die elektrische Energie für die in der Filiale vorhandenen Beleuchtungseinrichtungen, die Kälteenergie sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Betreiben einer Verkaufsfiliale bereitzustellen, dass es ermöglicht in einem durchschnittlichen Jahr nur wenig oder besser noch überhaupt keine fossile oder elektrische Energie zu beziehen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Die spezifischen Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Figuren und deren Beschreibung im Detail erläutert.
Zeichnung
Es zeigen:
1: Wichtige Energie-Verbraucher und externe Energiequellen eine Verkaufs-Filiale;
2: –;
3: das elektrische Netz einer erfindungsgemäßen Filiale;
4: Hydraulik einer erfindungsgemäßen Filiale;
5: Winterbetrieb und direkte interne Energieversorgung;
6: Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch externe Wärmezufuhr;
7: Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch Wärmezufuhr aus dem NT-Wärmespeicher;
8: Sommerbetrieb mit direkter Nutzung der Geothermie;
9: Sommerbetrieb mit Kühlung über Kältemaschine/ Kälteaggregat;
10: Sommerbetrieb mit Rückkühlung der Kühlstellen mit Beladung des Eisspeichers;
11: Sommerbetrieb;
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Verkaufs-Filiale im Sinne der beanspruchten Erfindung umfasst folgende Gruppen von Energieverbrauchern: Anteil am Energieverbrauch (ca.-Werte)

Beleuchtung 21 %

Heizung (Wärmepumpe) 9 %

Kälteerzeugung gesamt 48 %

Backprozess 6 %

IT Technik 8 %

Sonstiges 8 %

Summe 100%
Als "externe Energiequellen und/ -senken" zur Versorgung einer Verkaufsfiliale mit Wärme und elektrischer Energie stehen Umgebungswärme (Außenluft und oberflächennahe Geothermie) sowie Photovoltaik (PV) zur Verfügung.
In der 1 sind wichtige Energieverbraucher (nicht abschließend) sowie die Energiequellen und Wärmesenken einer erfindungsgemäßen Filiale zusammengefasst.
Die Speicherung von elektrischer und thermischer Energie erfolgt in mehreren "Stufen":

1. Kurzfristspeicherung): Betrifft eine Speicherperiode von etwa einem Tag. Damit kann zum Beispiel überschüssige elektrische Energie, die mittags erzeugt wird, kurzfristig zwischengespeichert und steht in der darauffolgenden Nacht zur Verfügung.
2. Mittelfristige Speicherung: Betrifft eine Speicherperiode von wenigen Tagen. Damit kann zum Beispiel überschüssige elektrische Energie, die an einem Wochenende oder einem Feiertag erzeugt wird, so lange zwischengespeichert werden, dass sie am nächsten Werktag zur Verfügung steht.
3. Langfristige Speicherung: Damit ist eine saisonale Speicherung – überwiegend im Sommer – und ein Verbrauch im darauffolgenden Herbst oder Winter gemeint.

Als Kurzfristspeicher für elektrische Energie wird eine Batterie/ein Akkumulator eingesetzt. Die Batterie wird vorwiegend eingesetzt, um die stark schwankende Stromerzeugung der PV-Anlage im elektrischen Netz der Filiale zu verringern
Als Kurzfristspeicher für thermische Energie (Wärme oder "Kälte") wird ein Niedertemperatur-(NT-)Wärmespeicher eingesetzt. Der (NT-)Wärmespeicher ist an das Warm/Kaltwassernetz der Filiale angeschlossen.
Zusätzlich kann ein Hochtemperatur-(HT-)Wärmespeicher eingesetzt werden. Er wird zum Beispiel nachmittags mit überschüssigem Strom beheizt (Ladevorgang)und dient zum Beispiel am Abend oder am Morgen des nächsten Tages zum Beheizen der Backöfen (Entladen). Speicher-Temperaturen über 200 °C sind möglich.
Als Mittelfristspeicher für thermische Energie werden ein Eisspeicher und die oberflächennahe Geothermie eingesetzt.
Der Begriff "Eisspeicher" soll an dieser Stelle etwas näher erläutert werden, um Missverständnissen vorzubeugen. Der Eisspeicher nutzt den Phasenübergang des Speichermediums, um die Speicherkapazität zu maximieren. D. h. beim Abkühlen des Eisspeichers (Beladen mit "Kälte") erstarrt das zuvor flüssige Speichermedium. Die minimale Temperatur des Speichermediums liegt in einem Bereich von –10 ° C bis –5 ° C.
Der Eisspeicher wird überwiegend bei Solarenergieüberschuss verwendet. Dieser tritt am häufigsten am Wochenende oder an Feiertagen auf. Mit dieser überschüssigen elektrischen Energie wird ein Kälteaggregat angetrieben, welches den Eisspeicher abkühlt. Am nächsten Werktag steht die eingespeicherte "Kälte" für Kühlzwecke zur Verfügung und verringert dadurch den Bedarf an elektrischer Energie. Hierbei ist das Ziel, möglichst wenig elektrische Energie in das öffentliche Netz einzuspeisen.
Der Eisspeicher kann aber auch als Pufferspeicher für Niedertemperatur-Wärme dienen. Dann ist das Speichermedium flüssig. Die Temperatur des Speichermediums liegt in dieser Betriebsart typischerweise oberhalb von +5 ° C. D. h. der Eisspeicher wird zum Speichern von Wärme und "Kälte" genutzt.
Wenn der Eisspeicher zwei getrennte Speichervolumina hat oder wenn zwei (kleinere) Eisspeicher installiert werden, kann zeitgleich Wärme und Kälte in dem "Eisspeicher" gespeichert werden oder zeitgleich Wärme und Kälte aus dem Eisspeicher entnommen werden.
In der erfindungsgemäßen Filiale wird auch oberflächennahe Geothermie eingesetzt. Darunter werden Erdwärmetauscher, z. B. Energiepfähle oder Flächenkollektoren, verstanden, die über ein Kalte-Nahwärme-Modul mit dem Sole-Kreislauf gekoppelt sind. Die Geothermie liefert Erdwärme (Wärmequelle) und kann Abwärme aus der Filiale aufnehmen (Wärmesenke). Weil das Erdreich eine sehr viel niedrigere Temperatur als die Außenluft an einem heißen Sommertag hat, ist es dann besonders effizient die Abwärme aus den Kälteaggregaten an das Erdreich und nicht an die Außenluft abzugeben.
Eine Besonderheit der oberflächennahen Geothermie im Sinne der beanspruchten Erfindung besteht darin, dass sie nur eine begrenzte Wärmemenge abgeben oder aufnehmen kann. Wenn das Erdreich, welches die Erdwärmetauscher umgibt, durch den Wärmeentzug um einen gewissen Betrag abgekühlt ist, kann es erst wieder als Wärmequelle dienen, wenn das Erdreich durch aktive Zufuhr von (Ab-)Wärme aus der Filiale, Wärme aus der Umgebungsluft oder weiter entfernt liegende Bereiche des Erdreichs regeneriert wurde.
