EP4141332A1 - Verfahren zum betreiben eines energieversorgungssystems und energieversorgungssystem zur bereitstellung von kühlleistung und/oder heizleistung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines energieversorgungssystems und energieversorgungssystem zur bereitstellung von kühlleistung und/oder heizleistung Download PDF

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EP4141332A1
EP4141332A1 EP22192478.0A EP22192478A EP4141332A1 EP 4141332 A1 EP4141332 A1 EP 4141332A1 EP 22192478 A EP22192478 A EP 22192478A EP 4141332 A1 EP4141332 A1 EP 4141332A1
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EP
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latent heat
cooling
energy source
regenerative energy
control
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EP22192478.0A
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Hafner Bernd
Dott Ralf
Schaumann Jens
Hensel Stefan
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Viessmann Climate Solutions SE
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Viessmann Climate Solutions SE
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Definitions

  • the control and/or regulating device 140 can find a seasonally optimal loading of the latent heat storage device 120 depending at least on thermal loading limits of the latent heat storage device 120 and set it in the latent heat storage device 120 .
  • a high loading with maximum efficiency for the heating operation of the heat pump 130 can be achieved favorably in winter in this way, but the efficient supply of a year-round cooling operation is taken into account.
  • a low load with high icing in the summer can be achieved for the efficient natural cooling operation from the latent heat storage device 120 .
  • the necessary discharging of the latent heat storage device 120 for the cooling mode 220 takes place by using the energy in the heating mode 240.
  • step S800 it can be decided whether active cooling 225, 226 or natural cooling 221, 222 or free cooling 223, 234 is to be pursued.
  • steps S802, S804 and S806 it is decided which of the two states natural cooling as cooling mode only 221, or natural cooling as cooling and heating mode 222 (S802), or free cooling as cooling mode only 223, or free cooling as cooling and heating operation 224 (S804), or as active cooling 225 or active cooling with parallel cooling and heating operation 226 (S806).
  • Setpoint specifications and/or actual values of the at least one actuator 3 can be fed back to state machine 300 in a feedback loop 342 .

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (100) zur Versorgung wenigstens eines Verbrauchers (102), welches Energieversorgungssystem (100)jeweils wenigstens- eine regenerative Energiequelle (110),- einen Latentwärmespeicher (120) mit einem Phasenwechselmaterial als Speichermedium, der mit der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) in hydraulischer Verbindung steht, und- eine Wärmepumpe (130)umfasst, welche über eine Hydraulikeinrichtung (190) zusammenwirken, deren Betriebszustände (200) durch eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) eingestellt werden, welche Betriebszustände (200) wenigstens einen oder mehrere von Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120), Kühlbetrieb (220), Heizbetrieb (240), Konditionierungsbetrieb (210) der regenerativen Energiequelle (110) umfassen,wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) wenigstens einen der Betriebszustände (200) abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) steuert und/oder regelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems zur Versorgung eines Verbrauchers sowie ein Energieversorgungssystem zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung für einen Verbraucher.
    • Stand der Technik
  • Eisspeicher zum Speichern latenter Wärme zum Heizen und Kühlen von Gebäuden sind bekannt. So offenbart die EP 2686633 A1 ein Latentwärmespeichersystem mit einem Eisspeicher, der einen Entzugswärmetauscher und einen Regenerationswärmetauscher aufweist. Die Wärmetauscher sind dabei mit dem Speichermedium, üblicherweise Wasser, in Kontakt. Der Entzugswärmetauscher ist mit einer Wärmepumpe verbunden, während der Regenerationswärmetauscher mit einer Wärmequelle verbunden ist. Der Eisspeicher liefert in der kalten Jahreszeit über den Entzugswärmetauscher Wärme mit geringem nutzbarem Energiegehalt an die Wärmepumpe, bis das Wasser im Eisspeicher erstarrt und der Latentwärmespeicher damit thermisch entladen ist. Die Geschwindigkeit des Entladens kann über den Regenerationswärmetauscher beeinflusst werden. In der warmen Jahreszeit wird ferner Umgebungswärme über den Regenerationswärmetauscher in den Eisspeicher eingespeist, um das erstarrte Speichermedium aufzutauen und so dem Speichermedium Energie zuzuführen.
  • Derartige Eisspeichersysteme eignen sich als Energiequellen, um den Heizbedarf und den Kühlbedarf eines angeschlossenen Verbrauchers, beispielsweise eines Gebäudes, abzudecken. Die bekannten Verfahren der Nutzung der verschiedenen Energiequellen zum Betrieb der Wärmepumpe basieren auf Kriterien zu Temperaturgrenzen, um der Wärmepumpe eine geeignete Vorlauftemperatur anzubieten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein effizientes Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems zur Versorgung eines Verbrauchers anzugeben.
  • Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines effizienten Energieversorgungssystems zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung für einen Verbraucher mit einem solchen Verfahren.
  • Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
  • Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems zur Versorgung wenigstens eines Verbrauchers vorgeschlagen, wobei das Energieversorgungssystem jeweils wenigstens eine regenerative Energiequelle, wenigstens einen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial als Speichermedium, der der mit der wenigstens einen regenerativen Energiequelle in hydraulischer Verbindung steht und wenigstens eine Wärmepumpe umfasst, welche über eine Hydraulikeinrichtung zusammenwirken, deren Betriebszustände durch eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung eingestellt werden.
  • Beispielsweise können die Betriebszustände wenigstens einen oder mehrere der folgenden Betriebszustände umfassen, wie etwa einen Vorkonditionierungsbetrieb des Latentwärmespeichers, einen Kühlbetrieb, einen Heizbetrieb, einen Konditionierungsbetrieb der regenerativen Energiequelle.
  • Dabei steuert und/oder regelt die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung wenigstens einen der Betriebszustände abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers.
  • Ein Verbraucher kann ein Gebäude wie ein Einfamilienhaus, ein Mehrfamilienhaus, ein Gewerbegebäude, einen Industrieprozess und dergleichen umfassen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren dient zum Betreiben eines Energieversorgungssystems mit wenigstens einer regenerativen Energiequelle wie beispielsweise Solarkollektor, Luftregister, Erdwärme, Abwärme und dergleichen für eine Wärmepumpe. Ein Latentwärmespeicher in der Form eines Eisspeichers wird als Puffer für die regenerative Energiequelle eingesetzt. Die Wärmepumpe kann selektiv mit der regenerativen Energiequelle, dem Eisspeicher oder beiden in Kombination arbeiten.
  • Regenerative Energiequellen wie Luftregister, Solar-Luft-Kollektoren können bei niedrigen Temperaturen vereisen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen Konditionierungsbetrieb derartiger regenerativen Energiequellen, so dass ein Abtauen erreicht oder ein Vereisen verhindert werden kann. Damit kann günstigerweise ein Energieeintrag in das Energieversorgungssystem weitgehend ungestört erfolgen.
  • Vorteilhaft kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers eine jahreszeitlich optimale thermische Beladung des Latentwärmespeichers finden und im Latentwärmespeicher einstellen. Günstig kann auf diese Weise eine hohe thermische Beladung mit hoher Effizienz für den Heizbetrieb der Wärmepumpe beispielsweise im Winter, oder wenn zu anderen Zeiten eine Heizanforderung vorliegt, erreicht werden, wobei gleichzeitig die effiziente Versorgung eines ganzjährigen Kühlbetriebs beachtet wird.
  • Weiter kann eine geringe thermische Beladung mit hohem Vereisungsgrad des Latentwärmespeichers beispielsweise im Sommer, oder wenn zu anderen Zeiten eine Kühlanforderung vorliegt, für den effizienten natürlichen Kühlbetrieb aus dem Latentwärmespeicher erreicht werden. Die nötige thermische Entladung des Latentwärmespeichers für den Kühlbetrieb erfolgt vorwiegend durch Nutzung der Energie im Heizbetrieb.
  • Der gewünschte Vereisungsgrad des Latentwärmespeichers kann dabei vorteilhaft in Abhängigkeit der Jahreszeit festgelegt werden. Es erfolgt eine automatisierbare Anpassung an den Bedarf des Energieversorgungssystems. Die jahreszeitlich optimale thermische Beladung wird durch bedarfsorientierte Vorkonditionierung für Heiz- und/ oder Kühlbetrieb erreicht, indem die Quellenenergie der Wärmepumpe durch verschiedene Betriebsmodi so bereitgestellt wird, dass der Latentwärmespeicher möglichst nahe an seinem Optimum gehalten wird. Der thermische Ladezustand des Latentwärmespeichers kann zweckmäßigerweise hierfür kontinuierlich überwacht werden. Das Verfahren wird also vorzugsweise mit einer Methode der thermischen Ladezustandserkennung von Latentwärmespeichern ergänzt.
  • Günstigerweise kann ein Übergang zwischen jahreszeitlich oder im spezifischen Zeitintervall betriebsmäßig günstigen Beladungsgrenzen fließend erfolgen, insbesondere mit einem vorgegebenen Kurvenverlauf über der Zeit, insbesondere einem vorgegebenen Gradienten.
  • Ein Eingriff der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung in eine üblicherweise vorhandene Wärmepumpensteuerung der Wärmepumpe ist vorteilhaft nicht notwendig, so dass ein ungestörter Betrieb der Wärmepumpe erfolgen kann. So können unterschiedliche Arten von Wärmepumpen eingesetzt werden, ohne dass die Wärmepumpensteuerung angepasst werden muss. Je nachdem, ob eine primärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe oder eine sekundärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe von der Wärmepumpensteuerung angesteuert wird, erhält die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ein entsprechendes Signal von der Wärmepumpensteuerung für eine Anforderung für einen Heiz- und/ oder Kühlbetrieb. Die primärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe und/oder die sekundärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe können in die Wärmepumpe integriert sein.
  • Das Verfahren kann für einen reinen Heizbetrieb oder für einen reinen Kühlbetrieb genutzt werden, ist aber insbesondere bei Anlagen mit Heiz- und Kühlbetrieb vorteilhaft. Besonders vorteilhaft kann sowohl ein Heizen und ein Kühlen ermöglicht werden.
  • Vorteilhaft kann ein gemischter Betrieb der Energiequellen eingestellt werden, um den gewünschten Vereisungsgrad des Latentwärmespeichers möglichst exakt zu treffen.
