DE102022203456A1 - Grid-friendly load management for a heat pump - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Einrichtung (2) zum Betrieb einer Wärmepumpe (4) angegeben. Die Einrichtung (2) umfasst die Wärmepumpe (4), die unmittelbar oder mittelbar über eine lokale Stromverteilung (8) an ein öffentliches Stromnetz (12) anschließbar und mit einem Betriebsstrom (IB) betreibbar ist. Ein den Betriebsstrom (IB) limitierender Vorgabewert (V) wird dabei zeitlich variierend vorgegeben, so dass der Vorgabewert (V) gegenläufig zu einer Netzauslastung des Stromnetzes (12) variiert.A method and a device (2) for operating a heat pump (4) are specified. The device (2) comprises the heat pump (4), which can be connected directly or indirectly to a public power grid (12) via a local power distribution (8) and can be operated with an operating current (IB). A default value (V) that limits the operating current (IB) is specified in a time-varying manner, so that the default value (V) varies in the opposite direction to the network utilization of the power grid (12).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betrieb einer Wärmepumpe.The invention relates to a method and a device for operating a heat pump.
Eine Wärmepumpe ist in der Regel unmittelbar oder mittelbar über eine lokale Stromverteilung an ein öffentliches Stromnetz anschließbar. Als „lokale Stromverteilung“ wird hier und im Folgenden die durch einen Netzverknüpfungspunkt von dem öffentlichen Stromnetz abgegrenzte elektrische Installation, z.B. eines Hauses (Hausstrominstallation) oder Gewerbebetriebs, bezeichnet. Die lokale Stromverteilung umfasst also diejenigen elektrischen Leitungen und Verbraucher sowie gegebenenfalls vorhandene elektrische Speicher und/der Stromerzeugungseinheiten, die sich aus Sicht der Wärmepumpe diesseits des Netzverknüpfungspunktes befinden und die somit nicht zu dem öffentlichen Stromnetz gehören.A heat pump can usually be connected to a public power grid directly or indirectly via a local power distribution system. Here and below, “local power distribution” refers to the electrical installation that is separated from the public power grid by a network connection point, e.g. of a house (domestic power installation) or commercial business. The local electricity distribution therefore includes those electrical lines and consumers as well as any existing electrical storage and/or power generation units that, from the heat pump's perspective, are located on this side of the network connection point and therefore do not belong to the public electricity network.
Die Erfindung bezieht sich vorrangig auf eine Wärmepumpe mit kontinuierlich oder in mehreren Stufen regelbarer Leistung, insbesondere auf eine sogenannte Inverter-Wärmepumpe, bei der die Drehzahl des Kompressors durch einen vorgeschalteten Umrichter (Inverter) gesteuert werden kann oder auf Wärmepumpen mit mehreren Verdichtern, die zur Variation der Gesamtleistung einzeln oder in Gruppen angesteuert werden können. Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch bei Wärmepumpen eingesetzt werden, deren Leistung nur binär gesteuert werden kann, die also nur an- und ausgeschaltet werden können.The invention primarily relates to a heat pump with output that can be controlled continuously or in several stages, in particular to a so-called inverter heat pump, in which the speed of the compressor can be controlled by an upstream converter (inverter) or to heat pumps with several compressors, which are used for Variation of the overall performance can be controlled individually or in groups. In principle, the invention can also be used in heat pumps whose output can only be controlled in a binary manner, i.e. which can only be switched on and off.
Im Zuge der zunehmenden Verbreitung von Wärmepumpen zur Erzeugung von Heizwärme und/oder Warmwasser in Privathäusern und Gewerbebetrieben haben Wärmepumpen einen steigenden Einfluss auf die Auslastung von öffentlichen Stromnetzen. Problematisch ist dabei insbesondere, dass Wärmepumpen regelmäßig zu Zeiten eine besonders hohe elektrische Leistung beziehen, zu denen die Netzauslastung ohnehin besonders hoch ist. Beispielsweise werden Wärmepumpen typischerweise morgens oder abends angeschaltet oder mit erhöhter Leistung gefahren, da zu diesen Zeiten vor allem während der Wintermonate ein erhöhter Bedarf an Heizwärme und Warmwasser besteht. Zu diesen Zeiten weist aber typischerweise auch unabhängig von der durch Wärmepumpen in Anspruch genommenen Leistung die durchschnittliche Netzbelastung öffentlicher Stromnetze charakteristische Spitzen (Morgen-Peak und Abend-Peak) auf.As heat pumps become more widespread for generating heating and/or hot water in private homes and commercial businesses, heat pumps are having an increasing impact on the utilization of public power grids. What is particularly problematic is that heat pumps regularly draw particularly high electrical power at times when the network utilization is particularly high anyway. For example, heat pumps are typically switched on in the morning or evening or run at increased output, as there is an increased need for heating and hot water at these times, especially during the winter months. At these times, the average network load on public electricity networks typically shows characteristic peaks (morning peak and evening peak), regardless of the power used by heat pumps.
Wärmepumpen haben hierdurch bereits heute einen destabilisierenden Einfluss auf die Netzbelastung, indem sie eine Verstärkung von Netzbelastungsspitzen verursachen. Dieses Problem wird sich im Zuge der beabsichtigten Reduzierung des weltweiten CO2-Ausstoßes und der in diesem Zusammenhang geförderten Verbreitung von Wärmepumpen in absehbarer Zeit zuspitzen. Es ist deshalb absehbar, dass mit der bestehenden Netzinfrastruktur der künftig zu erwartende Strombedarf nicht ohne unterstützende Maßnahmen zur Verfügung zu stellen sein wird, insbesondere zumal die Stromnetze auch durch die zunehmende E-Mobilität eine erheblich zunehmende Belastung erfahren werden.As a result, heat pumps already have a destabilizing influence on the network load by causing network load peaks to increase. This problem will become more acute in the foreseeable future as a result of the intended reduction in global CO 2 emissions and the proliferation of heat pumps promoted in this context. It is therefore foreseeable that with the existing network infrastructure, the expected future electricity demand will not be able to be provided without supporting measures, especially since the electricity networks will also experience a significantly increasing burden due to increasing e-mobility.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein netzschonendes Lastmanagement für eine Wärmepumpe bereitzustellen. Das Verfahren soll dabei insbesondere unaufwändig realisierbar sein.The invention is based on the object of providing network-friendly load management for a heat pump. The method should be particularly inexpensive to implement.
Bezüglich eines Verfahrens zum Betrieb einer Wärmepumpe wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich einer Einrichtung zum Betrieb einer Wärmepumpe wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.With regard to a method for operating a heat pump, this object is solved according to the invention by the features of claim 1. With regard to a device for operating a heat pump, the above object is solved according to the invention by the features of
Die Erfindung geht aus von einer Wärmepumpe, die mittelbar über eine lokale Stromverteilung oder unmittelbar an ein öffentliches Stromnetz anschließbar und mit einem Betriebsstrom betreibbar ist. Im Betrieb wird die Leistung der Wärmepumpe in zweckmäßiger Ausgestaltung derart geregelt, dass eine gemessene Ist-Temperatur eines Wärmekreislaufs oder Wärmespeichers, der durch die Wärmpumpe mit Wärme versorgt wird, an eine vorgegebene Soll-Temperatur angeglichen wird. Optional ist diese Temperaturregelung mit einer Hysterese versehen, gemäß der eine Schwelle für eine Erhöhung der Wärmepumpen-Leistung niedriger angesetzt sind als eine Schwelle für eine Erniedrigung der WärmepumpenLeistung. Beispielsweise wird die Wärmepumpenleistung in Zuge der Regelung hochgefahren, wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur um 2 °C unterschreitet, und heruntergefahren, wenn die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur überschreitet.The invention is based on a heat pump that can be connected indirectly via a local power distribution or directly to a public power grid and operated with an operating current. During operation, the performance of the heat pump is regulated in an expedient embodiment in such a way that a measured actual temperature of a heat circuit or heat storage device, which is supplied with heat by the heat pump, is adjusted to a predetermined target temperature. Optionally, this temperature control is provided with a hysteresis, according to which a threshold for increasing the heat pump output is set lower than a threshold for decreasing the heat pump output. For example, as part of the control, the heat pump output is increased when the actual temperature is 2 °C below the target temperature, and shut down when the actual temperature exceeds the target temperature.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Vorgabewert für den Betriebsstrom der Wärmepumpe zeitlich variierend vorgegeben wird, so dass der Vorgabewert gegenläufig zu einer Netzauslastung des Stromnetzes variiert. Der Vorgabewert limitiert hierbei den Betriebsstrom, das heißt er legt die von der Wärmepumpe maximal zu beziehende Stromstärke oder (elektrische) Leistung des Betriebsstroms, z.B. als Absolutwert oder als prozentualer Anteil der Maximalstromstärke bzw., Maximalleistung, fest. Der Vorgabewert wird insbesondere kontinuierlich oder in mehreren Stufen variiert. Vorzugsweise wird der Vorgabewert hierbei anhand einer hinterlegten Betriebsstromkurve bestimmt, die insbesondere in Form einer zeitabhängigen mathematischen Funktion (also einer mathematischen Formel) in Abhängigkeit von der Zeit, in Form einer Stützpunkttabelle oder in einer Mischform aus Stützpunkten und Formel, hinterlegt ist. Die Betriebsstromkurve kann dabei im Rahmen der Erfindung den einzustellenden Vorgabewert unmittelbar wiedergeben:
Die Betriebsstromkurve kann im Rahmen der Erfindung herstellerseitig in die Steuerelektronik der Wärmepumpe oder eines externen Steuergeräts einprogrammiert werden oder auf einem Speichermedium (z.B. einer SD-Karte oder einem USB-Stick) zur Verfügung gestellt werden. Alternativ kann die Betriebsstromkurve per Download (z.B. über ein Mobilfunknetz, LAN, W-Lan oder per Bluetooth unter Nutzung eines Mobilgeräts) in die Wärmepumpe oder das externe Steuergerät übertragen werden. Die Betriebsstromkurve kann weiterhin entweder einmalig fest zur Verfügung gestellt oder regelmäßig oder unregelmäßig aktualisiert werden.Within the scope of the invention, the operating current curve can be programmed by the manufacturer into the control electronics of the heat pump or an external control device or made available on a storage medium (e.g. an SD card or a USB stick). Alternatively, the operating current curve can be transferred to the heat pump or the external control device via download (e.g. via a mobile phone network, LAN, WiFi or via Bluetooth using a mobile device). The operating current curve can either be made available once or updated regularly or irregularly.
Die Betriebsstromkurve kann im Rahmen der Erfindung (ausschließlich) in Abhängigkeit von der Tageszeit (eines einzigen Tages) definiert sein, so dass die Betriebsstromkurve an jedem Tag die gleiche Form hat. Wenn die Betriebsstromkurve als Stützpunkttabelle vorliegt, umfasst sie in dieser Ausführung z.B. 24 Punkte (also einen Punkt pro Stunde), 96 Punkte (d.h. einen Punkt pro Viertelstunde) oder 1440 Punkte (d.h. einen Punkt pro Minute). Die Betriebsstromkurve kann alternativ einen Zeitraum von weniger als 24 Stunden abdecken. In diesem Fall wird die Betriebsstromkurve vorzugsweise jeweils nur innerhalb eines Abschnitts eines jeden Tages (z.B. nur zwischen 7 Uhr und 22 Uhr) abgearbeitet. Vorzugsweise ist die Betriebsstromkurve aber auch auf einer 24 Stunden überschreitenden Zeitskala, insbesondere für eine Woche, einen oder mehrere Monate oder - bevorzugt - ein ganzes Jahr, veränderlich vorgegeben. Anstelle einer einzigen zusammenhängen Betriebsstromkurve kann die Betriebsstromkurve auch aus mehreren Kurvenstücken (oder Dateien) zusammengesetzt sein, die alternativ zueinander herangezogen werden. Beispielsweise ist für jeden Monat des Jahres eine separate Betriebsstromkurve hinterlegt.Within the scope of the invention, the operating current curve can be defined (exclusively) as a function of the time of day (of a single day), so that the operating current curve has the same shape on every day. If the operating current curve is available as a reference point table, in this version it includes, for example, 24 points (i.e. one point per hour), 96 points (i.e. one point per quarter of an hour) or 1440 points (i.e. one point per minute). Alternatively, the operating current curve can cover a period of less than 24 hours. In this case, the operating current curve is preferably only processed within a section of each day (e.g. only between 7 a.m. and 10 p.m.). However, the operating current curve is preferably also variable on a time scale that exceeds 24 hours, in particular for a week, one or more months or - preferably - a whole year. Instead of a single connected operating current curve, the operating current curve can also be composed of several curve pieces (or files) that are used alternatively to one another. For example, a separate operating current curve is stored for each month of the year.
