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Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem und ein Verfahren zur Steuerung eines Energieverbrauchs.
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Markt bekannt sind Energiemanagementsysteme mit einem Datennetzwerk und wenigstens einem Energieverbraucher mit einem Energieerzeuger in ein Gebäudestromnetz. Das Gebäudestromnetz ist über einen an eine Anschlussleitung angeschlossenen Stromzähler mit einem Stromnetz verbunden ist. Der Energieerzeuger ist über einen Wechselrichter über eine Erzeugerleitung elektrisch an das Gebäudestromnetz eingebunden. Der Energieverbraucher ist mit einem elektrischen Verbraucheranschluss, der zwischen dem Wechselrichter und einem Stromzähler liegt, an das Gebäudestromnetz angeschlossen und ein Regler des Energieverbrauchers ist an das Datennetzwerk angeschlossen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Vorrichtung bereitzustellen, mit der von einem Energieerzeuger erzeugter Strom von einem Energieverbraucher zumindest teilweise genutzt wird.
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Gelöst ist die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruch 1.
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Ein Energiemessgerät ist mit einer Leistungsmesseinheit in die Anschlussleitung eingebunden und das Energiemessgerät ist mit einer ersten Datenverbindung mit dem Datennetzwerk verbunden.
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Vorteilhaft ist das Energiemessgerät mit der ersten Datenverbindung an einen Internetkoppler, an den Router oder den Regler angeschlossen.
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In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Regler an den Internetkoppler, der Internetkoppler an den Router und das Energiemessgerät an den Router angeschlossen.
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Gemäß einem vorteilhaften Verfahren zur Steuerung der Energieaufnahme einer elektrischen Vorrichtung eines Energieverbrauchers mit einem Energiemanagementsystem wird im Energiemessgerät eine elektrische Leistung abhängig von einem Strom, der durch die Anschlussleitung fließt, ermittelt. Mit dem Energiemessgerät wird die im Gebäudestromnetz insbesondere vom Energieerzeuger erzeugte Energie abzüglich der im Gebäudestromnetz verbrauchten Energie ermittelt. Bestimmt wird, ob ein Überschuss an Leistung, die vom Energieerzeuger in das Gebäudestromnetz eingespeist ist, besteht. Abhängig von einem Wert des Überschusses an Leistung wird die elektrischen Vorrichtung mit dem Regler des Energieverbrauchers gesteuert.
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Gemäße einem weiteren vorteilhaften Gedanken wird abhängig vom Wert des Überschusses an elektrischer Leistung, die elektrische Vorrichtung vom Regler so gesteuert, dass zumindest ein Anteil des Überschusses an elektrischer Leistung des Gebäudestromnetzes von der elektrischen Vorrichtung des Energieverbrauchers verbraucht wird.
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Alternativ wird der elektrische Verbraucher betrieben, wenn Strom vom Gebäudestromnetz an das Stromnetz geliefert würde, womit zuindest weitgehend eine Einspeisung ins Stromnetz reduziert oder vermieden wird.
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In einem vorteilhaften Verfahrensschritt wird ein Strombezug vom Stromnetz oder eine Stromlieferung an das Stromnetz mit dem Energiemanagementsystem, mit einer verfügbaren Leistungsspanne der elektrischen Vorrichtung, gegen null geregelt. Dabei wird ein Überschuss an elektrischer Leistung des Gebäudestromnetzes an die elektrische Vorrichung abgegeben. Der Energieverbraucher ist insbersondere eine Wärempumpe oder eine Elektroheizeinrichtung. Die Leistung des Energieverbrauchers wird so gewählt, dass die Stromlieferung an das Stromnetz gegen null geregelt ist, so dass eine Optimierung einer Einspeisung, insbesondere eine Minimierung einer Einspeisung ins Stromnetz erfolgt.
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Mit einer vorteilhaften Verfügbarkeitsprognose von Überschuss an elektrischer Leistung im Energiemanagementsystem wird ein Stabilitätswert für einen zukünftigen Ertrag des Energieerzeugers ermittelt. Die Verfügbarkeitsprognose erfolgt insbesondere abhängig von historischen Energiewerten, die im Energiemessgerät ermittelt wurden und/oder abhängig von Wetterdaten. Abhängig von einem Vergleich des Stabilitätswertes ST mit einem Sollstabilitätswert wird die Leistung der elektrischen Vorrichtung vorgegeben, so dass ein störungsfreier Betrieb des Energieverbrauchers über ein Zeitintervall erfolgt.
