EP3711132A1 - Verfahren zum betreiben eines eine wärmepumpe aufweisenden wärmespeichersystems - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines eine wärmepumpe aufweisenden wärmespeichersystems

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EP3711132A1
EP3711132A1 EP18796043.0A EP18796043A EP3711132A1 EP 3711132 A1 EP3711132 A1 EP 3711132A1 EP 18796043 A EP18796043 A EP 18796043A EP 3711132 A1 EP3711132 A1 EP 3711132A1
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EP
European Patent Office
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heat pump
heat
local
energy management
power
Prior art date
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Pending
Application number
EP18796043.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Niclas Mueller
Martin Weiss
Lukas Wurzer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y04S20/242—Home appliances
    • Y04S20/244—Home appliances the home appliances being or involving heating ventilating and air conditioning [HVAC] units

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1. Such a method is used to operate a
  • the heat pump is connected to a local electrical grid
  • the local energy management controls electrical currents in the local electrical grid and between the local electrical grid and an external electrical grid flowing electrical currents, and wherein one associated with the operation of the heat pump electrical load is shifted in time and wherein the load shift is controlled by the local energy management.
  • Heat pumps are used in particular for heating buildings and heat in their operation large heat storage such as heating water circuits,
  • the heat storage system comprises in this case, in particular, the heat pump and the heat storage.
  • the heat pumps used for this purpose are increasingly of the modulating heat pump type. Modulating heat pumps dynamically adjust their heat output through the heat pump's compressor to the actual power required and are therefore more efficient to use than constant-speed clocking heat pump compressors, which only allow for on-off operation.
  • the local electrical grid is, for example, the electrical grid of a building or a collection of buildings.
  • the external electric power grid is, for example, a larger area and cities with electricity supplying power network, which is fed by power plants.
  • Local energy management is a term that covers both procedural aspects and device aspects of supplying the heat pump with electrical energy. For example, the local energy management can
  • Be control program that runs in a control electronics of the heat pump or in a separate electrical control unit.
  • the electrical load is the power or energy absorbed by the heat pump.
  • the SG Ready interface can also be used for load shifting in conjunction with photovoltaic systems, in order to extend the heat pump's running time in the presence of high yields of the photovoltaic system, thereby increasing self-consumption and avoiding feed-in.
  • the SG Ready interface is of limited use. It has two major disadvantages: one The first disadvantage is that it is capable of unidirectional communication only.
  • the heat pump can receive a signal from the grid operator of an external electrical grid to control it. Due to the missing return channel, the control device located outside the heat pump, whether it be the local energy management of a local power grid or a large number of local power grids, is supplied with electrical energy
  • Heat pump will respond to the recommendation, nor is it possible to influence the performance.
  • the heat pump can be switched on and off only digitally in the prior art.
  • the present invention differs by the characterizing features of claim 1. These provide that a power consumption of the heat pump is controlled so that this power consumption follows a specified by the local energy management default value for the electrical power consumption, if heat-side requirements allow this to the heat storage system.
  • Heat pump via a first information interface provides information about current operating parameters of the heat storage system.
  • the first information interface is preferably a digital interface, in particular an Internet or network-capable interface.
  • Interfaces can be purchased and can communicate with other devices by cable or by radio.
  • the interface can also be used as part of the control program of the heat pump or the
  • the invention relates in In this context, it is not the structural design of this interface but its programmable function in conjunction with the local energy management and the direct control of the heat pump.
  • Energy Management can take into account the current state of the heat storage system in the control of power flows.
  • Heat-side requirements arise, for example, from the fact that the temperatures of the heat storage connected to the heat pump should be within certain limits.
  • the heat pump can be turned on when it is convenient to receive power from the external power grid or from a local grid associated photovoltaic system. Such a situation can occur, for example, when there is currently a lot of wind power or solar power in the external power grid or in the local power grid.
  • the flexibilities are defined as a currently possible power range or currently possible discrete stages for the
  • Influencing factors such as system state, efficiency, blocking periods,
  • Heating requirement or as a recordable by a heat storage capacity of the heat storage system recordable electrical energy.
  • the invention allows a more accurate integration of the heat pump in a local energy management system and improves the usability of the heat pump for web services. Through the interface acquired the local
  • a further preferred refinement is characterized in that the information additionally contains information about the time necessary for achieving the abovementioned values (power range, currently possible discrete stages for power consumption, absorbable electrical energy).
  • the information contain information about fixed start-up sequences when the heat pump is at a standstill.
  • the information for heat pumps which also have an auxiliary heater in addition to a compressor, be provided separately for the compressor and the auxiliary heater.
  • Heat pumps which in addition to a compressor also have an additional heater, for the compressor and the auxiliary heater is done separately.
  • a network operator or a local energy management system can plan more accurately, because the current flexibilities are known and because one can optimize the granularity by specifying a power standard value, e.g. can follow the current surplus of a photovoltaic system.
  • Heat storage of the heat storage system can be parameterized by an operator or by the local energy management. It is further preferred that, in the case of a heat storage system having a plurality of heat accumulators, independent temperature elevations for each heat accumulator can be parameterized.
  • a further preferred embodiment is characterized in that also permissible maximum values for the respective flow or storage temperatures of the heat storage can be parameterized.
  • Heat storage system in terms of a compromise between the greatest possible flexibility and the least possible loss of comfort (for example, in the heating) heat storage individually optimized.
  • the local energy management sends as a default value for the electrical power consumption of the value of the current excess of favorable energy and the heat pump increases their power consumption accordingly or turns on if it is at a standstill.
  • Load displacement heat is generated with cheap available electrical energy and so a later, resulting in a higher price reference from the external power network reduced or avoided.
  • a further preferred embodiment is characterized in that if the local energy management does not output a default value or outputs a default value that is less than one to maintain a normal, that is not excessive temperature of a heat accumulator of the
  • Heat storage system required power consumption of the heat pump, or if this normal temperature is exceeded, the
  • Heat pump discards the specification of the local energy management system and changes their performance to meet the heat demand. In this way, undesirable loss of comfort, as they can occur, for example, if the flow temperature of the heating system is too low, is avoided.
  • periods are determined by the local energy management in which cheap energy is available and the first
  • Information interface is used to allow the heat pump to generate as much heat during these periods, so that they must not be generated sooner or later to higher energy costs.
  • Energy management system continuously sends the current surplus power of the photovoltaic system as a default value to the heat pump, if it has previously indicated through the information interface that it can be operated in this power range. In this way, the electrical power generated by the photovoltaic system can be absorbed by self-consumption in the local power grid and a later purchase of (expensive) power from the external power grid can be reduced or at least avoided.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the local energy management system otherwise feeds the energy that can not be used by the heat pump directly into other flexible consumers connected to the local energy management.
  • the local energy management determines the electrical load of the consumers of electrical energy connected to the local energy management and offers them to the operator of the external power network via a second information interface.
  • This embodiment allows a needs-based provision of network services such as a decrease of temporarily excess available wind power.
  • a further preferred embodiment is characterized in that when such a service is called up, the local energy management uses the setpoint specification in order to obtain the retrieved flexibility (eg
  • FIG. 1 is a block diagram of a heat pump having
  • Heat storage system in a local power grid connected to an external power grid
  • Figure 2 curves of temperatures of a heat storage of a heat pump as they occur in the prior art and in one embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 3 shows curves of electric power corresponding in time to the curves according to FIG.
  • FIG. 1 shows a local power network 10, which has a heat pump 12, a photovoltaic system 14, a plurality of further consumers 16.1 - 16. n, a local energy management 18, a first information interface 20 and a second information interface 22.
  • the first information interface 20 is functionally located between the local power management 18 and an immediate controller 24 of the heat pump 12.
  • the second information interface 22 is functionally located between the local power management 18 and an immediate controller 24 of the heat pump 12.
  • the Interfaces 20, 22 are preferably digital interfaces, in particular Internet or network-compatible interfaces.
  • the local electric power network 10 is, for example, the power grid of a building or a collection of buildings.
  • the external power grid 26 is, for example, a larger area and cities with electric power
  • the local power management 18 has a control unit with a processor and a memory.
  • the process aspects of the local power management 18 are implemented by the processor using a program stored in memory.
  • the interfaces 20, 22 may also be part of the control unit. In this case, the respective interface is just an extension of the software.
  • the heat pump 12 is a modulating heat pump 12, as described above. It has an electrically driven compressor 28 and the immediate control 24. Under the concept of direct control 24 here procedural aspects and
  • the heat pump 12 operates in particular so that set parameterizable temperatures in the connected heat storage, which temperatures can follow, for example, a likewise parameterizable time course.
  • Such a static parameterization is carried out, for example, by an operator or by the local energy management 18.