Vorzugsweise ist die Betriebsstromkurve in der Wärmepumpe selbst hinterlegt. Alternativ hierzu kann die Betriebsstromkurve aber auch in einem externen (d.h. nicht zur Wärmepumpe gehörenden) Datenspeicher, z.B. einer Speicherkarte oder dem Speicher eines externen Kontrollgeräts (z.B. einem Zentralrechner oder Cloud-Server) hinterlegt sein und von dort aus der Wärmepumpe im Betrieb zur Verfügung gestellt werden.The operating current curve is preferably stored in the heat pump itself. Alternatively, the operating current curve can also be stored in an external data memory (i.e. not belonging to the heat pump), e.g. a memory card or the memory of an external control device (e.g. a central computer or cloud server) and from there made available to the heat pump during operation become.
Die Steuerung des Vorgabewerts anhand der hinterlegten Betriebsstromkurve hat den Vorteil, dass ein netzschonendes Lastmanagement ohne aufwändige Installation, insbesondere ohne Einsatz von externen Stromzählern oder Stromsensoren und deren datenübertragungstechnische Verbindung mit der Wärmepumpe möglich ist. Eine Zusammenwirkung der Wärmepumpe mit einem externen Stromzähler oder Stromsensor ist daher bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmepumpe auch nicht vorgesehen. Weiterhin kann die Wärmepumpe in einigen Ausführungen der Erfindung offline, also ohne permanenten Anschluss der Wärmepumpe an ein regionales oder überregionales Datenübertragungsnetzwerk wie z.B. das Internet und/oder ein Mobilfunknetz betrieben werden. In besonders einfachen Ausführungen umfasst die Wärmepumpe daher auch keine Schnittstellen zum Anschluss an solche Datenübertragungsnetze.Controlling the default value based on the stored operating current curve has the advantage that network-friendly load management is possible without complex installation, in particular without the use of external electricity meters or current sensors and their data transmission connection to the heat pump. An interaction of the heat pump with an external electricity meter or current sensor is therefore not provided for in preferred embodiments of the heat pump according to the invention. Furthermore, in some embodiments of the invention, the heat pump can be operated offline, i.e. without permanently connecting the heat pump to a regional or supra-regional data transmission network such as the Internet and/or a mobile phone network. In particularly simple versions, the heat pump therefore does not include any interfaces for connection to such data transmission networks.
In bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung können Daten eines Stromsensors am Netzverknüpfungspunkt der lokalen Stromverteilung oder einem vorgelagerten Leitungsstrang oder Transformator des Stromnetzes aber als zusätzlicher Parameter bei der Bestimmung des Vorgabewerts berücksichtigt werden. Beispielsweise wird der sich aus der Betriebsstromkurve ergebende Vorgabewert in Abhängigkeit von der gemessenen Stromstärke am Netzverknüpfungspunkt der lokalen Stromverteilung bzw. dem vorgelagerten Leitungsstrang oder Transformator des Stromnetzes oder der gemessenen Netzspannung skaliert oder verschoben.In certain embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention, data from a current sensor at the network connection point of the local power distribution or an upstream line harness or transformer of the power network can be taken into account as an additional parameter when determining the default value. For example, the default value resulting from the operating current curve depends on the measured current on the network connection The starting point of the local power distribution or the upstream cable harness or transformer of the power grid or the measured grid voltage is scaled or shifted.
Die zur Netzauslastung des Stromnetzes gegenläufige Variation des Vorgabewerts bedeutet, dass der Vorgabewert der Betriebsstromstärke immer dann erniedrigt oder sogar auf null abgesenkt wird, wenn die Netzauslastung des Stromnetzes besonders hoch ist, wohingegen der Vorgabewert in Zeiten geringer Netzauslastung erhöht wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Wärmepumpe nicht zur Verstärkung von Schwankungen der Netzauslastung beiträgt, sondern vielmehr den Netzbetreibern hilft, die Netzauslastung zeitlich besser zu verteilen und somit bei vergleichsweise geringer Spitzen-Netzauslastung insgesamt besonders viel Betriebsstrom für die Erzeugung von Wärme zur Verfügung zu stellen.The variation of the default value, which is opposite to the network utilization of the power network, means that the default value of the operating current is always reduced or even reduced to zero when the network utilization of the electricity network is particularly high, whereas the default value is increased in times of low network utilization. This ensures that the heat pump does not contribute to increasing fluctuations in network utilization, but rather helps network operators to better distribute network utilization over time and thus to provide a particularly large amount of operating electricity for the generation of heat with comparatively low peak network utilization.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist als Betriebsstromkurve eine Netzauslastungskurve vorgegeben, die die Netzauslastung des Stromnetzes zeitaufgelöst wiedergibt. Der Vorgabewert wird hierbei anhand des Abstands (d.h. der Differenz) eines aktuellen Werts der Netzauslastungskurve zu einem vorgegebenen Schwellwert bestimmt, z.B. gemäß
Der Vorgabewert V wird hierbei zweckmäßigerweise innerhalb vorgegebener Grenzwerte [Vmin; Vmax] gehalten. In der obigen Gleichung stehen weiterhin V wiederum für den Vorgabewert, k für einen konstanten oder variablen Parameter, A(t) für den aktuellen Wert der Netzauslastungskurve und Amax für den Schwellwert. Vorzugsweise wird der Vorgabewert außerdem auf null abgesenkt, wenn der aktuelle Wert der Netzauslastungskurve den Schwellwert überschreitet und somit die Differenz A(t) - Amax negativ wird.The default value V is expediently set within specified limit values [V min ; V max ] held. In the above equation, V again stands for the default value, k for a constant or variable parameter, A(t) for the current value of the network utilization curve and A max for the threshold value. Preferably, the default value is also reduced to zero when the current value of the network utilization curve exceeds the threshold value and the difference A(t) - A max thus becomes negative.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Betriebsstromkurve (insbesondere in Form der auch als „Lastprofil“ bezeichneten Netzauslastungskurve) spezifisch für den geographischen Standort der Wärmepumpe definiert. Der geographische Standort der Wärmepumpe kann dabei im Rahmen der Erfindung unterschiedlich genau eingegrenzt werden. Beispielsweise kann die Betriebsstromkurve in unterschiedlichen Ausführungen derart angegeben werden, dass sie für
- - das Land oder den Landesteil (z.B. Bundesstaat oder Verwaltungsbezirk), oder
- - die Stadt oder den Postleitzahlenbereich,
- - the country or part of the country (e.g. federal state or administrative district), or
- - the city or postal code area,
Alternativ kann die Betriebsstromkurve im Rahmen der Erfindung auch spezifisch für einen abgegrenzten Netzbereich des Stromnetzes, an den die Wärmepumpe angeschlossen ist, berechnet und vorgegeben sein, z.B. für einen Leitungsstrang, einen Verteilnetzbereich, einen Bilanzkreis oder einen lokalen, regionalen Netzbetreiber oder einen Transformator, der die Mittelspannung auf die Niederspannung des Netzsegments, in der die Wärmepumpe angeschlossen ist, heruntertransformiert. Der abgegrenzte Netzbereich kann dabei eine oder mehrere Netzebenen umfassen.Alternatively, within the scope of the invention, the operating current curve can also be calculated and specified specifically for a delimited network area of the power network to which the heat pump is connected, for example for a line harness, a distribution network area, a balancing group or a local, regional network operator or a transformer the medium voltage is transformed down to the low voltage of the network segment to which the heat pump is connected. The delimited network area can include one or more network levels.
In einer einfach realisierbaren, aber dennoch effektiven Ausführung der Erfindung wird die Betriebsstromkurve derart vorgegeben, dass sie an die sich im Wochen-, Monats- und/oder Jahresverlauf durchschnittlich ergebenden Unterschiede der Netzauslastung angepasst ist. Der sich im Jahresverlauf durchschnittlich ergebende Unterschied der Netzauslastung kann hierbei im Rahmen der Erfindung in unterschiedlicher zeitlicher Genauigkeit in der Betriebsstromkurve abgebildet sein. Beispielsweise kann die Betriebsstromkurve im Rahmen der Erfindung derart vorgegeben, dass sie
- - für unterschiedliche Wochentage,
- - für unterschiedliche Halbjahre, Trimester, Quartale oder Monate,
- - für die Jahreszeiten Frühjahr, Sommer, Herbst, Winter oder
- - für jeden Tag im Jahr
- - for different days of the week,
- - for different half-years, trimesters, quarters or months,
- - for the seasons spring, summer, autumn, winter or
- - for every day of the year
Insbesondere wenn es sich bei der Wärmepumpe um eine Luft-Wärmepumpe handelt, wird der Vorgabewert des Weiteren optional in Abhängigkeit von der Lufttemperatur variiert. Dabei wird der Vorgabewert insbesondere mit steigender Lufttemperatur erhöht, da mit steigender Lufttemperatur die Effizienz der Luft-Wärmepumpe steigt und somit die (sofort oder zu einem späteren Zeitpunkt benötigte) Wärme mit vergleichsweise geringem elektrischen Energieaufwand erzeugt werden kann.In particular, if the heat pump is an air heat pump, the default value is optionally varied depending on the air temperature. The default value is increased in particular as the air temperature increases, since the efficiency of the air heat pump increases with increasing air temperature and thus the heat (needed immediately or at a later point in time) can be generated with comparatively little electrical energy expenditure.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird der Vorgabewert der Betriebsstromstärke in Abhängigkeit von einer Information über die (aktuelle oder prognostizierte) tatsächliche Netzauslastung an dem geographischen Standort der Wärmepumpe oder in dem abgegrenzten Netzbereich variiert. Als Information über die tatsächliche Netzauslastung werden dabei insbesondere
- - die gemessene Netzspannung (insbesondere anhand von Messdaten eines in die Wärmepumpe integrierten Netzspannungssensors), und/oder
- - die gemessene Netzfrequenz, und/oder
- - Prognosedaten bezüglich einer zu erwartenden Netzauslastung sowie - optional - der Lufttemperatur
- - the measured mains voltage (in particular based on measurement data from a mains voltage sensor integrated into the heat pump), and/or
- - the measured network frequency, and/or
- - Forecast data regarding expected network utilization and - optionally - the air temperature
Die optionale Heranziehung der Netzspannung und/oder der Netzfrequenz als Steuergröße für die Einstellung des Vorgabewertes der Betriebsstromstärke beruht auf der Erkenntnis, dass die Netzspannung geringfügig mit der lokalen und regionalen Netzauslastung schwankt. Insbesondere wird der Vorgabewert der Betriebsstromstärke bei vergleichsweise hoher Netzspannung erhöht und bei vergleichsweise niedriger Netzspannung erniedrigt. Die vorstehend beschriebene Erfindungsvariante hat den Vorteil, dass die Messung der Netzspannung in der Wärmepumpe selbst oder in unmittelbarer Nähe derselben erfolgen kann (und vorzugsweise auch erfolgt), so dass eine aufwändige Installation nicht erforderlich (und insbesondere auch nicht vorhanden) ist.The optional use of the mains voltage and/or the mains frequency as a control variable for setting the default value of the operating current is based on the knowledge that the mains voltage fluctuates slightly with the local and regional network load. In particular, the default value of the operating current is increased when the mains voltage is comparatively high and reduced when the mains voltage is comparatively low. The variant of the invention described above has the advantage that the measurement of the mains voltage can take place (and preferably takes place) in the heat pump itself or in the immediate vicinity thereof, so that a complex installation is not necessary (and in particular is not available).
