EP4187163A1 - Verfahren zum betrieb einer wärmevorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Wärmevorrichtung (10) mit einem ersten Wärmeerzeuger (12), zur Erzeugung einer Wärme, mit einer Wärmepumpe (14), zur Erzeugung einer Wärme, und mit einem Wärmespeicher (16), der wahlweise von dem ersten Wärmeerzeuger (12) und/oder der Wärmepumpe (14) beladen werden kann.Es wird vorgeschlagen, dass zur Steuerung der Wärmepumpe (14) ein Betriebsstrategiealgorithmus ausgeführt wird, der eine Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe (14) und/oder eine Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe (14) jeweils anhand zumindest eines aktuellen Betriebsparameters der Wärmevorrichtung (10) ermittelt.

Description

Stand der Technik
• Es ist bereits ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmevorrichtung mit einem ersten Wärmeerzeuger, zur Erzeugung einer Wärme, mit einer Wärmepumpe, zur Erzeugung einer Wärme, und mit einem Wärmespeicher, der wahlweise von dem ersten Wärmeerzeuger und/oder der Wärmepumpe beladen werden kann, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Wärmevorrichtung mit einem ersten Wärmeerzeuger, zur Erzeugung einer Wärme, mit einer Wärmepumpe, zur Erzeugung einer Wärme, und mit einem Wärmespeicher, der wahlweise von dem ersten Wärmeerzeuger und/oder der Wärmepumpe beladen werden kann.
• Es wird vorgeschlagen, dass zur Steuerung der Wärmepumpe ein Betriebsstrategiealgorithmus ausgeführt wird, der eine Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe und/oder eine Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe jeweils anhand zumindest eines aktuellen Betriebsparameters der Wärmevorrichtung ermittelt. Unter einer "Wärmevorrichtung" soll vorzugsweise eine Vorrichtung zum Temperieren, insbesondere zum Heizen eines Bereichs, wie insbesondere einer Wohnung oder eines Gebäudes, und/oder zur Bereitstellung eines Warmwassers, verstanden werden. Ein in dem Wärmespeicher angeordnetes Nutzwasser kann mittels dem ersten Wärmeerzeuger und/oder der Wärmepumpe erhitzt werden. Die Wärmevorrichtung ist ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, einer Heizungsanlage, insbesondere eines bivalenten Wärmepumpensystems. Ein Einsatz der Heizungsvorrichtung ist dabei nicht nur im privathäuslichen Bereich, sondern auch im Industriebereich oder gewerblichen Bereich denkbar. Unter einem "ersten Wärmeerzeuger" soll vorzugsweise ein verbrennungsbehafteter Wärmeerzeuger verstanden werden, der durch Verbrennung eines Brennstoffs eine thermische Energie erzeugt. Der erste Wärmeerzeuger kann als ein Öl-Kessel, als ein Öl-Brennwertkessel, als eine Gasbrennereinheit, als eine Gasbrennwerteinheit, als eine Elektroheizung, als ein Elektroheizstab und/oder als eine Pelletheizung ausgebildet sein. Unter einer "Wärmepumpe" soll vorzugsweise eine drehzahlregelbare, elektrische Wärmepumpe verstanden werden, die einen drehzahlregelbaren Verdichter aufweist. Die Wärmepumpe ist zu einer Förderung einer Wärme von einem Wärmereservoir, insbesondere einer Umgebung der Wärmepumpe, wie beispielsweise der Atmosphäre, einem Gewässer und/oder dem Erdreich, aus, in einen Wärmekreislauf vorgesehen. Die Wärmepumpe ist insbesondere dazu vorgesehen, dem Wärmereservoir eine Wärme zu entziehen und diese auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben, um sie dann in einen Wärmekreislauf der Wärmevorrichtung einzuspeisen. Unter einem "Wärmespeicher" soll vorzugsweise ein Wasserspeicher, insbesondere ein Wassertank verstanden werden, in dem ein Nutzwasser gespeichert ist, das von einem Wärmeerzeuger, wie insbesondere dem ersten Wärmeerzeuger oder der Wärmepumpe, erhitzt wird. Unter "beladen" soll vorzugsweise ein Erhitzen eines Wärmespeichers mittels einer von einem Wärmeerzeuger, wie insbesondere von dem ersten Wärmeerzeuger oder von der Wärmepumpe, bereitgestellten thermischen Energie verstanden werden. Vorzugsweise wird der Wärmespeicher durch ein von einem Wärmeerzeuger, wie insbesondere von dem ersten Wärmeerzeuger oder von der Wärmepumpe, erhitzten Wärmeträgermedium erhitzt. Beim Beladen wird ein erhitztes Wärmeträgermedium, vorzugsweise indirekt, durch den Wärmespeicher geführt, um diesen, bzw. das in dem Wärmespeicher gespeicherte Brauchwarmwasser, zu erhitzen. Das Wärmeübertragermedium wird zur Abgabe seiner thermischen Energie an das Nutzwasser durch einen in dem Wärmespeicher angeordneten Wärmeübertrager