DE202007002733U1

DE202007002733U1 - Anlage zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie zwischen wärmetechnischen Betriebsmitteln mit abgestuften Temperaturniveaus in einem Gebäude und Steigerung zum Betrieb einer solchen Anlage

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Publication number: DE202007002733U1
Application number: DE202007002733U
Authority: DE
Original assignee: GROS HERMANN
Current assignee: GROS HERMANN
Priority date: 2007-02-24
Filing date: 2007-02-24
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2017-02-25
Also published as: DE202007002733U8; DE102008000392A1; DE102008000392B4

Abstract

Anlage zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie in einem Gebäude, welche als wärmetechnische Betriebsmittel mindestens eine Wärmeenergiequelle (EQ), Wärmeenergiespeicher (ES) und Wärmeenergieverbraucher (EV) mit abgestuften Temperaturniveaus aufweist, gekennzeichnet durch eine zentrale Ringleitung (RL) mit einer Umwälzpumpe (UP) zur Zirkulation eines Wärmeenergie tragenden Mediums, woran alle wärmtechnischen Betriebsmittel (EQ, ES, EV) des Gebäudes über jeweils zumindest ein zugeordnetes Ventil (V11... V17; V2) zu- bzw. wegschaltbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie in einem Gebäude, welche als wärmetechnische Betriebsmittel mindestens eine Wärmeenergiequelle, Wärmeenergiespeicher und Wärmeenergieverbraucher mit abgestuften Temperaturniveaus aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerung zum Betrieb einer derartigen Anlage.
Einzelne Anlagen und Geräte zur Erwärmung und Kühlung von Raumluft und Brauchwasser in neu zu errichtenden oder energetisch zu sanierenden Gebäuden sind vielfältig bekannt. So werden in Gebäuden einzelne Anlagen z.B. zur Niedertemperaturbeheizung, wie Fußboden-, Wand- oder Deckenheizkreise, Solaranlagen, Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung, Wärmepumpen und Abwasserbehälter mit Wärmerückgewinnung eingebaut. Dabei wird sorgfältig die energetische Wirtschaftlichkeit einer jeden einzelnen Anlage für sich optimiert. So ist es, um nur ein Beispiel zu nennen, bekannt, dass durch Anhebung der Temperatur der Wärmequelle bei einer Wärmepumpenanlage eine Steigerung von deren Leistungszahl erreicht werden kann. Eine solche Optimierungsmaßnahme kommt zwar der jeweiligen Anlage zu Gute. Dennoch arbeiten die in einem Gebäude integrierten Systeme zur Beheizung, Kühlung und Belüftung vielfach energetisch parallel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Anlage und eine zu deren Betrieb geeignete Steuerung zu schaffen, mit der die Wärmeenergieströme in einem Gebäude oder in zusammenhängenden Gebäudekomplexen durch ein ganzheitliches Energiemanagement erheblich besser ausgenutzt, und damit die bei der Erzeugung, Verteilung und dem Einsatz von Wärmeenergie auftretenden Verluste für das gesamte Gebäude erheblich reduziert werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen der im Anspruch 1 angegebenen Anlage gelöst. Diese weist eine zentrale Ringleitung mit einer Umwälzpumpe zur Zirkulation eines Wärmeenergie tragenden Mediums auf. An diese Ringleitung sind alle wärmtechnischen Betriebsmittel des Gebäudes über jeweils zumindest ein zugeordnetes Ventil zu- bzw. wegschaltbar.
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht eine energetisch optimale und dynamische, d.h. bedarfsabhängige, Vernetzung aller wärmtechnischen Betriebsmittel in einem Gebäude, welche zur Erzeugung, Speicherung und Nutzung, d.h. der gezielten Abgabe bzw. dem Verbrauch, von Wärmeenergie dienen. Es ist damit eine zentrale und insbesondere stufenlose Wärmeübertragung zwischen Betriebsmitteln mit abgestuften Temperaturniveaus, d.h. unterschiedlichen Temperatur-Nutz- und Speicherbereichen, möglich. Hierzu sind die Betriebsmittel über eine Ringleitung, in der ein Wärmeenergie tragendes Medium mittels einer Umwälzpumpe zirkuliert, kaskadenartig miteinander verbindbar. Auf Grund von deren abgestuften Temperaturniveaus kann eine optimale Be- und Entladung der Betriebsmittel mit Wärmeenergie anwendungsabhängig und u. U. auch gleichzeitig erfolgen. Hierzu können in jedem einzelnen Anwendungsfall die jeweils benötigten Betriebsmittel über jeweils ein zugeordnetes Ventil in die Ringleitung zu- bzw. weggeschaltet werden. Es können somit beliebige, leistungssteigernde Kombinationen einzelner Betriebsmittel, die möglichst benachbarte Temperaturbereiche aufweisen, nacheinander aktiviert und so zusammengeschaltet werden, dass die jeweils größtmögliche Energieeffizienz gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht somit eine kaskadenmäßige Verschaltbarkeit von allen wärmetechnischen Betriebsmitteln in einem Gebäude zu einem Gesamtsystem mit unterschiedlichen, möglichst fein abstufbaren Temperaturzonen. Mit dieser Wärmeenergiekaskade aus zentraler Ringleitung mit Umwälzpumpe und daran über Ventile kettenartig zu- bzw. abschaltbaren Betriebsmitteln wird eine vollständige Bündelung aller Wärmeenergieströme in einem Gebäude zu einem zentralen System zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärme energie erreicht. Es ist damit eine nahezu beliebige Kombination von Betriebsmitteln in Verbindung mit einer bedarfsorientierten Nutzung von Nieder- und Tieftemperaturbereichen möglich, so dass eine energiesparende Gesamtanlage zur Versorgung mit Wärmeenergie entsteht.