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Verlauf der Netzspannung durch die Wärmepumpe oder ein externes Steuergerät laufend oder zumindest über einen längeren Zeitraum aufgezeichnet. Sofern diese Aufzeichnung durch das ggf. vorhandene externe Steuergerät erfolgt, wird dieses hierzu vorzugsweise in der lokalen Stromverteilung, insbesondere schaltungstechnisch in der Nähe der Wärmepumpe, angeordnet. Durch tageszeitaufgelöste Mittelung und ggf. zusätzliche zeitliche Glättung der gemessenen Netzspannung wird hierbei - durch die Wärmepumpe bzw. das externe Steuergerät - für den Standort der Wärmepumpe ein durchschnittlicher Tagesverlauf der Netzspannung ermittelt. Im Betrieb der Wärmepumpe wird dabei der Vorgabewert der Betriebsstromstärke in Abhängigkeit von der Abweichung eines aktuell gemessenen Werts der Netzspannung von dem anhand des durchschnittlichen Tagesverlaufs zu erwartenden Wert variiert. Der Vorgabewert wird dabei insbesondere dann erhöht, wenn die aktuell gemessene Netzspannung über dem für die jeweilige Tageszeit zu erwartenden Wert liegt. Der Vorgabewert wird entsprechend erniedrigt, wenn die aktuell gemessene Netzspannung unter dem für die jeweilige Tageszeit zu erwartenden Wert liegt.In an advantageous embodiment of the invention, the course of the mains voltage is recorded continuously or at least over a longer period of time by the heat pump or an external control device. If this recording is carried out by the external control device, if present, this is preferably arranged in the local power distribution, in particular in terms of circuitry close to the heat pump. By averaging the time of day and, if necessary, additional temporal smoothing of the measured mains voltage, an average daily course of the mains voltage is determined - by the heat pump or the external control device - for the location of the heat pump. During operation of the heat pump, the default value of the operating current is varied depending on the deviation of a currently measured value of the mains voltage from the value to be expected based on the average daily course. The default value is increased in particular if the currently measured mains voltage is above the value expected for the respective time of day. The default value is reduced accordingly if the currently measured mains voltage is below the value expected for the respective time of day.
Prognosedaten über die Netzauslastung werden insbesondere automatisch von der Wärmepumpe oder einem externen Steuergerät aus dem Internet abgerufen.Forecast data about network utilization is automatically retrieved from the Internet by the heat pump or an external control device.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Prognosedaten mittels einer auf einem mobilen Endgerät (z.B. Smartphone oder Tablet) installierten Software-Applikation (App) heruntergeladen oder ermittelt, wobei diese App unter Nutzung einer Sende- und Empfangseinheit des Endgeräts datenübertragungstechnisch, z.B. über Bluetooth, mit der Wärmepumpe verbindbar ist. Diese (auch als „Bedien-App“ bezeichnete) App ist vorzugsweise zur Konfiguration und/oder Fernsteuerung der Wärmepumpe eingerichtet und somit dazu ausgelegt, von einem Nutzer der Wärmepumpe regelmäßig mit der Wärmepumpe verbunden zu werden. Die App ist dabei dazu eingerichtet, die Prognosedaten immer dann auf die Wärmepumpe zu übertragen, wenn die App mit der Wärmepumpe verbunden ist; insbesondere immer dann, wenn sich das mobile Endgerät, auf dem die App installiert ist, in der Nähe der Wärmepumpe befindet, oder wenn der Nutzer mittels dieser App die Wärmepumpe bedient. Hierbei wird vorzugsweise nicht nur ein aktueller Prognosewert (z.B. für die kommende Stunde) übertragen, sondern eine Langzeitprognose, die Prognosedaten für mehrere Tage, beispielsweise für jede Stunde der kommenden 16 Tage, enthält. Immer dann, wenn die App wieder mit der Wärmepumpe verbunden wird, wird die in der Wärmepumpe hinterlegte Langzeitprognose mit aktualisierten Werten überspielt. In einer Variante dieser Ausführungsform wird mittels der App anhand der Prognosedaten eine angepasste Betriebsstromkurve berechnet. In diesem Fall wird - zusätzlich zu den oder anstelle der rohen Prognosedaten der zu erwartenden Netzauslastung - die anhand der Prognose angepasste Betriebsstromkurve auf die Wärmepumpe übertragen, wenn das mobile Endgerät mit der Wärmepumpe verbunden ist.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the forecast data is downloaded or determined using a software application (app) installed on a mobile terminal (e.g. smartphone or tablet), this app using a transmitting and receiving unit of the terminal for data transmission, for example via Bluetooth , can be connected to the heat pump. This app (also known as the “control app”) is preferably used for configuring and/or remotely controlling the heat pump set up and thus designed to be regularly connected to the heat pump by a user of the heat pump. The app is set up to transfer the forecast data to the heat pump whenever the app is connected to the heat pump; in particular whenever the mobile device on which the app is installed is near the heat pump, or when the user operates the heat pump using this app. In this case, not only a current forecast value (for example for the coming hour) is preferably transmitted, but also a long-term forecast that contains forecast data for several days, for example for every hour of the next 16 days. Whenever the app is reconnected to the heat pump, the long-term forecast stored in the heat pump is overwritten with updated values. In a variant of this embodiment, an adapted operating current curve is calculated using the app based on the forecast data. In this case - in addition to or instead of the raw forecast data of the expected network utilization - the operating current curve adjusted based on the forecast is transferred to the heat pump when the mobile device is connected to the heat pump.
Ein großer Vorteil dieser Ausführungsformen liegt darin, dass die Wärmepumpe selbst offline betrieben werden kann (und vorzugsweise auch wird). Bevorzugt ist die Wärmepumpe in dieser Ausführung vorzugsweise selbst nicht mit Mitteln zur Verbindung der Steuerelektronik mit dem Internet ausgerüstet, was eine einfache und unaufwändige Realisierung der Wärmepumpe ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Rechenkapazität des mobilen Endgeräts für die Beschaffung der Prognosedaten, und ggf. die Berechnung der angepassten Betriebsstromkurve genutzt werden kann. Dies erlaubt eine entsprechend kleinere Dimensionierung der Rechenleistung der Steuerelektronik.A major advantage of these embodiments is that the heat pump itself can (and preferably will) be operated offline. In this embodiment, the heat pump itself is preferably not equipped with means for connecting the control electronics to the Internet, which enables the heat pump to be implemented simply and inexpensively. A further advantage of this embodiment is that the computing capacity of the mobile terminal can be used to obtain the forecast data and, if necessary, to calculate the adapted operating current curve. This allows a correspondingly smaller dimensioning of the computing power of the control electronics.
Die Information über die tatsächliche Netzauslastung kann im Rahmen der Erfindung in Kombination mit einer hinterlegten Betriebsstromkurve oder unabhängig davon verwendet werden. In dem ersteren Fall wird beispielsweise die vorgegebene Betriebsstromkurve in Abhängigkeit von der Information über die tatsächliche Netzauslastung angehoben/abgesenkt oder skaliert. In dem letzteren Fall wird für die Anpassung des Vorgabewerts der Betriebsstromstärke insbesondere keine hinterlegte Betriebsstromkurve herangezogen. Vielmehr wird der Vorgabewert nur unter Berücksichtigung der Information über die tatsächliche Netzauslastung variiert.The information about the actual network utilization can be used within the scope of the invention in combination with a stored operating current curve or independently thereof. In the former case, for example, the specified operating current curve is increased/decreased or scaled depending on the information about the actual network utilization. In the latter case, no stored operating current curve is used to adapt the default value of the operating current. Rather, the default value is only varied taking into account the information about the actual network utilization.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird der Vorgabewert anhand eines von der Netzauslastung abhängigen Leitsignals eines Netzbetreibers bestimmt. Bei dem Leitsignal kann es sich im Rahmen der Erfindung um ein (binäres) Abschaltsignal handeln, durch das - insbesondere bei einer drohenden Netzüberlastung - der Vorgabewert des Betriebsstroms auf null gesetzt wird und durch das somit eine Unterbrechung des Betriebs der Wärmepumpe veranlasst wird. Alternativ kann es sich bei dem Leitsignal auch um ein differenziertes Signal handeln, das zum Beispiel bei hoher Netzauslastung eine Reduzierung des Vorgabewerts auf einen vorgegebenen Prozentwert des Maximal-Betriebsstroms veranlasst. Bevorzugt wird das Leitsignal - wenn verfügbar - zusätzlich zu der durchschnittlichen Netzauslastung und/oder der tatsächlichen Netzauslastung bei der Bestimmung des Vorgabewerts berücksichtigt. Beispielsweise wird hierbei das Leitsignal immer dann - z.B. anstelle der hinterlegten Betriebsstromkurve oder anstelle von Prognosewerten der zu erwartenden Netzauslastung - zur Ermittlung des Vorgabewerts herangezogen, wenn das Leitsignal der Wärmepumpe zugeführt wird. Einem ggf. vorliegenden Leitsignal wird also Priorität eingeräumt. Immer dann, wenn das Leitsignal dagegen nicht vorliegt (z.B. weil die Übermittlung des Leitsignals gestört ist oder der Netzbetreiber ein solches Leitsignal nicht zur Verfügung stellt), werden ersatzweise andere Mittel zur Bestimmung des Vorgabewerts genutzt, z.B. eine hinterlegte Betriebsstromkurve oder Prognosewerte der zu erwartenden Netzauslastung. Alternativ hierzu wird in zweckmäßigen Ausführungen der Erfindung das Leitsignal derart mit der hinterlegten Betriebsstromkurve oder den Prognosewerten der zu erwartenden Netzauslastung kombiniert, dass der sich aus der Betriebsstromkurve bzw. den Prognosewerten ergebende Vorgabewert in Abhängigkeit von dem Leitsignal skaliert oder verschoben wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the default value is determined based on a control signal from a network operator that is dependent on the network utilization. In the context of the invention, the control signal can be a (binary) switch-off signal, through which - especially in the event of an impending network overload - the default value of the operating current is set to zero and which thus causes an interruption in the operation of the heat pump. Alternatively, the control signal can also be a differentiated signal, which, for example, causes the default value to be reduced to a specified percentage of the maximum operating current when the network is busy. Preferably, the control signal - if available - is taken into account in addition to the average network utilization and/or the actual network utilization when determining the default value. For example, the master signal is always used to determine the default value - e.g. instead of the stored operating current curve or instead of forecast values of the expected network utilization - when the master signal is supplied to the heat pump. A control signal that may be present is therefore given priority. However, whenever the control signal is not present (e.g. because the transmission of the control signal is disrupted or the network operator does not provide such a control signal), other means are used to determine the default value, e.g. a stored operating current curve or forecast values of the expected network utilization . Alternatively, in expedient embodiments of the invention, the control signal is combined with the stored operating current curve or the forecast values of the expected network utilization in such a way that the default value resulting from the operating current curve or the forecast values is scaled or shifted depending on the control signal.