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Mit dem elektrischen Verbraucher wird abhängig vom Überschuss an elektrischer Leistung eine thermische Energie erzeugt. Insbesonderer mit einer Rückwärtssteuerung, womit ein Sollwert an thermischer Enerige oder eine Solltemperatur eines Heizsystems zu einem Endzeitpunkt eines Heizintervalls erreicht werden soll, wird die elektrische Vorrichtung dann eingeschaltet, wenn ein Zeitpunkt erreicht ist, von dem ab der zu erwartende Überschuss an elektrischer Leistung hinreichend ist, um die Menge an thermischer Energie oder die Solltemperatur zum Endzeitpunkt zu erreichen.
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Vorteilhaft sind im Gebäudestromnetz noch weitere elektrische Verbraucher vorhanden, deren Stromverbrauch im Energiemessgerät berücksichtigt wird.
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Im Energiemessgerät erfolgt vorteilhaft eine von Spannung und Strom abhängige Leistungsmessung. Werte der Leistungsmessung werden im Energiemanagementsystem gespeichert bzw. diesen bereitgestellt. Vorteilhaft erfolgt die Speicherung der Werte der Leistungsmessung in einem Datenspeicher des Energiemessgerätes, des Routers des Internetkopplers oder auch des Reglers. Alternativ ist es auch von Vorteil die Speicherung der Werte der Leistungsmessung in einem Server durchzuführen, der über den Router mit dem Energiemanagementsystem bzw. mit dem Datennetzwerk verbunden ist, wozu der Router vorteilhaft über das Internet mit dem Serververbunden ist.
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Das Energiemanagementsystem wird vorteilhaft ohne einen Anschluss an das Internet betrieben. Dabei erfolgt insbesondere eine Messung der Leistung im Energiemessgerät. Im Energiemanagementsystem, vorteilhafter Weise im Energiemessgerät, dem Internetkoppler oder auch im Regler erfolgt ein Vergleich der gemessenen Leistung mit einem Sollwert wobei vorteilhaft eine Differenz des Sollwerts mit der gemesen Leistung gleich ocder nahe null liegen soll. Liegen positive Leistungswerte vor, so ist davon auszugehen, dass vom Gebäudestromnetz Strom an das Stromnetz abgegeben wird. Günstig für den Benutzer ist es, den insbesondere selbst von dem Energieerzeuger erzeugten Strom im Gebäudestromnetz zu nutzen. Sobald also positive Leistungswerte vorliegen, wird ermittelt, ob diese positiven Leistungswerte hinreichend sind um den Energieverbraucher bzw. die elektrische Vorrichtung des Energieverbrauchers zu betreiben.
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Liegen vorteilhaft über eine vorgegebene Zeit hinreichende positive Leistungswerte vor kann eine Prognose abgegeben werden, mit welchem Ertrag für ein zukünftiges Zeitintervall gerechnet werden kann. Sobald ein vorgegebener positiver Leistungswert, insbesondere positive Leistungswerte, über ein vorgegebenes Zeitintervall vorliegen, wird die elektrischen Vorrichtung eingeschaltet.
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Eine Regelung der elektrischen Vorrichtung erfolgt so, dass vom Gebäudestromnetz möglichst kein Strom an das Stromnetz abgegeben wird. Sobald die elektrische Vorrichtung in Betrieb ist wird deren Verbrauch so geregelt das am Energiemessgerät möglichst ein Leistungsdurchgang von null ermittelt wird.
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Vorteilhaft erfolgt diese Regelung derart, dass immer ein gewisser Prozentsatz von Leistung an das Stromnetz abgegeben wird. Dieser Prozentsatz kann auch ein fester kleiner Leistungswert sein, zum Beispiel 10 W. Vorteilhaft ist der kleine Leistungswert möglichst gering und kleiner 10 W zum Beispiel auch ein Watt. Weist der Energieverbraucher beispielsweise ein Leistungsspektrum von 500 W bis 5 kW auf, so kann die Leistungsaufnahme der elektrischen Vorrichtung zwischen 500 W und 5 KW variiert werden.