So können einerseits Betriebsmittel kaskadenartig so zusammengeschaltet werden, dass eine große Temperaturdifferenz z.B. zwischen einer Wärmeenergiequelle und einem Wärmeenergieverbraucher auftritt. Die Wärmeenergie kann in diesem Falle mit größter Effizienz ausgenutzt werden. Andererseits können auch Betriebsmittel kaskadenartig so zusammengeschaltet werden, dass ein möglichst kleines Temperaturgefälle z.B. zwischen einem Wärmeenergiespeicher und einem Wärmeenergieverbraucher auftritt. Es ist damit möglich, auch Restenergie aufzubrauchen, ohne zu frühzeitig auf die Energien in Wärmespeichern mit höherem Temperaturniveau oder Wärmeenergiequellen zurückgreifen zu müssen.
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht bei einem entsprechenden Ausbau der Ringleitung auch eine Einbeziehung von bislang nicht oder nur unvollständig genutzte Energiequellen und Energiespeichern, wie z.B. Energie aus Abwässern, Regenwasser, Abgasen, Abluft und auch aus dem, insbesondere das jeweilige Gebäude umgebenden, Erdreich. Diese Betriebsmittel können teilweise sowohl als Wärmeenergiespeicher als auch als Wärmeenergiequellen benutzt werden. So kann z.B. Restwärme aus einem Abwassersammelbehälter entnommen und über das in der Ringleitung zirkulierende Medium z.B. einem Heizregister für Raumluft zugeführt werden. Andererseits kann aber auch temporär z.B. die von einem Sonnenkollektor nach Sonnenuntergang aufgenommene Wärmemenge über die Ringleitung in einen Erdspeicher geleitet und dort zwischengespeichert werden.
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht in einfacher Weise die Einspeisung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie eines oder mehrerer Wärmeenergiequellen gleichzeitig oder nacheinander zu jedem an der Ringleitung angeschlossenen Speicher bzw. Verbraucher. Es können Wärmeenergiequellen, Wärmeenergiespeicher und Wärmeenergieverbraucher beliebig kaskadenartig mitein ander verschalten werden. Im Prinzip ist es mit der Anlage möglich, jede gespeicherte Wärmeenergiemenge aus unterschiedlichen Wärmeenergiespeichern zu jeder Zeit auf beliebige Wärmeenergieverbraucher zu übertragen. Die Effizienz bei der Wärmeenergieerzeugung, -speicherung, -verteilung und -nutzung wird dadurch wesentlich verbessert. Des Weiteren wird nur die elektrische Energie für eine einzige Antriebseinheit benötigt, nämlich für die Umwälzpumpe in der zentralen Ringleitung. Weiterhin ist es möglich, jede gewünscht vorteilhafte Temperaturdifferenz zur Ertrags- und Leistungssteigerung einer beliebigen Wärmeenergiequelle zu erreichen und/oder zu halten. Weiterhin kann vorhandene Wärmeenergie vollständig und auch mit tiefer Nutztemperatur auf die jeweils unterschiedlichen Wärmeenergiespeicher und -verbraucher übertragen werden. Weiterhin können z.B. Wärmerückgewinnungsanlagen und regenerative bzw. alternative Wärmeenergiequellen als weitere Betriebsmittel an die Ringleitung der Anlage angeschlossen werden. Schließlich können auf Grund der unmittelbaren und bedarfsorientierten Umverteilung von Wärmeenergiemengen über die zentrale Ringleitung und des überwiegend niedrigen Temperaturniveaus auch die Speicherverluste reduziert werden. Schließlich kann ein bedarfs- und nutzungsorientiertes Steuer- und Regelsystem eingesetzt werden, womit gezielt vorbestimmte Wärmeenergiemengen erzeugt, zwischengespeichert und umverteilt werden können.
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht somit eine erheblich verbesserte Nutzung von allen in einem Gebäude zirkulierenden Wärmeenergieströmen. Dabei wird bei der Erfindung unter dem Begriff Wärmeenergie thermische Energie verstanden. Deren Fluss bewirkt abhängig von der jeweiligen Richtung in bekannter Weise eine Erwärmung oder auch Abkühlung im Inneren von kaskadenartig zusammen geschalteten wärmetechnischen Betriebsmitteln. Die Temperatur im Inneren z.B. eines Wärmeenergiespeichers nimmt also z.B. ab, wenn daraus mit Hilfe des Wärmeenergie tragenden Mediums Wärmeenergie entnommen wird, während in Folge davon die Temperatur z.B. im Inneren eines Wärmeenergieverbrauchers oder anderen Betriebsmittels zunimmt.
Weitere Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung betrifft zudem eine Steuerung zum Betrieb einer derartigen Anlage. Diese und weitere vorteilhafte Ausführungsformen derselben werden an Hand der kurz angeführten Figuren nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen
1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Kaskade von Wärmeenergiequellen, Wärmeenergiespeichern und Wärmeenergieverbrauchern, welche über eine zentrale Ringleitung mit zentraler Umwälzpumpe miteinander verschaltbar sind,
2 das Prinzipschaltbild von 1, welches um eine Steuerung, Messeinrichtungen und diese verbindende Fühlerleitungen erweitert ist, und
3 eine praktische Anwendung der Erfindung am Beispiel einer Gebäudeenergieanlage.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Anlage gemäß der Erfindung. Dabei ist eine zentrale Ringleitung RL vorhanden, in der ein Wärmeenergie tragendes Medium mittels einer Umwälzpumpe UP zirkuliert wird. An der Ringleitung RL sind alle wärmetechnischen Betriebsmittel eines Gebäudes in der Art einer Kette angeordnet und können je nach Bedarf und Verfügbarkeit über jeweils zumindest ein zugeordnetes Ventil aktiviert bzw. deaktiviert werden. Bei diesen wärmetechnischen Betriebsmitteln handelt es sich um Wärmeenergiequellen EQ, Wärmeenergiespeicher ES und Wärmeenergieverbraucher EV, welche mittels der zugeordneten Ventile abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall kaskadenartig zusammengeschaltet werden können.