  • Weiter kann vorteilhaft durch die große Variabilität der Betriebsmodi und die erhebliche thermische Speicherkapazität des Latentwärmespeichers auch auf externe Anreize reagiert werden. Beispiele für externe Anreize können ein oder mehrere Anreize sein in Form von Photovoltaik-Eigenstromnutzung durch die Wärmepumpe, Sperrzeiten für den Betrieb der Wärmepumpe, variable Energiepreise, Energiemärkte, insbesondere Regelleistung, Bilanzkreisausgleich oder dergleichen, Auslastung eines elektrischen Verteilnetzes, Wetterprognosen und/oder Lastprognosen, bei denen jeweils eine Identifikation von Zeiten mit niedrigem oder hohem Verbrauch, günstigen oder ungünstigen Bedingungen für den Wärmepumpenbetrieb und/oder für die Vorkonditionierung des Latentwärmespeichers vorliegen, Lastspitzen im Bedarf.
  • Vorteilhaft kann auch eine optimierte Ausnutzung der Energiequellen durch Verbund- und/oder Mischbetrieb erfolgen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers abhängig von wenigstens einem spezifischen Zeitintervall vorgegeben werden. Insbesondere kann ein Übergang zwischen jahreszeitlich oder in dem spezifischen Zeitintervall betriebsmäßig günstigen thermischen Beladungsgrenzen mit einem definierten Kurvenverlauf über der Zeit erfolgen.
  • Ein spezifisches Zeitintervall kann eine Jahreszeit sein oder ein Zeitraum, innerhalb dessen bestimmte Anforderungen beispielsweise durch den Verbraucher an das Energieversorgungssystem vorliegen. Vorteilhaft können so dynamische Beladungsgrenzen und Entladungsgrenzen abhängig von Jahreszeiten bzw. von Anforderungen des Verbrauchers vorgegeben und für die Steuerung und/oder Regelung des Energieversorgungssystems als Sollwertvorgaben genutzt werden. Auf diese Weise kann der Latentwärmespeicher, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem thermische Beladungsgrenzen nur als Konstanten definiert werden, beispielsweise über das ganze Jahr oder in anderen bedarfsabhängigen Zeitintervallen mit einer günstigen angepassten thermischen Beladung betrieben werden. Vorteilhaft kann insbesondere ein Übergang zwischen maximaler und minimaler thermischer Beladungsgrenze mit einem definierten Gradienten erfolgen. Auch kann vorteilhaft ein Mischbetrieb der verschiedenen Energiequellen durchgeführt werden. Der definierte Kurvenverlauf und/oder Gradient kann entweder fest vorgegeben sein oder dynamisch berechnet werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere ein Zustandsautomat der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen der Hydraulikeinrichtung umschalten.
  • Insbesondere können die Betriebszustände wenigstens einen der folgenden Betriebszustände umfassen: Vorkonditionierungsbetrieb des wenigstens einen Latentwärmespeichers, Kühlbetrieb, Heizbetrieb, Konditionierungsbetrieb der regenerativen Energiequelle. Bei dem Konditionierungsbetrieb kann die regenerative Energiequelle beispielsweise abgetaut werden, wen diese vereist ist, oder es kann ein Vereisen verhindert werden.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere der Zustandsautomat, kann vorteilhaft ein Umschalten zwischen verschiedenen Betriebszuständen auf Basis weiterer Informationen vornehmen. Dabei kann der Zustandsautomat eine Reihe von Hilfsfunktionen wahrnehmen.
  • Beispielsweise kann er eine Sicherheitsfunktion erfüllen, indem er prüft, ob ein minimaler thermischer Beladungsgrad unterschritten wurde. Weiter kann er eine Neuinitialisierung bei einer Parameteränderung, einer veränderten Verfügbarkeit eines Betriebszustandes, einer Anforderung von außen oder dergleichen vornehmen. Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere der Zustandsautomat, kann eine Bewertung des Status der Wärmepumpe durchführen, beispielsweise ob die Wärmepumpe außer Betrieb ist, ob ein Heizbetrieb oder ein Kühlbetrieb oder ein paralleler Heiz- und Kühlbetrieb, manchmal auch als Mischbetrieb bezeichnet, läuft. Weiter kann eine Bewertung des thermischen Beladungsgrades des Latentwärmespeichers vorgenommen werden, ob eine Regeneration, eine passive oder aktive Vorkühlung notwendig ist. Außerdem kann ein Funktionsblock zur Gewährleistung eines Handbetriebs des Energieversorgungssystems vorgesehen sein.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere der Zustandsautomat, kann entscheiden, ob ein Betriebszustand verfügbar ist. Diese Prüfung kann für jeden Betriebszustand anhand einer außerhalb definierten Freigabe und/oder abhängig von internen Sicherheitsbedingungen vorgenommen werden. Eine Bestimmung beispielsweise eines Zustands eines Reglers, etwa ob dieser aktiv ist oder passiv ist, kann nach Kriterien Passiv (Standby) oder Aktiv erfolgen. Bei einem passiven Zustand des Reglers findet keine Berechnung von Sollwerten für Aktoren, beispielsweise Schaltventile, statt. Eine Bearbeitung einer Anforderung ist nicht notwendig bzw. aufgrund von aktuellen Temperaturen nicht erlaubt. Bei einem aktiven Zustand des Reglers erfolgt eine Bearbeitung einer Anforderung bzw. eine aktive Berechnung von Sollwerten für Aktoren. Dabei kann ein jeweils aktiver Zustand des Reglers die Bestimmung seines Zustandes aktivieren.
  • Eine Ausgabe des Zustandsautomaten kann ein Betriebszustand der Hydraulikeinrichtung und der Zustand des Reglers sein. Eine Umsetzung einer Ansteuerung oder Regelung von Aktoren kann nachgelagert erfolgen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können Eingabedaten der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere des Zustandsautomaten, wenigstens umfassen: Sensordaten, insbesondere verarbeitete Sensordaten, eine Berechnung eines aktuellen oder gewünschten thermischen Beladungsgrades des Latentwärmespeichers, eine oder mehrere Schutzfunktionen, eine Freigabensteuerung der Betriebszustände, Eingabedaten wenigstens einer Benutzerschnittstelle. Dabei können Ausgabedaten der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere des Zustandsautomaten, wenigstens eine aktuelle Phase eines Betriebszustandes umfassen. Auf der Basis dieser Informationen kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere der Zustandsautomat, vorteilhaft ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen veranlassen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können die Ausgabedaten der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere des Zustandsautomaten, zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors, oder zur Ansteuerung einer Aktorenmatrix mit wenigstens einem Regler zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors, verwendet werden.
  • Die Aktorenmatrix kann die Sollwerte der Aktoren in dem Energieversorgungssystem festlegen, wie beispielsweise zum Öffnen/Schließen von Ventilen, zum Einschalten/Abschalten von Pumpen, zum Aktivieren/Deaktivieren eines Reglers für den gewünschten Betriebszustand. Vorteilhaft kann die Aktorenmatrix so gestaltet sein, dass sie individuell an ein konkretes Energieversorgungssystem angepasst werden kann und damit eine individuelle Konfiguration des Energieversorgungssystems ermöglicht.
  • Insbesondere können dabei Sollwert-Vorgaben des wenigstens einen Aktors über wenigstens einen Regler ausgegeben werden. Insbesondere eine Vielzahl von Aktoren des Energieversorgungssystems kann über die Ausgaben des Zustandsautomaten als Folge der Bewertung der einzelnen Betriebszustände und des thermischen Beladungsgrades des Latentwärmespeichers vorteilhaft angesteuert werden, um den aktuellen Betriebszustand zu steuern und/oder zu regeln bzw. in einen anderen Betriebszustand umzuschalten.
  • Alternativ oder zusätzlich können nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens Sollwert-Vorgaben und/oder Ist-Werte des wenigstens einen Aktors an die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere an den Zustandsautomaten, zurückgeführt werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Rückkopplung zwischen den aktuellen Werten von Aktoren auf die Bewertung des aktuellen Betriebszustandes bzw. der Ausgabewerte des Zustandsautomaten stattfinden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Abarbeitung von Anforderungen an das Energieversorgungssystem nach einer Priorität der Betriebszustände erfolgen, wenigstens umfassend Einstellen des Konditionierungsbetriebs derwenigstens einen regenerativen Energiequelle, wenn eine Anforderung zur Konditionierung vorliegt und der Konditionierungsbetrieb verfügbar ist, sonst Einstellen eines Kühlbetriebs, wenn eine Anforderung zum Kühlen vorliegt und der Kühlbetrieb verfügbar ist, sonst Einstellen eines Vorkonditionierungsbetriebs des Latentwärmespeichers, wenn der thermische Beladungsgrad des Latentwärmespeichers unzulässig für den Heizbetrieb ist und die wenigstens eine Wärmepumpe außer Betrieb ist; sonst Einstellen eines Heizbetriebs, wenn keine sonstigen Anforderungen bestehen und der Heizbetrieb verfügbar ist. Vorteilhaft können so einzelne Betriebszustände auf Verfügbarkeit geprüft und bei einer entsprechenden Anforderung aktiviert werden. Die Parameter des Betriebszustandes können dann aktuell gesteuert und/oder geregelt werden. Bei einer neuen Anforderung oder bei einer Nichtverfügbarkeit eines Betriebszustandes kann beispielsweise in einen anderen Betriebszustand geschaltet werden. Auf diese Weise kann eine zweckmäßige Umsetzung des Regelungskonzepts des Energieversorgungssystems erreicht werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Heizbetrieb wenigstens einen der Zustände umfassen: einen Entzugsbetrieb, bei dem Wärme aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher bezogen wird, einen Direktbetrieb, bei dem Wärme aus der wenigstens einen regenerativen Energiequelle bezogen wird. So kann der Heizbetrieb die erforderliche Energie aus der auf Grund der Jahreszeit und des aktuellen Zustandes, insbesondere thermischen Beladungsgrads, des Latentwärmespeichers gerade geeigneten Energiequelle beziehen.
  • Optional kann der Heizbetrieb einen Mischbetrieb umfassen, bei dem Wärme wahlweise anteilig aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher und/oder der wenigstens einen regenerativen Energiequelle bezogen wird.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Vorkonditionierungsbetrieb des Latentwärmespeichers wenigstens umfassen: aktives Vorkühlen und/oder passives Vorkühlen des Latentwärmespeichers, Regenerieren des Latentwärmespeichers. Auf diese Weise kann der Latentwärmespeicher aufgrund der aktuellen und etwaiger zukünftiger Anforderungen, die jahreszeitlich oder von temporären Verbraucheranforderungen bedingt sein können, geeignet vorkonditioniert werden, um eine möglichst effiziente Betriebsweise des Energieversorgungssystems zu ermöglichen.
