Verfahren zur Ermittlung eines thermischen Verbrauches eines Energiesystems, Energiemanagementsystem sowie Energiesystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines thermischen Verbrauches eines Energiesystems mit einem ther mischen Energiespeicher, wobei das Energiesystems eine ther mische Gesamtenergie wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energiemanage mentsystem zum Betrieb eines solchen Energiesystems und/oder zur Vorhersage eines thermischen Verbrauches des Energiesys tems. Ferner betrifft die Erfindung ein Energiesystem mit einem solchen Energiemanagementsystem.

Energiesysteme, insbesondere multimodale Energiesysteme, mit einem Energiemanagementsystem haben zukünftig eine immer grö ßere Bedeutung. Insbesondere ist das Energiemanagementsystem ein Teil von allgemeinen Automatisierungssystemen für Großge bäude oder Inselnetze (englisch: Microgrid) .

Das Automationssystem ist hierbei zur Steuerung/Regelung der Komponenten des Energiesystems, beispielsweise Batterien, Wärmepumpen, thermische Energiespeicher, vorgesehen. Grund sätzlich umfasst ein solches Automationssystem mehrere Ebe nen, insbesondere eine Managementebene, eine Automationsebene sowie eine Feldebene. Weiterhin kann das Automatisierungssys tem ein Energiemanagementsystem umfassen. Hierbei ist das Energiemanagementsystem im Wesentlichen für die energieeffi ziente Steuerung/Regelung der Komponenten des Energiesystems, für den Schutz der Komponenten, sowie der Bereitstellung ei nes bestimmten Komforts, beispielsweise der Innentemperatur von Räumen, vorgesehen.

Typische Energiemanagementsysteme können den Einkauf aller extern bezogenen Energieformen, beispielsweise von Gas,

Strom, Fernwärme oder Fernkälte optimieren. Hierzu ist ein Lastprofil der zugehörigen Energieform erforderlich. Für elektrische Verbrauche kann dies ein historisches beziehungs weise gemessenes Lastprofil oder ein auf Annahmen basierendes berechnetes Lastprofil sein. Hierbei wird die Summe aller Verbraucher bezüglich der elektrischen Energie gemessen und der elektrische Verbrauch abgeschätzt.

Der Anmelderin sind keine synthetischen Lastprofile bezüglich thermischer Verbrauche, insbesondere in Bezug auf den Ver brauch von Wärme und/oder Kälte, bekannt, die für ein Ener giemanagementsystem verwendbar sind. Insbesondere kann der thermische Verbrauch des Energiesystems beziehungsweise eines Verbrauchers innerhalb des Energiesystems nicht ohne direkte Messung bestimmt werden. Allerdings können thermische Ver brauche typischerweise nicht direkt gemessen werden, da dies bautechnisch und/oder aufgrund von Mieterrechten schwierig bis unmöglich ist. Somit kann im Gegensatz zu elektrischen Verbrauchen kein realistisches thermisches Lastprofil bereit gestellt werden und somit keine realistische thermische Ver brauchsprognose (Vorhersage der thermischen Last) durch das Energiemanagementsystem bestimmt werden. Dies gilt insbeson dere dann, wenn das Energiesystem einen thermischen Energie speicher umfasst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ermittlung eines thermischen Verbrauches eines Energiesys tems, insbesondere im Hinblick für Vorhersagen durch ein Energiemanagementsystem des Energiesystems, zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, durch ein Energiemanagement system mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 9, sowie durch ein Energiesystem mit den Merkmalen des unabhän gigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentan sprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun gen der Erfindung angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung eines thermi schen Verbrauches eines Energiesystems mit einem thermischen Energiespeicher, wobei das Energiesystems eine thermische Ge ^¬ samtenergie wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches erzeugt, umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

- Erfassen einer thermischen Ladeenergie des thermischen

Energiespeichers innerhalb des Zeitbereiches;

- Erfassen einer thermischen Entladeenergie des thermischen Energiespeichers innerhalb des Zeitbereiches; und

- Berechnen des thermischen Verbrauches innerhalb des Zeitbe ^¬ reiches mittels wenigstens einer Summe aus der thermischen Gesamtenergie und der Differenz zwischen der erfassten thermischen Entladeenergie und der erfassten thermischen Ladeenergie .