So sind im Schema der 1 beispielhaft drei Wärmeenergiespeicher ES1, ES2, ES3 vorhanden, die über ein zugeordnetes Ventil V11, V12, V13 in den Kreis der Ringleitung zugeschaltet oder davon weggeschaltet werden können. Weiterhin sind drei Wärmeenergieverbraucher EV1, EV2, EV3 vorhanden, welche ebenfalls über jeweils ein zugeordnetes Ventil V14, V15, V16 dem Kreis der Ringleitung zugeschaltet oder davon weggeschaltet werden können. Schließlich sind beispielhaft drei parallel geschaltete Wärmeenergiequellen EQ1, EQ2, EQ3 vorhanden, welche ebenfalls über ein zugeordnetes Ventil V2 anwendungsabhängig in die Ringleitung RL zugeschaltet oder davon wieder weggeschaltet werden können.
Die Topologie der erfindungsgemäßen Anlage hat den besonderen Vorteil, dass Betriebsmittel beliebigen Typs, die wärmetechnische Aufgaben in bzw. an einem Gebäude verrichten können, integrierbar sind. Die Kaskade der Betriebsmittel kann also anwendungsabhängig beliebig verlängert bzw. verkürzt werden. So ist es bei Vorhandensein z.B. von Investitionsmitteln problemlos möglich, zusätzliche wärmetechnische Betriebsmittel zu errichten und diese über zugeordnete Ventile in die Ringleitung zu integrieren. Andererseits kann aber ein Betriebsmittel z.B. bei einem Defekt oder z.B. auf Grund jahreszeitlich bedingter Unwirtschaftlichkeit abgeschaltet bleiben, ohne dabei die Funktionsfähigkeit der Ringleitung und die beliebige Kaskadierbarkeit der aktuell verfügbaren Betriebsmittel in Frage zu stellen.
So kann es sich bei den Wärmeenergiequellen EQ1... EQ3 z.B. um Heizkessel beliebiger Art, thermische Solarkollektoren, unterschiedliche Wärmepumpenarten, um die thermischen Ausgänge von Kälteaggregaten, Wärmetauscher am Abluftausgang von Klimaanlagen und vieles mehr handeln. In die erfindungsgemäße Anlage sind somit beliebig viele Wärmeenergiequellen von unterschiedlichster Art und unterschiedlichstem Temperaturniveau integrierbar. Bei den Wärmeenergiespeichern ES1... ES3 kann es sich z.B. um thermische Pufferspeicher, wie z.B. Brauch- und Heizwasserspeicher, um Abwassersammelbehälter, Regenwasserzisternen, Erdwärmespeicher, thermoaktive Bauelemente und vieles mehr handeln. In die erfindungsgemäße Anlage sind somit ebenfalls beliebig viele Wärmeenergiespeicher von unterschiedlichster Art und unterschiedlichstem Temperaturniveaus integrierbar. Schließlich kann es sich bei den Wärmeenergieverbrauchern EV1... EV3 um Heizkreisläufe verschiedenster Temperatur, z.B. Radiatoren-, Wand-, Fussboden- bzw. Deckenheizungen, um Vor- oder Nachheizregister im Frischluftstrom von Belüftungsanlagen und vieles mehr handeln. In die erfindungsgemäße Anlage sind somit auch beliebig viele Wärmeenergieverbraucher von unterschiedlichster Art und unterschiedlichstem Temperaturniveaus integrierbar.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage liegt darin, dass alle wärmetechnischen Betriebsmittel eines Gebäudes unabhängig von ihrer Art und ihren bauartbedingten Temperaturniveaus über die zentrale Ringleitung RL und das darin mittels der Umwälzpumpe zirkulierende Medium zu einem zentralen Verteilungssystem von Wärmeenergie zusammengeschaltet werden können. Es ist somit möglich, abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall eine nahezu beliebige Kombination von wärmetechnischen Betriebsmitteln durch teilweise- oder vollständige Aktivierung bzw. Deaktivierung der zugeordneten Ventile zu kaskadieren. Der dabei durch Vermittlung über die Ringleitung stattfindende Wärmeenergiefluss erfolgt dabei insbesondere unter Berücksichtigung der Abstufung der bauartbedingten Temperaturniveaus der einzelnen Betriebsmittel.
So kann der Wärmeenergiefluss in der Ringleitung z.B. dazu benutzt werden, Wärmeenergie von einer Wärmeenergiequelle EQ einem oder mehreren Wärmeenergieverbrauchern EV direkt zuzuführen. Andererseits kann überschüssige Wärmeenergie aus einer Wärmeenergiequelle EQ, z.B. einem thermischen Sonnenkollektor, auch einem oder mehreren Wärmeenergiespeichern ES zugeführt und dort zwischengespeichert werden, z.B. einem Abwassersammelbehälter oder einer Regenwasserzisterne. Weiterhin kann z.B. ein aktuell niedriger Bedarf eines Wärmeenergieverbrauchers auch durch Zuschaltung eines Wärmeenergiespeichers erfolgen, welcher entsprechend geladen ist. Bei Bedarf ist es auch nicht ausgeschlossen, z.B. restliche Wärmeenergie aus einem Wärmeenergiespeicher mit höherem Temperaturniveau in einen Wärmeenergiespeicher mit einem niedrigeren Temperaturniveau umzulagern. Durch eine solche Maßnahme kann der Wärmeenergiespeicher mit dem niedrigeren Temperaturniveau wirtschaftlich gefüllt werden, während der Wärmeenergiespeicher mit dem höherem Temperaturniveau wieder verfügbar wird, um wieder wirtschaftlich mit Wärmeenergie höheren Niveaus beladen werden zu können. Weiterhin können wärmetechnische Betriebsmittel auch so kaskadiert werden, dass einem der wärmetechnischen Betriebsmittel Wärmeenergie gezielt entzogen und einem anderen Betriebsmittel, welches vorteilhaft ein möglichst nächst niedrigeres Temperaturniveau aufweist, zugeführt wird.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anlage kann eine nahezu uneingeschränkte Einspeisungen und Umverteilungen von Wärmeenergie zwischen den wärmetechnischen Betriebsmitteln in einem Gebäude vorgenommen werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß über eine gezielte kaskadenartige Verschaltung von Betriebsmitteln. Hierzu werden vorteilhaft solche Betriebsmittel ausgewählt, die einen auf den jeweils vorliegenden Anwendungsfall am besten passenden Wärmeenergieinhalt aufweisen. Diese können selektiv über die jeweils zugeordneten Ventile und die Ringleitung kaskadiert werden, so dass die jeweils notwendige bzw. gewünschte Umverteilung von Wärmeenergie für einen vorbestimmten Zeitraum über die zentrale Ringleitung vorgenommen werden kann.