geleitet. Unter einem "Betriebsstrategiealgorithmus" soll vorzugsweise ein Algorithmus verstanden werden, anhand dessen eine Betriebsstrategie, vorzugsweise eine optimale Betriebsstrategie für die Wärmevorrichtung, insbesondere für die Wärmepumpe ermittelt wird. Der Algorithmus ist vorzugsweise ein auf einer Steuereinheit der Wärmevorrichtung hinterlegter Rechenvorgang. Der Algorithmus wird vorzugsweise während des Betriebs der Wärmevorrichtung durchgehend ausgeführt. Die Wärmevorrichtung umfasst zu einer Steuerung eines Betriebs vorzugsweise eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu vorgesehen, steuerbare Komponenten der Wärmevorrichtung, wie zumindest den ersten Wärmeerzeuger und die Wärmepumpe zu steuern und so insbesondere eine Heizleistung der Wärmevorrichtung zu regeln. Auf der Steuereinheit ist vorzugsweise ein Betriebsprogramm hinterlegt, das zur Steuerung der Wärmevorrichtung vorgesehen ist und das entsprechende Steuerungsbefehle an Komponenten der Wärmevorrichtung, wie unter anderem an den ersten Wärmeerzeuger und die Wärmepumpe abgibt. Der Betriebsstrategiealgorithmus ist auf der Steuereinheit hinterlegt und wird auf dieser ausgeführt, insbesondere um Steuerungsparameter für die Wärmepumpe anzupassen. Unter einer "Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe" soll vorzugsweise ein Wert für die Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} in einem Beladebereich der Wärmepumpe verstanden werden, bei dessen Erreichen, insbesondere bei dessen Überschreiten die Wärmepumpe abgeschaltet wird. Erreicht der Wert für die Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} in einem Beladebereich der Wärmepumpe die Ausschalttemperatur T_Aus oder überschreitet diese wird die Wärmepumpe ausgeschaltet. Unter einer "Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe" soll vorzugsweise ein Wert für die Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} in einem Beladebereich der Wärmepumpe verstanden werden, bei dessen Erreichen, insbesondere bei dessen Unterschreiten die Wärmepumpe eingeschaltet wird. Erreicht der Wert für die Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} in einem Beladebereich der Wärmepumpe die Einschalttemperatur T_Ein oder unterschreitet diese wird die Wärmepumpe eingeschaltet. Unter einem "aktuellen Betriebsparameter der Wärmevorrichtung" soll vorzugsweise ein Betriebsparameter verstanden werden, der während eines Betriebs veränderlich ist und während des Betriebs einen Einfluss auf eine Effizienz und/oder Kosten und/oder die CO² Emissionen der Wärmevorrichtung, insbesondere des ersten Wärmeerzeugers und/oder der Wärmevorrichtung hat. Ein aktueller Betriebsparameter der sich auf die Betriebskosten auswirkt, kann als Kosten für einen Brennstoff, also ein Gaspreis, ein Benzinpreis oder ein Strompreis ausgebildet sein. Ein aktueller Betriebsparameter, der sich auf die CO² Emissionen des Betriebs auswirkt, kann als spezifische Emissionen für einen Brennstoff, beispielsweise für Strom, ausgebildet sein.
• Ein aktueller Betriebsparameter für die Wärmepumpe kann beispielsweise als eine Vorlauftemperatur der Wärmepumpe oder als eine Quellentemperatur der Wärmepumpe ausgebildet sein. Ist die Wärmepumpe als Luft-Wasser-Wärmepumpe ausgebildet ist die Quellentemperatur die Temperatur einer Umgebungsluft. Weitere Betriebsparameter können Parameter sein, die einen Einfluss auf eine Umwandlungseffizienz der Wärmepumpe, bzw. des ersten Wärmeerzeugers haben.
• Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb der Wärmevorrichtung kann besonders vorteilhaft eine Verwendung der Wärmepumpe zur Bereitstellung einer thermischen Energie in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern eingestellt werden, die sich auf eine Effizienz der Wärmepumpe und/oder auf Betriebskosten der Wärmepumpe und der/oder des ersten Wärmeerzeugers auswirken. Dadurch kann eine Zuschaltung und Abschaltung der Wärmepumpe besonders vorteilhaft in Abhängigkeit von Betriebsparametern, die äußere Einflüsse darstellen, erfolgen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Betriebsstrategie der Wärmevorrichtung besonders vorteilhaft während eines laufenden Betriebs auf äußere Einflüsse angepasst werden und dadurch eine Optimierung der Betriebsstrategie der Wärmevorrichtung vorgenommen werden. Dadurch kann die Wärmevorrichtung besonders vorteilhaft, insbesondere besonders ökonomisch oder ökologisch betrieben werden.
