EP4141332B1 - 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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EP4141332B1
EP4141332B1 EP22192478.0A EP22192478A EP4141332B1 EP 4141332 B1 EP4141332 B1 EP 4141332B1 EP 22192478 A EP22192478 A EP 22192478A EP 4141332 B1 EP4141332 B1 EP 4141332B1
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EP
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latent heat
cooling
energy source
renewable energy
loop
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EP4141332C0 (de
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Hafner Bernd
Dott Ralf
Schaumann Jens
Hensel Stefan
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Viessmann Holding International GmbH
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    • F28D2020/0082—Multiple tanks arrangements, e.g. adjacent tanks, tank in tank

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an energy supply system for supplying a consumer and to an energy supply system for providing cooling power and/or heating power for a consumer.
  • Ice storage systems for storing latent heat for heating and cooling buildings are well known.
  • EP 2686633 A1 A latent heat storage system with an ice storage tank, which has an extraction heat exchanger and a regeneration heat exchanger.
  • the heat exchangers are in contact with the storage medium, usually water.
  • the extraction heat exchanger is connected to a heat pump, while the regeneration heat exchanger is connected to a heat source.
  • the ice storage tank supplies heat with a low usable energy content to the heat pump via the extraction heat exchanger until the water in the ice storage tank freezes and the latent heat storage tank is thermally discharged.
  • the rate of discharge can be influenced via the regeneration heat exchanger.
  • ambient heat is also fed into the ice storage tank via the regeneration heat exchanger to thaw the frozen storage medium and thus supply energy to the storage medium.
  • Such ice storage systems are suitable as energy sources to cover the heating and cooling needs of a connected consumer, such as a building.
  • the known methods for utilizing the various energy sources to operate the heat pump are based on temperature limit criteria to provide the heat pump with a suitable flow temperature.
  • the DE 10 2017 112 409 A1 discloses a latent heat storage system comprising at least one latent heat storage device, at least one extraction circuit, with which heat can be extracted from the storage medium as intended, and at least one regeneration circuit, with which heat can be supplied to the storage medium as intended.
  • the latent heat storage device comprises at least one extraction heat exchanger in contact with the storage medium, which can be connected to the extraction circuit, and at least one regeneration arrangement within the storage medium, which can be connected to the regeneration circuit.
  • a coupling device is provided, with which the extraction heat exchanger can be coupled at least temporarily to the regeneration arrangement for joint heat extraction from the storage medium or for joint heat supply to the storage medium.
  • the US 8,726,682 B1 discloses a heat pump system that can operate in multiple heating and cooling modes, combining the properties of both ground-source and air-source heat pumps. Furthermore, the operating mode selection is automatically controlled to optimize efficiency depending on ambient conditions and system requirements. The integration of solar collectors is also possible.
  • the system includes a heat/cold storage system consisting of water or ground. The operating modes are adjusted depending on temperatures.
  • the DE102011120743A1 This involves supplying heat to a building using a latent heat storage unit and a heat pump.
  • the latent heat storage unit is an intermediate storage unit charged by the air/fluid heat exchanger.
  • the heat pump can extract heat from the latent heat storage unit for heating. Valves and pumps determine where a working fluid flows. The operating modes are adjusted depending on the outside temperature.
  • the DE102005013012A1 Describes a combined heating/cooling system with a latent heat storage system.
  • the latent heat storage system absorbs the waste heat from a refrigeration system during cooling operation. This utilizes the storage effect, which is based on the absorption and release of latent heat during the change of state of aggregation in the phase material of the latent heat storage system. Furthermore, the advantage is utilized that the latent heat storage system can be operated at a virtually constant temperature throughout the entire charging process.
  • the heat absorbed by the latent heat storage system during operation of the refrigeration system is released to the environment during the night via a recooling system.
  • the heat can also be released via solar collectors.
  • the latent heat storage system can also be used to buffer the heat generated by solar thermal energy during the heating period.
  • the DE 27 44468 A1 discloses a device for measuring and, if necessary, controlling the charge level of latent heat storage devices.
  • the object of the invention is to provide an efficient method for operating an energy supply system for supplying a consumer.
  • a further task is to create an efficient energy supply system for providing cooling and/or heating power to a consumer using such a process.
  • a method for operating an energy supply system for supplying at least one consumer comprises at least one control and/or regulating device, a regenerative energy source, at least one latent heat storage device with a phase change material as a storage medium, which is in hydraulic connection with the at least one regenerative energy source and at least one heat pump, which interact via a hydraulic device whose operating states are set by the control and/or regulating device.
  • the operating states comprise at least one or more of the following operating states, such as a preconditioning operation of the latent heat storage, a cooling operation, a heating operation, a conditioning operation of the regenerative energy source.
  • the preconditioning operation of the at least one latent heat storage device comprises at least active precooling and/or passive precooling of the at least one latent heat storage device, regeneration of the at least one latent heat storage device.
  • conditioning mode defrosting of the regenerative energy source is achieved or icing of the regenerative energy source is prevented.
  • the control and/or regulating device controls and/or regulates at least one of the operating states depending at least on thermal loading limits of the latent heat storage device.
  • the thermal loading limits of the latent heat storage system are specified depending on at least one specific time interval.
  • a transition between thermal loading limits that are seasonally or operationally favorable within the specific time interval can be achieved with a defined curve over time.
  • a specific time interval is a season or a period within which certain consumer requirements exist, whereby dynamic loading limits and unloading limits are specified depending on the season or consumer requirements and are used as setpoint values for the control and/or regulation of the energy supply system.
  • the latent heat storage system can be operated with a favorable, adjusted thermal load, for example, throughout the entire year or at other demand-dependent time intervals, in contrast to the state of the art, where thermal load limits are defined only as constants.
  • thermal load limits are defined only as constants.
  • a transition between the maximum and minimum thermal load limits can be achieved with a defined gradient.
  • Mixed operation of the various energy sources can also be advantageously implemented.
  • the defined curve and/or gradient can either be fixed or dynamically calculated.
  • a consumer may include a building such as a single-family home, an apartment building, a commercial building, an industrial process, and the like.
  • the proposed method is used to operate an energy supply system with at least one renewable energy source, such as a solar collector, air register, geothermal energy, waste heat, and the like, for a heat pump.
  • a latent heat storage device in the form of an ice storage tank is used as a buffer for the renewable energy source.
  • the heat pump can operate selectively with the renewable energy source, the ice storage tank, or both in combination.
  • Renewable energy sources such as air registers and solar-air collectors can freeze at low temperatures.
