DE102019112270A1 - Arrangement and method for energy consumption control - Google Patents
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Abstract
Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Regelung der Energieflüsse zwischen einem Gebäude oder mehreren benachbarten Gebäuden zugeordneter Energieknoten in Form von Energiequellen (EQ), Energieverbrauchern (EV) und Energiespeichern (ES), wobei jeder Energieknoten mindestens einer Energieart zugeordnet ist, umfassend eine Regeleinheit (10) mit Datenverarbeitungsmitteln und einer auf diesen ausgeführten Regelungssoftware (11), Leistungserfassungsmittel zur Erfassung einer aktuell durch die Energiequelle/n (EQ) einer Energieart erzeugten Leistung, Verbrauchserfassungsmittel zum Erfassen einer aktuell verbrauchten Leistung aller Verbraucher (EV) einer Energieart, Speicherzustandsbestimmungsmittel zum Bestimmen eines Füllgrades des/r Energiespeicher/s (ES) einer Energieart und Aktoren, mittels derer die Regeleinheit (10) über die Regelungssoftware (11) anhand der aktuell erzeugten und verbrauchten Leistung und der gespeicherten Energie nach einer vorgegebenen Strategie die Energieflüsse jeder Energieart von einer oder mehreren der Energiequellen (EQ) zu einem oder mehreren der Energiespeicher (ES) und/oder einem oder mehreren der Energieverbraucher (EV), und/oder von einem oder mehreren der Energiespeicher (ES) zu einem oder mehreren der Energieverbraucher (EV) regelt, wobei jeweils mindestens eine Energiequelle zweier unterschiedlicher Energiearten vorhanden sind, und wobei mindestens eine regenerative Energiequelle vorhanden und mindestens einer der Energieknoten zwei Energiearten zugeordnet ist und die Regeleinheit (10) mittels der Regelungssoftware (11) dazu vorbereitet ist, zur Optimierung des Eigenenergieverbrauchs eine Umwandlung einer Energieart in eine andere vorzunehmen, und/oder mindestens jeweils eine regenerative Energiequelle zweier unterschiedlicher Energiearten vorhanden sind.The present invention relates to an arrangement and a method for regulating the energy flows between a building or several neighboring buildings assigned energy nodes in the form of energy sources (EQ), energy consumers (EV) and energy stores (ES), each energy node being assigned to at least one type of energy, including one Control unit (10) with data processing means and control software (11) executed thereon, power recording means for recording the power currently being generated by the energy source (s) (EQ) of an energy type, consumption recording means for recording a currently consumed power of all consumers (EV) of an energy type, storage state determination means to determine a degree of filling of the energy store (s) (ES) of an energy type and actuators, by means of which the control unit (10) via the control software (11) based on the currently generated and consumed power and the stored energy according to a specified Str ategie the energy flows of each type of energy from one or more of the energy sources (EQ) to one or more of the energy stores (ES) and / or one or more of the energy consumers (EV), and / or from one or more of the energy stores (ES) to one or more regulates several of the energy consumers (EV), with at least one energy source of two different types of energy being available, and with at least one regenerative energy source being available and at least one of the energy nodes being assigned to two types of energy and the control unit (10) being prepared for this by means of the control software (11) to convert one type of energy into another in order to optimize one's own energy consumption, and / or at least one regenerative energy source of two different types of energy is available.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Steuerung der Energieflüsse zwischen einem Gebäude oder mehreren benachbarten Gebäuden zugeordneter Energieknoten in Form von Energiequellen (
Hintergrund und Stand der TechnikBackground and prior art
Der Ausbau regenerativer Energien, der als ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz in vielen Ländern weltweit vorangetrieben, jedoch in Deutschland besonders forciert wird, macht aufgrund der damit einhergehenden Volatilität und Saisonalität des Energieeintrags eine effiziente Speicherung von Energie, insbesondere elektrischer Energie, unabdingbar. Volatilität soll hier Schwankungen auf Zeitskalen von Stunden bis Tagen, Saisonalität hingegen auf Zeitskalen von einem bis mehreren Monaten bezeichnen.The expansion of renewable energies, which is being promoted as an important contribution to climate protection in many countries around the world, but is being particularly promoted in Germany, makes efficient storage of energy, especially electrical energy, indispensable due to the associated volatility and seasonality of energy input. Here, volatility is intended to refer to fluctuations on a time scale from hours to days, while seasonality refers to fluctuations on a time scale of one to several months.
Der Ausbau großtechnischer Stromspeicher ist jedoch mit großen technischen und politischen Schwierigkeiten verbunden: dem Ausbau von Pumpspeicherkraftwerken, der effizientesten großtechnische Speicherart mit einer Effizienz von 75-80%, sind geologisch Grenzen gesetzt. Die in Deutschland derzeit vorhandene Speicherkapazität von lediglich 38 GWh ließe sich im äußersten Fall, wenn alle geologisch geeigneten Stätten genutzt würden maximal auf ca. 300 GWh steigern und läge damit noch weit unter dem Speicherbedarf von, bei vollständig regenerativer Stromproduktion, einigen zehn Terawattstunden, welcher zum Ausgleich insbesondere der saisonalen Schwankungen nötig wäre. Zudem wäre selbst ein solcher Ausbau politisch gegen die zu erwartenden Widerstände von Anwohnern und Umweltschützern wohl nicht umsetzbar. The expansion of large-scale electricity storage is associated with major technical and political difficulties: the expansion of pumped storage power plants, the most efficient large-scale storage type with an efficiency of 75-80%, are geologically limited. The storage capacity currently available in Germany of only 38 GWh could, in the extreme case, if all geologically suitable sites were used, increase to a maximum of approx. 300 GWh and would therefore be far below the storage requirement of, with completely regenerative electricity production, a few tens of terawatt hours, which is in particular to compensate for seasonal fluctuations. In addition, even such an expansion would probably not be politically feasible against the expected resistance from residents and environmentalists.
Batteriespeicher sind zwar zum Ausgleich kurzzeitiger Schwankungen ähnlich effizient wie Pumpspeicherkraftwerke, der Ausgleich saisonaler Schwankungen, der eine Stromspeicherung über Zeiträume von einigen Monaten nötig macht, ist jedoch je nach aufgrund der Selbstentladung mit Effizienzverlusten verbunden. Das größte Problem bei der Realisierung großtechnischer Batteriespeicher ist jedoch wirtschaftlicher Natur, denn die Kosten pro Kilowattstunde Speichervolumen sind selbst bei den in Zukunft zu erwartenden durch Skaleneffekte reduzierten Kosten um ca. eine Größenordnung höher als bei Pumpspeichern.Battery storage systems are just as efficient as pumped storage power plants for compensating for short-term fluctuations, but compensating for seasonal fluctuations, which makes it necessary to store electricity over a period of several months, is associated with efficiency losses due to self-discharge. The biggest problem in the implementation of large-scale battery storage systems, however, is of an economic nature, because the costs per kilowatt hour of storage volume are approximately one order of magnitude higher than with pumped storage systems, even with the costs that are expected in the future due to economies of scale.
Chemische Speicher, insbesondere Methanspeicher, bei denen zunächst Strom zur elektrolytischen Erzeugung Wasserstoff verwendet und dieser dann entweder in chemischen oder Bioreaktoren mit CO2 zu Methan reagiert wird, haben keine Speichervolumenprobleme, sind jedoch mit einer Gesamteffizienz von ca. 25% energetisch sehr ineffizient.Chemical storage systems, especially methane storage systems, in which electricity is initially used for electrolytic generation and which is then reacted with CO2 to form methane either in chemical or bioreactors, have no storage volume problems, but are energetically very inefficient with an overall efficiency of approx. 25%.
Eine weitere häufig propagierte Idee, die Batterien von Elektroautos als Pufferspeicher zu nutzen, kann sicher einen Beitrag zum Ausgleich der tagesabhängigen Spitzenlasten liefern, der Ausgleich der saisonalen Schwankungen ist hierdurch jedoch nicht praktikabel, da es darauf hinausliefe, dass die zukünftige E-Autoflotte im Frühjahr, wenn das kombinierte Angebot an Sonnen- und Windstrom am höchsten ist, vollgetankt/-geladen werden müsste, und dann im Wesentlichen bis zum üblichen saisonalen Minimum des Angebots im November/Dezember nicht oder kaum bewegt werden dürften. Darüber hinaus ist die nötige Flottengröße auch unrealistisch: ein Speichervolumen von 10 TWh entspricht 100 Millionen Elektroautos mit jeweils 100kWh Batteriekapazität. Dies kontrastiert stark mit der derzeitigen Zahl aller KFZ in Deutschland von ca. 45 Mio., welche in Zukunft angesichts der demografischen Entwicklung tendenziell eher stagnieren oder gar sinken wird.Another often propagated idea of using the batteries of electric cars as buffer storage can certainly make a contribution to balancing the daily peak loads, but balancing the seasonal fluctuations is not practicable because it would mean that the future electric car fleet would be in spring , when the combined supply of solar and wind power is at its highest, would have to be fully refueled / charged, and then should not or hardly be moved until the usual seasonal minimum of the supply in November / December. In addition, the necessary fleet size is also unrealistic: a storage volume of 10 TWh corresponds to 100 million electric cars, each with 100 kWh battery capacity. This contrasts sharply with the current number of all motor vehicles in Germany of approx. 45 million, which in view of the demographic development will tend to stagnate or even decrease in the future.
Aus diesen Gründen werden zum einen zusätzliche Speicher benötigt und zum anderen muss versucht werden, den Strombedarf, der aus dem Netz angefordert wird, möglichst zu reduzieren. Energetisch optimierten und teilweise oder vollständig selbstversorgerisch arbeitenden Gebäuden kommt hierbei eine wichtige Rolle zu, sind Wohngebäude in Deutschland doch für ca. 25% sowohl des gesamten Primär- als auch des Stromverbrauchs verantwortlich.For these reasons, on the one hand, additional storage is required and, on the other hand, attempts must be made to reduce the electricity demand that is requested from the network as much as possible. Buildings that are energetically optimized and partially or completely self-sufficient play an important role here, as residential buildings in Germany are responsible for around 25% of both the total primary and electricity consumption.