Häufig lässt der Betrieb der Wärmepumpe keine kontinuierliche Variation des Betriebsstroms zu, sondern ändert den Betriebsstrom in diskreten Stufen. Insbesondere fordert die Wärmepumpe in der Regel einen Mindestbetriebsstrom von z.B. 2A. Sofern der zur Verfügung stehende Betriebsstrom diesen (auch als Abschaltschwelle bezeichneten) Mindestbetriebsstrom unterschreitet, wird der Betrieb der Wärmepumpe vollständig unterbrochen. Erkanntermaßen könnte diese Abschaltschwelle zu schockartigen Belastungsänderungen in dem Stromnetz führen, die unter gegebenen Umständen die Netzstabilität gefährden können. Ein solcher Fall könnte beispielsweise eintreten, wenn in einem regionalen Subnetz bei steigender Netzbelastung eine Vielzahl von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Wärmepumpen aufgrund einer hinterlegten Betriebsstromkurve, aufgrund der Information über die tatsächliche Netzauslastung oder aufgrund des Leitsignals des Energieversorgers gleichzeitig abschalten, so dass abrupt ein Vielfaches des Mindestbetriebsstroms frei wird.Often, the operation of the heat pump does not allow for a continuous variation of the operating current, but rather changes the operating current in discrete steps. In particular, the heat pump usually requires a minimum operating current of, for example, 2A. If the available operating current falls below this minimum operating current (also known as the switch-off threshold), the operation of the heat pump is completely interrupted. It has been recognized that this shutdown threshold could lead to shock-like load changes in the power grid, which could endanger grid stability under certain circumstances. Such a case could occur, for example, if a large number of heat pumps operating according to the method according to the invention are installed in a regional subnet as the network load increases due to a stored operating current curve, due to information about the actual network utilization or due to of the energy supplier's control signal at the same time, so that a multiple of the minimum operating current is suddenly released.
Um solche für die Netzstabilität gefährlichen, schockartigen Belastungsänderungen zu vermeiden, wird im Zuge des Verfahrens vorzugsweise eine durch die Betriebsstromkurve, die Information über die tatsächliche Netzauslastung oder das Leitsignal des Energieversorgers veranlasste Änderung des Vorgabewerts, insbesondere eine Reduktion des Vorgabewerts auf null, nicht sofort durchgeführt, sondern mit einem Zeitversatz gegenüber dem auslösenden Ereignis. Bei nicht vorhersehbaren Ereignissen (z.B. einen Anstieg der tatsächlichen Netzauslastung oder eine Änderung des Leitsignals) wird der Vorgabewert dabei immer zeitverzögert nach dem Ereignis geändert (insbesondere auf null gesetzt). Im Falle einer fest hinterlegten Betriebsstromkurve kann der Vorgabewert alternativ auch bereits proaktiv (also mit einem negativen Zeitversatz vor dem auslösenden Ereignis) geändert, insbesondere auf null gesetzt werden. Der Zeitversatz wird hierbei in einer für die Wärmepumpe oder den laufenden Betriebszyklus spezifischen Weise variiert. Beispielsweise wird der Zeitversatz in Abhängigkeit von einer Dauer eines laufenden Betriebszyklus, einer während des laufenden Betriebszyklus geladenen Energiemenge, einer Zufallszahl oder - bevorzugt - der Abweichung einer Ist-Temperatur zu einer Soll-Temperatur in einem von der Wärmepumpe beheizten Heiz- oder Warmwasserkreislauf oder Energiespeicher variiert.In order to avoid such shock-like load changes that are dangerous for network stability, a change in the default value, in particular a reduction of the default value to zero, caused by the operating current curve, the information about the actual network utilization or the energy supplier's control signal, is preferably not carried out immediately in the course of the method , but with a time delay compared to the triggering event. In the case of unforeseeable events (e.g. an increase in the actual network load or a change in the control signal), the default value is always changed with a time delay after the event (in particular set to zero). In the case of a permanently stored operating current curve, the default value can alternatively be changed proactively (i.e. with a negative time offset before the triggering event), in particular set to zero. The time offset is varied in a manner specific to the heat pump or the current operating cycle. For example, the time offset is dependent on a duration of a current operating cycle, an amount of energy charged during the current operating cycle, a random number or - preferably - the deviation of an actual temperature from a target temperature in a heating or hot water circuit or energy storage heated by the heat pump varies.
Der Zeitversatz kann dabei optional bei negativen Änderungen des Vorgabewerts (insbesondere Abschaltvorgängen) und positiven Änderungen des Vorgabewerts (insbesondere Wiederaufschaltvorgängen) gleich oder unterschiedlich gewählt sein. Vorzugweise ist der Zeitversatz beim Abschalten (also der Reduzierung des Vorgabewerts auf null) kürzer gewählt als beim Wiederaufschalten (also der Erhöhung des Vorgabewerts von null auf einen positiven Wert). Beispielsweise wird der Zeitversatz für das Abschalten derart bestimmt, dass die Wärmepumpe je Minute der bisherigen Betriebszeit in dem laufenden Betriebszyklus um 15 Sekunden vor einem vorausbestimmten Abschaltzeitpunkt abschaltet. Wenn die Wärmepumpe vor dem vorgesehenen Abschaltschaltzeitpunkt bereits 30 Minuten betrieben worden war, wird die Wärmepumpe also z.B. bereits um einen Zeitversatz von 7,5 Minuten (nämlich 30 x 15 Sekunden) vor dem Abschaltzeitpunkt abgeschaltet. Für das Wiederaufschalten ist beispielsweise ein doppelter Zeitversatz von 30 Sekunden je Minute Betriebszeit nach einem Wiederaufschaltzeitpunkt vorgesehen, so dass die Wärmepumpe bei einer dem Abschalten vorausgegangenen Betriebszeit von 30 Minuten um einen Zeitversatz von 15 Minuten nach dem Wiederaufschaltzeitpunkt den Betriebszyklus wiederaufnimmt. Der „Betriebszyklus“ bezeichnet ein Intervall, in dem mittels der Wärmepumpe - ununterbrochen oder mit kurzen Unterbrechungen - Wärme erzeugt wird. Verschiedene Betriebszyklen werden dabei durch (insbesondere längere) Standby-Phasen voneinander abgegrenzt.The time offset can optionally be chosen to be the same or different for negative changes in the default value (in particular shutdown processes) and positive changes in the default value (in particular restart processes). The time offset when switching off (i.e. reducing the default value to zero) is preferably chosen to be shorter than when switching on again (i.e. increasing the default value from zero to a positive value). For example, the time offset for switching off is determined such that the heat pump switches off 15 seconds before a predetermined switch-off time for each minute of previous operating time in the current operating cycle. If the heat pump had already been operated for 30 minutes before the intended switch-off time, the heat pump will, for example, be switched off by a time delay of 7.5 minutes (namely 30 x 15 seconds) before the switch-off time. For restarting, for example, a double time offset of 30 seconds per minute of operating time is provided after a restart time, so that the heat pump resumes the operating cycle with a time delay of 15 minutes after the restart time if the operating time preceding the switch-off was 30 minutes. The “operating cycle” refers to an interval in which heat is generated by the heat pump - continuously or with short interruptions. Different operating cycles are separated from each other by (especially longer) standby phases.
Allen vorstehend beschriebenen Varianten ist gemein, dass der Zeitversatz auch bei gleicher Konfiguration und gleicher Netzbelastung dennoch für verschiedene Wärmepumpen in der Regel unterschiedlich ist, so dass die Wärmepumpen auch unter gleichen Netzbedingungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten den Vorgabewert ändern, insbesondere abschalten.What all of the variants described above have in common is that the time offset is usually different for different heat pumps, even with the same configuration and the same network load, so that the heat pumps change the default value, in particular switch off, at different times even under the same network conditions.
Zusätzlich oder alternativ zu dem zeitversetzten Abschalten und Wiederaufschalten der Wärmepumpe ist optional vorgesehen, dass die Änderungsrate (also die zeitliche Flankensteilheit einer Änderung des Vorgabewerts) begrenzt wird. Beispielsweise wird die Änderungsrate des Vorgabewerts auf ein Ampere pro Minute begrenzt. Auch durch diese Begrenzung der Änderungsrate des Vorgabewerts werden schnelle (schockartige) Belastungsänderungen der Netzauslastung, die ansonsten zu Netzinstabilität führen können, gedämpft. Die Begrenzung der Änderungsrate des Vorgabewerts kann im Rahmen der Erfindung in dem gesamten Wertebereich des Vorgabewerts vorgesehen sein oder - bevorzugt - nur bei kleinen Vorgabewerten in der Nähe der Abschaltschwelle bzw. bei hoher Netzauslastung. Weiterhin kann der Grenzwert für negative Änderungsraten des Vorgabewerts (also für eine Erniedrigung des Vorgabewerts) gleich oder verschieden von dem Grenzwert für positive Änderungsraten des Vorgabewerts (also für eine Erhöhung des Vorgabewerts) gewählt werden. Beispielsweise werden die Erniedrigung des Vorgabewerts vor dem Abschalten auf 1 Ampere pro Minute und die Erhöhung des Vorgabewerts nach dem Wiederaufschalten auf 0,5 Ampere pro Minute begrenzt.In addition or as an alternative to the time-delayed switching off and restarting of the heat pump, it is optionally provided that the rate of change (i.e. the temporal edge steepness of a change in the default value) is limited. For example, the rate of change of the default value is limited to one amp per minute. This limitation of the rate of change of the default value also dampens rapid (shock-like) load changes in network utilization, which can otherwise lead to network instability. Within the scope of the invention, the limitation of the rate of change of the default value can be provided in the entire value range of the default value or - preferably - only for small default values in the vicinity of the switch-off threshold or at high network utilization. Furthermore, the limit value for negative rates of change of the default value (i.e. for a reduction in the default value) can be chosen to be the same as or different from the limit value for positive rates of change of the default value (i.e. for an increase in the default value). For example, the decrease in the default value before switching off is limited to 1 ampere per minute and the increase in the default value after reconnection is limited to 0.5 amperes per minute.
Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht in einfachen Ausführungen der Erfindung ausschließlich aus der (einen oder ersten) Wärmepumpe. In komplexeren Ausführungen der Erfindung umfasst die Einrichtung zusätzlich zu dieser Wärmepumpe mindestens ein Peripheriegerät, z.B.
- - mindestens eine weitere Wärmepumpe, die mit der ersten Wärmepumpe Daten austauscht,
- - ein übergeordnetes Steuergerät, das neben der (ersten) Wärmepumpe optional mindestens eine gegebenenfalls vorhandene weitere Wärmepumpe ansteuert,
- - ein Programmiergerät, z.B. in Form einer Fernsteuerung, zur Konfiguration der Wärmepumpe, und/oder
- - einen Netzspannungssensor.
- - at least one other heat pump that exchanges data with the first heat pump,
- - a higher-level control device which, in addition to the (first) heat pump, optionally controls at least one additional heat pump that may be present,
- - a programming device, for example in the form of a remote control, for configuring the heat pump, and/or
- - a mains voltage sensor.