• Weiter wird vorgeschlagen, dass der Betriebsstrategiealgorithmus eine Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe und/oder eine Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe während eines Betriebs der Wärmevorrichtung stetig neu berechnet. Darunter, dass der Betriebsstrategiealgorithmus die Ausschalttemperatur T_Aus und/oder die Einschalttemperatur T_Ein "stetig neu berechnet" soll vorzugsweise verstanden werden, dass der Betriebsstrategiealgorithmus während des gesamten Betriebs der Wärmepumpe immer eine aktuelle Ausschalttemperatur T_Aus und/oder die Einschalttemperatur T_Ein berechnet. Dabei ist es denkbar, dass der Betriebsstrategiealgorithmus in definierten Zeitintervallen jeweils die eine aktuelle Ausschalttemperatur T_Aus und/oder die Einschalttemperatur T_Ein berechnet, wobei die Zeitintervalle sehr klein, insbesondere unter einer Sekunde sein können. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Betriebsstrategiealgorithmus jeweils eine aktuelle Ausschalttemperatur T_Aus und/oder eine aktuelle Einschalttemperatur T_Ein berechnet, wenn sich ein zur Ermittlung verwendeter Betriebsparameter verändert. Dadurch kann die Wärmevorrichtung während eines Betriebs immer an die Betriebsparameter angepasst und damit besonders ökonomisch betrieben werden.
• Ferner wird vorgeschlagen, dass der Betriebsstrategiealgorithmus die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe anhand eines ersten Betriebsparameters, der als eine Zuführwassertemperatur T_TWK eines dem Wärmespeicher zugeführten Kaltwassers ausgebildet ist, ermittelt. Unter einer "Zuführwassertemperatur T_TWK" soll vorzugsweise eine Temperatur des in den Wärmespeicher zugeführten Kaltwassers verstanden werden. Die Zuführwassertemperatur T_TWK wird vorzugsweise von einem in einer Zuführleitung des Nutzwassers angeordneten Sensor gemessen und in dem Betriebsstrategiealgorithmus durch die Steuereinheit verarbeitet. Dadurch kann die Wärmepumpe vorteilhaft zu einem Zeitpunkt wieder zugeschaltet werden, zu dem die Wärmepumpe besonders effektiv betrieben werden kann.
• Zudem wird vorgeschlagen, dass der Betriebsstrategiealgorithmus die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe durch eine Addition einer Sicherheitstemperatur ΔT_Sicherheit von der ermittelten Zuführwassertemperatur T_TWK, berechnet. Unter einer "Sicherheitstemperatur ΔT_Sicherheit " soll vorzugsweise ein Korrekturfaktor für die gemessene Zuführwassertemperatur T_TWK verstanden werden, durch den Messungenauigkeiten ausgeglichen werden sollen. Dadurch kann in die Berechnung der Einschalttemperatur T_Ein besonders vorteilhaft eine Sicherheit integriert werden.
• Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Betriebsstrategiealgorithmus zur Ermittlung der Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe zumindest ein Kostenverhältnis der Betriebskosten zur Bereitstellung einer definierten thermischen Energie des ersten Wärmeerzeugers und der Wärmepumpe verarbeitet. Unter "Betriebskosten zur Bereitstellung einer definierten thermischen Energie" sollen vorzugsweise die Kosten verstanden werden, die der erste Wärmeerzeuger, bzw. die Wärmepumpe bei einem Betrieb zur Bereitstellung einer definierten thermischen Energie erzeugt. Die Betriebskosten des ersten Wärmeerzeugers setzen sich im Wesentlichen aus den Kosten für einen Brennstoff zusammen, der zur Erzeugung der definierten thermischen Energie verbrannt wird. Die Betriebskosten der Wärmepumpe setzen sich im Wesentlichen aus den Stromkosten für den Strom zusammen, der zum Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird, um eine entsprechende definierte thermische Energie bereitzustellen. Dadurch kann die Ausschalttemperatur T_Aus besonders einfach ermittelt werden.
• Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Betriebsstrategiealgorithmus zur Berechnung des Kostenverhältnisses zumindest einen Umwandlungswirkungsgrad COP_WP der Wärmepumpe, eine Verbrauchseigenschaft x_WP der Wärmepumpe, einen Umwandlungswirkungsgrad η _WE1 des ersten Wärmeerzeugers und eine Verbrauchseigenschaft x _WE1 des ersten Wärmeerzeugers auswertet. Unter einer "Verbrauchseigenschaft x_WP der Wärmepumpe" soll vorzugsweise ein Wert für die Kosten zum Betrieb der Wärmepumpe verstanden werden, die zur Erzeugung einer definierten thermischen Energie anfallen. Unter einer "Verbrauchseigenschaft x _WE1 des ersten Wärmeerzeugers" soll vorzugsweise ein Wert für die Kosten zum Betrieb des ersten Wärmeerzeugers verstanden werden, die zur Erzeugung einer definierten thermischen Energie anfallen. Dadurch kann das Kostenverhältnis des ersten Wärmerzeugers und der Wärmepumpe für einen bestimmten Betriebspunkt besonders einfach ermittelt werden, um zu berechnen, ob der erste Wärmeerzeuger oder die Wärmepumpe in diesem Betriebspunkt günstiger ist.
• Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Betriebsstrategiealgorithmus zur Berechnung der Ausschalttemperatur T_Aus eine Grenztemperatur T_VL,Grenz für eine Vorlauftemperatur der Wärmepumpe ermittelt, bei der die Betriebskosten zur Erzeugung einer definierten thermischen Energie für die Wärmepumpe und für den ersten Wärmeerzeuger gleich sind. Unter einer "Grenztemperatur T_VL,Grenz " soll vorzugsweise eine Temperatur eines Wärmeübertragmediums in einem Vorlauf der Wärmepumpe verstanden werden, deren Erzeugung gleiche Kosten verursacht wie eine Erzeugung einer gleichen Temperatur des Wärmeübertragmediums in einem Vorlauf des ersten Wärmeerzeugers. Dadurch kann die Ausschalttemperatur T_Aus besonders vorteilhaft ermittelt werden.
• Außerdem wird vorgeschlagen, dass der Betriebsstrategiealgorithmus die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe durch eine Subtraktion einer Übertemperatur ΔT_Beladung des Wärmepumpenbeladevorgangs von der ermittelten Grenztemperatur T_VL,Grenz für die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe berechnet. Unter einer "Übertemperatur ΔT_Beladung des Wärmepumpenbeladevorgangs" soll vorzugsweise ein Korrekturfaktor für die Temperaturdifferenz zwischen einer Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} und einer Vorlauftemperatur T_VL in dem Vorlauf der Wärmepumpe verstanden werden, der nötig ist, damit das durch die Wärmepumpe erhitzte Wärmetransportmedium das Nutzwasser in dem Wärmespeicher erhitzen kann. Dadurch kann die Ausschalttemperatur T_Aus besonders vorteilhaft ermittelt werden.
• Weiter wird eine Wärmevorrichtung mit einem ersten Wärmeerzeuger, zur Erzeugung einer Wärme, mit einer Wärmepumpe, zur Erzeugung einer Wärme, mit einem Wärmespeicher zur Speicherung einer erzeugten Wärme, und mit einer Steuereinheit zur Steuerung der Wärmevorrichtung, die dazu vorgesehen ist, die Wärmevorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben, vorgeschlagen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Wärmevorrichtung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Wärmevorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, 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:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmevorrichtung mit einem ersten Wärmeerzeuger und einer Wärmepumpe mit einer Steuereinheit zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmevorrichtung 10. Die Wärmevorrichtung 10 ist als eine bivalente Wärmevorrichtung ausgebildet. Die Wärmevorrichtung 10 umfasst einen ersten Wärmeerzeuger 12, der zur Erzeugung einer Wärme vorgesehen ist. Der erste Wärmeerzeuger 12 ist als ein Bereitschaftswärmeerzeuger ausgebildet. Der erste Wärmeerzeuger 12 ist als ein verbrennungsbehafteter Wärmeerzeuger 12 ausgebildet. Der erste Wärmeerzeuger 12 ist beispielhaft als ein Gasbrenner ausgebildet. Die Wärmevorrichtung 10 weist eine Wärmepumpe 14 zur Erzeugung einer Wärme auf. Die Wärmepumpe 14 ist als eine drehzahlregelbare Wärmepumpe ausgebildet. Die Wärmepumpe 14 soll hier im Detail nicht näher beschrieben werden. Bei der Wärmepumpe 14 handelt es sich um eine aus dem Stand der Technik bekannte drehzahlregelbare Wärmepumpe. Vorzugsweise umfasst die Wärmepumpe 14 zumindest einen drehzahlregelbaren Verdichter, zumindest eine Drossel und zumindest einen Kondensator.
• Die Wärmevorrichtung 10 umfasst einen Wärmespeicher 16. Vorzugsweise ist der Wärmespeicher 16 als Warmwasserspeicher ausgebildet. Der Wärmespeicher 16 ist über den ersten Wärmeerzeuger 12 und die drehzahlregelbare Wärmepumpe 14 beladbar. Ein in dem Wärmespeicher 16 angeordnetes Nutzwasser ist über den ersten Wärmeerzeuger 12 und die drehzahlregelbare Wärmepumpe 14 erhitzbar.
