DE102017113446A1

DE102017113446A1 - Netzunabhängige Energieversorgungsanlage für eine Telekom-Basisstation oder Wohngebäude, Ergänzungsmodul und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102017113446A1
Application number: DE102017113446.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf; Alexander Studniorz
Original assignee: Heliocentris Ind GmbH; Heliocentris Industry GmbH
Current assignee: HPS Home Power Solutions GmbH
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Netzunabhängige Energieversorgungsanlage (100) zum elektrischen Versorgen von elektrischen Verbraucher eines Wohngebäudes oder einer in einem Raum (200) eingehausten Telekom-Basisstation (300), mit eine- Motor-Generator-Systemeinheit (10), einer Kompressionskältemaschine (20) einem PCM-Kältespeicher (30), der mit der Kompressionskältemaschine (20) über einen Abluftpfad (25) thermisch gekoppelt ist, so dass der PCM-Kältespeicher (30) mit der Kompressionskälteleistung beladen werden kann. Der der PCM-Kältespeicher (30) ist über einen Zuluftpfad (27) mit dem Raum (200) gekoppelt, so dass eine Kühlluftmenge (KL) aus dem PCM-Kältespeicher (30) in den Raum geführt kann. Die Energieversorgungsanlage (100) ist ausgestattet mit einem Gebläse (40) über das der Raum (200) mit dem PCM-Kältespeicher (30) thermisch verbunden ist, derart, dass der PCM-Kältespeicher (30) unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine (20) mit einer Raumluftmenge beaufschlagbar ist. Eine Steuereinheit (90) ist zum Steuern der Motor-Generator-Systemeinheit (10), der Kompressionskältemaschine (20) und eines drehzahlgeregelten Ventilators (44) des Gebläses (40) vorgesehen, und ausgebildet in einem PCM-Ladebetrieb (PCM-C) die Kompressionskältemaschine (20) zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine netzunabhängige Energieversorgungsanlage zum elektrischen Versorgen eines Wohngebäudes oder einer in einem Raum, vorzugsweisen einem Container, eingehausten Telekom-Basisstation, wie beispielsweise einer Basissendeempfängerstation (GSM-Netz), einem Node B (UMTS-Netz), einem E-UTRAN Node B (LTE-Netz) oder dergleichen.
Solche Energieversorgungsanlagen kommen häufig in Gebieten mit hoher Jahresdurchschnittstemperatur zum Einsatz, so dass die Nutzung von Kompressionskältemaschinen zu Kühlungszwecken erforderlich ist. Dies führt wiederum zu einem hohen Brennstoffverbrauch der Motor-Generator-Systemeinheit. Die Motor-Generator-Systemeinheit kann sowohl als Verbrennungskraftmaschine oder als Brennstoffzellen-Elektrolyseeinheit ausgebildet sein.
Ein Verfahren zur Temperaturstabilisierung eines Maschinenraums ist aus der chinesischen Veröffentlichungsschrift CN 101737880 A bekannt. Eine Lüftungsanlage mit Phasenwechselspeicher ist in der der chinesischen Veröffentlichungsschrift CN 101737880 A beschrieben. Die japanische Veröffentlichungsschrift JP 2014-048022 A zeigt eine Klimaanlage mit Latentwärmespeicher zur Kühlung von Umgebungsluft.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Energieversorgungsanlage der eingangs genannten Art energetisch zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine netzunabhängige Energieversorgungsanlage zum elektrischen Versorgen einer in einem Raum eingehausten Telekom-Basisstation, wobei die Energieversorgungsanlage ausgestattet ist mit einer Motor-Generator-Systemeinheit zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsleistung für die Telekom-Basisstation, einer Kompressionskältemaschine zum Bereitstellen einer Kompressionskälteleistung für die Telekom-Basisstation und einem PCM-Kältespeicher (Phase-Change-Material / Latentwärmespeicher.) Der PCM-Kältespeicher weist eine Schmelztemperatur auf und ist mit der Kompressionskältemaschine über einen Abluftpfad thermisch gekoppelt, so dass der PCM-Kältespeicher mit der Kompressionskälteleistung beladen werden kann. Der PCM-Kältespeicher ist über einen Zuluftpfad mit dem Raum gekoppelt, so dass eine Kühlluftmenge aus dem PCM-Kältespeicher in den Raum geführt werden kann. Die Energieversorgungsanlage ist ebenfalls ausgestattet mit einem Gebläse über das der Raum mit dem PCM-Kältespeicher thermisch gekoppelt ist, derart, dass der PCM-Kältespeicher, vorzugsweise unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine, mit einer Raumluftmenge beaufschlagt werden kann. Das Gebläse weist vorzugsweise zumindest einen drehzahlgeregelten Ventilator auf. Ferner weist die Energieversorgungsanlage eine Steuereinheit auf, die zum Steuern der Motor-Generator-Systemeinheit, der Kompressionskältemaschine und des drehzahlgeregelten Ventilators vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist für einen PCM-Ladebetrieb die Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass in informations- und kommunikationstechnischen Einrichtungen wie auch in Wohngebäuden nahezu 100 Prozent der zum Betrieb notwendigen elektrischen Energie in Wärme umgesetzt wird. Diese Wärme muss abgeführt werden, um eine möglichst konstante Betriebstemperatur der Einrichtung zu gewährleisten. Somit stellt der Primärenergieaufwand zum Kühlen vielerorts einen beträchtlichen Anteil am Gesamtprimärenergieeinsatz dar und stellt so ein erhebliches, oft nur unzureichend beachtetes Effizienzpotenzial dar.
Durch die erfindungsgemäße Energieversorgungsanlage kann die Effizienz der Motor-Generator-Systemeinheit beispielsweise dadurch erhöht werden, dass der PCM-Kältespeicher während des Betriebs der Motor-Generator-Systemeinheit aufgeladen wird. Eine Erhöhung der Kühleffizienz kann dadurch erreicht werden, dass der PCM-Kältespeicher während der typischerweise kühleren Nachtstunden, in denen die Kompressionskältemaschine eine höhere Leistungszahl (COP) aufweist, aufgeladen wird. Bei hybriden Energieversorgungsanlagen mit zusätzlichem PV(Photovoltaik)-Generator und elektrochemischer Speicherbatterie kann ein nicht anderweitig einsetzbarer elektrischer Überschuss des PV-Generator vorteilhafterweise durch Einspeichern des elektrischen Überschusses mittels der Kompressionskälteanlage in den PCM-Kältespeicher erreicht werden. Durch den Einsatz des PCM-Kältespeichers kann auch die erforderliche Zyklenzahl der elektrochemischen Speicherbatterie reduziert werden, was die Lebenszeit der elektrochemischen Speicherbatterie erhöht. Gleichzeitig wird dadurch vorteilhafterweise auch die Backup-Zeit der gesamten Energieversorgungsanlage erhöht, da durch die Ausnutzung des PCM-Kältespeichers für Kühlungszwecke die elektrische Last während der Entladephase der elektrochemischen Speicherbatterie reduziert werden können.