  • the method according to the invention allows for the conditioning of such renewable energy sources, so that defrosting can be achieved or icing can be prevented. This advantageously allows energy input into the energy supply system to take place largely uninterrupted.
  • control and/or regulation device can determine and adjust a seasonally optimal thermal load of the latent heat storage device, depending at least on the thermal load limits of the latent heat storage device. This advantageously allows for a high thermal load with high efficiency for heating operation of the heat pump, for example, in winter or when heating is required at other times, while simultaneously ensuring efficient supply for year-round cooling operation.
  • a low thermal load with a high degree of icing of the latent heat storage for example, in summer or when cooling is required at other times, can be achieved from the latent heat storage for efficient natural cooling.
  • the necessary thermal discharge of the latent heat storage for cooling operation occurs primarily by using the energy in heating operation.
  • the desired degree of freezing of the latent heat storage can advantageously be determined depending on the season. This allows for automated adjustment to the energy supply system's needs.
  • Seasonally optimal thermal loading is achieved through demand-oriented preconditioning for heating and/or cooling operation.
  • the heat pump's source energy is provided through various operating modes in such a way that the latent heat storage is kept as close as possible to its optimum.
  • the thermal state of charge of the latent heat storage can conveniently be continuously monitored for this purpose.
  • the method is therefore preferably supplemented with a method for detecting the thermal state of charge of latent heat storage systems.
  • a transition between operationally favorable loading limits at a given time or in a specific time interval can be made smoothly, in particular with a predetermined curve over time, in particular a predetermined gradient.
  • control and/or regulating device does not need to intervene in a conventional heat pump control system, allowing uninterrupted operation of the heat pump.
  • This allows different types of heat pumps to be used without the need to adapt the heat pump control system.
  • the control and/or regulating device receives a corresponding signal from the heat pump control system requesting heating and/or cooling.
  • the primary-side circulation pump of the heat pump and/or the secondary-side circulation pump of the heat pump can be integrated into the heat pump.
  • the process can be used for pure heating or pure cooling operation, but is particularly advantageous for systems with both heating and cooling operation. It is particularly advantageous to enable both heating and cooling.
  • external incentives can be one or more incentives in the form of photovoltaic self-consumption by the heat pump, off-peak periods for heat pump operation, variable energy prices, energy markets, particularly control power, balancing group adjustment, or the like, utilization of an electrical distribution grid, weather forecasts and/or load forecasts, each of which identifies times of low or high consumption, favorable or unfavorable conditions for heat pump operation and/or for preconditioning the latent heat storage system, and peak loads in demand.
  • Optimised use of energy sources can also be achieved through combined and/or mixed operation.
  • control and/or regulating device in particular a state machine of the control and/or regulating device, can switch between different operating states of the hydraulic device.
  • the operating states can include at least one of the following operating states: preconditioning mode of the at least one latent heat storage device, cooling mode, heating mode, and conditioning mode of the regenerative energy source.
  • preconditioning mode of the at least one latent heat storage device
  • cooling mode heating mode
  • conditioning mode of the regenerative energy source.
  • the regenerative energy source can, for example, be defrosted if it is iced over, or icing can be prevented.
  • the control and/or regulation device in particular the state machine, can advantageously switch between different operating states based on additional information. In doing so, the state machine can perform a number of auxiliary functions.
  • the control and/or regulation device in particular the state machine, can evaluate the status of the heat pump, for example, whether the heat pump is out of operation, whether heating or cooling mode, or parallel heating and cooling mode, sometimes also referred to as mixed operation, is running. Furthermore, the thermal load level of the latent heat storage unit can be evaluated and whether regeneration, passive, or active pre-cooling is necessary. Furthermore, a function block can be provided to ensure manual operation of the energy supply system.
  • the control and/or regulation device in particular the state machine, can decide whether an operating state is available. This check can be performed for each operating state based on an externally defined release and/or depending on internal safety conditions.
  • a determination of the state of a controller for example whether it is active or passive, can be made according to passive (standby) or active criteria. If the controller is in a passive state, no setpoints for actuators, such as switching valves, are calculated. Processing a request is not necessary or is not permitted due to current temperatures. If the controller is in an active state, a request is processed and setpoints for actuators are actively calculated. An active state of the controller can activate the determination of its state.
  • An output of the state machine can be the operating state of the hydraulic system and the state of the controller. Actuator control or regulation can be implemented downstream.
  • input data of the control and/or regulating device in particular of the state machine, can comprise at least: sensor data, in particular processed sensor data, a calculation of a current or desired thermal loading level of the latent heat storage device, one or more protective functions, a release control of the operating states, and input data of at least one user interface.
  • Output data of the control and/or regulating device, in particular of the state machine can comprise at least one current phase of an operating state. Based on this information, the control and/or regulating device, in particular of the state machine, can advantageously initiate a switch between different operating states.
  • the output data of the control and/or regulating device in particular of the state machine, can be used to control at least one actuator, or to control an actuator matrix with at least one controller for controlling at least one actuator.
  • the actuator matrix can define the setpoints of the actuators in the energy supply system, such as opening/closing valves, switching pumps on/off, and activating/deactivating a controller for the desired operating state.
  • the actuator matrix can be designed so that it can be individually adapted to a specific energy supply system, thus enabling a customized configuration of the energy supply system.
  • setpoint specifications of the at least one actuator can be output via at least one controller.
  • a plurality of actuators of the energy supply system can be advantageously controlled via the outputs of the state machine as a result of the evaluation of the individual operating states and the thermal loading level of the latent heat storage device in order to control and/or regulate the current operating state or to switch to another operating state.
  • setpoint specifications and/or actual values of the at least one actuator can be fed back to the control and/or regulating device, in particular to the state machine.
  • feedback can advantageously be provided between the current values of the actuators and the evaluation of the current operating state or the output values of the state machine.
  • requests to the energy supply system can be processed according to a priority of the operating states, at least comprising setting the conditioning mode of the at least one renewable energy source if there is a request for conditioning and the conditioning mode is available; otherwise setting a cooling mode if there is a request for cooling and the cooling mode is available; otherwise setting a preconditioning mode of the latent heat storage device if the thermal loading level of the latent heat storage device is inadmissible for heating mode and the at least one heat pump is out of operation; otherwise setting a heating mode if no other requests exist and heating mode is available.
  • individual operating states can thus be checked for availability and activated when a corresponding request arises.
  • the parameters of the operating state can then be controlled and/or regulated in real time. In the event of a new request or if an operating state is unavailable, for example, a switch to another operating state can be made. In this way, an expedient implementation of the control concept of the energy supply system can be achieved.
  • the heating operation can comprise at least one of the following states: an extraction mode, in which heat is drawn from the at least one latent heat storage device; a direct mode, in which heat is drawn from the at least one renewable energy source.