Beispielsweise kann die Einrichtung mehrere durch ein gemeinsames Steuergerät gesteuerte Wärmepumpen eines Wohnblocks oder Wohngebiets umfassen. Jede dieser Wärmpumpen kann dabei optional wiederum mehrere Kompressoren umfassen.For example, the device can include several heat pumps in an apartment block or residential area controlled by a common control device. Each of these heat pumps can optionally include several compressors.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Einrichtung zusätzlich zu der Wärmepumpe eine Software-Applikation (Bedien-App), die zur Konfiguration und/oder Fernsteuerung der Wärmepumpe vorgesehen und eingerichtet ist, und die auf einem Smartphone oder Computer (z.B. einem Notebook oder Tablet) installierbar ist. Das Smartphone bzw. der Computer sind dabei in der Regel kein Bestandteil der erfindungsgemäßen Einrichtung und werden regelmäßig auch unabhängig von der Einrichtung hergestellt und vertrieben. Vielmehr werden das Smartphone bzw. der Computer von der Einrichtung lediglich als externe Ressource für Rechenleistung, Speicherplatz und Kommunikationsdienste genutzt (ähnlich wie das öffentliche Stromnetz von der Einrichtung nur als Ressource für elektrische Leistung genutzt wird, ohne dadurch zu einem Bestandteil der Einrichtung zu werden). Die Bedien-App ist mit der Wärmepumpe oder einem gegebenenfalls vorhandenen externen Steuergerät der Einrichtung vorzugsweise über eine drahtlose Datenübertragungsstrecke (insbesondere mittels Bluetooth oder Mobilfunk) verbindbar. Die Bedien-App nutzt hierfür eine entsprechende Sende- und Empfangseinheit des Smartphones bzw. Computers.In a particularly preferred embodiment, the device comprises, in addition to the heat pump, a software application (operating app) which is intended and set up for configuration and/or remote control of the heat pump and which is available on a smartphone or computer (e.g. a notebook or tablet). can be installed. The smartphone or the computer are generally not part of the device according to the invention and are regularly manufactured and sold independently of the device. Rather, the smartphone or computer is only used by the facility as an external resource for computing power, storage space and communication services (similar to how the public power grid is only used by the facility as a resource for electrical power without becoming part of the facility). . The operating app can be connected to the heat pump or any external control device of the device, preferably via a wireless data transmission link (in particular via Bluetooth or mobile communications). For this purpose, the operating app uses a corresponding transmitting and receiving unit on the smartphone or computer.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform des Verfahrens werden die Soll-Temperatur des Wärmekreislaufs oder Wärmespeichers, nach der die Leistung der Wärmepumpe geregelt wird, oder eine Soll-Temperatur eines beheizten Objekts in Abhängigkeit von
- • der durchschnittlich zu erwartenden Sonneneinstrahlung oder Windstärke,
- • Prognosedaten der Sonneneinstrahlung oder Windstärke,
- • in Abhängigkeit von der tatsächlichen (insbesondere gemessenen) Sonneneinstrahlung bzw. Windstärke am Standort der Wärmepumpe oder
- • der gemessenen Leistung einer gegebenenfalls in der lokalen Stromverteilung vorhandenen Photovoltaikanlage bzw. Windkraftanlage
- • the average expected solar radiation or wind strength,
- • forecast data for solar radiation or wind strength,
- • depending on the actual (especially measured) solar radiation or wind strength at the location of the heat pump or
- • the measured output of a photovoltaic system or wind turbine that may be present in the local power distribution system
Die Soll-Temperatur wird vorzugsweise zusätzlich in Abhängigkeit von der tatsächlichen oder prognostizierten Lufttemperatur variiert. Die Soll-Temperatur wird dabei insbesondere umso höher eingestellt, je niedriger die gemessene oder prognostizierte Außentemperatur ist. Insbesondere wird die Soll-Temperatur dabei bereits vorausschauend (also mit zeitlichem Vorlauf) gegenläufig zu prognostizierten Temperaturveränderungen erhöht oder erniedrigt, um die in dem Wärmkreislauf oder Wärmespeicher und/oder einem beheizten Objekt gespeicherte Wärme proaktiv an zu erwartende Temperaturänderungen anzupassen. Beispielsweise wird ein Wärmespeicher und/oder ein beheiztes Objekt (z.B. ein Wohnhaus oder eine Gewerbeimmobilie) durch Erhöhung der Soll-Temperatur tagsüber bei verfügbarem Solarstrom und/oder geringer Netzauslastung besonders stark (z.B. um 2 °C über der gewöhnlichen Soll-Temperatur) aufgeheizt, wenn eine besonders kalte Nacht prognostiziert ist, um die während der Nacht benötigte Heizenergie zu reduzieren.The target temperature is preferably additionally varied depending on the actual or predicted air temperature. In particular, the target temperature is set higher the lower the measured or predicted outside temperature is. In particular, the target temperature is increased or decreased in advance (i.e. with a time lead) in the opposite direction to predicted temperature changes in order to proactively adapt the heat stored in the heating circuit or heat storage and/or a heated object to expected temperature changes. For example, a heat storage device and/or a heated object (e.g. a residential building or a commercial property) is heated up particularly strongly (e.g. by 2 °C above the usual target temperature) by increasing the target temperature during the day when solar power is available and/or there is low grid utilization. if a particularly cold night is forecast in order to reduce the heating energy required during the night.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird bei der Steuerung der Leistung der Wärmepumpe der Leistungsverbrauch mindestens eines weiteren elektrischen Verbrauchers in der lokalen Stromverteilung berücksichtigt, insbesondere der Leistungsverbrauch einer Ladestation zum Aufladen der Batterie eines Elektrofahrzeugs. Dabei wird insbesondere die von der Wärmepumpe und dem weiteren Verbraucher jeweils bezogene elektrische Leistung derart gesteuert, dass die von der Wärmepumpe und dem weiteren Verbraucher insgesamt bezogene elektrische Leistung oder die von der lokalen Stromverteilung aus dem Stromnetz bezogene Leistung einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten. Im Falle einer drohenden Überschreitung des Grenzwerts wird die Leistung der Wärmepumpe und/oder des weiteren elektrischen Verbrauchers erniedrigt. Beispielsweise wird die Leistung der Wärmepumpe und des weiteren elektrischen Verbrauchers in gleichem Verhältnis (z.B. jeweils um 20%) oder um den gleichen Betrag (z.B. jeweils um 1 A) erniedrigt. Alternativ werden bei der Erniedrigung der jeweiligen Leistung der Wärmepumpe und/oder des weiteren elektrischen Verbrauchers vorgegebene Prioritätsregeln berücksichtigt. Beispielsweise ist die Ladestation dazu eingerichtet, zum Beginn eines Ladezyklus bei drohender Überschreitung des Grenzwerts ein Prioritätssignal an die Wärmepumpe zu senden, aufgrund dessen die Wärmepumpe ihre Leistung vorübergehend herunterfährt. Dies ist unkritisch, da beheizte Objekte wie z.B. Wohnhäuser oder Gewerbeimmobilien, regelmäßig eine hohe thermische Kapazität aufweisen und daher eine zeitliche Verschiebung der Wärmeerzeugung ohne spürbare Einschränkungen der bedarfsgerechten Zurverfügungstellung von Heizleistung erfolgen kann.In an advantageous further development of the invention, the power consumption of at least one further electrical consumer in the local power distribution is taken into account when controlling the power of the heat pump, in particular the power consumption of a charging station for charging the battery of an electric vehicle. In particular, the heat pump and the other Ver The electrical power received by each consumer is controlled in such a way that the total electrical power received by the heat pump and the other consumer or the power obtained from the local power distribution from the power grid does not exceed a predetermined limit value. If the limit value is likely to be exceeded, the performance of the heat pump and/or the other electrical consumer is reduced. For example, the output of the heat pump and the other electrical consumer is reduced in the same ratio (e.g. by 20% each) or by the same amount (e.g. by 1 A each). Alternatively, predetermined priority rules are taken into account when reducing the respective output of the heat pump and/or the other electrical consumer. For example, the charging station is set up to send a priority signal to the heat pump at the start of a charging cycle if the limit value is about to be exceeded, as a result of which the heat pump temporarily reduces its output. This is not critical because heated objects such as residential buildings or commercial properties regularly have a high thermal capacity and therefore a time shift in heat generation can occur without noticeable restrictions on the needs-based provision of heating power.
Vorzugsweise kann eine Reduktion des Vorgabewerts, insbesondere eine Reduktion des Vorgabewerts auf null, durch einen Nutzerbefehl („Override-Befehl“) überschrieben werden, so dass durch den Nutzer - beispielsweise bei akutem Wärmebedarf - ein Betriebszyklus der Wärmepumpe mit einem höheren Betriebsstrom, insbesondere mit maximalem Betriebsstrom, erzwungen werden kann. Der Override-Befehl kann allerdings seitens des Netzbetreibers an eine besondere Gebühr oder einen besonderen Stromtarif gebunden sein. In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist die Wärmepumpe vor diesem Hintergrund dazu eingerichtet, den Override-Befehl an einen Netzbetreiber oder einen Stromzähler der lokalen Stromverteilung zu melden, um die besondere Gebühr bzw. den besonderen Stromtarif auszulösen.Preferably, a reduction of the default value, in particular a reduction of the default value to zero, can be overwritten by a user command (“override command”), so that the user - for example in the event of an acute heat requirement - can set an operating cycle of the heat pump with a higher operating current, in particular with maximum operating current, can be enforced. However, the override command may be tied to a special fee or a special electricity tariff by the network operator. In an expedient embodiment of the invention, the heat pump is set up against this background to report the override command to a network operator or an electricity meter of the local electricity distribution in order to trigger the special charge or the special electricity tariff.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist allgemein zur Durchführung des vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Ausführungsformen des Verfahrens korrespondieren daher mit entsprechenden Ausführungsformen der Einrichtung. Erläuterungen zu Varianten des Verfahrens und deren jeweilige Effekte und Vorteile sind entsprechend auf die Einrichtung zu übertragen, und umgekehrt.The device according to the invention is generally set up to carry out the method according to the invention described above. Embodiments of the method therefore correspond to corresponding embodiments of the device. Explanations of variants of the method and their respective effects and advantages must be transferred accordingly to the facility and vice versa.
Konkret umfasst die Einrichtung eine Wärmepumpe der vorstehend beschriebenen Art, die entweder unmittelbar oder mittelbar über eine lokale Stromverteilung (insbesondere eine elektrische Haustrominstallation) an ein öffentliches Stromnetz anschließbar und mit einem Betriebsstrom betreibbar ist. Die Einrichtung umfasst weiterhin eine Steuerelektronik, die dazu eingerichtet ist, den Betrieb der Wärmepumpe (und damit insbesondere die von der Wärmepumpe bezogene Stromstärke oder elektrische Leistung) zu steuern. Die Steuerelektronik ist dabei insbesondere dazu eingerichtet, die Leistung der Wärmepumpe zur geregelten Erzeugung von Wärmeenergie binär, kontinuierlich oder in mehreren Schritten zu variieren. Die Steuerelektronik ist weiterhin dazu eingerichtet, einen Vorgabewert des Betriebsstroms zeitlich variierend, insbesondere kontinuierlich oder in mehreren Stufen variierend, vorzugeben, so dass der Vorgabewert gegenläufig zu einer Netzauslastung des Stromnetzes variiert. Wie vorstehend beschrieben, limitiert hierbei der Vorgabewert den Betriebsstrom, legt also den Maximalwert der von der Wärmepumpe beziehbaren Stromstärke oder Leistung fest. Unter Berücksichtigung dieses den Betriebsstrom limitierenden Vorgabewerts variiert die Steuerelektronik die Leistung oder Stromstärke der Wärmepumpe insbesondere derart, dass eine Ist-Temperatur eines von der Wärmepumpe beheizten Wärmekreislaufs oder Wärmespeichers an eine vorgegebene Soll-Temperatur angeglichen wird.Specifically, the device comprises a heat pump of the type described above, which can be connected to a public power grid either directly or indirectly via a local power distribution (in particular an electrical house power installation) and can be operated with an operating current. The device further includes control electronics that are set up to control the operation of the heat pump (and thus in particular the current or electrical power drawn by the heat pump). The control electronics are set up in particular to vary the output of the heat pump for the controlled generation of thermal energy in a binary manner, continuously or in several steps. The control electronics is also set up to preset a default value of the operating current in a time-varying manner, in particular continuously or in several stages, so that the default value varies in the opposite direction to the network utilization of the power grid. As described above, the default value limits the operating current, i.e. sets the maximum value of the current or power that can be obtained from the heat pump. Taking into account this default value that limits the operating current, the control electronics varies the power or current of the heat pump in particular in such a way that an actual temperature of a heat circuit or heat storage heated by the heat pump is adjusted to a predetermined target temperature.