Je nach Ausführung und rohrleitungstechnischer Verschaltung kann es sich bei den Ventilen V11... V16, V2 z.B. um einfache Zweiwegeschaltventile handeln, womit ein wärmetechnisches Betriebsmittel vollständig zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Andererseits können aber auch z.B. stufenlos regelbare Drosselventile oder Mischer eingesetzt werden. So sind im Beispiel der 1 die Ventile V11 bis V16 als schaltbare Absperrventile und das Ventil V2 als umschaltbares Dreiwegeventil ausgeführt. Um für jeden gewünschten Energietransport eine besonders energieeffiziente Temperaturdifferenz herzustellen zu können, ist die Umwälzpumpe UP in der zentralen Ringleitung RL vorteilhaft drehzahlregelbar.
Dementsprechend verfügen gemäß einer vorteilhaften, im Beispiel der 1 bereits dargestellten weiteren Ausführung der Erfindung die Wärmeenergiespeicher ES1... ES4 und Wärmeenergieverbraucher EV1... EV4 der Anlage über abgestufte Temperaturniveaus und sind über jeweils zumindest ein zugeordnetes erstes Ventil V11... V17 an die zentrale Ringleitung RL zu- bzw. wegschaltbar, während die mindestens eine Wärmeenergiequelle EQ1... EQ3 an eine Einspeiseleitung EL angeschlossen ist, welche in die Ringleitung RL über ein zweites Ventil V2 zu- bzw. wegschaltbar ist. Es können auch weitere Wärmeenergiequellen mittels zusätzlicher Einspeiseleitungen an beliebiger Stelle an der Ringleitung RL angeschlossen sein und bei Bedarf zugeschaltet werden.
Besonders vorteilhaft ist in 2 das zweite Ventil V2 als ein Dreiwegeventil ausgebildet, welches in einem ersten Betriebszustand die Einspeiseleitung EL über eine Bypassleitung BL in der Ringleitung RL kurzschließt, und in einem zweiten Betriebszustand die Einspeiseleitung EL durch eine teilweise oder vollständige Abschaltung der Bypassleitung BL in die Ringleitung RL zuschaltet. Auch diese Ausführung ist in 1 bereits dargestellt, wobei die Strömungen des Mediums in der Ringleitung RL im ersten Betrebszustand mittels eines strichlierten Pfeils 6 und im zweiten Betriebszustand mittels eines strichlierten Pfeils 4 symbolisiert sind. Hiermit kann die Anlage zwischen einem ersten Zustand der reinen Umverteilung von Wärmeenergie zwischen Wärmeenergiespeichern ES und Wärmeenergieverbrauchern EV, und einem zweiten Zustand der Einspeisung von Wärmeenergie aus den Wärmeenergiequellen und dem Transport zu den Wärmeenergiespeichern und Wärmeenergieverbrauchern auf einfache Weise umgeschaltet werden. Hiermit nimmt die verlustarme Steuerbarkeit der Anlage erheblich zu.
2 zeigt das Prinzipschaltbild der Anlage gemäß 1, welche um eine zusätzliche Steuerung S, um Messfühler TM1x, TM2x und diese mit der Steuerung S verbindenden Fühlerleitungen FL1, FL2 erweitert ist.
So ist gemäß einer ersten, weiteren Ausführung der Erfindung eine erste Gruppe von Temperaturfühlern TM1x zur Erfassung der Temperaturen des Wärmeenergie tragenden Mediums im Inneren der wärmetechnischen Betriebsmittel ES, EV, EQ vorhanden. Diese sind über Fühlerleitungen FL1 an die Steuerung angeschlossen. Die Temperaturfühler TM1x sind im Beispiel der 2 in Form eines Punktes im Inneren der Betriebsmittel symbolisiert. In der Praxis können natürlich auch mehrere Temperaturfühler im Inneren eines Betriebsmittels verteilt angeordnet sein, damit die Steuerung aus einer genaueren Erfassung von Temperaturverteilungen im jeweiligen Betriebsmittel präzisere Werte für die mittlere Temperatur des Mediums in dem Betriebsmittel und von dessen zeitlichem Verlauf bestimmen kann.
Gemäß einer zweiten, weiteren Ausführung der Erfindung ist vorteilhaft eine zweite Gruppe von Temperaturfühlern TM2x zur Erfassung der Zu- und Ablauftempe raturen des Wärmeenergie tragenden Mediums von Betriebsmitteln ES, EV, EQ vorhanden, welche in die Ringleitung RL zugeschaltet sind. Im Beispiel der 2 sind diese Temperaturfühler TM2x über Fühlerleitungen FL2 an die Steuerung angeschlossen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn diese Temperaturfühler TM2x der zweiten Gruppe direkt auf der Ringleitung RL im Bereich des Ein- bzw. Auslaufes des Mediums in bzw. aus dem jeweils zugeordneten Betriebsmittel ES, EV, EQ angeordnet sind. Schließlich ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich eine Durchflussmengenmesseinrichtung FLM in der Ringleitung RL zur Erfassung des aktuellen Durchflusses des Wärmeenergie tragenden Mediums vorhanden ist. Hiermit können die jeweiligen Energiemengen innerhalb des Kreislaufs präzise ermittelt und effizient verteilt werden.