• Die Wärmevorrichtung 10 weist einen ersten Wärmekreislauf 18 auf, in dem der erste Wärmeerzeuger 12 angeordnet ist. Der erste Wärmekreislauf 18 ist zur Übertragung einer bereitgestellten thermischen Energie des ersten Wärmeerzeugers 12 an den Wärmespeicher 16 vorgesehen. In dem ersten Wärmekreislauf 18 strömt zur Übertragung einer thermischen Energie ein Wärmeüberträgermedium. Der erste Wärmekreislauf 18 weist eine Zuführleitung 20 auf, über die ein von dem ersten Wärmeerzeuger 12 erhitztes Wärmeträgermedium dem Wärmespeicher 16 zugeführt wird. Die Zuführleitung 20 bildet einen Zulauf des ersten Wärmeerzeugers 12 aus. Der erste Wärmekreislauf 18 weist einen Wärmeübertrager 22 auf. Der Wärmeübertrager 22 ist in einem ersten Beladebereich 24 in dem Wärmespeicher 16 angeordnet. Der Wärmeübertrager 22 ist fluidtechnisch der Zuführleitung 20 nachgeschaltet. Durch die Zuführleitung 20 kann ein von dem ersten Wärmeerzeuger 12 erhitztes Wärmeträgermedium in den Wärmeübertrager 22 strömen. Über den Wärmeübertrager 22 kann ein von dem ersten Wärmerzeuger 12 erhitztes Wärmeträgermedium seine thermische Energie an das in dem Wärmespeicher 16 gespeicherte Nutzwasser abgeben und dieses dadurch erhitzen. Der erste Wärmekreislauf 18 weist eine Rückführleitung 26 auf, über die das Wärmemedium von dem Wärmeübertrager 22 zurück zu dem ersten Wärmeerzeuger 12 geführt werden kann. Die Rückführleitung 26 bildet einen Rücklauf des ersten Wärmeerzeugers 12 aus.
• Die Wärmevorrichtung 10 weist einen zweiten Wärmekreislauf 28 auf, in dem die Wärmepumpe 14 angeordnet ist. Der zweite Wärmekreislauf 28 ist zur Übertragung einer bereitgestellten thermischen Energie der Wärmepumpe 14 an den Wärmespeicher 16 vorgesehen. In dem zweiten Wärmekreislauf 28 strömt zur Übertragung einer thermischen Energie ein Wärmeüberträgermedium. Der zweite Wärmekreislauf 28 weist eine Zuführleitung 30 auf, über die ein von der Wärmepumpe 14 erhitztes Wärmeträgermedium dem Wärmespeicher 16 zugeführt wird. Die Zuführleitung 30 bildet einen Zulauf der Wärmepumpe 14 aus. Der zweite Wärmekreislauf 28 weist einen Wärmeübertrager 32 auf. Der Wärmeübertrager 32 ist in einem zweiten Beladebereich 34 in dem Wärmespeicher 16 angeordnet. Der zweite Beladebereich 34 ist in dem Wärmespeicher 16 strömungstechnisch vor dem ersten Beladebereich 24 angeordnet. Der Wärmeübertrager 32 ist fluidtechnisch der Zuführleitung 30 nachgeschaltet. Durch die Zuführleitung 30 kann ein von der Wärmepumpe 14 erhitztes Wärmeträgermedium in den Wärmeübertrager 32 strömen. Über den Wärmeübertrager 32 kann ein von der Wärmepumpe 14 erhitztes Wärmeträgermedium seine thermische Energie an das in dem Wärmespeicher 16 gespeicherte Nutzwasser abgeben und dieses dadurch erhitzen. Der zweite Wärmekreislauf 28 weist eine Rückführleitung 36 auf, über die das Wärmemedium von dem Wärmeübertrager 32 zurück zu der Wärmepumpe 14 geführt werden kann. Die Rückführleitung 36 bildet einen Rücklauf der Wärmepumpe 14 aus.
• Der Wärmespeicher 16 weist eine Zuführleitung 38 auf. Über die Zuführleitung 38 kann dem Wärmespeicher 16 ein Kaltwasser zugeführt werden. Das Kaltwasser ist insbesondere frisches, kaltes Nutzwasser, das zur Erhitzung in den Wärmespeicher gespeist wird. Die Zuführleitung 38 ist in einem unteren Bereich des Wärmespeichers 16 angeordnet. Der Wärmespeicher 16 weist eine Abführleitung 40 auf. Über die Abführleitung 40 kann ein in dem Wärmespeicher 16 erhitztes Nutzwasser aus dem Wärmespeicher 16 abgeleitet werden. Über die Abführleitung 40 kann das erhitzte Nutzwasser insbesondere einer Nutzung in einer Heizung oder für eine Warmwasserversorgung zugeführt werden. Die Abführleitung 40 ist in einem oberen Bereich des Wärmespeichers 16 angeordnet.
• Die Wärmevorrichtung 10 umfasst eine Steuereinheit 42. Die Steuereinheit 42 ist zur Steuerung der Wärmevorrichtung 10, insbesondere zur Steuerung des ersten Wärmeerzeugers 12 und zur Steuerung der Wärmepumpe 14 sowie von weiteren Komponenten wie z.B. Umwälzpumpen vorgesehen. Die Steuereinheit 42 ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der Wärmevorrichtung 10 vorgesehen. Die Steuereinheit 42 der Wärmevorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, eine Beladung des als Warmwasserspeicher ausgebildeten Wärmespeichers 16 mittels des ersten Wärmeerzeugers 12 und der drehzahlregelbaren Wärmepumpe 14 zu regeln.
