WO2013156019A1 - Energiemanagementsystem zur pufferspeicherung von kälte- oder wärmeenergie und verfahren zum betreiben des energiemanagementsystems - Google Patents

Energiemanagementsystem zur pufferspeicherung von kälte- oder wärmeenergie und verfahren zum betreiben des energiemanagementsystems Download PDF

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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Energy management system for buffering cold or heat energy and method for operating the energy management system
  • the invention relates to an energy management system with at least one energy consumer and at least one energy generator, which is associated with a device for buffer storage of heating or cooling energy in a circulatory system having at least two mutually communicating storage volume, which is associated with a common distribution valve, from which to each storage volume a manifold lead, wherein a first and a second storage volume at opposite ends of the storage volume together are associated with at least three temperature levels, the first storage volume is associated with a first and a second temperature level and the second storage volume is associated with the second and a third temperature level, the two Storage volumes are each connected to each other at the ends with the second, same temperature level, the manifold connection line to the first storage volume to the end with the first temp level and the distribution line to the second storage volume at the end of the second temperature level is set and the end of the second storage volume with the third temperature level and the distribution valve each have a circulatory system connection. Furthermore, the invention also relates to a method for operating the energy management system.
  • a buffer storage of heat or cooling energy is especially necessary if it is generated irregularly and / or consumed in order to compensate for fluctuations in production and consumption can.
  • buffer tanks are usually used to maintain heated water at a specific temperature level over a longer period of time.
  • Such a hot water treatment plant is known for example from DE 102 01 396 A1, in which a stratified storage tank is combined with a solar storage, via which the storage volume in the stratified storage tank charged, ie heated, is. From DE 10 2008 009 285 B3 is another
  • This apparatus comprises a stratified charge storage system with two storage volumes in a common stratified storage tank, to which cold water is supplied and at the same time hot water is withdrawn.
  • the stratified storage system has one of
  • Hot water that has been heated up can therefore be directed to one of the storage volumes, but can only be taken out with one temperature level.
  • the object of the invention is to provide an energy management system with a buffer memory which enables an optimized energy storage and a supply of several customers or energy consumers with different temperature levels.
  • the energy management system with at least one energy consumer and at least one energy generator, which is associated with a device for buffering heat or cooling energy in a circulatory system having at least two mutually communicating storage volume, which is associated with a common distribution valve from which leads to each storage volume a manifold connection line wherein at least three temperature levels are associated with a first and a second storage volume at opposite ends of the storage volumes together, a first and a second temperature level is associated with the first storage volume and the second storage volume and the second temperature level is associated, the two storage volumes respectively the ends are connected to each other at the second, same temperature level, the manifold connecting line to the first storage volume at the end with the first temperature level and the Ve
  • energy consumers and energy generators are connected both to the circulatory system connections of the device for buffer storage and to the second storage volume at the end with the second temperature level and the end of the second storage
  • the power generator cold or heat energy is generated, which can be used as needed by the energy consumer or stored in the device, the energy carrier medium branched over accordingly
  • Line sections between power generator, energy consumer and device for buffer storage back and forth can flow.
  • the energy consumer and the energy generator are connected on the one hand to the circulation system connection of the distribution valve and, on the other hand, to the circulation system connection of the second storage volume.
  • the storage volumes can be controlled individually via the distributor valve and the distributor connection lines leading to the respective storage volumes.
  • Storage volume, distribution connection lines and the circuit system connected to the device are completely filled with an energy carrier medium during operation of the device, which has the different temperature levels in the storage volume.
  • the storage volume can then be supplied or removed from the energy storage medium via the distribution valve.
  • the distribution valve either the first or the second
  • Storage volume directly controlled, wherein, when the first storage volume is loaded with energy carrier medium at the first temperature level, at the same time energy carrier medium is displaced with the second temperature level from the first storage volume in the second storage volume. If the second storage volume is controlled directly, the first storage volume remains at rest, whereby the respective temperature level in the first storage volume can be kept for a long period of time.
  • a direct control of the second storage volume takes place especially when the first storage volume is completely charged at the first temperature level or if the energy source medium supplied to the distribution valve does not reach the first temperature level, ie below the first temperature level for heat energy to be stored below and to be stored for cooling energy , However, at least the energy carrier medium to be stored has the second temperature level.
  • energy source medium with the third temperature level is displaced from it both when driving the first and when controlling the second storage volume via the circulation system connection of the second storage volume.
  • energy carrier medium depending on what temperature level is required, either the first or the second storage volume can be controlled, in turn, the possibility there is no need to include the first storage volume as a reserve, in particular if energy carrier medium with a second temperature level is sufficient. If energy carrier medium is removed from the first storage volume, as in the loading of the first storage volume, a series connection of the mutually communicating storage volumes results, so that the first storage volume can not be accessed separately from the second storage volume.