Die Ausstattung der Anlage mit derartigen Messeinrichtungen ermöglicht der Steuerung auf Grund der Erfassung der Temperaturwerte des Wärmeenergie tragenden Mediums in den einzelnen Betriebsmitteln eine Bestimmung derjenigen wärmetechnischen Betriebsmittel, welche zur Erfüllung einer im Gebäude angeforderten Zu- bzw. Abführung von Wärmeenergie in ein bzw. aus einem Betriebsmittel bei möglichst minimalen Verlusten über die zentrale Ringleitung miteinander kaskadierbar sind. Es ist somit eine bedarfsoptimale Einspeisung und Umverteilung von Wärmeenergie durch die Steuerung möglich. Bei dieser Auswahl wird von der Steuerung sowohl die Verfügbarkeit als auch das Temperaturniveau der zur Auswahl stehenden wärmetechnischen Betriebsmittel der Anlage berücksichtigt. Dabei ist ein wärmetechnisches Betriebsmittel im obigen Sinne verfügbar, wenn entweder der Temperaturwert des Mediums im Inneren so hoch ist, dass bei einer Wärmeabgabe durch Umverteilung über die zentrale Ringleitung der Bedarf im anfordernden Betriebsmittel abdeckt werden kann, oder der Temperaturwert des Mediums in seinem Inneren so niedrig ist, dass eine Wärmeeinleitung durch Umverteilung über die zentrale Ringleitung von einem abgebenden Betriebsmittel möglich ist.
Weiterhin werden dabei die systembedingten Temperaturniveaus der einzelnen Betriebsmittel berücksichtigt, wobei das jeweils bauartbedingte Temperaturniveau auch ein Indikator für die Leistungsfähigkeit eines Betriebsmittels zur Bereitstellung, Speicherung bzw. Abgabe von Wärmeenergie darstellt.
So ist es vorteilhaft, wenn die Steuerung z.B. bei einer Wärmeenergieeinspeisung von einer Wärmeenergiequelle in einen oder mehrere Wärmeenergiespeicher, die verfügbaren Wärmeenergiespeicher in einer solchen Reihenfolge an die zentrale Ringleitung zuschaltet, dass dies möglichst mit abnehmendem Temperaturniveau der Wärmeenergiespeicher erfolgt. Es sei z.B. angenommen, dass im Beispiel der 2 der Speicher ES1 das höchste Temperaturniveau, der Speicher ES2 ein mittleres Temperaturniveau und der Speicher ES3 das niedrigste Temperaturniveau aufweist. Die Steuerung wird in diesem Falle zunächst denjenigen Speicher durch Betätigung von dessen Ventil an die zentrale Ringleitung zuschalten, der ein relativ zum Temperaturniveau der einspeisenden Wärmeenergiequelle möglichst nächst liegendes Temperaturniveau aufweist.
Im Beispiel der 2 sei exemplarisch angenommen, dass z.B. die Wärmeenergiequelle EQ3 einen mit Öl betriebenen Heizkessel, die Quelle EQ2 einen thermischen Solarkollektor, die Quelle EQ1 eine Wärmepumpe, und der Wärmeenergiespeicher ES1 einen Brauchwasserpufferspeicher, der Speicher ES2 einen Abwassersammelbehälter und der Speicher ES3 einen Erdwärmespeicher darstellen. Weiterhin kann z.B. der Wärmenergieverbraucher EV1 eine Radiatorenheizung, der Verbraucher EV2 eine Fußbodenheizung und der Verbraucher EV3 das Heizregister eines Lüftungsaggregats darstellen. Mit der erfindungsgemäßen Anlage ist es möglich, Wärmeenergie durch Vermittlung über die zentrale Ringleitung bei Bedarf uneingeschränkt zwischen den angeschlossenen Betriebsmitteln auszutauschen, solange die jeweiligen Betriebsmittel verfügbar sind und die Einspeisung bzw. Umverteilung von Wärmenergie möglichst in Betriebsmittel erfolgt, die ein nächst niedriges Temperaturniveau aufweisen.
Ist z.B. auf Grund von Tageszeit und Wetterbedingungen der Solarkollektor EQ2 verfügbar, und sind z.B. auf Grund eines geringen Restwärmeenergiegehaltes sowohl der Brauchwasserpufferspeicher ES1 als auch der Abwassersammelbehälter ES2 verfügbar, so kann die Steuerung durch Aktivierung der Ventile V2, V11, V12 alle drei Betriebsmittel in die Ringleitung RL zuschalten. In diesem Falle werden beide Speicher ES1 und ES2 kaskadenartig mit Wärmeenergie befüllt. Nimmt daraufhin z.B. die Verfügbarkeit des Solarkollektors z.B. wegen der fortgeschrittenen Tageszeit und die Verfügbarkeit der Speicher ES1, ES2 auf Grund von bereits starker Beladung mit Wärmeenergie allmählich ab, so kann die Steuerung z.B. die beiden Speicher ES1, ES2 wieder wegschalten und statt dessen den Speicher mit dem niedrigsten Temperaturniveau, in diesem Falle den Erdwärmespeicher ES3, über dessen Ventil V13 in die Ringleitung RL zuschalten. Dieser wird dann mit der vom Solarkollektor EQ2 am Abend gelieferten Restwärme beladen.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage ist es auch möglicht, dass Wärmeenergie durch Vermittlung über die zentrale Ringleitung von einem Speicher in einen anderen Speicher umgeladen wird. Befindet sich z.B. im Heizwasserspeicher ES1 nur noch geringe Restenergie, so kann diese z.B. in der Nacht in den Abwassersammelbehälter ES2 umgeladen werden. Die hierdurch bewirkte Tiefentladung des Heizwassersammelbehälters ES1 kann z.B. genutzt werden, damit dieser am darauf folgenden Tag über den Solarkollektor EQ2 oder während einer folgenden Sondertarifzeit mit verbilligtem Wärmestrombezug von der Wärmepumpe EQ3 wieder möglichst vollständig mit Wärmeenergie beladen werden kann.
Abhängig von den aktuellen Messwerten der einzelnen Temperaturfühler und den sich daraus ergebenden Verfügbarkeiten der einzelnen Betriebsmittel kann die Steuerung z.B. bei der Anforderung von Wärmeenergie durch einen Wärmeenergieverbraucher genau diejenigen anderen Betriebsmittel der Anlage ermitteln, durch deren Zuschaltung die anstehende Wärmeenergieanforderung möglichst wirtschaftlich gedeckt werden kann. Sind die Wärmeenergiespeicher der Anlage, wie oben beispielsweise beschrieben, ausreichend gefüllt, so muss hierzu nicht in jedem Falle eine Wärmeenergiequelle Q über das Ventil V2 zugeschaltet werden. Vielmehr kann ein solcher Wärmeenergiebedarf auch durch eine Umverteilung von Wärmeenergie aus einem oder mehreren Speichern über die zentrale Ringleitung RL erfolgen. Abhängig von dem notwendigen Temperaturniveau der zu übertra genden Wärmemenge in dem anfordernden Wärmeenergieverbraucher werden von der Steuerung vorteilhaft diejenigen Wärmeenergiespeicher ausgewählt und in die Ringleitung zugeschaltet, welche im Vergleich zum Temperaturniveau des Wärmeenergieverbrauchers ein möglichst nächst höheres Temperaturniveau aufweisen. Es wird damit erreicht, dass zunächst die Wärmeenergiespeicher mit dem möglichst niedrigen Temperaturniveau entleert werden, bevor Wärmeenergie aus Speichern mit einem höheren Niveau entnommen wird.