Entsprechendes gilt, wenn das Erdreich als Kältespeicher eingesetzt wird, indem ein kalter Wärmeträger (wie zum Beispiel Sole) durch die Erdwärmetauscher gepumpt wird.
Es ist aber auch möglich, die oberflächennahe Geothermie in Zeiten hoher Außenlufttemperaturen (d. h. z. B. um die Mittagszeit an einem heißen Sommertag) als Wärmesenke für die Abwärme der in der Filiale anfallenden Abwärme zu nutzen. Dann wird die Abwärme der Kälteaggregate auf den Sole-Kreislauf übertragen und diese warme Sole durch die Erdwärmetauscher geführt. Dadurch können sie Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau (ca. 8 °C bis 13 °C) an das umgebende Erdreich abgeben und müssen die Abwärme nicht auf einen sehr viel höheren Temperaturniveau (ca. 40 °C bis über 50 °C) an die Umgebungsluft abgeben. Dadurch verbessert sich die Leistungszahl (COP) der Kälteaggregate signifikant, so dass weniger elektrische Energie zum Antrieb der Kälteaggregate benötigt wird.
Anders ausgedrückt: Die oberflächennahe Geothermie wird in einer erfindungsgemäßen Filiale auch als Kurzfrist- und Mittelfristspeicher sowie als temporäre Wärmesenke eingesetzt.
Aerothermie: Liefert Wärme (Wärmequelle) aus der Umgebungsluft und nimmt überschüssige Wärme des Sole-Kreislaufs auf (Wärmesenke). Die Aerothermie umfasst einen Luft/Sole-Wärmetauscher, der über das Kalte-Nahwärme-Modul mit dem Sole-Kreislauf gekoppelt ist. Die Aerothermie kann auch dazu genutzt werden, die Geothermie zu regenerieren, indem Wärme von der relativ warmen Außenluft über den Luft/Sole-Wärmetauscher auf den Sole-Kreislauf übertragen wird und die derart erwärmte Sole durch die Energiepfähle oder Flächenkollektoren der Geothermie gefördert wird. Dabei gibt die Sole Wärme an das umgebende Erdreich (= Geothermie) ab und regeneriert es auf diese Weise.
Als Langfristspeicher oder saisonaler Speicher für elektrische Energie dient das öffentliche Stromnetz: Im Sommer, wenn die PV-Anlage mehr elektrische Energie erzeugt als in der Filiale benötigt und dort gespeichert werden kann, wird dieser Überschuss an elektrischer Energie in das öffentliche Netz eingespeist.
Im Winter, wenn die PV-Anlage weniger elektrische Energie erzeugt als in der Filiale benötigt wird, wird die fehlende elektrische Energie aus dem öffentlichen Netz bezogen, um die Filiale zu versorgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren steuert die Energieströme der verschiedenen Erzeuger, Verbraucher und Speicher, so dass die momentan erzeugte elektrische und/oder anfallende thermische Energie möglichst ohne Zwischenspeicherung direkt genutzt wird, und dass anfallende Abwärme so weit wie möglich und möglichst ohne Zwischenspeicherung wieder genutzt wird (Abwärmenutzung).
Wenn diese Möglichkeiten ausgeschöpft sind, dann können elektrische und/oder thermische Energie gespeichert und später genutzt werden.
Die oberflächennahe Geothermie und die Aerothermie ergänzen sich gegenseitig. Dazu werden das in dem Patent DE 10 2009 047 908 B4 geschützte Verfahren (Ansprüche 12 bis 18) und die Vorrichtungen gemäß der Ansprüche 1 bis 11 eingesetzt. Der Offenbarungsgehalt dieses Patents wird durch die Bezugnahme Teil dieser Patentanmeldung. Der Erdwärmetauscher EWT des Patents DE 10 2009 047 908 B4 entspricht der (oberflächennahen) Geothermie der anhängigen Patentanmeldung.
Der Luftwärmetauscher LWT des Patents DE 10 2009 047 908 B4 entspricht der Aerothermie der anhängigen Patentanmeldung. Der Eisspeicher der anhängigen Patentanmeldung entspricht der Fremdenergieeinspeisung FES des Patents DE 10 2009 047 908 B4 .
In der 3 ist das elektrische Netz einer erfindungsgemäßen Filiale stark vereinfacht dargestellt.
Die Schaltstufen oder Schalter K1 bis K5 symbolisieren die verschiedenen Möglichkeiten, die von der PV-Anlage (Leistung typischerweise 400 kW_peak) erzeugte elektrische Energie in der Art einer Kaskade intern oder extern zu verbrauchen oder zu speichern. Es ist nicht zwingend erforderlich dass die elektrische Energie in der dargestellten Reihenfolge verbraucht werden muss.
Bevorzugt wird mit der von der PV-Anlage erzeugten elektrischen Energie das interne elektrische Netz der Filiale (Mikro-Grid) mit den beispielhaft dargestellten Verbrauchern K1.1 bis K1.4 versorgt. Dies geschieht dadurch, dass der Schalter K1 geschlossen wird.
Wenn die elektrische Leistung der PV-Anlage größer ist als der Verbrauch des internen elektrischen Netzes der Filiale wird der Aschalter K2 geschlossen und die Batterieanlage wird geladen. Die Batterieanlage wird auch dazu genutzt, die Spannung des internen elektrischen Netzes der Filiale (Mikro-Grid) zu stabilisieren.
Wenn die elektrische Leistung der PV-Anlage größer ist als der Verbrauch des internen elektrischen Netzes der Filiale und der Ladestrom der Batterieanlage, wird die Kälteerzeugung für den Eisspeicher freigegeben (K3 wird geschlossen). Dies bedeutet, dass die "überschüssige" oder anstehende elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt und im Eisspeicher (Mittelfristspeicher) gespeichert wird. Um eine Taktung dieser Kälteerzeugung zu vermeiden, wird die Kälteerzeugung auch mit elektrischer Energie aus der Batterieanlage vorgenommen. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die Batterieanlage von zum Beispiel 100 % auf beispielsweise 80% der Speicherkapazität zu entladen. In anderen Worten: 20% der Speicherkapazität stehen zur Vergleichmäßigung der Kälteerzeugung zur Verfügung.
Wenn die elektrische Leistung der PV-Anlage größer ist als der Verbrauch des internen elektrischen Netzes der Filiale, der Ladestrom der Batterieanlage und der Kälteerzeugung wird der Schalter K4 wird geschlossen und ein Wärmespeicher, bevorzugt ein Hochtemperatur-Wärmespeicher, der mit Thermo-Öl gefüllt ist, wird aufgeheizt. Der Hochtemperatur-Wärmespeicher hat ein Temperaturniveau von 200° C oder mehr, so dass er die Backöfen der Filiale vor allem in den Morgenstunden mit Wärme versorgen kann. Natürlich kann diese Energie auch dadurch bereitgestellt werden, dass die Batterieanlage vergrößert wird und ein Teil der gespeicherten elektrischen Energie zur Beheizung der Backöfen verwendet werden.