  • Beim aktiven Vorkühlen erfolgt ein Absenken des Beladungsgrads beispielsweise durch Wärmeentnahme aus dem Latentwärmespeicher mit der Wärmepumpe und Abgabe der Wärme an die Umgebung mit einem Luft-Wärmeübertrager. Beim passiven Vorkühlen erfolgt ein Absenken des Beladungsgrads beispielsweise durch Wärmeabfuhr an die Umgebung mit einem Luft-Wärmeübertrager. Beim Regenerieren erfolgt eine Erhöhung des Beladungsgrads beispielsweise durch Wärmezufuhr aus der regenerativen Energiequelle oder einer etwaigen Gebäudekühlung.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der Konditionierungsbetrieb der wenigstens einen regenerativen Energiequelle wenigstens eines der folgenden umfassen: Abtauen der wenigstens einen regenerativen Energiequelle mittels Wärmepumpe unter Nutzung des wenigstens einen Latentwärmespeichers, Abtauen der wenigstens einen regenerativen Energiequelle mittels eines Heizwasser-Pufferspeichers, Abtauen der wenigstens einen regenerativen Energiequelle mittels eines Wärmeerzeugers, beispielsweise eines Gaskessels. Bei der Nutzung der regenerativen Energiequelle, insbesondere eines Luftregisters, kann es bei niedrigen Außentemperaturen zu einer Vereisung des Wärmeübertragers kommen. Ein regelmäßiges Abtauen ist daher erforderlich.
  • Alternativ oder zusätzlich kann nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens der Kühlbetrieb eines oder mehrere der folgenden umfassen: natürliches Kühlen als reiner Kühlbetrieb, natürliches Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb, freies Kühlen als reiner Kühlbetrieb, freies Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb, aktives Kühlen als reiner Kühlbetrieb, aktives Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb.
  • So kann der Kühlbetrieb die erforderliche Energie aus der auf Grund der Jahreszeit und des aktuellen Zustandes des Latentwärmespeichers gerade geeigneten Energiequelle beziehen.
  • Unter natürlichem Kühlen ist zu verstehen, dass die Wärme aus dem Gebäude und/oder dem Industrieprozess in den Latentwärmespeicher eingebracht wird. Hier kann erstarrtes Speichermedium des Latentwärmespeichers zur Kühlung genutzt werden.
  • Unter freiem Kühlen ist zu verstehen, dass die Wärme aus dem Gebäude und/oder dem Industrieprozess über einen Wärmeübertrager, beispielsweise Luftregister, Rückkühler, Solar-Luft-Kollektor, an die regenerative Energiequelle abgegeben wird. Hier kann beispielsweise kalte Nachtluft zur Kühlung verwendet werden.
  • Unter aktivem Kühlen ist zu verstehen, dass die Wärme aus dem Gebäude und/oder dem Industrieprozess mit der Primärseite der Wärmepumpe entnommen und an eine Wärmesenke, beispielsweise Luftregister, Rückkühler, Solar-Luft-Kollektor, Speichermedium des Latentwärmespeichers, abgegeben wird.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels wenigstens eines Quellenmischers, welcher ein Wärmeträgerfluid aus der regenerativen Energiequelle und aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher mischt, insbesondere über eine Mischerstellung, eine primäre Eintrittstemperatur und/oder primäre Austrittstemperatur der Wärmepumpe geregelt werden. Dadurch kann eine möglichst effiziente Betriebsweise der Wärmepumpe sowie des gesamten Energieversorgungssystems erreicht werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels wenigstens eines Hochhaltemischers, welcher insbesondere über eine Mischerstellung, eine sekundäre Eintrittstemperatur und/oder sekundäre Austrittstemperatur der Wärmepumpe geregelt werden. Über die Mischerstellung kann ein Mindestwert der sekundären Eintrittstemperatur des der Wärmepumpe sekundärseitig zugeführten Wärmeträgerfluids und/oder ein eine Zieltemperatur der sekundären Austrittstemperatur der Wärmepumpe geregelt werden. Dadurch kann eine möglichst effiziente und schonende Betriebsweise der Wärmepumpe sowie des gesamten Energieversorgungssystems erreicht werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der wenigstens eine Hochhaltemischer der Wärmepumpe auch zur Umschaltung der Sekundärseite der Wärmepumpe auf einen Wärmeübertrager zur Wärmeabfuhr bei aktiver Kühlung genutzt werden. Über beispielsweise eine Restwärmepumpe kann die Abwärme der regenerativen Energiequelle, insbesondere einem Luftregister, zugeführt und an die Umgebung abgegeben werden. Über eine Drehzahlregelung der Restwärmepumpe kann dabei die sekundäre Eintrittstemperatur und/oder Austrittstemperatur der Wärmepumpe in einem effizienten und schonenden Temperaturfenster gehalten werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels wenigstens eines Kühlkreisreglers, welcher mit einem ersten Wärmetauscher des wenigstens einen Latentwärmespeichers in hydraulischer Verbindung steht, insbesondere über eine Durchflussregelung, eine Kühlvorlauftemperatur eines Kühlwasser-Pufferspeichers oder Kühlkreises geregelt werden. Auf diese Weise kann der Kühlwasser-Pufferspeicher oder Kühlkreis in einem möglichst günstigen Zustand betrieben werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels einer Kühlkreispumpe, welche mit dem Kühlkreisregler verbunden ist, insbesondere über eine Drehzahlregelung, eine Kühlsolltemperatur eingestellt werden. Dadurch kann der Kühlbetrieb möglichst effizient durchgeführt werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels einer Restwärmepumpe, welche mit der regenerativen Energiequelle und dem Hochhaltemischer hydraulisch verbunden ist, insbesondere über eine Drehzahlregelung, eine verfügbare Leistung der wenigstens einen regenerativen Energiequelle geregelt werden. Auf diese Weise kann die regenerative Energiequelle auch direkt für das Energieversorgungssystem effizient genutzt werden.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Energieversorgungssystem zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung für wenigstens einen Verbraucher vorgeschlagen, umfassend jeweils wenigstens (i) eine regenerative Energiequelle, (ii) einen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial als Speichermedium, der mit der wenigstens einen regenerativen Energiequelle in hydraulischer Verbindung steht, (iii) eine Wärmepumpe, (iv) eine Hydraulikeinrichtung, (v) eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, die zumindest mit der Hydraulikeinrichtung zur Einstellung von Betriebszuständen der Hydraulikeinrichtung verbunden ist. Dabei ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung dazu ausgebildet, abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers wenigstens einen der Betriebszustände der Hydraulikeinrichtung zu steuern und/oder zu regeln.
  • Beispielsweise können die Betriebszustände einen oder mehrere der folgenden Betriebszustände umfassen, wie etwa wenigstens einen Vorkonditionierbetrieb des Latentwärmespeichers, wenigstens einen Kühlbetrieb, wenigstens einen Heizbetrieb, wenigstens einen Konditionierungsbetrieb der regenerativen Energiequelle.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Wärmepumpe mit ihrer Primärseite mit der regenerativen Energiequelle und/oder dem Latentwärmespeicher gekoppelt oder koppelbar sein und mit ihrer Sekundärseite mit der regenerativen Energiequelle und/oder einem Heizwasser-Pufferspeicher gekoppelt oder koppelbar sein.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Hydraulikeinrichtung wenigstens einen Quellenmischer zur Kopplung des Latentwärmespeichers und der regenerativen Energiequelle mit der Primärseite der Wärmepumpe aufweisen. Günstigerweise kann die Hydraulikeinrichtung wenigstens einen Hochhaltemischer zur Kopplung der regenerativen Energiequelle und/oder des Heizwasser-Pufferspeichers mit der Sekundärseite der Wärmepumpe aufweisen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energiespeichersystems kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zumindest mit der Hydraulikeinrichtung zur Einstellung von Betriebszuständen der Hydraulikeinrichtung mittels des Quellenmischers und des Hochhaltemischers verbunden sein.
  • Das vorgeschlagene Energieversorgungssystem arbeitet mit wenigstens einer regenerativen Energiequelle wie beispielsweise Solarkollektor, Luftregister und dergleichen für eine Wärmepumpe. Ein Latentwärmespeicher in der Form eines Eisspeichers wird als Puffer für die regenerative Energiequelle eingesetzt. Die Wärmepumpe kann wahlweise mit der regenerativen Energiequelle, dem Latentwärmespeicher, insbesondere Eisspeicher, oder beiden zusammen arbeiten.
  • Vorteilhaft kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers eine jahreszeitlich oder in spezifischen Zeitintervallen optimale thermische Beladung des Latentwärmespeichers finden und im Latentwärmespeicher einstellen. Günstig kann so eine hohe Beladung mit maximaler Effizienz für den Heizbetrieb der Wärmepumpe beispielsweise im Winter oder einem spezifischen Zeitintervall, in dem eine Heizanforderung vorliegt, erreicht werden, wobei aber die effiziente Versorgung eines ganzjährigen Kühlbetriebs beachtet wird. Weiter kann eine geringe thermische Beladung mit hoher Vereisung beispielsweise im Sommer oder einem spezifischen Zeitintervall, in dem eine Kühlanforderung vorliegt, für den effizienten natürlichen Kühlbetrieb aus dem Latentwärmespeicher erreicht werden. Die nötige Entladung des Latentwärmespeichers für den Kühlbetrieb erfolgt durch Nutzung der Energie im Heizbetrieb.
  • Der gewünschte Vereisungsgrad kann dabei vorteilhaft in Abhängigkeit der Jahreszeit oder einem spezifischen Zeitintervall festgelegt werden. Es erfolgt eine automatisierbare Anpassung an den Bedarf des Energieversorgungssystems. Die jahreszeitlich oder im spezifischen Zeitintervall betriebsmäßige optimale thermische Beladung wird durch bedarfsorientierte Vorkonditionierung für Heiz-und/ oder Kühlbetrieb erreicht, indem die Quellenenergie der Wärmepumpe durch verschiedene Betriebsmodi so bereitgestellt wird, dass der Latentwärmespeicher möglichst nahe an seinem Optimum gehalten wird. Der thermische Ladezustand des Latentwärmespeichers kann zweckmäßigerweise hierfür kontinuierlich überwacht werden. Das Verfahren zum Betreiben des Energiespeichersystems kann also mit einer üblichen Methode der Ladezustandserkennung von Latentwärmespeichern ergänzt werden.
  • Ein Eingriff der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung in eine üblicherweise vorhandene separate Wärmepumpensteuerung der Wärmepumpe ist vorteilhaft nicht notwendig, so dass ein ungestörter Betrieb der Wärmepumpe erfolgen kann. So können unterschiedliche Arten von Wärmepumpen eingesetzt werden, ohne dass die Wärmepumpensteuerung angepasst werden muss. Je nachdem, ob eine primärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe oder eine sekundärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe von der Wärmepumpensteuerung angesteuert wird, erhält die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ein entsprechendes Signal von der Wärmepumpensteuerung für eine Anforderung für einen Heiz- und/ oder Kühlbetrieb.