• Zur Überwachung von Temperaturen des Nutzwassers in dem Wärmespeicher weist die Wärmevorrichtung 10 eine Sensorvorrichtung 44 auf. Die Sensorvorrichtung 44 umfasst einen ersten Temperatursensor 46, der dazu vorgesehen ist, eine Zuführwassertemperatur T_TWK des durch die Zuführleitung 38 in den Wärmespeicher zugeführten Nutzwassers zu erfassen. Der erste Temperatursensor 46 ist in der Zuführleitung 38 des Wärmespeichers 16 angeordnet. Der erste Temperatursensor 46 ist als ein Zuführwassertemperatursensor ausgebildet. Die Sensorvorrichtung 44 umfasst einen zweiten Temperatursensor 48, der dazu vorgesehen ist, eine Abführwassertemperatur T_TWW des durch die Abführleitung 40 aus dem Wärmespeicher 16 ausgeleiteten, erhitzten Nutzwassers zu erfassen. Der zweite Temperatursensor 48 ist in einem Bereich der Abführleitung 40 in dem Wärmespeicher angeordnet. Der zweite Temperatursensor 48 ist als ein Abführwassertemperatursensor ausgebildet. Die Sensorvorrichtung 44 umfasst einen dritten Temperatursensor 50, der dazu vorgesehen ist, eine Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} des Nutzwassers in dem Beladebereich 34 des zweiten Wärmekreislaufs 28 der Wärmepumpe 14 zu ermitteln. Der dritte Temperatursensor 50 ist dazu vorgesehen, eine Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} des von der Wärmepumpe 14 zu erhitzenden Nutzwassers in dem Beladebereich 34 des Wärmespeichers 16 zu ermitteln. Der dritte Temperatursensor 50 ist in dem Beladebereich 34 des zweiten Wärmekreislaufs 28, der von der Wärmepumpe 14 erwärmt wird, angeordnet. Der dritte Temperatursensor 50 ist als ein Beladungstemperatursensor der Wärmepumpe 14 ausgebildet. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Sensorvorrichtung 44 weitere, hier nicht näher dargestellte Temperatursensoren aufweist. Grundsätzlich ist es ebenso denkbar, dass die Sensorvorrichtung weitere Sensoren aufweist, die weitere Messwerte zur Steuerung der Wärmevorrichtung 10 aufnehmen. Die Sensorvorrichtung 44 ist mit der Steuereinheit 42 verbunden. Die Steuereinheit 42 ist zur Steuerung der Wärmevorrichtung 10 dazu vorgesehen, die von den Temperatursensoren 46, 48, 50 bereitgestellte Messwerte für die Temperaturen auszuwerten und zu verarbeiten.
• Die Steuereinheit 42 ist dazu vorgesehen, die Wärmevorrichtung 10 zu betreiben. Während eines Betriebs kann die Wärmevorrichtung 10 unterschiedlich betrieben werden. In einem ersten Betriebsmodus wird lediglich die Wärmepumpe 14 zum Beladen des Wärmespeichers 16 betrieben. In einem weiteren Betriebsmodus wird sowohl die Wärmepumpe 14 als auch der erste Wärmeerzeuger 12 zum Beladen des Wärmespeichers 16 betrieben. In einem weiteren Betriebsmodus wird lediglich der erste Wärmeerzeuger 12 zum Beladen des Wärmespeichers 16 betrieben. Um die Wärmevorrichtung 10 möglichst effektiv und insbesondere ökonomisch zu betreiben ist es vorteilhaft, die Wärmepumpe 14 dann zum Beladen des Wasserspeichers 16 zu verwenden, wenn diese besonders effektiv arbeitet und deren Betrieb zum Beladen mit einer gewünschten thermischen Leistung kostengünstiger ist als ein Beladen mittels des ersten Wärmeerzeugers 12. Durch Sicherstellung einer Einhaltung eines von einem Nutzer eingestellten Nutzersollwerts für die Abführwassertemperatur T_TWW durch den als Bereitschaftswärmerzeuger ausgebildeten ersten Wärmeerzeuger 12 ergeben sich für die Beladung des Wärmespeichers mittels der Wärmepumpe 14 zwei zu wählende Parameter, die Einschalttemperatur T_Ein , der Wärmepumpe 14 und die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe 14. Die Einschalttemperatur T_Ein ist ein auf der Steuereinheit 14 hinterlegter Wert, bei dem die Wärmepumpe 14 eingeschaltet wird. Erreicht die von dem dritten Temperatursensor 50 in dem Beladebereich 34 der Wärmepumpe 14 gemessene Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} die Einschalttemperatur T_Ein oder unterschreitet diese, in einem ausgeschalteten Zustand der Wärmepumpe 14, aktiviert die Steuereinheit 42 die Wärmepumpe 14, sodass diese den Wärmespeicher 16 belädt. Die Ausschalttemperatur T_Aus ist ein auf der Steuereinheit 14 hinterlegter Wert, bei dem die Wärmepumpe 14 ausgeschaltet wird. Erreicht die von dem dritten Temperatursensor 50 in dem Beladebereich 34 der Wärmepumpe 14 gemessene Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} die Ausschalttemperatur T_Aus oder überschreitet diese, in einem eingeschalteten Zustand der Wärmepumpe 14, deaktiviert die Steuereinheit 42 die Wärmepumpe 14, sodass diese den Wärmespeicher 16 nicht mehr belädt.