Wenn alle diese Möglichkeiten der internen Nutzung oder Speicherung der von der PV-Anlage erzeugten elektrischen Energie ausgeschöpft sind, wird anfallende überschüssige elektrische Energie in das öffentliche Netz eingespeist. In der schematischen Darstellung der 3 wird der Schalter K4 geschlossen.
Um den Bedarf der Filiale an thermischer Energie (für Kühl- und Heizzwecke) zu decken, sind mehrere Wärmeträgerkreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus vorhanden.
In einem Wärmeträgerkreislauf wird Sole, ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder einem anderen, bevorzugt nicht wassergefährdenden Frostschutzmittel, als Wärmeträger eingesetzt; dieser Wärmeträgerkreislauf wird daher auch als Sole-Kreislauf bezeichnet. Der Sole-Kreislauf hat die Aufgabe, die an den verschiedenen Kühlstellen anfallende Abwärme der dort installierten Kühlaggregate aufzunehmen und entweder einer weiteren Verwendung (Abwärmenutzung, Beladen der oberflächennahen Geothermie) zuzuführen oder an die Umgebungsluft abzuführen. Er kann auch dazu dienen, Umweltwärme (aus der Geothermie oder der Aerothermie) in das System einzukoppeln.
In einem weiteren Wärmeträgerkreislauf kann Wasser als Wärmeträger eingesetzt werden; er wird daher auch als Warm-/Kaltwasser-Kreislauf bezeichnet. Wie die Bezeichnung schon andeutet, hat er verschiedene Aufgabe, die weiter unten noch näher erläutert werden.
Die Temperatur des Sole-Kreislaufs wird im Stand der Technik in Abhängigkeit von der Außentemperatur geregelt. Als Richtwert kann gelten, dass die Temperatur des Sole-Kreislaufs, nachdem er die Abwärme aller Kühlaggregate aufgenommen hat, etwa 5 K über der momentanen Außentemperatur liegt. Dies führt dazu, dass die angeschlossenen Kälteaggregate bei hohen Außentemperaturen sehr hohe Temperaturdifferenzen überwinden müssen, was unerwünscht ist, weil die Leistungszahl (COP) dann sehr klein ist.
Grundsätzlich ist man, um den elektrischen Energiebedarf der Kälteaggregate zu minimieren, bestrebt, die Temperatur des Sole-Kreislaufs so niedrig wie möglich zu halten.
D. h. an einem extrem heißen Sommertag mit einer Außentemperatur von 38 °C hat der Sole-Kreislauf bei einer herkömmlichen Filiale nach dem Stand der Technik an der wärmsten Stelle eine Temperatur von etwa 47 °C. Diese extrem hohen Temperaturen des Wärmeträgers führen dazu, dass die Leistungszahl (COP) der Kälteaggregate sehr klein wird und deshalb sehr viel elektrische Energie zu Kühlzwecken verbraucht wird.
An einem Wintertag mit einer Außentemperatur von 0 °C hat der Sole-Kreislauf an der wärmsten Stelle eine Temperatur von max. 5 °C.
Ein Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Wärmeabfuhr der Sole-Kreislaufs nicht nur über die Außenluft erfolgt, sondern temporär zusätzliche Möglichkeiten der Wärmeabfuhr bereitgestellt werden, die es erlauben, die Temperatur des Sole-Kreislaufs gegenüber der Fahrweise nach Stand der Technik abzusenken und dadurch den Bedarf an elektrischer Energie für die Kälteaggregate stark zu verringern. Eine dieser zusätzlichen Möglichkeiten ist die temporäre Nutzung der Geothermie zur Wärmeabfuhr.
Eine weitere zusätzliche Möglichkeit ist die Nutzung des Eisspeichers zur Zwischenspeicherung der Abwärme. In Zeiten geringer Außenlufttemperaturen (z. B. nachts) wird der Eisspeicher wieder entladen, so dass er am darauffolgenden Tag, wenn die Außentemperaturen wieder hoch sind, erneut als Zwischenspeicher für Abwärme zur Verfügung steht.
In Zeiten niedriger Außentemperaturen (zum Beispiel in den Nachtstunden) kann die in dem Eisspeicher gespeicherte Abwärme durch freie Kühlung an die Umgebungsluft abgegeben werden. Auch das gehört zu der erfindungsgemäßen Aerothermie.
An den Sole-Kreislauf sind die Kälteaggregate der Kühlzellen angeschlossen. In den Kühlzellen werden Waren tiefgekühlt bei Temperaturen von ca. –24°C gelagert. Der Kunde hat keinen Zugang zu den Kühlzellen.
Weiter sind die Kälteaggregate der Kühlregale an den Sole-Kreislauf angeschlossen. In den Kühlregalen werden vorwiegend Molkereiprodukte und Wurstwaren bei Temperaturen von etwa 4° C für die Kunden zugänglich präsentiert.
Schließlich sind auch folgende Wärme- oder Kälteverbraucher an den Sole-Kreislauf angeschlossen:
Die Umluftkühlgeräte der IT-Raum-Kühlung, die Betonkernaktivierung (BKA) zum Heizen und Kühlen, die Lüftungsanlage der Filiale (Heizen und Kühlen).
Diese Verbraucher können zum Beispiel direkt über den Sole-Kreislauf gekühlt werden, bei Außentemperaturen kleiner 15°C oder wenn Aerothermie, Geothermie oder Energie aus dem NT-Pufferspeicher zur Verfügung steht.
Diese Verbraucher können zum Beispiel direkt über den Sole-Kreislauf beheizt werden, wenn die Abwärme der Kälteaggregate in den Sole-Kreislauf eingekoppelt wird.
Diese Verbraucher können auch an das Warm-/Kaltwasser-Kreislauf angeschlossen sein und über dieses Netz mit thermischer Energie (Wärme und Kälte) versorgt werden.
Insbesondere können an das Warm-/Kaltwassernetz angeschlossen sein (nicht abschließend):
Ein NT-Pufferspeicher, die IT-Raum-Kühlung (zu Kühlzwecken), die Betonkernaktivierung zu Heiz- und Kühlzwecken sowie die Lüftungsanlage (in den Verkaufsflächen der Filiale) zu Heiz- und Kühlzwecken. Diese Aufzählung ist nicht abschließend. Es können vielmehr weitere Kühl- oder Heizflächen an den Sole-Kreislauf und/oder das Warm-/Kaltwasser-Kreislauf angeschlossen werden.