Der thermische Verbrauch kann ein Wärmeverbrauch und/oder Kälteverbrauch sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein thermischer Energie speicher jede Vorrichtung, die eine Speicherung und/oder Zwi schenspeicherung von thermischer Energie, insbesondere Wärme und/oder Kälte, ermöglicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der thermische Ver brauch dadurch ermittelt, dass die Ladeenergien und Entlade ^¬ energien am thermischen Energiespeicher (oder Wärmespeicher) gemessen werden und diese als Ersatzwerte entsprechend der Approximation thermisch = ^Gesamt + -^Entladen - -^Laden verwendet wer ^¬ den. Hierbei bezeichnet ^ _G esam _t die erzeugte thermische Gesam ^¬ tenergie innerhalb des Zeitbereiches, ^ _E n _tl a _d en die Entlade ^¬ energie des thermischen Energiespeichers innerhalb des Zeit ^¬ bereiches, ^ _L a _d en die Ladenergie des thermischen Energiespei ^¬ chers innerhalb des Zeitbereiches und ^ _Th ermisc _h den thermi ^¬ schen Verbrauch des Energiesystems innerhalb des Zeitberei ^¬ ches. Für einen festen Zeitbereich, innerhalb welchem die zu gehörige Leistungen annähernd als konstant angesehen werden können, kann die obige Gleichung ebenfalls mittels der zuge ^¬ hörigen Leistungen P _T hermisch = ^Gesamt + ^Entladen ^Laden formuliert werden. Dies ist der vorliegenden Erfindung äquivalent. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der thermische Verbrauch ohne direkte Messung realitätsnah approximiert wird. Darauf wird ein verbessertes thermisches Lastprofil be ziehungsweise Wärmeabnahmeprofil oder Wärmeverbrauchsprofil für ein Energiemanagementsystem bereitgestellt.

Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für kleinere ther mische Netze vorteilhaft. Das ist deshalb der Fall, da ein Energiemanagementsystem ohne größeren Aufwand in ein beste hendes Energiesystem integriert werden kann. Hierbei ist ein thermisches Netz eine Vorrichtung, die wenigstens einen ther mischen Verbraucher mit wenigstens einem thermischen Erzeuger thermisch koppelt, beispielsweise mittels eines Wärmeträger mediums. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Ener giesysteme von Vorteil, die als Gebäude oder multimodale In selnetze ausgebildet sind.

Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem zum Betrieb ei nes Energiesystems und/oder zur Vorhersage eines thermischen Verbrauches des Energiesystems, wobei das Energiesystem we nigstens einen thermischen Energiespeicher aufweist, und mit tels des Energiesystems wenigstens eine thermische Gesamte nergie wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches erzeugbar ist, umfasst wenigstens

- Mittel zum Erfassen einer thermischen Ladeenergie des ther mischen Energiespeichers innerhalb des Zeitbereiches;

- Mittel zum Erfassen einer thermischen Entladeenergie des thermischen Energiespeichers innerhalb des Zeitbereiches; und

- Mittel zum Berechnen des thermischen Verbrauches innerhalb des Zeitbereiches mittels einer Summe aus der thermischen Gesamtenergie und der Differenz zwischen der erfassten thermischen Entladeenergie und der erfassten thermischen Ladeenergie .

Das erfindungsgemäße Energiesystem ist dadurch gekennzeich net, dass dieses ein Energiemanagementsystem gemäß der vor liegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen um fasst . Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Energiemana gementsystems und der erfindungsgemäßen Energiesystems.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Energiesystem basierend auf den ermittelten thermischen Verbrauch betrieben.