  • the immediate controller 24 includes a processor and memory. Immediate control is done by the processor using a program stored in memory. At the execution of the executed for the realization of the invention
  • Process steps may involve the local power management 18 and / or one or both interfaces 20, 22 and / or the immediate controller 24.
  • the heat pump 12 may have an electric auxiliary heater 30.
  • the heat pump 12 is a component of a heat storage system having one or more heat storage. Examples of such heat storage are, for example, Schumachernikaction 32 of a building, a hot water drinking water storage 34 and buffer 36 of the building.
  • the other consumers 16.1 - 16. n are, for example, household appliances such as washing machines and dishwashers.
  • Heating water circuits 32, the hot water drinking water storage 34 and the buffer memory 36 represent heat flows.
  • the remaining connection lines represent signal connections that are both wired
  • Line-bound connections can be realized as a bus system.
  • the heat pump 12 provides information about the current flexibilities via the first information interface 20.
  • the flexibilities result, for example, from differences between actual temperature values and maximum temperature values or
  • Temperature sensors are detected.
  • Heat pump 12 taking into account current factors such as
  • the intervention results in a load shift.
  • the local energy management 18 continuously determines whether cheap energy is available. Cheap energy is available, for example, when a photovoltaic system 14 provides more electrical power than the heat pump 12 currently required as part of their immediate control 24 or just when electricity from the external power grid 26 can be obtained at a low price.
  • An intervention may also be made to take advantage of the flexibility of the heat pump 12 for network services. Also in this case sends the local energy management 18 of the heat pump 12 via the first information interface 20 default values for the electrical power to be absorbed.
  • a flexibility that is, a currently possible range for the absorption of electrical power by the heat pump 12 is for example between 1, 0 kW and 3.5 kW. This range varies depending on the selected flow temperature, the source temperature, the system state (e.g.
  • This information may be communicated to the local power management 18 either through a continuous range (minimum-maximum), discrete stages (1kW, 2kW, 3kW) or via a mixture of both from the direct controller 24 of the heat pump 12 via the first information interface 20. Ideally, this will be communicated to the local power management 18 either through a continuous range (minimum-maximum), discrete stages (1kW, 2kW, 3kW) or via a mixture of both from the direct controller 24 of the heat pump 12 via the first information interface 20. Ideally, this will be communicated to the local power management 18 either through a continuous range (minimum-maximum), discrete stages (1kW, 2kW, 3kW) or via a mixture of both from the direct controller 24 of the heat pump 12 via the first information interface 20. Ideally, this will be communicated to the local power management 18 either through a continuous range (minimum-maximum), discrete stages (1kW, 2kW, 3kW) or via a mixture of both from the direct controller 24 of the heat pump 12 via the first
  • the immediate controller 24 transmits the
  • Heat pump 12 the local energy management on the first
  • the local energy management 28 of the immediate control 24 via the first information interface 20 additionally transmitted information about the time required to reach a desired flow temperature.
  • the local energy management 18 is additionally provided with information about fixed start-up sequences by the direct control 24 via the first information interface 20 if the
  • Heat pump 12 is at a standstill.
  • FIG. 2 shows time profiles of temperatures T of the heat accumulators, as occur in the prior art and an embodiment of the present invention, over the time of one day in a heat pump 12 and a photovoltaic system 14 having local power supply network.
  • FIG. 3 shows corresponding courses of power values in the local power grid.
  • the buffer memory 36 is associated with a normal temperature 40, which should set in a normal operation.
  • the normal operation is an operation in which a load shift does not take place.
  • the time profile of the normal temperature 40 and the normal electrical power 42 each represent a normal course in which the recording of the normal electrical power 42 by the heat pump 12 serves to set a predetermined target temperature T_soll by a performed by the direct control 24 of the heat pump 12 control. A load shift does not take place in these courses.
  • the daytime course of the electrical power 44 of a photovoltaic system 14 of the local power grid 10 has, for example, the shape shown in FIG. 3 with a maximum lying in the midday hours.
  • Temperature actual value adjusts itself at constant temperature setpoint T_soll an equilibrium at which for the rest of the day the normal temperature 40 and also the recording of the normal electrical power 42 is approximately constant when no load shift occurs.
  • the electrical power 44 generated by the photovoltaic system 14 exceeds the normal electrical power consumption 42 of the heat pump 12.
  • a signal of an SG ready - Interface is present, which recommends a (Lastverschiebungs-) operation of the heat pump 12 to avoid, for example, an undesirable feed into the external power grid 26.
  • the direct control 24 of the heat pump 12 reacts to this signal with a maximum increased absorption of a first load displacement power 48 by the heat pump 12, which must be obtained from the external power network 26 inadequate power 44 of the photovoltaic system 14.
  • the first load shift temperature 46 increases and reaches its maximum allowable value T_max at time t3.
  • the immediate control 24 of the heat pump 12 responds with a reduction in the intake of the first
  • the power 44 provided by the photovoltaic system 14 drops below the power requirement of the heat pump 12 again.
  • the heat pump 12 is switched off at still above the temperature setpoint T-soll lying temperature, so that in this case recorded by the heat pump first load shift performance drops to zero.
  • the then decreasing first load shift temperature reaches its setpoint value at time t6, which leads to the heat pump 12 being switched on again.
  • Load shifting power 52 which is not greater than the power 44 provided by the photovoltaic system 14.
  • the heat pump 12 is operated with less electrical energy between the times t2 and t3 than in the first load shift known from the prior art (SG-Ready).
  • second increases are also possible.
  • the load-shift temperature only reaches its maximum permissible value t-max at t3 ⁇ t4 ⁇ t5 at time t4. Then it will be up to the second
  • Load shifting performance 52 reduces increased electrical power consumption back to an equilibrium value at which the second
  • Load shift temperature 50 is initially maintained at its maximum allowable value T_soll. At the time point t5, at which the power 44 provided by the photovoltaic system 14 is higher than that of the heat pump 12, while the second load shift temperature 50 is still higher, in order to maintain the increased second power level
  • the heat pump 12 is in this embodiment of the invention with that of the
  • Photovoltaic system 14 provided power 44 continues to operate.
  • the second load-shift temperature thereby decreases more slowly than in the first load shift generated by the prior art operating on the SG-Ready interface.
  • the reference of electrical energy which is characterized by the area between the times t2 and t3 and the progress of the power provided by the photovoltaic system 14 44 and that of the Area lying over the SG-ready interface set first load displacement performance 52 results in the invention advantageously avoided.
  • Energy management 18 then sends as a default value for the electrical Power consumption the value of the current surplus, and the
  • Heat pump 12 increases your power consumption accordingly, or switches on, if it is at a standstill. This is controlled by the immediate controller 24. The excess comes from the photovoltaic system 14 in the example considered here.
  • the heat pump 12 When the maximum flow temperature is then reached, the heat pump 12 signals this to the local energy management 18 via the first information interface 20 in that no or only a reduced possible power consumption is offered as flexibility. At the same time, the heat pump 12 (or immediate controller 24) reduces its electrical power consumption or shuts down.
  • the local power management 18 sends no or too low a setpoint, or if it is corrupted by e.g. sudden increased thermal loads in the
  • Normal operation is set to be set target flow temperature T_soll without load shift, the heat pump 12 rejects the default of the local energy management 18 and changed their performance to this
  • the mode of operation of the local energy management system 18 is independent. It determines periods of favorable energy or favorable performance and uses the first information interface 20 to allow the heat pump 12 to generate as much heat as possible during these periods so that it does not later become higher tariffs / energy costs must be generated. If, as in the case of photovoltaics, the power of cheap energy is limited, then sends the local
  • Energy Management 18 continuously the currently available power of the photovoltaic system 14 as a target value specification to the heat pump 12, if this previously indicated via the first information interface 20 that it can be operated in this power range. Otherwise, the local energy management 18 uses the energy that can not be used by the heat pump 12 directly in other flexible consumers 16.1 - 16. n, for example in
  • Household appliances such as washing machines.
  • a flexible consumer is a consumer of electrical power that increases the electrical power
  • a second information interface 22 for network services (for example, control power, timetable optimization, distribution network optimization). If such a service is called up by the external power grid, the local energy management 18 uses a setpoint specification received in this case from the external power network 26 via the second information interface 22 to obtain the requested flexibility (eg power reduction by 1 kW or additional power of 1 kW ) implement.
  • All interfaces 20, 22 are digital interfaces, preferably Internet or network-compatible interfaces.
  • FIG. 4 shows a flowchart as an exemplary embodiment of a
  • the heat pump 12 provides information about current operating parameters of the heat storage system over the first
  • Information interface 20 ready, the information on current flexibilities of the heat pump 12 included.
  • step 56 the local energy management determines periods in which cheap energy (for example solar power or favorable electricity tariffs) is available and thus checks whether favorable energy and flexibilities of the heat pump are available.