Der PCM-Kältespeicher kann mit der Kompressionskältemaschine über den Abluftpfad dauerhaft thermisch gekoppelt sein. Der PCM-Kältespeicher kann mit der Kompressionskältemaschine über den Abluftpfad zumindest zeitweise thermisch gekoppelt sein. Der PCM-Kältespeicher kann über den Zuluftpfad derart mit dem Gebäude gekoppelt sein, dass permanent eine Kühlluftmenge aus dem PCM-Kältespeicher in das Gebäude geführt kann. Über das Gebläse kann das Gebäude mit dem PCM-Kältespeicher dauerhaft thermisch gekoppelt sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der drehzahlgeregelte Ventilator im Zuluftpfad angeordnet. Besonders bevorzugt ist der drehzahlgeregelte Ventilator dem PCM-Kältespeicher nachgeschaltet. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Energieversorgungsanlage eine im Abluftpfad angeordnete Bypass-Klappe auf über die die Kompressionskälteleistung unter Umgehen des PCM-Kältespeichers direkt dem Gebäude zugeführt werden kann. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Gebläse zusätzlich zu und räumlich getrennt von einem etwaig in der Kompressionskältemaschine vorhandenen Gebläse vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet für einen PCM-Entladebetrieb die Kompressionskältemaschine nicht anzusteuern oder derart anzusteuern, dass die Kompressionskältemaschine keine Kompressionskälteleistung erzeugt und/oder das Gebläse derart anzusteuern, dass der PCM-Kältespeicher mit einer aus dem Gebäude stammenden Gebäudeluftmenge beaufschlagt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Energieversorgungsanlage ausgestattet mit einem PV-Generator zum Erzeugen einer PV-Leistung, und einer elektrischen, vorzugsweise elektrochemischen Speicherbatterie, die zu den Puffern der PV-Leistung elektrisch mit dem PV-Generator verbunden ist (hybride Energieversorgungsanlage.)
Die elektrochemische Speicherbatterie kann dauerhaft elektrisch mit einem DC(Gleichstrom)-Bus, der am DC-Ausgang des Gleichrichters angeschlossen ist, verbunden sein. Der PV-Generator kann mit dem DC-Bus elektrisch verbunden sein, vorzugsweise dauerhaft. Die Telekom-Basisstation kann mit dem DC-Bus elektrisch verbunden sein, vorzugsweise dauerhaft. Elektrische Verbraucher des Wohngebäudes können mit dem DC-Bus elektrisch verbunden sein, vorzugsweise dauerhaft per Wechselrichter. Die Energieversorgungsanlage kann ausgebildet sein, dass ein PV-Überschuss automatisch, vorzugsweise durch eine dauerhafte elektrische Verbindung des PV-Generators und der elektrochemischen Speicherbatterie mit dem DC-Bus, in die elektrochemische Speicherbatterie eingespeichert wird.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Steuereinheit ausgebildet ist, die Motor-Generator-Systemeinheit nur zu starten, wenn ein Ladezustand der Speicherbatterie im Bereich von 5 Prozent bis 50 Prozent liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit ausgebildet sein, die Motor-Generator-Systemeinheit nur zu starten, wenn der Ladezustand der Speicherbatterie unter 30 Prozent liegt.
Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt wenn die Steuereinheit ausgebildet ist, die Motor-Generator-Systemeinheit abzuschalten oder zu drosseln, wenn ein Ladezustand der Speicherbatterie zwischen 75 und 100 Prozent liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit ausgebildet sein, die Motor-Generator-Systemeinheit abzuschalten oder zu drosseln, wenn ein Ladezustand der Speicherbatterie über 85 Prozent liegt.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern, wenn der Ladezustand der Speicherbatterie im Bereich von 75 Prozent bis 100 Prozent liegt und die PV-Leistung abzüglich der Versorgungsleistung der Telekom-Basisstation bzw. des Wohngebäudes größer als die Versorgungsleistung der Kompressionskältemaschine ist.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit ausgebildet im PCM-Entladebetrieb das Gebläse bei geöffneter Bypass-Klappe anzusteuern. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet, die Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern und stets gleichzeitig die Speicherbatterie mittels der Motor-Generator-Systemeinheit und/oder dem PV-Generator elektrisch zu beladen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der PCM-Kältespeicher, abgesehen vom Abluftpfad und vom Zuluftpfad, hermetisch vom Gebäude getrennt ist und/oder der PCM-Kältespeicher, zumindest im PCM-Bypassbetrieb wärmedicht (quasiadiabatisch) zur Umgebungsluft und/oder zur Gebäudeluft ausgebildet ist. Der PCM-Kältespeicher kann außerhalb des Gebäudes angeordnet sein und beispielsweise von außen an einen Container angeflanscht sein. Der PCM-Kältespeicher kann innerhalb des Gebäudes angeordnet sein.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der PCM-Kältespeicher ausschließlich aktiv gekühlt wird, nämlich ausschließlich durch die Kompressionskältemaschine. Vorzugsweise ist der PCM-Kältespeicher ausschließlich über das Kälteträgermedium Luft mit der Kompressionskältemaschine und/oder dem Gebäude verbunden ist. Vorzugsweise bilden die Kompressionskältemaschine, das Gebäude und der PCM-Kältespeicher einen bezogen auf die Umgebungsluft außerhalb des Gebäudes abgeschlossenen Kreislauf in dem Gebäudeluft aus dem Gebäude, über die Kompressionskältemaschine (als Kühlluftmenge) oder unter teilweiser oder vollständiger Umgehung der Kompressionskältemaschine, in den PCM-Kältespeicher geführt wird und aus dem PCM-Kältespeicher stammende Zuluft dem Gebäude zugeführt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist der PCM-Kältespeicher eine Schmelztemperatur zwischen 5 und 30 Grad Celsius auf. Die Schmelztemperatur kann zwischen 20 und 25 Grad Celsius liegen. Besonders bevorzugt beträgt die Schmelztemperatur etwa 22 Grad Celsius. Vorzugsweise weist der PCM-Kältespeicher ein Salzhydrat auf. Alternativ oder zusätzlich kann der PCM-Kältespeicher Paraffine, fettige Säuren oder dergleichen aufweisen. Besonders bevorzugt weist der PCM-Kältespeicher eine Schnelladefähigkeit auf, vorzugsweise von größer 0,3 kW thermischer Beladungsleistung pro kWh installiertem Arbeitsvolumen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Motor-Generator-Systemeinheit über einen Wechselstrompfad und/oder einen über einen Gleichstrompfad elektrisch mit der Kompressionskältemaschine verbunden. Die Motor-Generator-Systemeinheit kann über einen Gleichrichter elektrisch mit der Telekom-Basisstation oder über einen Wechselrichter mit den elektrischen Verbrauchern des Wohngebäudes verbunden sein.