Mit Aktivierung bzw. Deaktivierung des Ventils V2 kann somit die in den Figuren dargestellte beispielhafte Anlage umgeschaltet werden zwischen den Betriebsarten der Einspeisung bzw. Umverteilung von Wärmeenergie in die bzw. zwischen den angeschlossenen wärmetechnischen Betriebsmitteln.
Die Erfindung ermöglicht somit eine insbesondere gleitende Wärmeenergieübertragung zwischen wärmetechnischen Betriebsmitteln, die unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen und kaskadenartig über die Ringleitung miteinander verbunden werden können. Durch die bevorzugt abgestuften Temperatur-Nutzungsebenen kann eine optimierte Be- und/oder Entladung der Betriebsmittel mit Wärmeenergie unter Umständen auch gleichzeitig erfolgen. Diese Kombination der einzelnen Temperaturbereiche nacheinander wirkt leistungssteigernd und gewährleistet eine größtmögliche Energienutzung. Sie kann von der Steuerung sowohl mit dem Ziel der Erreichung einer größtmöglichen Temperaturdifferenz – d.h. zur Erzielung eines maximalen Wärmeertrags – als auch mit dem Ziel der Erreichung einer niedrigen Temperaturdifferenz – d.h. zur Erzielung einer möglichst hohen Nutztemperatur – betrieben werden.
Bei einer bevorzugten, weiteren Ausführung der Erfindung werden von der Steuerung zusätzlich zu den Messwerten der Temperaturfühler TM1x, TM2x des Wärmeenergie tragenden Mediums in den wärmetechnischen Betriebsmitteln ES, EV, EQ auch die Messwerte der Durchflussmengenmesseinrichtung FLM erfasst und auswertet. Diese ist vorteilhaft unmittelbar in der zentralen Ringleitung RL platziert und erfasst die Strömungsmengen der Wärmeenergie im Medium.
Hiermit ist es möglich, dass von der Steuerung S die Anforderung einer Zu- bzw. Abführung einer vorgegebenen Wärmeenergiemenge durch ein oder mehrere wärmetechnische Betriebsmittel im Gebäude abgewickelt werden kann. Eine Steuerung bzw. Regelung der Wärmeenergieeinspeisung bzw. Umverteilung in der Anlage erfolgt somit nicht mehr nur unter alleiniger Berücksichtigung der unterschiedlichen, abgestuften Temperaturniveaus der einzelnen Betriebsmittel. Vielmehr kann eine gezielte Energiemengensteuerung vorgenommen werden, indem unter Auswertung der Temperaturverläufe des Mediums in bzw. an den Zu- und Abläufen der Betriebsmittel die pro Betriebsmittel aufgenommene bzw. abgegebene Wärmeenergiemenge erfasst wird. Von der Steuerung S werden dann die Ventile von denjenigen weiteren wärmetechnischen Betriebsmitteln angesteuert, die unter Berücksichtung von Verfügbarkeit und Wärmeenergieinhalt für die Durchführung der Zu- bzw. Abführung der vorgegebenen Wärmeenergiemenge bei möglichst minimalen Verlusten über die zentrale Ringleitung RL kaskadierbar sind.
Vorteilhaft kann dabei von der Steuerung bei einem von der zentralen Ringleitung RL abgeschalteten wärmetechnischen Betriebsmittel ES, EV, EQ aus dem Verlauf der Temperatur des Wärmeenergie tragenden Mediums die Verlustleistung des wärmetechnischen Betriebsmittels im Stillstand ermittelt werden. Dies ermöglicht der Steuerung, die Verfügbarkeit eines jeden wärmetechnischen Betriebsmittels bezüglich aktuellem Temperaturniveau und Energieinhalt zu jedem Zeitpunkt genau zu bestimmen. Es ist somit eine kontrollierte Einspeisung und/oder Umverteilung von Energiemengen zwischen ausgewählten wärmetechnischen Betriebsmitteln möglich, welche von der Steuerung S hierzu gezielt in die zentrale Ringleitung zugeschaltet werden. Die Steuerung kann zudem selbstoptimierend ausgeführt sein, so dass die Bestimmung der Stillstandsverluste selbsttätig und u.U. regelmäßig wiederkehrend vorgenommen wird.
3 zeigt eine beispielhafte, praktische Anwendung der Erfindung bei einer Gebäudeenergieanlage. Diese ist mit drei Wärmeenergiequellen EQ1, EQ2, EQ3, drei Wärmeenergiespeichern ES1, ES2, ES3 und drei Wärmeenergieverbrauchern EV1, EV2, EV3 ausgestattet. Dabei verfügt der Speicher ES1 über das höchste Tempe raturniveau und besteht beispielhaft aus zwei Teilspeichern, einem Brauchwasserspeicher ES11 und einem Heizwasserspeicher ES12. Der Speicher ES1 kann über eine Dreiwegeventil V11 z.B. stufenlos der Ringleitung RL zugeschaltet werden. Über ein unterlagertes Dreiwegeventil V111 kann das Medium in der Ringleitung weiterhin entweder nur dem Heizwasserspeicher ES12 oder der Reihenschaltung aus Heiz- und Brauchwasserspeicher ES11, ES12 zugeführt werden. Es ist weiterhin ein Speicher ES2 mit einem mittleren Temperaturniveau vorhanden, z.B. ein Abwassersammelbehälter, welcher über ein Dreiwegeventil V12 kontinuierlich zu- oder abgeschaltet werden kann. Schließlich ist ein dritter Speicher ES3 mit einem u.U. sehr niedrigen Temperaturniveau vorhanden, z.B. eine Regenwasserzisterne oder ein Erdwärmespeicher, welcher über ein Schaltventil V13 aktivierbar ist.