Dadurch wird vorteilhafterweise die energetische Effizienz des Energiesystems, insbesondere bezüglich thermischer Erzeu gung und Verbrauch, verbessert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der thermische Verbrauch mittels eines Energiemanagementsystems ermittelt, wobei der Betrieb des Energiesystems durch das Energiemanagementsystem erfolgt.

Mit anderen Worten umfasst das Energiesystem das Energiemana gementsystem, welches dazu ausgebildet ist, das Energiesystem basierend auf dem ermittelten Verbrauch zu betreiben. Hierzu kann das Energiesystem zur Ermittlung beziehungsweise Berech nung des thermischen Verbrauches gemäß der vorliegenden Er findung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen ausgebildet sein .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der berechnete thermische Verbrauch als thermisches Lastpro fil für eine thermische Lastvorhersage des Energiemanagement systems verwendet.

Dadurch wird vorteilhafterweise eine realitätsnahe Vorhersage des thermischen Lastprofils ermöglicht. Dadurch wird die energetische Effizienz des Energiesystems, welches mittels des Energiemanagementsystems betrieben wird, weiter verbes sert. Das ist deshalb der Fall, da eine verbesserte Prognose bezüglich des thermischen Verbrauchs durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird. Mit anderen Worten wird vor- teilhafterweise die Vorhersagegüte des Energiemanagementsys tems verbessert. Das ist insbesondere deshalb der Fall, da die thermische Lastvorhersage nicht auf simulierten thermi schen Lastprofilen basiert, sondern erfindungsgemäß auf den erfassten Entladeenergien und Ladeenergien des thermischen Energiespeichers, beispielsweise auf dem an Rohrleitungen des thermischen Energiespeichers erfassten Energiespeicherverhal ten des thermischen Energiespeichers.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der ermittelte thermische Verbrauch vor seiner Verwendung als thermisches Lastprofil zeitlich geglättet.

Das ist deshalb von Vorteil, da typischerweise die erfassten Entladeenergien und Ladeenergien relativ große Schwankungen aufweisen können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn diese an einem Vorlauf und Rücklauf des thermischen Energie speichers erfasst werden. Durch die Glättung, beispielsweise mittels eines über zwei Stunden gleitenden Mittelwerts, wird ein glatteres und somit verbessertes thermisches Lastprofil bereitgestellt, welches insbesondere zu einer verbesserten Vorhersage des thermischen Verbrauchs führt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der thermische Energiespeicher wenigstens teilweise durch ein thermisches Netz des Energiesystems ausgebildet.

Mit anderen Worten ist der thermische Energiespeicher wenigs tens teilweise, insbesondere vollständig, als thermisches Netz des Energiesystems ausgebildet. Es wird somit das ther mische Netz wenigstens teilweise als thermischer Energiespei cher angesehen beziehungsweise aufgefasst. Hierbei umfasst das Energiesystem wenigstens einen Teil des thermischen Net zes. Große thermischen Netze von kommerziellen Gebäuden, von Campussen oder von multimodalen Inselnetzen, weisen typi scherweise ein großes Volumen ihres Wärmeträgermediums auf. Dadurch können diese bezüglich ihrer thermischen Speicherei genschaften nicht vernachlässigt werden. Es ist daher von Vorteil, das thermische Netz als thermischen Energiespeicher anzusehen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es daher den thermischen Verbrauch des thermischen Netzes analog zu einem thermischen Energiespeicher, beispielsweise wie obenstehend beschrieben, zu ermitteln. Dadurch kann vorteilhafterweise der thermische Verbrauch eines großen thermischen Netzes er mittelt werden und die Ermittlung des thermischen Verbrauches verbessert werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Entladeenergie und/oder Ladeenergie des thermischen Netzes durch eine Berücksichtigung des Volumens und/oder Temperatur eines Vorlaufes und eines Rücklaufes des thermischen Netzes erfasst .