  • Die primärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe und/oder die sekundärseitige Umwälzpumpe der Wärmepumpe können in die Wärmepumpe integriert sein.
  • Das Energieversorgungssystem kann für reinen Heizbetrieb oder für reinen Kühlbetrieb genutzt werden, ist aber insbesondere bei Anlagen mit parallelem Heiz- und Kühlbetrieb vorteilhaft. Besonders vorteilhaft kann ein Heizen und ein Kühlen ermöglicht werden.
  • Vorteilhaft kann ein gemischter Betrieb der Energiequellen eingestellt werden, um den Vereisungsgrad des Latentwärmespeichers möglichst exakt zu treffen.
  • Weiter kann vorteilhaft durch die große Variabilität der Betriebsmodi und die erhebliche Speicherkapazität des Latentwärmespeichers auch auf externe Anreize reagiert werden. Beispiele für externe Anreize können ein oder mehrere Anreize sein in Form von Photovoltaik-Eigenstromnutzung durch die Wärmepumpe, Sperrzeiten für den Betrieb der Wärmepumpe, variable Energiepreise, Energiemärkte, insbesondere Regelleistung, Bilanzkreisausgleich oder dergleichen, Auslastung eines elektrischen Verteilnetzes, Wetterprognosen und/oder Lastprognosen, bei denen jeweils eine Identifikation von Zeiten mit niedrigem oder hohem Verbrauch, günstigen oder ungünstigen Bedingungen für den Wärmepumpenbetrieb und/oder für die Vorkonditionierung des Latentwärmespeichers vorliegen, Lastspitzen im Bedarf.
  • Vorteilhaft kann auch eine optimierte Ausnutzung der Energiequellen durch Verbund- und/oder Mischbetrieb erfolgen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgebildet sein, die thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers abhängig von einer Jahreszeit oder einem spezifischen Zeitintervall einzustellen. Insbesondere kann ein Übergang zwischen jahreszeitlich oder in dem spezifischen Zeitintervall betriebsmäßig günstigen thermischen Beladungsgrenzen mit einem definierten Kurvenverlauf über der Zeit erfolgen.
  • Vorteilhaft können so dynamische Beladungsgrenzen und Entladungsgrenzen abhängig von Jahreszeiten bzw. von Anforderungen des Verbrauchers vorgegeben und für die Steuerung und/oder Regelung des Energieversorgungssystems als Sollwertvorgaben genutzt werden. Auf diese Weise kann der Latentwärmespeicher, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem Beladungsgrenzen nur als Konstanten definiert werden, über das ganze Jahr mit einer günstigen angepassten thermischen Beladung betrieben werden.
  • Vorteilhaft kann ein Übergang zwischen maximaler und minimaler thermischer Beladegrenze mit einem definierten Gradienten erfolgen. Auch kann vorteilhaft ein Mischbetrieb der verschiedenen Energiequellen durchgeführt werden. Der definierte Kurvenverlauf und/oder Gradient kann entweder fest vorgegeben sein oder dynamisch berechnet werden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung einen Zustandsautomaten zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen aufweisen.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere der Zustandsautomat, kann vorteilhaft ein Umschalten zwischen verschiedenen Betriebszuständen auf Basis weiterer Informationen vornehmen. Dabei kann der Zustandsautomat eine Reihe von Hilfsfunktionen wahrnehmen. Beispielsweise kann er eine Sicherheitsfunktion erfüllen, indem er prüft, ob ein minimaler Beladungsgrad unterschritten wurde. Weiter kann er eine Neuinitialisierung bei einer Parameteränderung oder einer veränderten Verfügbarkeit eines Betriebszustandes oder einer Anforderung von außen vornehmen. Der Zustandsautomat kann eine Bewertung des Status der Wärmepumpe durchführen, beispielsweise ob die Wärmepumpe außer Betrieb ist, ob ein Heizbetrieb oder ein Kühlbetrieb oder ein paralleler Heiz- und Kühlbetrieb läuft. Weiter kann eine Bewertung des Beladungsgrades des Latentwärmespeichers vorgenommen werden, ob eine Regeneration, eine passive oder aktive Vorkühlung notwendig ist. Außerdem kann ein Funktionsblock zur Gewährleistung eines Handbetriebs des Energieversorgungssystems vorgesehen sein. Der Zustandsautomat kann entscheiden, ob ein Betriebszustand verfügbar ist. Diese Prüfung kann für jeden Betriebszustand anhand einer außerhalb definierten Freigabe und/oder abhängig von internen Sicherheitsbedingungen vorgenommen werden.
  • Eine Bestimmung beispielsweise eines Zustands eines Reglers, etwa ob dieser aktiv ist oder passiv ist, kann nach Kriterien Passiv (Standby) oder Aktiv erfolgen. Bei einem passiven Zustand des Reglers findet keine Berechnung von Sollwerten für Aktoren statt. Eine Bearbeitung einer Anforderung ist nicht notwendig bzw. aufgrund von aktuellen Temperaturen nicht erlaubt. Bei einem aktiven Zustand des Reglers erfolgt eine Bearbeitung einer Anforderung bzw. eine aktive Berechnung von Sollwerten für Aktoren. Dabei kann ein jeweils aktiver Zustand des Reglers die Bestimmung seines Zustandes aktivieren.
  • Eine Ausgabe des Zustandsautomaten kann ein Betriebszustand der Hydraulikeinrichtung und der Zustand des Reglers sein. Eine Umsetzung einer Ansteuerung von Aktoren kann nachgelagert erfolgen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems können Eingabedaten der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere des Zustandsautomaten, wenigstens eines der folgenden umfassen: Sensordaten, insbesondere verarbeitete Sensordaten, eine Berechnung eines thermischen Beladungsgrades des Latentwärmespeichers, eine oder mehrere Schutzfunktionen, eine Freigabensteuerung der Betriebszustände, Eingabedaten wenigstens einer Benutzerschnittstelle. Dabei können Ausgabedaten des Zustandsautomaten wenigstens eine aktuelle Phase eines Betriebszustandes umfassen. Auf der Basis dieser Informationen kann der Zustandsautomat vorteilhaft ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen veranlassen.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann der Zustandsautomat zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors, oder einer Aktorenmatrix mit wenigstens einem nachgeschalteten Regler zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors, ausgebildet sein. Insbesondere kann der Zustandsautomat zur Sollwertvorgabe wenigstens eines Reglers über die Aktorenmatrix ausgebildet sein. Insbesondere eine Vielzahl von Aktoren des Energieversorgungssystems kann über die Ausgaben des Zustandsautomaten als Folge der Bewertung der einzelnen Betriebszustände und des Beladungsgrades des Latentwärmespeichers vorteilhaft angesteuert werden, um den aktuellen Betriebszustand zu steuern und/oder zu regeln bzw. in einen anderen Betriebszustand umzuschalten.
  • Die Aktorenmatrix kann die Sollwerte der Aktoren in dem Energieversorgungssystem festlegen, wie beispielsweise zum Öffnen/Schließen von Ventilen, zum Einschalten/Abschalten von Pumpen, zum Aktivieren/Deaktivieren eines Reglers für den gewünschten Betriebszustand. Vorteilhaft kann die Aktorenmatrix so gestaltet sein, dass die individuell an ein konkretes Energieversorgungssystem angepasst werden kann und damit eine individuelle Konfiguration des Energieversorgungssystems ermöglicht.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann eine Rückführung von Sollwert-Vorgaben und/oder Ist-Werten des wenigstens einen Aktors an die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, insbesondere an den Zustandsautomaten vorgesehen sein.
  • Vorteilhaft kann auf diese Weise eine Rückkopplung zwischen den aktuellen Werten von Aktoren auf die Bewertung des aktuellen Betriebszustandes bzw. der Ausgabewerte des Zustandsautomaten stattfinden.
  • Nach einer günstigen Ausgestaltung des Energieversorgungssystems kann ein Kühlkreisregler mit einem ersten Wärmetauscher des Latentwärmespeichers und einem Kühlwasser-Pufferspeicher oder einem Kühlkreis hydraulisch gekoppelt oder koppelbar sein. Dadurch kann ein Kühlbetrieb möglichst effizient durchgeführt werden.
    • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen beispielhaft:
    • Figur 1
    ein Hydraulikschema eines Energieversorgungssystems zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung an einen Verbraucher nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Figur 2
    einen Funktionsablauf einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung des Energieversorgungssystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Figur 3
    ein Diagramm von thermischen Beladungsgrenzen eines Latentwärmespeichers über einem jahreszeitlichen Verlauf nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
    Figur 4
    ein Beispiel für eine Wahl eines Heizbetriebs oder Vorkonditionierungsbetriebs mittels Hysteresen bezogen auf thermische Beladungsgrenzen eines Latentwärmespeichers;
    Figur 5
    ein Flussdiagramm für den Heizbetrieb;
    Figur 6
    ein Flussdiagramm für den Vorkonditionierungsbetrieb;
    Figur 7
    ein Flussdiagramm für einen Konditionierungsbetrieb einer regenerativen Energiequelle;
    Figur 8
    ein Flussdiagramm für einen Kühlbetrieb; und
    Figur 9
    ein Funktionsschema der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
  • Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
  • Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie "links", "rechts", "oben", "unten", "davor" "dahinter", "danach" und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
  • Figur 1 zeigt ein Hydraulikschema eines Energieversorgungssystems 100 zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung an einen Verbraucher 102 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das Energieversorgungssystem 100 umfasst eine regenerative Energiequelle 110, einen Latentwärmespeicher 120 mit einem Phasenwechselmaterial als Speichermedium, welcher insbesondere als Eisspeicher ausgebildet ist, sowie eine Wärmepumpe 130, deren Primärseite mit der regenerativen Energiequelle 110 und/oder dem Latentwärmespeicher 120 gekoppelt ist, und deren Sekundärseite mit der regenerativen Energiequelle 110 und/oder einem Heizwasser-Pufferspeicher 150 gekoppelt ist. Der Latentwärmespeicher 102 kann auch aus mehreren Latentwärmespeichern zusammengesetzt sein. Ebenso kann die regenerative Energiequelle 110 aus mehreren Energiequellen zusammengesetzt sein.
  • Das Energieversorgungssystem 100 arbeitet mit wenigstens einer regenerativen Energiequelle 110 wie beispielsweise Solarkollektor, Luftregister, Erdwärme, Abwärme und dergleichen für eine Wärmepumpe 130. Der Latentwärmespeicher 120, insbesondere in der Form eines Eisspeichers, wird als energetischer Puffer für die regenerative Energiequelle eingesetzt. Wahlweise kann für andere Temperaturbereiche statt Wasser auch ein anderes Speichermaterial mit latenter Wärme bei einem Phasenübergang eingesetzt werden, beispielsweise Paraffin.