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Da zum einen die Erzeugung durch den Energieerzeuger schwankend sein kann, wie beispielsweise durch eine Fotovoltaikanlage oder eine in das Stromnetz integrierte Windenergieanlage, so kann durch eine vorteilhafte Variation im Leistungsspektrum zwischen beispielsweise 500 W und 5 KW eine Schwankung des Energieerzeugers ausgeglichen werden. Sobald also vom Energiemessgerät eine Leistung, oder ein Strom, abweichend von einem Sollwert des Leistungsdurchgangs durch das Energiemessgerät ermittelt wird, kann die Leistung des Energieverbrauchers so angepasst werden, dass immer nur genau so viel Leistung an den Energieverbraucher abgegeben wird wie das Gebäudestromnetz zu viel zur Verfügung hätte. Dies erfolgt wie oben beschrieben vorteilhaft in der Art, dass die Leistung des Energieverbrauchers, insbesondere der elektrischen Vorrichtung des Energieverbraucher derart gewählt ist, dass im Energiemessgerät ein Sollwert erreicht ist. Dieser Sollwert ist vorzugsweise 0,1 Prozent der Leistung des Energieerzeugers oder des Energieverbraucher, oder auch ein möglichst nahe null liegender Festwert einer Leistung, wie vorzugsweise ein Wert zwischen -50 bis +50 W. Vorteilhaft wird möglichst ein Wert gewählt der gerade über null liegt. So wird vermieden dass ein Strombezug erfolgt der relativ teuer ist. Weiterhin wird vermieden, dass zu viel selbst erzeugte Energie an das Stromnetz abgegeben wird.
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Demnach wird die Leistung der elektrischen Vorrichtung vorteilhaft gesteigert, wenn die im Energiemessgerät gemessene Leistung über dem Sollwert liegt, oder weiter über den Sollwert ansteigt. Die Leistung der elektrischen Vorrichtung wird vorteillhaft vermindert, sobald der Sollwert unterschritten ist oder weiter abfällt.
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Der Energieverbraucher ist vorteilhaft eine Wärmepumpe wie insbesondere elektrische Wärmepumpen und andere Aggregate der Wärmepumpe. Wesentlichen Einfluss auf den Stromverbrauch hat ein elektrischer Verdichter. Dieser ist vorteilhaft ein mit einem Inverter geregelter Drehzahl variabler Verdichter. Sobald der Sollwert überschritten wird, wird die Drehzahl des Verdichters angehoben, sobald der Sollwert unterschritten wird, wird die Drehzahl vorteilhaft reduziert. Wird eine unterste Einsatzgrenze des Verdichters erreicht, muss die Anlage ganz abgeschaltet werden oder alternativ der Strombezug aus dem Netz in Kauf genommen werden. Im Falle eines Strombezugs aus dem Netz, um die Wärmepumpe weiter in Betrieb zu halten, wird diese vorteilhaft auf einen niedrigen Drehzahlwert eingestellt, insbesondere eine Minimaldrehzahl.