Vorzugsweise ist die Steuerelektronik dazu eingerichtet, den Vorgabewert der Betriebsstromstärke anhand einer in der Wärmepumpe oder einem externen Datenspeicher hinterlegten Betriebsstromkurve, insbesondere in Form einer zeitabhängigen mathematischen Funktion oder Stützpunkttabelle, zu bestimmen. Die Steuerelektronik ist vorzugsweise (vollständig) in der Wärmepumpe selbst integriert. In alternativer Ausführung ist die Steuerelektronik in einem externen Steuergerät angeordnet, das insbesondere mehrere Wärmepumpen gemeinsam steuert. In wiederum einer anderen alternativen Ausführung ist ein Teil der Steuerelektronik in der Wärmepumpe selbst integriert, während eine anderer Teil der Steuerelektronik in einem externen Steuergerät angeordnet ist.The control electronics are preferably set up to determine the default value of the operating current based on an operating current curve stored in the heat pump or an external data memory, in particular in the form of a time-dependent mathematical function or base table. The control electronics are preferably (completely) integrated into the heat pump itself. In an alternative embodiment, the control electronics are arranged in an external control device, which in particular controls several heat pumps together. In yet another alternative embodiment, part of the control electronics is integrated in the heat pump itself, while another part of the control electronics is arranged in an external control device.
Die Steuerelektronik umfasst vorzugsweise ein programmierbares Bauteil, z.B. einen Mikroprozessor oder Einplatinen-Computer, in dem eine die Funktionen der Steuerelektronik implementierende Software (Firmware) lauffähig installiert ist. Alternativ hierzu kann die Steuerelektronik auch durch einen nicht-programmierbaren Hardwareschaltkreis (z.B. in Form eines ASIC) gebildet sein. Wiederum alternativ kann die Steuerelektronik durch eine Kombination aus programmierbaren und/oder nicht-programmierbaren Komponenten gebildet sein.The control electronics preferably comprises a programmable component, e.g. a microprocessor or single-board computer, in which software (firmware) implementing the functions of the control electronics is installed and ready to run. Alternatively, the control electronics can also be formed by a non-programmable hardware circuit (e.g. in the form of an ASIC). Alternatively, the control electronics can be formed by a combination of programmable and/or non-programmable components.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Einrichtung ist als Betriebsstromkurve eine Netzauslastungskurve vorgegeben, die die durchschnittliche Netzauslastung an dem geographischen Standort der Wärmepumpe oder in dem abgegrenzten Netzbereich, in dem die Wärmepumpe angeschlossen ist, spezifisch wiedergibt. Die Steuerelektronik ist dabei dazu eingerichtet, den Vorgabewert anhand des Abstands eines aktuellen Werts der Netzauslastungskurve zu einem vorgegebenen Schwellwert zu bestimmen. Alternativ hierzu kann die Betriebsstromkurve im Rahmen der Erfindung auch so vorgegeben sein, dass sie gegenläufig zu der durchschnittlichen Netzauslastung an dem geographischen Standort bzw. dem abgegrenzten Netzbereich variiert.In an advantageous embodiment of the device, a network utilization curve is specified as the operating current curve, which specifically reflects the average network utilization at the geographical location of the heat pump or in the delimited network area in which the heat pump is connected. The control electronics are set up to determine the default value based on the distance between a current value of the network utilization curve and a predetermined threshold value. Alternatively, within the scope of the invention, the operating current curve can also be specified in such a way that it varies in the opposite direction to the average network utilization at the geographical location or the delimited network area.
Vorzugsweise ist die Steuerelektronik dazu eingerichtet, den Vorgabewert in Abhängigkeit von einer Information über die (aktuelle oder prognostizierte) tatsächliche Netzauslastung an dem geographischen Standort der Wärmepumpe oder in dem abgegrenzten Netzbereich, in dem die Wärmepumpe angeschlossen ist, zu variieren. Bei Feststellung einer hohen Netzauslastung wird hierbei insbesondere der Vorgabewert auf geringere Werte ausgeregelt als bei niedriger Netzauslastung.The control electronics are preferably set up to vary the default value depending on information about the (current or predicted) actual network utilization at the geographical location of the heat pump or in the delimited network area in which the heat pump is connected. If a high network utilization is determined, the default value in particular is adjusted to lower values than when the network utilization is low.
Die Steuerelektronik sind in vorteilhafter Ausführung dazu eingerichtet, als Information über die tatsächliche Netzauslastung Messdaten eines in die Wärmepumpe integrierten oder mit der Wärmepumpe verbundenen Netzspannungssensors oder Netzfrequenzsensors und/oder Prognosedaten bezüglich einer zu erwartenden Netzbelastung heranzuziehen. Die vorstehend genannten Sensoren können ein eigener Bestandteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ein. Alternativ kann die Steuerelektronik im Rahmen der Erfindung aber auch auf Daten externer Sensoren, z.B. Sensoren eines Smarthome-Systems, etc. zugreifen.In an advantageous embodiment, the control electronics are set up to use measurement data from a network voltage sensor or network frequency sensor integrated into the heat pump or connected to the heat pump and/or forecast data regarding an expected network load as information about the actual network load. The sensors mentioned above can be a separate component of the device according to the invention. Alternatively, within the scope of the invention, the control electronics can also access data from external sensors, e.g. sensors of a smart home system, etc.
Zusätzlich oder alternativ ist die Steuerelektronik zum (drahtlosen oder drahtgebundenen) Empfang eines von der Netzauslastung abhängigen Leitsignals eines Netzbetreibers eingerichtet. Die Steuerelektronik ist hierbei dazu eingerichtet, den Vorgabewert (gegebenenfalls auch) anhand des Leitsignals zu bestimmen.Additionally or alternatively, the control electronics are set up to receive (wirelessly or wired) a control signal from a network operator that depends on the network utilization. The control electronics are set up to determine the default value (if necessary) based on the control signal.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Steuerelektronik dazu eingerichtet, eine durch die Betriebsstromkurve, die Information über die tatsächliche Netzauslastung oder das Leitsignal des Energieversorgers veranlasste Änderung des Vorgabewerts, insbesondere eine Reduktion des Vorgabewerts auf null, mit einem Zeitversatz durchzuführen, und den Zeitversatz in einer für die Wärmepumpe oder den laufenden Betriebszyklus spezifischen Weise zu variieren. Insbesondere wird der Zeitversatz durch die Steuerelektronik dabei in Abhängigkeit einer Dauer eines laufenden Betriebszyklus, einer Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur eines von der Wärmepumpe versorgten Wärmekreislaufs oder Wärmespeichers, einer während des laufenden Betriebszyklus geladenen Energiemenge, oder einer Zufallszahl variiert.In an advantageous embodiment, the control electronics is set up to carry out a change in the default value, in particular a reduction of the default value to zero, with a time offset caused by the operating current curve, the information about the actual network utilization or the control signal from the energy supplier, and the time offset in a for to vary the heat pump or the current operating cycle in a specific way. In particular, the time offset is varied by the control electronics depending on a duration of an ongoing operating cycle, a difference between the actual temperature and the target temperature of a heat circuit or heat storage unit supplied by the heat pump, an amount of energy charged during the ongoing operating cycle, or a random number.
Optional sind die Wärmepumpe oder ein gegebenenfalls vorhandenes externes Steuergerät der Einrichtung mit einer Kommunikationselektronik, beispielsweise einem Mobilfunk-, LAN- und/oder WLAN-Adapter, zum drahtgebundenen oder drahtlosen Datenaustausch mit einem entfernten Server, insbesondere im Internet, ausgerüstet, z.B. um Prognosedaten bezüglich der zu erwartenden Netzbelastung selbstständig abzurufen.Optionally, the heat pump or any external control device of the device is equipped with communication electronics, for example a mobile radio, LAN and/or WLAN adapter, for wired or wireless data exchange with a remote server, in particular on the Internet, for example to provide forecast data regarding the expected network load independently.
Die Wärmepumpe umfasst weiterhin optional einen Empfänger für Signale eines globalen Positionsbestimmungssystems (z.B. einem GPS-Empfänger). Die Steuerelektronik ist hierbei dazu eingerichtet, den geographischen Standort der Wärmepumpe selbsttätig zu bestimmen. Alternativ ist die Steuerelektronik dazu eingerichtet, mittels des genannten Empfängers den geographischen Standort der Wärmepumpe durch Kommunikation mit einem Datenübertragungsnetzwerk (z.B. einem Mobilfunk oder WLAN-Netz) selbsttätig zu bestimmen. Wiederum alternativ wird der geographische Standort der Wärmepumpe im Rahmen der Erfindung manuell (z.B. mittels der vorstehend beschriebenen Bedien-App) in der Steuerelektronik hinterlegt. Wiederum alternativ kann der geographische Standort der Wärmepumpe im Rahmen der Erfindung automatisch durch die gegebenenfalls vorhandene Bedien-App ermittelt und an die Wärmepumpe übertragen oder bei der Erstellung der Betriebsstromkurve berücksichtigt werden. In besonders einfachen Ausführungen ist die Wärmepumpe alternativ ausschließlich für einen Offline-Betrieb vorgesehen. In diesen Ausführungen umfasst die Wärmepumpe vorzugsweise keine Schnittstellen zur Kommunikation mit einem WLAN- oder Mobilfunknetz.The heat pump also optionally includes a receiver for signals from a global positioning system (e.g. a GPS receiver). The control electronics are set up to automatically determine the geographical location of the heat pump. Alternatively, the control electronics is set up to automatically determine the geographical location of the heat pump by communicating with a data transmission network (e.g. a mobile phone or WLAN network) using the receiver mentioned. Alternatively, within the scope of the invention, the geographical location of the heat pump is stored manually in the control electronics (e.g. using the operating app described above). Alternatively, within the scope of the invention, the geographical location of the heat pump can be automatically determined by the operating app that may be present and transmitted to the heat pump or taken into account when creating the operating current curve. In particularly simple versions, the heat pump is alternatively intended exclusively for offline operation. In these versions, the heat pump preferably does not include any interfaces for communication with a WLAN or mobile phone network.
Die Wärmepumpe ist vorzugsweise mit einer Echtzeituhr ausgestattet, um den Vorgabewert in Abhängigkeit der Tageszeit sowie optional des Wochentages und/oder der Stellung des aktuellen Tages im Jahr zu ermitteln. Die Echtzeituhr ist vorzugsweise dazu ausgebildet, sich anhand eine GPS-Zeitsignals, eines GSM-Zeitsignal, eines Funkuhrsignals oder durch Kommunikation mit einem zeitweise mit der Wärmepumpe verbundenen Mobilgeräts bezüglich der Uhrzeit zu synchronisieren.The heat pump is preferably equipped with a real-time clock in order to determine the default value depending on the time of day and optionally the day of the week and/or the position of the current day of the year. The real-time clock is preferably designed to synchronize itself with respect to the time using a GPS time signal, a GSM time signal, a radio clock signal or through communication with a mobile device temporarily connected to the heat pump.
