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Gebiet der Technik
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Die Erfindung betrifft ein haustechnisches System zur Verwendung im Zusammenhang mit Wohnungen in einem Gebäude.
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Hintergrund der Erfindung
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In Gebäuden mit mehreren Wohnungen, wie zum Beispiel Mehrfamilienhäusern, wird das kalte Betriebswasser in Betriebswassersystemen entweder durch Fernwärmetauscher, verschiedene Heizkessellösungen oder durch Wärmepumpen zentral erwärmt. Von der Wärmeproduktionsvorrichtung wird heißes Betriebswasser durch die Stammleitung zu den Wohnungen im Gebäude und über die Rückleitung der Umwälzleitung zurück zur Wärmeproduktionsvorrichtung geführt. Ein solches herkömmliches Wasserkreislaufsystem ist in 1 dargestellt.
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Bei dem in 1 dargestellten bekannten Betriebswassersystem eines Mehrfamilienhauses 10 wird Fernwärme in den Wärmeverteilungsraum der Immobilie gebracht, wo sie mit einer Heizzentrale 1 verbunden wird, die beispielsweise zwei getrennte Wärmetauscher enthalten kann. Der eine Wärmetauscher ist für Betriebswasser, der andere zum Heizen. Wärmetauscher können beispielsweise auch für eine Fußbodenheizung und Klimageräte vorgesehen sein. Im Gebäude können sich sekundärseitig drei Stammleitungen mit kaltem Betriebswasser 2, heißem Betriebswasser 3 und dem Warmwasserkreislauf 4 befinden. Außerdem können Zu- und Rücklaufleitungen für die Heizung vorhanden sein. Das heiße Betriebswasser wird in oder in der Nähe der Wohnung 5 recycelt, so dass das Wasser in den Wohnungen schnell genug verfügbar ist und die Wartezeiten an den Wasserentnahmestellen in den Wohnungen den Vorschriften entsprechen.
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Mit der oben beschriebenen Lösung sind Probleme verbunden, von denen eines die Wärmeverluste der Rohre ist. Nach praktischen Feldmessungen liegen die Wärmeverluste von Rohren für warmes Betriebswasser typischerweise in der Größenordnung, die zum Erhitzen von kaltem Wasser zu heißem erforderlich ist. Der Wärmeverlust durch Betriebswasserrohre erhöht den Energieverbrauch und führt zu einer zusätzlichen Wärmebelastung im Gebäude. Die Wärmebelastung erhöht den Bedarf an Belüftung und Kühlung des Gebäudes. Ein weiteres Problem besteht zusätzlich darin, dass die Wärmeverluste aus den Betriebswasserrohren und dem Betriebswassersystem des Gebäudes schwer zu kontrollieren sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die oben genannten Probleme zu lösen und ein System bereitzustellen, mit dem die Wärmebelastung verhindert oder sogar vollständig beseitigt werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein System bereitzustellen, das verwendet werden kann, um die Schwankung des Energieverbrauchs auszugleichen.
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Diese Aufgabe wird durch das im beigefügten unabhängigen Schutzanspruch angegebene System gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht darauf, dass das kalte Betriebswasser angeordnet ist, anstelle einer zentralen gemeinsamen Heizzentrale dezentral erwärmt zu werden.
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Die dezentrale Anordnung hat den Vorteil, die Installation der Wasserleitungen zu vereinfachen und das Risiko von Leckagen und Wärmeverlusten zu verringern, da die Stammleitung weniger benötigt wird als bei bekannten Wassersystemen. Ein weiterer Vorteil der dezentralen Anordnung besteht darin, dass eine wohnungsspezifische Energieeinsparung beim Erhitzen des Betriebswassers möglich ist.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in welchen
- 1 ein vorbekanntes Betriebswassersystem in einem Mehrfamilienhaus zeigt,
- 2 ein haustechnisches System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein haustechnisches System, das im Schutzanspruch 1 näher beschrieben ist. Das haustechnische System ist zum Einsatz in Verbindung mit Wohnungen in Gebäuden, wie zum Beispiel in Mehrfamilienhäusern, vorgesehen. Das haustechnische System umfasst ein Sonnenenergiesystem, das Mittel zum Erzeugen elektrischer Energie aufweist, ein Energiespeichersystem, das Mittel zum Speichern elektrischer Energie aufweist, ein dezentrales Energiespeichersystem, das mehrere Energiespeicher und Mittel zur Erwärmung des Wassers in den Energiespeichern aufweist, und Steuermittel, die einen Mikroprozessor, ein Speichermedium, eine Benutzerschnittstelle und eine Software umfassen, wobei die Steuermittel angeordnet sind, mit dem dezentralen Energiespeichersystem, dem Sonnenenergiesystem und dem Energiespeichersystem zu kommunizieren, um deren Betrieb zu steuern.