Ein wichtiger Aspekt hierbei ist die Maximierung des Eigenverbrauchs von durch regenerative Energiequellen/-generatoren des Gebäudes erzeugter Energie. Photovoltaikanlagen sind die wohl häufigsten in Gebäuden verbauten elektrischen Energiequellen. Darüber hinaus verfügen einige Gebäuden jedoch auch über eigene Wind- oder Wasserturbinen um Strom zum Eigenbedarf oder zur Netzeinspeisung zu erzeugen. An regenerativen thermischen Energiequellen sind Solarthermieanlagen recht weit verbreitet, doch auch eine Kombination aus Photovoltaik und Wärmepumpe ist effektiv eine regenerative Wärmequelle. Darüber hinaus sind auch wasserführende Holzöfen verbreitet, welche die bei der Verbrennung erzeugte Wärme nicht nur in den Raum abgeben, in dem sie aufgestellt sind, sondern einen Teil der Wärme über einen Heizkreislauf in einen Warmwasserspeicher überführen und zwischenspeichern können und so zur Warmwasseraufbereitung und/oder Heizung anderer Räume beitragen.An important aspect here is maximizing the self-consumption of energy generated by the building's regenerative energy sources / generators. Photovoltaic systems are probably the most common electrical energy sources installed in buildings. In addition, some buildings also have their own wind or water turbines to generate electricity for their own use or to feed into the grid. Solar thermal systems are quite widespread in terms of regenerative thermal energy sources, but a combination of photovoltaics and heat pumps is also effectively a regenerative heat source. In addition, water-bearing wood stoves are also widespread, which not only release the heat generated during combustion into the room in which they are installed, but also transfer part of the heat via a heating circuit to a hot water tank and store it temporarily and thus for hot water preparation and / or Contribute to heating other rooms.
Die heutige Gebäudetechnik kennt in Form von Blockheizkraftwerken und Brennstoffzellenheizungen auch nicht(notwendig)-regenerative, aber kombinierte Quellen von elektrischer und thermischer Energie, welcher zu einer Effizienzsteigerung in der Primärenergienutzung beitragen können. Der Nachteil dieser Anlagen ist das mehr oder minder feste Verhältnis zwischen produzierter elektrischer und thermischer Energie: pro kWh elektrischer Energie werden je nach Anlage notwendig ca. 1-4 kWh thermisch Energie erzeugt. Daher resultiert auch bei diesen Anlagen eine Saisonalität, denn im Sommer, wenn kein Heizbedarf besteht, kann eine solche Kombinationsanlage auch nicht oder nicht effizient zur Deckung des gebäudeeigenen Strombedarfs eingesetzt werden.Today's building technology knows in the form of combined heat and power plants and fuel cell heating systems that are not (necessary) regenerative, but combined sources of electrical and thermal Energy, which can contribute to an increase in efficiency in the use of primary energy. The disadvantage of these systems is the more or less fixed ratio between the electrical and thermal energy produced: depending on the system, approx. 1-4 kWh of thermal energy are generated per kWh of electrical energy. This also results in a seasonality with these systems, because in summer, when there is no heating requirement, such a combination system cannot be used or cannot be used efficiently to cover the building's own electricity needs.
Wasserspeicher als thermische Energiespeicher sind bei Zentralheizungen schon lange etabliert, um ein ineffizientes und belastendes häufiges An- und Ausschalten des Heizbrenners zu vermeiden.Water storage tanks as thermal energy stores have long been established in central heating systems in order to avoid inefficient and stressful frequent switching on and off of the heating burner.
Mit dem Aufkommen von elektrischen Energiequellen in der Gebäudetechnik ist auch ein Bedarf nach Speichern für elektrische Energie, landläufig als Stromspeicher bezeichnet, entstanden. Hierfür werden häufig wiederaufladbare Batterien eingesetzt, da diese vergleichsweise platzsparend und mit wenig Schaltungsaufwand in das Hausnetz integrierbar sind.With the advent of electrical energy sources in building technology, there has also been a need for storage devices for electrical energy, commonly known as electricity storage. For this purpose, rechargeable batteries are often used, since they are comparatively space-saving and can be integrated into the house network with little circuit effort.
Chemische Energiespeicher in Form von Elektrolyseuren mit gekoppeltem Speichertank für Wasserstoff oder Methan sind ebenfalls bekannt. Sie dienen üblicherweise als Stromspeicher, wobei die chemische Energie dann durch eine Brennstoffzelle wieder in elektrische umgewandelt wird. Eine Nutzung als thermischer Speicher, bei dem die gespeicherte chemische Energie durch Verbrennung genutzt wird ist denkbar und als Notfallmaßnahme bei Unterbrechung der Gasversorgung interessant, aber aufgrund der technischen und wirtschaftlichen Ineffizienz im regulären Betrieb nicht zu empfehlen.Chemical energy storage in the form of electrolysers with a coupled storage tank for hydrogen or methane are also known. They usually serve to store electricity, with the chemical energy then being converted back into electrical energy by a fuel cell. Use as thermal storage, in which the stored chemical energy is used through combustion, is conceivable and interesting as an emergency measure in the event of an interruption in the gas supply, but not recommended due to the technical and economic inefficiency in regular operation.
Um diese diversen Energiequellen mit ihrem unterschiedlichen Leistungsparametern und schlecht oder nicht vorhersagbaren zeitlichen Schwankungen in die Energieinfrastruktur eines Gebäudes einzubinden, müssen die Energieflüsse der einzelnen Energiearten, elektrisch, thermisch oder chemisch, zwischen den Energieknoten der Gebäudeinfrastruktur, also von den einzelnen Quellen zu den Verbrauchern und/oder, falls vorhanden, den Energiespeichern, des Gebäudes gesteuert oder geregelt werden.
In den meisten Gebäuden geschieht dies heute durch eine Vielzahl dezentraler, separater Systeme, die jeweils nur eine einzige Quelle bzw. den Energiefluss zwischen nur zwei Knoten überwachen. Es sind jedoch auch integrierte Systeme zur Energieflusssteuerung bekannt.In order to integrate these various energy sources with their different performance parameters and poor or unpredictable temporal fluctuations into the energy infrastructure of a building, the energy flows of the individual types of energy, electrical, thermal or chemical, must be between the energy nodes of the building infrastructure, i.e. from the individual sources to the consumers and / or, if available, the energy storage systems of the building are controlled or regulated.
In most buildings today, this is done using a large number of decentralized, separate systems that only monitor a single source or the flow of energy between only two nodes. However, integrated systems for power flow control are also known.
So beschreibt die Offenlegungsschrift
In der Gebrauchsmusterschrift
In der europäischen Patentschrift
Eine Steuerung oder Regelung des thermischen Energiehaushalts ist hier ebenfalls nicht vorgesehen.In the European
Control or regulation of the thermal energy balance is also not provided here.
Die Offenlegungsschrift
Technische AufgabeTechnical task
Vorliegende Erfindung hat es sich daher die Aufgabe gestellt, die bekannten Systeme zur Steuerung oder Regelung des Energieverbrauchs eines oder einer kleinen Zahl räumlich benachbarter Gebäude zu so weiterzuentwickeln, dass sie in der Lage sind
- - eine Vielzahl unterschiedlicher Energieknoten miteinander zu verbinden,
- - unter effizientem Einsatz aller Energieknoten den Eigenverbrauch des/r Gebäude/s oder eine andere Zielgröße wie die Energiekosten oder den Einspeiseerlös zu optimieren, und
- - hierbei robust ist und wirtschaftlich zu arbeiten.
- - to connect a large number of different energy nodes with one another,
- - to optimize the building's own consumption or another target value such as energy costs or feed-in revenue using efficient use of all energy nodes, and
- - is robust and economical to work.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 - 9, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 - 16.This object is achieved by an arrangement according to one of
Wie dort angegeben, ist das Grundprinzip der Anordnung zur Energiesteuerung wie auch des durch sie umgesetzten Verfahrens dadurch gegeben, dass eine Regelsoftware, welche auf Datenverarbeitungsmitteln einer Regeleinheit ausgeführt wird, mittels Leistungserfassungs- und Verbrauchserfassungsmitteln für jede Energieart eine aktuell erzeugte und eine aktuell verbrauchte Leistung sowie über Speicherstandbestimmungsmittel einen aktuellen Speicherstand aller Energiespeicher. Abhängig von den Ergebnissen und der zu optimierenden Zielgröße wird mittels Aktoren die Energieflüsse von den Quellen zu den Verbrauchern oder Speichern, bzw. von den Speichern zu den Verbrauchern gesteuert bzw. geregelt. Soll als Zielgröße der Eigenverbrauch regenerative lokaler Energiequellen maximiert werden, wird etwaige überschüssige Leistung einer Energieart durch regelbare Verbraucher genutzt, gespeichert oder in eine andere Energieform, etwa von elektrisch zu chemische oder thermisch, umgewandelt. Bei einer Minimierung der Energiekosten wird zu Niedrigtarifzeiten erzeugte Energie bevorzugt gespeichert oder in ein öffentliches Netz einspeisen, als sie direkt zu verbrauchen. Die interne Umsetzung der Entscheidung, wie die Energie zu verwenden ist, wird von der Regelsoftware durch einen Regelalgorithmus verwirklicht, welcher auf jedem Energieknoten zugewiesene, von der zu optimierenden Zielgröße abhängige Prioritäten verwendet.As stated there, the basic principle of the arrangement for energy control as well as the method implemented by it is given by the fact that control software, which is executed on data processing means of a control unit, uses power recording and consumption recording means for each type of energy, a currently generated and a currently consumed power as well A current storage level of all energy stores via storage level determination means. Depending on the results and the target variable to be optimized, the energy flows from the sources to the consumers or stores or from the stores to the consumers are controlled or regulated by means of actuators. If the self-consumption of renewable local energy sources is to be maximized as a target value, any excess power of one type of energy is used by controllable consumers, stored or converted into another form of energy, for example from electrical to chemical or thermal. When energy costs are minimized, energy generated at low tariff times is preferably stored or fed into a public grid rather than being consumed directly. The internal implementation of the decision on how the energy is to be used is implemented by the control software using a control algorithm that uses priorities assigned to each energy node and dependent on the target variable to be optimized.