Bezüglich des Ergänzungsmoduls wird die Aufgabe gelöst durch ein Ergänzungsmodul zur energetischen Optimierung einer bestehenden netzunabhängige Energieversorgungsanlage, wobei das Ergänzungsmodul ausgestattet ist mit einem PCM-Kältespeicher, der eine Schmelztemperatur aufweist, und der mit einer Kompressionskältemaschine der Energieversorgungsanlage über einen Abluftpfad thermisch, vorzugsweise dauerhaft thermisch zu koppeln ist, so dass der PCM-Kältespeicher mit der Kompressionskälteleistung beladen werden kann. Der PCM-Kältespeicher ist über einen Zuluftpfad mit einem Gebäude zu koppeln, so dass eine Kühlluftmenge aus dem PCM-Kältespeicher in das Gebäude geführt kann.
Das Ergänzungsmodul verfügt ebenfalls über ein Gebläse über das das Gebäude mit dem PCM-Kältespeicher thermisch, vorzugsweise dauerhaft thermisch zu koppeln ist, derart, dass der PCM-Kältespeicher unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine mit einer Gebäudeluftmenge beaufschlagt werden kann, wobei das Gebläse vorzugsweise zumindest einen drehzahlgeregelten Ventilator aufweist. Des Weiteren ist das Ergänzungsmodul ausgestattet mit einer Steuereinheit, die zum Steuern der Motor-Generator-Systemeinheit, der Kompressionskältemaschine und dem drehzahlgeregelten Ventilator vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist für einen PCM-Ladebetrieb die Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern.
Das Ergänzungsmodul kann mit den bereits mit Bezug auf die Energieversorgungsanlage beschriebenen Merkmalen vorteilhaft weitergebildet sein. Das erfindungsgemäße Ergänzungsmodul hat den Vorteil, dass auch bestehende Energieversorgungsanlagen im Sinne eines „Retrofit“ zur Steigerung ihrer Energieeffizienz nachgerüstet werden können.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch Verfahren zum Betreiben einer netzunabhängigen Energieversorgungsanlage, vorzugsweise einer vorbeschriebenen Energieversorgungsanlage, wobei im Rahmen des Verfahrens, in einem PCM-Ladebetrieb, ein Ansteuern einer Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung und ein Beladen eines PCM-Kältespeichers mit der Kompressionskälteleistung erfolgt. Im Rahmen des Verfahrens erfolgt, in einem PCM-Entladebetrieb, ein Ansteuern der Kompressionskältemaschine derart, dass die Kompressionskältemaschine keine Kompressionskälteleistung erzeugt, und ein Ansteuern eines Gebläses derart, dass ein PCM-Kältespeicher mit einer aus dem Gebäude stammenden Gebäudeluftmenge beaufschlagt und eine Kühlluftmenge aus dem PCM-Kältespeicher in das Gebäude geführt wird. Im Rahmen des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine in einem Abluftpfad angeordnete Bypass-Klappe, über die die Kompressionskälteleistung unter Umgehen des PCM-Kältespeichers direkt dem Gebäude zugeführt werden kann, im PCM-Ladebetrieb geschlossen und im PCM-Entladebetrieb geöffnet ist und/oder das Gebläse zusätzlich zu und räumlich getrennt von einem in der Kompressionskältemaschine vorhandenen Gebläse vorgesehen ist und zumindest einen vorzugsweise drehzahlgeregelten Ventilator aufweist, der dem PCM-Kältespeicher vorzugsweise nachgeschaltet ist.
Das Verfahren kann mit den bereits mit Bezug auf die Energieversorgungsanlage, insbesondere durch die mit Bezug auf Steuereinheit beschriebenen Merkmalen in entsprechender Weise vorteilhaft weitergebildet sein. Vorzugsweise ist das Verfahren in der Steuereinheit der Energieversorgungsanlage und oder in der Steuereinheit des Ergänzungsmodul implementiert.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beispielhaft für eine Telekom-Basisstation dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmässigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Es zeigen:
1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage im PCM-Ladebetrieb;
2 das Ausführungsbeispiel der 1 im PCM-Entladebetrieb;
3 das Ausführungsbeispiel der 1 und 3 im PCM-Bypassbetrieb;
4 ein in der Steuereinheit implementierter Programmablaufplan;
5 ein Simulationsbeispiel einer Energieversorgungsanlage; und
6 ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungsanlage.
Eine netzunabhängige Energieversorgungsanlage 100 in 1 dient dem elektrischen Versorgen einer in einem Raum 200 eingehausten Telekom-Basisstation 300. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Raum 200 in Form eines Containers bereitgestellt.
Die Energieversorgungsanlage 100 weist eine Motor-Generator-Systemeinheit 10 zum bereitstellen einer elektrischen Versorgungsleistung für die Telekom-Basisstation 200 auf. Die Motor-Generator-Systemeinheit 10 ist außerhalb des Raums 200 angeordnet. Die Energieversorgungsanlage 100 umfasst eine Kompressionskältemaschine 20 zum Bereitstellen einer Kompressionskälteleistung für die Telekom-Basisstation 200. Die Kompressionskältemaschine 20 in Form einer Klimaanlage ist gemeinsam mit der Telekom-Basisstation 300 im Raum 200 eingehaust.
Die Energieversorgungsanlage 100 weist ferner einen PCM-Kältespeicher 30 auf, der im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel eine Schmelztemperatur MT von 22 Grad Celsius aufweist. Der PCM-Kältespeicher 30 ist eingangsseitig mit der Kompressionskältemaschine 20 über einen Abluftpfad 25 dauerhaft thermisch gekoppelt. Über den Abluftpfad 25 kann der PCM-Kältespeicher 30 mit der Kompressionskälteleistung beladen werden. Eine Kühlluftmenge KL kann über den Abluftpfad 25 aus der Kompressionskältemaschine 20 in den PCM-Kältespeicher 30 gelangen.
Wie ebenfalls der 1 entnommen werden kann, ist der PCM-Kältespeicher 30 über einen Zuluftpfad 27 mit dem Raum 200 thermisch gekoppelt. Die Kühlluftmenge KL kann über den Zuluftpfad 27 aus dem PCM-Kältespeicher 30 in den Raum 200 geführt werden.
Die Energieversorgungsanlage 100 weist ebenfalls ein Gebläse 40 auf über das der Raum 200 mit dem PCM-Kältespeicher 30 thermisch gekoppelt ist. Das Gebläse 40 weist einen drehzahlgeregelten Ventilator 44 auf, der im Zuluftpfad 27 angeordnet ist und der dem PCM-Kältespeicher 30 nachgeschaltet ist.
Über das Gebläse 40 mit seinem drehzahlgeregelten Ventilator 44 kann der PCM-Kältespeicher 30 unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine 20 mit einer Raumluftmenge RL beaufschlagt werden. Dies kann beispielsweise der 2 entnommen werden, wo gezeigt ist, wie einer Raumluftmenge RL über eine im Abluftpfad 25 angeordnete Bypass-Klappe 23 in den PCM-Kältespeicher 30 eingesaugt wird. Dieses Einsaugen wird durch den drehzahlgeregelten Ventilator 44 bewirkt.