  • cheap energy for example solar power or favorable electricity tariffs
  • step 58 the first information interface 20 is used in step 58 to allow the heat pump 12 to generate as much heat as possible during these periods so that it does not have to be generated sooner or later at higher energy costs. Otherwise, the process returns to step 54.
  • step 58 the power consumption of the heat pump 12 is controlled so that this power consumption follows a predetermined by the local power management 18 default value for the electrical power consumption, as far as heat-side requirements for the heat storage system allow.
  • step 60 it is checked whether an abort condition is fulfilled.
  • Termination condition is met, for example, when the maximum temperature T_max is reached. If this is not the case, the program returns to step 58, so that the loop from steps 58 and 60, if necessary, returns.
  • step 62 An abort condition is also met if the local power management 18 does not output a default value or outputs a default value that is less than a power consumption of the heat pump 12 required to maintain a normal, that is not excessive, temperature of a heat accumulator of the heat storage system or if this is normal Temperature is below.
  • the default of the local power management 18 is discarded and the heat pump 12 changes its electrical power consumption to meet the heat demand. The method may then proceed to step 54.
  • the local energy management 18 can also offer the flexibility present in the local power grid 10 to the external power grid 26 via the second information interface 22.
  • the external power grid 26 retrieves such flexibility via the second information interface 22.
  • the Energy Management 18 from the external power grid 26 requested flexibility on the first information interface 20 from.
  • the requested flexibility in this case consists of a momentary change in the electrical power drawn from the external power network 26 (power supply), for Example from a reduction of the grid reference by 1 kW or from an additional grid reference of 1 kW.
  • the power with which the favorable energy is available is limited
  • the local energy management 18 may otherwise feed the energy not usable by the heat pump 12 directly into other flexible consumers (16.1, ..., 16. n) connected to the local energy management 18.
  • the local power management 18 may be the electrical load of the loads connected to the local power management 18
  • Information interface 22 offer the operator of the external power network 26.
  • the method when retrieving such a service, may use the local power management 18 the setpoint default to implement the fetched flexibility.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Betreiben eines eine Wärmepumpe (12) aufweisenden Wärmespeichersystems durch ein lokales Energiemanagement (18), wobei das Wärmespeichersystem eine Wärmepumpe (12) aufweist, die an ein lokales elektrisches Stromnetz (10) angeschlossen ist, und wobei das lokale Energiemanagement (18) elektrische Ströme in dem lokalen elektrischen Stromnetz (10) und zwischen dem lokalen elektrischen Stromnetz (10) und einem äußeren elektrischen Stromnetz (26) fließende elektrische Ströme steuert, und wobei eine mit dem Betrieb der Wärmepumpe (12) verbundene elektrische Last zeitlich verschoben wird und wobei die Lastverschiebung durch das lokale Energiemanagement (18) gesteuert wird. Die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe wird einem Vorgabewert von dem lokalen Energiemanagement (18) folgend gesteuert, sofern wärmeseitige Anforderungen an das Wärmespeichersystem dies zulassen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines eine Wärmepumpe aufweisenden
Wärmespeichersvstems
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren dient zum Betreiben eines eine
Wärmepumpe aufweisenden Wärmespeichersystems durch ein lokales
Energiemanagement, wobei die Wärmepumpe an ein lokales elektrisches Stromnetz angeschlossen ist, und wobei das lokale Energiemanagement elektrische Ströme in dem lokalen elektrischen Stromnetz und zwischen dem lokalen elektrischen Stromnetz und einem äußeren elektrischen Stromnetz fließende elektrische Ströme steuert, und wobei eine mit dem Betrieb der Wärmepumpe verbundene elektrische Last zeitlich verschoben wird und wobei die Lastverschiebung durch das lokale Energiemanagement gesteuert wird. Ein solches Verfahren wird als per se bekannt vorausgesetzt.
Wärmepumpen werden insbesondere zur Heizung von Gebäuden verwendet und heizen in ihrem Betrieb große Wärmespeicher wie Heizwasserkreise,
Trinkwasserspeicher und Pufferspeicher auf. Das Wärmespeichersystem umfasst in diesem Fall insbesondere die Wärmepumpe und die Wärmespeicher. Die dazu verwendeten Wärmepumpen sind zunehmend vom Typ der modulierenden Wärmepumpen. Modulierende Wärmepumpen passen ihre Heizleistung über den Kompressor der Wärmepumpe dynamisch an die momentan benötigte Leistung an und sind daher effizienter einzusetzen als taktende Wärmepumpenkompressoren mit konstanter Drehzahl, mit denen lediglich ein Ein-Aus-Betrieb möglich ist. Das lokale elektrische Stromnetz ist zum Beispiel das elektrische Stromnetz eines Gebäudes oder einer Ansammlung von Gebäuden. Das äußere elektrische Stromnetz ist zum Beispiel ein größere Gebiete und Städte mit elektrischer Energie versorgendes Stromnetz, das von Kraftwerken gespeist wird. Das lokale Energiemanagement ist ein Begriff, der hier sowohl Verfahrensaspekte als auch Vorrichtungsaspekte der Versorgung der Wärmepumpe mit elektrischer Energie abdeckt. Das lokale Energiemanagement kann zum Beispiel ein
Steuerungsprogramm sein, das in einer Steuerelektronik der Wärmepumpe oder in einem separaten elektrischen Steuergerät abläuft. Die elektrische Last ist die von der Wärmepumpe aufgenommene Leistung oder Energie. Diese Definitionen gelten nicht nur für den Stand der Technik, sondern auch für die vorliegende Erfindung.
Aufgrund der in Wärmepumpensystemen typischerweise großen Wärmespeicher lässt sich die Laufzeit der Wärmepumpe ohne spürbare Komfortbeeinträchtigung um einige Stunden verschieben. Dieser Effekt wird heute bereits über
Rundsteuerempfänger oder vergleichbare Technologien genutzt, um
Wärmepumpen zur Stabilisierung zeitweise abzuschalten. Wärmepumpen bilden durch ihre hohe elektrische Anschlussleistung, den hohen Gesamtverbrauch und ihre wachsende Verbreitung eine Schlüsselkomponente für die Stabilisierung der Stromnetze durch aktive Eingriffe in ihre Betriebsstrategie über Fernwirktechnik.
Als Erweiterung der Rundsteuertechnologie, die nur eine Abschaltung ermöglicht, wurde 2013 vom Bundesverband Wärmepumpe e.V. die SG Ready Schnittstelle eingeführt, eine physikalische Schnittstelle, die auf zwei potentialfreien Kontakten basiert, über welche vier verschiedene Betriebsmodi gesetzt werden können: Forced Off, Normal Operation, On, Forced On.
Die SG Ready Schnittstelle kann durch Nutzung der Betriebsmodi Normal Operation und On auch für Lastverschiebung in Verbindung mit Photovoltaik- Anlagen genutzt werden, um die Laufzeit der Wärmepumpe beim Vorliegen hoher Erträge der Photovoltaikanlage vorzuziehen und so den Eigenverbrauch zu erhöhen und die Einspeisung zu vermeiden.
Für die Nutzung in lokalen Energiemanagement-Systemen ist die SG Ready Schnittstelle nur begrenzt hilfreich. Sie weist zwei wesentliche Nachteile auf: Ein erster Nachteil besteht darin, dass sie nur zur unidirektionalen Kommunikation fähig ist.
Über die SG Ready Schnittstelle kann die Wärmepumpe vom Netzbetreiber eines äußeren elektrischen Stromnetzes ein Signal zur Steuerung bekommen. Aufgrund des fehlenden Rückkanals bekommt die außerhalb der Wärmepumpe liegende Steuereinrichtung, sei es das lokale Energiemanagement eines lokalen Stromnetzes oder ein viele lokale Stromnetze mit elektrischer Energie
versorgendes äußeres elektrisches Stromnetz, kein Feedback über die Reaktion der Wärmepumpe, insbesondere darüber, ob eine Reaktion der Wärmepumpe auf ein Steuersignal zu erwarten ist.
Die Signale On und Forced On sind Empfehlungen an das
Wärmepumpensystem, es ist aber weder bekannt ob, und ggf. wie die
Wärmepumpe auf die Empfehlung reagieren wird, noch ist eine Beeinflussung der Leistung möglich. Die Wärmepumpe lässt sich beim Stand der Technik nur digital ein- und ausschalten.
Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Diese sehen vor, dass eine Leistungsaufnahme der Wärmepumpe so gesteuert wird, dass diese Leistungsaufnahme einem von dem lokalen Energiemanagement vorgegebenen Vorgabewert für die elektrische Leistungsaufnahme folgt, sofern wärmeseitige Anforderungen an das Wärmespeichersystem dies zulassen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Wärmepumpe über eine erste Informationsschnittstelle Informationen über aktuelle Betriebskenngrößen des Wärmespeichersystems bereitstellt.