Für die erfindungsgemäße Anordnung zur Energieverbrauchssteuerung ist wesentlich, dass sie zur integrierten Steuerung bzw. Regelung mindestens zweier Energiearten eingesetzt ist und hierbei vorhandene regenerative Energiequellen derart in die Energieinfrastruktur des Gebäudes bzw. der Gruppe an - benachbarten oder in räumlicher Nähe zueinander befindlichen - Gebäuden einbindet, dass der Eigenverbrauch oder eine andere Zielgröße, wie etwa eine Einspeisevergütung oder die gesamten Energiekosten, optimiert wird. Insbesondere werden durch die Energieverbrauchssteuerung sowohl die elektrische als auch die thermische Infrastruktur geregelt. Darüber hinaus können auch noch weitere Energieformen eingebunden werden, etwa chemische Energie in Form von energiereichen Verbindungen wie H2 oder CH4.It is essential for the arrangement according to the invention for energy consumption control that it is used for the integrated control or regulation of at least two types of energy and that it integrates existing regenerative energy sources into the energy infrastructure of the building or the group of buildings - adjacent or in close proximity to one another - that self-consumption or another target value, such as a feed-in tariff or the total energy costs, is optimized. In particular, the energy consumption control regulates both the electrical and the thermal infrastructure. In addition, other forms of energy can also be incorporated, such as chemical energy in the form of high-energy compounds such as H2 or CH4.
Gemäß einem Aspekt bindet die erfindungsgemäße Anordnung zwei oder mehr regenerative Energiequellen mindestens zweier unterschiedlicher Energiearten ein und steuert die Energieflüsse von diesen Quellen zu den gebäudeinternen Verbrauchern und Speichern um eine vorgegebene Zielgröße zu optimieren. Die regenerative Energiequellen können elektrische Energie erzeugen, wie etwa eine Photovoltaikanlage, eine Wasser- oder eine Windturbine. Oder es sind regenerative Wärmequellen, wie beispielsweise eine Solarthermieanlage, ein wasserführender Holzofen oder mit regenerativem Strom betriebene Wärmepumpen oder Heizstäbe.According to one aspect, the arrangement according to the invention integrates two or more regenerative energy sources of at least two different types of energy and controls the energy flows from these sources to the building-internal consumers and stores in order to optimize a predetermined target value. The regenerative energy sources can generate electrical energy, such as a photovoltaic system, a water or a wind turbine. Or there are regenerative heat sources, such as a solar thermal system, a water-bearing wood stove or heat pumps or heating rods operated with regenerative electricity.
Das Regelverfahren sieht für jede der Energiearten grundsätzlich vor, mittels Leistungserfassungs-. und Verbrauchserfassungsmitteln die aktuell erzeugte und verbrauchte Gesamtleistung zu erfassen, sowie den Speicherzustand gegebenenfalls vorhandener Energiespeicher zu bestimmen und anhand dieser Daten über die vorhandenen Aktoren Handlungen vorzunehmen, welche die gewählte Zielfunktion zu optimieren helfen.The control procedure provides for each of the types of energy, by means of power recording. and consumption recording means to record the currently generated and consumed total power, as well as to determine the storage status of any energy storage devices that may be present and, on the basis of this data, to take actions via the existing actuators that help to optimize the selected target function.
Um eine Maximierung des Eigenverbrauchs einer regenerativen lokalen Stromquelle zu erreichen, würde der erzeugte Strom gemäß in absteigender Priorität steuerbaren Verbrauchern zugeleitet. Dieses Priorisierungssystem wird realisiert, indem jedem Verbraucher ein gewisser Prioritätswert zugewiesen wird. Bestimmte sinnvolle Werte sind vorprogrammiert, können aber durch den Nutzer des Systems über Eingabemittel der Regeleinheit der erfindungsgemäßen Eigenverbrauchssteuerung auch geändert werden.In order to maximize the self-consumption of a regenerative local power source, the generated power would be supplied to consumers that can be controlled in descending priority. This prioritization system is implemented by assigning a certain priority value to each consumer. Certain meaningful values are preprogrammed, but can also be changed by the user of the system via input means of the control unit of the self-consumption control according to the invention.
Standardmäßig die höchste Priorität würde reinen lokalen Verbraucher wie eine Waschmaschine, eine Spülmaschine, ein Elektroherd oder ein anderes in seiner Einsatzzeit flexibles Haushaltsgerät zugewiesen, da der unmittelbare Verbrauch die effizienteste Nutzung bedeutet. Neben dem Prioritätswert könnte ein Nutzer des Systems hierbei vorgeben, welche dieser Verbraucher für ein solche zentral gesteuerte flexible Einsatzweise überhaupt zur Verfügung stehen und für jedes der Geräte Zeiten vorprogrammieren, in denen es laufen kann oder laufen muss oder nicht laufen darf, sowie eine Priorität vorgeben. Gibt der Nutzer keine Priorität vor wird von der Regeleinheit ein Standardwert gesetzt. Sofern diesen Verbraucher die höchste Priorität zugeordnet ist, würde zunächst ein verfügbarer Verbraucher (als „kann laufen“ oder „muss laufen“ gekennzeichnet) aktiviert („kann laufen“) bzw. mit lokal erzeugten Strom betrieben („muss laufen“).By default, the highest priority would be assigned to pure local consumers such as a washing machine, dishwasher, electric stove or other household appliance that is flexible in its usage time, since immediate consumption means the most efficient use. In addition to the priority value, a user of the system could specify which of these consumers are actually available for such a centrally controlled flexible mode of use and pre-program times for each of the devices in which it can run or must run or may not run, as well as a priority . If the user does not specify any priority, the control unit sets a standard value. If this consumer is assigned the highest priority, an available consumer (marked as “can run” or “must run”) would first be activated (“can run”) or operated with locally generated electricity (“must run”).
Lokal erzeugter Strom, welcher nicht durch lokale Verbraucher direkt genutzt werden kann, würde erst an Stromspeicher weitergegeben. Diese funktionieren beim Laden als Verbraucher, beim Entladen aber als Quelle. Etwa könnte der Strom bzw. die elektrische Energie zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie oder zum Betreiben eines Elektrolyseurs verwendet werden. Letzterer erzeugt Wasserstoffgas, welches direkt in einem Drucktank gespeichert oder verflüssigt oder weiter zu Methan umgesetzt werden kann. Methan hat zwar einen niedrigere spezifische Energie im Vergleich zu Wasserstoff, aber den Vorteil, leichter (langzeit-)speicherbar zu sein. Die gespeicherte chemische Energie würde über eine Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie umgewandelt.Locally generated electricity, which cannot be used directly by local consumers, would only be passed on to electricity storage. These function as consumers when charging, but as a source when discharging. For example, the current or the electrical energy could be used to charge a rechargeable battery or to operate an electrolyzer. The latter generates hydrogen gas, which can be stored or liquefied directly in a pressure tank or converted further into methane. Methane has a lower specific energy compared to hydrogen, but the advantage of being easier to store (long-term). The stored chemical energy would be converted back into electrical energy via a fuel cell.
Die Stromspeicher können wiederum untereinander priorisiert werden, etwa eine Batterie eine höhere Priorität haben als ein Wasserstoff- oder Methanspeicher. Letzteres ist die standartmäßige, in dem Regelalgorithmus voreingestellte Priorisierungsreihenfolge, die sich damit begründet, dass Batteriespeicher effizienter sind als Wasserstoff- oder Methanspeicher. Es steht dem Benutzer wiederum frei, diese voreingestellte Reihenfolge zu ändern. Hierbei kann auch beiden die gleicher Priorität zugewiesen werden, in welchem Fall die pro Zeit anfallende elektrischen Energie auf alle Speicher mit der gleichen Priorität aufgeteilt würde und nur über die gemeinsame maximale Aufnahmeleistung hinausgehende Leistung an Speicher mit der nächstniedrigeren Priorität weitergegeben würde.The electricity storage units can in turn be prioritized among each other, e.g. a battery has a higher priority than a hydrogen or methane storage unit. The latter is the standard prioritization sequence preset in the control algorithm, which is based on the fact that battery storage systems are more efficient than hydrogen or methane storage systems. Again, the user is free to change this preset order. The same priority can also be assigned to both, in which case the electrical energy generated per time would be distributed to all storage units with the same priority and only power exceeding the common maximum input power would be passed on to storage units with the next lower priority.
Sofern alle Speicherkapazitäten für elektrische Energie voll ausgeschöpft sind, weist der Regelalgorithmus der erfindungsgemäßen Verbrauchssteuerung eine über den aktuellen Verbrauch hinausgehende erzeugte Leistung Stromverbrauchern mit nächstniedrigerer Priorität zu. Standartmäßig wären dies Wärmepumpen oder Heizstäbe als sogenannte Umwandlungsverbraucher, welche die elektrische Energie in thermische Energie umwandeln und nach einem für die thermische Infrastruktur des Gebäudes in ähnlicher Weise wie für die Elektrische durch den Regelalgorithmus vorgesehenen Priorisierungsschema zunächst unmittelbaren (reinen) thermischen Verbrauchern und/oder thermischen Speichern zugeführt würde.If all storage capacities for electrical energy are fully exhausted, the control algorithm of the consumption control according to the invention assigns a generated power that exceeds the current consumption to electricity consumers with the next lower priority. By default, these would be heat pumps or heating rods as so-called conversion consumers, which convert the electrical energy into thermal energy and initially direct (pure) thermal consumers and / or thermal consumers according to a prioritization scheme provided for the thermal infrastructure of the building in a manner similar to that provided for the electrical system by the control algorithm Save would be fed.
Hierbei werden aufgrund ihrer höheren Effizienz gemäß der voreingestellten Prioritäten Wärmepumpen Heizstäben vorgezogen, sofern eine Heizanforderung besteht, das Gebäude selbst noch als Temperaturspeicher genutzt werden kann und/oder die Wärmepumpe zur Speisung eines Wärmespeichers fähig ist.Due to their higher efficiency, heat pumps heating rods are preferred according to the pre-set priorities if there is a heating requirement, the building itself can still be used as a temperature store and / or the heat pump is capable of feeding a heat store.