  • the heating mode can draw the required energy from the energy source that is most suitable based on the season and the current state, in particular the thermal loading level, of the latent heat storage device.
  • the heating operation may comprise a mixed operation in which heat is optionally obtained proportionally from the at least one latent heat storage device and/or the at least one renewable energy source.
  • the preconditioning operation of the latent heat storage device can comprise at least: active precooling and/or passive precooling of the latent heat storage device, and regeneration of the latent heat storage device.
  • the latent heat storage device can be suitably preconditioned based on current and possible future requirements, which may be seasonal or due to temporary consumer demands, in order to enable the most efficient operation of the energy supply system.
  • the load factor is reduced, for example, by extracting heat from the latent heat storage with a heat pump and dissipating the heat to the environment via an air-to-air heat exchanger.
  • the load factor is reduced, for example, by dissipating heat to the environment via an air-to-air heat exchanger.
  • the load factor is increased, for example, by supplying heat from the renewable energy source or any building cooling system.
  • the conditioning operation of the at least one renewable energy source can comprise at least one of the following: defrosting the at least one renewable energy source by means of a heat pump using the at least one latent heat storage device; defrosting the at least one renewable energy source by means of a heating water buffer storage device; defrosting the at least one renewable energy source by means of a heat generator, for example, a gas boiler.
  • a heat generator for example, a gas boiler.
  • the cooling operation may comprise one or more of the following: natural cooling as pure cooling operation, natural cooling as cooling and heating operation, free cooling as pure cooling operation, free cooling as cooling and heating operation, active cooling as pure cooling operation, active cooling as cooling and heating operation.
  • Natural cooling involves transferring heat from the building and/or industrial process into the latent heat storage system.
  • the solidified storage medium of the latent heat storage system can be used for cooling.
  • Free cooling refers to the transfer of heat from the building and/or industrial process to the renewable energy source via a heat exchanger, such as an air cooler, dry cooler, or solar-air collector.
  • a heat exchanger such as an air cooler, dry cooler, or solar-air collector.
  • cold night air for example, can be used for cooling.
  • Active cooling means that the heat is extracted from the building and/or the industrial process using the primary side of the heat pump and transferred to a heat sink, for example an air register, a dry cooler, a solar-air collector or a storage medium of the latent heat storage system.
  • a heat sink for example an air register, a dry cooler, a solar-air collector or a storage medium of the latent heat storage system.
  • a primary inlet temperature and/or primary outlet temperature of the heat pump can be controlled by means of at least one source mixer, which mixes a heat transfer fluid from the renewable energy source and from the at least one latent heat storage device, in particular via a mixer position. This allows the most efficient operation of the heat pump and the entire energy supply system to be achieved.
  • a secondary inlet temperature and/or secondary outlet temperature of the heat pump can be controlled by means of at least one high-pressure mixer, which can be controlled in particular via a mixer position.
  • a minimum value for the secondary inlet temperature of the heat transfer fluid supplied to the heat pump on the secondary side and/or a target temperature for the secondary outlet temperature of the heat pump can be controlled via the mixer position. This allows the most efficient and gentle operation of the heat pump and the entire energy supply system to be achieved.
  • the at least one heat pump's high-pressure mixer can also be used to switch the heat pump's secondary side to a heat exchanger for heat dissipation during active cooling.
  • the waste heat can be fed from the renewable energy source, in particular an air register, via a residual heat pump and released into the environment.
  • Speed control of the residual heat pump can maintain the secondary inlet temperature and/or outlet temperature of the heat pump within an efficient and gentle temperature window.
  • a cooling flow temperature of a cooling water buffer tank or cooling circuit can be controlled by means of at least one cooling circuit controller, which is hydraulically connected to a first heat exchanger of the at least one latent heat accumulator, in particular via a flow control.
  • the cooling water buffer tank or cooling circuit can be operated in the most favorable state possible.
  • a cooling target temperature can be set by means of a cooling circuit pump connected to the cooling circuit controller, in particular via a speed control. This allows the cooling operation to be carried out as efficiently as possible.
  • the available power of the at least one renewable energy source can be regulated by means of a residual heat pump, which is hydraulically connected to the renewable energy source and the high-pressure mixer, in particular via a speed control.
  • the renewable energy source can also be efficiently used directly for the energy supply system.
  • an energy supply system for providing cooling power and/or heating power for at least one consumer comprising at least (i) a renewable energy source, (ii) a latent heat accumulator with a phase change material as the storage medium, which is hydraulically connected to the at least one renewable energy source, (iii) a heat pump, (iv) a hydraulic device, (v) a control and/or regulating device, which is connected at least to the hydraulic device for adjusting operating states of the hydraulic device.
  • the control and/or regulating device is designed to control and/or regulate at least one of the operating states of the hydraulic device depending at least on thermal loading limits of the latent heat accumulator.
  • the operating states comprise one or more of the following operating states: at least one preconditioning operation of the latent heat storage device, at least one cooling operation, at least one heating operation, at least one conditioning operation of the regenerative energy source.
  • the preconditioning operation of the at least one latent heat storage device comprises at least active precooling and/or passive precooling of the at least one latent heat storage device, regeneration of the at least one latent heat storage device.
  • conditioning mode defrosting of the regenerative energy source is achieved or icing of the regenerative energy source is prevented.
  • the control and/or regulating device is designed to set the thermal loading limits of the at least one latent heat storage device depending on a specific time interval.
  • the specific time interval is a season or a period within which certain consumer requirements exist, whereby dynamic loading and unloading limits are specified depending on the season or consumer requirements and can be used as setpoint values for the control and/or regulation of the energy supply system.
  • the heat pump can be coupled or couplable with its primary side to the renewable energy source and/or the latent heat storage and can be coupled or couplable with its secondary side to the renewable energy source and/or a heating water buffer storage.
  • the hydraulic device can have at least one source mixer for coupling the latent heat storage unit and the renewable energy source to the primary side of the heat pump.
  • the hydraulic device can have at least one high-pressure mixer for coupling the renewable energy source and/or the heating water buffer tank to the secondary side of the heat pump.
  • control and/or regulating device can be connected at least to the hydraulic device for adjusting operating states of the hydraulic device by means of the source mixer and the high-hold mixer.
  • the proposed energy supply system operates with at least one renewable energy source, such as a solar collector, air register, and the like, for a heat pump.
  • a latent heat storage device in the form of an ice storage system is used as a buffer for the renewable energy source.
  • the heat pump can optionally operate in conjunction with the renewable energy source, the latent heat storage device, in particular an ice storage system, or both.