  • Die Wärmepumpe 130 kann wahlweise mit der regenerativen Energiequelle 110, dem Eisspeicher 120 oder beiden zusammen arbeiten.
  • Das Energieversorgungssystem 100 kann für reinen Heizbetrieb 240 oder für reinen Kühlbetrieb 220 genutzt werden, erweist seine Vorteile aber insbesondere bei Anlagen mit Heizbetrieb 240 und Kühlbetrieb 220 aus. Besonders vorteilhaft kann Heizen und Kühlen betrieben werden.
  • Der Latentwärmespeicher 120 weist beispielsweise einen ersten Wärmetauscher 122 auf, welcher mit der regenerativen Energiequelle 110 hydraulisch gekoppelt ist, sowie einen zweiten Wärmetauscher 124, welcher mit dem Primärkreis der Wärmepumpe 130 hydraulisch gekoppelt ist. Der erste Wärmetauscher 122 fungiert als Regenerationswärmetauscher zur Regeneration des Latentwärmespeichers 120, während der zweite Wärmetauscher 124 als Entzugswärmetauscher dient.
  • Das Energieversorgungssystem 100 umfasst weiter eine Hydraulikeinrichtung 190, die wenigstens einen Quellenmischer 170 zur Kopplung des Latentwärmespeichers 120 mit der Primärseite der Wärmepumpe 130, einen Hochhaltemischer 172 zur Kopplung der regenerativen Energiequelle 110 und/oder des Heizwasser-Pufferspeichers 150 mit der Sekundärseite der Wärmepumpe 130 sowie einen Kühlkreisregler 174 zur Kopplung des ersten Wärmetauschers 122 mit einem Kühlwasser-Pufferspeicher 160 aufweist.
  • Mittels des Quellenmischers 170, welcher ein Wärmeträgerfluid aus der regenerativen Energiequelle 110 und aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher 120 mischt, kann, insbesondere über eine Mischerstellung, eine primäre Eintrittstemperatur des der Wärmepumpe 130 primärseitig zugeführten Wärmeträgerfluids geregelt werden.
  • Mittels des Hochhaltemischers 172, welcher ein Wärmeträgerfluid aus der regenerativen Energiequelle 110 und aus einem Heizwasser-Pufferspeicher 150 mischt, kann, insbesondere über eine Mischerstellung, eine sekundäre Eintrittstemperatur des der Wärmepumpe 130 sekundärseitig zugeführten Wärmeträgerfluids geregelt werden. Die Wärmepumpe 130 weist eine primärseitige Pumpe 132 und eine sekundärseitige Pumpe 134 auf, die von einer nicht näher bezeichneten Wärmepumpensteuerung der Wärmepumpe 130 angesprochen werden. Die primärseitige Pumpe 132 und/oder die sekundärseitige Pumpe 134 können in die Wärmepumpe 130 integriert sein.
  • Mittels des Kühlkreisreglers 174, welcher mit dem ersten Wärmetauscher 122 des einen Latentwärmespeichers 120 in hydraulischer Verbindung steht, kann insbesondere über eine Durchflussregelung, eine Kühlvorlauftemperatur eines Kühlwasser-Pufferspeichers 160 geregelt werden.
  • Mittels einer Restwärmepumpe 176, welche mit der regenerativen Energiequelle 110 und dem Hochhaltemischer 172 hydraulisch verbunden ist, kann, insbesondere über eine Drehzahlregelung, eine verfügbare Leistung der wenigstens einen regenerativen Energiequelle 110 geregelt werden.
  • Eine Regenerationspumpe 178 ist vorgesehen, welche einen Rücklauf des ersten Wärmetauschers 122 in Richtung der regenerativen Energiequelle 110 fördert. Weiter ist eine Kühlkreispumpe 180 zwischen dem Kühlkreisregler 174 und dem Kühlwasser-Pufferspeicher 160 im Zulauf des Kühlwasser-Pufferspeichers 160 angeordnet, während im Rücklauf des Kühlwasser-Pufferspeichers 160 eine weitere Beladepumpe 182 angeordnet ist. Mittels der Kühlkreispumpe 180, welche mit dem Kühlkreisregler 174 verbunden ist, kann insbesondere über eine Drehzahlregelung, eine Kühlsolltemperatur eingestellt werden.
  • Zur Versorgung des Verbrauchers 102 mit Heizleistung und/oder Kühlleistung über den Heizwasser-Pufferspeicher 150 bzw. dem Kühlwasser-Pufferspeicher 160 ist ein Umschaltventil 184 im Ausgang von Heizwasser-Pufferspeicher 150 und Kühlwasser-Pufferspeicher 160 angeordnet.
  • Weiter sind für den praktischen Betrieb eine Reihe von Absperrklappen 186 in der Hydraulikeinrichtung 190 angeordnet, welche nicht weiter beschrieben werden.
  • Weiter umfasst das Energieversorgungssystem 100 eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140, die zumindest mit der Hydraulikeinrichtung 190 zur Einstellung von Betriebszuständen 200 der Hydraulikeinrichtung 190 mittels des Quellenmischers 170 und des Hochhaltemischers 172 verbunden ist.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140 ist dazu ausgebildet, abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen 402 des Latentwärmespeichers 120 einen Betriebszustand 200 von wenigstens einem Konditionierungsbetrieb 210 der regenerativen Energiequelle 110, einem Kühlbetrieb 220, einem Vorkonditionierungsbetrieb 230 des Latentwärmespeichers 120, oder einem Heizbetrieb 240 zu steuern und/oder zu regeln.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140 ist ausgebildet, die thermischen Beladungsgrenzen 402 des Latentwärmespeichers 120 abhängig von einer Jahreszeit t einzustellen und weist dazu vorteilhaft einen Zustandsautomaten 300 zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen 200 auf.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140 kann abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers 120 eine jahreszeitlich optimale Beladung des Latentwärmespeichers 120 finden und im Latentwärmespeicher120 einstellen. Günstig kann so eine hohe Beladung mit maximaler Effizienz für den Heizbetrieb der Wärmepumpe 130 im Winter erreicht werden, wobei aber die effiziente Versorgung eines ganzjährigen Kühlbetriebs beachtet wird. Weiter kann eine geringe Beladung mit hoher Vereisung im Sommer für den effizienten natürlichen Kühlbetrieb aus dem Latentwärmespeicher 120 erreicht werden. Die nötige Entladung des Latentwärmespeichers 120 für den Kühlbetrieb 220 erfolgt durch Nutzung der Energie im Heizbetrieb 240.
  • Der gewünschte Vereisungsgrad kann dabei vorteilhaft in Abhängigkeit der Jahreszeit t festgelegt werden, wie in Figur 3 dargestellt. Es erfolgt eine automatisierbare Anpassung an den Bedarf des Energieversorgungssystems 100. Die jahreszeitlich optimale Beladung wird durch bedarfsorientierte Vorkonditionierung für Heizbetrieb 240 und/ oder Kühlbetrieb 220 erreicht, indem die Quellenenergie der Wärmepumpe 130 durch verschiedene Betriebsmodi so bereitgestellt wird, dass der Latentwärmespeicher 120 in seinem Optimum gehalten wird. Der Beladungszustand des Latentwärmespeichers 120 kann bzw. sollte hierfür kontinuierlich überwacht werden. Das Betriebsverfahren kann also vorzugsweise mit einer Methode der Beladungszustandserkennung von Latentwärmespeichern ergänzt werden.
  • Der in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 140 implementierte Zustandsautomat 300 kann vorteilhaft ein Umschalten zwischen verschiedenen Betriebszuständen auf Basis weiterer Informationen vornehmen. Dabei kann der Zustandsautomat 300 eine Reihe von Hilfsfunktionen wahrnehmen. Beispielsweise kann er eine Sicherheitsfunktion erfüllen, indem er prüft, ob ein minimaler Beladungsgrad unterschritten wurde. Weiter kann er eine Neuinitialisierung bei einer Parameteränderung oder einer veränderten Verfügbarkeit eines Betriebszustandes 200 oder einer Anforderung von außen vornehmen.
  • Der Zustandsautomat 300 kann eine Bewertung des Status der Wärmepumpe 130 durchführen, beispielsweise ob die Wärmepumpe 130 außer Betrieb ist, ob ein Heizbetrieb 240 oder ein Kühlbetrieb 220 oder ein paralleler Heiz- und Kühlbetrieb 242 läuft. Weiter kann eine Bewertung des Beladungsgrades 400 des Latentwärmespeichers 120 vorgenommen werden, ob eine Regeneration 233, eine passive oder aktive Vorkühlung 232, 231 notwendig ist. Außerdem kann ein Funktionsblock zur Gewährleistung eines Handbetriebs des Energieversorgungssystems vorgesehen sein. Der Zustandsautomat 300 kann entscheiden, ob ein Betriebszustand 200 verfügbar ist. Diese Prüfung kann für jeden Betriebszustand 200 anhand einer außerhalb definierten Freigabe und/oder abhängig von internen Sicherheitsbedingungen vorgenommen werden. Eine Bestimmung beispielsweise eines Zustands eines Reglers 330, etwa ob dieser aktiv ist oder passiv ist, kann nach Kriterien Passiv (Standby) oder Aktiv erfolgen. Bei einem passiven Zustand des Reglers findet keine Berechnung von Sollwerten für Aktoren statt. Dabei ist eine Bearbeitung einer Anforderung nicht notwendig bzw. aufgrund von aktuellen Temperaturen nicht erlaubt. Bei einem aktiven Zustand des Reglers 330 erfolgt eine Bearbeitung einer Anforderung bzw. eine aktive Berechnung von Sollwerten für Aktoren 3. Dabei kann ein jeweils aktiver Betriebszustand 200 die Bestimmung seines aktivieren. Eine Ausgabe des Zustandsautomaten 300 kann ein Betriebszustand 200 und der Zustand des Reglers 330, ob dieser aktiv oder passiv ist, sein. Eine Umsetzung einer Ansteuerung von Aktoren 3 kann nachgelagert oder im Zustandsautomaten 300 erfolgen.
  • Aktoren 3 können insbesondere Pumpen 176, 178, 180, 182, Ventile 174, 184, 186, Mischer 170, 172, 184 in der Hydraulikeinrichtung 190 sein.