Dies führt zu einem weiteren Aspekt vorliegender Energieverbrauchssteuerung, nämlich dass diese auch bei nur einer einzelnen regenerativen Energiequelle in der oben beschriebenen Weise mittels Umwandlungsknoten, also Energieknoten, welche mindestens zwei unterschiedlichen Energiearten zugeordnet sind, eine Kopplung zwischen den verschiedenen Energieinfrastrukturen geschaffen und diese von der Regeleinheit und der durch diese realisierte Regelstrategie so eingebunden wird, dass die gewünschte Zielgrö-ßenoptimierung erfolgt.This leads to a further aspect of the present energy consumption control, namely that it creates a coupling between the various energy infrastructures even with only one single regenerative energy source in the manner described above by means of conversion nodes, i.e. energy nodes that are assigned to at least two different types of energy, and this is created by the control unit and which is integrated through this implemented control strategy in such a way that the desired target variable optimization takes place.
Zwei Beispiele für solche Umwandlungsknoten sind die bereits erwähnten Wärmepumpen und Heizstäbe, welche elektrische in thermischen Energie umwandeln (el->th). Weitere sind Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellenheizungen, beide Wandeln chemische in thermische plus elekrische Energie (ch->th, el) sowie die bereits erwähnten Elektrolyseure bzw. Wasserstoff oder Methanspeicher (el->ch). Das von letzteren erzeugte und gespeicherte Gas kann nämlich nicht nur, wie oben angegeben, über eine Brennstoffzelle wieder verstromt, sondern auch in einem Gasbrenner verbrannt oder in einer Blockheizkraftwerk oder einer Brennstoffzellenheizung zu einer Kombination aus Wärme und Strom umgewandelt werden.Two examples of such conversion nodes are the aforementioned heat pumps and heating rods, which convert electrical energy into thermal energy (el-> th). Others are block-type thermal power stations and fuel cell heating systems, both of which convert chemical into thermal plus electrical energy (ch-> th, el) as well as the aforementioned electrolysers or hydrogen or methane storage (el-> ch). The gas generated and stored by the latter can not only be converted into electricity again via a fuel cell, as stated above, but also burned in a gas burner or converted into a combination of heat and electricity in a block-type thermal power station or a fuel cell heating system.
Durch diese Umwandlungsknoten ist es möglich, überschüssige, nicht direkt verbrauchte Energie einer Energieform mit niedrigerer Entropie, also insbesondere elektrische Energie, aber auch chemische Energie, in eine andere Energieform umzuwandeln, die leichter oder länger speicherbar ist oder für die direkter verbrauchsbedarf besteht.Through these conversion nodes it is possible to use excess energy that is not directly consumed a form of energy with lower entropy, i.e. in particular electrical energy, but also chemical energy, to be converted into another form of energy that can be stored more easily or longer or for which there is a direct need for consumption.
Mit Hilfe vorliegender Erfindung können die Energieflüsse nicht nur eines einzelnen Gebäudes mit einer oder mehreren lokalen Energieerzeugern gesteuert bzw. geregelt werden, sondern auch die mehrerer räumlich nahe beieinander stehender, mit einer gemeinsamen Energieinfrastruktur ausgestatteter, Gebäude.With the help of the present invention, the energy flows of a single building with one or more local energy producers can be controlled or regulated, but also that of several buildings that are spatially close to one another and equipped with a common energy infrastructure.
Die erfindungsgemäße Anordnung überwindet das bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen bestehende Problem, dass die beiden Teilnetze der elektrischen und thermischen Gebäudeinfrastruktur separat nebeneinander bestehen und eine effektive und effiziente Kopplung nicht stattfindet. Durch die Erfindung wird es somit möglich, den Eigenverbrauchsgrad deutlich über den mit den bekannten Systemen erreichbaren Wert zu steigern.The arrangement according to the invention overcomes the problem existing in the systems known from the prior art that the two subnetworks of the electrical and thermal building infrastructure exist separately next to one another and an effective and efficient coupling does not take place. The invention thus makes it possible to increase the degree of self-consumption significantly above the value that can be achieved with the known systems.
WeiterbildungenAdvanced training
Vorteilhafte Weiterbildungen vorliegender Erfindung sollen im Folgenden vorgestellt werden. Sie können einzeln oder in Kombination realisiert werden, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.Advantageous developments of the present invention are to be presented below. They can be implemented individually or in combination as long as they are not mutually exclusive.
In bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung umfasst die Regelungssoftware einen objekt-orientierten Regelalgorithmus, welcher auf eine Datenbank zugreift, in welcher Datenobjekte abgelegt sind, von denen jedes einen der Energieknoten der Energieinfrastruktur des/r Gebäude/s repräsentiert. Die Datenobjekte umfassen hierzu als Objektdaten einmal die Energieart, oder bei Umwandlungsknoten die Energiearten, welchen der Knoten zugeordnet ist, die Funktion des Knotens als (reine) Quelle/Generator, Speicher oder (reiner) Verbraucher in jeder seiner Energiearten und sowie Datenpunkte, die zu Messvorrichtungen und Aktoren korrespondieren, welche die Funktion des Energieknotens bzw. die Energieflüsse vom und zu dem Knoten oder den internen Zustand des Knotens überwachen bzw. steuern. Die Datenobjekte umfassen weiterhin für jeden Energieknoten einen Steueralgorithmus, welcher die Funktionalität des Knotens als Erzeuger, Speicher oder Verbraucher abbildet.In preferred embodiments of the present invention, the control software comprises an object-oriented control algorithm which accesses a database in which data objects are stored, each of which represents one of the energy nodes of the energy infrastructure of the building / s. For this purpose, the data objects include the type of energy as object data, or, in the case of conversion nodes, the types of energy to which the node is assigned, the function of the node as a (pure) source / generator, storage device or (pure) consumer in each of its types of energy and as well as data points that are assigned to Measurement devices and actuators correspond, which monitor or control the function of the energy node or the energy flows from and to the node or the internal state of the node. The data objects also include a control algorithm for each energy node, which maps the functionality of the node as a generator, memory or consumer.
Bei den Messvorrichtung kann es sich um Flussmesser wie Gasfluss-, Strom- oder Wärmezähler, oder um Zustandsmesser zur Überwachung des Ladezustands oder der sicheren Funktion wie Temperaturfühler eines Wärmespeichers oder einer wiederaufladbaren Batterie, Drucksensoren eines Wärme- oder Gasspeichers oder um Landezustandsüberwachungen einer wiederaufladbaren Batterie handeln.
Aktoren der erfindungsgemäßen Energieverbrauchssteuerung sind Schalt oder Regelausgänge, an welche die Energieknoten angeschlossen sind und über welche ein Knoten ein- oder ausschaltbar oder auch graduell regelbar ist.The measuring device can be a flow meter such as a gas flow, electricity or heat meter, or a condition meter for monitoring the state of charge or the safe function such as temperature sensors of a heat storage device or a rechargeable battery, pressure sensors of a heat or gas storage device or landing status monitoring of a rechargeable battery .
Actuators of the energy consumption control according to the invention are switching or control outputs to which the energy nodes are connected and via which a node can be switched on or off or also gradually regulated.
Die Datenbank ist bevorzugt als ein separates Modul insbesondere als eine Tabelle oder mehrere Tabellen, realisiert, die direkt zugänglich und editierbar sind. Hierdurch kann bei Änderungen an der Energieinfrastruktur, also dem Hinzufügen oder Entfernen von Energieknoten, oder dem Herstellen einer neuen Verbindung zwischen zwei schon vorhandenen Knoten, durch Einpflegen oder Löschen von Datenobjekten oder der Ergänzung der für ein Objekt verzeichneten Datenpunkte oder des Steueralgorithmus, vergleichsweise einfach und schnell die Regelungssoftware angepasst werden, insbesondere durch den Benutzer selbst. Dieser kann durch das Datenbanksystem in Form von Elementerweiterungen der einzelnen Tabellen schnell neue Funktionalität erstellen. Um dies besonders komfortabel und einfach zu machen, werden dem Nutzer bevorzugt werden die Datenpunkte, also Messvorrichtungen und Aktoren, für die Geräte/Energieknoten verschiedener Gerätehersteller über einen Gateway zur Verfügung gestellt, wo er diese herunterladen und in seine Datenbank integrieren kann.The database is preferably implemented as a separate module, in particular as a table or several tables, which are directly accessible and editable. In this way, changes to the energy infrastructure, i.e. the addition or removal of energy nodes, or the creation of a new connection between two existing nodes, by adding or deleting data objects or adding the data points recorded for an object or the control algorithm, can be comparatively simple and the control software can be adapted quickly, in particular by the user himself. This can quickly create new functionality through the database system in the form of element extensions of the individual tables. In order to make this particularly convenient and easy, the data points, i.e. measuring devices and actuators, for the devices / energy nodes of various device manufacturers are made available to the user via a gateway, where they can be downloaded and integrated into his database.
Weiterhin bevorzugt werden in der Datenbank alle Datenpunkte, also Messvorrichtungen oder Aktoren, in Gruppen zusammengefasst, wobei eine Gruppe alle Datenpunkte umfasst, welche einem bestimmten Energieknoten oder einer funktional verbundenen Gruppe von Energieknoten zugeordnet sind.Furthermore, all data points, that is to say measuring devices or actuators, are preferably summarized in groups in the database, a group comprising all data points which are assigned to a specific energy node or a functionally connected group of energy nodes.
Die Datenpunkte werden in der Praxis über ein bestimmtes Bussystem angesprochen, welches durch die Ausgestaltung des zu steuernden Energieknotens vorgegeben ist. Die Regeleinheit der erfindungsgemäßen Energieflussregelung ist daher bevorzugt so ausgestaltet, dass alle gängigen Bussysteme unterstützt werden. Hierunter fallen insbesondere KNX, MODBUS, RTU/TCP, EnOcean. Das verwendete Bussystem eines Datenpunkts ist bevorzugt ebenfalls in dem den Energieknoten repräsentierenden Datenobjekt hinterlegt und kann dort für jeden Datenpunkt individuell konfiguriert werden.In practice, the data points are addressed via a specific bus system, which is specified by the design of the energy node to be controlled. The control unit of the energy flow control according to the invention is therefore preferably designed such that all common bus systems are supported. This includes in particular KNX, MODBUS, RTU / TCP, EnOcean. The bus system used for a data point is preferably also stored in the data object representing the energy node and can be configured there individually for each data point.