  • control and/or regulation device can find and set an optimal thermal load of the latent heat storage device depending at least on the thermal load limits of the latent heat storage device for a specific time of year or at specific time intervals.
  • a high load with maximum efficiency can be achieved for heating operation of the heat pump, for example in winter or during a specific time interval in which heating is required, while ensuring efficient supply for year-round cooling operation.
  • a low thermal load with high icing for example in summer or during a specific time interval in which cooling is required, can be achieved for efficient natural cooling operation from the latent heat storage device.
  • the necessary discharge of the latent heat storage device for cooling operation occurs by using the energy in heating operation.
  • the desired degree of icing can advantageously be determined depending on the season or a specific time interval. This allows for automated adjustment to the needs of the energy supply system.
  • the optimal thermal loading for the season or a specific time interval is achieved through demand-oriented preconditioning for heating and/or cooling operation.
  • the heat pump's source energy is provided through various operating modes in such a way that the latent heat storage system is kept as close as possible to its optimum.
  • the thermal state of charge of the latent heat storage system can conveniently be continuously monitored for this purpose.
  • the method for operating the energy storage system can therefore be supplemented with a conventional method for detecting the state of charge of latent heat storage systems.
  • control and/or regulating device does not need to intervene in a separate heat pump control system that is usually present, allowing uninterrupted operation of the heat pump.
  • This allows different types of heat pumps to be used without the need to adapt the heat pump control system.
  • the control and/or regulating device receives a corresponding signal from the heat pump control system indicating a request for heating and/or cooling operation.
  • the primary-side circulation pump of the heat pump and/or the secondary-side circulation pump of the heat pump can be integrated into the heat pump.
  • the energy supply system can be used for pure heating or pure cooling operation, but is particularly advantageous for systems with parallel heating and cooling operation. It is particularly advantageous to enable both heating and cooling.
  • external incentives can be one or more incentives in the form of photovoltaic self-consumption by the heat pump, off-peak periods for heat pump operation, variable energy prices, energy markets, particularly control power, balancing group adjustment, or the like, utilization of an electrical distribution grid, weather forecasts and/or load forecasts, each of which identifies times of low or high consumption, favorable or unfavorable conditions for heat pump operation and/or for preconditioning the latent heat storage system, and peak loads in demand.
  • Optimised use of energy sources can also be achieved through combined and/or mixed operation.
  • dynamic loading and discharging limits can be specified depending on the season or consumer requirements and used as setpoints for controlling and/or regulating the energy supply system.
  • the latent heat storage system can be operated with a favorable, adjusted thermal load throughout the year, in contrast to the state of the art, where loading limits are defined only as constants.
  • a transition between the maximum and minimum thermal load limits can be achieved with a defined gradient.
  • Mixed operation of the various energy sources can also be advantageously implemented.
  • the defined curve and/or gradient can either be fixed or dynamically calculated.
  • control and/or regulating device can have a state machine for switching between different operating states.
  • the control and/or regulation device in particular the state machine, can advantageously switch between different operating states based on additional information.
  • the state machine can perform a number of auxiliary functions. For example, it can fulfill a safety function by checking whether a minimum load level has been undercut. Furthermore, it can perform a reinitialization in the event of a parameter change or a changed availability of an operating state or an external request.
  • the state machine can evaluate the status of the heat pump, for example, whether the heat pump is out of operation, whether heating or cooling is in operation, or whether parallel heating and cooling is in operation. Furthermore, the load level of the latent heat storage can be evaluated and whether regeneration, passive, or active pre-cooling is necessary.
  • a function block can be provided to ensure manual operation of the energy supply system.
  • the state machine can decide whether an operating state is available. This check can be performed for each operating state based on an externally defined enable and/or depending on internal safety conditions.
  • a controller's state such as whether it is active or passive, can be determined based on passive (standby) or active criteria.
  • passive standby
  • active no setpoints for actuators are calculated. Processing a request is not necessary or is not permitted due to current temperatures.
  • active state of the controller can activate the determination of its state.
  • the state machine's output can be the operating state of the hydraulic system and the state of the controller.
  • Actuator control can be implemented downstream.
  • input data of the control and/or regulating device in particular of the state machine, can comprise at least one of the following: sensor data, in particular processed sensor data, a calculation of a thermal loading level of the latent heat storage device, one or more protective functions, a release control of the operating states, and input data of at least one user interface.
  • Output data of the state machine can comprise at least one current phase of an operating state. Based on this information, the state machine can advantageously initiate a switch between different operating states.
  • the state machine can be configured to control at least one actuator, or an actuator matrix with at least one downstream controller for controlling at least one actuator.
  • the state machine can be configured to specify the setpoint of at least one controller via the actuator matrix.
  • a plurality of actuators of the energy supply system can be advantageously controlled via the outputs of the state machine as a result of the evaluation of the individual operating states and the loading level of the latent heat storage device in order to control and/or regulate the current operating state or to switch to another operating state.
  • the actuator matrix can define the setpoints of the actuators in the energy supply system, such as opening/closing valves, switching pumps on/off, and activating/deactivating a controller for the desired operating state.
  • the actuator matrix can be designed so that it can be individually adapted to a specific energy supply system, thus enabling a customized configuration of the energy supply system.
  • a feedback of setpoint values and/or actual values of the at least one actuator to the control and/or regulating device, in particular to the state machine, can be provided.
  • a cooling circuit controller can be hydraulically coupled or connectable to a first heat exchanger of the latent heat storage system and a cooling water buffer tank or a cooling circuit. This allows cooling operation to be carried out as efficiently as possible.
  • Figure 1 shows a hydraulic diagram of an energy supply system 100 for providing cooling power and/or heating power to a consumer 102 according to an embodiment of the invention.
  • the energy supply system 100 comprises a renewable energy source 110, a latent heat storage device 120 with a phase-change material as the storage medium, which is designed in particular as an ice storage device, and a heat pump 130, the primary side of which is coupled to the renewable energy source 110 and/or the latent heat storage device 120, and the secondary side of which is coupled to the renewable energy source 110 and/or a heating water buffer storage device 150.
  • the latent heat storage device 102 can also be composed of multiple latent heat storage devices.
  • the renewable energy source 110 can be composed of multiple energy sources.
  • the energy supply system 100 operates with at least one renewable energy source 110, such as a solar collector, air register, geothermal energy, waste heat, and the like, for a heat pump 130.
  • the latent heat storage 120 particularly in the form of an ice storage tank, is used as an energy buffer for the renewable energy source.
  • a different storage material with latent heat during a phase transition can be used instead of water, for example, paraffin.