Die erste Informationsschnittstelle ist bevorzugt eine digitale Schnittstelle, insbesondere eine Internet- bzw. netzwerkfähige Schnittstelle. Solche
Schnittstellen sind käuflich erwerbbar und können leitungsgebunden oder über Funk mit anderen Geräten kommunizieren. Die Schnittstelle kann aber auch als ein Teil des Steuerungsprogramms der Wärmepumpe oder des
Energiemanagements verwirklich sein. In jedem Fall erfolgt die Kommunikation zwischen dem lokalen Energiemanagement und der unmittelbaren Steuerung der Wärmepumpe über die erste Informationsschnittstelle. Die Erfindung betrifft in diesem Zusammenhang nicht den strukturellen Aufbau dieser Schnittstelle, sondern deren programmierbare Funktion im Zusammenwirken mit dem lokalen Energiemanagement und der unmittelbaren Steuerung der Wärmepumpe.
Durch das im Vergleich zur SG-Ready Schnittstelle zusätzliche Bereitstellen von Betriebskenngrößen des Wärmespeichersystems ergibt sich insbesondere eine bi-direktionale Kommunikation zwischen dem lokalen Energiemanagement und der unmittelbaren Steuerung der Wärmepumpe, so dass das lokale
Energiemanagement den aktuellen Zustand des Wärmespeichersystems bei der Steuerung der Stromflüsse berücksichtigen kann.
Wärmeseitige Anforderungen ergeben sich zum Beispiel daraus, dass die Temperaturen der an die Wärmepumpe angeschlossenen Wärmespeicher innerhalb bestimmter Grenzen liegen sollen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Informationen über aktuelle Betriebskenngrößen der Wärmepumpe Angaben über aktuelle Flexibilitäten der Wärmepumpe enthalten. Unter Flexibilitäten werden hier gewissermaßen Reserven des Wärmespeichersystems verstanden. Eine solche Reserve ergibt sich zum Beispiel dann, wenn eine aktuelle
Speichertemperatur kleiner als ihr Maximalwert ist. Dann kann die Wärmepumpe eingeschaltet werden, wenn es günstig ist, Strom aus dem äußeren Stromnetz oder aus einer zum lokalen Netz zugehörigen Photovoltaikanlage aufzunehmen. Eine solche Situation kann zum Beispiel dann auftreten, wenn aktuell viel Windstrom oder Solarstrom im äußeren Stromnetz oder im lokalen Stromnetz vorhanden ist.
Bevorzugt ist auch, dass die Flexibilitäten definiert sind als ein aktuell möglicher Leistungsbereich oder aktuell mögliche diskrete Stufen für die
Leistungsaufnahme der Wärmepumpe unter Berücksichtigung aktueller
Einflussfaktoren wie Systemzustand, Effizienz, Sperrzeiten,
Heizungsanforderung, oder als eine durch eine Wärmespeicherfähigkeit des Wärmespeichersystems bestimmte aufnehmbare elektrische Energie.
Die Erfindung erlaubt eine exaktere Einbindung der Wärmepumpe in ein lokales Energiemanagement System und verbessert die Nutzbarkeit der Wärmepumpe für Netzdienstleistungen. Durch die Schnittstelle erlangt das lokale
Energiemanagement Kenntnis über die momentane Flexibilität. Diese Kenntnis erlaubt dem lokalen Energiemanagement eine verbesserte
Entscheidungsfindung in Bezug auf die Frage, ob es in eine unmittelbare Steuerung der Wärmepumpe eingreifen soll und in Bezug auf die Frage, mit welcher Leistung die Wärmepumpe laufen soll. Damit kann das lokale
Energiemanagement besser zwischen verschiedenen flexiblen elektrischen Lasten priorisieren.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Informationen zusätzlich Angaben über die notwendige Zeit zum Erreichen der oben genannten Werte (Leistungsbereich, aktuell mögliche diskrete Stufen für die Leistungsaufnahme, aufnehmbare elektrische Energie) enthalten.
Bevorzugt ist auch, dass die Informationen Angaben über feste Anfahrsequenzen enthalten, wenn sich die Wärmepumpe im Stillstand befindet.
Weiter ist bevorzugt, dass die Informationen bei Wärmepumpen, die neben einem Kompressor auch einen Zusatzheizer aufweisen, für den Kompressor und den Zusatzheizer getrennt bereitgestellt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vorgabe der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe bei
Wärmepumpen, die neben einem Kompressor auch einen Zusatzheizer aufweisen, für den Kompressor und den Zusatzheizer getrennt erfolgt.
Hierdurch kann ein Netzbetreiber oder ein lokales Energiemanagement-System exakter planen, weil die aktuellen Flexibilitäten bekannt sind und weil man durch die Vorgabe eines Leistungsrichtwerts feingranularer optimieren, z.B. dem aktuellen Überschuss einer Photovoltaik-Anlage folgen kann.
Bevorzugt ist auch, dass eine zulässige Temperaturüberhöhung eines
Wärmespeichers des Wärmespeichersystems durch einen Bediener oder durch das lokale Energiemanagement parametrisierbar ist. Weiter ist bevorzugt, dass bei einem mehrere Wärmespeicher aufweisenden Wärmespeichersystem voneinander unabhängige Temperaturüberhöhungen für jeden Wärmespeicher parametrisierbar sind.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass auch zulässige Maximalwerte für die jeweiligen Vorlauf- oder Speichertemperaturen der Wärmespeicher parametrisierbar sind.
Durch diese Merkmale kann die Reserve der Wärmepumpe und des
Wärmespeichersystems in Bezug auf einen Kompromiss zwischen einer möglichst großen Flexibilität und möglichst geringen Komforteinbußen (zum Beispiel bei der Heizung) Wärmespeicher-individuell optimiert werden.
Bevorzugt ist auch, dass dann, wenn mehr günstige Energie verfügbar ist, als aktuell von der Wärmepumpe aufgenommen wird, aber eine obere
Grenztemperatur T_max noch nicht erreicht ist, dies in der ersten
Informationsschnittstelle als möglicher Leistungsbereich ausgewiesen wird, und dass das lokale Energiemanagement daraufhin als Vorgabewert für die elektrische Leistungsaufnahme den Wert des aktuellen Überschusses günstiger Energie schickt und die Wärmepumpe ihre Leistungsaufnahme entsprechend erhöht oder sich einschaltet, falls sie im Stillstand ist. Durch diese
Lastverschiebung wird Wärme mit günstig zur Verfügung stehender elektrischer Energie erzeugt und so ein späterer, zu einem höheren Preis erfolgender Bezug aus dem äußeren Stromnetz verringert oder vermieden.
Weiter ist bevorzugt, dass dann, wenn die obere Grenztemperatur erreicht wird, über die erste Informationsschnittstelle keine oder nur eine reduzierte mögliche Leistungsaufnahme angeboten wird und dass die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe gleichzeitig reduziert wird oder dass die Wärmepumpe abgeschaltet wird. Durch diese Merkmale werden hohe Temperaturniveaus und damit verbundene Verbrühungsgefahr, sowie ineffiziente Betriebspunkte vermieden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass dann, wenn das lokale Energiemanagement keinen Vorgabewert ausgibt oder einen Vorgabewert ausgibt, der kleiner als ein zur Aufrechterhaltung einer normalen, das heißt nicht überhöhten Temperatur eines Wärmespeichers des
Wärmespeichersystems erforderlichen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ist, oder dann, wenn diese normale Temperatur unterschritten wird, die
Wärmepumpe die Vorgabe des lokalen Energiemanagement-Systems verwirft und ihre Leistung verändert, um die Wärmeanforderung zu erfüllen. Auf diese Weise werden unerwünschte Komforteinbußen, wie sie zum Beispiel bei zu geringer Vorlauftemperatur der Heizung auftreten können, vermieden.
Bevorzugt ist auch, dass vom lokalen Energiemanagement Zeiträume ermittelt werden, in denen günstige Energie zur Verfügung steht und die erste
Informationsschnittstelle dazu verwendet wird, die Wärmepumpe in diesen Zeiträumen möglichst viel Wärme erzeugen zu lassen, so dass diese nicht früher oder später zu höheren Energiekosten erzeugt werden muss.
