DE19524352A1 - Energieoptimierte Aufladeregelung für einen Wasserspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine energieoptimierte Aufladeregelung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Das Aufladen von Brauchwasser-, und zwar sowohl von Wasser- als auch von Pufferspeichern, durch einen Wärmeerzeuger und/oder durch Solarkollektoren, wie einen Heizkessel oder eine Fernwärmeverteilstation, gehört zum allgemein bekannten Stand der Technik. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, zu welchem Zeitpunkt der Wärmeerzeuger eingeschaltet wird. Er muß so oft und so rechtzeitig hinzugeschaltet werden, daß zum festgelegten Zeitpunkt die gewünschte Solltemperatur im Wasserspeicher vorhanden ist. Im Falle einer kombinierten Anlage mit zusätzlicher Beheizung durch Solarkollektoren sollten diese immer vorrangig zur Aufladung genutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamische Aufladeregelung für den Wasser­ speicher zu schaffen, bei der genau festgelegt wird, ob und wann ein Hinzuschalten des Wärmeerzeugers erfolgen muß, damit zu Beginn der Hauptentnahme die vorgegebene Solltemperatur vorliegt, und zwar wahlweise mit oder ohne Strategie für den folgenden Tag. Dabei soll bei kombinierten Anlagen der vorrangige Einsatz der Solarkollektoren beachtet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Anwendung der im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen.

In vorgegebenen Zeitabständen wird die Temperatur im Wasserspeicher gemessen und aus diesen Werten der Temperaturgradient ermittelt. Ein steigender Gradient dient als Maß für die Energiezufuhr durch den Wärmeerzeuger und/oder die Solarkollektoren. Ein fallender Gradient zeigt die Wärmeentnahme aus dem Wasserspeicher an. Anhand des Gradienten wird die noch benötigte Zeit bis zum Erreichen der vorgegebenen Solltemperatur im Wasserspeicher ermittelt und bei Bedarf der Wärmeerzeuger eingeschaltet.

Über den Temperaturgradienten im Wasserspeicher können auch die Entnahmezeiten ermittelt werden. Fallende Gradienten deuten auf eine Entnahme hin, wobei ein starker oder über län­ gere Zeit fallender Gradient als Maß für die Hauptentnahmezeit gilt. Dabei wird diese Hauptentnahme am Einschalttag der Anlage zeitlich festgelegt und der beginnende Abfall des Temperaturgradienten für den Folgetag als Beginn der Hauptentnahme gewertet.

Auch Kleinentnahmen können anhand des abfallenden Temperaturgradienten ermittelt werden. In diesem Fall sollte die Temperaturschwelle zum Nachheizen über Fuzzy-Logik variabel fest­ legbar sein, und zwar vorzugsweise so, daß eine Nachheizung über den Wärmeerzeuger nur bis zu einer variablen Mindesttemperatur von beispielsweise max. 40°C erreicht ist. In diesem Fall erfolgt keine absolute Sperrung des Wärmeerzeugers, jedoch eine Temperaturbegrenzung für das Nachheizen.

Es handelt sich um ein dynamisches Prinzip gemäß dem das Hinzuschalten des Wärmeerzeu­ gers zur Aufladung des Wasserspeichers davon abhängig gemacht wird, ob die vorgegebene Solltemperatur bis zum festgelegten Zeitpunkt noch erzielt werden kann. Im Falle einer kombinierten Anlage haben die Solarkollektoren immer Vorrang, und der zusätzliche Wärmeerzeuger wird nur hinzugeschaltet, wenn bis zum Beginn der Hauptentnahme die Solltemperatur im Wasserspeicher sonst nicht erreicht wird.