Die wichtigsten Wärme- oder Kälteverbraucher in einer Filiale werden nachfolgend kurz charakterisiert:
Deckenkühlung: Benötigt Wärme oder Kälte auf einem niedrigen Temperaturniveau (etwa 16 °C, abhängig vom Taupunkt) IT-Raum-Kühlung: Ist an das Warm-/Kaltwassernetz
angeschlossen, welches die im IT-Raum anfallende Abwärme über einen Luft/Wasser-Wärmetauscher aufnimmt.
Unterfrierschutz der Kühlzelle: Benötigt Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau (> 15°C)
Betonkernaktivierung (BKA): Wenn die BKA zu Heizzwecken eingesetzt wird, sollte das Warm-/Kaltwassernetz eine Vorlauf-Temperatur von < 25 °C haben.
Wenn die BKA zu Kühlzwecken eingesetzt wird, sollte das Warm-/Kaltwassernetz eine Vorlauf-Temperatur von etwa 16 °C haben.
Frontheating der Kühlregale: Benötigt Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau (etwa 25 °C)
Wenn ein Wärmeverbraucher oder ein Kälteverbraucher mit Wärme oder Kälte aus dem Sole-Kreislauf und alternativ aus dem Warm-/Kaltwassernetz versorgt werden soll, gibt es zwei Möglichkeiten der Realisierung, die nachfolgend am Beispiel der Lüftung und der Betonkernaktivierung erläutert werden.
Variante 1: In der Lüftungseinrichtung sind zwei Wärmetauscher installiert. Der eine Wärmetauscher ist an den Sole-Kreislauf angeschlossen; der andere Wärmetauscher ist an das Warm-/Kaltwassernetz angeschlossen.
Je nach Bedarf und Verfügbarkeit wird Sole bzw. Wasser durch den zugehörigen Wärmetauscher gefördert, so dass sich die gewünschte Heiz- oder Kühlwirkung einstellt. Diese Variante ist sehr effektiv, erfordert aber auch vor Ort zwei Wärmetauscher.
Variante 2: Die Betonkernaktivierung hat nur einen Wärmetauscher; der zum Beispiel an den Sole-Kreislauf angeschlossen ist.
Um Wärme oder Kälte aus Warm-/Kaltwassernetz zur Betonkernaktivierung nutzen zu können, ist an einer geeigneten Stelle ein (Zwischen-)Wärmetauscher zwischen dem Sole-Kreislauf und dem Warm-/Kaltwassernetz installiert. Bei Bedarf wird dann in diesem Fall Wärme oder Kälte von dem Warm-/Kaltwassernetz in den Sole-Kreislauf mit mittels des erwähnten Wärmetauschers übertragen, das über den Sole-Kreislauf zur Betonkernaktivierung gefördert wird.
Die zweite Variante ist sehr kostengünstig und flexibel einsetzbar. Wegen der Temperaturdifferenz in dem Zwischen-Wärmetauscher ist sie energetisch nicht ganz so effektiv. In der 4 ist die Variante 2 mit einem Zwischen-Wärmetauscher dargestellt.
Im Stand der Technik wird die anfallende Wärmeenergie aus den Kühlaggregaten immer an die Atmosphäre abgegeben. Somit ergibt sich an den Kälteaggregaten eine aufzuwendende elektrische Leistung, welche sich aus dem Temperaturhub von Kühlstelle zur Außentemperatur ergibt. Im Extremfall bei einer Außentemperatur von 43°C (Mittagszeit an einem sehr heißen Sommertag) wird eine Soletemperatur von bis zu 52°C erreicht. Im Kühlkreislauf kommen hier nochmals ca. 3K vom Kältemittel zum Kühlmedium Sole hinzu. In diesem Fall würde sich ein Temperaturhub von etwa 0°C auf 55°C ergeben und einer mittleren Leistungszahl COP von 3.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Filiale wird in der Mittagszeit, wenn die Außenlufttemperatur sehr hoch ist, die Abwärme der Kälteaggregate über die Geothermie an das Erdreich mit einer Temperatur von etwa 8° C abgeführt und/oder bzw. dem NT-Pufferspeicher zwischengespeichert. Dann reduziert sich der Temperaturhub auf etwa 35K, was eine Verbesserung des COP auf 4,4 zur Folge hat. In Folge dessen reduziert sich der Bedarf der Kälteaggregate an elektrischer Energie um etwa den Faktor 3/4,4, was einer Einsparung von etwa 30 % entspricht.
Auf diese Weise benötigen die Kälteaggregate vor allem in den Mittagsstunden eines heißen Sommertags sehr viel weniger elektrischen Energie zum Antrieb der Kompressoren.
Außerdem ist – wie bereits erwähnt – der Eisspeicher an den Sole-Kreislauf angeschlossen. In Zeiten einer hohen Leistung der PV-Anlage und eines geringen Kältebedarfs kann ein oder mehrere Kälteaggregate das in dem Eisspeicher befindliche Speichermaterial abkühlen (Beladen des Eisspeichers).
In Zeiten einer geringen Leistung der PV-Anlage und eines hohen Bedarfs an Kühlleistung kann der in dem Sole-Kreislauf zirkulierende Wärmeträger durch den Eisspeicher strömen und kühlt sich dabei ab (Entladen des Eisspeichers). In Folge dessen verringert sich die Temperaturdifferenz, welche die Kälteaggregate überwinden müssen, und der Bedarf an elektrischer Leistung der an den Sole-Kreislauf angeschlossenen Kälteaggregate nimmt stark ab.
Ein weiterer optionaler Wärmeträgerkreislauf, bevorzugt mit dem Wärmeträger Thermo-Öl, verbindet den oder die Backöfen der Filiale mit dem optionalen Hochtemperatur-(HT)-Wärmespeicher. Die Backöfen können elektrisch oder mit Thermo-Öl beheizt werden.
In Zeiten einer hohen Leistung der PV-Anlage kann der HT-Wärmespeicher durch eine einfache elektrische Widerstandsheizung beladen werden. In Zeiten einer geringen Leistung der PV-Anlage und eines hohen Energiebedarfs des Backofens (z. B. frühmorgens) kann der HT-Wärmespeicher mit Hilfe des Thermo-Öls entladen und der Backofen beheizt werden.
Eine erfindungsgemäße Filiale umfasst folgende Energieverbraucher (nicht abschließend):
Backautomat/Backofen: Wird mit elektrischer oder thermischer Energie beheizt. Um überschüssige elektrische Energie zwischenzuspeichern, ist ein optionaler Hochtemperatur(HT)-Wärmespeicher vorgesehen. Er wird mit einem elektrischen Heizelement geladen, wenn überschüssige elektrische Energie vorhanden ist. Er dient zum Heizen der Backöfen. In den Figuren ist er nicht dargestellt, weil er unabhängig von den anderen Speichern und Wärmeträgerkreisläufen betrieben wird.