  • the heat pump 130 can optionally work together with the renewable energy source 110, the ice storage 120 or both.
  • the energy supply system 100 can be used for pure heating operation at 240 or pure cooling operation at 220, but its advantages are particularly evident in systems with heating operation at 240 and cooling operation at 220. Heating and cooling can be operated particularly advantageously.
  • the latent heat storage unit 120 includes, for example, a first heat exchanger 122, which is hydraulically coupled to the renewable energy source 110, and a second heat exchanger 124, which is hydraulically coupled to the primary circuit of the heat pump 130.
  • the first heat exchanger 122 functions as a regeneration heat exchanger for regenerating the latent heat storage unit 120, while the second heat exchanger 124 serves as an extraction heat exchanger.
  • the energy supply system 100 further comprises a hydraulic device 190, which has at least one source mixer 170 for coupling the latent heat storage 120 to the primary side of the heat pump 130, a hold-up mixer 172 for coupling the regenerative energy source 110 and/or the heating water buffer storage 150 to the secondary side of the heat pump 130, and a cooling circuit controller 174 for coupling the first heat exchanger 122 to a cooling water buffer storage 160.
  • a hydraulic device 190 which has at least one source mixer 170 for coupling the latent heat storage 120 to the primary side of the heat pump 130, a hold-up mixer 172 for coupling the regenerative energy source 110 and/or the heating water buffer storage 150 to the secondary side of the heat pump 130, and a cooling circuit controller 174 for coupling the first heat exchanger 122 to a cooling water buffer storage 160.
  • a primary inlet temperature of the heat transfer fluid supplied to the heat pump 130 on the primary side can be regulated, in particular via a mixer position.
  • a secondary inlet temperature of the heat transfer fluid supplied to the secondary side of the heat pump 130 can be regulated, in particular via a mixer position.
  • the heat pump 130 has a primary-side pump 132 and a secondary-side pump 134, which are controlled by a heat pump control system (not specified in more detail) of the heat pump 130.
  • the primary-side pump 132 and/or the secondary-side pump 134 can be integrated into the heat pump 130.
  • a cooling flow temperature of a cooling water buffer storage device 160 can be controlled, in particular via a flow control.
  • an available power of the at least one regenerative energy source 110 can be regulated, in particular via a speed control.
  • a regeneration pump 178 is provided, which pumps a return flow from the first heat exchanger 122 toward the regenerative energy source 110. Furthermore, a cooling circuit pump 180 is arranged between the cooling circuit controller 174 and the cooling water buffer tank 160 in the inlet of the cooling water buffer tank 160, while a further charging pump 182 is arranged in the return flow of the cooling water buffer tank 160. By means of the cooling circuit pump 180, which is connected to the cooling circuit controller 174, a cooling target temperature can be set, in particular via a speed control.
  • a switching valve 184 is arranged in the outlet of the heating water buffer tank 150 and the cooling water buffer tank 160.
  • shut-off valves 186 are arranged in the hydraulic device 190, which are not described further.
  • the energy supply system 100 comprises a control and/or regulating device 140 which is connected at least to the hydraulic device 190 for setting operating states 200 of the hydraulic device 190 by means of the source mixer 170 and the high-hold mixer 172.
  • the control and/or regulating device 140 is designed to control and/or regulate an operating state 200 of at least one conditioning mode 210 of the regenerative energy source 110, a cooling mode 220, a preconditioning mode 230 of the latent heat storage device 120, or a heating mode 240 depending at least on thermal loading limits 402 of the latent heat storage device 120.
  • the control and/or regulating device 140 is designed to set the thermal loading limits 402 of the latent heat storage device 120 depending on a season t and for this purpose advantageously has a state machine 300 for switching between different operating states 200.
  • the control and/or regulation device 140 can determine a seasonally optimal loading of the latent heat storage device 120, depending at least on the thermal loading limits of the latent heat storage device 120, and set it in the latent heat storage device 120. This advantageously allows a high loading with maximum efficiency for heating operation of the heat pump 130 in winter, while still ensuring efficient supply for year-round cooling operation. Furthermore, a low loading with high icing in summer can be achieved for efficient natural cooling operation from the latent heat storage device 120. The necessary discharge of the latent heat storage device 120 for cooling operation 220 occurs by utilizing the energy in heating operation 240.
  • the desired degree of icing can advantageously be determined depending on the season t, as in Figure 3
  • An automated adjustment to the needs of the energy supply system 100 takes place.
  • the seasonally optimal loading is achieved through demand-oriented preconditioning for heating operation 240 and/or cooling operation 220, by providing the source energy of the heat pump 130 through various operating modes in such a way that the latent heat storage unit 120 is maintained at its optimum.
  • the loading state of the latent heat storage unit 120 can and should be continuously monitored for this purpose.
  • the operating method can therefore preferably be supplemented with a method for detecting the loading state of latent heat storage units.
  • the state machine 300 implemented in the control and/or regulating device 140 can advantageously switch between different operating states based on additional information. In doing so, the state machine 300 can perform a number of auxiliary functions. For example, it can fulfill a safety function by checking whether a minimum load level has been undershot. Furthermore, it can perform a reinitialization in the event of a parameter change or a changed availability of an operating state 200 or an external request.
  • the state machine 300 can evaluate the status of the heat pump 130, for example, whether the heat pump 130 is out of operation, whether a heating mode 240 or a cooling mode 220, or a parallel heating and cooling mode 242 is running. Furthermore, an evaluation of the loading level 400 of the latent heat storage unit 120 can be performed, and whether regeneration 233, passive or active pre-cooling 232, 231 is necessary. Furthermore, a function block can be provided to ensure manual operation of the energy supply system. The state machine 300 can decide whether an operating state 200 is available. This check can be performed for each operating state 200 based on an externally defined release and/or dependent on internal safety conditions.
  • a determination of a state of a controller 330 can be made according to passive (standby) or active criteria.
  • passive standby
  • active no calculation of setpoints for actuators takes place. In this case, processing a request is not necessary or not permitted due to current temperatures.
  • controller 330 is in an active state, a request is processed or setpoints for actuators 3 are actively calculated.
  • an active operating state 200 can activate the determination of its state.
  • An output of state machine 300 can be an operating state 200 and the state of controller 330, whether it is active or passive. Implementation of a control of actuators 3 can take place downstream or in state machine 300.
  • Actuators 3 can in particular be pumps 176, 178, 180, 182, valves 174, 184, 186, mixers 170, 172, 184 in the hydraulic device 190.
  • Input data of the state machine 300 can include at least sensor data 302, in particular processed sensor data, a calculation 304 of the loading level 400 of the latent heat storage device 120, one or more protective functions 306, a release control 308 of the operating states 200, and input data from at least one user interface 310.