  • Eingabedaten des Zustandsautomaten 300 können dabei wenigstens Sensordaten 302, insbesondere verarbeitete Sensordaten, eine Berechnung 304 des Beladungsgrades 400 des Latentwärmespeichers 120, eine oder mehrere Schutzfunktionen 306, eine Freigabensteuerung 308 der Betriebszustände 200, und Eingabedaten wenigstens einer Benutzerschnittstelle 310 umfassen. Ausgabedaten des Zustandsautomaten 300 können wenigstens eine aktuelle Phase eines Betriebszustandes 200 umfassen.
  • Der Zustandsautomat 300 ist zur Ansteuerung einer Aktorensteuerung 340 oder, alternativ, der direkten Ansteuerung wenigstens eines Aktors 3 der Hydraulikeinrichtung 190 (siehe Figur 9) ausgebildet. Die gesamte Aktorsteuerung 340 kann auch über den Zustandsautomaten 300 abgedeckt werden. Die der Aktorsteuerung 340 wenigstens zugehörige Aktorenmatrix 322 kann in Abhängigkeit des Betriebszustands 200 zur Aktivierung von wenigstens einem nachgeschalteten Regler 330 zur Regelung des wenigstens einen Aktors 3 führen. Die berechneten Reglersollwerte werden der Hydraulikeinrichtung 190 zugeteilt. Vorteilhaft kann eine Rückführung von Sollwert-Vorgaben und/oder Ist-Werten des wenigstens einen Aktors 3 an den Zustandsautomaten 300 über eine Feedback-Schleife 342 vorgesehen sein.
  • Figur 2 zeigt einen Funktionsablauf einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140 des Energieversorgungssystems 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben des Energieversorgungssystems 100 zur Versorgung des Verbrauchers 102 sieht vor, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140 einen Betriebszustand 200 von wenigstens einem Konditionierungsbetrieb 210 der regenerativen Energiequelle 110, einem Kühlbetrieb 220, einem Vorkonditionierungsbetrieb 230 des Latentwärmespeichers 120, und einem Heizbetrieb 240 abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen 402 des Latentwärmespeichers 120 steuert und/oder regelt.
  • Nach dem in Figur 2 dargestellten Ablauf kann dazu zunächst eine Initialisierung 250 durchgeführt werden. Dazu kann beispielsweise bei einem Start oder einer Spannungswiederkehr, beispielsweise nach einem Stromausfall, oder einem aufgetretenen Fehler des Energieversorgungssystems 100 ein sicherer Betrieb eingestellt werden. Bei einem Fehler oder wenn ein notwendiger Betriebszustand nicht bedienbar ist, kann die Wärmepumpe 130 gesperrt werden.
  • Eine Abarbeitung von Anforderungen an das Energieversorgungssystem 100 kann dann nach einer Priorität der Betriebszustände 200 erfolgen.
  • In Schritt S102 wird geprüft, ob eine Anforderung zum Abtauen vorliegt und der Konditionierungsbetrieb 210 wenigstens einer regenerativen Energiequelle 110 verfügbar ist. Wenn dies der Fall ist, kann der Konditionierungsbetrieb 210, hier beispielsweise Abtaubetrieb eingestellt werden.
  • Wenn dies nicht der Fall ist, kann in Schritt S104 geprüft werden, ob eine Anforderung zum Kühlen vorliegt und der Kühlbetrieb 220 verfügbar ist. Wenn dies der Fall ist, kann der Kühlbetrieb 220 eingestellt werden.
  • Wenn dies nicht der Fall ist, kann in Schritt S106 geprüft werden, ob ein thermischer Beladungsgrad 400 des Latentwärmespeichers 120 unzulässig für den Heizbetrieb 240 oder Kühlbetrieb 220 ist und die wenigstens eine Wärmepumpe 130 außer Betrieb ist. Wenn dies der Fall ist, kann der Vorkonditionierungsbetrieb 230 des Latentwärmespeichers 120 eingestellt werden.
  • Wenn dies nicht der Fall ist und keine sonstigen Anforderungen bestehen und der Heizbetrieb 240 verfügbar ist, kann der Heizbetrieb 240 eingestellt werden.
  • Wenn neue Anforderungen auftreten oder der jeweilige Betriebszustand nicht mehr verfügbar ist, kann in Schritt S100 wieder geprüft werden, ob ein neuer Betriebszustand gefunden wurde. Falls dies der Fall ist, wird die Schleife mit Schritt S102 von neuem durchlaufen. Wenn dies nicht der Fall ist, wird in den Betriebszustand Initialisierung 250 gewechselt.
  • In Figur 3 ist ein Diagramm von thermischen Beladungsgrenzen 402 eines Latentwärmespeichers 120 über einem jahreszeitlichen Verlauf t nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das Diagramm stellt einen Beladungsgrad 400 des Latentwärmespeichers 120 für einen günstigen Betrieb des Energieversorgungssystems 100 in Prozent (%) als Funktion der Zeit t über ein Jahr dar.
  • Die thermischen Beladungsgrenzen 402 des Latentwärmespeichers 120 können abhängig von einer Jahreszeit t vorgegeben werden. Vorteilhaft können so dynamische thermische Beladungsgrenzen 412 und Entladungsgrenzen 414 abhängig von Jahreszeiten t bzw. von Anforderungen des Verbrauchers vorgegeben und für die Steuerung und/oder Regelung des Energieversorgungssystems 100 als Sollwertvorgaben genutzt werden.
  • Auf diese Weise kann der Latentwärmespeicher 120, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem als Beladungsgrenzen als Konstante definiert werden, über das ganze Jahr mit einer günstigen angepassten thermischen Beladung betrieben werden. Auch kann vorteilhaft ein Mischbetrieb der verschiedenen Energiequellen durchgeführt werden. Der Wechsel zwischen thermischen Beladungsgrenzen, etwa minimaler und maximaler Beladungsgrenze, kann mit einem definierten Kurvenverlauf erfolgen. Beispielsweise kann beim Übergang zwischen verschiedenen thermischen Beladungsgrenzen ein Gradient vorgegeben und eingehalten werden.
  • In Figur 3 sind thermische Beladungsgrenzen eines Latentwärmespeichers über der Zeit t aufgetragen. Dargestellt ist hier beispielhaft ein Verlauf über ein Jahr. Beispielsweise dauert eine Heizperiode 420 von Januar bis Ende März. Eine Kühlperiode 430 dauert etwa von Mai bis September. Der Beginn der Heizperiode 440 liegt etwa bei November und reicht bis Ende des Jahres. Diese Perioden stellen natürlich nur Beispielzeiträume dar.
  • Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers 120 sind ein minimaler thermischer Beladungsgrad 410 und ein maximaler thermischer Beladungsgrad 416. Die Steuer- und Regeleinrichtung 140 sichert den sich aus minimalem thermischem Beladungsgrad 410 und maximalem thermischem Beladungsgrad 416 ergebenden Einsatzbereich des Latentwärmespeicher 120, insbesondere durch wenigstens einen Vorkonditionierungsbetrieb 230, ab. Es erfolgt beispielsweise eine Beladung 450 durch Regeneration des Latentwärmespeichers 120 nahe dem minimalen Beladungsgrad 410 und eine Entladung 460 durch Vorkühlung spätestens nahe dem maximalen Beladungsgrad 416. Zur Wahl des Betriebszustands aus Vorkonditionierungsbetrieb 230 und Heizbetrieb 240 werden weiter beispielsweise eine dynamische thermische Beladungsgrenze 412 und eine dynamische thermische Entladungsgrenze 414 definiert.
  • In der Heizperiode 420, 440 liegen die dynamische Beladungsgrenze 412 und die dynamische Entladungsgrenze 414 beieinander nahe dem maximalen Beladungsgrad 416. Die hoch gewählte dynamische Beladungsgrenze 412 sorgt für eine stets maximale Beladung des Latentwärmespeichers 120, um eine Deckung der aufkommenden Heizlast des Verbrauchers 102 zu gewährleisten.
  • Unterschreitet der aktuelle thermische Beladungsgrad des Latentwärmespeichers 120 die dynamische Beladungsgrenze 412 abzüglich Hysterese, erfolgt eine Beladung durch Regeneration mittels der wenigstens einen regenerativen Energiequelle 110. In den Übergangszeiten zwischen den Heizperioden 420, 440 und der Kühlperiode 430 verläuft die dynamische Beladungsgrenze 412 und die dynamische Entladungsgrenze 414 entlang einer Übergangskurve. Die Übergangskurve zwischen Heizperiode 420 und Kühlperiode 430 führt zu einem Entzugsbetrieb bei Heizanforderung. Durch Nutzung der Energie des Latentwärmespeichers 120 zur Beheizung des Heizwasser-Pufferspeichers 150 durch die Wärmepumpe 130 wird ein möglichst minimaler thermischer Beladungsgrad 410 zu Beginn der Kühlperiode 430 erreicht. Der so eingestellte hohe Vereisungsgrad des Latentwärmespeichers 120 dient der Deckung der aufkommenden Kühllast in der Kühlperiode 430. Führt ein zunehmender Kühlbetrieb 220 zu einem Anstieg des aktuellen thermischen Beladungsgrads 412 über die dynamische Entladegrenze 414 zuzüglich Hysterese, folgt eine Entladung des Latentwärmespeichers 120, um den ursprünglichen Beladezustand des Latentwärmespeichers 120 wiederherzustellen. Die Übergangskurve zwischen Kühlperiode 430 und Heizperiode 440 führt zu einem vermehrten Regenerationsbetrieb 233. Durch Beladung des Latentwärmespeichers 420 wird wieder ein möglichst maximaler thermischer Beladungsgrad 410 zu Beginn der Heizperiode 440 erreicht.
  • Die dynamische Beladungsgrenze 412 sowie die dynamische Entladungsgrenze 414 können als günstige Vorgaben für einen effizienten Betrieb des Energieversorgungssystems 100 durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 140 gewählt werden.
  • Figur 4 zeigt ein Beispiel eines möglichen thermischen Beladungsgrads 400 des Latentwärmespeichers 120 in Prozent (%) und die daraus resultierende Ansteuerung eines Heizbetriebs 240 und/oder eines Vorkonditionierungsbetriebs 230 über der Zeit t entsprechend eines spezifischen Zeitintervalls.
  • In dem Diagramm sind verschiedene Hysteresen gezeigt: eine Start-Hysterese 500 für die aktive Vorkühlung, eine Start-Hysterese 502 für die passive Vorkühlung, eine Stopp-Hysterese 504 für den Entzugsbetrieb, eine Stopp-Hysterese 506 für die Regeneration, eine Start-Hysterese 508 der Regeneration. Weiter sind die dynamische Entladungsgrenze 414 sowie die dynamische Beladungsgrenze 412 definiert.