Die Energieversorgungsanlage 100 ist ebenfalls ausgestattet mit einer Steuereinheit 90, die zum Steuern der Motor-Generator-Systemeinheit 10, der Kompressionskältemaschine 20 und des drehzahlgeregelten Ventilators 44 vorgesehen ist. Die Steuereinheit 90 ist ausgebildet in einem PCM-Ladebetrieb PCM-C, der in 1 dargestellt ist, die Kompressionskältemaschine 20 zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern.
Wie bereits erwähnt weist die Energieversorgungsanlage 100 einem Abluftpfad 25 angeordnete Bypass-Klappe 23 auf. Über diese Bypass-Klappe 23 kann zum einen die Kompressionskälteleistung KL unter Umgehung des PCM-Kältespeichers 30 direkt dem Raum 200 zugeführt werden, wie dies aus 3 ersichtlich ist. Zum anderen kann über die Bypass-Klappe 23 einer Raumluftmenge RL unabhängig aus dem Raum 200 in den PCM-Kältespeicher 300 gelangen (siehe 2). Derart kann der PCM-Kältespeicher 30 unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine 20 mit einer Raumluftmenge RL beaufschlagt werden. In 1 erfolgt ein Beaufschlagen des PCM-Kältespeichers 30 mit einer Raumluft RL als gekühlte Kühlluftmenge KL.
Wie der 1 entnommen werden kann, gelangt dabei eine Raumluft mit 33 Grad Celsius in die Kompressionskältemaschine 20 um dort auf unter 15 Grad Celsius abgekühlt zu werden. Die abgekühlte Luft in Form der Kühlluftmenge KL gelangt, durch die Sogwirkung des drehzahlgeregelten Ventilators 44. in den PCM-Kältespeicher 30 und beginnt diesen aufzuladen. Die Kühlluftmenge KL verlässt wiederum ausgangsseitig, d.h. im über den Zuluftpfad 27 den PCM-Kältespeicher 30 in den Raum 200. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Austrittsluft eine Temperatur von unter 25 Grad Celsius auf.
Durch die Abwärme der im Raum 200 eingehausten Telekom-Basisstation 300 wird die aus dem PCM-Kältespeicher 30 austretende Zuluft ZL von etwas unter 25 Grad Celsius auf 33 Grad Celsius erwärmt und gelangt als Raumluft RL erneut in die Kompressionskältemaschine 20. Bei der beispielhaften Energieversorgungsanlage 100 ist die Steuereinheit 90 ausgebildet im PCM-Ladebetrieb PCM-C den Klappensteller 24 derart anzusteuern, dass die Bypass-Klappe 23 stets geschlossen ist.
Wie ebenfalls der 1 entnommen werden, kann ist das Gebläse 40 bzw. dessen drehzahlgeregelter Ventilator 44 zusätzlich zu und räumlich getrennt von einem in der Kompressionskältemaschine 20 vorhandenen und hier nicht gezeigten Gebläse der Kompressionskältemaschine 20 vorgesehen.
Die Energieversorgungsanlage 100 der 1 weist ebenfalls einen PV-Generator 50 zum Erzeugen einer PV-Leistung PL auf. Ebenfalls verfügt die Energieversorgungsanlage 100 über eine elektrochemische Speicherbatterie 60, die zum Puffern der PV-Leistung PL elektrisch mit dem PV-Generator 50 verbunden ist.
Wie ebenfalls der 1 entnommen werden kann, ist die Motor-Generator-Systemeinheit 10 über einen Gleichrichter 80 mit der Telekom-Basisstation 300 verbunden. Eine Wechselspannung der Motor-Generator-Systemeinheit 10 wird direkt auf die Kompressionskältemaschine 20 geführt.
Alternativ und unabhängig von dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Wechselspannung der Motor-Generator-Systemeinheit 10 über den Gleichrichter 80 einer dann als Gleichstrommaschine ausgebildeten Kompressionskältemaschine 20 zugeführt sein. Alternativ und unabhängig von dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Motor-Generator-Systemeinheit 10 einen DC-Generator aufweisen, der über einen Gleichstrompfad mit einer dann als Gleichstrommaschine ausgebildeten Kompressionskältemaschine 20 verbunden ist.
2 zeigt nunmehr die Energieversorgungsanlage 100 im PCM-Entladebetrieb PCM-D. Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit 90 ausgebildet im PCM-Entladebetrieb PCM-D die Kompressionskältemaschine 20 derart anzusteuern, dass die Kompressionskältemaschine 20 keine Kompressionskälteleistung erzeugt. Im einfachsten Fall kann dies dadurch erreicht werden, dass die Kompressionskältemaschine 20 stromlosgeschalten wird. Die Steuereinheit 90 ist ebenfalls ausgebildet das Gebläse 40 bzw. den drehzahlgeregelten Ventilator 44 derart anzusteuern, dass der PCM-Kältespeicher 30 mit einer aus dem Raum 200 stammenden Raumluftmenge RL beaufschlagt wird.
Wie der 2 entnommen werden kann, beträgt die Temperatur der Raumluft RL 33 Grad Celsius, so dass durch die geöffnete Bypass-Klappe 23 eben diese warme Raumluft RL eingangsseitig in den PCM-Kältespeicher eingesaugt wird. Diese Sogwirkung wird durch den drehzahlgeregelten Ventilator 44, der dem PCM-Kältespeicher 30 nachgeschaltet ist, erreicht.
Alternativ kann der drehzahlgeregelte Ventilator 44 dem PCM-Kältespeicher 30 vorgeschaltet sein. Gleichsam kann sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig in jeweils ein drehzahlgeregelter Ventilator vorgesehen sein.
Im in 2 dargestellten PCM-Entladebetrieb PCM-D wird die Raumluft RL durch den aufgeladenen PCM-Kältespeicher 30 geführt und beispielhaft auf unter 23 Grad Celsius abgekühlt und erneut dem Raum 200 zugeführt.
3 zeigt die Energieversorgungsanlage 100 der 1 und 2, wobei jedoch in 3 ein PCM-Bypassbetrieb PCM-B dargestellt ist. Dieser PCM-Bypassbetrieb PCM-B kann beispielsweise angesteuert werden, wenn die im PCM-Kältespeicher 30 gespeicherte Kühlenergie nicht ausreichend ist, um die Temperatur der Raumluft RL im Raum 200 unterhalb einer gewünschten Temperaturschwelle zu halten, beispielsweise unterhalb von 30 Grad Celsius zu halten.
Für den PCM-Bypassbetrieb PCM-B ist die Steuereinheit 90 ausgebildet das Gebläse 40 bzw. den drehzahlgeregelten Ventilator 44 mit Soll-Drehzahl null anzusteuern bzw. diesen stromlos zu schalten. Ebenfalls ist die Steuereinheit 90 ausgebildet im PCM-Bypassbetrieb PCM-B den Klappensteller 24 derart anzusteuern, dass die Bypass-Klappe 23 geöffnet ist. Somit kann, wie in 3 gezeigt, eine Kühlluftmenge KL, die beispielhaft eine Temperatur von kleiner 15 Grad Celsius aufweist, direkt, das heißt ohne Umweg über den PCM-Kältespeicher 30, in den Raum 200 gelangen um diesen zu kühlen.