  • Output data of the state machine 300 can include at least one current phase of an operating state 200.
  • the state machine 300 is for controlling an actuator control 340 or, alternatively, the direct control of at least one actuator 3 of the hydraulic device 190 (see Figure 9 ).
  • the entire actuator control 340 can also be covered by the state machine 300.
  • the actuator matrix 322, which at least belongs to the actuator control 340, can lead to the activation of at least one downstream controller 330 for controlling the at least one actuator 3, depending on the operating state 200.
  • the calculated controller setpoints are assigned to the hydraulic device 190.
  • a feedback of setpoint specifications and/or actual values of the at least one actuator 3 to the state machine 300 can be provided via a feedback loop 342.
  • Figure 2 shows a functional sequence of a control and/or regulating device 140 of the energy supply system 100 according to an embodiment of the invention.
  • the proposed method for operating the energy supply system 100 for supplying the consumer 102 provides that the control and/or regulating device 140 controls and/or regulates an operating state 200 of at least one conditioning mode 210 of the regenerative energy source 110, a cooling mode 220, a preconditioning mode 230 of the latent heat storage device 120, and a heating mode 240 depending at least on thermal loading limits 402 of the latent heat storage device 120.
  • an initialization 250 can first be performed according to the procedure shown.
  • safe operation can be set, for example, upon start-up or voltage recovery, for example, after a power failure, or an error has occurred in the energy supply system 100.
  • the heat pump 130 can be locked.
  • Processing of requests to the energy supply system 100 can then take place according to a priority of the operating states 200.
  • step S102 a check is made to determine whether a defrost request exists and whether the conditioning mode 210 of at least one regenerative energy source 110 is available. If this is the case, the conditioning mode 210, here, for example, defrost mode, can be set.
  • step S104 a check can be made in step S104 to determine whether a cooling request exists and whether cooling mode 220 is available. If this is the case, cooling mode 220 can be discontinued.
  • step S106 a check can be performed in step S106 to determine whether a thermal loading level 400 of the latent heat storage unit 120 is inadmissible for heating mode 240 or cooling mode 220 and whether the at least one heat pump 130 is out of operation. If this is the case, the preconditioning mode 230 of the latent heat storage unit 120 can be discontinued.
  • heating mode 240 can be set.
  • step S100 determines whether a new operating state has been found. If this is the case, the loop is run again with step S102. If this is not the case, the system switches to the initialization operating state 250.
  • FIG. 3 A diagram of thermal loading limits 402 of a latent heat storage device 120 over a seasonal course t is shown according to an embodiment of the invention.
  • the diagram represents a loading level 400 of the latent heat storage device 120 for favorable operation of the energy supply system 100 in percent (%) as a function of time t over one year.
  • the thermal loading limits 402 of the latent heat storage device 120 can be specified depending on a season t.
  • dynamic thermal loading limits 412 and discharge limits 414 can be specified depending on season t or on the requirements of the consumer and used as setpoint specifications for the control and/or regulation of the energy supply system 100.
  • the latent heat storage system 120 can be operated throughout the year with a favorable, adjusted thermal load, in contrast to the prior art, in which loading limits are defined as constants. Mixed operation of the various energy sources can also be advantageously implemented.
  • the transition between thermal loading limits, such as minimum and maximum loading limits, can be achieved using a defined curve. For example, a gradient can be specified and maintained when transitioning between different thermal loading limits.
  • FIG. 3 The thermal loading limits of a latent heat storage system are plotted over time t.
  • a one-year curve is shown as an example.
  • a heating period 420 lasts from January to the end of March.
  • a cooling period 430 lasts approximately from May to September.
  • the heating period 440 begins approximately in November and lasts until the end of the year.
  • the loading limits of the latent heat storage device 120 are a minimum thermal loading level 410 and a maximum thermal loading level 416.
  • the control and regulating device 140 secures the application range of the latent heat storage device 120 resulting from the minimum thermal loading level 410 and the maximum thermal loading level 416, in particular by means of at least one preconditioning operation 230.
  • a loading 450 takes place by regenerating the latent heat storage device 120 near the minimum loading level 410 and a discharging 460 takes place by precooling at the latest near the maximum loading level 416.
  • a dynamic thermal loading limit 412 and a dynamic thermal discharging limit 414 are further defined, for example.
  • the dynamic loading limit 412 and the dynamic discharge limit 414 are close to each other and close to the maximum loading level 416.
  • the high selected dynamic loading limit 412 ensures that the latent heat storage unit 120 is always loaded to the maximum in order to ensure that the heating load of the consumer 102 is covered.
  • the dynamic loading limit 412 and the dynamic discharge limit 414 run along a transition curve.
  • the transition curve between the heating period 420 and the cooling period 430 leads to extraction operation when heating is required.
  • the latent heat storage device 120 is discharged to restore the original loading state of the latent heat storage device 120.
  • the transition curve between the cooling period 430 and the heating period 440 leads to increased regeneration operation 233.
  • the maximum possible thermal loading level 410 is again achieved at the beginning of the heating period 440.
  • the dynamic loading limit 412 and the dynamic discharging limit 414 can be selected as favorable specifications for efficient operation of the energy supply system 100 by the control and/or regulating device 140.
  • Figure 4 shows an example of a possible thermal loading level 400 of the latent heat storage 120 in percent (%) and the resulting control of a heating operation 240 and/or a preconditioning operation 230 over time t corresponding to a specific time interval.
  • the diagram shows various hystereses: a start hysteresis 500 for active pre-cooling, a start hysteresis 502 for passive pre-cooling, a stop hysteresis 504 for extraction mode, a stop hysteresis 506 for regeneration, and a start hysteresis 508 for regeneration. Furthermore, the dynamic discharge limit 414 and the dynamic loading limit 412 are defined.
  • the current thermal loading level 400 starts at the level of the stop hysteresis 504 for extraction mode and increases.
  • extraction mode starts, during which heat is extracted from the latent heat storage device 120.
  • the thermal loading level 400 increases briefly and then continues to fall.
  • mixed operation starts, during which heat is extracted either from the at least one renewable energy source 110 or from the at least one latent heat storage device 120, thus ending extraction mode.
  • the thermal loading level 400 continues to fall.
  • regeneration of the at least one latent heat storage device 120 starts, thus ending heating mode.
  • the thermal loading level 400 falls briefly and then increases again.
  • mixed operation starts, thus ending regeneration.
  • the at least one latent heat storage device 120 can be described as sufficiently thermally charged with respect to the defined limits and hystereses.