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Die Energiespeicher gemäß der vorliegenden Erfindung dienen zur Speicherung von Energie. Ihr Betrieb basiert darauf, dass sie mit verfügbarer Energie, beispielsweise aus der Abluft von Wohnungen des Gebäudes, aus im Freien gesammelter warmer Luft, aus Erdwärme, aus Systemen, die Sonnenstrahlung nutzen, wie einem Sonnenkollektorsystem oder einem Solarzellensystem, sowie aus Wärmeverlusten von Gebäuden, Rohrleitungen und Geräten, gespeist werden. Mit Hilfe der gesammelten Energie kann der Energiespeicher dezentral, also wohnungsspezifisch, beispielsweise zur Erwärmung des Betriebswassers des Gebäudes genutzt werden.
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Ein typischer erfindungsgemäßer Energiespeicher weist einen oder mehrere Reservoirs für Betriebswasser und/oder Heizwasser auf. Der Energiespeicher umfasst ferner Wärmetauscher, beispielsweise eine oder mehrere elektrische Heizwendeln und/oder Heizwiderstände, die das Wasser für das Betriebswassernetz und/oder Heizwassernetz der Wohnung erwärmen. Die Temperatur des Betriebswassers wird typischerweise in den Speichern so voreingestellt, dass die Temperatur des Betriebswassers beispielsweise über +55 Grad Celsius liegt. Die elektrischen Widerstände der Energiespeicher können beispielsweise einen Effekt von 1 kW bis 10 kW aufweisen. Die Energiespeicher werden während der Installation an das Stromnetz des Gebäudes angeschlossen.
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Es kann verschiedene Arten von Energiespeichern geben. Zum Beispiel kann kaltes Betriebswasser, das in einem Warmwasserspeicher gespeichert ist, auch dazu verwendet werden, Betriebswasser für die Wohnung durch andere Wärmeerzeuger als elektrische Widerstände zu erwärmen. Die Warmwasserbereitung ist besonders effektiv, wenn beispielsweise gesammelte Abwärme aus dem Gebäude genutzt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Energiespeicher ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Warmwasserspeicher, einem Doppelmantelspeicher, einem Hybridspeicher und einer Abluftwärmepumpe. Beispielsweise kann es in einem Hybridspeicher mehr als einen Wärmeerzeuger geben. Hybridspeicher können, zum Beispiel aus Abwasser gesammelte Wärmeenergie oder Sonnenenergie, zur Erwärmung von Betriebswasser und/oder Heizwasser als Wärmeerzeuger genutzt werden. Der Hybridspeicher kann mit getrennten Energierückgewinnungsvorrichtungen, mit denen die Wärme des Abwassers oder der Sonne zum Speicher überführt wird, ausgestattet werden. In der Abluftwärmepumpe wird die Wärmeenergie aus der warmen Innenluft der Wohnung zurückgewonnen, bevor sie abgeführt wird, und die zurückgewonnene Wärmeenergie wird an das Betriebswasser und die Heizungsanlage abgegeben.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße haustechnische System in Verbindung mit einem Gebäude näher beschrieben.
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2 zeigt das haustechnische System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung installiert in einem Gebäude. Das in 2 dargestellte Gebäude 20 hat sieben Stockwerke und jedes Stockwerk im Gebäude hat zwei Wohnungen 11. Jede Wohnung 11 im Gebäude ist mit einem wohnungsspezifischen Energiespeicher 12 versehen.