Wie den 1 bis 3 entnommen werden kann, ist der PCM-Kältespeicher 30 außerhalb des Raums 200 angeordnet. Der Abluftpfad 25 und der Zuluftpfad 27 verlaufen demgemäß durch eine Außenwand des als Container bereitgestellten Raums 200 hindurch. Der Kältespeicher 30 ist, abgesehen vom Abluftpfad 25 und vom Zuluftpfad 27 hermetisch vom Raum 200 getrennt. Ferner ist der PCM-Kältespeicher 30 wärmedicht zur Umgebungsluft UL ausgebildet. Als Umgebungsluft UL soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Luft sowohl außerhalb des Raums 200 verstanden werden.
Wie ebenfalls den 1 bis 3 entnommen werden kann, wird der PCM-Kältespeicher 30 ausschließlich aktiv gekühlt, nämlich ausschließlich durch die Kompressionskältemaschine 20. Dabei ist der PCM-Kältespeicher 30 ausschließlich über das Kälteträgermedium Luft mit der Kompressionskältemaschine 20 und dem Raum 200 verbunden. Dies gilt selbstverständlich unbeschadet einer geringen, nicht vermeidbaren Transmissions-Wärmeübertragung durch Gehäuseteile hindurch.
Der PCM-Kältespeicher 30 des bevorzugten Ausführungsbeispiels der 1 bis 3 weist eine Schnelladefähigkeit größer 0,3 Kilowatt pro Kilowattstunde auf, wobei die Schmelztemperatur 22 Grad Celsius beträgt und das Kältemedium ein Salzhydrat ist.
Der PCM-Kältespeicher 30, das Gebläse 40 und die Steuereinheit 90 können Teil eines eigenständig schutzfähigen Ergänzungsmoduls sein. Dieses Ergänzungsmodul (Retrofitmodul) dient der energetischen Optimierung einer bereits bestehenden netzunabhängigen Energieversorgungsanlage 100. Dementsprechend kann das Ergänzungsmodul ausgestattet sein mit einem PCM-Kältespeicher 30, der eine Schmelztemperatur MT aufweist und der mit einer Kompressionskältemaschine 20 der Energieversorgungsanlage 100 über einen Abluftpfad 25 thermisch zu koppeln ist, dass der PCM-Kältespeicher 30 mit der Kompressionskälteleistung beladen werden kann. Der PCM-Kältespeicher 30 des Ergänzungsmoduls ist über einen Zuluftpfad 27 mit dem Raum 200 zu koppeln, so dass eine Kühlluftmenge KL aus dem PCM-Kältespeicher 30 in den Raum 200 geführt werden kann.
Über das Gebläse 40 des Ergänzungsmoduls kann der PCM-Kältespeicher 30 thermisch derart mit dem Raum 200 gekoppelt sein, dass der PCM-Kältespeicher 30 unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine 20 mit einer Raumluftmenge beaufschlagt werden kann. Das Gebläse 40 weist dabei vorzugsweise ein drehzahlgeregelten Ventilator 44 auf. Ebenfalls umfasst vom Ergänzungsmodul ist eine Steuereinheit 90, die zum Steuern der Motor-Generator-Systemeinheit 10 der Kompressionskältemaschine 20 und des drehzahlgeregelten Ventilators 44 ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit 90 des Ergänzungsmoduls zum Ansteuern eines Klappenstellers 24 für eine Bypass-Klappe 23 ausgebildet. Der Klappensteller 24 und die Bypass-Klappe 23 können Teil des Ergänzungsmoduls sein.
4 zeigt beispielhaft einen Programmablaufplan wie er in der Steuereinheit 90 der Energieversorgungsanlage 100 oder des Ergänzungsmoduls implementiert sein kann.
Der Programmablaufplan ist in drei Abschnitte AB1, AB2, AB3 gruppiert, wobei Abschnitt AB1 eine auf den PV-Generator bezogene Effizienzsteigerung betrifft, Abschnitt AB2 eine Effizienzsteigerung der Motor-Generator-Systemeinheit betrifft und Abschnitt AB3 eine Effizienzsteigerung bezogen auf die Kompressionskältemaschine betrifft.
Ausgehend von einem Kontrollpunkt K1 wird in einem Zustand Z1 die Motor-Generator-Systemeinheit (GenSet) ausgeschaltet bzw. ist ausgeschalten. In einem Entscheidungsschritt E1 wird überprüft, ob die Momentanleistung des PV-Generators den durchschnittlichen Leistungsabfluss aus der elektrochemischen Speicherbatterie im Normalbetrieb, d.h. bei Momentanleistung des PV-Generators von null und ausgeschalteten Motor-Generator-Systemeinheit, übersteigt. Ist dies der Fall wird in einem Zustand Z2 die elektrochemische Speicherbatterie geladen und der PCM-Kältespeicher kann entladen werden.
Wird bei E1 ermittelt, dass die Momentanleistung des PV-Generator nicht größer als der durchschnittliche Leistungsabfluss aus der elektrochemischen Speicherbatterie im Normalbetrieb ist, wird bei Z5 ein Entladen der elektrochemischen Speicherbatterie und ein Entladen des PCM-Kältespeichers zugelassen.
Bei E2 wird geprüft, ob der Ladezustand der elektrochemischen Batterie beispielhaft größer als 95 Prozent ist. Ist dies nicht der Fall, erfolgt gemäß Z2 ein Laden der elektrochemischen Speicherbatterie und/oder ein Entladen des PCM-Kältespeichers. Wird bei E2 festgestellt, dass der Ladezustand der elektrochemischen Speicherbatterie über 95 Prozent beträgt kann bei Z3 je nach resultierendem elektrischen Lastfluss ein Laden oder Entladen der elektrochemischen Speicherbatterie erfolgen und ein Laden des PCM-Kältespeichers erfolgen.
Bei E3 wird geprüft, ob der momentane Leistungsabfluss aus der elektrochemischen Speicherbatterie im Normalbetrieb kleiner ist als der Nominalverbrauch der Kompressionskältemaschine bezogen auf die Speichereffizienz der elektrochemischen Speicherbatterie sowie des PCM-Kältespeichers, gegebenenfalls zum unter Berücksichtigung einer Totzeit von 1 bis 10 Minuten, typischerweise 5 Minuten. Ist ein solcher Überschuss bei E3 gegeben, kann bei Z4 ein Laden oder je nach resultierendem elektrischen Lastfluss ein Entladen der elektrochemischen Speicherbatterie erfolgen und ein Laden des PCM-Kältespeichers erfolgen. Wird bei E4 hingegen festgestellt, dass der Ladezustand des PCM-Kältespeichers bei 100 Prozent liegt, d.h. der PCM-Kältespeicher voll beladen ist, kann bei K2 ein PCM-Ladebetrieb (vergleiche 1, PCM-Ladebetrieb PCM-C) beendet werden. Anderenfalls wird der PCM-Kältespeicher weiter über die Kompressionskältemaschine aus dem PV-Überschuss aufgeladen.