Abhängig von der Wärmeabgabefähigkeit der Quellen EQ1... EQ2, welche von der Bauart und dem momentanen Betriebszustand abhängig ist, kann Wärmeenergie abhängig von deren Temperaturniveau in den jeweils verfügbaren und am besten geeigneten Speicher eingelagert werden, sofern kein aktueller Wärmeenergiebedarf bei anderen angeschlossenen Betriebsmitteln besteht.
Weiterhin sind an der in 3 gezeigten Anlage drei Verbraucher angeschlossen. Dabei verfügt der Verbraucher EV1 über das höchste Temperaturniveau und stellt z.B. eine Niedertemperaturheizung dar. In diesem Anwendungsbeispiel ist dieser Niedertemperaturheizkreis direkt mit dem Wärme transportierenden Medium gefüllt. Der zweite Verbraucher EV2 verfügt über ein mittleres Temperaturniveau und stellt z.B. eine Fussboden- oder Wandheizung dar, welche über einen Plattenwärmetauscher an die Ringleitung RL angeschlossen ist. Beide Verbraucher können über jeweils ein zugeordnetes Ventil V15, V16 zu- bzw. abgeschaltet werden. Der dritte Verbraucher EV4 ist beispielhaft eine Wohnraumlüftungsanlage mit niedrigem Temperaturniveau. Diese ist beispielhaft bei der Ansaugstelle von Außenfrischluft ZV41 mit einem Vorheizregister EV41 und bei der Abgabestelle von Raumfrischluft ZV42 mit einem Nachheizregister EV42 ausgestattet. Zur bedarfsabhängigen Zu- und Abschaltung der Heizregister in diesem Lüftungsaggregat EV4 in den Kreislauf der zentralen Ringleitung RL sind Ventile V14, V141 vorhanden.
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht es, abhängig vom aktuellen Bedarf an Wärmeenergie in den Verbrauchern und abhängig von der Verfügbarkeit von Wärmeenergie auf Grund der jeweiligen Befüllung der Speicher bzw. der Abgabefähigkeit der Quellen, alle für eine Zu- und/oder Abführung von Wärmeenergie benötigten Betriebsmittel über die zugeordneten Ventile bedarfgerecht in die Ringleitung zuzuschalten bzw. davon abzukoppeln. So kann z.B. eine im Abwassersammelbehälter ES2 enthaltene Restwärmemenge dem Nachheizregister EV42 zugeführt werden. Weiterhin kann selbst eine geringe Restwärmemenge aus dem Erdwärmespeicher ES3 z.B. noch dem Vorheizregister EV41 zugeführt werden. Selbstverständlich kann ein hoher Wärmeenergiebedarf im Verbraucher EV1 entweder aus dem Speicher ES12 oder nach Umschaltung auf Einspeisebetrieb auch direkt über die Wärmeenergiequelle EQ3 gedeckt werden.
Von dem Lüftungsaggregat wird weiterhin Raumabluft AV42 aus dem Gebäude entnommen und als Abluft AV41 in die Umgebung abgegeben. In diese Strömung kann eine Wärmerückgewinnungsanlage eingebaut sein. Diese wirkt als eine Wärmeenergiequelle, welche die gewonnene Wärmeenergie in die zentrale Ringleitung zurückspeisen kann. Die hierfür notwendigen Aggregate, Verrohrungen und Ventile wurden aus Gründen der besseren Übersicht in Beispiel der 3 nicht eingezeichnet.

EQ: Kaskade von Wärmeenergiequellen
EQ1: erste Energiequelle mit höchsten Energieniveau, z.B. Heizkessel
EQ2: zweite Energiequelle mit mittlerem Energieniveau, z.B. thermischer Solarkollektor
EQ3: dritte Energiequelle mit niedrigem Energieniveau, z.B. Wärmepumpe
ES: Kaskade von Wärmeenergiespeichern
ES1: erster Energiespeicher mit sehr hohem Energieniveau, z.B. Pufferspeicher
ES11: erster Teilspeicher mit höchstem Energieniveau, z.B. Brauchwasserspeicher
ES12: zweiter Teilspeicher mit hohem Energieniveau, z.B. Heizwasserspeicher
ES2: zweiter Energiespeicher mit mittlerem Energieniveau, z.B. Abwassersammler
ES3: dritter Energiespeicher mit (sehr) niedrigem Energieniveau, z.B. Regenwasserzisterne, Erdwärmespeicher, Soleleitungen
EV: Kaskade von Wärmeenergieverbrauchern
EV1: erster Energieverbraucher mit höchstem Energieniveau, z.B. Warmwasserheizkreis
EV2: zweiter Energieverbraucher mit mittlerem Energieniveau, z.B. Niedertemperaturheizkreis (direkt oder indirekt über Plattenwärmetauscher)
EV3: dritter Energieverbraucher mit niedrigem Energieniveau, z.B. Fußbodenheizung
EV4: vierter Energieverbraucher mit sehr niedrigem Energieniveau, z.B. Lüftungsaggregat
EV41: erster Teilverbraucher mit niedrigstem Energieniveau, z.B. Vorheizregister
EV42: zweiter Teilverbraucher mit sehr niedrigem Energieniveau, z.B. Nachheizregister
ZV41: Saugleitung Aussenluft, z.B. kalte Außenfrischluft
AV41: Druckleitung Fortluft, z.B. abgekühlte Gebäudefortluft
ZV42: Druckleitung Zuluft, z.B. erwärmte Aussenluft
AV42: Saugleitung Abluft, z.B. Raumabluft
L: Zentrale Doppelringleitung zur Energieeinspeisung bzw. Umschichtung
EL: Einspeiseleitung für ein Wärmenergie tragendes Medium
RL: (zentrale) Ringleitung zur Zirkulation des Wärmenergie tragenden Mediums
BL: Bypassleitung
V2: zentrales Regelventil/auch Umschaltventil zwischen Einspeise- und Ringleitung
UP: (zentrale) Umwälzpumpe, insbesondere drehzahlgeregelt
2: Leitungsknoten (beispielhaft in 1)
4: Strömungsrichtung Wärmeenergie tragendes Medium bei Energieeinspeisung
6: Strömungsrichtung Wärmeenergie tragendes Medium bei Energieumschichtung
V11–V17: erste Ventile in Ringleitung pro Energiespeicher bzw. Energieverbraucher (je nach Ausführung Zwei- oder Dreiwegeventile zu-, ab-, umschaltbar oder kontinuierlich regel- oder drosselbar)
V111, V141: zweite Ventile in Ringleitung zu Betriebsmitteln (untergelagerte Ventile zu EQ, ES, EV, z. B. für Reihen- oder Vorrangschaltung usw.)