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Mit dem in 2 gezeigten System ist ein Sonnenenergiesystem 13', das elektrische Energie erzeugt, verbunden, das eine Vielzahl von Sonnenkollektoren 13 aufweist. Sonnenkollektoren können in diesem Zusammenhang auch Solarzellen, d.h. photovoltaische Zellen, bedeuten, die aus Sonnenenergie elektrische Energie erzeugen. Ein Teil dieses Sonnenenergiesystems ist auf dem Dach des Gebäudes angeordnet, das zwei Sonnenkollektoren umfasst, und ein anderer Teil an einer Außenwand des Mehrfamilienhauses, das sechs Sonnenkollektoren umfasst. Um die Sonnenkollektoren oder Solarzellen auf die Sonne auszurichten, kann eine Vielzahl von Hilfsmitteln und Gerüsten verwendet werden, die manuell oder automatisch einstellbar sind. Sonnenkollektoren können beispielsweise auf dem Dach des Gebäudes, auf dem Balkon und/oder am Außenmantel des Gebäudes, an Außenwänden, vorzugsweise an einer Stelle des Gebäudes, die bei sonnigem Wetter ausreichend Sonnenlicht für die Funktion der Sonnenkollektoren ausgesetzt ist, installiert werden. Zusätzlich können Sonnenkollektoren oder Solarzellen, die mit dem Energiespeichersystem verbunden sind, zum Beispiel zwischen den Fensterflächen des Gebäudes oder im Hof des Gebäudes angeordnet sein.
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Das in 2 dargestellte haustechnische System umfasst einen Inverter, das heißt einen Wechselrichter 14, mit dem der Gleichstrom (DC), der durch das oben genannte Sonnenenergiesystem erzeugt wird, in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird. Der Inverter kann ferner Mittel aufweisen, um die elektrische Energie Widerständen zuzuführen, die sich in den Energiespeichern befinden. Es können mehr als ein Inverter vorhanden sein, die dezentral in den Wohnungen im Gebäude oder in der Nähe der Wohnungen angeordnet werden können. Inverter können in Wohnungen verwendet werden, um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Die zum Sonnenenergiesystem gehörenden Sonnenkollektoren sind über elektrische Anschlüsse mit dem Inverter verbunden. Die Inverter sind außerdem an ein Wechselstromnetz (AC) angeschlossen. Weiterhin ist der Inverter mit einem Energiespeicher 15, beispielsweise einem Stromakku, elektrisch verbunden.
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Als Energiespeicher werden im Sinne der vorliegenden Erfindung Akkus bezeichnet, die beim Laden Energie in elektrochemischer Form speichern und diese beim Entladen wieder in elektrische Energie umwandeln. Der Energiespeicher kann im Rahmen der Erfindung auch als Energiespeichersystem 15' bezeichnet werden und mehrere Energiespeichereinheiten umfassen, die in den oder in der Nähe der Wohnungen im Gebäude dezentral angeordnet sein können.
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In dem haustechnischen System gemäß der vorliegenden Erfindung wird die von den Sonnenkollektoren oder Solarzellen erzeugte elektrische Energie in einem Energiespeicher, einem Akku, gesammelt. Das Laden der Akkus mit elektrischer Energie, die zum Beispiel durch Sonnenkollektoren erzeugt wurde, kann eine separate Ladeschaltung oder Steuermittel umfassen, die die Aufgabe haben, die Energie mittels eines gewünschten Verfahrens auf das Akku zu übertragen und den Ladezustand das Akkus zu identifizieren. Die Steuermittel schalten den Ladestrom für das Akku ab, wenn das Akku voll ist. Zusätzlich können die Steuermittel sicherstellen, dass das Akku nicht übermäßig entladen wird. Als Akkus können beispielsweise Akkus von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, deren Funktionalitäten so programmiert werden können, dass sie für das haustechnische System zur Verfügung stehen, wenn das Elektrofahrzeug mit dem haustechnischen System in Verbindung steht. Das haustechnische System kann ferner Mittel zum Laden der Akkus eines Elektrofahrzeugs (in 2 nicht dargestellt) umfassen.