• Da sich Betriebsparameter der Wärmevorrichtung 10, die sich auf eine Effizienz oder die Betriebskosten der Wärmepumpe und/oder des ersten Wärmeerzeugers 12 auswirken, während eines Betriebs ändern können, ist es für eine optimale Beladungsstrategie des Wärmespeichers 16 notwendig, die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe 14 und/oder eine Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe 14 an die sich verändernden Betriebsparameter anzupassen. Zur Anpassung der Steuerung der Wärmepumpe 12 weist das Verfahren zum Betrieb der Wärmevorrichtung einen Betriebsstrategiealgorithmus auf. Der Betriebsstrategiealgorithmus ist dazu vorgesehen, die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe 14 und die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe 14 variabel an die sich verändernden Betriebsparameter anzupassen.
• Der Betriebsstrategiealgorithmus berechnet die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe 14 und die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe 14 während eines Betriebs der Wärmevorrichtung stetig neu. Der Betriebsstrategiealgorithmus wird während eines Betriebs zur Steuerung der Wärmepumpe 14 ausgeführt und ermittelt die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe 14 und/oder die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe 14 jeweils anhand zumindest eines aktuellen Betriebsparameters der Wärmevorrichtung 10.
• Der Betriebsstrategiealgorithmus ermittelt die Einschalttemperatur T_Ein anhand eines ersten Betriebsparameters, der als eine Zuführwassertemperatur T_TWK eines dem Wärmespeicher 16 zugeführten Nutzwassers ausgebildet ist. Dazu wertet der Betriebsstrategiealgorithmus den von dem ersten Temperatursensor 46 gemessenen Wert für die Zuführwassertemperatur T_TWK. Die Zuführwassertemperatur T_TWK ist die niedrigste Temperatur, die aktuell das Nutzwasser ohne zusätzlichen Energieaufwand in dem Wärmespeicher 16, insbesondere in dem Beladebereich 34 der Wärmepumpe 24 aufweisen kann. Da eine Effizienz der Wärmepumpe 14 bei einer geringer werdenden Differenz zwischen einer Quellentemperatur und der Temperatur des zu erwärmenden Nutzwassers höher wird, ist es vorteilhaft die Wärmepumpe 14 dann einzuschalten, wenn die gemessene Nutzwassertemperatur T _{Speicher,Bereich 2} möglichst niedrig ist und somit die erforderliche Vorlauftemperatur der Wärmepumpe unter Berücksichtigung der erforderlichen Übertemperatur ΔT_Beladung ebenfalls möglichst gering ist. Die Temperaturdifferenz ist bei einer aktuell gegebenen Quellentemperatur dann am geringsten, wenn die Temperatur des zu erwärmenden Nutzwassers am niedrigsten ist, also wenn das Nutzwasser in dem Beladebereich 34 der Wärmepumpe 14 möglichst gleich ist wie die Zuführwassertemperatur T_TWK eines zugeführten Kaltwassers.
• Der Betriebsstrategiealgorithmus berechnet die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe durch eine Subtraktion einer Sicherheitstemperatur ΔT_Sicherheit von der ermittelten Zuführwassertemperatur T_TWK . Der Betriebsstrategiealgorithmus berechnet die Einschalttemperatur T_Ein durch die Formel "T_Ein = T_TWK + ΔT_Sicherheit ".
• Der Betriebsstrategiealgorithmus verarbeitet zur Ermittlung der Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe 14 zumindest ein Kostenverhältnis der Betriebskosten zur Bereitstellung einer definierten thermischen Energie des ersten Wärmeerzeugers 12 und der Wärmepumpe 14.
• Der Betriebsstrategiealgorithmus wertet zur Berechnung des Kostenverhältnisses einen als Umwandlungswirkungsgrad COP_WP der Wärmepumpe 14 ausgebildeten Betriebsparameter aus. Der Betriebsstrategiealgorithmus wertet zur Berechnung des Kostenverhältnisses einen als Verbrauchseigenschaft x_WP der Wärmepumpe 14 ausgebildeten Betriebsparameter aus. Der Betriebsstrategiealgorithmus wertet zur Berechnung des Kostenverhältnisses einen als Umwandlungswirkungsgrad η _WE1 des ersten Wärmeerzeugers 12 ausgebildeten Betriebsparameter aus. Der Betriebsstrategiealgorithmus wertet zur Berechnung des Kostenverhältnisses weiter einen als Verbrauchseigenschaft x _WE1 des ersten Wärmeerzeugers 12 ausgebildeten Betriebsparameter aus. Ein mathematischer Zusammenhang zwischen den ausgewerteten Betriebsparametern kann durch die Gleichung " ${\mathit{COP}}_{\mathit{WP}}=\frac{x_{\mathit{WP}}}{x_{\mathit{WE}1}}\ast {\eta }_{\mathit{WE}1}$

  

  " beschrieben werden. Der Umwandlungswirkungsgrad COP_WP der Wärmepumpe 14 ist ferner abhängig von weiteren Betriebskenngrößen und kann mathematisch als abhängige Funktion "COP_WP = f(T_Vorlauf, P, ... )" dieser Betriebskenngrößen dargestellt werden.