Wird bei E4 festgestellt, dass der momentane Leistungsabfluss aus der elektrochemischen Speicherbatterie größer oder gleich dem Nominalverbrauch der Kompressionskältemaschine bezogen auf die Speichereffizienz der elektrochemischen Speicherbatterie und des PCM-Kältespeichers ist, wird in K2 ebenfalls ein Aufladen des PCM-Kältespeichers beendet.
Wird bei E4 festgestellt, dass die momentane Raumtemperatur größer als der Sollwert der Raumtemperatur ist, wird ebenfalls bei K2 ein Ende des Aufladevorgangs des PCM-Kältespeichers, der durch Betreiben der Kompressionskältemaschine erfolgt, bewirkt.
Im Folgenden sollen nun die Schaltbedingungen für die Motor-Generator-Systemeinheit im Abschnitt AB2 genauer erläutert werden. Wird bei E6 festgestellt, dass der Ladezustand der elektrochemischen Speicherbatterie geringer als eine untere Schwelle ist, wird die Motor-Generator-Systemeinheit bei Z6 durch die Steuereinheit eingeschaltet.
Eine untere Schwelle für den Ladezustand kann zwischen 30 Prozent und 60 Prozent liegen und beträgt beispielhaft 40 Prozent. In Ausführungsbeispielen kann die Steuereinheit ausgebildet sein, die Motor-Generator-Systemeinheit nur zu starten, wenn der Ladezustand der elektrochemischen Speicherbatterie im Bereich von 5 Prozent bis 50 Prozent liegt. Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Motor-Generator-Systemeinheit abzuschalten oder zu drosseln, wenn ein Ladezustand der Speicherbatterie zwischen 75 und 100 Prozent als obere Schwelle liegt. Diese obere Schwelle des Ladezustands kann auch zwischen 75 und 95 Prozent liegen und beträgt beispielhaft 85 Prozent.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, die Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern (Laden des PCM-Kältespeichers bei Z9) und stets gleichzeitig die Speicherbatterie mittels der Motor-Generator-Systemeinheit und/oder des PV-Generators elektrisch zu beladen (Laden der elektrochemischen Speicherbatterie bei Z7).
Wird bei E5 festgestellt, dass der Ladezustand der elektrochemischen Speicherbatterie oberhalb einer oberen Schwelle, beispielsweise oberhalb von 85 Prozent liegt, wird bei Z8 ein Aufladen der elektrochemischen Speicherbatterie beendet.
Wird bei E7 festgestellt, dass die momentane Raumtemperatur einen Sollwert der Raumtemperatur übersteigt, wird bei K3 das Aufladen des PCM-Kältespeichers beendet und somit der PCM-Entladebetrieb (vergleiche 1) verlassen. Gleichzeitig kann der PCM-Entladebetrieb (vergleiche 2) aufgenommen werden, um die momentane Raumtemperatur unter den Sollwert der Raumtemperatur abzusenken. Wird bei E7 festgestellt, dass die momentane Raumtemperatur nicht oberhalb des Sollwerts der Raumtemperatur liegt, erfolgt gemäß Z9 ein Aufladen des PCM-Kältespeichers. Ein Sollwert der Raumtemperatur wird vorzugsweise innerhalb des Bandes 20 Grad Celsius bis 40 Grad Celsius festgelegt.
Mit Bezug auf den Abschnitt AB3 soll der Programmablaufplan nun weiter erläutert werden. Wird bei E8 festgestellt, dass die momentane Umgebungstemperatur geringer ist als die durchschnittliche Tagesumgebungstemperatur des vorherigen Tages abzüglich einer Temperaturdifferenz zwischen 2 K und 20 K, typischerweise 10 K, darf bei Z10 ein Entladen der elektrochemischen Speicherbatterie und/oder ein Aufladen des PCM-Kältespeichers erfolgen. Ist dies nicht der Fall, so kann bei Z5 die elektrochemischen Speicherbatterie entladen und/oder die der PCM-Kältespeicher entladen werden.
Wird bei E9 festgestellt dass die momentane Raumtemperatur den Sollwert der Raumtemperatur übersteigt, so wird gemäß K4 ein Aufladen des PCM-Kältespeichers beendet. Das Gleiche ist der Fall, wenn bei E9 festgestellt wird, dass der Ladezustand des PCM-Kältespeichers bei 100 Prozent beträgt. Wird wiederum bei E9 festgestellt, dass die momentane Raumtemperatur nicht größer als der Sollwert der Raumtemperatur ist, so kann bei Z10 ein weiteres Beladen des PCM-Kältespeichers erfolgen. Dies kann bei ausgeschalteter Motor-Generator-Systemeinheit beispielsweise gemäß Z10 durch Entladen der elektrochemischen Speicherbatterie erfolgen. Gleichsam kann ein Beladen des PCM-Kältespeichers bzw. ein Entladen der elektrochemischen Speicherbatterie bei Z10 erfolgen, wenn der Ladezustand des PC am Kältespeicher 100 Prozent noch nicht erreicht hat.
Der Programmablauf der 4 kann als unterlagerte oder überlagerte Regelung zum erfindungsgemäßen Verfahren verstanden werden. So ist beispielsweise das Aufladen des PCM-Kältespeichers bei Z10 ein Ansteuern, in einem PCM-Ladebetrieb, einer Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung und Beladen eines PCM-Kältespeichers mit der Kompressionskälteleistung, wobei eine in einem Abluftpfad angeordnete Bypass-Klappe im PCM-Ladebetrieb geschlossen ist.
Gleichsam kann ein Entladen des PCM-Kältespeichers bei K4 den Übergang in einen PCM-Entladebetrieb bedeuten bei der die Kompressionskältemaschine derart angesteuert wird, dass die Kompressionskältemaschine keine Kompressionskälteleistung erzeugt und die im Abluftpfad angeordnete Bypass-Klappe geöffnet ist.
5 zeigt eine Simulation zweier beispielhafter Energieversorgungsanlagen. Dabei zeigt 5B) ein Simulationsbeispiel einer Energieversorgungsanlage (vgl. 1 bis 3) mit einer Motor-Generator-Systemeinheit mit einer elektrischen Leistung von 24 kW, einem PV-Generator mit 9 kWp, einer elektrochemischen Speicherbatterie mit 970 Ah, elektrischen Last einer Telekom-Basisstation von 2,5 kW, einer Kompressionskältemaschine mit 24.000 BTU/h (7,032 kW) sowie mit einem PCM-Kältespeicher mit einer thermischen Speicherkapazität von 30 kWh. 5A) zeigt zum Vergleich ein Simulationsbeispiel der Energieversorgungsanlage ohne PCM-Kältespeicher.
Aufgetragen sind jeweils (i) die elektrische Leistung des Dieselgenerators (Motor-Generator-Systemeinheit), (ii) die Kühlleistung der Kompressionskältemaschine, (iii) der Ladezustand der elektrochemischen Speicherbatterie sowie (iv) die PV-Leistung (obere Kurve) und die Überschuss-Leistung des PV-Generators (untere Kurve). 5B)iii) zeigt zusätzlich als untere Kurve den Ladezustand des PCM-Kältespeichers.