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Der Energiespeicher 15 und seine zugehörigen Akkumulatoren sind elektrisch mit dem Energiespeichersystem 12' und den darin enthaltenen Energiespeichern 12 verbunden. Die Steuermittel können nicht nur die Energiespeicher, sondern auch die Verwendung der elektrischen Energie der Energiespeicher steuern und/oder den Funktionszustand der Energiespeicher überwachen. Die Steuermittel können zum Beispiel überwachen, wie die Energiespeicher das Betriebswasser mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz oder aus den Akkus erwärmen, wann elektrische Energie von den Energiespeichern verbraucht wird und von wem elektrische Energie verbraucht wird. Zusätzlich können die Steuermittel Energiebetriebsdaten des Gebäudes, wohnungsspezifische Verbrauchsdaten der Energiespeicher und/oder Diagnostik bezüglich der Energiespeicheraktivität sammeln.
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Weiter Bezug nehmend auf 2 ist jeder raumspezifische Energiespeicher 12 mit einem Wasserleitungsnetz verbunden, zum Beispiel mit dem kommunalen Wasserleitungsnetz. Der Anschluss erfolgt über den Hauptwasserzähler 18 des Mehrfamilienhauses. Für die Wasserüberführung umfasst das Wassersystem des Gebäudes eine Stammleitung 16 für kaltes Wasser und zusätzlich Rohrstränge 17, die von der Stammleitung 16 wohnungsspezifisch abzweigen und die zwischen der Stammleitung 16 des Gebäudes und den Zuleitungsrohren oder Zuleitungsstutzen der Energiespeicher 12 angeordnet sind. Das Wassersystem des Gebäudes verfügt zusätzlich über die für den Betrieb erforderlichen Einrichtungen wie zum Beispiel Umwälzpumpen und Ventile.
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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen haustechnischen Systems wird kaltes Betriebswasser aus dem Wasserleitungsnetz über die Stammleitung 16 zugeführt und über abzweigende Rohrstränge 17 in die Wohnungen zu den Energiespeichern 12 geleitet. Das kalte Wasser wird über ein Zuleitungsrohr in das Reservoir, das sich im Inneren des Energiespeichers 12 befindet, gebracht, wobei das Wasser in dem Reservoir zum Beispiel durch elektrische Widerstände 19 erwärmt wird. Die Erwärmung und der Verbrauch von Wasser in den Energiespeichern in den Wohnungen können durch Messgeräte, die sich in den Energiespeichern befinden, überwacht werden, beispielsweise mit Hilfe von Sendern, Messwertgebern für Temperatur und Feuchtigkeit, Wasserzählern und Steuereinheiten (in 2 nicht dargestellt), die mit den Steuermitteln, die mit den Energiespeichern verbunden sind, verdrahtet oder drahtlos kommunizieren.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Steuerung der Energiespeicher über ein Telekommunikationsnetz realisiert werden. Die Steuerung kann lokal erfolgen, zum Beispiel durch die Bewohner der Wohnungen, beispielsweise unter Verwendung von lokalen Steuerungen in den Speichern, oder durch in der Ferne angeordnete Steuermittel, beispielsweise durch Gebäudeinstandhaltungspersonal. Die Steuermittel können zum Beispiel Endgeräte, Computer, Datenübertragungsgeräte, Bedienfelder und Kontrollraumsoftware umfassen, die mit einem Telekommunikationsnetz verbunden werden können. Das System zur Steuerung der Energiespeicher kann beispielsweise Sender, Sensoren, Gateway-Geräte und/oder einen Cloud-Dienst umfassen, die drahtlose IoT-(Internet of Things) oder LoRa- (Long Range) Technologie verwenden, und die zum Beispiel in LoRaWAN- (Long Range Wide Area Network) Netzen betrieben werden. LoRa-Sender und -Sensoren können zum Beispiel Informationen zum Hauptwasserzähler eines Gebäudes, den Wasserverbrauch des Gebäudes, den Zustand der Pumpen, den Zustand der Ventile, den Zustand der Inverter, den Druck, die Feuchtigkeit, das Aufladen der Stromakkus, den Verbrauch an elektrischer Energie des Gebäudes und/oder den Ausfall des Wassersystems des Gebäudes überwachen. Darüber hinaus können die von den LoRa-Sendern und -Sensoren überwachten Informationen wohnungsspezifisch sein, zum Beispiel die Temperatur des Betriebswassers der Speicher, Temperaturgrenzen, Verbrauchsdaten des Betriebswassers, Verbrauchsdaten der elektrischen Energie, Diagnosedaten der Energiespeicher und/oder Diagnosedaten anderer Geräte. Die Sender können Alarme, Berichte und Nachrichten erstellen und diese Informationen drahtlos an Nutzer übertragen, wenn Schwellenwerte und Alarmgrenzen erreicht werden. Die Nutzer können zum Beispiel die Bewohner der Wohnungen, die Gebäudeeigentümer und/oder das Servicepersonal sein. Zusätzlich kann das haustechnische System eine Datenbank zum Sammeln der oben erwähnten überwachten und/oder gemessenen Daten enthalten.