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Vorteilhaft wird im Energiemanagementsystem, insbesondere vorteilhaft im Energiemessgerät selbst eine Historie der gemessenen Leistungsdaten ermittelt. Davon abhängig wird ein Stabilitätsfaktor ermittelt, der auf historischen Daten, zumindest über ein gewisses Zeitintervall zurückreicht. So wird beispielsweise ermittelt wie hoch der Überschussstrom über die letzte Stunde ausgefallen ist. Soweit hier ein Mindestwert erreicht ist, ist davon auszugehen, dass auch für die nächste Zeit relativ sicher Strom aus dem Stromnetz an die elektrische Vorrichtung geliefert werden kann. Hierzu benötigt die Anlage keine Internetverbindung. Sie arbeitet vorteilhaft autark und benötigt keine Werte vom Wechselrichter oder dem Energieerzeuger. Es wird vorteilhaft im Energiemessgerät überwacht ob Leistung an das Netz abgegeben wird oder ob Leistung bezogen wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird zusätzlich zu der Historie oder anstelle der Historie eine Wetterprognose mit in die Berechnung des Stabilitätsfaktor einbezogen. Soweit solide und stabile Wetterdaten, insbesondere ein Sonnenschein für eine Photovoltaikanlage oder eine stabile Gewinnprognose für eine Windenergieanlage vorliegen, kann der Energieverbraucher eingeschaltet werden. Vorteilhaft ist weiterhin eine nicht sofortige Einschaltung des Energieverbraucher, sondern erst dann, wenn auf einen prognostizierten Endzeitpunkt die Einschaltung der elektrischen Vorrichtung und damit Erzeugung von thermischer Energie erfolgt. Nach Art einer „last order“ wird die elektrische Vorrichtung erst zu einem späten oder spätestens möglichen Zeitpunkt eingeschaltet um bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt die Menge an thermischer Energie bereitgestellt zu haben oder eine Solltemperatur eines Heizsystems erreicht zu haben. Das Heizsystem kann ein wassergeführtes Heizsystem, ein luftgeführtes Heizsystem, ein Warmwasserspeicher oder auch ein Trinkwasserspeicher sein.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Energieverbraucher ein elektrischer Heizkörper. Dieser kann ein elektrischer Heizkörper eines Warmwasserspeichers oder aber auch einer Fußboden oder Wandheizung sein. Auch ein elektrisches Speicherheizgerät ist von der Erfindung umfasst, jedoch insbesondere der Art das die Leistung der elektrischen Heizkörper variabel ist. Der Energieverbraucher ist vorteilhaft von einem Wechselrichter oder Inverter angesteuert, sodass die Leistung des elektrischen Heizkörpers, des Warmwasserspeichers, einer Fußboden- oder Wandheizung variabel ist, und zwar derart variabel dass die Leistung des elektrischen Heizkörpers abhängig von der überschüssigen Leistung des Gebäudestromnetzes angepasst wird. Dies erfolgt ähnlich wie bei der Wärmepumpe, nur dass hier insbesondere keine zusätzliche thermische Umweltenergie vom Heizsystem selbst aufgenommen wird.
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In eine Prognose können vorteilhaft neben der Historie, der Leistungsdaten, der Wetterprognose auf andere Daten des Gebäudes beispielsweise Nutzungsdaten berücksichtigt werden. So können in das Energiemanagementsystem weitere Nutzungsdaten eingegeben werden, wie Wochenprogramme, Urlaubs oder Spitzenzeiten sowie bestimmte Wohlgefühlprogramme für ein Gebäude. All dies hat einen Einfluss insbesondere auf die sogenannte Rückwärtssteuerung, also das späte einschalten gemäß dem bereits beschriebenen „last order“ -Prinzip.
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Vorteilhaft besteht keine Verbindung des Wechselrichters des Energieerzeugers oder des Energieerzeugers mit dem dem Datennetzwerk. Es besteht vorteilhaft eine Datenverbindung des Wechselrichters nur zum Router oder außerhalb des Datennetzwerks mit dem Internet, insbesondere besteht dabei keine Datenverbindung zum Energiemessgerät, dem Regler oder dem Internetkoppler und es werden keine Daten des Wechselrichters des Energieerzeugers oder des Energieerzeugers mit dem Datennetzwerk ausgetauscht.
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In der Figur ist ein Energiemanagementsystem gezeigt.
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Das Energiemanagementsystem 100 besteht im wesentlichen aus einem Gebäudestromnetz 400 und einem Datennetzwerk 500. Das Gebäudestromnetz 400 ist über eine Anschlussleitung 410 und einen Stromzähler 610 mit einer Hausanschlussleitung 601 an ein Stromnetz 600 angeschlossen. Vorteilhaft ist in oder an der Anschlussleitung 410 das Energiemessgerät 510 erfindungsgemäß eingebaut. Im Ausführungsbeispiel ist an einem Knoten 411 eine Verbraucheranschlussleitung 413 vorgesehen mit der der Energieverbraucher 200 an das Gebäudestromnetz 400 angeschlossen ist. Der Energieverbraucher 200 weist einen Regler 210 sowie eine elektrische Vorrichtung 220 auf. An dem Knoten 411 ist ein Wechselrichter 310 über eine Erzeugerleitung 412 angeschlossen. Am Wechselrichter 310 ist der Energieerzeuger 3200 angeschlossen.