  • each energy generator is connected with at least one flow line via a common line section with at least one return of each energy consumer and each energy consumer with at least one flow over a common line section with at least one return each energy generator.
  • a common line section associated with the circuit system port of the distribution valve and a branched line section associated with the circulatory system port of the second storage volume.
  • the common line section relates in particular to the respective branched part of the branched line section, which connects energy producers and energy consumers with one another, without the storage volumes being included.
  • the energy consumer energy carrier medium with the first or second temperature level can be supplied and / or discharged from the power generator.
  • the storage volumes are included only if consumption and generation differ.
  • energy source medium with a third temperature level can be supplied to the energy generator or can be led away from the consumer.
  • the line sections during operation always on the same volume flows, the volume flows in the line sections in the opposite direction, ie, for example, in a line section to the device for buffer storage and in the other line section of away from the device.
  • All interconnected energy producers and energy consumers are advantageously connected via one, in particular a single, designed as a hot water pipe section and a particular, designed as a cold water line line section to the circuit system connections of the device for buffer storage of heating or cooling energy.
  • the storage volume can thus be integrated into the energy management system in a particularly simple manner with only two circulation system connections.
  • the line sections of the hot water line and the cold water line must advantageously branch only in the region of the common line section of the power generator and energy consumers, so that as little as possible line material is needed.
  • each energy generator and energy consumer are assigned their own control unit and at least one pump and shut-off or control devices which are actuated via the respective control unit.
  • These shut-off or regulating devices and their control unit ensure that each energy generator and energy consumer can be individually controlled and operated.
  • energy medium with first or second temperature level can be generated and stored without consuming energy at the same time, or else only consuming it and not generating it.
  • individual can also be switched off, if with these no sufficiently high temperature level can be generated, there is no need or maintenance work to be carried out.
  • the energy producers or energy consumers are assigned additional temperature sensors to determine the temperature of the energy carrier medium.
  • the control and shut-off devices also cold and heat-side volume flows of the two line sections in the flow or return of the power generator or energy consumers can be mixed, so that an optimal, needs-based utilization of energy producers and energy consumers is possible.
  • At least one energy generator can be operated with regenerative energies
  • the energy management system can also be operated in an ecologically favorable manner, it being possible, in particular when using thermal energy, to integrate a solar system.
  • a power generator could also be combined with or integrated into a combined heat and power plant.
  • each of the storage volumes is assigned to a stratified storage container. These are then connected to each other via a storage tank connection line, so that the storage volumes can continue to communicate with each other.
  • a stratification of the energy carrier medium in the stratified charge storage containers is achieved, in particular, by virtue of the fact that lines or line connections leading to the stratified charge storage containers have a sufficiently large cross section at the stratified charge storage containers, so that the incoming and outgoing energy carrier medium is calmed, ie has a laminar flow. Turbulence in the storage volume or stratified storage containers, the shift to and This energy losses are avoided by laminar flow conditions.
  • Second and third temperature levels then have the same or almost the same temperature.
  • the distributor connection line opens to the second storage volume in the storage container connection line.
  • Each of the stratified charge storage containers thus has a total of only two line connections at respectively opposite ends, so that the stratified charge storage containers can be isolated particularly effectively and a predetermined temperature level of the energy carrier medium can be kept as long as possible.
  • the layer charge storage containers are also advantageously thermally decoupled from their footprint to avoid thermal bridges.
  • the storage volumes can also be arranged in a common stratified charge storage container. Stratification with a continuous temperature gradient is then achieved by arranging suitable separating and flow-guiding elements in the stratified-charge storage container which, on the one hand, shield the two storage volumes from one another and, on the other hand, avoid turbulence of the energy-carrying medium at the line connections.
  • At least the circulation system connection to the distribution valve and the storage volume Temperature sensors are assigned, which are connected to a control unit of the distribution valve.
  • a plurality of temperature sensors are to be arranged in the stratified charge storage container (s), wherein at least the temperatures at the ends of the storage volumes which are defined with the first, second and third temperature levels are detected.
  • a temperature sensor is associated with at least each line connection of the stratified storage tank.
  • the device for buffer storage ng of cooling or heat energy can be extended to the effect that at least one additional storage volume is connected and each additional storage volume is assigned a further temperature level.
  • the additional storage volume is preferably assigned to a further layer charge storage container.
  • the further, third storage volume is then, corresponding to the second to the first storage volume, connected to the second storage volume, wherein the third storage volume is associated with the circulatory system connection of the second storage volume.
  • the distribution valve either has another outlet, i. H. the distribution valve is associated with a further distribution connection line to the third storage volume, or it is to provide a further distribution valve in one of the distribution connection lines to the first or second storage volume to control the third storage volume.