Kühlstellen: Die den Kühlstellen zugeordneten Kälteaggregate verbrauchen elektrische Energie und geben Abwärme an den Sole-Kreislauf ab. Je niedriger die Temperatur des Sole-Kreislaufs ist, desto weniger elektrische Energie benötigen die Kälteaggregate. Daher ist man grundsätzlich bestrebt, die Temperatur des Sole-Kreislaufs niedrig zu halten, wenn er Abwärme von den Kälteaggregaten aufnehmen soll. Es gibt aber Betriebszustände in der erfindungsgemäßen Filiale in denen die Temperatur des Sole-Kreislaufs erhöht wird, um die Sole direkt als Wärmequelle für verschiedene Heizaufgaben heranzuziehen. Zum Beispiel können die Betonkernaktivierung, der Unterfrierschutz der Kühlzelle, die Lüftung der Filiale und die Frontheizung der Kühlgeräte direkt über den Sole-Kreislauf versorgt werden.
Wärmepumpe: Darüber hinaus gibt es ein Kälteaggregat, das im Folgenden als reversible Wärmepumpe bezeichnet wird. Die reversible Wärmepumpe ist einerseits mit dem Sole-Kreislauf verbunden. Andererseits ist sie mit dem Warm-/Kaltwassernetz (umfassend einen Vorlauf und einen Rücklauf) verbunden.
Dieses Warm-/Kaltwassernetz kann von der Wärmepumpe mit Wärme versorgt werden. Dann ist der Sole-Kreislauf die Wärmequelle und das Warm-/Kaltwassernetz hat eine Betriebstemperatur, die höher ist als die Betriebstemperatur des Sole-Kreislaufs.
Die reversible Wärmepumpe kann aber auch Wärme aus dem Wassernetz in den Sole-Kreislauf pumpen. Das ist das Wassernetz die Wärmequelle und hat eine Betriebstemperatur, die niedriger ist als die Betriebstemperatur des Sole-Kreislaufs. Daher wird dieses Wassernetz auch als Warm-/Kaltwassernetz bezeichnet.
Die Betriebsart und -weise der Wärmepumpe hängt stark von den Außentemperaturen ab. Bei hohen Außentemperaturen wird gekühlt; d. h. die Wärmepumpe entzieht dem Warm-/Kaltwassernetz Wärme und "pumpt" sie in den Sole-Kreislauf.
Bei niedrigen Außentemperaturen wird geheizt; d. h. die Wärmepumpe entzieht dem Sole-Kreislauf Wärme und "pumpt" sie in das Warm-/Kaltwassernetz.
In der 4 ist die Hydraulik einer erfindungsgemäßen Filiale stark vereinfacht dargestellt.
Das Hydrauliksystem umfasst, wie bereits erläutert, zwei Hauptkreisläufe, den Sole-Kreislauf (auch als Rückkühlkreis bezeichnet) und das Warm- /Kaltwassernetz auf der Verbraucherseite. Diese Kreise sich unterscheiden auch durch den eingesetzten Wärmeträger (Wasser und frostsicheres Medium z.B. Glykol oder Sole) und die Betriebstemperaturen.
Um die Nutzenergie je nach Bedarf auf ein höheres oder tieferes Temperaturniveau zu heben, wird zwischen den beiden Kreisläufen eine reversible Wärmepumpe eingesetzt. Diese kann im Heizfall das Temperaturniveau aus den Kühlstellen auf das gewünschte Niveau anheben. Die Wärmepumpe hebt z.B. die Temperatur im Warm-Kaltwassernetz von auf bis zu 40°C an. Dadurch wird dem Sole-Kreislauf Wärme entzogen, dessen Temperatur sinkt und er kann zur Kühlung eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, können der Sole-Kreislauf und das Warm-/Kaltwassernetz über einen Zwischen-Wärmetauscher energetisch miteinander gekoppelt sein.
Im Kühlfall geben die Kälteaggregate ihre Abwärme an den Sole-Kreislauf ab, der eine Temperatur von zum Beispiel 14 °C hat. Bei einer herkömmlichen Schaltung geben die Kälteaggregate ihre Abwärme an die Außenluft ab. Im ungünstigsten Fall müssten die Kälteaggregate der Kühlzellen einen Temperaturhub von etwa –24 °C auf 47 °C (bei 38 °C Außenluftemperatur) überwinden. Dabei ist der Verbrauch an elektrischer Energie sehr hoch.
Durch die erfindungsgemäße Zwischenschaltung des Sole-Kreislaufs müssen die Kälteaggregate der Kühlzellen nur einen Temperaturhub von etwa –24 °C auf 14 °C überwinden. Dadurch verringert sich – gleiche Kühlleistung vorausgesetzt – der Verbrauch an elektrischer Energie sehr stark.
Der Sole-Kreislauf gibt diese Abwärme, je nach Verfügbarkeit an die Geothermie ab, oder speichert sie im Eisspeicher, der etwas später zu Zeiten geringer Außenlufttemperaturen, über den Wärmeaustausch mit der Aerothermie wieder regeneriert wird.
Eine weitere Option ist die direkte Nutzung des Sole-Kreislaufs zur Kühlung einzelner Verbraucher. Hier kann insbesondere in der Übergangszeit oder für Anlagenteile, die das ganze Jahr gekühlt werden müssen, der Rückkühlkreis direkt verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist die IT-Raum-Kühlung.
Bei einer direkten Nutzung des Rückkühlkreises wird die abzuführende Wärmeenergie für die Regeneration der Geothermie verwendet oder über die Aerothermie an die Umgebungsluft abgegeben. Die durch die Aufnahme von Abwärme erhöhte Temperatur des Sole-Kreislaufs kann an anderer Stelle nutzbringend eingesetzt werden, indem sie den Temperaturhub bei der reversiblen Wärmepumpe verringert, was zur Verbesserung des Nutzungsgrades beiträgt.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, gezielt, die Temperatur des Sole-Kreislaufs anzuheben, um den Wärmeträger des Sole-Kreislaufs direkt, für z.B. die Betonkernaktivierung, nutzbar zu machen
Die Kombination der Verknüpfung zwischen Wärme- und Kältesenken ist in allen Variationen möglich.
Nachfolgend werden für typische Situationen exemplarisch die wichtigsten Schaltungen und Konstellationen dargestellt und erläutert.
Betriebsart 1: Winterbetrieb mit direkter interner Energieversorgung
Randbedingungen:
Die Außentemperatur ist relativ z.B. –5 °C. Die Abwärme der Kälteaggregate der Kühlstellen reicht aus, um den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken. Die Geothermie ist geladen/gesättigt; d. h. es kann keine weitere überschüssige Abwärme dort zwischengespeichert werden.
Der Eisspeicher ist geladen; d. h. es kann keine weitere überschüssige elektrische Energie in "Kälte" umgewandelt und Abwärme dort zwischengespeichert werden.
In der 5 wird die Betriebsart "Winterbetrieb mit direkter interner Energieversorgung" schematisch dargestellt.
