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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerung für ein Heizsystem mit einer Wärmepumpe und einem weiteren Wärmeerzeuger, eine Wärmepumpe, ein Heizsystem und ein zugehöriges Verfahren.
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Ein Bivalenzpunkt beschreibt die Außentemperatur, bei der ein Heizsytem, das eine Wärmepumpe und einen weiteren Wärmeerzeuger umfasst, den weiteren Wärmeerzeuger zuschaltet bzw. anstelle der Wärmepumpe zur Erzeugung von Wärme betreibt. Der weitere Wärmeerzeuger kann beispielsweise eine elektrische Direktheizung oder eine Öl-, Gas- oder Holzheizung sein.
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Es ist bekannt, dass das Einstellen des Bivalenzpunktes einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpenanlage hat. Sie muss hinzu geschaltet werden muss, um die Heizlast des Gebäudes bei den entsprechenden Außentemperaturen zu gewährleisten und die Anlage mit einer guten Jahresarbeitszahl zu betreiben. Je höher der Anteil der Zusatzheizung ist, desto mehr zusätzliche Heizenergie muss aufgewendet werden und desto teurer wird in aller Regel der Heizbetrieb. Auf der anderen Seite sinkt mit abnehmender Außentemperatur auch die Effizienz insbesondere der Luftwärmepumpe, das heißt die Leistungszahl der Wärmepumpe, sodass die damit steigenden Stromkosten die der Brennstoffkosten für eine bivalente Zusatzheizung ab einer bestimmten Außentemperatur übersteigen können.
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Ab einer bestimmten Außentemperatur, nachfolgend kurz als Bivalenzpunkt bezeichnet, ist es daher durch Bewertung eines vorbestimmten Kriteriums sinnvoll, anstelle der Wärmepumpe den weiteren Wärmeerzeuger zur Erzeugung von Wärme zu betreiben.
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Es ist hierbei durchaus vorstellbar, dass der Bivalenzpunkt für unterschiedliche Kriterien, beispielsweise für Optimierung nach ökologischen oder ökonomischen Gesichtspunkten, signifikant auseinanderliegt.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wahl des Bivalenzpunktes zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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In einem Aspekt wird eine Steuerung für ein Heizsystem mit einer Wärmepumpe und einem weiteren Wärmeerzeuger vorgeschlagen, wobei die Steuerung aufweist: a) eine ersten Bivalenzpunktbestimmungseinheit, die zur Berechnung eines ersten Bivalenzpunktes basierend auf einem ersten Kriterium ausgebildet ist, b) eine zweiten Bivalenzpunktbestimmungseinheit, die zur Berechnung eines zweiten Bivalenzpunkte basierend auf einem zweiten Kriterium ausgebildet ist, wobei das zweite Kriterium von dem ersten Kriterium verschieden ist, c) eine Skaleneinheit, die zum Festlegen einer Skala von dem ersten Bivalenzpunkt zu dem zweiten Bivalenzpunkt ausgebildet ist, und d) eine Parametereinheit, die zur Eingabe und/oder Speicherung eines Skalenparameters eines Benutzers eingerichtet ist. Die Steuerung ist dazu eingerichtet, das Heizsystem, insbesondere die Wärmepumpe, anhand eines Bivalenzpunktes zu steuern, der mittels des Skalenparameters anhand der Skala bestimmt wird.
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Ein Benutzer kann demnach anhand der Skala festlegen, wie weit er in Richtung des ersten Bivalenzpunktes beziehungsweise des zweiten Bivalenzpunktes gehen möchte. Anders ausgedrückt ist der Benutzer einer erfindungsgemäßen Steuerung nicht durch die beiden, durch Optimierung erhaltenen Bivalenzpunkte beschränkt, sondern kann darüber hinaus auch quasi beliebige Zwischenwerte, abhängig von der Einteilung der Skala, auswählen.
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Die Steuerung kann beispielsweise als Teil einer Steuerung einer Wärmepumpe implementiert sein, oder auch unabhängig von der Wärmepumpe als Teil einer Steuerung eines übergeordneten Systems ausgebildet sein. Auch ist es möglich, dass die Steuerung physisch völlig unabhängig von der Wärmepumpe und/oder dem weiteren Wärmeerzeuger, beispielsweise in einem Server, implementiert ist.