Mit anderen Worten weist das thermische Netz einen Vorlauf und/oder einen Rücklauf für sein Wärmeträgermedium, bei spielsweise für Wasser, auf. Hierbei werden die Entladeener gien und/oder Ladeenergien des thermischen Netzes in Abhän gigkeit des Volumens und/oder Temperatur seines Vorlaufes und/oder Rücklaufes bestimmen. Dadurch kann eine vorteilhafte Approximation für den thermischen Verbrauch bereitgestellt werden. Insbesondere wird dadurch eine verbesserte Vorhersage des thermischen Verbrauchs ermöglicht. Beispielsweise ist ei ne grobe Abschätzung der Wassermenge in einem Heizungssystem (thermisches Netz) und eine Kenntnis über die Toleranzen der Vorlauftemperaturen und Rücklauftemperaturen ausreichend. Mit Kenntnis der genannten Größen lässt sich ein optimierter Be trieb des Energiesystems, insbesondere mittels eines Ener giemanagementsystems, basierend auf den ermittelten thermi schen Verbrauch erreichen. Hierbei können die genannten Tem peraturen am Vorlauf beziehungsweise Rücklauf gemessen wer den. Der ermittelte thermische Verbrauch kann als Wärmeerzeu gungsprofil bei einer Vorhersage des Energiemanagementsystems berücksichtigt werden. Mit anderen Worten werden schwankende Vorlauftemperaturen und/oder Rücklauftemperaturen als thermi scher Energiespeicher erkannt und können bei der Optimierung mittels des Energiemanagementsystems berücksichtigt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die thermische Ladeenergie des thermischen Netzes und/oder die thermische Entladeenergie durch ein Erfassen eines Tempe raturunterschiedes zwischen zwei verschiedenen Zeitpunkten erfasst .

Mit anderen Worten wird die thermische Ladeenergie bezie hungsweise thermische Entladeenergie jeweils mittels

IX ( )— r(t ₂ )] c V p berechnet. Hierbei bezeichnet GίA) die Tem peratur zum Zeitpunkt t _{l r} beispielsweise des Vorlaufes oder Rücklaufes, T(t ₂ ) die Temperatur zum Zeitpunkt t ₂ , beispiels weise des Vorlaufes oder Rücklaufes, c die spezifische Wärme kapazität des Wärmeträgermediums des thermischen Netzes, V das Volumen des Wärmeträgermediums und p die Dichte des Wär meträgermediums .

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schemati siert :

Figur 1 ein Energiesystem nach dem Stand der Technik;

Figur 2 ein Energiesystem gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und

Figur 3 einen thermischen Verbrauch, der mittels einer Aus gestaltung der vorliegenden Erfindung ermittelt wurde .

Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön nen in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.

Die Figur 1 zeigt ein bekanntes Energiesystem 10. Hierbei umfasst das Energiesystem 10 Komponenten 1 (thermi sche Erzeuger) , die eine thermische Gesamtenergie bereitstel len. Die thermische Gesamtenergie wird ebenfalls mit dem Be zugszeichen 1 gekennzeichnet.

Weiterhin umfasst das Energiesystem 10 ein Energiemanagement system 2. Das Energiemanagementsystem 2 kann mittels einer direkte Messung 3 die thermische Gesamtenergie 1 erfassen.

Weiterhin umfasst das Energiesystem 10 Komponenten 50 (ther mische Verbraucher) , die wenigstens einen Teil der erzeugten thermischen Gesamtenergie verbrauchen. Dieser thermische Ver brauch wird ebenfalls mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeich net .

Typischerweise sind die thermischen Erzeuger 1 mittels eines thermischen Netzes mit den thermischen Verbrauchern 50 ther misch gekoppelt. Diese thermische Kopplung ist durch die Pfeile zwischen den thermischen Erzeugern 1 und thermischen Verbrauchern 50 symbolisiert. Die Richtung dieser Pfeile deu tet einen Vorlauf und Rücklauf des thermischen Netzes für ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, des thermischen Netzes an. Nach dem Stand der Technik ist das thermische Netz nicht Bestandteil der Messung des Energiesystems 2. Mit ande ren Worten erfasst des Energiesystem 2 lediglich die thermi sche Gesamtenergie durch die direkte Messung 3.