Die Objektdaten der Datenobjekte umfassen weiterhin bevorzugt auch einen Prioritätswert, der vom Regelalgorithmus für die bevorzugte Berücksichtigung bei der Abnahme (Energieerzeuger oder - speicher) oder Zuteilung (Verbraucher, Speicher) berücksichtigt wird.The object data of the data objects furthermore preferably also include a priority value which is taken into account by the control algorithm for the preferred consideration in the acceptance (energy producer or storage) or allocation (consumer, storage).
Zusätzlich zu den Objektdaten der Datenobjekte berücksichtigt die Regelungssoftware bevorzugt auch Betriebsmodi bei der Steuerung bzw. Regelung der Energieflüsse. Die Betriebsmodi sind von Benutzer manuell aktivierbar oder auch gemäß eines Zeitplans voreinstellbar. Die unterschiedliche Regelstrategie in den einzelnen Betriebsmodi kann bevorzugt ganz oder teilweise durch Anpassung der den einzelnen Energieknoten zugeordneten Prioritätswerten realisiert werden.In addition to the object data of the data objects, the control software preferably also takes operating modes into account when controlling or regulating the energy flows. The operating modes can be activated manually by the user or can also be preset according to a schedule. The different control strategy in the individual operating modes can preferably be implemented in whole or in part by adapting the priority values assigned to the individual energy nodes.
Die Regelungssoftware der erfindungsgemäßen Energieverbrauchssteuerung basiert bevorzugt auf Linux d.h. verwendet einen Teil oder alle der Module der Open-Source Software Linux.The control software of the energy consumption control according to the invention is preferably based on Linux, i.e. uses some or all of the modules of the open source software Linux.
Die mindestens zwei Energiearten, die von der Energieverbrauchssteuerung vorliegender Erfindung gemanagt werden, umfassen bevorzugt elektrische und thermische Energie. Das heißt es sind thermische und elektrische Energieknoten vorhanden.The at least two types of energy that are managed by the energy consumption controller of the present invention preferably include electrical and thermal energy. That means there are thermal and electrical energy nodes.
An thermischen Energieknoten der Gebäudeenergieinfrastruktur sind eine oder mehrere Wärmequellen vorhanden in Form einer nicht-regenerativen Wärmequelle wie einem Spitzenlastbrenner für Gas- oder Öl, einem Kombinationserzeuger wie einem Blockheizkraftwerks (
An elektrischen Energieknoten sind ein oder mehrere Erzeuger/Generatoren in Form von regenerativen Erzeugern wie einer Photovoltaikanlage, einer Wasserturbine oder einer Windturbine und/oder Kombierzeuger wie einem Blockheizkraftwerk oder einer Brennstoffzellenheizung und/oder einem nicht-regenerativen Erzeuger wie einem Dieselgenerator vorhanden. Weiterhin sind ein oder mehrere elektrische Verbraucher in Form von einem oder mehreren Haushaltsgeräten, einer Beleuchtung und/oder Datenverarbeitungs- oder Kommunikationsgeräten vorhanden. Darüber hinaus können bevorzugt ein oder mehrere Stromspeicher wie eine wiederaufladbare Batterie, einen Wasserstoff- oder Methanspeicher, und/oder einen Druckluftspeicher vorhanden sein.At electrical energy nodes there are one or more generators / generators in the form of regenerative generators such as a photovoltaic system, a water turbine or a wind turbine and / or combined generators such as a block-type thermal power station or a fuel cell heater and / or a non-regenerative generator such as a diesel generator. Furthermore, there are one or more electrical loads in the form of one or more household appliances, lighting and / or data processing or communication devices. In addition, one or more electricity storage devices such as a rechargeable battery, a hydrogen or methane storage device, and / or a compressed air storage device can preferably be present.
Der Anschluss an das öffentliche Stromnetz kann ebenfalls Teil der Energieinfrastruktur sein und durch ein Datenobjekt repräsentiert werden. Der Netzanschluss wäre von der Funktionalität her ein Speicher, denn er kann sowohl als Stromquelle als auch als Stromverbraucher (Netzeinspeisung) fungieren. Die Priorität der Funktionalität „Verbraucher“ kann zur Maximierung einer Einspeisevergütung oder Minimierung der Stromkosten auf einen hohen Wert gesetzt werden. Die Priorität als Stromquelle wird generell auf einen niedrigeren Wert gesetzt als die aller anderen vorhandenen (lokalen) Stromerzeuger, und zwar unabhängig davon, ob als Ziehlgröße der Eigenverbrauch maximiert oder die Energiekosten minimiert werden sollen.The connection to the public power grid can also be part of the energy infrastructure and be represented by a data object. In terms of functionality, the grid connection would be a storage device, because it can function both as a power source and as a power consumer (grid feed-in). The priority of the “consumer” functionality can be set to a high value to maximize feed-in tariffs or minimize electricity costs. The priority as a power source is generally set to a lower value than that of all other existing (local) power generators, regardless of whether the target value is to maximize self-consumption or minimize energy costs.
In manchen Ausführungsformen der Erfindung ist auch die Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeugs (
Besonders bevorzugt sind ein Teil oder alle der thermischen und/oder elektrischen Verbraucher (fern)steuerbar, so dass sie in die Energieverbrauchsstrategie der hier vorgeschlagenen Verbrauchssteuerung miteinbezogen werden können.Particularly preferably, some or all of the thermal and / or electrical loads can be (remotely) controlled so that they can be included in the energy consumption strategy of the consumption control proposed here.
Die Regeleinheit ist in bevorzugten Ausführungsformen in einem Gehäuse untergebracht. Eine kompakte Bauform, die sich im Allgemeinen gut in die vorhandene Infrastruktur einfügt, wird durch ein quaderförmiges Gehäuse, bevorzugt mit einer quadratischen Grundfläche realisiert. Die Seitenlänge des Quadrates liegt bevorzugt zwischen 300 und 1000 mm, besonders bevorzugt zwischen 500 und 700 mm. Die Höhe des Gehäuses beträgt bevorzugt zwischen 500 und 2500 mm, besonders bevorzugt zwischen 1200 und 2000 mm, noch mehr bevorzugt zwischen 1500 und 1700 mm.In preferred embodiments, the control unit is accommodated in a housing. A compact design, which generally blends in well with the existing infrastructure, is implemented using a cuboid housing, preferably with a square base. The side length of the square is preferably between 300 and 1000 mm, particularly preferably between 500 and 700 mm. The height of the housing is preferably between 500 and 2500 mm, particularly preferably between 1200 and 2000 mm, even more preferably between 1500 and 1700 mm.
An einer Außenseite des Gehäuses sind Datenschnittstellen der Regeleinheit nach außen geführt, welche als Dateneingange für die Messdaten der angeschlossenen Messvorrichtungen (z.B. Strom oder Wärmezähler, Temperatur- oder Drucksensoren, Ladestands-überwachungen) und Datenausgänge für Steuerdaten an die Aktoren (fernbediente Schalter/Regler der Energieknoten oder Energieverteiler) dienen. Bevorzugt sind digitale Datenschnittstellen für sowohl Mess- als auch Steuerdaten und analoge Schnittstellen zumindest als Messdaten bzw. -signaleingänge vorhanden.On the outside of the housing, data interfaces of the control unit are led to the outside, which are used as data inputs for the measurement data of the connected measurement devices (e.g. Electricity or heat meters, temperature or pressure sensors, charge level monitoring) and data outputs for control data to the actuators (remote switches / controllers of the energy nodes or energy distributors) are used. Digital data interfaces for both measurement and control data and analog interfaces are preferably provided at least as measurement data or signal inputs.
Darüber hinaus sind ebenfalls bevorzugt Anschlüsse für Gleich- und/oder Wechselstrom, insbesondere besonders bevorzugt Schnittstellen für 48V Gleichstrom und/oder einphasigen 220-240V Wechselstrom oder dreiphasigen 380 V Drehstrom vorhanden. Besonders bevorzugt sind ein Teil oder Alle der Anschlüsse sowohl zur Energieabgabe als auch zur Energieaufnahme fähig, können also als Eingang wie als Ausgang dienen.In addition, connections for direct and / or alternating current are also preferably present, particularly particularly preferably interfaces for 48V direct current and / or single-phase 220-240V alternating current or three-phase 380 V three-phase current. Particularly preferably, some or all of the connections are capable of both emitting and absorbing energy, that is to say they can serve as an input as well as an output.
In Ausführungsformen ist insbesondere mindestens ein variabler Anschluss vorgesehen, der sowohl Gleich- als auch Wechselstrom abgeben kann und dessen Betriebsmodus durch die Regeleinheit abhängig von der Konfiguration des angeschlossenen Energieknotens eingestellt wird. Hierzu ist dem variablen Anschluss bevorzugt eine Datenschnittstelle zugeordnet, über welche die Regeleinheit die korrekte Einstellung bei dem angeschlossenen Gerät abfragen und das das Gerät repräsentierende Datenobjekt entsprechend anpassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Konfiguration des Datenobjekts auch vom Benutzer vorgenommen werden.In specific embodiments, at least one variable connection is provided which can output both direct and alternating current and whose operating mode is set by the control unit as a function of the configuration of the connected energy node. For this purpose, a data interface is preferably assigned to the variable connection, via which the control unit can query the correct setting in the connected device and adapt the data object representing the device accordingly. Alternatively or additionally, the data object can also be configured by the user.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Regeleinheit umfassen einen oder mehrere Elektroladestationen.Embodiments of the control unit according to the invention comprise one or more electric charging stations.
Die Regeleinheit umfasst in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen oder mehrere interne Energieknoten. Sofern die Regeleinheit in einem Gehäuse untergebracht ist, sind diese internen Knoten bevorzugt in dem gleichen Gehäuse beherbergt. Die internen Energieknoten können eine oder mehrere wiederaufladbare Batterien jeweils mit einem zugeordneten Batteriemanagementsystem, einen oder mehrere Stromverteiler für Gleich- oder Wechselstrom, und/oder einen oder mehrere Gleich- und/oder Wechselrichter umfassen.In some embodiments of the invention, the control unit comprises one or more internal energy nodes. If the control unit is housed in a housing, these internal nodes are preferably housed in the same housing. The internal energy nodes can comprise one or more rechargeable batteries each with an assigned battery management system, one or more power distributors for direct or alternating current, and / or one or more rectifiers and / or inverters.