  • the thermal loading factor 400 continues to rise. At point 518, the passive precooling of at least one latent heat storage device 120 begins. At point 520, the passive precooling ends and the active precooling begins. The thermal loading factor 400 rises briefly and then falls. At point 522, the active precooling ends. The thermal loading factor 400 continues to fall, only to rise again later. At point 524, the passive precooling starts again. The thermal loading factor 400 decreases again. At point 526, the passive precooling ends.
  • Heating operation 240 comprises three states: an extraction operation 241, in which heat is drawn from the at least one latent heat storage device 120 and supplied to the heat pump 130, a mixed operation 242, in which heat is optionally drawn from the at least one latent heat storage device 120 and/or the at least one renewable energy source 110 and supplied to the heat pump 130, and a direct operation 243, in which heat is drawn from the at least one renewable energy source 110 and supplied to the heat pump 130.
  • step S500 it is checked whether extraction operation 241 is possible. A change to mixed operation 242 from extraction operation 241 is then possible depending on the current thermal loading level 400. If mixed operation 242 or withdrawal operation 241 is no longer available during operation or upon initial request, it is possible to switch to direct operation 243.
  • the preconditioning operation 230 of the at least one latent heat accumulator 120 comprises at least one active precooling 231 of the latent heat accumulator 120, one passive precooling 232 of the at least one latent heat accumulator 120, and one regeneration 233 of the at least one latent heat accumulator 120.
  • the decision can be made between a precooling operation 231, 232 and a regeneration operation 233.
  • a decision can be made in step S600 between the active precooling 231 and the passive precooling 232.
  • the outputs of the individual operating states 231, 232 and 233 can be combined in steps S604 and S606, respectively, and in this way the preconditioning operation 230 of the latent heat accumulator 120 can be exited.
  • the conditioning mode 210 of the at least one renewable energy source 110 comprises defrosting by means of the heat pump 30 using the latent heat storage unit 120 as a source for the heat pump 130 or defrosting the at least one renewable energy source 110 by means of a heating water buffer tank 150.
  • step S700 a decision can be made as to which of the two defrost modes 211, 212 will be pursued first. Switching between the two defrost modes 211, 212 is possible if unavailable.
  • the cooling operation 220 comprises at least natural cooling as pure cooling operation 221, natural cooling as cooling and heating operation 222, free cooling as pure cooling operation 223, free cooling as cooling and heating operation 224, active cooling as pure cooling operation 225, and active cooling as cooling and heating operation 226.
  • step S800 a decision can be made as to whether active cooling 225, 226, natural cooling 221, 222, or free cooling 223, 234 should be pursued.
  • steps S802, S804, and S806, a decision is made as to which of the two states—natural cooling as pure cooling mode 221, or natural cooling as cooling and heating mode 222 (S802), or free cooling as pure cooling mode 223, or free cooling as cooling and heating mode 224 (S804), or as active cooling 225, or active cooling with parallel cooling and heating mode 226 (S806)—is to be pursued.
  • the outputs of the individual operating states 223, 224 and 221, 222 can be combined in steps S808 and S810 respectively and passed on accordingly.
  • Figure 9 shows a functional diagram of the control and/or regulating device 140 according to an embodiment of the invention.
  • the control and/or regulating device 140 has a state machine 300 which switches between different operating states 200 of the hydraulic device 190.
  • Input data of the state machine 300 include at least sensor data 302, in particular processed sensor data, a calculation 304 of the loading level 400 of the latent heat storage device 120, one or more protective functions 306, and a release control 308 of the operating states 200.
  • further parameters can be fed into the state machine 300 as input data of at least one user interface 310 as well as further requests or additional external data 312.
  • Output data of the state machine 300 comprise at least one current phase of an operating state 200.
  • the state machine 300 is designed to control at least one actuator control 340 or, alternatively, to directly control an actuator 3 of the hydraulic device 190, so that the entire actuator control 340 can also be covered by the state machine 300.
  • the calculated controller setpoints are assigned to the hydraulic device 190.
  • setpoint specifications and/or actual values of the at least one actuator 3 can be fed back to the state machine 300.

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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.
  • Die DE 10 2017 112 409 A1 offenbart ein Latentwärmespeichersystem umfassend wenigstens einen Latentwärmespeicher, wenigstens einen Entzugskreislauf, mit dem bestimmungsgemäß Wärme aus dem Speichermedium entziehbar ist und wenigstens einen Regenerationskreislauf, mit dem bestimmungsgemäß Wärme in das Speichermedium zuführbar ist. Der Latentwärmespeicher umfasst wenigstens einen in Kontakt mit dem Speichermedium stehenden Entzugswärmetauscher, der mit dem Entzugskreislauf verbindbar ist, und wenigstens eine Regenerationsanordnung innerhalb des Speichermediums, die mit dem Regenerationskreislauf verbindbar ist. Eine Kopplungsvorrichtung ist vorgesehen, mit der wenigstens zeitweise der Entzugswärmetauscher mit der Regenerationsanordnung zum gemeinsamen Wärmeentzug aus dem Speichermedium oder zur gemeinsamen Wärmezufuhr in das Speichermedium koppelbar ist
  • Die US 8,726,682 B1 offenbart ein Wärmepumpensystem, das in mehreren Heiz- und Kühlmodi betrieben werden kann und dabei die Eigenschaften sowohl von Erdwärmepumpen als auch von Luftwärmepumpen kombiniert. Darüber hinaus wird die Auswahl des Betriebsmodus automatisch gesteuert, um die Effizienz je nach Umgebungsbedingungen und Systemanforderungen zu optimieren. Zudem ist das Einbinden von Solarkollektoren möglich. Das System umfasst einen Wärme/Kälte-Speicher welcher Wasser oder Erde umfasst. Die Betriebsmodi werden in Abhängigkeit von Temperaturen eingestellt.
  • Die DE102011120743A1 betrifft eine Wärmeversorgung eines Gebäudes mittels eines Latentwärmespeichers und einer Wärmepumpe. Es sind drei Wärmekreisläufe vorhanden: ein Wärmekreislauf zwischen einem Luft/Fluid-Wärmetauscher und Latentwärmespeicher, ein Wärmekreislauf zwischen Luft/Fluid-Wärmetauscher und Wärmepumpe und ein Wärmekreislauf zwischen Latentwärmespeicher und Wärmepumpe. Der Latentwärmespeicher ist ein Zwischenspeicher, der von dem Luft/Fluid-Wärmetauscher aufgeladen wird. Die Wärmepumpe kann dem Latentwärmespeicher Wärme zum Heizen entziehen. Ventile und Pumpen bestimmten, wo ein Arbeitsfluid fließt. Die Betriebsmodi werden in Abhängigkeit von Außentemperaturen eingestellt.