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Die Steuerung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, drahtgebunden und/oder drahtlos mit der Wärmepumpe und dem weiteren Wärmeerzeuger zu kommunizieren, derart, dass jedenfalls ein Anschalten und ein Ausschalten des jeweiligen Wärmeerzeugers steuerbar ist.
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Die Benutzereingabe kann per Smartphone, insbesondere mittels einer App, über beliebige andere Schnittstellen oder auch über eine Bedieneinheit, die beispielsweise der Wärmepumpe, dem Heizsystem oder auch dem weiteren Wärmeerzeuger zugeordnet ist, empfangen werden. Vorzugsweise tritt der Benutzer mit der Steuerung über eine App in Kontakt, die über die Einstellung des gewünschten Skalenparameters hinaus noch weitere Einstellungsmöglichkeiten und Auswertungen zu dem Heizsystem bietet.
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Die Wärmepumpe ist vorzugsweise eine Luftwärmepumpe, deren Leistung signifikant mit der Außentemperatur variiert. Als weitere Wärmeerzeuger sind vorzugsweise elektrische Direktheizungen, Öl-, Gas- oder Holzheizungen oder Kombinationen daraus möglich.
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Durch die Möglichkeit der Einflussnahme des Benutzers hat dieser eine weitgehende Kontrolle über die Steuerung. So kann der Benutzer selbst beeinflussen, nach welchen Kriterien sein Heizungssystem betrieben wird. Insbesondere kann der Benutzer feiner einstellen, wo er sich den Betrieb zwischen den beiden durch den ersten Bivalenzpunkt und den zweiten Bivalenzpunkt aufgezeigten Extremen wünscht.
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Vorzugsweise ist der erste Bivalenzpunkt ein ökologischer Bivalenzpunkt und/oder der zweite Bivalenzpunkt ein ökonomischer Bivalenzpunkt.
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Der ökonomische Bivalenzpunkt gibt demnach an, ab welcher Außentemperatur ein Einsatz der Wärmepumpe unter ökologischen Gesichtspunkten, insbesondere unter Berücksichtigung eines Primärenergieeinsatzes und/oder eines CO2 Ausstoßes, gegenüber dem weiteren Wärmeerzeuger zu bevorzugen ist.
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Analog gibt der ökonomische Bivalenzpunkt unter Berücksichtigung von ökonomischen Gesichtspunkten, insbesondere unter Berücksichtigung von Stromkosten, Brennstoffkosten und einer Leistungszahl der Wärmepumpe, an, ab welcher Außentemperatur die Wärmepumpe gegenüber dem weiteren Wärmeerzeuger zu bevorzugen ist.
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Mittels der Skala kann demnach ein Zwischenwert zwischen einem ausschließlich ökonomisch und einem ausschließlich ökologisch optimierten Betrieb festgelegt werden. So kann daher gleichzeitig ein ökonomisches Bewusstsein, aber auch möglicherweise eine ökonomische Notwendigkeit seitens des Benutzers, der keinen beliebigen Mehraufwand für die ökologische Optimierung zu zahlen in der Lage ist, berücksichtig werden.
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Vorzugsweise umfasst daher das erste Kriterium und/oder das zweite Kriterium Stromkosten, Brennstoffkosten, einen Wirkungsgrad der Wärmepumpe, einen CO2 Ausstoß und/oder einen Primärenergieverbrauch.
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Weiter bevorzugt werden zeitliche Verläufe der Stromkosten, insbesondere ein Hochtarif beispielsweise am Tag und ein Niedrigtarif in der Nacht, herangezogen. Die zeitlichen Verläufe können auch präziser sein und weitere Unterscheidungen ermöglichen. Damit ist eine genauere ökonomische Bewertung
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Vorzugsweise nimmt die Skala Werte von 0 bis 10 ein, wobei der Skalenwert von 0 dem Wert des ersten Bivalenzpunktes entspricht, der Skalenwert von 10 dem Wert des zweiten Bivalenzpunktes entspricht. Natürlich kann die Skala auch andere Werte einnehmen und auch zwischenwerte der Skala sind denkbar.