Für die Regelung empfiehlt es sich, das Prinzip der Fuzzy-Logik anzuwenden. Dabei wird das Verhältnis warm/kalt berücksichtigt. Grundsätzlich sollte der Wärmeerzeuger bei kombinierten Anlagen dann eingeschaltet werden, wenn die noch nötige Ladezeit durch die Solarkollektoren größer ist als die verbleibende Zeit bis zum Beginn der Hauptentnahme. Dabei erfolgt das Hinzuschalten des Wärmeerzeugers nur beim Überschreiten einer festgelegten Differenz zwischen der Soll- und der Isttemperatur im Wasserspeicher. Bei einer geringeren Temperaturdifferenz wird nicht über den Wärmeerzeuger geheizt. Der genaue Einschaltzeitpunkt, d. h. ob und wann die Einschaltung erfolgt, wird nach dem Fuzzy-Prinzip festgelegt. Dabei errechnet der Regler, welche Temperatur bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, nämlich dem Beginn der Hauptentnahme, noch zu erreichen ist. Liegt dieser Wert unter der Solltemperatur oder wird die Solltemperatur erst nach dem Zeitpunkt erreicht, dann ist ab dem durch Fuzzy-Logik zu ermittelnden Zeitpunkt der Wärmeerzeuger hinzuzuschalten.

Bei der Errechnung des günstigsten Einschaltzeitpunktes des Wärmeerzeugers sollte darauf geachtet werden, daß dieser nicht in die Anfahrphase des Heizens fällt.

Das erfindungsgemäße dynamische Prinzip kann nur auf den betreffenden Tag bezogen sein. Es handelt sich in diesem Fall um ein dynamisches Prinzip ohne Strategie für den Folgetag. Das Prinzip kann aber auch mit einer Strategie für den Folgetag oder für einen folgenden identischen Wochentag kombiniert werden, was bereits in der beschriebenen Ermittlung der Hauptentnahmezeit durch einen stärker abfallenden Temperaturgradienten und dessen Übertragung auf den Folgetag zum Ausdruck kommt. Die DE 43 33 506 C1 beschreibt die Anwendung des dynamischen Prinzips mit einer Strategie für den Folgetag, bei der ein Nachheizen durch den Wärmeerzeuger von dem zu erwartenden Aufheizbeginn durch die Solarkollektoren abhängig gemacht wird, um nicht kurz vor diesem Zeitpunkt den Wasserspeicher durch den Wärmeerzeuger aufladen und dann die Kapazität der Solarkollektoren ungenutzt zu lassen. Dieses wird jetzt auf das Ermitteln des geeigneten Einschaltzeitpunktes des Wärmeerzeugers in Abhängigkeit vom Temperaturgradienten im Wasserspeicher übertragen.

Außer dem Zeitpunkt des Aufheizbeginns am Vortag empfiehlt es sich, auch noch die Istwerte des Temperaturniveaus und der Zapfzeiten über den Tagesverlauf zu erfassen und in die Strategie für das Aufheizen am Folgetag zu integrieren. Der Regler ist in der Lage, aus der Summe dieser Werte den Einschaltzeitpunkt des Wärmeerzeugers und/oder bei vorhandenen Solarkollektoren den Einschaltzeitpunkt und die Einschaltdauer zu ermitteln, indem er die noch im Speicher vorhandene Wärmekapazität und die Bedürfnisse der Bewohner berücksichtigt. Selbst dann, wenn in Kürze mit einer Aufheizung durch die Solarkollektoren zu rechnen ist und deshalb ein Nachheizen durch den Heizkessel nicht gewünscht wäre, könnte das Nachheizen dennoch zu empfehlen sein, wenn zu diesem Zeitpunkt ein sehr geringes Temperaturniveau vorliegt und in Kürze eine größere Menge Brauchwasser benötigt wird. Das Erstellen einer Regelstrategie für den Folgetag anhand mehrerer Werte des Vortages ist also sehr vorteilhaft.

Es empfiehlt sich, noch einen Korrekturfaktor einzufügen, wenn sich die Sonneneinstrahlung oder die Kollektortemperatur gegenüber der Vergleichzeit des Vortages wesentlich ändert. Auf diese Weise sind kurzfristige Klimaschwankungen zu berücksichtigen. Dieser Korrekturfaktor kann anhand der Veränderung des Temperaturgradienten gegenüber dem Vortag ermittelt und bereits am selben Tag und auch in der zu erstellenden Strategie für den Folgetag berücksichtigt werden.