  • the third temperature level is then present at the ends on the one hand and a fourth temperature level on the other hand, with the second and third storage volumes being connected to one another at the ends
  • Temperature level is assigned.
  • the circulatory system port is located at the fourth temperature level end.
  • a particularly compact design of the device can be achieved in that the storage volumes are arranged one above the other in a predetermined installation position.
  • storage volumes arranged one above the other facilitate a temperature-dependent stratification of the energy carrier.
  • At least one of the distributor connection lines to the first and / or the second storage volume may also be connected to at least one further circuit.
  • This further circuit can be operated separately from the circuit of the entire energy management system on the distribution valve, wherein the energy carrier medium is either removed or supplied via this further circuit.
  • Such a connection thus offers the possibility of providing a further energy consumer or energy generator.
  • This energy consumer is, for example, a heat exchanger of a hot water treatment plant, which is preferably connected to a port on the distribution line to the first storage volume to take advantage of the higher temperature level. The energy carrier medium is then returned by the energy consumer with a third temperature level via the circulatory system connection to the second storage volume again.
  • the energy carrier medium with the first temperature level from the first storage volume can be used independently of the rest of the circulatory system, while, for example, the second storage volume is loaded via the distribution valve at the same time either with energy carrier medium or energy carrier medium is removed from this.
  • a power generator may be arranged, in particular if it constantly generates heat at a predetermined temperature level, which is either above the first or at least above the second temperature level. This energy generator can then be integrated into the energy management system in a particularly simple manner in terms of control and regulation, so that the overall costs for this are reduced.
  • Each additional circuit has either a power generator or energy consumer.
  • the distributor valve is arranged on the heat side to the storage volume, the first temperature level higher than or equal to the second temperature level and the second temperature level higher than or equal to the third temperature level.
  • the first temperature level is then also the total highest temperature of the energy carrier medium, while the third temperature level represents the lowest total temperature of the energy carrier medium in the device.
  • the distributor connection lines are to be arranged at the heat-side arranged distribution valve to in the predetermined installation position upper ends of the storage volumes.
  • a device with a heat-side distribution valve thus serves to provide heat energy, wherein heat at a higher first temperature level and a lower second temperature level for example, a heating system and a hot water treatment can be used.
  • the distribution valve can also be arranged on the cold side to the storage volume, so that the first temperature level represents the lowest total temperature and the third temperature level represents the highest total temperature.
  • the first temperature level is lower than or equal to the second temperature level and the second temperature level lower than or equal to the third temperature level.
  • the first storage volume is then to be arranged below the second storage volume, and the distribution connection lines are at the lower end in the predetermined installation position
  • a device with a distribution board arranged on the cold side is particularly suitable for companies in which several refrigeration circuits with different temperature levels have to be operated.
  • the invention comprises a method for operating the energy management system with the device for buffer storage of refrigeration or heat energy.
  • this method of operating the energy management system is characterized in that an energy carrier medium is brought to a first or second temperature level, that the energy carrier medium with the first or second temperature level is used as needed, that unused energy carrier medium is stored, that the energy carrier medium with the first temperature level for storage is first introduced into a first storage volume, wherein the energy medium is displaced from this into a second storage volume, that as soon as the first storage volume completely the first temperature level, energy medium with first or at least second temperature level is introduced directly into the second storage volume in that energy is transferred from the second storage volume to a third temperature level during either the first or the second storage volume is loaded with energy carrier medium, and is supplied to the power generation, and that, when the demand for energy medium with first or second temperature level exceeds its generation, from the first storage volume energy medium with the first temperature level or from the second storage volume with the second temperature level is removed.
  • energy carrier medium with a suitable storage energy flows and amounts of energy are optimally utilized and used. Not or additionally required energy carrier medium with the first or second temperature level is either supplied to the storage volume or removed from this. Energy carrier medium that does not have at least the first or second temperature level is not stored. At least stored and stored energy carrier medium advantageously has calmed, ie laminar flow conditions, so that the stratification of the energy carrier medium in the storage volume not is affected by flow turbulences and unnecessary energy losses are avoided, in particular, has incoming and outgoing energy carrier medium a Reynolds number less than 2320 on. Depending on the number of storage volumes, energy carrier medium with different temperature levels can be provided, with an additional temperature level being available for each additional storage volume. In this case, an additional circuit is provided per temperature level, wherein each circuit is assigned a predetermined temperature level, which is tuned to the respective use. A preferred
  • the energy carrier medium in one of these cycles in the production of heat energy is that energy carrier medium with the first temperature level removed from the first storage volume and used for hot water treatment.
  • the lower, second temperature level is often sufficient, so that the energy carrier medium can advantageously also be brought to this temperature level or also the first temperature level by means of regenerative energies.
  • the generation of at least the second temperature level is thus particularly environmentally friendly.