Aus Zusammenschau der 5A)i) und 5B)i) wird deutlich, dass über die Jahresstunden hinweg die elektrische Laufzeit und vor allem die Anzahl der Startvorgänge des Dieselgenerators deutlich verringert werden kann, d.h. Kraftstoff (Diesel) in nicht unbeträchtlichem Maß ein gespart werden kann.
Aus Zusammenschau der 5A)ii) und 5B)ii) ist ersichtlich, dass durch den erfindungsgemäßen Einsatz des PCM-Kältespeichers und die Ansteuerung der Energieversorgungsanlage mittels der von der Energieversorgungsanlage umfassten Steuereinheit auch ein vergleichsweise eng getakteter Betrieb der Kompressionskältemaschine, vgl. 5A)ii), aufgelöst werden kann, wie dies aus 5B)ii) ersichtlich ist. Dadurch wird eine deutlich erhöhte Standzeit der Kompressionskältemaschine ermöglicht.
Gleichzeitig ist aus der Zusammenschau 5A)iv) und 5B)iv) ersichtlich, dass ein nicht nutzbarer PV-Überschuss (untere Kurve) durch thermische Einspeicherung in den erfindungsgemäß vorgesehenen PCM-Kältespeicher deutlich reduziert werden kann.
Aus den 5B)i) und 5B)iii) ist ersichtlich, dass die Motor-Generator-Systemeinheit nur durch die Steuereinheit eingeschalten wird, wenn der Ladezustand der elektrochemischen Speicherbatterie unterhalb von (beispielhaft) 45 Prozent liegt. Gleichzeitig ist die Steuereinheit ausgebildet die Motor-Generator-Systemeinheit abzuschalten wenn der Ladezustand der elektrochemischen Speicherbatterie oberhalb von (beispielhaft) 85 Prozent liegt. Gleichzeitig ist erkennbar, dass zu den Tageszeiten (PV größer 0) ein Einschalten der Motor-Generator-Systemeinheit gänzlich vermieden werden kann.
6 zeigt schließlich schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Energieversorgungsanlage. Das Verfahren schließt einen PCM-Ladebetrieb PCM-C und einen PCM-Entladebetrieb PCM-D, die einander abwechseln, ein.
In dem PCM-Ladebetrieb PCM-C erfolgt ein Ansteuern einer Kompressionskältemaschine zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung und ein Beladen eines PCM-Kältespeichers mit der Kompressionskälteleistung.
Im PCM-Entladebetrieb PCM-D erfolgt ein Ansteuern der Kompressionskältemaschine derart, dass die Kompressionskältemaschine keine Kompressionskälteleistung erzeugt, und ein Ansteuern eines Gebläses derart, dass ein PCM-Kältespeicher mit einer aus dem Raum stammenden Raumluftmenge beaufschlagt und eine Kühlluftmenge aus dem PCM-Kältespeicher in den Raum geführt wird.
Im Rahmen des Verfahrens ist eine in einem Abluftpfad angeordnete Bypass-Klappe, über die die Kompressionskälteleistung unter Umgehen des PCM-Kältespeichers direkt dem Raum zugeführt werden kann, im PCM-Ladebetrieb PCM-C geschlossen und im PCM-Entladebetrieb PCM-D geöffnet. Im Rahmen des Verfahrens ist das Gebläse zusätzlich zu und räumlich getrennt von einem in der Kompressionskältemaschine vorhandenen Gebläse vorgesehen und weist einen drehzahlgeregelten Ventilator aufweist, der dem PCM-Kältespeicher nachgeschaltet ist.
Bezugszeichenliste

10: Motor-Generator-Systemeinheit
20, A/C: Kompressionskältemaschine
23: Bypass-Klappe
24: Klappensteller
25: Abluftpfad
27: Zuluftpfad
30, TB: PCM-Kältespeicher
40: Gebläse
44: drehzahlgeregelter Ventilator
50: PV-Generator
60, EB: elektrochemische Speicherbatterie
80: Gleichrichter
90: Steuereinheit
100: netzunabhängige Energieversorgungsanlage
200: Raum
300: Telekom-Basisstation
KL: Kühlluftmenge
MT: Schmelztemperatur
RL: Raumluftmenge
ZL: Zuluft
PCM-B: PCM-Bypassbetrieb
PCM-C: PCM-Ladebetrieb
PCM-D: PCM-Entladebetrieb
SOC: Ladezustand (state of charge) in Prozent
eta: Speichereffizienz (roundtrip efficiency)
Delay: Totzeit (dead time constant)
SOC_low: Ladezustand untere Schwelle
SOC_high: Ladezustand obere Schwelle
P(PV): Momentanleistung des PV-Generators (actual power feed-in by PV)
P(A/C): Nominalverbrauch der Kompressionskältemaschine (nominal power consumption of the aircon (A/C)
P(avg_EBdischarge): Durchschnittlicher Leistungsabfluss aus der elektrochemischen Speicherbatterie im Normalbetrieb bei Momentanleistung des PV-Generators = 0 und Motor-Generator-Systemeinheit = AUS (average discharge power drawn from the EB during normal operation with P(PV) = 0 and genset off)
P(act_EBdischarge): momentaner Leistungsabfluss aus der elektrochemischen Speicherbatterie (actual discharge power drawn from the EB)
T(amb): momentane Umgebungstemperatur (actual ambient temperature)
T(avg_am, day): Durchschnittliche Tagesumgebungstemperatur der vorigen Tages (average ambient temperature of last day during daytime)
T_room: momentane Raumtemperatur
T_room_set: Sollwert der Raumtemperatur (setpoint of room temperature)
dT: Temperaturdifferenz (temperature difference) in Kelvin

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 101737880 A [0003, 0003]
JP 2014-048022 A [0003]

Claims

Netzunabhängige Energieversorgungsanlage (100) zum elektrischen Versorgen der elektrischen Verbraucher eines Wohngebäudes oder einer in einem Gebäude (200), vorzugsweisen einem Container, eingehausten Telekom-Basisstation (300), mit – einer Motor-Generator-Systemeinheit (10) zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsleistung für die Telekom-Basisstation (200) oder für die elektrischen Verbraucher des Wohngebäudes, – einer Kompressionskältemaschine (20) zum Bereitstellen einer Kompressionskälteleistung für die Telekom-Basisstation (200) oder zur Kühlung des Wohngebäudes oder Teilen davon oder Gegenständen darin., – einem PCM-Kältespeicher (30), der eine Schmelztemperatur (MT) vorzugsweise zwischen 5 und 30 Grad Celsius aufweist, und der mit der Kompressionskältemaschine (20) über einen Abluftpfad (25) thermisch, vorzugsweise dauerhaft thermisch gekoppelt ist, so dass der PCM-Kältespeicher (30) mit der Kompressionskälteleistung beladen werden kann, und wobei der PCM-Kältespeicher (30) über einen Zuluftpfad (27) mit dem Raum (200) gekoppelt ist, so dass eine Kühlluftmenge (KL) aus dem PCM-Kältespeicher (30) in den Raum (200) geführt kann, – einem Gebläse (40) über das der Raum (200) mit dem PCM-Kältespeicher (30) thermisch, vorzugsweise dauerhaft thermisch gekoppelt ist, derart, dass der PCM-Kältespeicher (30) unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine (20) mit einer Raumluftmenge (RL) beaufschlagt werden kann, wobei das Gebläse (40) vorzugsweise zumindest einen drehzahlgeregelten Ventilator (44) aufweist; und – mit einer Steuereinheit (90), die zum Steuern der Motor-Generator-Systemeinheit (10), der Kompressionskältemaschine (20) und des drehzahlgeregelten Ventilators (44) vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (90) ausgebildet ist für einen PCM-Ladebetrieb (PCM-C) die Kompressionskältemaschine (20) zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern.