Weiter ist bevorzugt, dass dann, wenn, wie beim Vorhandensein einer elektrisch an die Wärmepumpe angeschlossenen Photovoltaikanlage, die Leistung begrenzt ist, mit der die günstige Energie zur Verfügung steht, das lokale
Energiemanagement-System kontinuierlich die aktuell überschüssige Leistung der Photovoltaikanlage als Vorgabewert an die Wärmepumpe schickt, falls diese vorher über die Informationsschnittstelle angezeigt hat, dass sie in diesem Leistungsbereich betrieben werden kann. Auf diese Weise kann die von der Photovoltaikanlage erzeugte elektrische Leistung durch Eigenverbrauch im lokalen Stromnetz absorbiert werden und ein späterer Bezug von (teurem) Strom aus dem äußeren Stromnetz kann verringert oder zumindest vermieden werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das lokale Energiemanagement-System andernfalls die nicht von der Wärmepumpe nutzbare Energie direkt in andere flexible und an das lokale Energiemanagement angeschlossene Verbraucher einspeist.
Bevorzugt ist auch, dass das lokale Energiemanagement die elektrische Last der an das lokale Energiemanagement angeschlossenen Verbraucher elektrischer Energie ermittelt und diese über eine zweite Informationsschnittstelle dem Betreiber des äußeren Stromnetzes anbietet. Diese Ausgestaltung erlaubt eine bedarfsgerechte Erbringung von Netzdienstleistungen wie zum Beispiel einer Abnahme von vorübergehend übermäßig zur Verfügung stehendem Windstrom. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass dann, wenn eine solche Dienstleistung abgerufen wird, das lokale Energiemanagement die Sollwert-Vorgabe nutzt, um die abgerufene Flexibilität (z.B.
Leistungsreduktion um 1 kW oder zusätzliche Aufnahme von 1 kW) umzusetzen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines eine Wärmepumpe aufweisenden
Wärmespeichersystems in einem lokalen Stromnetz, das an ein äußeres Stromnetz angeschlossen ist;
Figur 2 Verläufe von Temperaturen eines Wärmespeichers einer Wärmepumpe wie sie beim Stand der Technik und bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens auftreten;
Figur 3 zu den Verläufen nach Figur 3 zeitlich korrespondierende Verläufe von elektrischen Leistungen; und
Figur 4 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens
Im Einzelnen zeigt die Figur 1 ein lokales Stromnetz 10, das eine Wärmepumpe 12, eine Photovoltaikanlage 14, mehrere weitere Verbraucher 16.1 - 16. n, ein lokales Energiemanagement 18, eine erste Informationsschnittstelle 20 und eine zweite Informationsschnittstelle 22 aufweist. Die erste Informationsschnittstelle 20 befindet sich funktionsmäßig zwischen dem lokalen Energiemanagement 18 und einer unmittelbaren Steuerung 24 der Wärmepumpe 12. Die zweite
Informationsschnittstelle 22 befindet sich funktionsmäßig zwischen dem lokalen Energiemanagement 18 und einem äußeren Stromnetz 26, an welches das lokale Stromnetz 10 angeschlossen ist. Die Schnittstellen 20, 22 sind bevorzugt digitale Schnittstellen, insbesondere Internet- bzw. netzwerkfähige Schnittstellen. Das lokale elektrische Stromnetz 10 ist zum Beispiel das Stromnetz eines Gebäudes oder einer Ansammlung von Gebäuden. Das äußere Stromnetz 26 ist zum Beispiel ein größere Gebiete und Städte mit elektrischer Energie
versorgendes Stromnetz, das von Kraftwerken gespeist wird.
Unter dem Begriff des lokalen Energiemanagements 18 werden hier
Verfahrensaspekte und Vorrichtungsaspekte verstanden. Bezüglich seiner Vorrichtungsaspekte weist das lokale Energiemanagement 18 eine Steuereinheit mit einem Prozessor und einem Speicher auf. Die Verfahrensaspekte des lokalen Energiemanagements 18 werden durch den Prozessor unter Verwendung von einem im Speicher abgelegten Programm verwirklicht.
Jede der Schnittstellen 20, 22 weist, wenn sie als physikalisch separates Gerät verwirklicht ist, bzgl. ihrer Vorrichtungsaspekte ebenfalls jeweils einen Speicher und einen Prozessor auf, der für die Funktion der Schnittstelle erforderliche Verfahrensschritte unter Verwendung eines in dem jeweiligen Speicher abgelegten Programms ausführt. Die Schnittstellen 20, 22 können auch ein Teil ds Steuergerätes sein. In diesem Fall ist die jeweilige Schnittstelle nur eine Erweiterung der Software.
Die Wärmepumpe 12 ist eine modulierende Wärmepumpe 12, wie sie weiter oben bereits beschrieben wurde. Sie weist einen elektrisch angetriebenen Kompressor 28 und die unmittelbare Steuerung 24 auf. Unter dem Begriff der unmittelbaren Steuerung 24 werden hier Verfahrensaspekte und
Vorrichtungsaspekte der Steuerung verstanden, die nicht von Eingriffen des lokalen Energiemanagements 18 abhängig sind. Bei einer solchen Steuerung arbeitet die Wärmepumpe 12 insbesondere so, dass sich parametrisierbare Temperaturen in den angeschlossenen Wärmespeichern einstellen, wobei diese Temperaturen zum Beispiel einem ebenfalls parametrisierbaren Zeitverlauf folgen können. Eine solche statische Parametrisierung wird z.B. von einem Bediener oder von dem lokalen Energiemanagement 18 vorgenommen. Bzgl. ihrer Vorrichtungsaspekte weist die unmittelbare Steuerung 24 einen Prozessor und einen Speicher auf. Die unmittelbare Steuerung erfolgt durch den Prozessor unter Verwendung von einem im Speicher abgelegten Programm. An der Abarbeitung der zur Verwirklichung der Erfindung ausgeführten
Verfahrensschritte können das lokale Energiemanagement 18 und/oder einer oder beide Schnittstellen 20, 22 und/oder die unmittelbare Steuerung 24 beteiligt sein.
Über den Kompressor 28 hinaus kann die Wärmepumpe 12 einen elektrischen Zusatzheizer 30 aufweisen. Im Übrigen ist die Wärmepumpe 12 ein Bestandteil eines Wärmespeichersystems, das einen oder mehrere Wärmespeicher aufweist. Beispiele solcher Wärmespeicher sind zum Beispiel Heizwasserkreisläufe 32 eines Gebäudes, ein Warmwasser-Trinkwasserspeicher 34 und Pufferspeicher 36 des Gebäudes. Die weiteren Verbraucher 16.1 - 16. n sind zum Beispiel Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen und Spülmaschinen. Die
Verbindungslinien zwischen der Wärmepumpe 12 und den
Heizwasserkreisläufen 32, dem Warmwasser-Trinkwasserspeicher 34 und dem Pufferspeicher 36 repräsentieren Wärmeflüsse. Die übrigen Verbindungslinien repräsentieren Signalverbindungen, die sowohl leitungsgebundene
Verbindungen als auch Funkverbindungen sein können. Leitungsgebundene Verbindungen können als Bussystem verwirklicht sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung stellt die Wärmepumpe 12 Informationen über die aktuellen Flexibilitäten über die erste Informationsschnittstelle 20 bereit. Die Flexibilitäten ergeben sich dabei zum Beispiel aus Unterschieden zwischen Temperatur-Istwerten und Maximaltemperaturwerten oder
Minimaltemperaturwerten, wobei die Temperatur-Istwerte zum Beispiel durch in oder an den Heizwasserkreisläufen 32, und/oder dem Warmwasser- Trinkwasserspeicher 34 und/oder dem Pufferspeicher 36 angeordnete
Temperatursensoren erfasst werden.
Darüber hinaus ergeben sich die Flexibilitäten als aktuell mögliche Bereiche oder als diskrete Stufen für die Aufnahme elektrischer Leistung durch die
Wärmepumpe 12 unter Berücksichtigung aktueller Einflussfaktoren wie
Systemzustand, Effizienz, Sperrzeiten, Heizungsanforderung, bevorzugt getrennt für Kompressor 28 und Zusatzheizer 30.
Falls ein Eingriff (Lastverschiebung) in die unmittelbare Steuerung 24 der Wärmepumpe 12 zum Erreichen eines optimierten Betriebs erforderlich und aufgrund der wärmeseitigen Anforderungen zulässig ist, greift das lokale
Energiemanagement 18 in die unmittelbare Steuerung 24 der Wärmepumpe 12 von außen so ein, dass die von der Wärmepumpe 12 (Kompressor 28 und/oder Zusatzheizer 30) aufgenommene elektrische Leistung einem vom lokalen Energiemanagement 18 vorgegebenen Vorgabewert für die Aufnahme elektrischer Leistung folgt.