Insbesondere ist bevorzugt sind zwei Wechselrichter integriert, mittels derer regenerativ, etwa über eine Photovoltaikanlage, erzeugter Gleichstrom und gleichzeitig auch einem Stromspeicher entnommener Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden können. Die Wechselrichter geben bevorzugt für 3-phasigen Drehstrom aus und sind auf eine Leistung von mindestens 1 kW, bevorzugt mindestens 5 kW, noch mehr bevorzugt zwischen 5 bis 20 kW ausgelegt.In particular, two inverters are integrated, by means of which direct current generated regeneratively, for example via a photovoltaic system, and, at the same time, direct current taken from a power storage device can be converted into alternating current. The inverters preferably output three-phase alternating current and are designed for an output of at least 1 kW, preferably at least 5 kW, even more preferably between 5 to 20 kW.
Ebenfalls bevorzugt ist eine interne wiederaufladbare Batterie im Gehäuse untergebracht. Diese kann eine Blei-Säure, Silber-Zink oder eine Lithium-Ionen Batterie sein, ist aber besonders bevorzugt eine Bleikristallbatterie. Letztere zeichnet sich aus durch eine hohe Zyklenfestigkeit von mindestens 3600 Zyklen, eine lange Lebensdauer auch bei höheren Umgebungstemperaturen, ein breites Betriebstemperaturfenster von -40 bis +65 Grad Celsius, eine umweltschonende Entsorgung und keiner Notwendigkeit einer Entlüftung aufgrund der Abwesenheit von Gasbildung und Brand- oder Explosionsgefahr. Die interne Batterie hat bevorzugt eine Kapazität von mehr als 1 kWh, noch mehr bevorzugt von mehr als 5 kWh, und besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 kWh.An internal rechargeable battery is also preferably accommodated in the housing. This can be a lead-acid, silver-zinc or a lithium-ion battery, but is particularly preferably a lead-crystal battery. The latter is characterized by a high cycle stability of at least 3600 cycles, a long service life even at higher ambient temperatures, a wide operating temperature window from -40 to +65 degrees Celsius, environmentally friendly disposal and no need for ventilation due to the absence of gas formation and fire or Risk of explosion. The internal battery preferably has a capacity of more than 1 kWh, even more preferably of more than 5 kWh, and particularly preferably between 5 and 10 kWh.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die erfindungsmäßige Anordnung auch zur Bereitstellung einer Notstromversorgung für alle oder einen Teil der angeschlossenen Verbraucher mittels der in einem internen und/oder gegebenenfalls weiteren angeschlossenen externen Stromspeichern gespeicherten elektrischen Energie befähigt. Wenn ein Ausfall des Netzstroms registriert wird, wird der Netzanschluss gesperrt und die vorhandene elektrische Last durch die vorhandenen Stromspeicher übernommen. Damit dies möglichst verzögerungsfrei von statten geht, ist ein schnell schaltbarer Stromspeicher nötig. Hierfür bietet sich ein interner Batteriespeicher oder eine Kombination aus (internem) Hochleistungskondensator und internem und/oder externem Batteriespeicher an. Ein Wasserstoff- oder Methanspeicher, bei denen Rückgewinnung der elektrischen Energie über eine Brennstoffzelle vonstattengeht, ist aufgrund der trägen Startzeiten für diesen Einsatzzweck schlecht geeignet.In embodiments of the invention, the arrangement according to the invention is also capable of providing an emergency power supply for all or some of the connected consumers by means of the electrical energy stored in an internal and / or possibly further connected external power storage device. If a failure of the grid power is registered, the grid connection is blocked and the existing electrical load is taken over by the existing power storage. In order for this to happen as quickly as possible, a quickly switchable power storage device is necessary. An internal battery storage or a combination of (internal) high-performance capacitor and internal and / or external battery storage is ideal for this. A hydrogen or methane storage system, in which the electrical energy is recovered via a fuel cell, is poorly suited for this purpose due to the slow start times.
Bei den Ausführungsformen, bei denen wichtige Komponenten der Anordnung wie Regeleinheit, Batteriespeicher, Wechselrichter wie beschrieben in einem Gehäuse mit entsprechenden (Daten)Schnittstellen und Leistungsanschlüssen untergebracht sind, kann ein Teil der Leistungsanschlüsse als priorisierte Anschlüsse klassifiziert sein und eine Notstromversorgung auf diese Anschlüsse begrenzt sein. Wichtige Verbraucher, die im Falle eines Netzstromausfalls weiterlaufen sollen, wie etwa Datenverarbeitungsgeräte wie PCs oder Server würden dann an diese Anschlüsse angeschlossen. Weniger wichtige Verbraucher, die im Falle des Netzstromverlustes nicht unbedingt weiterlaufen müssten, könnten an die nicht priorisierten Anschlüsse angeschlossen werden.In the embodiments in which important components of the arrangement such as control unit, battery storage, inverter are accommodated as described in a housing with corresponding (data) interfaces and power connections, some of the power connections can be classified as prioritized connections and an emergency power supply can be limited to these connections . Important consumers that should continue to run in the event of a power failure, such as data processing devices such as PCs or servers, would then be connected to these connections. Less important consumers, which do not necessarily have to continue running in the event of a mains power loss, could be connected to the non-prioritized connections.
Bevorzugt lässt sich der Status eines Anschlusses als priorisiert/nicht priorisiert über die Konfiguration der Regelungssoftware einstellen und so jederzeit ändern. Besonders bevorzugt könnte der Status auch durch die Regeleinheit selbsttätig oder auf Anfrage des Verbrauchers dynamisch angepasst werden. So könnte etwa gerade aktiven Verbrauchern wie einem im Druckvorgang befindlichen Drucker, einer laufenden Waschmaschine und/oder einem laufenden Trockner priorisiert werden, bis diese ihre Aufgabe zuende gebracht oder einen stabilen Zwischenzustand erreicht haben, bevor sie zur Schonung der Speicherreserven von der Regeleinheit deaktiviert werden, indem ihr Anschluss der Prioritätsstatus entzogen wird.The status of a connection can preferably be set as prioritized / not prioritized via the configuration of the control software and thus changed at any time. Particularly preferably, the status could also be activated automatically or by the control unit dynamically adapted at the request of the consumer. For example, currently active consumers such as a printer in the printing process, a running washing machine and / or a running dryer could be prioritized until they have completed their task or reached a stable intermediate state before they are deactivated by the control unit to save memory reserves. by removing the priority status from their connection.
Besonders bevorzugt umfasst die Regeleinheit, insbesondere intern in einem Gehäuse, Sicherungsmittel zur Absicherung aller Leistungsleitungen, also derjenigen Leitungen, über die elektrische Energie mit einer Leistung von mehr als nur einigen Watt übertragen wird, ausgestattet.The control unit particularly preferably comprises, in particular internally in a housing, safety means for protecting all power lines, that is to say those lines via which electrical energy with a power of more than just a few watts is transmitted.
Als Bussysteme werden durch die Regeleinheit bevorzugt Modbus TCP/RTU, KNX,
Drahtlose Datenschnittstellen in Form einer
Hierüber, aber auch über in manchen Ausführungen ebenfalls vorhandene LAN Schnittstellen, ist eine Konfiguration der Regeleinheit über eine externes Datenverarbeitungsgerät wie einen PC, einen Laptop, ein Tablet oder ein Smartphone möglich. Alternativ oder zusätzlich hat die Regeleinheit auch Anzeige und/oder Eingabemittel, etwa ein berührungsempfindliches Display oder ein Display und eine Tastatur, über welche der Benutzer unmittelbar an der Regeleinheit Konfigurationseinstellungen ändern kann.Via this, but also via LAN interfaces that are also available in some versions, the control unit can be configured via an external data processing device such as a PC, laptop, tablet or smartphone. Alternatively or additionally, the control unit also has a display and / or input means, for example a touch-sensitive display or a display and a keyboard, via which the user can change configuration settings directly on the control unit.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Energieflusssteuerung sieht bevorzugt eine von der Regelsoftware umgesetzte Regelstrategie vor, um eine vorgegebene Zielgröße zu optimieren. Besonders bevorzugt kann die zu optimierende Zielgröße vom Benutzer gewählt und bei der Konfiguration der Regelungssoftware eingestellt werden.The method according to the invention for energy flow control preferably provides a control strategy implemented by the control software in order to optimize a predetermined target variable. The target variable to be optimized can particularly preferably be selected by the user and set when configuring the control software.
Diese Zielgröße können die Gesamt-Bruttoenergiekosten sein. Dann würde die lokal erzeugte Energie so eingesetzt, dass möglichst wenig Energie zugekauft werden müsste. Zu einer Zeit niedriger Energiekosten durch die gebäudeeigenen bzw. lokalen Energieerzeuger produzierte Energie würde tendenziell bevorzugt gespeichert statt verbraucht und der aktuelle Energiebedarf aus öffentlichen Quellen gedeckt, sofern und soweit eine Schätzung des Gesamtverbrauchs für einen Berechnungszeitraum durch die Regelsoftware ergibt, dass die lokal erzeugte Energie nicht zur Bedarfsdeckung ausreicht. Zu Zeiten hoher Energiekosten würde der Bedarf dann soweit möglich durch lokal erzeugte Energie, ob aktuell erzeugt oder zuvor gespeichert, gedeckt.This target variable can be the total gross energy costs. The locally generated energy would then be used in such a way that as little energy as possible would have to be purchased. Energy produced by the building's own or local energy producers at a time of low energy costs would tend to be stored rather than consumed, and the current energy demand would be met from public sources if and to the extent that an estimate of the total consumption for a calculation period by the control software shows that the locally generated energy is not sufficient to meet demand. In times of high energy costs, the demand would then be covered as far as possible by locally generated energy, whether currently generated or previously stored.
Die Zielgröße kann aber auch die Gesamt-Nettoenergiekosten sein. Hierbei ginge die Regelsoftware ähnlich wie bei der Minimierung der Bruttoenergiekosten vor, jedoch mit dem Unterschied, dass eine Einspeisevergütung mit berücksichtigt wird. Es findet in diesem Fall durch die Regelungssoftware also eine Opportunitätskostenrechnung statt bei der die erzielbaren Kosteneinsparung durch Bedarfsdeckung mit lokaler Energie zu Hochtarifzeiten gegen den erzielbaren Gewinn bei Einspeisung anstelle von Speicherung abgewogen wird.The target variable can also be the total net energy costs. The control software would proceed in a similar way to minimizing the gross energy costs, but with the difference that a feed-in tariff is also taken into account. In this case, the control software does an opportunity cost calculation in which the achievable cost savings through meeting the demand with local energy at high tariff times are weighed against the achievable profit with feed-in instead of storage.