Eine Kommunikation zwischen der Wärmepumpe und einem Stromzähler oder sonstigen Strommessgerät ist bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht erforderlich und daher vorzugsweise auch nicht vorgesehen. Communication between the heat pump and an electricity meter or other electricity measuring device is not required in all of the exemplary embodiments described above and is therefore preferably not provided.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 in einem schematischen Blockschaltbild eine Einrichtung zum Betrieb einer Wärmepumpe, mit einer Wärmepumpe, die über eine lokale Stromverteilung (hier beispielhaft eine elektrische Haustrominstallation) an ein öffentliches Stromnetz anschließbar ist, wobei die Wärmepumpe einen den Betriebsstrom limitierenden Vorgabewert anhand einer hinterlegten, zeitabhängigen Netzauslastungskurve bestimmt, so dass der Vorgabewert gegenläufig zu dem durchschnittlichen Verlauf der Netzauslastung des Stromnetzes an dem geographischen Standort der Wärmepumpe variiert, -
2 in einem schematischen Diagramm gegen die Zeit drei typische Tagesverläufe der Netzauslastung im Winter, nämlich einen Tagesverlauf der Netzauslastung für einen Werktag (durchgezogene Linie), einen Tagesverlauf der Netzauslastung für einen Samstag (gestrichelte Linie) und einen Tagesverlauf der Netzauslastung für einen Sonntag (strichpunktierte Linie), -
3 in zwei übereinander angeordneten, chronologischen Diagrammen den Tagesverlauf der Netzauslastung für einen Werktag aus2 sowie einen oberen Schwellwert und einen unteren Schwellwert für die Netzauslastung (oberes Diagramm) und den Verlauf des aus dem Abstand der Netzauslastung zu dem oberen Schwellwert abgeleiteten Vorgabewerts der Betriebsstromstärke (unteres Diagramm), -
4 in Darstellung gemäß3 wiederum den Tagesverlauf der Netzauslastung für einen Werktag aus2 (oberes Diagramm) sowie den Verlauf des Vorgabewerts der Betriebsstromstärke (unteres Diagramm), wobei der Vorgabewert nach einem alternativen Verfahren aus dem Abstand der Netzauslastung zu dem oberen Schwellwert abgeleitet ist, und -
5 in Darstellung gemäß3 und4 wiederum den Tagesverlauf der Netzauslastung für einen Werktag aus2 (oberes Diagramm) sowie den Verlauf des Vorgabewerts der Betriebsstromstärke (unteres Diagramm), wobei bei der Bestimmung des Vorgabewerts zusätzlich die durchschnittliche Änderung der Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf berücksichtigt ist.
-
1 in a schematic block diagram a device for operating a heat pump, with a heat pump that can be connected to a public power grid via a local power distribution (here, for example, an electrical house power installation), the heat pump determining a default value that limits the operating current based on a stored, time-dependent grid utilization curve, so that the default value varies in the opposite direction to the average course of the network utilization of the electricity network at the geographical location of the heat pump, -
2 in a schematic diagram against time, three typical daily patterns of network utilization in winter, namely a daily pattern of network utilization for a working day (solid line), a daily pattern of network utilization for a Saturday (dashed line) and a daily pattern of network utilization for a Sunday (dash-dotted line). ), -
3 shows the daily course of network utilization for a working day in two chronological diagrams arranged one above the other2 as well as an upper threshold value and a lower threshold value for the network utilization (upper diagram) and the course of the default value of the operating current derived from the distance between the network utilization and the upper threshold value (lower diagram), -
4 in representation according to3 in turn shows the daily course of network utilization for a working day2 (upper diagram) and the course of the default value of the operating current (lower diagram), whereby the default value is derived according to an alternative method from the distance between the network utilization and the upper threshold value, and -
5 in representation according to3 and4 in turn shows the daily course of network utilization for a working day2 (upper diagram) as well as the course of the default value of the operating current (lower diagram), whereby the average change in solar radiation over the course of the day is also taken into account when determining the default value.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numbers in all figures.
Bei der Wärmepumpe 4 handelt es sich in dem dargestellten Beispiel um eine Inverter-Wärmepumpe. Die Wärmepumpe 4 umfasst hierbei einen mit einem elektrischen Drehstrommotor betriebenen Kompressor 16, der mittels eines vorgeschalteten Umrichters 18 (Inverter) mit einem Antriebsstrom IA (z.B. in Form eines dreiphasigen Drehstroms variabler Frequenz) versorgt wird. Der Umrichter 18 ist wiederum an eine Hauptstromleitung 24 der Hausstrominstallation 8 angeschlossen. Die Wärmepumpe 4 umfasst außerdem eine Steuerelektronik 26, die beispielsweise durch einen Mikrocontroller oder einen Einplatinen-Computer gebildet ist. Die nachstehend näher beschriebenen Funktionen der Steuerelektronik 26 sind dabei in Form einer Software (Firmware 28) implementiert, die lauffähig in der Steuerelektronik 26 installiert ist. Die Steuerelektronik 26 ist über eine Datenleitung 30 mit dem Umrichter 18 verbunden.In the example shown, the heat pump 4 is an inverter heat pump. The heat pump 4 here comprises a
Die Steuerelektronik 26 umfasst weiterhin eine nur angedeutete erste Sende- und Empfangseinheit (Transceiver 34), die eine drahtlose Kommunikation der Steuerelektronik 26 mit weiteren elektronischen Geräten, z.B. mittels Bluetooth, ermöglicht.The
Optional umfasst die Steuerelektronik 26 weiterhin eine ebenfalls nur angedeutete zweite Sende- und Empfangseinheit (Transceiver 36), die eine drahtlose Kommunikation der Steuerelektronik 26 mit einer Leitstelle des Netzbetreibers, ermöglicht. Der Transceiver 36 ist beispielsweise als Mobilfunk- oder WLAN-Transceiver ausgebildet und stellt eine datenübertragungstechnische Verbindung mit der Leitstelle über ein Mobilfunknetz bzw. über das Internet her. Zusätzlich oder alternativ zu dem Transceiver 36 umfasst die Steuerelektronik 26 eine Schnittstelle zur drahtgebundenen Kommunikation mit der Leitstelle. Bei der Leitstelle handelt es sich vorzugsweise um eine technische (insbesondere vollautomatisierte) Einrichtung welche die Netzauslastung erfasst und den Zustand mittels eines Leitsignals übermittelt. Die Leitstelle kann an beliebiger Stelle im Stromnetz angeordnet sein, beispielsweise in einem Netzverknüpfungspunkt zwischen zwei Netzebenen, z.B. also einem Umspannwerk oder einer Transformatorstation.Optionally, the
Im Betrieb der Wärmepumpe 4 wird dem Umrichter 18 über die Hauptstromleitung 24 ein Betriebsstrom IB zugeführt.During operation of the heat pump 4, an operating current I B is supplied to the
Die Steuerelektronik 26 regelt im Betrieb der Wärmepumpe 4 die Leistung des Kompressors 16 durch entsprechende Ansteuerung des Umrichters 18 derart an, dass eine mittels eines Temperaturfühlers 37 gemessene Ist-Temperatur TI des Wärmespeichers 6 - vorzugsweise mit einer vorgegebenen Hysterese - an eine vorgegebene Soll-Temperatur Ts angeglichen wird. Bei dieser Regelung beachtet die Steuerelektronik 26 als weitere Bedingung, dass die Stromstärke des Betriebsstroms IB einen Vorgabewert V nicht überschreitet. Der Vorgabewert V legt somit die maximale Stromstärke des Betriebsstroms IB fest, die die Wärmepumpe 4 aus der Hausstrominstallation 8 beziehen kann.During operation of the heat pump 4, the
Der Vorgabewert V wird von der Steuerelektronik 26 im Beispiel gemäß
Die Steuerelektronik 26 bestimmt den Vorgabewert V dabei anhand einer in der Wärmepumpe 4 selbst (insbesondere in einem Datenspeicher der Steuerelektronik 26) in Abhängigkeit von der Zeit t hinterlegten Betriebsstromkurve.The
In dem in
Der Darstellung gemäß
Diese Unterschiede der durchschnittlichen Netzauslastung im Wochen-, Monats- und/oder Jahresverlauf werden bei der Bestimmung des Vorgabewerts V dadurch berücksichtigt, dass die Netzauslastungskurve A vorzugsweise über das gesamte (Kalender-) Jahr definiert ist. Beispielsweise ist die Netzauslastungskurve A in Form einer Stützstellentabelle realisiert, die im Rahmen einer vorgegebenen zeitlichen Auflösung (z.B. im Abstand von jeweils 5 Minuten) für jeden Zeitpunkt im Jahresverlauf einen bestimmten zugeordneten Wert aufweist. Die Steuerelektronik 26 weist beispielsweise eine Echtzeituhr auf und liest anhand der von dieser Uhr ausgegebenen Zeit t (also z.B. alle 5 Minuten) sukzessive Wert für Wert aus der Stützstellentabelle aus.These differences in the average network utilization over the course of the week, month and/or year are taken into account when determining the default value V in that the network utilization curve A is preferably defined over the entire (calendar) year. For example, the network utilization curve A is implemented in the form of a support point table, which is within the framework of a specified time resolution (e.g every 5 minutes) has a specific assigned value for each point in time during the year. The
Die Steuerelektronik 26 bestimmt dabei den Vorgabewert V, indem sie den aktuellen Wert A(t) der hinterlegten Netzauslastungskurve A von einem vorgegebenen Schwellwert Amax subtrahiert und - vorzugsweise - die Differenz mit einem vorgegebenen Proportionalitätsfaktor k multipliziert:
Aus den obigen Gleichungen ist ersichtlich, dass der Vorgabewert V auf null erniedrigt wird, wenn der aktuelle Wert A(t) der hinterlegten Netzauslastungskurve A den Schwellwert Amax überschreitet. Andererseits wird der Vorgabewert V bei geringer Netzauslastung auf den Maximalwert Vmax begrenzt.From the above equations it can be seen that the default value V is reduced to zero when the current value A(t) of the stored network utilization curve A exceeds the threshold value A max . On the other hand, the default value V is limited to the maximum value V max when the network load is low.