Durch den Eingriff erfolgt eine Lastverschiebung. Zur Entscheidung der Frage, ob eine Lastverschiebung auszulösen ist, ermittelt das lokale Energiemanagement 18 kontinuierlich, ob günstige Energie zur Verfügung steht. Günstige Energie steht zum Beispiel dann zur Verfügung, wenn eine Photovoltaikanlage 14 mehr elektrische Leistung liefert als die Wärmepumpe 12 aktuell im Rahmen ihrer unmittelbaren Steuerung 24 benötigt oder wenn gerade Strom aus dem äußeren Stromnetz 26 zu einem günstigen Preis bezogen werden kann. Ein Eingriff kann auch erfolgen, um die Flexibilität der Wärmepumpe 12 für Netzdienstleistungen zu nutzen. Auch in diesem Fall schickt das lokale Energiemanagement 18 der Wärmepumpe 12 über die erste Informationsschnittstelle 20 Vorgabewerte für die aufzunehmende elektrische Leistung.
Eine Flexibilität, das heißt ein aktuell möglicher Bereich für die Aufnahme elektrischer Leistung durch die Wärmepumpe 12 liegt zum Beispiel zwischen 1 ,0 kW und 3,5kW. Dieser Bereich schwankt in Abhängigkeit von der gewählten Vorlauftemperatur, der Quellentemperatur, dem Systemzustand (z.B.
Anlaufphase) und Einschränkungen aufgrund der Wärmeanforderung und der Lebensdauer (z.B. Mindestlaufzeiten). Diese Information kann dem lokalen Energiemanagement 18 entweder über einen kontinuierlichen Bereich (Minimum - Maximum), diskrete Stufen (1 kW, 2kW, 3kW) oder über eine Mischung aus beidem von der unmittelbaren Steuerung 24 der Wärmepumpe 12 über die erste Informationsschnittstelle 20 übermittelt werden. Idealerweise wird diese
Information beim Vorhandensein eines Zusatzheizers 30 getrennt für den Kompressor 28 und den Zusatzheizer 30 übermittelt.
In einer Ausgestaltung übermittelt die unmittelbare Steuerung 24 der
Wärmepumpe 12 dem lokalen Energiemanagement über die erste
Informationsschnittstelle 20 zusätzlich auch die Menge der aufnehmbaren elektrischen Energie (z.B. 3kWh), idealerweise wieder getrennt für Kompressor 28 und Zusatzheizer 30. In einer weiteren Ausgestaltung werden dem lokalen Energiemanagement 28 von der unmittelbaren Steuerung 24 über die erste Informationsschnittstelle 20 zusätzlich Informationen über die zum Erreichen einer gewünschten Vorlauftemperatur notwendige Zeit übermittelt. In einer weiteren Ausgestaltung werden dem lokalen Energiemanagement 18 von der unmittelbaren Steuerung 24 über die erste Informationsschnittstelle 20 zusätzlich Informationen über feste Anfahrsequenzen bereitgestellt, falls sich die
Wärmepumpe 12 im Stillstand befindet.
Figur 2 zeigt zeitliche Verläufe von Temperaturen T der Wärmespeicher, wie sie sich beim Stand der Technik und einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auftreten, über der Zeit eines Tages in einem eine Wärmepumpe 12 und eine Photovoltaikanlage 14 aufweisenden lokalen Stromnetz ergeben. Die Figur 3 zeigt dazu korrespondierende Verläufe von Leistungswerten in dem lokalen Stromnetz.
Als Beispiel und damit stellvertretend auch für Temperaturen anderer
Wärmespeicher des lokalen Stromnetzes wird im Folgenden die Temperatur des Pufferspeichers 36 betrachtet. Dem Pufferspeicher 36 ist eine Normaltemperatur 40 zugeordnet, die sich in einem normalen Betrieb einstellen soll. Der normale Betrieb ist ein Betrieb, in dem eine Lastverschiebung nicht stattfindet.
Zu dem zeitlichen Verlauf der Normaltemperatur 40 in der Figur 2 korrespondiert in der Figur 3 der zeitliche Verlauf einer normalen Aufnahme elektrischer Leistung 42. Die zeitlichen Verläufe der Normaltemperatur 40 und der elektrischen Normalleistung 42 repräsentieren jeweils einen Normalverlauf, bei dem die Aufnahme der elektrischen Normalleistung 42 durch die Wärmepumpe 12 dazu dient, eine vorgegebene Soll-Temperatur T_soll durch eine von der unmittelbaren Steuerung 24 der Wärmepumpe 12 durchgeführte Regelung einzustellen. Eine Lastverschiebung findet bei diesen Verläufen nicht statt.
Der tageszeitliche Verlauf der elektrischen Leistung 44 einer Photovoltaikanlage 14 des lokalen Stromnetzes 10 hat zum Beispiel die in der Figur 3 dargestellte Form mit einem in den Mittagsstunden liegenden Maximum. Die Abweichungen der Verläufe einer ersten Lastverschiebungstemperatur 46 des Pufferspeichers 36 beim Stand der Technik und einer ersten
Lastverschiebungsleistung 48 von Verläufen der Normaltemperatur 40 und der elektrischen Normalleistung treten beim Stand der Technik mit der SG-Ready- Schnittstelle auf.
Die Abweichungen der Verläufe einer zweiten Lastverschiebungstemperatur 50 und einer zweiten Lastverschiebungsleistung 52, die von der Wärmepumpe 12 aufgenommen wird, von den Verläufen der Normaltemperatur 40 und der elektrischen Normalleistung treten bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf.
Zwischen den am Morgen liegenden Zeitpunkten tO und t1 ist die
Normaltemperatur 40 noch niedriger als ihr Sollwert T_soll, und die Aufnahme der elektrischen Normalleistung 42 durch die Wärmepumpe 12 ist entsprechend erhöht. Nach dem Erreichen des Temperatur-Sollwerts T_soll durch den
Temperatur-Istwert stellt sich bei konstantem Temperatur-Sollwert T_soll ein Gleichgewicht ein, bei dem für den Rest des Tages die Normaltemperatur 40 und auch die Aufnahme der elektrischen Normalleistung 42 näherungsweise konstant ist, wenn keine Lastverschiebung erfolgt.
Etwa zum Zeitpunkt t2 überschreitet die von der Photovoltaikanlage 14 erzeugte elektrische Leistung 44 die Aufnahme elektrischer Normalleistung 42 der Wärmepumpe 12. Beim Stand der Technik, der mit einer SG-Ready-Schnittstelle arbeitet, wird hier vorausgesetzt, dass gleichzeitig ein Signal einer SG-Ready- Schnittstelle vorliegt, das einen (Lastverschiebungs-) Betrieb der Wärmepumpe 12 empfiehlt, um zum Beispiel eine unerwünschte Einspeisung in das äußere Stromnetz 26 zu vermeiden. Beim Stand der Technik reagiert die unmittelbare Steuerung 24 der Wärmepumpe 12 auf dieses Signal mit einer maximal erhöhten Aufnahme einer ersten Lastverschiebungsleistung 48 durch die Wärmepumpe 12, die bei nicht ausreichender Leistung 44 der Photovoltaikanlage 14 zum Teil aus dem äußeren Stromnetz 26 bezogen werden muss. Als Folge steigt die erste Lastverschiebungstemperatur 46 an und erreicht zum Zeitpunkt t3 ihren maximal erlaubten Wert T_max. Die unmittelbare Steuerung 24 der Wärmepumpe 12 reagiert darauf mit einer Verringerung der Aufnahme der ersten
Lastverschiebungsleistung 48 der Wärmepumpe 12 auf einen Gleichgewichtswert, bei dem die maximale Vorlauftemperatur T_max erhalten bleibt. Im dargestellten Beispiel ist dies zunächst etwa die Normalleistung 42, die sich auch ohne Lastverschiebung einstellt.