Energieversorgungsanlage (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlgeregelte Ventilator (44) im Zuluftpfad (27) angeordnet und dem PCM-Kältespeicher (30) nachgeschaltet ist.
Energieversorgungsanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine im Abluftpfad (25) angeordnete Bypass-Klappe (23) über die die Kompressionskälteleistung (KL) unter Umgehen des PCM-Kältespeichers (30) direkt dem Raum (200) zugeführt werden kann.
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (40) zusätzlich zu und räumlich getrennt von einem in der Kompressionskältemaschine (20) vorhandenen Gebläse vorgesehen ist.
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (90) ausgebildet ist für einen PCM-Entladebetrieb (PCM-D) die Kompressionskältemaschine (20) nicht anzusteuern oder derart anzusteuern, dass die Kompressionskältemaschine keine Kompressionskälteleistung erzeugt, und das Gebläse (40) derart anzusteuern, dass der PCM-Kältespeicher (30) mit einer aus dem Raum (200) stammenden Raumluftmenge (RL) beaufschlagt wird.
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem PV-Generator (50) zum Erzeugen einer PV-Leistung (PL), und einer elektrischen, vorzugsweise elektrochemischen Speicherbatterie (60), die zum Puffern der PV-Leistung (PL) elektrisch mit dem PV-Generator (50) verbunden ist.
Energieversorgungsanlage (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (90) ausgebildet ist, die Motor-Generator-Systemeinheit (10) nur zu starten, wenn ein Ladezustand (SOC) der Speicherbatterie (60) im Bereich von 5 Prozent bis 50 Prozent liegt.
Energieversorgungsanlage (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (90) ausgebildet ist, die Motor-Generator-Systemeinheit (10) abzuschalten oder zu drosseln, wenn ein Ladezustand (SOC) der Speicherbatterie (60) zwischen 75 und 100 Prozent liegt.
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (90) ausgebildet ist, die Kompressionskältemaschine (20) zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern, wenn der Ladezustand (SOC) der Speicherbatterie (60) im Bereich von 75 Prozent bis 100 Prozent liegt und die PV-Leistung (PL) abzüglich der Versorgungsleistung der Telekom-Basisstation (300) oder der elektrischen Verbraucher größer als die Versorgungsleistung der Kompressionskältemaschine (20) ist.
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (90) ausgebildet ist im PCM-Entladebetrieb (PCM-D) das Gebläse (40) bei geöffneter Bypass-Klappe anzusteuern (23).
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (90) ausgebildet ist, die Kompressionskältemaschine (20) zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern und stets gleichzeitig die Speicherbatterie (60) mittels der Motor-Generator-Systemeinheit (10) und/oder des PV-Generators (50) elektrisch zu beladen.
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der PCM-Kältespeicher (30), abgesehen vom Abluftpfad (25) und vom Zuluftpfad (27), pneumatisch vom Raum (200) getrennt ist und/oder der PCM-Kältespeicher (30), zumindest im PCM-Bypassbetrieb (PCM-B) wärmedicht zur Umgebungsluft und/oder Raumluft ausgebildet ist.
Energieversorgungsanlage (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der PCM-Kältespeicher (30) eine Schnelladefähigkeit aufweist, vorzugsweise von > 0,3 kW / kWh.
Ergänzungsmodul zur energetischen Optimierung einer bestehenden netzunabhängige Energieversorgungsanlage (100), mit – einem PCM-Kältespeicher (30), der eine Schmelztemperatur (MT) aufweist, und der mit einer Kompressionskältemaschine (20) der Energieversorgungsanlage (100) über einen Abluftpfad (25) thermisch, vorzugsweise dauerhaft thermisch zu koppeln ist, so dass der PCM-Kältespeicher (30) mit der Kompressionskälteleistung beladen werden kann, und wobei der PCM-Kältespeicher (30) über einen Zuluftpfad (27) mit einem Raum (200) zu koppeln ist, so dass eine Kühlluftmenge (KL) aus dem PCM-Kältespeicher (30) in den Raum (200) geführt kann, – einem Gebläse (40) über das der Raum (200) mit dem PCM-Kältespeicher (30) thermisch, vorzugsweise dauerhaft thermisch zu koppeln ist, derart, dass der PCM-Kältespeicher (30) unabhängig von einem aktiven Kühlbetrieb der Kompressionskältemaschine (20) mit einer Raumluftmenge beaufschlagt werden kann, wobei das Gebläse zumindest einen drehzahlgeregelten Ventilator (44) aufweist; und – mit einer Steuereinheit (90), die zum Steuern der Motor-Generator-Systemeinheit (10), der Kompressionskältemaschine (20) und drehzahlgeregelten Ventilator (44) vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (90) ausgebildet ist für einen PCM-Ladebetrieb (PCM-C) die Kompressionskältemaschine (20) zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung anzusteuern.
Verfahren zum Betreiben einer netzunabhängigen Energieversorgungsanlage, vorzugsweise einer Energieversorgungsanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte: – Ansteuern, in einem PCM-Ladebetrieb (PCM-C), einer Kompressionskältemaschine (20) zum Erzeugen einer Kompressionskälteleistung; und Beladen eines PCM-Kältespeichers (30) mit der Kompressionskälteleistung; – Ansteuern, in einem PCM-Entladebetrieb (PCM-D), der Kompressionskältemaschine (20) derart, dass die Kompressionskältemaschine keine Kompressionskälteleistung erzeugt, und Ansteuern eines Gebläses (40) derart, dass ein PCM-Kältespeicher (30) mit einer aus dem Raum (200) stammenden Raumluftmenge (RL) beaufschlagt und eine Kühlluftmenge (KL) aus dem PCM-Kältespeicher (30) in den Raum geführt wird, wobei eine in einem Abluftpfad (25) angeordnete Bypass-Klappe (23), über die die Kompressionskälteleistung (KL) unter Umgehen des PCM-Kältespeichers (30) direkt dem Raum (200) zugeführt werden kann, im PCM-Ladebetrieb (PCM-C) geschlossen und im PCM-Entladebetrieb (PCM-D) geöffnet ist, und wobei das Gebläse (40) zusätzlich zu und räumlich getrennt von einem in der Kompressionskältemaschine (20) vorhandenen Gebläse vorgesehen und zumindest einen drehzahlgeregelten Ventilator (44) aufweist, der dem PCM-Kältespeicher (30) vorzugsweise nachgeschaltet ist.