S: Steuerung/Regelung
SL: zentrale Steuerleitung
FL1: erste zentrale Fühlerleitung
TM1x: Temperaturfühler in Energiespeicher bzw. Energieverbraucher
FL2: zweite zentrale Fühlerleitung
TM2x: Temperaturfühler in zentraler Ringleitung
FLM: Durchflussmengenmesseinrichtung

Claims

Anlage zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie in einem Gebäude, welche als wärmetechnische Betriebsmittel mindestens eine Wärmeenergiequelle (EQ), Wärmeenergiespeicher (ES) und Wärmeenergieverbraucher (EV) mit abgestuften Temperaturniveaus aufweist, gekennzeichnet durch eine zentrale Ringleitung (RL) mit einer Umwälzpumpe (UP) zur Zirkulation eines Wärmeenergie tragenden Mediums, woran alle wärmtechnischen Betriebsmittel (EQ, ES, EV) des Gebäudes über jeweils zumindest ein zugeordnetes Ventil (V11... V17; V2) zu- bzw. wegschaltbar sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Wärmeenergiespeicher (ES1... ES4) und Wärmeenergieverbraucher (EV1... EV4) über abgestufte Temperaturniveaus verfügen und über jeweils zumindest ein zugeordnetes erstes Ventil (V11... V17) an die zentrale Ringleitung (RL) zu- bzw. wegschaltbar sind, und b) mindestens eine Wärmeenergiequelle (EQ1... EQ3) an einer Einspeiseleitung (EL) angeschlossen ist, welche in die Ringleitung (RL) über ein zweites Ventil (V2... V21...) zu- bzw. wegschaltbar ist.
Anlage nach Anspruch 2, wobei das zweite Ventil (V2) als ein Dreiwegeventil ausgebildet ist, welches a) in einem ersten Betriebszustand die Einspeiseleitung (EL) über eine Bypassleitung (BL) in der Ringleitung (RL) kurzschließt, und b) in einem zweiten Betriebszustand die Einspeiseleitung (EL) durch eine teilweise oder vollständige Abschaltung der Bypassleitung (BL) in die Ringleitung (RL) zuschaltet.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer ersten Gruppe von Temperaturfühlern (FL1; TM1x) zur Erfassung der Temperaturen des Wärmeenergie tragenden Mediums im Inneren von Betriebsmitteln (ES, EV, EQ).
Anlage nach einem vorangegangenen der Ansprüche, mit einer zweiten Gruppe von Temperaturfühlern (FL2; TM2x) zur Erfassung der Zu- und Ablauftemperaturen des Wärmeenergie tragenden Mediums von in die Ringleitung (RL) zugeschalteten Betriebsmitteln (ES, EV, EQ).
Anlage nach Anspruch 5, wobei die Temperaturfühler (FL2; TM2x) der zweiten Gruppe an der Ringleitung (RL) im Bereich von Ein- und Auslauf eines zugeordneten Betriebsmittels (ES, EV, EQ) angeordnet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, mit einer Durchflussmengenmesseinrichtung (FLM) in der Ringleitung (RL) zur Erfassung des aktuellen Durchflusses des Wärmeenergie tragenden Mediums.
Steuerung (S) zum Betrieb einer Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, die bei Anforderung einer Zu- bzw. Abführung von Wärmeenergie durch ein oder mehrere wärmetechnische Betriebsmittel in einem Gebäude a) die Messwerte der Temperaturfühler (TM1x, TM2x) des Wärmeenergie tragenden Mediums in den Betriebsmitteln (ES, EV, EQ) erfasst und auswertet, und abhängig hiervon b) die Ventile (V11... V17; V2) von denjenigen weiteren wärmetechnischen Betriebsmitteln (ES, EV, EQ) ansteuert, die unter Berücksichtung von deren Verfügbarkeit und Temperaturniveau für die Zu- bzw. Abführung von Wärmeenergie bei möglichst minimalen Verlusten über die zentrale Ringleitung (RL) kaskadierbar sind.
Steuerung (S) zum Betrieb einer Anlage nach Anspruch 7, die bei Anforderung einer Zu- bzw. Abführung einer vorgegebenen Wärmeenergiemenge durch ein oder mehrere wärmetechnische Betriebsmittel in einem Gebäude a) die Messwerte der Temperaturfühler (TM1x, TM2x) des Wärmeenergie tragenden Mediums in den Betriebsmitteln (ES, EV, EQ) und der Durchflussmengenmesseinrichtung (FLM) erfasst und auswertet, und abhängig hiervon b) die Ventile (V11... V17; V2) von denjenigen weiteren wärmetechnischen Betriebsmitteln (ES, EV, EQ) ansteuert, die unter Berücksichtung von Verfügbarkeit und Wärmeenergieinhalt für die Zu- bzw. Abführung der vorgegebenen Wärmeenergiemenge bei möglichst minimalen Verlusten über die zentrale Ringleitung (RL) kaskadierbar sind.
Steuerung nach Anspruch 8 oder 9, die bei einem von der zentralen Ringleitung (RL) abgeschalteten wärmetechnischen Betriebsmittel (ES, EV, EQ) aus dem Verlauf der Temperatur des Wärmeenergie tragenden Mediums die Verlustleistung des Betriebsmittels im Stillstand ermittelt.