Die für die Deckung des Wärmebedarfs QWärme der Filiale zur Verfügung stehende Energie stammt ausschließlich aus der elektrischen Aufnahmeleistung der Kühlstellen und sonstigen elektrischen Verbrauchern (QWärme = Qelekt. Aufnahmeleistung + QRaum)
In dieser Betriebsart wird das Temperatur-Niveau des Sole-Kreislaufs so weit angehoben (zum Beispiel auf 25 °C), dass die von den Kälteaggregaten der Kühlstellen eingekoppelte Abwärme direkt und ohne eine zwischengeschaltete Wärmepumpe (WP) in den Niedertemperaturheizflächen (Betonkernaktivierung, Frontheating, Lüftung) direkt verwendet werden kann.
Zu beachten ist, dass die Anhebung der Temperatur des Sole-kreislaufs Auswirkungen auf den Verbrauch an elektrischer Energie aller Kühlstellen hat. Der Strombedarf aller Kühlstellen steigt. Wenn jedoch die von den Kälteaggregaten "erzeugte" Abwärme in den Niedertemperaturheizflächen direkt verwendet oder in der Geothermie zwischengespeichert werden kann, dann ist die Anhebung der Temperatur des Sole-Kreislaufs wirtschaftlicher und klimaschonender als eine Reihenschaltung durch die Kälteaggregate und die Wärmepumpe.
Die Abwärme des oder der Backöfen wird direkt an die Raumluft abgegeben und trägt zur Raumheizung bei.
Betriebsart 2: Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch externe Wärmezufuhr
Randbedingungen:
Die Außentemperatur ist relativ gering z.B. –12 °C.
Aus der Geothermie kann Wärme entnommen werden. Die Abwärme der Kühlstellen reicht nicht aus, um den Raumwärmebedarf der Filiale zu decken. Der Eisspeicher ist geladen; d. h. es kann keine weitere überschüssige elektrische Energie in "Kälte" umgewandelt und dort zwischengespeichert werden.
In der 6 wird die Betriebsart "Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch externe Wärmezufuhr" schematisch dargestellt.
In dieser Betriebsart wird das Kälteaggregat der Klimaanlage als Wärmepumpe betrieben. Dazu wird der Sole-Kreislauf zunächst mittels Geothermie vorgewärmt und anschließend wird die Abwärme der Kühlstellen in den Sole-Kreislauf eingekoppelt.
Die auf diese Weise erwärmte Sole dient als Wärmequelle für das Kälteaggregat der Klimaanlage in der Betriebsart "Wärmepumpe". Mit der Nutz-Wärme des Kälteaggregats der Klimaanlage werden die Niedertemperaturheizflächen (Betonkernaktivierung, Frontheating, Lüftung) versorgt.
In dieser Betriebsart wird der Wärmebedarf Q_Wärme der Filiale im Wesentlichen gedeckt durch die Abwärme der elektrischen Verbraucher und durch die Energie der (oberflächennahen) Geothermie. Durch die Wärmepumpe wird diese Wärmeenergie auf ein geeignetes (Niedertemperatur-)Niveau angehoben. Q_Wärme = Q_{elekt.Aufnahmeleistung} + Q_{EntzugsleistungErdreich} + Q_Raum
Bei dieser Betriebsart ist bei gleichem Wärmebedarf Q_Wärme der Filiale die erforderliche elektrische Leistung kleiner als in der Betriebsart " Winterbetrieb mit direkter interner Energieversorgung". Außerdem wird Energie aus der nur begrenzt verfügbaren Geothermie bezogen. Die Geothermie wird anschließen mit Hilfe des Kalte-Nahwärmemoduls oder dann anstehenden Abwärme regeneriert werden.
Betriebsart 3: Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch Wärmezufuhr aus dem NT-Wärmespeicher
Randbedingungen:
Die Außentemperatur ist relativ gering z.B. –12 °C. Die Abwärme der Kühlstellen reicht nicht aus, um den Raumwärmebedarf der Filiale zu decken. Der Eisspeicher ist geladen; d. h. es kann keine weitere überschüssige elektrische Energie in "Kälte" umgewandelt und dort zwischengespeichert werden.
In der 7 wird die Betriebsart "Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch Wärmezufuhr aus dem NT-Wärmespeicher" schematisch dargestellt.
Wenn die Temperaturen der Geothermie und die Außentemperaturen niedrig sind (z.B. < –5°C) kann der NT-Wärmespeicher auch als temporärer Energiespeicher, zum Beispiel nachts, genutzt werden.
Wenn tagsüber die Außentemperatur steigt (z.B. Außentemperatur > +4°C) kann der NT-Wärmespeicher über das Kalte Nahwärmemodul regeneriert bzw. geladen werden. Diese Regeneration ist durch eine gestrichelt Linie vom der Aerothermie zum NT-Wärmespeicher angedeutet.
Ansonsten weist diese Betriebsart große Übereinstimmungen mit der Betriebsart Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch externe Wärmezufuhr auf.
Betriebsart 4: Sommerbetrieb mit direkter Nutzung der Geothermie
Randbedingungen:
Die Außentemperatur ist größer als 26 °C. Die Geothermie ist nicht vollständig geladen; Der Eisspeicher ist leer.
Diese Betriebsart ist in der 8 dargestellt.
Wenn die Temperatur der Geothermie niedriger ist als die Temperatur des Sole-Kreislaufs, wird der Sole-Kreislauf direkt durch die Geothermie gekühlt. Dies bedeutet, dass die Kühlung der Deckenkühlung, der Lüftung und/oder des IT-Raums direkt mit der in der Geothermie abgekühlten Sole erfolgt.
Die Kälteaggregate der Kühlzelle und der Kühlregale sind aktiv. Die dabei entstehende Abwärme fällt bei deutlich höheren Temperaturen als die Temperatur des Sole-Kreislaufs an und wird zur Beheizung des Unterfrierschutzes der Kühlzelle eingesetzt.
Eventuell dann noch vorhandene Abwärme aus den Kühlstellen kann direkt an das Erdreich (Geothermie) abgegeben werden.
Diese Betriebsart ist sehr effizient, weil sie trotz der hohen Außentemperaturen einen Großteil der Kühlleistung direkt aus dem Erdreich entnimmt und nur wenige Kälteaggregate benötigt werden.
Betriebsart 5: Sommerbetrieb mit Kühlung über Kältemaschine
Randbedingungen:
Die Außentemperatur ist größer als 35 °C. Die Geothermie ist nicht vollständig geladen; Der Eisspeicher kann nicht weiter entladen werden.
Diese Betriebsart ist in der 8 dargestellt.
Wenn die Kühlleistung der Geothermie nicht ausreicht um den sehr großen Bedarf an Kühlleistung zu decken, wird die Kälteerzeugung dazwischen geschaltet werden.
Dies bedeutet, dass die Lüftung; die Kühlung über die Betonkernaktivierung, die Deckenkühlung und die Kühlung des IT-Raums durch ein oder mehrere Kälteaggregate erfolgt.