Es können die ermittelten Absolutwerte eingesetzt werden. Noch besser ist es jedoch, die Ist- Werte in Fuzzy-Werte umzuwandeln. Diese Regelung anhand der bekannten Fuzzy-Logik führt zu einer sehr konsequenten Festlegung des möglichen Einschaltzeitraumes des Wärmeerzeugers.

Die Aufladeregelung ist selbstverständlich auch bei einer kombinierten Solar-Brauchwasser- und Heizungsanlage einzusetzen. Bei dieser ist die Phase der Direktbeheizung des Brauchwasserspeichers und des Heizwassers sowohl durch die Solarkollektoren als auch durch den Wärmeerzeuger genau festzulegen. Die Umschaltung von Brauchwasserkreis auf den Heizkreis erfolgt dabei in bekannter Weise durch ein Dreiwegeventil. Es empfiehlt sich, dann einen zusätzlichen Pufferspeicher einzusetzen und die überschüssige Wärme von den Solarkollektoren her in diesen einzuspeisen. Durch das Aufladen des Pufferspeichers über den Wärmeerzeuger ergeben sich die bekannten Vorteile einer verlängerten Brennerlaufzeit.

Claims (7)

1. Energieoptimierte Aufladeregelung für einen durch einen Wärmeerzeuger und/oder durch Solarkollektoren beheizten Wasserspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Wasserspeicher in vorgegebenen Zeitabstän­ den gemessen und infolge eines steigenden Gradienten als Maß der Energiezufuhr durch die Solarkollektoren und/oder den Wärmeerzeuger und infolge eines fallenden Gradienten als Maß der Wärmeentnahme aus dem Wasserspeicher dient, wobei ein stark oder über längere Zeit fallender Gradient als Hinweis auf die Hauptentnahmezeit gilt, und daß anhand des Gradienten die bis zum Erreichen der vorgegebenen Solltemperatur im Wasserspeicher noch benötigte Zeit ermittelt und bei Bedarf der Wärmeerzeuger hinzugeschaltet wird.

2. Aufladeregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hinzuschalten des Wärmeerzeugers über Fuzzy-Logik ge­ steuert zu dem Zeitpunkt erfolgt, ab dem durch die Solarkollektoren und/oder den Wärmeerzeuger die vorgegebene Solltemperatur zu Beginn der Hauptentnahme zu erreichen ist.

3. Aufladeregelung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt für das Hinzuschalten des Wärmeerzeugers über Fuzzy-Logik in der Weise ermittelt wird, daß ein Hinzuschalten nur bei Überschreiten einer festgelegten Differenz zwischen der Soll- und der Isttemperatur im Wasserspeicher erfolgt.

4. Aufladeregelung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Hinzuschalten des Wärmeerzeugers die Anfahrphase der Heizungsanlage berücksichtigt wird.

5. Aufladeregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Tag der Temperaturgradient im Wasserspeicher und in Abhängigkeit von diesem der Aufheizbeginn durch den Wärmeerzeuger und/oder die Aufheizdauer durch die Solarkollektoren sowie der Beginn der Entnahme, insbesondere der Hauptentnahme, ermittelt und anhand dieser Werte vom Regler eine Strategie für das Aufladen des Wasserspeichers am Folgetag bzw. an einem folgenden identischen Wochentag erstellt wird.

6. Aufladeregelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei veränderten Klimawerten am Folgetag vom Regler anhand des veränderten Temperaturgradienten ein Korrekturfaktor für die Werte des Vortages ermittelt und dieser am betreffenden Tag berücksichtigt und auch in die zu erstellende Strategie für den Folgetag eingefügt wird.

7. Aufladeregelung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle ermittelten Werte in Fuzzy-Werte umgewandelt und als sol­ che bei der Ermittlung der Strategie für den Folgetag berücksichtigt werden.