Dieses Verfahren zur Bestimmung des Vorgabewerts V ist in den beiden Diagrammen der
Dies ist aus dem unteren Diagramm der
In dem Vergleich der beiden Diagramme der
Während einer von zwei Zeitpunkten t4 und t5 begrenzten Zeitspanne zwischen dem Mittags-Peak und dem Abend-Peak, z.B. etwa zwischen 15:00 Uhr und 16:30 Uhr, fällt die durchschnittliche Netzbelastung in dem dargestellten Beispiel vorübergehend unter den zweiten Schwellwert Amin ab, so dass in diesem Zeitintervall der Vorgabewert V wieder auf den Maximalwert Vmax gesetzt wird. Während des Abend-Peaks, zwischen Zeitpunkten t6 und t7 (z.B. zwischen 17:45 Uhr und 19:45 Uhr), überschreitet die Netzauslastung den oberen Schwellwert Amax. Entsprechend setzt die Steuerelektronik 26 den Vorgabewert V in dieser Zeitspanne auf null und unterbricht somit einen ggf. laufenden Betriebszyklus der Wärmepumpe 4. Zu einem Zeitpunkt t8 (z.B. etwa um 22:15) fällt die durchschnittliche Netzauslastung unter den zweiten Schwellwert Amin, so dass der Vorgabewert V wieder auf den Maximalwert Vmax gesetzt wird.During a time period limited by two times t 4 and t 5 between the midday peak and the evening peak, for example between 3:00 p.m. and 4:30 p.m., the average network load in the example shown temporarily falls below the second threshold value A min , so that the default value V is set back to the maximum value V max in this time interval. During the evening peak, between times t 6 and t 7 (e.g. between 5:45 p.m. and 7:45 p.m.), the network utilization exceeds the upper threshold value A max . Accordingly, the
In einer Variante der Einrichtung 2 erhält die Steuerelektronik 26 über ein Mobilfunknetz oder das Internet und den Transceiver 36 ein von der tatsächlichen Netzauslastung abhängiges Leitsignal des Netzbetreibers, das einen Richtwert für den Vorgabewert V festlegt und das von der Steuerelektronik 26 alternativ oder zusätzlich zu der hinterlegten Netzauslastungskurve A berücksichtigt wird. Beispielsweise ist die Steuerelektronik 26 dazu eingerichtet, den Vorgabewert V immer dann anhand des Leitsignals zu bestimmen, wenn dieser zur Verfügung steht, und alternativ den Vorgabewert V anhand der hinterlegten Netzauslastungskurve A zu bestimmen. Die Ausführung der Steuerelektronik 26 ermöglicht, dieselbe Wärmepumpe 4 sowohl online (mit Verbindung zu der Leitstelle des Netzbetreibers) als auch offline (ohne Verbindung zu der Leitstelle des Netzbetreibers) netzfreundlich zu betreiben.In a variant of the device 2, the
In einer weiteren Variante der Einrichtung 2 bestimmt die Steuerelektronik 26 den Vorgabewert V grundsätzlich in der vorstehend beschriebenen und in
Der Zeitversatz ist dabei für jede Wärmepumpe 4, und bevorzugt auch für jeden Abschaltvorgang, unterschiedlich gewählt. Beispielsweise wird der Zeitversatz in Abhängigkeit von der Dauer eines laufenden Betriebszyklus oder von einer während des laufenden Betriebszyklus geladenen Energiemenge variiert. Bevorzugt wird der Zeitversatz in Abhängigkeit von der Differenz der gemessenen Ist-Temperatur TI des Wärmespeichers 6 von der Soll-Temperatur Ts variiert. Der Zeitversatz wird dabei insbesondere umso kürzer gewählt, je stärker die Ist-Temperatur TI unter der Soll-Temperator TS liegt und je größer somit der durch die Wärmepumpe 6 zu deckende Wärmebedarf ist. In einer alternativen Ausführung der Erfindung wird der Zeitversatz nach Maßgabe einer Zufallszahl bestimmt, wobei diese Zufallszahl entweder einmalig und spezifisch für jede Wärmepumpe 4 oder bei jedem Abschaltvorgang erneut bestimmt wird. Durch beide oben beschriebenen Maßnahmen wird der Effekt erzielt, dass mehrere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Wärmepumpen 4 auch unter gleichen Netzbedingungen in der Regel nicht gleichzeitig den Vorgabewert auf null absenken. Somit werden schockartige Änderungen der Netzbelastung infolge gleichzeitiger Abschaltung einer Vielzahl von Wärmepumpen 4 vermieden.The time offset is selected differently for each heat pump 4, and preferably also for each shutdown process. For example, the time offset is varied depending on the duration of an ongoing operating cycle or on an amount of energy charged during the ongoing operating cycle. The time offset is preferably varied depending on the difference between the measured actual temperature T I of the
In einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung 2 wird die Änderungsrate des Vorgabewerts V auf vorgegebenen Grenzwerte, z.B. auf maximal 1 Ampere pro Minute für die Erniedrigung des Vorgabewerts V und maximal 0,5 Ampere pro Minute für die Erhöhung des Vorgabewerts V, begrenzt. Dies führt bei dem in
Zur Konfiguration der Wärmepumpe 4 weist die Einrichtung 2 gemäß
Vor der Inbetriebnahme der Wärmepumpe 4 wird die Bedien-App 40 mit der Firmware 28 der Steuerelektronik 26 über eine insbesondere drahtlose Datenübertragungsstrecke 44 (vorzugsweise mittels Bluetooth) verbunden. Die Bedien-App 40 greift hierbei auf eine entsprechende Sende- und Empfangseinheit des Smartphones 42 zu, die eine datenübertragungstechnische Verbindung zu dem Transceiver 34 der Wärmepumpe 4 herstellt.Before the heat pump 4 is put into operation, the operating
Mittels der Bedien-App 40 kann dann ein Nutzer (insbesondere ein Techniker oder ein Besitzer der Wärmepumpe 4) die spezifisch für den Standort der Wärmepumpe 4 berechnete Netzauslastungskurve A in einem Speicher der Steuerelektronik 26 abspeichern. Die Netzauslastungskurve A wird vorzugsweise zuvor durch den Netzbetreiber oder einen Dienstleister berechnet und über das Internet auf das Smartphone 42 heruntergeladen. Im Betrieb der Wärmepumpe 4 ist eine datenübertragungstechnische Verbindung der Wärmepumpe 4 zu der Bedien-App 40 nicht erforderlich und regelmäßig auch nicht vorhanden. Allerdings dient die Bedien-App 40 optional auch als Fernbedienung für Wärmepumpe 4, z.B. zum manuellen Auslösen oder Abbrechen von Betriebszyklen oder zur Einstellung der Soll-Temperatur, und wird in diesem Fall in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen vorübergehend mit der Wärmepumpe 4 verbunden.Using the operating
In einer Variante der Einrichtung 2 wird anstelle einer unveränderlichen Netzauslastungskurve A eine Langzeitprognose der zu erwartenden Netzauslastung als Netzauslastungskurve A in die Steuerelektronik 26 eingespeichert. Von der durchschnittlichen Netzauslastung unterscheidet sich die Langzeitprognose dadurch, dass absehbare Abweichungen von den Durchschnittswerten der Netzauslastung, z.B. aufgrund von absehbaren Wetterereignissen, in der Netzauslastungskurve A berücksichtigt werden. In der Regel weicht die Langzeitprognose dabei um so stärker von der durchschnittlichen Netzauslastung ab und gibt die tatsächliche Netzauslastung um so genauer wieder, je näher der prognostizierte Zeitpunkt an der Gegenwart liegt. Für Zeitpunkte in weiter entfernter Zukunft geht die Langzeitprognose dagegen in die durchschnittliche Netzausauslastung über.In a variant of the device 2, instead of an unchanging network utilization curve A, a long-term forecast of the expected network utilization is stored as a network utilization curve A in the
Die anhand der Langzeitprognose berechnete Netzauslastungskurve A wird durch den Netzbetreiber oder Dienstleister in kurzen Zeitabständen (z.B. alle zwei Stunden) aktualisiert. Die aktualisierte Netzauslastungskurve A wird immer dann von der Bedien-App 40, z.B. über das Internet, heruntergeladen und in dem Speicher der Steuerelektronik 26 der Wärmepumpe 4 abgespeichert, wenn die Bedien-App 40 mit der Steuerelektronik 26 verbunden ist.The network utilization curve A, which is calculated based on the long-term forecast, is updated by the network operator or service provider at short intervals (e.g. every two hours). The updated network output The curve A is always downloaded from the operating
In einer weiteren Variante der Erfindung misst die Steuerelektronik 26 fortlaufend den Betrag der Netzspannung U als Maß für die tatsächliche Netzauslastung. Sie vergleicht dabei die tatsächliche Netzauslastung mit durchschnittlichen Netzauslastung (also dem aktuellen Wert der hinterlegten Netzauslastungskurve) und korrigiert den Vorgabewert V bei signifikanten Abweichung nach. Beispielsweise ist hierzu der Proportionalitätsfaktor k in der vorstehenden Gleichung als Funktion der gemessenen Netzspannung U und der Netzauslastungskurve A definiert:
In einer weiteren Ausführung der Einrichtung 2 wird bei der Ermittlung des Vorgabewerts V zusätzlich berücksichtigt, ob die Hausstrominstallation 8 eine PV-Anlage 14 umfasst. In diesem Fall wird beispielsweise Proportionalitätsfaktor k in der vorstehenden Gleichung als Funktion der durchschnittlichen Sonneneinstrahlung S im Tagesverlauf definiert
Bei der Bestimmung der Funktion k(S(t)) können neben der Sonneneinstrahlung S insbesondere auch folgende Parameter der PV-Anlage 14 berücksichtigt werden:
- a) geographischer Standort der Wärmepumpe 4, z.B. in Form einer Postleitzahl
- b) optional Nennleistung der PV-
Anlage 14, - c) optional Neigung der PV-
Anlage 14, und - d) optional geographische Ausrichtung der PV-
Anlage 14 bezüglich der Himmelsrichtungen (insbesondere Azimutwinkel).
- a) geographical location of the heat pump 4, for example in the form of a postal code
- b) optional nominal power of the
PV system 14, - c) optional inclination of the
PV system 14, and - d) optional geographical alignment of the
PV system 14 with respect to the cardinal points (in particular azimuth angles).
Die Bestimmung der Funktion k kann wahlweise direkt durch die Bedien-App 40 erfolgen oder durch den Netzbetreiber oder einen Dienstleister vorgenommen werden.The function k can either be determined directly by the operating
Alternativ hierzu kann die Variation der Sonneneinstrahlung direkt in die Netzauslastungskurve A oder eine hieraus berechnete Betriebsstromkurve einberechnet werden.Alternatively, the variation in solar radiation can be included directly in the network utilization curve A or an operating current curve calculated from this.
Alle vorstehend beschriebenen Varianten haben zur Folge, dass in Hausstrominstallationen 8 mit PV-Anlage 14 bei gegebener Netzauslastung im Falle einer hohen durchschnittlichen Sonneneinstrahlung (insbesondere über die Tagesmitte) der Vorgabewert V der Betriebsstromstärke höher eingestellt wird als in Hausstrominstallationen 8 ohne PV-Anlage 14. Dieser Effekt ist in
Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese Ausführungsbeispiele aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die an den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale des Verfahrens und der Einrichtung im Rahmen der Ansprüche auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.The invention is particularly clear from the exemplary embodiments described above, but is not limited to these exemplary embodiments. Rather, further embodiments of the invention can be derived from the claims and the above description. In particular, the individual features of the method and the device described in the above exemplary embodiments can also be combined with one another in a different way within the scope of the claims.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 22
- EinrichtungFurnishings
- 44
- WärmepumpeHeat pump
- 66
- WärmespeicherHeat storage
- 88th
- HausstrominstallationHouse electricity installation
- 1010
- NetzverknüpfungspunktNetwork connection point
- 1212
- Stromnetzpower grid
- 1414
- PV-AnlagePV system
- 1616
- Kompressorcompressor
- 1818
- UmrichterInverter
- 2424
- HauptstromleitungMain power line
- 2626
- SteuerelektronikControl electronics
- 2828
- FirmwareFirmware
- 3030
- DatenleitungData line
- 3434
- TransceiverTransceivers
- 3636
- TransceiverTransceivers
- 3737
- TemperaturfühlerTemperature sensor
- 3838
- PfeilArrow
- 4040
- Bedien-AppOperating app
- 4242
- SmartphoneSmartphone
- 4444
- Datenübertragungsstrecke Data transmission route
- tt
- ZeitTime
- t1-t8t1-t8
- Zeitpunkttime
- IAIA
- AntriebsstromDrive current
- IBIB
- BetriebsstromOperating current
- AA
- NetzauslastungskurveNetwork utilization curve
- AmaxAmax
- SchwellwertThreshold
- AminAmine
- SchwellwertThreshold
- SS
- SonneneinstrahlungSunlight
- TIT.I
- Ist-TemperaturActual temperature
- TsTs
- Soll-TemperaturTarget temperature
- UU
- NetzspannungMains voltage
- Vv
- VorgabewertDefault value
- VmaxVmax
- MaximalwertMaximum value
- VminVmin
- MinimalwertMinimum value
- WW
- Wärmewarmth
Claims (17)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022203456.2A DE102022203456A1 (en) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | Grid-friendly load management for a heat pump |
Publications (1)
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---|---|
DE102022203456A1 true DE102022203456A1 (en) | 2023-10-12 |
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ID=88094320
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102022203456.2A Pending DE102022203456A1 (en) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | Grid-friendly load management for a heat pump |
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Country | Link |
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-
2022
- 2022-04-06 DE DE102022203456.2A patent/DE102022203456A1/en active Pending
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