Die Abwärme dieses Kälteaggregates wird teilweise für das Frontheating der Kühlregale und den Unterfrierschutz der Kühlzelle genutzt. Der Rest der Abwärme wird in der Geothermie zwischengespeichert. Dadurch müssen die Kälteaggregate nicht gegen die extrem hohe Außentemperatur "arbeiten". Im Ergebnis wird dadurch deutlich weniger Strom für den Antrieb der Kälteaggregate benötigt.
Die Filiale kann in dieser Betriebsart, wegen der begrenzten Kapazität der Geothermie, nur über einen begrenzten Zeitraum (z. B. 2 bis 5 Stunden) betrieben werden.
Sobald die Außentemperatur (z. B. nachts) deutlich unter die Temperatur der Geothermie abgesunken ist, muss die Geothermie so schnell wie möglich über die Aerothermie regeneriert, d. h. abgekühlt werden, so dass die Geothermie in der Mittagszeit des nächsten heißen Tags wieder zur Verfügung steht.
In ähnlicher Weise kann auch der NT-Wärmespeicher oder der Eisspeicher für einen kurzen Zeitraum zur Zwischenspeicherung der Abwärme aus den Kälteaggregaten eingesetzt werden.
Betriebsart 6: Rückkühlung der Kühlstellen mit Beladung des Eisspeichers
Randbedingungen:
Die Außentemperatur ist relativ groß z.B. 35 °C. Die Geothermie ist nicht vollständig geladen; Der Eisspeicher ist leer.
Diese Betriebsart ist in der 10 dargestellt. Es ist überschüssige von der PV-Anlage erzeugte elektrische Energie verfügbar. Zumindest ein Teil dieser überschüssigen elektrischen Energie wird dazu genutzt, den Eisspeicher abzukühlen (= Beladen). Die wichtigsten Energieströme dieser Betriebsart sind in der 10 dargestellt.
Betriebsart 7: Sommerbetrieb mit Entladung des Eisspeichers
Randbedingungen:
Die Außentemperatur ist größer als 15 °C. Die Geothermie ist nicht vollständig geladen; Der Eisspeicher ist geladen (mit "Kälte").
Es ist wenig oder keine von der PV-Anlage erzeugte elektrische Energie verfügbar.
Die wichtigsten Energieströme dieser Betriebsart sind in der 11 dargestellt.
Die Betriebsart wird häufig in den Nachtstunden Betriebsart gefahren. Sie kann mit der Nutzung der Aerothermie (zum Abkühlen der Geothermie) verbunden werden.
In dieser Betriebsart wird sehr wenig Antriebsenergie für die Kälteaggregate benötigt.
Allen zuvor bespielhaft beschriebenen Betriebsarten ist gemeinsam, dass sie den Energiebedarf zum Heizen und zum Kühlen der Filiale und ihrer Verbraucher im Vergleich zu konventionellen Filialen sehr stark reduzieren.
Konventionelle Filialen haben einen Bedarf an elektrischer Energie, den sie aus dem öffentlichen Netz beziehen, von etwa 400.000 kWh/a. Die erfindungsgemäße Filiale speist in einem durchschnittlichen Jahr etwa so viel Energie in das öffentliche Netz ein wie sie aus dem öffentlichen Netz bezieht. Der Großteil der in der erfindungsgemäßen Filiale verbrauchten Energie wird direkt vor Ort gewonnnen (Photovoltaik, Geothermie und Aerothermie) D. h. sie ist nahezu energieautark! So wird der COP (= Coeffient of Performance= Leistungszahl) einer Kältemaschine bei Senkung der Kühlwassertemperatur um 10K um ca. 25 % verbessert, was sich direkt auf den Energiebedarf auswirkt.
Die Einbindungen der Regeneration von Geothermie und Pufferspeicher wird nachfolgend noch etwas detaillierter dargestellt. Dabei wird die Kenntnis des Patents DE 10 2009 047 908 B4 vorausgesetzt und es werden die darüber hinausgehenden Aspekte erläutert.
Beispiel 1: In der 12 ist die Situation dargestellt, dass die Rückkühlung der Kühlstellen über Aerothermie erfolgt. Gleichzeitig werden die Geothermie und der Pufferspeicher ebenfalls über die Aerothermie regeneriert. D. h. die Geothermie und der Pufferspeicher sind parallel geschaltet.
Beispiel 2: Die Rückkühlung der Kühlstellen bzw.,. des Sole-Kreislaufs erfolgt über die Aerothermie und den nachgeschalteten Pufferspeicher oder und/oder die nachgeschaltete Geothermie ist in 13 dargestellt.
Vorteil dieser Schaltungsvariante ist eine große Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf. Dies wird mit dem Nachteil erkauft, dass die Temperatur des Sole-Kreislaufs relativ hoch ist. Daher ist die Rückkühltemperatur der Kälteaggregate relativ hoch.
Beispiel 3: In der 14 ist Rückkühlung der Kühlstellen über Aerothermie mit Parallelbetrieb der Geothermie und/oder Pufferspeicher dargestellt.
Der Vorteil für die Nutzung der Pufferspeicher bzw. Geothermie (hier als Energiesenke) ist das geringere Delta zwischen Solltemperatur und Energiesenke. Die Energiesenken können entweder in der Nacht bei AT <= 10K regeneriert werden oder wenn die Witterungsverhältnisse sich ändern.
Da im Nachtbetrieb die Rollos der Wandkühlregale (Mopros) geschlossen sind, ist die Wärmeabgabe geringer, dieser Effekt wird zudem durch geringere Außentemperaturen unterstützt. Dadurch steigt die Rückkühlerleistung was zu einer Reserveleistung für die Regeneration der Geothermie bzw. Pufferspeicher ausreicht.
Innere Kühllasten
Die inneren Kühllasten werden vorwiegend über eine Kühldecke abgeführt. Eine weitere Kühlung erfolgt durch die installierten Wandkühlregale und den aktivierten Betonkern. Die Lüftungsanlage kann zum Ausgleich der Spitzen herangezogen werden.
Die Kühlung über den Betonkern, Kühldecke und Luftkühlregister im Lüftungsgerät erfolgen über die Hochtemperaturkühlkreise mit VL = ca. 16°C und RL = ca. 18°C. Zudem kann die Geothermie oder Aerothermie zu bestimmten Witterungsbedingungen direkt ohne Fremdenergie (außer Pumpen) verwendet werden.
Die Effizienz erhöht sich durch Anhebung der Kühlervorlauftemperatur von 8°C auf 16 °C um ca. 27% zzgl. der direkten Nutzungsstunden.