In bevorzugten Ausführungen ist die Zielgröße, welche durch die Regelungssoftware im Rahmen der durchgeführten Regelstrategie optimiert werden soll, der Eigenverbrauchsgrad der lokal regenerativ erzeugten Energie. Dieser kann maximiert werden, indem die erzeugte Energie möglichst direkt verbraucht oder, soweit dies nicht möglich ist, für späteren Verbrauch gespeichert wird. Elektrische Energie kann in thermische Energie umgewandelt und in dieser Form verbraucht oder gespeichert werden. Eine Einspeisung in das öffentliche Netz, heute nur für Strom bekannt, aber auch für die anderen Energieformen thermische und chemische Energie denkbar, findet erfindungsgemäß nur dann statt, wenn auch nach Einbindung aller direkten Verbrauchs- und Speicherkapazitäten aller Energiearten noch überschüssige Energie zur Verfügung steht.In preferred embodiments, the target variable that is to be optimized by the control software within the framework of the control strategy carried out is the degree of self-consumption of the locally regeneratively generated energy. This can be maximized by using the generated energy as directly as possible or, if this is not possible, storing it for later consumption. Electrical energy can be converted into thermal energy and consumed or stored in this form. Feeding into the public network, currently only known for electricity, but also conceivable for the other forms of energy thermal and chemical energy, only takes place according to the invention if excess energy is still available after integrating all direct consumption and storage capacities of all types of energy.
Die Optimierung des Eigenverbrauchs eine regenerative thermische Energiequelle wie eine Solarthermieanlage, ein wasserführender Holzofen oder eine mit regenerativem Strom betriebene Wärmepumpe und/oder Heizstäbe erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt unter Berücksichtigung von zumindest den vier Betriebsmodi „anwesend“, „abwesend“, „Urlaub“ und „gerade zurück“.The optimization of the self-consumption of a regenerative thermal energy source such as a solar thermal system, a water-bearing wood stove or a heat pump and / or heating elements operated with regenerative electricity is preferably carried out according to the invention, taking into account at least the four operating modes "present", "absent", "vacation" and "currently" back".
Im Modus „anwesend“ wird, sofern die Messung der aktuellen Wärmeproduktion einen Überschuss über dem aktuellen Verbrauch anzeigt, durch die Regeleinheit die Steigerung des aktuellen Verbrauchs priorisiert. Hierzu werden bevorzugt eine Heizkreispumpe eingeschaltet oder die Pumpleistung gesteigert und über Ferngesteuerte Temperaturregler die Zieltemperatur von Heizkörpern des Gebäudes erhöht. Diese dient dazu, das Gebäude als Wärmereservoir zu nutzen. Um eine Erhöhung der Raumtemperatur im Gebäude auf unangenehme Werte zu verhindern, kann die von der Regeleinheit vorgenommene Zieltemperaturerhöhung auf bestimmte absolute Werte, etwa einen Wert zwischen 20 und 30 Grad Celsius, insbesondere 24 Grad Celsius, oder relative Werte, etwa zwischen +2 bis +10, insbesondere +3 Grad über dem am Thermostat lokal eingestellten Wert begrenzt werden.In the "present" mode, if the measurement of the current heat production shows an excess over the current consumption, the control unit prioritizes the increase in the current consumption. For this purpose, a heating circuit pump is preferably switched on or the pump output is increased and the target temperature of the heating elements in the building is increased via remote-controlled temperature regulators. This serves to use the building as a heat reservoir. In order to prevent the room temperature in the building from increasing to unpleasant values, the target temperature increase made by the control unit can be set to certain absolute values, for example a value between 20 and 30 degrees Celsius, in particular 24 degrees Celsius, or relative values, for example between +2 to + 10, in particular +3 degrees above the value set locally on the thermostat.
Gleichzeitig oder bevorzugt kann auch die Speicherkapazität eines Wärmespeichers, wie eines Warmwasserspeichers der Heizungsanlage oder eines Latentwärmespeichers genutzt werden, um die überschüssige Wärmeenergie für zukünftigen Verbrauch zu speichern. Latentwärmespeicher haben hierbei den Vorteil einer geringeren Wärmeverlustrate, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Speicherinneren und der Umgebung geringer ist.At the same time or preferably, the storage capacity of a heat store, such as a hot water store in the heating system or a latent heat store, can also be used to store the excess heat energy for future consumption. Latent heat storage units have the advantage of a lower rate of heat loss, since the temperature difference between the interior of the storage unit and the environment is lower.
Eine Wärmeproduktion durch nicht-regenerative Wärmequellen wie Gas- oder Ölbrenner wird bei einem Überschuss gesperrt.
Aber auch bei einem Defizit wird durch die Regeleinheit die nicht-regenerative Wärmeproduktion auf die Differenz zwischen Wärmebedarf aller Verbraucher (Gebäudeheizung, Warmwasser, Schwimmbad etc.) und der regenerativ erzeugten Wärmeleistung begrenzt.Heat production by non-regenerative heat sources such as gas or oil burners is blocked in the event of an excess.
But even if there is a deficit, the control unit limits the non-regenerative heat production to the difference between the heat demand of all consumers (building heating, hot water, swimming pool, etc.) and the regeneratively generated heat output.
Im Betriebsmodus „abwesend“ wird die Zieltemperatur der Gebäudeheizung für alle nicht-regenerativen Quellen abgesenkt, um diese nur selten, bzw. sofern ausreichend regenerativ erzeugte Wärme zur Verfügung steht, überhaupt nicht zuzuschalten. Die Warmwassererzeugung und Schwimmbadbeheizung erfolgt in diesem Modus ausschließlich über regenerativ erzeugte Wärme. D.h. wenn keine solche vorhanden ist, wird auch kein Warmwasser bereitgestellt oder keine Schwimmbadheizung betrieben.In the "absent" operating mode, the target temperature of the building heating is reduced for all non-regenerative sources so that these are only rarely switched on or not at all if sufficient regeneratively generated heat is available. In this mode, hot water and swimming pool heating are exclusively generated using regenerative heat. I.e. if there is none, no hot water is provided or no swimming pool heating is operated.
Im Betriebsmodus „Urlaub“ wird die Zieltemperatur der Gebäudeheizung für alle nicht-regenerativen Wärmeerzeuger auf ein minimales „Frostschutz“-Niveau gesenkt. Dies bedeutet, dass diese Quellen gerade genug laufen, um ein Einfrieren der Leitungen bei niedrigen Temperaturen zu verhindern. Die Warmwassererzeugung wird auch in diesem Modus mit überschüssiger regenerativer Wärme betrieben.In the "Vacation" operating mode, the target temperature of the building heating for all non-regenerative heat generators is reduced to a minimum "frost protection" level. This means that these sources are running just enough to prevent the pipes from freezing at low temperatures. The hot water generation is also operated in this mode with excess regenerative heat.
Im vierten Betriebsmodus „gerade zurück“ wird eine normale Heizungs- und Warmwassersituation unter Einsatz auch nicht-regenerativer Wärmeerzeuger möglichst schnell wiederhergestellt.In the fourth operating mode “just back”, a normal heating and hot water situation is restored as quickly as possible using non-regenerative heat generators.
Die Eigenverbrauchsmaximierung der durch eine Photovoltaikanlage erzeugte elektrische Energie geschieht gemäß des Verfahrens der Erfindung bevorzugt, indem der Tag in drei Teilbereiche zwischen drei Uhrzeiten, einer ersten, einer späteren zweiten und einer noch späteren dritten Uhrzeit, eingeteilt wird, wobei der Zeitraum zwischen der dritten und der ersten Uhrzeit (des nächsten Tages) einer Nachtzeit entspricht, während welcher keine Energieproduktion der Photovoltaikanlage zu erwarten ist.
Während dieser Nachtzeit wird ein Stromspeicher, etwa eine wiederaufladbare Batterie, mit zu maximal einer vorgegebenen Abgabeleistung, welche kleiner oder gleich einer maximalen Abgabeleistung des Stromspeichers ist, zur Deckung des im Gebäude anfallenden elektrischen Verbrauchs herangezogen und dabei nach und nach entladen, bis entweder eine gewisse untere Entladeschwelle oder die erste Uhrzeit und damit das Ende der Nachtzeit erreicht ist. Bei Eintritt eines dieser Kriterien, wird die Entladung gestoppt und sobald wieder Photovoltaikstrom verfügbar ist, die Wiederaufladung gestartet. Diese wird erfindungsgemäß fortgesetzt, bis zum ersten Mal eine erste Ladeschwelle erreicht ist. Anschließend erfolgt bis zum Erreichen der zweiten Uhrzeit am Ende des ersten Tagabschnitts ein alternierendes Entladen bis zu einer weiteren Entladeschwelle, welche in der Regel höher gewählt ist, als die nächtliche Entladeschwelle, und darauffolgendes Wiederaufladen bis zu einer zweiten Ladeschwelle, welche üblicherweise gleich oder niedriger gewählt ist, als die erste. Durch dieses Vorgehen zeigt der Ladestand des Stromspeichers während des zweiten Tagabschnitts einen sägezahnförmigen zeitlichen Verlauf. Mit Erreichen der zweiten Uhrzeit wird jedes Entladen des Speichers gestoppt und der Photovoltaikstrom ausschließlich zum Laden eingesetzt, so dass der Stromspeicher idealerweise genau zu der dritten Uhrzeit seine obere Ladeschwelle erreicht.The self-consumption of the electrical energy generated by a photovoltaic system is preferably done according to the method of the invention by dividing the day into three sub-areas between three times, a first, a later second and an even later third time, the period between the third and the first time (of the next day) corresponds to a nighttime during which no energy production from the photovoltaic system is to be expected.