Die Figur 2 veranschaulicht ein Energiesystem 10, bei welchem das thermische Netz zwischen den thermischen Erzeugern 1 und den thermischen Verbrauchern 50 als thermischer Energiespei cher 4 angesehen wird. Mit anderen Worten bildet das thermi sche Netz zwischen den thermischen Erzeugern 1 und den ther mischen Verbrauchern 50 den thermischen Energiespeicher 4 aus. Weiterhin kann eine direkte Messung 3 der thermischen Gesamterzeugung durch ein Energiemanagementsystem 2 des Ener giesystems 10 erfolgen. Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der thermische Verbrauch nicht ausschließlich durch die direkte Messung 3 erfasst, sondern durch ein Erfassen 42 (Messen) der thermischen Ladeenergien und Entladeenergien des thermischen Energiespeichers 4, das heißt des thermischen Netzes. Dadurch können vorteilhafterweise die Speichereigenschaften des ther mischen Netzes bei der Ermittlung des thermischen Verbrauches durch das Energiemanagementsystem 2 berücksichtigt werden.

Der thermische Verbrauch wird dann durch die Summe aus ther mischer Gesamterzeugung der Erzeuger 1 und der Differenz zwi schen der erfassten thermischen Entladeenergie und erfassten thermische Ladeenergie bestimmt. Hierbei wird das thermische Netz gemäß der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung als thermischer Energiespeicher 4 angesehen. Die Ladeenergien be ziehungsweise Entladeenergien können jeweils am Vorlauf be ziehungsweise Rücklauf des thermischen Netzes beziehungsweise des thermischen Energiespeichers 4 erfasst werden.

Die Figur 3 zeigt einen gemäß der Figur 2 am thermische Ener giespeicher 4 beziehungsweise thermischen Netz erfassten und geglätteten thermischen Verbrauch.

Hierbei ist an der Abszisse 101 des dargestellten Diagramms die Zeit in beliebigen Einheiten aufgetragen. An der Ordinate 102 des dargestellten Diagramms ist der thermische Verbrauch (als thermische Leistung) in beliebigen Einheiten, beispiels weise in Kilowatt aufgetragen.

Eine Kurve 50 korrespondiert zum erfassten zeitlich abhängi gen thermischen Verbrauch. Der thermische Verbrauch 50 weist ein unregelmäßiges Verhalten mit großen Variationen bezie hungsweise Schwankungen (Zacken) auf. Dieser ist somit für eine Vorhersage des thermischen Verbrauchs mittels des Ener giemanagementsystems 2, beispielsweise als Wärmeerzeugungs profil, nicht besonders vorteilhaft. Ein verbessertes Profil beziehungsweise ein verbesserter Verlauf des thermischen Ver brauches 50 kann mittels einer Glättung erreicht werden.

Hierbei wird der thermische Verbrauch 50 zeitlich geglättet. Hierdurch ergibt sich die Kurve 51. Mit anderen Worten zeigt die Kurve 51 den geglätteten thermischen Verbrauch 50. Die Kurve 51 kann als Wärmeerzeugungsprofil für das Energiemana gementsystems 2, beispielsweise zur Vorhersage des thermi- sehen Verbrauchs, herangezogen werden. Dadurch wird die Vor hersage des thermischen Verbrauchs mittels des Energiemanage mentsystems verbessert. Entscheidend hierfür ist, dass das thermische Netz als thermische Energiespeicher 4 interpre tiert und erkannt wird.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein geschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hie- raus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Erzeugung thermische Gesamtenergie

2 Energiemanagementsystem

3 Messung

4 thermischer Energiespeicher

10 Energiesystem

42 Erfassung thermische Lade- und Entladeenergie

50 thermischer Verbrauch

51 geglätteter thermischer Verbrauch

101 Abszisse

102 Ordinate