  • Der aktuelle thermische Beladungsgrad 400 startet auf der Höhe der Stopp-Hysterese 504 für den Entzugsbetrieb und steigt an. Bei dem Punkt 510 startet der Entzugsbetrieb, bei dem Wärme aus dem Latentwärmespeicher 120 entzogen wird, der thermische Beladungsgrad 400 steigt kurz an und fällt dann weiter. Bei Punkt 512 startet der Mischbetrieb, bei dem Wärme wahlweise aus der wenigstens einen regenerativen Energiequelle 110 oder dem wenigstens einen Latentwärmespeicher 120 entzogen wird, damit endet der Entzugsbetrieb. Der thermische Beladungsgrad 400 fällt weiter. Bei Punkt 514 startet die Regeneration des wenigstens einen Latentwärmespeichers 120, damit endet der Heizbetrieb. Der thermische Beladungsgrad 400 fällt noch kurz und steigt dann wieder an. Bei Punkt 516 startet der Mischbetrieb, damit endet die Regeneration. Der wenigstens eine Latentwärmespeicher 120 kann in Bezug auf die definierten Grenzen und Hysteresen als ausreichend thermisch aufgeladen bezeichnet werden.
  • Der thermische Beladungsgrad 400 steigt weiter. Bei Punkt 518 startet die passive Vorkühlung des wenigstens einen Latentwärmespeichers 120, bei Punkt 520 endet die passive Vorkühlung und die aktive Vorkühlung startet. Der thermische Beladungsgrad 400 steigt noch kurz an und fällt dann ab. Bei Punkt 522 endet die aktive Vorkühlung. Der thermische Beladungsgrad 400 fällt weiter, um dann später wieder zu steigen. Bei Punkt 524 startet die passive Vorkühlung wieder. Der thermische Beladungsgrad 400 nimmt wieder ab. Bei Punkt 526 endet die passive Vorkühlung.
  • In Figur 5 ist ein Flussdiagramm für den Heizbetrieb 240 dargestellt. Der Heizbetrieb 240 umfasst die drei Zustände: einen Entzugsbetrieb 241, bei dem Wärme aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher 120 bezogen und der Wärmepumpe 130 zugeführt wird, einen Mischbetrieb 242, bei dem Wärme wahlweise aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher 120 und/oder der wenigstens einen regenerativen Energiequelle 110 bezogen und der Wärmepumpe 130 zugeführt wird, und einen Direktbetrieb 243, bei dem Wärme aus der wenigstens einen regenerativen Energiequelle 110 bezogen und der Wärmepumpe 130 zugeführt wird. Dabei wird in Schritt S500 geprüft, ob der Entzugsbetrieb 241 möglich ist. Ein Wechsel in den Mischbetrieb 242 aus dem Entzugsbetrieb 241 ist anschließend in Abhängigkeit des aktuellen thermischen Beladungsgrads 400 möglich. Steht der Mischbetrieb 242 oder der Entzugsbetrieb 241 während des Betriebs oder bei erstmaliger Anfrage nicht mehr zur Verfügung, kann in den Direktbetrieb 243 gewechselt werden.
  • In Figur 6 ist ein Flussdiagramm für den Vorkonditionierungsbetrieb 230 dargestellt. Der Vorkonditionierungsbetrieb 230 des wenigstens einen Latentwärmespeichers 120 umfasst wenigstens ein aktives Vorkühlen 231 des Latentwärmespeichers 120, ein passives Vorkühlen 232 des wenigstens einen Latentwärmespeichers 120, sowie ein Regenerieren 233 des wenigstens einen Latentwärmespeichers 120. In Schritt S602 kann die Entscheidung getroffen werden zwischen einem Vorkühlbetrieb 231, 232 und einem Regenerationsbetrieb 233. Beim Vorkühlbetrieb 231, 232 kann in Schritt S600 entschieden werden zwischen der aktiven Vorkühlung 231 und der passiven Vorkühlung 232. Die Ausgänge der einzelnen Betriebszustände 231, 232 bzw. 233 können in den Schritten S604 bzw. S606 jeweils kombiniert und auf diese Weise der Vorkonditionierungsbetrieb 230 des Latentwärmespeichers 120 verlassen werden.
  • In Figur 7 ist ein Flussdiagramm für den Konditionierungsbetrieb 210, hier Abtaubetrieb dargestellt. Der Konditionierungsbetrieb 210 der wenigstens einen regenerativen Energiequelle 110 umfasst ein Abtauen mittels Wärmepumpe 30 unter Nutzung des Latentwärmespeichers 120 als Quelle für die Wärmepumpe 130 oder ein Abtauen der wenigstens einen regenerativen Energiequelle 110 mittels eines Heizwasser-Pufferspeichers 150. In Schritt S700 kann entschieden werden, welcher der beiden Abtaubetriebszustände 211, 212 zunächst verfolgt wird. Zwischen den beiden Abtaubetriebszuständen 211, 212 kann bei Nichtverfügbarkeit hin und her gewechselt werden.
  • In Figur 8 ist ein Flussdiagramm für einen Kühlbetrieb 220 dargestellt. Der Kühlbetrieb 220 umfasst wenigstens ein natürliches Kühlen als reinem Kühlbetrieb 221, ein natürliches Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb 222, ein freies Kühlen als reinem Kühlbetrieb 223, ein freies Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb 224, ein aktives Kühlen als reinem Kühlbetrieb 225, sowie ein aktives Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb 226.
  • In Schritt S800 kann entschieden werden, ob ein aktives Kühlen 225, 226 oder ein natürliches Kühlen 221, 222 oder ein freies Kühlen 223, 234 verfolgt werden soll. In den Schritten S802, S804 bzw. S806 wird jeweils entschieden, welcher der beiden Zustände natürliches Kühlen als reinem Kühlbetrieb 221, oder natürliches Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb 222 (S802), bzw. freies Kühlen als reinem Kühlbetrieb 223, oder freies Kühlen als Kühl- und Heizbetrieb 224 (S804), oder als aktive Kühlung 225 oder aktive Kühlung mit parallelem Kühl- und Heizbetrieb 226 (S806) verfolgt wird.
  • Die Ausgänge der einzelnen Betriebszustände 223, 224 bzw. 221, 222 können in den Schritten S808 bzw. S810 jeweils kombiniert und entsprechend weitergegeben werden.
  • Figur 9 zeigt ein Funktionsschema der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 140 weist einen Zustandsautomaten 300 auf, welcher zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen 200 der Hydraulikeinrichtung 190 umschaltet.
  • Eingabedaten des Zustandsautomaten 300 umfassen dabei wenigstens Sensordaten 302, insbesondere verarbeitete Sensordaten, eine Berechnung 304 des Beladungsgrades 400 des Latentwärmespeichers 120, eine oder mehrere Schutzfunktionen 306, sowie eine Freigabensteuerung 308 der Betriebszustände 200.
  • Weiter können weitere Parameter als Eingabedaten wenigstens einer Benutzerschnittstelle 310 sowie weitere Anforderungen oder zusätzliche externe Daten 312 in den Zustandsautomaten 300 eingesteuert werden.
  • Ausgabedaten des Zustandsautomaten 300 umfassen wenigstens eine aktuelle Phase eines Betriebszustandes 200.
  • Der Zustandsautomat 300 ist zur Ansteuerung wenigstens einer Aktorensteuerung 340 oder, alternativ, der direkten Ansteuerung eines Aktors 3 der Hydraulikeinrichtung 190 ausgebildet, sodass die gesamte Aktorensteuerung 340 auch über den Zustandsautomaten 300 abgedeckt werden kann.
  • Die der Aktorensteuerung 340 wenigstens zugehörige Aktorenmatrix 322 kann in Abhängigkeit des Betriebszustands 200 zur Aktivierung von wenigstens einem nachgeschalteten Regler 330 zur Regelung des wenigstens einen Aktors 3 führen. Die berechneten Reglersollwerte werden der Hydraulikeinrichtung 190 zugeteilt.
  • In einer Feedback-Schleife 342 können Sollwert-Vorgaben und/oder Ist-Werte des wenigstens einen Aktors 3 an den Zustandsautomaten 300 zurückgeführt werden.