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Mit einer ersten Datenleitung 501 ist das Energiemessgerät 510 mit einem Router 520 verbunden. An den Router 520 ist weiterhin über eine zweite Datenverbindung 502 ein Internetkoppler 530 angebunden der weiterhin mit dem Regler 210 über eine dritte Datenverbindung 503 verbunden ist.
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Im Ausführungsbeispiel ist als Energieverbraucher 200 eine Wärmepumpe mit einem integrierten Regler 210 gezeigt. Die elektrische Vorrichtung 220 einer Wärmepumpe ist hauptsächlich ein elektrischer Verdichter, der hier von dem Regler in seiner Drehzahl geregelt wird. Sobald also vom Energiemessgerät 510 eine positive Leistung, im Sinne einer Leistungsabgabe an das Stromnetz signalisiert wird, somit eine Leistung größer als ein Sollwert ist, wird der Energieverbraucher 220 der Wärmepumpe 200 in Betrieb genommen werden. Vorteilhaft erfolgt dies, wenn der vom Energiemessgerät ermittelte Leistungswert so groß ist wie eine minimale Leistung der elektrischen Vorrichtung 220.
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Weist die elektrische Vorrichtung 220 eine minimale Leistung A, zum Beispiel 500 W auf, so wird die elektrische Vorrichtung vorteilhaft eingeschaltet, wenn ein Überschussstrom bzw. eine Überschussleistung von wenigstens annähernd einem Wert A, im Beispiel etwa 0,5 kW zur Verfügung steht.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die elektrische Vorrichtung 220 bzw. der Energieverbraucher 200, hier die Wärmepumpe, bereits dann eingeschaltet, wenn eine gewisse negative Leistung, die vorteilhaft nahe dem Wert null liegt. Es kann von Vorteil sein, die elektrische Vorrichtung 220, schon bei einem negativen Leistungswert, also dann wenn Strom aus dem Stromnetz bezogen wird, einzuschalten, insbesondere dann, wenn die Prognose so aussieht, dass zeitversetzt mit Erträgen zu rechnen ist. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn eine hohe thermische Leistung sofort benötigt wird. Dann macht es Sinn auch schon vor den hohen Stromerträgen eine Einschaltung vorteilhaft zu beginnen.
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Es hängt vorteilhaft vom Sollwert ab, wann eine Einschaltung erfolgt. Vorteilhaft erfolgt eine Einschaltung dann, wenn eine minimale Leistung, die der elektrischen Vorrichtung entspricht mindestens vom Gebäudestromnetz bereitgestellt werden kann.
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Vorteilhaft ist es aber auch schon bei einem Sollwert, der geringer ist als die Minimalleistung der elektrischen Vorrichtung, eine Einschaltung der Vorrichtung durchzuführen, insbesondere wenn eine thermische Leistung sofort zur Verfügung stehen muss.
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Demnach wird dem Stabilitätswert vorteilhaft ein Bedarfswert hinzugefügt. Wird beispielsweise spontan eine höhere Raumtemperatur oder eine höhere Warmwassertemperatur gefordert so ist der Bedarfswert hoch und übersteigt möglicherweise den Stabilitätswert und beeinflusst die Summe aus Stabilitätswert und Bedarfswert. Durch einen hohen Bedarfswert wird der Sollwert insofern reduziert, als das eine Einschaltung auch schon bei einem Wert der Leistung, erfolgt die niedriger ist als die überschüssige von dem Energieerzeuger erzeugte Leistung.
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Im Beispiel würde die Anlage vorteilhaft bereits bei schon einer Überschussleistung von 200 W eingeschaltet werden, obwohl der Verdichter der Wärmepumpe beispielsweise mindestens 500 Leistung benötigt. Fällt der Sollwert noch weiter ab bzw. ändert sich der Sollwert durch einen hohen Bedarfswert weiter, kann eine Einschaltung des Energieverbraucher auch schon dann erfolgen, wenn sogar bereits aus dem Netz Strom bezogen wird.