• Da der Umwandlungswirkungsgrad COP_WP der Wärmepumpe 14 von der Vorlauftemperatur T_VL abhängt, und insbesondere bei steigender Vorlauftemperatur T_VL der Wärmepumpe 14 abnimmt, kann bei bekannter Quellentemperatur der Wärmepumpe und anderer Betriebsparameter der Wärmepumpe ein Wert für die Vorlauftemperatur T_VL bestimmt werden, bei welcher die Kosten bei dem ersten Wärmeerzeuger 12 und der Wärmepumpe 14 gleich sind. Der Betriebsstrategiealgorithmus ermittelt zur Berechnung der Ausschalttemperatur T_Aus eine Grenztemperatur T_VL,Grenz für die Vorlauftemperatur T_VL der Wärmepumpe 14, bei der die Betriebskosten zur Erzeugung einer definierten thermischen Energie für die Wärmepumpe 14 und für den ersten Wärmeerzeuger 12 gleich sind.
• Der Betriebsstrategiealgorithmus berechnet die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe durch eine Subtraktion einer Übertemperatur ΔT_Beladung des Wärmepumpenbeladevorgangs von der ermittelten Grenztemperatur T_VL,Grenz für die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe 14. Der Betriebsstrategiealgorithmus berechnet die Ausschalttemperatur T_Aus durch die Formel $$\mathrm{,},T_{\mathit{Aus}}=T_{\mathit{VL},\mathit{Grenz}}-{\mathit{\Delta T}}_{\mathit{Beladung}}".$$

  

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmevorrichtung (10) mit einem ersten Wärmeerzeuger (12), zur Erzeugung einer Wärme, mit einer Wärmepumpe (14), zur Erzeugung einer Wärme, und mit einem Wärmespeicher (16), der wahlweise von dem ersten Wärmeerzeuger (12) und/oder der Wärmepumpe (14) beladen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Wärmepumpe (14) ein Betriebsstrategiealgorithmus ausgeführt wird, der eine Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe (14) und/oder eine Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe (14) jeweils anhand zumindest eines aktuellen Betriebsparameters der Wärmevorrichtung (10) ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrategiealgorithmus eine Ausschalttemperatur der Wärmepumpe (14) und/oder eine Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe (14) während eines Betriebs der Wärmevorrichtung (10) stetig neu berechnet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrategiealgorithmus die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe (14) anhand eines ersten Betriebsparameters, der als eine Zuführwassertemperatur T_TWK eines dem Wärmespeicher (16) zugeführten Kaltwassers ausgebildet ist, ermittelt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrategiealgorithmus die Einschalttemperatur T_Ein der Wärmepumpe durch eine Subtraktion einer Sicherheitstemperatur ΔT_Sicherheit von der ermittelten Zuführwassertemperatur T_TWK, berechnet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrategiealgorithmus zur Ermittlung der Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe (14) zumindest ein Kostenverhältnis der Betriebskosten zur Bereitstellung einer definierten thermischen Energie des ersten Wärmeerzeugers (12) und der Wärmepumpe (14) verarbeitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrategiealgorithmus zur Berechnung des Kostenverhältnisses zumindest einen Umwandlungswirkungsgrad COP_WP der Wärmepumpe, eine Verbrauchseigenschaft x_WP der Wärmepumpe, einen Umwandlungswirkungsgrad η _WE1 des ersten Wärmeerzeugers und eine Verbrauchseigenschaft x _WE1 des ersten Wärmeerzeugers auswertet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrategiealgorithmus zur Berechnung der Ausschalttemperatur T_Aus eine Grenztemperatur T _{VL,Gleichheit} für eine Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (14) ermittelt, bei der die Betriebskosten zur Erzeugung einer definierten thermischen Energie für die Wärmepumpe und für den ersten Wärmeerzeuger gleich sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrategiealgorithmus die Ausschalttemperatur T_Aus der Wärmepumpe durch eine Subtraktion einer Übertemperatur ΔT_Beladung des Wärmepumpenbeladevorgangs von der ermittelten Grenztemperatur T _{VL,Gleichheit} für die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe (14) berechnet.
9. Wärmevorrichtung mit einem ersten Wärmeerzeuger (12), zur Erzeugung einer Wärme, mit einer Wärmepumpe (14), zur Erzeugung einer Wärme, mit einem Wärmespeicher zur Speicherung einer erzeugten Wärme, und mit einer Steuereinheit (20) zur Steuerung der Wärmevorrichtung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

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