Zum Zeitpunkt t5 sinkt die von der Photovoltaikanlage 14 zur Verfügung gestellte Leistung 44 wieder unter den Leistungsbedarf der Wärmepumpe 12 ab. In diesem Fall wird die Wärmepumpe 12 bei noch über dem Temperatur-Sollwert T- soll liegender Temperatur abgeschaltet, so dass die in diesem Fall von der Wärmepumpe aufgenommene erste Lastverschiebungsleistung auf null absinkt. Die dann sinkende erste Lastverschiebungstemperatur erreicht zum Zeitpunkt t6 ihren Sollwert, was zum Wiedereinschalten der Wärmepumpe 12 führt. Ein ökonomischer Vorteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten ersten Lastverschiebung für den Wärmepumpenbetrieb ergibt sich dann, wenn der zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 eingesparte Bezug elektrischer Energie aus dem äußeren Stromnetz (Fläche zwischen den Kurven 42 und 44 zwischen den Zeitpunkten t5 und t6) größer ist als der Bezug elektrischer Energie zwischen den Zeitpunkten t2 und t3, der durch die zwischen diesen Zeitpunkten und den Kurven 44 und 48 liegende Fläche repräsentiert wird.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe 12 ab dem Zeitpunkt t2, ab dem eine den Leistungsbedarf der Wärmepumpe 12 übersteigende Leistung 44 der Photovoltaikanlage 14 zur Verfügung steht, im Rahmen einer zweiten Lastverschiebung auf eine zweite
Lastverschiebungsleistung 52 beschränkt, die nicht größer als die von der Photovoltaikanlage 14 bereitgestellte Leistung 44 ist. Dadurch wird dort auf einen Bezug von elektrischer Energie aus dem äußeren Stromnetz 26 verzichtet. Die Wärmepumpe 12 wird zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 mit weniger elektrischer Energie betrieben als bei der aus dem Stand der Technik (SG- Ready) bekannten ersten Lastverschiebung. Als Folge steigt zweite
Lastverschiebungstemperatur 52 langsamer an als die erste
Lastverschiebungstemperatur erreicht erst zum Zeitpunkt t4 mit t3 < t4 < t5 ihren maximal zulässigen Wert t-max. Daraufhin wird die bis auf die zweite
Lastverschiebungsleistung 52 erhöhte Aufnahme elektrischer Leistung wieder auf einen Gleichgewichtswert reduziert, bei dem die zweite
Lastverschiebungstemperatur 50 zunächst auf ihrem maximal zulässigen Wert T_soll gehalten wird. Zum Zeitpunkt t5, zu dem die von der Photovoltaikanlage 14 bereitgestellte Leistung 44 bei noch erhöhter zweiter Lastverschiebungstemperatur 50 unter die von der Wärmepumpe 12 zur Aufrechterhaltung der erhöhten zweiten
Lastverschiebungstemperatur 50 benötigte Leistung sinkt, wird die Wärmepumpe 12 bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit der von der
Photovoltaikanlage 14 bereitgestellten Leistung 44 weiter betrieben.
Die zweite Lastverschiebungstemperatur sinkt dadurch langsamer ab als bei der ersten Lastverschiebung, die mit dem Stand der Technik erzeugt wird, der mit der SG-Ready-Schnittstelle arbeitet.
Im Vergleich zu diesem Stand der Technik, der mit der SG-Ready-Schnittstelle arbeitet, wird der Bezug elektrischer Energie, der sich durch die Fläche zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 und den Verläufen der von der Photovoltaikanlage 14 bereitgestellten Leistung 44 und der von der über die SG-Ready-Schnittstelle eingestellten ersten Lastverschiebungsleistung 52 liegende Fläche ergibt, bei der Erfindung vorteilhafterweise vermieden.
Als weiterer Vorteil ergibt sich eine zusätzliche Eigennutzung der elektrischen Energie der Photovoltaikanlage 14, der sich durch die zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 liegende und von der Leistung 44 der Photovoltaikanlage 14 und der Nulllinie liegende Fläche ergibt. Diese Energie wurde bei der aus dem Stand der Technik bekannten und mit der SG-Ready-Schnittstelle gesteuerten ersten Lastverschiebung über den Wechselrichter der Photovoltaikanlage 14 ungenutzt ins äußere Netz eingespeist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt sich daher der folgende Ablauf als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe 12, folgt zunächst ihrem üblichen, über die unmittelbare Steuerung 24 eingestellten Temperatur-Sollwerten T_soll. Falls mehr günstige Leistung verfügbar ist, als aktuell von der Wärmepumpe 12 aufgenommen wird und die obere Grenztemperatur T_max noch nicht erreicht ist, wird dies in der ersten Schnittstelle 20 als möglicher, nutzbarer
Leistungsbereich, also als nutzbare Flexibilität ausgewiesen. Das lokale
Energiemanagement 18 schickt daraufhin als Vorgabewert für die elektrische Leistungsaufnahme den Wert des aktuellen Überschusses, und die
Wärmepumpe 12 erhöht Ihre Leistungsaufnahme entsprechend, bzw. schaltet sich ein, falls sie im Stillstand ist. Dies wird von der unmittelbaren Steuerung 24 gesteuert. Der Überschuss stammt im hier betrachteten Beispiel von der Photovoltaikanlage 14.
Wenn dann die maximale Vorlauftemperatur erreicht wird, signalisiert die Wärmepumpe 12 dies dem lokalen Energiemanagement 18 über die erste Informationsschnittstelle 20 dadurch, dass keine oder nur noch eine reduzierte mögliche Leistungsaufnahme als Flexibilität angeboten wird. Gleichzeitig reduziert die Wärmepumpe 12 (bzw. unmittelbare Steuerung 24) ihre Aufnahme elektrischer Leistung oder schaltet sich ab.
Falls das lokale Energiemanagement 18 keinen oder einen zu geringen Sollwert schickt oder falls durch z.B. plötzliche erhöhte thermische Lasten eine im
Normalbetrieb ohne Lastverschiebung einzustellende Sollvorlauftemperatur T_soll unterschritten wird, verwirft die Wärmepumpe 12 die Vorgabe des lokalen Energiemanagements 18 und verändert Ihre Leistung, um diese
Wärmeanforderung zu erfüllen.
Von der bis hier beschriebenen Funktionsweise der Wärmepumpe 12
unabhängig ist die Funktionsweise des lokalen Energiemanagements 18. Dieses ermittelt Zeiträume günstiger Energie, bzw. günstiger Leistung und nutzt die erste Informationsschnittstelle 20, um die Wärmepumpe 12 in diesen Zeiträumen möglichst viel Wärme erzeugen zu lassen, so dass diese nicht später zu höheren Tarifen/Energiekosten erzeugt werden muss. Ist, wie im Fall von Photovoltaik, die Leistung der günstigen Energie begrenzt, so schickt das lokale
Energiemanagement 18 kontinuierlich die aktuell verfügbare Leistung der Photovoltaikanlage 14 als Sollwert-Vorgabe an die Wärmepumpe 12, falls diese vorher über die erste Informationsschnittstelle 20 angezeigt hat, dass sie in diesem Leistungsbereich betrieben werden kann. Anderenfalls nutzt das lokale Energiemanagement 18 die nicht von der Wärmepumpe 12 nutzbare Energie direkt in anderen flexiblen Verbrauchern 16.1 - 16. n, zum Beispiel in
Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen. Ein flexibler Verbraucher ist ein Verbraucher elektrischer Leistung, der die elektrische Leistung zu
unterschiedlichen Zeiten und/oder in unterschiedlicher Höhe aufnehmen kann und über die erste Informationsschnittstelle 20 mit dem lokalen Energiemanagement 18 kommuniziert.
Weiterhin kann das lokale Energiemanagement 18 die erste
Informationsschnittstelle nutzen um aktuelle Flexibilitäten des lokalen
Stromnetzes 10 zu ermitteln und diese dem Betreiber des äußeren Stromnetzes 26 über eine zweite Informationsschnittstelle 22 für Netzdienstleistungen anzubieten (z.B. Regelleistung, Fahrplanoptimierung, Verteilnetzoptimierung). Wird eine solche Dienstleistung durch das äußere Stromnetz abgerufen, nutzt das lokale Energiemanagement 18 eine in diesem Fall vom äußeren Stromnetz 26 aus über die zweite Informationsschnittstelle 22 empfangene Sollwert- Vorgabe, um die abgerufene Flexibilität (z.B. Leistungsreduktion um 1 kW oder zusätzliche Aufnahme von 1 kW) umzusetzen. Alle Schnittstellen 20, 22 sind digitale Schnittstellen, vorzugsweise Internet- bzw. netzwerkfähige Schnittstellen.
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines eine Wärmepumpe 12 aufweisenden Wärmespeichersystems.
In einem Schritt 54 stellt die Wärmepumpe 12 Informationen über aktuelle Betriebskenngrößen des Wärmespeichersystems über die erste
Informationsschnittstelle 20 bereit, die Angaben über aktuelle Flexibilitäten der Wärmepumpe 12 enthalten.
Im Schritt 56 ermittelt das lokale Energiemanagement Zeiträume, in denen günstige Energie (zum Beispiel Solarstrom oder günstige Stromtarife) zur Verfügung steht und überprüft damit, ob günstige Energie und Flexibilitäten der Wärmepumpe zur Verfügung stehen.
Wenn dies bejaht wird, wird die erste Informationsschnittstelle 20 im Schritt 58 dazu verwendet, die Wärmepumpe 12 in diesen Zeiträumen möglichst viel Wärme erzeugen zu lassen, so dass diese nicht früher oder später zu höheren Energiekosten erzeugt werden muss. Andernfalls kehrt das Verfahren zum Schritt 54 zurück. In dem Schritt 58 wird die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe 12 so gesteuert, dass diese Leistungsaufnahme einem von dem lokalen Energiemanagement 18 vorgegebenen Vorgabewert für die elektrische Leistungsaufnahme folgt, sofern wärmeseitige Anforderungen an das Wärmespeichersystem dies zulassen.