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Vorzugsweise ist die erste Bivalenzpunktbestimmungseinheit und/oder die zweite Bivalenzpunktbestimmungseinheit dazu eingerichtet, zur Bestimmung des ersten bzw. zweiten Bivalenzpunktes das erste bzw. zweite Kriterium unter allen Betriebspunkten auszuwerten. Damit kann beispielsweise eine vollständige Tabelle angefertigt werden, die für jeden Betriebspunkt anhand der Skala und des Skalenparameters bestimmt, welcher der beiden Wärmeerzeuger zu betreiben ist.
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Vorzugsweise weist die Steuerung ferner eine Priorisierungseinheit auf. Die Priorisierungseinheit ist dazu ausgebildet, genutzten Photovoltaikstrom, insbesondere mittels Sgready oder EMI, zu erkennen und die Wärmepumpe bei erkanntem Photovoltaikstrom zu priorisieren.
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Vorzugsweise weist die Steuerung ferner eine Lastbetrachtungseinheit auf. Die Lastbetrachtungseinheit ist dazu ausgebildet, anhand von vorbestimmten Lastparametern zu bestimmen, dass der weitere Wärmeerzeuger unabhängig des Bivalenzpunktes zugeschalten wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Wärmepumpe mit einer erfindungsgemäßen Steuerung gelöst.
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Vorzugsweise weist die Wärmepumpe Relaiskontakte zum Anschluss eines weiteren Wärmeerzeugers auf, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, den weiteren Wärmeerzeuger über die Relaiskontakte zuzuschalten und/oder abzuschalten. Auch andere Verbindungen mit dem weiteren Wärmeerzeuger sind vorstellbar.
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Vorzugsweise weist die Wärmepumpe ferner eine Anzeige auf, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, eine die Verwendung des Skalenparameters anzeigende Information auf der Anzeige anzuzeigen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Heizungssystem mit einer Wärmepumpe, einem weiteren Wärmeerzeuger, insbesondere einem Gas- und/oder Ölkessel, und einer erfindungsgemäßen Steuerung gelöst.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Steuern eines Heizsystems mit einer Wärmepumpe und einem weiteren Wärmeerzeuger gelöst, wobei das Verfahren aufweist a) Berechnen eines ersten Bivalenzpunktes basierend auf einem ersten Kriterium, b) Berechnen eines zweiten Bivalenzpunkte basierend auf einem zweiten Kriterium, wobei das zweite Kriterium von dem ersten Kriterium verschieden ist, c) Festlegen einer Skala, die von dem ersten Bivalenzpunkt zu dem zweiten Bivalenzpunkt ausgebildet ist, und d) Bereitstellen eines eingegebenen und/oder gespeicherten Skalenparameters eines Benutzers, wobei das Heizsystem, insbesondere die Wärmepumpe, anhand eines Bivalenzpunktes gesteuert wird, der mittels des Skalenparameters anhand der Skala bestimmt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft analog mit den als bevorzugt beschriebenen Ausgestaltungen der Steuerung kombiniert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
- 1 schematisch und exemplarisch eine Steuerung für ein Heizsystem,
- 2 schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens und
- 3 schematisch und exemplarisch eine Benutzereinstellung des Skalenparameters.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch eine Steuerung 10 für ein Heizsystem 1. Das Heizsystem 1 weist eine Wärmepumpe 2 und einen weiteren Wärmeerzeuger 3, beispielsweise eine elektrische Direktheizung, eine Öl-, Gas- und/oder Holzheizung auf. Sie Steuerung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, sowohl die Wärmepumpe 2 als auch den weiteren Wärmeerzeuger 3 zu steuern.
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Die Steuerung 10 umfasst eine erste Bivalenzpunktbestimmungseinheit 20 und eine zweite Bivalenzpunktbestimmungseinheit 30. Die erste Bivalenzpunktbestimmungseinheit 20 ist zur Bestimmung eines ersten Bivalenzpunktes basierend auf einem ersten Kriterium ausgebildet. Das erste Kriterium kann beispielsweise ein ökologischer Bivalenzpunkt sein, das heißt, insbesondere unter Berücksichtigung von COP-Werten, CO2-Ausstößen und Primärenergieaufwendungen bestimmen, welcher der beiden Wärmeerzeuger 2, 3 für bestimmte Außentemperaturen ökonomisch zu bevorzugen ist.