Die Abführung der Heizlast
Erfolgt über direkte Nutzung der Kühlstellen bei ausreichender Energieabnahme oder durch eine hocheffiziente Wärmepumpe, die die Geothermie und den Eisspeicher mit Abwärme aus den Kühlstellen nutzen kann. Weiterhin wird die Speichermasse der Betonkernaktivierung bei überschüssigem Energieangebot genutzt. Alle Heizflächen werden im Niedertemperatursegment betrieben. Die Ausregelung der verwendeten Energiequelle erfolgt automatisch und stetig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009047908 B4 [0040, 0040, 0041, 0041, 0141]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Filiale eines Discounters umfassend eine Photovoltaik-Anlage, einen Batterie-Speicher, einen NT-Wärmespeicher, mehrere Kühlstellen, die mit einem Kälteaggregat ausgerüstet sind, mehrere Wärme- und/oder Kälteverbraucher, einen Sole-Kreislauf und einem Warm-/Kaltwassernetz, wobei die Wärme- und/oder Kälteverbraucher über das Warm-/Kaltwassernetz mit Wärme oder Kälte versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Filiale eine Wärmepumpe umfasst, die so mit dem Sole-Kreislauf und dem Warm-/Kaltwassernetz thermisch gekoppelt ist, dass wahlweise der Sole-Kreislauf oder das Warm-/Kaltwassernetz als Wärmequelle für die Wärmepumpe dient (reversible Wärmepumpe).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sole-Kreislauf und das Warm-/Kaltwassernetz zusätzlich über einen Zwischen-Wärmetauscher miteinander gekoppelt sind, so dass Wärme (oder Kälte) zwischen den Kreisläufen übertragen werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filiale einen Eisspeicher umfasst, dass der Eisspeicher mit dem Sole-Kreislauf verbunden ist, dass zur Kühlung des Eisspeichers ein elektrisch angetriebenes Kälteaggregat vorgesehen ist, und dass die Abwärme des Kälteaggregats von dem Sole-Kreislauf abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eispeicher auch als Pufferspeicher für Niedertemperatur-Wärme eingesetzt wird, indem der Wärmeträger des Sole-Kreislaufs durch den Eisspeicher gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Aggregatzustand des Speichermediums ändert, wenn es durch das Kälteaggregat abgekühlt oder durch den Wärmeträger des Sole-Kreislaufs erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Wintertag (T_amb < –12°C) die Betriebstemperatur des Sole-Kreislaufs so weit angehoben wird, dass mehrere Wärmeverbraucher der Filiale durch den Sole-Kreislauf mit thermischer Energie versorgt werden (Betriebsfall: Winterbetrieb mit direkter interner Energieversorgung).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Wintertag (T_amb < –12°C) der Sole-Kreislauf neben der Abwärme der Kälteaggregate der Kühlstellen Wärme aus der Geothermie aufnimmt, und dass die Wärmepumpe den Sole-Kreislauf als Wärmequelle nutzt und die Betriebstemperatur des Warm-/Kaltwassersatzes so weit anhebt, dass mehrere Wärmeverbraucher der Filiale durch den Warm-/Kaltwassersatz mit thermischer Energie versorgt werden (Betriebsfall: Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch externe Wärmezufuhr aus Geothermie)
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Wintertag (T_amb < –12°C) der Sole-Kreislauf neben der Abwärme der Kälteaggregate der Kühlstellen Wärme aus dem NT-Wärmespeicher aufnimmt, und dass die Wärmepumpe den Sole-Kreislauf als Wärmequelle nutzt und die Betriebstemperatur des Warm-/Kaltwassersatzes so weit anhebt, dass mehrere Wärmeverbraucher der Filiale durch den Warm-/Kaltwassersatz mit thermischer Energie versorgt werden (Betriebsfall: Winterbetrieb mit Anhebung der Heizleistung durch Wärmezufuhr aus dem NT-Wärmespeicher)
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Sommertag (T_amb > 26 °C) der Sole-Kreislauf die Abwärme der Kälteaggregate von der Klimaanlage und den Kühlstellen, der IT-Raum-Kühlung, der Deckenkühlung und/oder der Lüftung aufnimmt, und dass der Sole-Kreislauf diese Abwärme an die Geothermie abführt. (Betriebsfall: Sommerbetrieb mit direkter Nutzung der Geothermie)
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem heißen Sommertag (T_amb > 35 °C) die Abwärme der IT-Raum-Kühlung, der Deckenkühlung, der Betonkernaktivierung von dem Warm-/Kaltwassernetz aufgenommen wird, dass die Wärmepumpe diese Abwärme auf den Sole-Kreislauf überträgt, dass die Abwärme der Kälteaggregate von der Klimaanlage und den Kühlstellen ebenfalls auf den Sole-Kreislauf übertragen wird, und dass diese Abwärme an die Geothermie abgeführt wird. (Betriebsfall: Sommerbetrieb mit Kühlung über Wärmepumpe und Kälteaggregate und Nutzung der Geothermie)
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Abwärme der Kälteaggregate von der Klimaanlage und den Kühlstellen zur Wärmeversorgung der Frontheating der Kühlregale und/oder zur Beheizung des Unterfrierschutzes eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Photovoltaikanlage erzeugte elektrische Energie bevorzugt für die Versorgung des allgemeinen elektrischen Netzes der Filiale, für das Laden eines Batteriespeichers, für den Antrieb der Kälteaggregate und/oder einer reversiblen Wärmepumpe, für das Laden eines Eisspeichers, zum Laden eines Hochtemperatur-Wärmespeichers eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filiale mindestens einen Backofen und einen Hochtemperatur-(HT-)Wärmespeicher umfasst, dass der HT-Wärmespeicher mit einer elektrischen Heizung beladen wird, und dass die in dem HT-Wärmespeicher gespeicherte thermische Energie zum Beheizen des mindestens einen Backofens genutzt wird.
Filiale eines Discounters umfassend eine Photovoltaik-Anlage, einen Batterie-Speicher, einen NT-Wärmespeicher, mehrere Kühlstellen, die mit einem Kälteaggregat ausgerüstet sind, mehrere Wärme- und/oder Kälteverbraucher, einen Sole-Kreislauf und ein Warm-/Kaltwassernetz sowie eine reversible Wärmepumpe, welche zwischen den Sole-Kreislauf und dem Warm-/Kaltwassernetz installiert ist.
Filiale nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sole-Kreislauf und das Warm-/Kaltwassernetz zusätzlich über einen Zwischen-Wärmetauscher miteinander gekoppelt sind.
Filiale nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Filiale einen Eisspeicher umfasst, dass der Eisspeicher mit dem Sole-Kreislauf verbunden ist, dass zur Kühlung des Eisspeichers ein elektrisch angetriebenes Kälteaggregat vorgesehen ist, und dass die Abwärme des Kälteaggregats von dem Sole-Kreislauf abgeführt wird.
Filiale nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Filiale mindestens einen Backofen und einen Hochtemperatur-(HT-)Wärmespeicher umfasst, dass der HT-Wärmespeicher mit einer elektrischen Heizung beladen wird, und dass die in dem HT-Wärmespeicher gespeicherte thermische Energie zum Beheizen des mindestens einen Backofens genutzt wird.