Im Schritt 60 wird überprüft, ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist. Eine
Abbruchbedingung ist zum Beispiel dann erfüllt, wenn die maximale Temperatur T_max erreicht ist. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt das Programm in den Schritt 58 zurück, so dass die Schleife aus den Schritten 58 und 60 ggf.
wiederholt durchlaufen wird, bis die Abbruchbedingugn erfüllt ist.
Wenn dies der Fall ist, wird von der Wärmepumpe 12 in dem Schritt 62 über die erste Informationsschnittstelle 20 keine Flexibilität mehr angeboten, oder es wird nur noch nur eine reduzierte mögliche Leistungsaufnahme angeboten, und die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe 12 wird gleichzeitig reduziert, oder die Wärmepumpe 12 wird abgeschaltet.
Eine Abbruchbedingung wird auch erfüllt, wenn das lokale Energiemanagement 18 keinen Leistungsvorgabewert ausgibt oder einen Vorgabewert ausgibt, der kleiner als ein zur Aufrechterhaltung einer normalen, das heißt nicht überhöhten Temperatur eines Wärmespeichers des Wärmespeichersystems erforderlichen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe 12 ist, oder dann, wenn diese normale Temperatur unterschritten wird. In diesen Fällen wird im Schritt 62 die Vorgabe des lokalen Energiemanagements 18 verworfen und die Wärmepumpe 12 verändert ihre Aufnahme elektrischer Leistung, um die Wärmeanforderung zu erfüllen. Das Verfahren kann dann mit dem Schritt 54 fortgesetzt werden.
Das lokale Energiemanagement 18 kann alternativ zur im lokalen Stromnetz 10 stattfindenden Lastverschiebung die im lokalen Stromnetz 10 vorhandene Flexibilität auch über die zweite Informationsschnittstelle 22 dem äußeren Stromnetz 26 anbieten. Wenn das äußere Stromnetz 26 eine solche Flexibilität über die zweite Informationsschnittstelle 22 abruft, ruft das lokale
Energiemanagement 18 die vom äußeren Stromnetz 26 angeforderte Flexibilität über die erste Informationsschnittstelle 20 ab. Die angeforderte Flexibilität besteht in diesem Fall aus einer momentanen Veränderung der aus dem äußeren Stromnetz 26 bezogenen elektrischen Leistung (Netzbezug), zum Beispiel aus einer Verringerung des Netzbezugs um 1 kW oder aus einem zusätzlichen Netzbezug von 1 kW.
Vorzugsweise kann dann, wenn, wie beim Vorhandensein einer elektrisch an die Wärmepumpe 12 angeschlossenen Photovoltaikanlage 14, die Leistung begrenzt ist, mit der die günstige Energie zur Verfügung steht, das lokale
Energiemanagement 18 kontinuierlich die aktuell verfügbare Leistung als
Vorgabewert an die Wärmepumpe 12 schicken, falls diese vorher über die erste Informationsschnittstelle 20 angezeigt hat, dass sie in diesem Leistungsbereich betrieben werden kann.
Insbesondere kann das lokale Energiemanagement 18 andernfalls die nicht von der Wärmepumpe 12 nutzbare Energie direkt in andere flexible und an das lokale Energiemanagement 18 angeschlossene Verbraucher (16.1 , ... , 16. n) einspeisen.
Vorzugsweise kann das lokale Energiemanagement 18 die elektrische Last der an das lokale Energiemanagement 18 angeschlossenen Verbraucher
elektrischer Energie ermitteln und diese über eine zweite
Informationsschnittstelle 22 dem Betreiber des äußeren Stromnetzes 26 anbieten.
Das Verfahren kann dann, wenn eine solche Dienstleistung abgerufen wird, das lokale Energiemanagement 18 die Sollwert-Vorgabe nutzen, um die abgerufene Flexibilität umzusetzen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Wärmespeichersystems durch ein lokales Energiemanagement (18), wobei das Wärmespeichersystem eine
Wärmepumpe (12) aufweist, die an ein lokales elektrisches Stromnetz (10) angeschlossen ist, und wobei das lokale Energiemanagement elektrische Ströme in dem lokalen elektrischen Stromnetz (10) und zwischen dem lokalen elektrischen Stromnetz (10) und einem äußeren elektrischen Stromnetz (26) fließende elektrische Ströme steuert, und wobei eine mit dem Betrieb der Wärmepumpe (12) verbundene elektrische Last zeitlich verschoben wird und wobei die Lastverschiebung durch das lokale
Energiemanagement (18) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsaufnahme der Wärmepumpe so gesteuert wird, dass diese Leistungsaufnahme einem von dem lokalen Energiemanagement (18) vorgegebenen Vorgabewert für die elektrische Leistungsaufnahme folgt, sofern wärmeseitige Anforderungen an das Wärmespeichersystem dies zulassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmepumpe (12) Informationen über aktuelle Betriebskenngrößen des Wärmespeichersystems über eine erste Informationsschnittstelle (20) bereitstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Informationen über aktuelle Betriebskenngrößen der Wärmepumpe (12) Angaben über aktuelle Flexibilitäten der Wärmepumpe (12) enthalten.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexibilitäten definiert sind als ein aktuell möglicher Leistungsbereich oder aktuell mögliche diskrete Stufen für die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe (12) unter Berücksichtigung aktueller Einflussfaktoren wie Systemzustand, Effizienz, Sperrzeiten, Heizungsanforderung, oder als eine durch eine Wärmespeicherfähigkeit des Wärmespeichersystems bestimmte
aufnehmbare elektrische Energie.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, die Informationen zusätzlich Angaben über die notwendige Zeit zum Erreichen der im Anspruch 3 genannten Werte enthalten.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen Angaben über feste Anfahrsequenzen enthalten, wenn sich die Wärmepumpe (12) im Stillstand befindet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen bei Wärmepumpen (12), die neben einem Kompressor (28) auch einen Zusatzheizer (30) aufweisen, für den Kompressor (28) und den Zusatzheizer (30) getrennt bereitgestellt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Vorgabe der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe (12) bei Wärmepumpen (12), die neben einem Kompressor (28) auch einen Zusatzheizer (30) aufweisen, für den Kompressor (28) und den Zusatzheizer (30) getrennt erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine zulässige Temperaturüberhöhung eines
Wärmespeichers des Wärmespeichersystems durch einen Bediener oder durch das lokale Energiemanagement (18) parametrisierbar ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem
mehrere Wärmespeicher aufweisenden Wärmespeichersystem voneinander unabhängige Temperaturüberhöhungen für jeden Wärmespeicher parametrisierbar sind.
1 1. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass auch zulässige obere Grenzwerte für die jeweiligen Vorlauf- oder
Speichertemperaturen der Wärmespeicher parametrisierbar sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass dann, wenn mehr günstige Energie verfügbar ist, als aktuell von der Wärmepumpe (12) aufgenommen wird, aber eine obere Grenztemperatur T_ ax noch nicht erreicht ist, dies in der ersten
Informationsschnittstelle (20) als möglicher Leistungsbereich ausgewiesen wird, und dass das lokale Energiemanagement (18) daraufhin als
Vorgabewert für die elektrische Leistungsaufnahme den Wert des aktuellen Überschusses günstiger Energie schickt und die Wärmepumpe (12) ihre Leistungsaufnahme entsprechend erhöht oder sich einschaltet, falls sie im Stillstand ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die obere Grenztemperatur erreicht wird, über die erste Informationsschnittstelle (20) keine oder nur eine reduzierte mögliche Leistungsaufnahme angeboten wird und dass die Aufnahme elektrischer Leistung der Wärmepumpe (12) gleichzeitig reduziert wird oder dass die Wärmepumpe (12) abgeschaltet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das lokale Energiemanagement (18) keinen Vorgabewert ausgibt oder einen Vorgabewert ausgibt, der kleiner als ein zur Aufrechterhaltung einer normalen, das heißt nicht überhöhten Temperatur eines Wärmespeichers des Wärmespeichersystems erforderlichen Leistungsaufnahme der
Wärmepumpe (12) ist, oder dann, wenn diese normale Temperatur unterschritten wird, die Wärmepumpe (12) die Vorgabe des lokalen
Energiemanagement-Systems verwirft (18) und ihre Leistungsaufnahme verändert, um die Wärmeanforderung zu erfüllen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass vom lokalen Energiemanagement (18) Zeiträume ermittelt werden, in denen günstige Energie zur Verfügung steht und die erste Informationsschnittstelle (20) dazu verwendet wird, die Wärmepumpe (12) in diesen Zeiträumen möglichst viel Wärme erzeugen zu lassen, so dass diese nicht früher oder später zu höheren Energiekosten erzeugt werden muss.
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