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Analog ist die zweite Bivalenzpunktbestimmungseinheit 30 zur Berechnung eines zweiten Bivalenzpunktes basierend auf einem zweiten Kriterium ausgebildet, das beispielsweise ein ökonomischer Bivalenzpunkt ist. Bei dem ökonomischen Bivalenzpunkt wird berücksichtigt, mit welchem der beiden Wärmeerzeuger 2, 3 bei bestimmten Außentemperaturen niedrigere Kosten zu erwarten sind. Hierbei wird insbesondere der COP-Wert der Wärmepumpe 2 sowie die Kosten für elektrischen Strom und Brennstoff, falls benötigt, des weiteren Wärmeerzeugers 3 ausgewertet.
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Die Steuerung 10 weist weiter eine Skaleneinheit 40 auf, die zum Festlegen einer Skala von dem ersten Bivalenzpunkt zu dem zweiten Bivalenzpunkt ausgebildet ist. Die Skala kann beispielsweise in dem bereits angesprochenen Ausführungsbeispiel demnach zwischen einer rein ökonomischen Optimierung, die üblicherweise einem früheren Einschalten, d.h. bereits bei einer höheren Außentemperatur, des weiteren Wärmeerzeugers 3, beispielsweise eines Kessels, entspricht und einer rein ökologischen bzw. Primärenergieverbrauchsoptimierung, die üblicherweise mit einem späteren Einschalten des weiteren Wärmeerzeugers 3 einhergeht, verlaufen.
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Die Steuerung 10 weist ferner eine Parametereinheit 50 auf, die zur Eingabe und/oder Speicherung eines Skalenparameters der Skala von einem Benutzer eingerichtet ist. Ein Benutzer, der den Skalenparameter eingibt bzw. in der Parametereinheit 50 speichert, muss sich demnach nicht zwischen einem der beiden Bivalenzpunkte entscheiden, sondern kann seine persönliche Gewichtung frei wählen, ohne auf die Vorteile der jeweils anderen Gewichtung ganz verzichtet zu haben.
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Die Steuerung 10 weist ferner eine Priorisierungseinheit 60 auf. Die optionale Priorisierungseinheit 60 ist dazu ausgebildet, genutzten Photovoltaikstrom zu erkennen und die Wärmepumpe 2 zu priorisieren, wenn Photovoltaikstrom erkannt wird. Ferner weist die Steuerung 10 eine optionale Lastbetrachtungseinheit 70 auf, die dazu ausgebildet ist, anhand von vorbestimmten Lastparametern zu bestimmen, dass der weitere Wärmeerzeuger 3 unabhängig von dem adaptiven Bivalenzpunkt zugeschaltet wird.
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2 zeigt schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern eines Heizsystems, beispielsweise des in 1 schematisch gezeigten Heizsystems 1. In einem Schritt 210 wird ein erster Bivalenzpunkt basierend auf einem ersten Kriterium berechnet. In einem Schritt 220 wird ein zweiter Bivalenzpunkt basierend auf einem zweiten Kriterium berechnet, wobei das zweite Kriterium von dem ersten Kriterium verschieden ist. In einem Schritt 230 wird eine Skala festgelegt, die von dem ersten Bivalenzpunkt zu dem zweiten Bivalenzpunkt ausgebildet ist. In einem Schritt 240 wird ein eingegebener und/oder gespeicherter Skalenparameter eines Benutzers bereitgestellt. Das Heizsystem 1, insbesondere die Wärmepumpe 2 des Heizsystems 1, wird anhand eines Bivalenzpunktes, insbesondere eines adaptiven Bivalenzpunktes, gesteuert, der mittels des Skalenparameters anhand der Skala bestimmt wird. Der adaptive Bivalenzpunkt liegt demnach im Regelfall zwischen dem ersten und dem zweiten Bivalenzpunkt.
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In einem optionalen Schritt 250 wird genutzter Photovoltaikstrom erkannt und die Wärmepumpe 2 in dem Fall, in dem Photovoltaikstrom erkannt ist, priorisiert.