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Mit dem haustechnischen System gemäß der vorliegenden Erfindung können die Bewohner der Wohnungen in Mehrfamilienhäusern ihren wohnungsspezifischen Energieverbrauch kontrollieren. Das haustechnische System kann zum Beispiel wohnungsspezifische Messgeräte für Elektroenergie, Temperaturmessgeräte, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren, Präsenzmelder und Wasserzähler umfassen. Das haustechnische System kann zum Beispiel eine Kontrollraumsoftware oder ein Bedienfeld und wohnungsspezifische Messgeräte umfassen, mit denen die Verwendung und der Verbrauch der wohnungsspezifischen Elektroenergie, Wärmeenergie und Kühlenergie des Gebäudes in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit überwacht werden können, beispielsweise über einen bestimmten Zeitraum. Basierend auf wohnungsspezifisch durchgeführten Energieverbrauchsmessungen und Energiebetriebsdaten des Gebäudes kann die Energieeffizienz oder die Energiebilanz der Wohnungen des Gebäudes oder eines Gebäudes bestimmt und überwacht werden. Die Überwachung kann programmgesteuert unter Verwendung von Steuermitteln durchgeführt werden. Die Steuermittel können einen Lernsoftwarealgorithmus enthalten, der den täglichen Energieverbrauch, den Verbrauch an elektrischer Energie, den Wasserverbrauch, den Kühlungsverbrauch der Bewohner der Wohnungen und die Präsenzdaten der Bewohner der Wohnung nachverfolgt. Die überwachten und gemessenen Daten können über ein Telekommunikationsnetz in eine Datenbank übertragen werden. Basierend auf den Nachverfolgungsdaten kann der Softwarealgorithmus Modelle oder Vorhersagen erstellen oder bestimmen, die dem Bedarf oder der Nachfrage an Energie der Bewohner entsprechen, und das Energiespeichersystem, das Sonnenenergiesystem und das Energiespeichersystem gemäß dem wohnungsspezifischen Bedarf steuern.
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Das haustechnische System gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine wohnungsspezifische Energierückgewinnung und eine effiziente Nutzung von erneuerbaren Energielösungen wie beispielsweise Sonnenenergie. Wenn ausreichend Sonnenenergie zur Verfügung steht, kann die von dem Sonnenenergiesystem erzeugte elektrische Energie als Zusatzenergie zur Erwärmung des dem Energiespeicher zugeführten Betriebswassers genutzt werden. Wenn die Sonnenenergie beispielsweise morgens oder abends oder bei Regen oder Bewölkung nicht ausreichend zur Verfügung steht, wird die zur Erwärmung des Betriebswassers erforderliche elektrische Energie aus dem Stromnetz oder dem Energiespeicher des Gebäudes bezogen. Darüber hinaus kann die Energie, die in den Wohnungen überschüssig ist, in einem zentralen Akkumulator in der Immobilie, in den Akkus eines Elektroautos und/oder in dezentralen, wohnungsspezifischen Energiespeichern gespeichert werden. Intelligent gesteuertes Energiemanagement macht es möglich, dass die Bewohner der Wohnungen zurückgewonnene Energie zwischen den Wohnungen oder anderen Gebäuden übertragen können. Intelligente Cloud-Steuerung reduziert ständig das Gleichgewicht der Produktion und des Verbrauchs des Gebäudes und/oder der Wohnungen oder der Gebäude.
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Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist es klar, dass die Erfindung nicht auf die soeben beschriebenen Lösungen beschränkt ist, sondern dass der erfinderische Gedanke auf zahlreiche Arten im Rahmen der Schutzansprüche angewendet werden kann.