  • Die DE102005013012A1 beschreibt ein kombiniertes Heiz/Kühl-System mit einem Latentwärmespeicher. Der Latentwärmespeicher nimmt die Abwärme einer Kälteanlage im Kühlbetrieb auf. Hierbei wird der Speichereffekt genutzt, der auf der Aufnahme bzw. Abgabe latenter Wärme während des Wechsels des Aggregatzustands im Phasenmaterial des Latentwärmespeichers beruht. Weiter wird der Vorteil genutzt, dass der Latentwärmespeicher während des gesamten Beladungsvorgangs annähernd bei konstanter Temperatur betrieben werden kann. Die vom Latentwärmespeicher während des Betriebs der Kälteanlage aufgenommene Wärme wird während der Nachtstunden über ein Rückkühlwerk an die Umgebung abgegeben. Es ist eine Abgabe der Wärme über Solarkollektoren möglich. Der Latentwärmespeicher kann während der Heizperiode auch zur Pufferung der solarthermisch erzeugten Heizwärme eingesetzt werden.
  • Die DE 27 44468 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen und gegebenenfalls Regeln des Ladungsgrades von Latentwärmespeichern.
    • 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 Steuer- und/oder Regelungseinrichtung, 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 die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung eingestellt werden.
  • Die Betriebszustände umfassen wenigstens einen oder mehrere der folgenden Betriebszustände, wie etwa einen Vorkonditionierungsbetrieb des Latentwärmespeichers, einen Kühlbetrieb, einen Heizbetrieb, einen Konditionierungsbetrieb der regenerativen Energiequelle.
  • Der Vorkonditionierungsbetrieb des wenigstens einen Latentwärmespeichers umfasst wenigstens aktives Vorkühlen und/oder passives Vorkühlen des wenigstens einen Latentwärmespeichers, Regenerieren des wenigstens einen Latentwärmespeichers.
  • Im Konditionierungsbetrieb wird ein Abtauen der regenerativen Energiequelle erreicht oder ein Vereisen der regenerativen Energiequelle verhindert.
  • Dabei steuert und/oder regelt die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung wenigstens einen der Betriebszustände abhängig zumindest von thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers.
  • Die thermischen Beladungsgrenzen des Latentwärmespeichers werden abhängig von wenigstens einem spezifischen Zeitintervall vorgegeben. 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 ist eine Jahreszeit oder ein Zeitraum ist, innerhalb dessen bestimmte Anforderungen des Verbrauchers vorliegen, wobei 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.
  • 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 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 der wenigstens 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.
  • Die Betriebszustände umfassen einen oder mehrere der folgenden Betriebszustände: wenigstens einen Vorkonditionierbetrieb des Latentwärmespeichers, wenigstens einen Kühlbetrieb, wenigstens einen Heizbetrieb, wenigstens einen Konditionierungsbetrieb der regenerativen Energiequelle.
  • Der Vorkonditionierungsbetrieb des wenigstens einen Latentwärmespeichers umfasst wenigstens aktives Vorkühlen und/oder passives Vorkühlen des wenigstens einen Latentwärmespeichers, Regenerieren des wenigstens einen Latentwärmespeichers.
  • Im Konditionierungsbetrieb wird ein Abtauen der regenerativen Energiequelle erreicht oder ein Vereisen der regenerativen Energiequelle verhindert.
  • Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ist ausgebildet, die thermischen Beladungsgrenzen des wenigstens einen Latentwärmespeichers abhängig von einem spezifischen Zeitintervall einzustellen.
  • Das spezifische Zeitintervall ist eine Jahreszeit oder ein Zeitraum, innerhalb dessen bestimmte Anforderungen des Verbrauchers vorliegen, wobei dynamische Beladungsgrenzen und Entladungsgrenzen abhängig von Jahreszeiten bzw. von Anforderungen des Verbrauchers vorgegeben und für die Steuerung und/oder Regelung des Energieversorgungssystems als Sollwertvorgaben nutzbar sind.
  • 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 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 Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140)
    - 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 die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung (140) eingestellt werden, wobei einer oder mehrere der folgenden Betriebszustände (200) umfasst werden:
    a) Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120), wobei der Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) wenigstens umfasst
    - aktives Vorkühlen (231) und/oder passives Vorkühlen (232) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    - Regenerieren (233) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120);
    b) Kühlbetrieb (220),
    c) Heizbetrieb (240),
    d) Konditionierungsbetrieb (210) der regenerativen Energiequelle (110), wobei im Konditionierungsbetrieb ein Abtauen der regenerativen Energiequelle erreicht oder ein Vereisen der regenerativen Energiequelle verhindert wird, 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, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen
    Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) abhängig von wenigstens einem spezifischen Zeitintervall (t) vorgegeben werden,
    wobei ein spezifisches Zeitintervall (t) eine Jahreszeit oder ein Zeitraum ist, innerhalb dessen bestimmte Anforderungen des Verbrauchers vorliegen, und
    wobei dynamische Beladungsgrenzen (402) und Entladungsgrenzen abhängig von Jahreszeiten bzw. von Anforderungen des Verbrauchers vorgegeben und für die Steuerung und/oder Regelung des Energieversorgungssystems als Sollwertvorgaben genutzt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, 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 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:
    a) Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120), wobei der Vorkonditionierungsbetrieb (230) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) wenigstens umfasst
    - aktives Vorkühlen (231) und/oder passives Vorkühlen (232) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    - Regenerieren (233) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120),
    b) Kühlbetrieb (220),
    c) Heizbetrieb (240),
    d) Konditionierungsbetrieb (210) der regenerativen Energiequelle (110), wobei im Konditionierungsbetrieb ein Abtauen der regenerativen Energiequelle erreicht oder ein Vereisen der regenerativen Energiequelle verhindert oder erschwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder
    Regelungseinrichtung (140) ausgebildet ist, die thermischen Beladungsgrenzen (402) des wenigstens einen Latentwärmespeichers (120) abhängig von einem spezifischen Zeitintervall (t) einzustellen,
    wobei das spezifische Zeitintervall (t) eine Jahreszeit oder ein Zeitraum ist, innerhalb dessen bestimmte Anforderungen des Verbrauchers vorliegen,
    wobei dynamische Beladungsgrenzen (402) und Entladungsgrenzen abhängig von Jahreszeiten bzw. von Anforderungen des Verbrauchers vorgegeben und für die Steuerung und/oder Regelung des Energieversorgungssystems als Sollwertvorgaben nutzbar sind.
  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 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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