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In einem weiteren optionalen Schritt 260 wird der weitere Wärmeerzeuger 3 unabhängig von dem Bivalenzpunkt zugeschaltet, wenn vorbestimmte Lastparameter hierzu eine Veranlassung geben. Dadurch wird die Lebensdauer des Heizsystems 1 verbessert.
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3 zeigt schematisch und exemplarisch eine Einstellung des Skalenparameters eines schematisch gezeigten Benutzers 80. In diesem Fall ist ein erster Bivalenzpunkt 25 ein ökologischer Bivalenzpunkt, der in dem gezeigten Beispiel -7 °C beträgt. Der zweite Bivalenzpunkt 35 ist ein ökonomischer Bivalenzpunkt, der in diesem Beispiel +5 °C beträgt. Der Unterschied zwischen dem ökologischen Bivalenzpunkt und dem ökonomischen Bivalenzpunkt beträgt demnach 12 °C.
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Über diesen Bereich wird eine Skala gelegt. Der Benutzer 80 hat in diesem Beispiel als Skalenparameter einen Wert von etwa 7,5 ausgewählt, sodass ein adaptiver Bivalenzpunkt 45 von -3 °C resultiert. Diese Funktion kann auch als Ecodrive oder Ökodrive-Funktion bezeichnet werden. Ein psychologischer Vorteil für den Benutzer 80 ist, dass er sich nicht zwischen einer der Optimierungsfreigaben, also zwischen dem ersten Bivalenzpunkt 25 und dem zweiten Bivalenzpunkt 35 entscheiden muss, sondern seine persönliche Gewichtung durch den adaptiven Bivalenzpunkt 45 frei wählen kann, ohne auf die Vorteile der jeweils anderen Gewichtung verzichtet zu haben.
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Vorzugsweise gilt die gewählte Optimierung für die Heizung und die Warmwasserbereitung. Der adaptive Bivalenzpunkt 45 stellt den bivalent alternativen Umschaltpunkt zwischen Wärmepumpe 2 und weiterem Wärmeerzeuger 3 dar. Vorzugsweise wird der Skalenparameter beispielsweise auf 5 eingestellt. Besonders vorteilhaft ist es, diesen Skalenparameter an Bedienungsanordnungen, einem Bedienteil oder auch in einer zur Steuerung des Heizsystems 1 eingerichteten App prominent zur Einstellung vorzusehen.
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Für die Bivalenzpunktberechnung unter ökonomischen Gesichtspunkten muss der Benutzer 80 folgende Parameter prüfen bzw. anpassen: Stromkosten, insbesondere Stromkosten zum Hochtarif und zum Niedrigtarif. Diese Kosten können standardmäßig zeitlich gemittelt werden, zusätzlich oder alternativ kann ein Wochenprogramm für Hochtarif- bzw. Niedertarifstrom vorgegeben werden. Bei genutztem Photovoltaikstrom wird vorzugsweise automatisch die Wärmepumpe 2 priorisiert. Darüber hinaus sollen die Kosten für Gas bzw. Öl und/oder Holz, je nachdem, was der weitere Wärmeerzeuger 3 als Primärenergie verbraucht, angegeben werden.
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Für die ökologische bzw. primärenergiebasierte Bivalenzpunktberechnung werden CO2-Ausstöße sowohl von Strom, Gas, Flüssiggas als auch Öl, abhängig von den Wärmeträgern des Heizsystems 1, benötigt. Darüber hinaus wird ein Wirkungsgrad des Gas- bzw. Ölkessels und/oder ein Primärenergiefaktor für Strom, Gas und/oder Öl benötigt. Besonders bevorzug werden sämtliche dieser Parameter mit Standardwerten hinterlegt.
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In dem Beispiel der 3 verläuft die Skala zwischen 0 und 10, wobei dies natürlich beispielhaft ist und auch andere Skalierungen möglich sind. 0 bedeutet rein ökonomische Optimierung, wobei 10 einer rein ökologischen bzw. Primärenergiefaktoroptimierung entspricht. Zwischen den beiden Extremen wird vorzugsweise linear interpoliert.