    • Bezugszeichen
    • 100
    Energieversorgungssystem
    102
    Verbraucher
    110
    regenerative Energiequelle
    120
    Latentwärmespeicher
    122
    erster Wärmetauscher
    124
    zweiter Wärmetauscher
    130
    Wärmepumpe
    132
    primärseitige Umwälzpumpe
    134
    sekundärseitige Umwälzpumpe
    140
    Steuer- und Regeleinrichtung
    150
    Heizwasser-Pufferspeicher
    160
    Kühlwasser-Pufferspeicher
    170
    Quellenmischer
    172
    Hochhaltemischer
    174
    Kühlkreisregler
    176
    Restwärmepumpe
    178
    Regenerationspumpe
    180
    Kühlkreispumpe
    182
    Kühlpuffer-Beladepumpe
    184
    Umschaltventil
    186
    Absperrklappe
    190
    Hydraulikeinrichtung
    200
    Betriebszustand
    210
    Konditionierungsbetrieb der regenerativen Energiequelle
    211
    Abtauen mittels Latentwärmespeicher
    212
    Abtauen mittels Heizwasser-Pufferspeicher
    220
    Kühlbetrieb
    221
    Natürliche Kühlung Kühlbetrieb
    222
    Natürliche Kühlung mit parallelem Kühl- und Heizbetrieb
    223
    Freie Kühlung Kühlbetrieb
    224
    Freie Kühlung mit parallelem Kühl- und Heizbetrieb
    225
    Aktive Kühlung Kühlbetrieb
    226
    Aktive Kühlung mit parallelem Kühl- und Heizbetrieb
    230
    Vorkonditionierungsbetrieb des Latentwärmespeichers
    231
    Aktive Vorkühlung
    232
    Passive Vorkühlung
    233
    Regeneration
    240
    Heizbetrieb
    241
    Entzugsbetrieb
    242
    paralleler Heiz- und Kühlbetrieb
    243
    Direktbetrieb
    250
    Initialisierung
    300
    Zustandsautomat
    302
    Sensordaten
    304
    Berechnung Beladungsgrad
    306
    Schutzfunktionen
    308
    Freigabensteuerung Betriebszustände
    310
    Benutzerschnittstelle
    312
    externe Anforderung
    3
    Aktor
    322
    Aktorenmatrix
    330
    Regler
    340
    Aktorensteuerung
    342
    Feedback-Schleife
    400
    Beladungsgrad
    402
    Beladungsgrenze
    410
    minimaler Beladungsgrad
    412
    dynamische Beladungsgrenze
    414
    dynamische Entladungsgrenze
    416
    maximaler Beladungsgrad
    420
    Ende der Heizperiode
    430
    Kühlperiode
    440
    Beginn der Heizperiode
    450
    Beladung durch Regeneration
    460
    Entladung durch Vorkühlung
    500
    Start-Hysterese aktive Vorkühlung
    502
    Stopp-Hysterese passive Vorkühlung
    504
    Stopp-Hysterese Entzugsbetrieb
    506
    Stopp-Hysterese Regeneration
    508
    Start-Hysterese Regeneration
    510
    Start Entzugsbetrieb
    512
    Start Mischbetrieb/Stopp Entzugsbetrieb
    514
    Start Regeneration
    516
    Stopp Regeneration
    518
    Start passive Vorkühlung
    520
    Start aktive Vorkühlung
    522
    Stop aktive Vorkühlung
    524
    Start passive Vorkühlung
    526
    Stop passive Vorkühlung
    S100
    Prüfung neuer Betriebszustand
    S102
    Prüfung Anforderung Abtauen
    S104
    Prüfung Anforderung Kühlen
    S106
    Prüfung Zulässigkeit Beladungsgrad
    S500
    Prüfung Entzugsbetrieb oder Direktbetrieb
    S600
    Entscheidung aktive oder passive Vorkühlung
    S602
    Entscheidung Vorkühlbetrieb oder Regenerationsbetrieb
    S604
    Prüfung Beendigung Betriebszustand
    S606
    Prüfung Beendigung Betriebszustand
    S700
    Prüfung Beendigung Betriebszustand
    S800
    Entscheidung aktives oder natürliches Kühlen
    S802
    Entscheidung natürliches Kühlen mit oder ohne Heizbetrieb
    S804
    Entscheidung freies Kühlen mit oder ohne Heizbetrieb
    S806
    Entscheidung aktive Kühlung mit oder ohne parallelem Kühl- und Heizbetrieb
    S808
    Prüfung Beendigung Betriebszustand
    S810
    Prüfung Beendigung Betriebszustand

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (100) zur Versorgung wenigstens eines Verbrauchers (102), wobei das Energieversorgungssystem (100) jeweils wenigstens
    - eine regenerative Energiequelle (110),
    - einen Latentwärmespeicher (120) mit einem Phasenwechselmaterial als Speichermedium, der mit der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) in hydraulischer Verbindung steht, und
    - eine Wärmepumpe (130)
    umfasst, welche über eine Hydraulikeinrichtung (190) zusammenwirken, deren Betriebszustände (200) durch eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) eingestellt werden, wobei einer oder mehrere der folgenden Betriebszustände (200) umfasst werden:
    - Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    - Kühlbetrieb (220),
    - Heizbetrieb (240),
    - Konditionierungsbetrieb (210) der regenerativen Energiequelle (110),
    wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) wenigstens einen der Betriebszustände (200) abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) steuert und/oder regelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) abhängig von wenigstens einem spezifischen Zeitintervall (t) vorgegeben werden, insbesondere wobei die thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) abhängig von wenigstens einem spezifischen Zeitintervall (t) vorgegeben werden und ein Übergang zwischen jahreszeitlich oder in dem spezifischen Zeitintervall betriebsmäßig günstigen thermischen Beladungsgrenzen mit einem definierten Kurvenverlauf über der Zeit erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140), insbesondere ein Zustandsautomat (300) der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140), zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen (200) der Hydraulikeinrichtung (190) umschaltet.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Eingabedaten der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140), insbesondere des Zustandsautomaten (300), wenigstens umfassen
    - Sensordaten (302), insbesondere verarbeitete Sensordaten,
    - eine Berechnung (304) eines thermischen Beladungsgrades (400) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    - eine Freigabensteuerung (308) der Betriebszustände (200),
    - Eingabedaten wenigstens einer Benutzerschnittstelle (310),
    und wobei Ausgabedaten des Zustandsautomaten (300), wenigstens eine aktuelle Phase eines Betriebszustandes (200) umfassen, insbesondere wobei die Ausgabedaten des Zustandsautomaten (300) zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors (3) oder zur Ansteuerung einer Aktorenmatrix (322) mit wenigstens einem Regler (330) zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors (3) verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Abarbeitung von Anforderungen an das Energieversorgungssystem (100) nach einer Priorität der Betriebszustände (200) erfolgt, wenigstens umfassend eine oder mehrere der folgenden Aktionen
    - Einstellen eines Konditionierungsbetriebs (210) der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110), wenn eine Anforderung zur Konditionierung vorliegt und der Konditionierungsbetrieb (210) verfügbar ist, sonst
    - Einstellen eines Kühlbetriebs (220), wenn eine Anforderung zum Kühlen vorliegt und der Kühlbetrieb (220) verfügbar ist, sonst
    - Einstellen eines Vorkonditionierungsbetriebs (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120), wenn der thermische Beladungsgrad (400) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) unzulässig für den Betrieb (210, 220, 240) ist, insbesondere außerhalb zulässiger Beladungsgrenzen liegt, und die wenigstens eine Wärmepumpe (130) außer Betrieb ist; sonst
    - Einstellen eines Heizbetriebs (240), wenn keine sonstigen Anforderungen bestehen und der Heizbetrieb (240) verfügbar ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Heizbetrieb (240) wenigstens einen der Zustände umfasst
    - einen Entzugsbetrieb (241), bei dem Wärme aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher (120) bezogen wird,
    - einen Direktbetrieb (243), bei dem Wärme aus der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) bezogen wird,
    insbesondere wobei der Heizbetrieb (240) einen Mischbetrieb (242) umfasst, bei dem Wärme wahlweise aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher (120) oder der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) bezogen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) wenigstens
    - aktives Vorkühlen (231) und/oder passives Vorkühlen (232) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    - Regenerieren (233) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) umfasst
    und/oder
    wobei der Konditionierungsbetrieb (210) der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) wenigstens eines der folgenden umfasst
    - Abtauen (211) der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) mittels Wärmepumpe (130) unter Nutzung des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    - Abtauen (212) der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) mittels eines Heizwasser-Pufferspeichers (150).
    - Abtauen (212) der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) mittels eines Wärmeerzeugers.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels wenigstens eines Quellenmischers (170), welcher ein Wärmeträgerfluid aus der regenerativen Energiequelle (110) und aus dem wenigstens einen Latentwärmespeicher (120) mischt, eine primäre Eintrittstemperatur und/oder primäre Austrittstemperatur, der Wärmepumpe (130) geregelt wird,
    - und/oder wobei mittels wenigstens eines Hochhaltemischers (172), welcher ein Wärmeträgerfluid aus der regenerativen Energiequelle (110) und aus einem Heizwasser-Pufferspeicher (150) mischt, eine sekundäre Eintrittstemperatur und/oder sekundäre Austrittstemperatur der Wärmepumpe (130) geregelt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels wenigstens eines Kühlkreisreglers (174), welcher mit einem ersten Wärmetauscher (122) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) in hydraulischer Verbindung steht, eine Kühlvorlauftemperatur eines Kühlwasser-Pufferspeichers (160) oder Kühlkreises geregelt wird, insbesondere
    wobei mittels einer Kühlkreispumpe (180), welche mit dem Kühlkreisregler (174) verbunden ist, insbesondere über eine Drehzahlregelung, eine Kühlsolltemperatur eingestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei mittels einer Restwärmepumpe (176), welche mit der regenerativen Energiequelle (110) und dem Hochhaltemischer (172) hydraulisch verbunden ist, eine verfügbare Leistung der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) geregelt wird.
  11. Energieversorgungssystem (100) zur Bereitstellung von Kühlleistung und/oder Heizleistung für wenigstens einen Verbraucher (102), umfassend jeweils wenigstens
    (i) eine regenerative Energiequelle (110),
    (ii) einen Latentwärmespeicher (120) mit einem Phasenwechselmaterial als Speichermedium, der mit der wenigstens einen regenerativen Energiequelle (110) in hydraulischer Verbindung steht, und
    (iii) eine Wärmepumpe (130),
    (iv) eine Hydraulikeinrichtung (190),
    (v) eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140), die zumindest mit der Hydraulikeinrichtung (190) zur Einstellung von Betriebszuständen (200) der Hydraulikeinrichtung (190) verbunden ist,
    wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) dazu ausgebildet ist, abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) wenigstens einen der Betriebszustände (200) der Hydraulikeinrichtung (190) zu steuern und/oder zu regeln,
    wobei einer oder mehrere der folgenden Betriebszustände (200) umfasst sind:
    - Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    - Kühlbetrieb (220),
    - Heizbetrieb (240),
    - Konditionierungsbetrieb (210) der regenerativen Energiequelle (110).
  12. Energieversorgungssystem nach Anspruch 11, wobei die Wärmepumpe (130) mit ihrer Primärseite mit der regenerativen Energiequelle (110) und/oder dem Latentwärmespeicher (120) gekoppelt oder koppelbar ist und mit ihrer Sekundärseite mit der regenerativen Energiequelle (110) und/oder wenigstens einem Heizwasser-Pufferspeicher (150) und/oder wenigstens einem Heizkreis gekoppelt oder koppelbar ist
    und/oder die Hydraulikeinrichtung (190) wenigstens einen Quellenmischer (170) zur Kopplung des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) und der regenerativen Energiequelle (110) mit der Primärseite der Wärmepumpe (130) aufweist
    und/oder die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) zumindest mit der Hydraulikeinrichtung (190) zur Einstellung der Betriebszustände (200) der Hydraulikeinrichtung (190) mittels des Quellenmischers (170) und des Hochhaltemischers (172) verbunden ist und/oder wobei die Hydraulikeinrichtung (190) wenigstens einen Hochhaltemischer (172) zur Kopplung der regenerativen Energiequelle (110) und/oder des Heizwasser-Pufferspeichers (150) mit der Sekundärseite der Wärmepumpe (130) aufweist.
  13. Energieversorgungssystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuer-und/oder Regelungseinrichtung (140) ausgebildet ist, die thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) abhängig von einem spezifischen Zeitintervall (t) einzustellen, insbesondere wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) ausgebildet ist, die thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) abhängig von einem spezifischen Zeitintervall (t) einzustellen und ein Übergang zwischen jahreszeitlich oder in dem spezifischen Zeitintervall betriebsmäßig günstigen thermischen Beladungsgrenzen mit einem definierten Kurvenverlauf über der Zeit erfolgt.
  14. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) ausgebildet ist, die thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) abhängig von einem spezifischen Zeitintervall (t) einzustellen
    und/oder wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) einen Zustandsautomaten (300) zum Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen (200) aufweist.
  15. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei ein Kühlkreisregler (174) mit einem ersten Wärmetauscher (122) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) und einem Kühlwasser-Pufferspeicher (160) oder einem Kühlkreis hydraulisch gekoppelt oder koppelbar ist.
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