During this night time, a power storage device, such as a rechargeable battery, is used to cover the electrical consumption in the building, with a maximum output power that is less than or equal to a maximum output power of the power storage device and is gradually discharged until either a certain amount lower discharge threshold or the first time and thus the end of the night time has been reached. If one of these criteria occurs, the discharge is stopped and as soon as photovoltaic power is available again, the recharging is started. According to the invention, this is continued until a first charging threshold is reached for the first time. Then, until the second time is reached at the end of the first part of the day, alternating discharging up to a further discharge threshold, which is usually selected higher than the nightly discharging threshold, and subsequent recharging up to a second charging threshold, which is usually selected to be the same or lower is than the first. As a result of this procedure, the charge level of the power storage unit shows a sawtooth-shaped time curve during the second part of the day. When the second time is reached, any discharging of the storage unit is stopped and the photovoltaic current is used exclusively for charging, so that the electricity storage unit ideally reaches its upper charging threshold precisely at the third time.
Die Uhrzeiten werden bevorzugt von der Regelsoftware abhängig vom geographischen Standort des Gebäudes an die jahreszeitliche Tageslängenänderung angepasst. Darüber hinaus kann besonders bevorzugt auch eine Anpassung anhand von aktuellen Wettervorhersagen erfolgen. Wird etwa der Durchzug von Bewölkung gegen ende eines Tages vorhergesagt, kann die Regelsoftware die zweite Tageszeit nach vorne verlegen, um soweit möglich sicherzustellen, dass der Stromspeicher zum Tagesende trotzdem möglichst vollständig geladen sein wird.The times are preferably adjusted by the control software depending on the geographical location of the building to the seasonal change in day length. In addition, an adaptation based on current weather forecasts can particularly preferably also take place. If, for example, the passage of cloud cover is predicted towards the end of the day, the control software can move the second time of the day forward in order to ensure, as far as possible, that the electricity storage system will be fully charged at the end of the day.
AusführungsbeispieleEmbodiments
Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile vorliegender Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren vorgestellten Ausführungsbeispielen. Diese sollen vorliegende Erfindung nur erläutern und in keiner Weise das in den unabhängigen Ansprüchen wiedergegebene allgemeine Prinzip der Erfindung einschränken.Further properties, features and advantages of the present invention emerge from the exemplary embodiments presented below with reference to the figures. These are only intended to illustrate the present invention and in no way restrict the general principle of the invention as recited in the independent claims.
Es zeigen:
-
1 : Eine schematische Übersicht über eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit elektrischen und thermischen Energieknoten. -
2A : Eine schematische Übersicht des elektrischen Teils einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. -
2B : Eine schematische Übersicht des thermischen Teils der Ausführungsform aus2A . -
3 : Eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Regeleinheit mit Gehäuse und integriertem Batteriespeicher. -
4 : Einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Ladestands einer Speicherbatterie zur Speicherung von durch eine Photovoltaikanlage erzeugter elektrischer Energie bei Einsatz einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiefluss-Steuerungsverfahrens
-
1 : A schematic overview of a first embodiment of the arrangement according to the invention with electrical and thermal energy nodes. -
2A : A schematic overview of the electrical part of a further embodiment of the arrangement according to the invention. -
2 B : A schematic overview of the thermal part of the embodiment from FIG2A . -
3 : A perspective view of a control unit according to the invention with housing and integrated battery storage. -
4th : An exemplary time profile of the charge level of a storage battery for storing electrical energy generated by a photovoltaic system when using an embodiment of the energy flow control method according to the invention
Die Knoten der Energieinfrastruktur des Gebäudes
The nodes of the building's energy infrastructure
Die Verbindungen der Energieknoten in dieser Ausführungsform untereinander und mit der Regeleinheit
Auf der linken Seite finden sich die Energiequellen oder -erzeuger
Auf der rechten Seite der Figur finden sich die (reinen) Verbraucher. Oben als elektrische/Strom-Verbraucher ein Elektroherd
Als weitere elektrische Verbraucher sind auch eine Strahlungsheizung
Radiant heating is another electrical consumer
Zwischen den reinen elektrischen Verbrauchern und den Stromspeichern positioniert ist schematisch ein Elektrofahrzeug
Der von der Photovoltaikanlage erzeugte Gleichstrom wird von der Regeleinheit
Um den Eigenenergieverbrauch zu maximieren, kann die Regeleinheit in dieser Ausführungsform der Erfindung auch zumindest einige der elektrischen Verbraucher, hier exemplarisch am Beispiel der Waschmaschine
Der von der Windturbine
Die Regeleinheit
Nur wenn auch dies nicht möglich ist, da alle thermischen Speichermöglichkeiten voll ausgeschöpft sind, wird durch die Regeleinheit die erzeugte Leistung gedrosselt, indem die Windturbine gebremst oder die Photovoltaikanlage (teil-)abgeschaltet wird.Only if this is not possible either, since all thermal storage possibilities have been fully exhausted, the control unit throttles the power generated by braking the wind turbine or (partially) switching off the photovoltaic system.
Aus dem Netzanschluss
Auf der thermischen Seite der Energieinfrastruktur beziehen sowohl der Kombinationserzeuger
Die durch die Wärmepumpe
In
Die verschiedenen elektrischen Energieknoten sind wie in
In der Figur links unten ist des System über einen elektronische Schalteinheit
The various electrical energy nodes are as in
In the bottom left of the figure, the system has an electronic switching unit
Als Leistungs- und Verbrauchserfassungsmittel sind je ein Wärmezähler
Die elektronische Schalteinheit
Das Hausnetz ist über den Wechselstromanschluss
Über eine
Einige Knoten, Messvorrichtungen und Aktoren, welche sowohl im elektrischen als auch im thermischen System eine Rolle spielen, finden sich in beiden
Für das Wärmemanagement nicht relevant sind lediglich die wiederaufladbaren Batterien und die Photovoltaikanlage. In der vorliegenden Figur neu hinzugekommen sind hingegen zwei Warmwasserspeicher
Only the rechargeable batteries and the photovoltaic system are not relevant for thermal management. In the present figure, however, two hot water tanks have been added
Eine wichtige Funktion kommt in der vorliegenden, für zwei Gebäude vorgesehenen, Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung den Warmwasserspeichern
Die thermische Grundlast wird jedoch durch das Blockheizkraftwerk
However, the thermal base load is provided by the combined heat and power unit
Die von der Solarthermieanlage
Die Steuerung von Blockheizkraftwerk
Der (Warm)Wasserkreislauf des Schwimmbads wird durch die Filterpumpe
In
Zu sehen ist das Gehäuse
You can see the housing
Auf der Ordinate ist der Ladezustand (State of Charge, SoC) der Batterie als Prozentanteil der maximal möglichen Ladung, auf der Abszisse die Uhrzeit abgetragen. Im ersten Zeitraum, der Nachtzeit zwischen der dritten Uhrzeit
The state of charge (SoC) of the battery is shown on the ordinate as a percentage of the maximum possible charge, and the time is shown on the abscissa. In the first period, the night time between the third time
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Energieverbrauchs-RegeleinheitEnergy consumption control unit
- 1111
- RegelungssoftwareControl software
- 1212
- RegelalgorithmusControl algorithm
- 1313
- DatenbankDatabase
- 1515th
- Gehäusecasing
- 1616
- FrontplatteFront panel
- 17a17a
- LCD-AnzeigeLCD display
- 17b17b
- TemperaturanzeigeTemperature display
- 17c17c
- Eingabetasten Input keys
- elel
- elektrische Energieelectrical power
- thth
- thermische Energiethermal energy
- chch
- chemische Energie chemical energy
- EQEQ
- Energiequelle/-erzeugerEnergy source / generator
- ESIT
- EnergiespeicherEnergy storage
- EVEV
- EnergieverbraucherEnergy consumers
- SVSV
- StromverbraucherElectricity consumers
- SZSZ
- StromzählerElectricity meter
- WQWQ
- WärmequelleHeat source
- WSWS
- WärmespeicherHeat storage
- WVWV
- WärmeverbraucherHeat consumer
- WZ, WMZWZ, WMZ
- Wärmezähler Heat meter
- KQKQ
-
Kombinationserzeuger
el/th Combination generatorel / th - KQelKQel
- elektrischer Teil d. KQelectrical part d. KQ
- KQthKQth
-
thermischer Teil d.
KQ thermal part d.KQ - BHKWCHP
- BlockheizkraftwerkBlock-type thermal power station
- PVPV
- PhotovoltaikPhotovoltaics
- WTWT
- WindturbineWind turbine
- B0, B1B0, B1
- wiederaufladbare Batterierechargeable battery
- H2H2
- WasserstoffspeicherHydrogen storage
- ELTbsp
- ElektrolyseurElectrolyzer
- BZBZ
- BrennstoffzelleFuel cell
- EFEF
- ElektrofahrzeugElectric vehicle
- LSLS
- LadestationCharging station
- WPWP
- WärmepumpeHeat pump
- HSHS
- HeizstabHeating rod
- SHSH
- StrahlungsheizungRadiant heating
- SLBSLB
- SpitzenlastbrennerPeak load burner
- WWSWWS
- WarmwasserspeicherHot water tank
- LWSLumbar spine
- LatentwärmespeicherLatent heat storage
- SESE
- elektronische Schalteinheitelectronic switching unit
- ACAC
- WechselstromanschlussAC connection
- DCDC
- GleichstromanschlussDC connection
- PP
- Pumpepump
- ZPZP
- ZirkulationspumpeCirculation pump
- FPFP
- FilterpumpeFilter pump
- VL V L
- Vorlaufleader
- RL R L
- RücklaufRewind
- L1, L2L1, L2
- Stromleitungpower line
- PSPS
- SolarthermiesteuerungSolar thermal control
- GG
- Gebäudebuilding
- NN
- öffentliches Stromnetzpublic power grid
- CC.
- öffentliches Gasnetzpublic gas network
- 11
- erste Vollladungfirst full charge
- 22
- alternierende Entladung-Ladungalternating discharge-charge
- 33
- letzte Vollladunglast full charge
- 44th
- nächtliche Entladungnight discharge
- T1, T2, T3T1, T2, T3
- erste, zweite und dritte Uhrzeitfirst, second and third time
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102014001535 A1 [0014]DE 102014001535 A1 [0014]
- DE 202011005048 U1 [0015]DE 202011005048 U1 [0015]
- EP 2830184 B1 [0016]EP 2830184 B1 [0016]
- DE 102010017264 A1 [0017]DE 102010017264 A1 [0017]
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