  • the second temperature level is gradually adjusted to the first temperature level, and that the second storage volume is completely charged with each step, wherein the third temperature level after each step has a temperature equal to the second temperature level.
  • the number and temperature difference of the steps until reaching the first temperature level are determined and adjusted depending on the available temperature and quantity of the energy carrier medium of the highest efficiency.
  • the entire storage volume is gradually increased to a higher temperature at heat energy to be stored, or a lower temperature is stored at the refrigeration energy to be stored until a technically conditioned limit value is reached. level is reached.
  • a technically conditioned threshold level is a temperature which, depending on whether heating or cooling energy is to be stored, designates the maximum or lowest temperature that can be generated by the energy generators in the energy management system.
  • Fig. 1 a process flow diagram of an inventive
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of a
  • Schichtlade angles areers a front direction for storing heat energy in longitudinal section
  • the process flow diagram in FIG. 1 shows two layered charge storage containers 1, 2, to each of which a storage volume 3, 4 is assigned. These stratified charge storage containers 1, 2 are connected to each other via a storage container connection line 5, so that the storage volumes 3, 4 can communicate with each other. Furthermore, the stratified charge storage containers 1, 2 associated with a distribution valve 6, which is connected via manifold connecting lines 7, 8 with the stratified storage containers 1, 2. From the distributor valve 6, the distributor connection line 7 leads to the stratified charge storage container 1 and the distributor connection line 8 to the stratified charge storage container 2. The distributor connection line 8 to the second layered charge storage container 2 opens together with the storage container connection line 5 into the layered charge storage container 2.
  • the distributor valve 6 is arranged on the heat side to the stratified charge storage containers 1, 2 and the storage volume 3, 4, so that the process flow diagram shown in FIG. 1 shows an energy management system for the provision of heat energy.
  • Circuit system connections 14, 15, which connect the layer charge storage containers 1, 2 to energy producers 9, 10, 11 and energy consumers 12, 13, are also provided on the distribution valve 6 and the second layer charge storage container 2.
  • Both the storage tank connection line 5 and the distribution connection lines 7, 8 and the circulation system connection 15 on the layered charge storage container 2 are respectively arranged at ends 16, 17, 18, 19 of the stratified storage containers 1, 2 or storage volume 3, 4, wherein the
  • Ends 16, 17, 18, 19 are associated with three temperature levels.
  • the ends 17, 18 associated with the storage container connection line 5 have a second temperature level
  • the power generators 9, 10, 1 1 and energy consumers 12, 13 are in their flow and return respectively associated with at least one pump 20 and Absperrund control devices 21, with which the respective power generator 9, 10, 1 1 and energy consumers 12, 13 individually controlled and can be regulated.
  • the power generator 1 1 is designed as a solar system.
  • all energy generators 9, 10, 11 and energy consumers 12, 13 are connected to one another via a line section 22 designed as a hot water line and a line section 23 designed as a cold water line, the line section 22 being connected to the circulating line.
  • system connection 14 of the distribution valve 6 and the line section 23 is connected to the circulation system connection 15 at the layer charge storage container 2.
  • the energy generator 9, 10, 1 1 are each connected to a return and the energy consumers 12, 13 each connected with a flow to a common line section 22a, which represents a branched part of the entire line section 22.
  • the power generators 9, 10, 1 1 are connected to a flow and the energy consumers 12, 13 with a return to a common line section 23 a, which in turn represents a branched part of the entire line section 23.
  • the energy generator 9, 10, 1 1 and the energy consumers 12, 13 can thus communicate directly with each other without the inclusion of the storage volume.
  • an energy medium flowing in it can either flow directly from a power generator 9, 10, 1 1 to an energy consumer 12, 13 or be stored in one of the storage volumes 3, 4 in the line section 22 as required when less energy is needed than generated. Whether energy storage medium is stored in the storage volume 3 or in the storage volume 4 depends on its temperature level. If this is higher than or equal to the first temperature level at the end 16, storage volume 3 is loaded. Is this lower or storage volume 3 completely charged at the first temperature level, storage volume 4 is loaded when at least the second temperature level is reached. At the same time then flows out of the
  • a second operating state more energy is required than can be provided, so that energy carrier medium flows from one of the storage volumes 3, 4 via the line section 22 to the energy consumers, while via the line section 23 the energy carrier medium third temperature level in the stratified storage tank 2 and the storage volume 4 flows back.
  • the storage volume 3 can be fluidly decoupled both in the first and in the second operating state, so that an energy reserve can be kept ready for a further application.
  • a further connection 24 is provided at the distributor connection line 7 to the layer charge storage container 1, to which a heat exchanger 25 of a hot water treatment plant is connected, wherein return from the heat exchanger 25 is supplied to the line section 23.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the energy management system that corresponds in its functions to FIG. 1.
  • two layer charge storage containers 1, 2 are provided with storage volume 3, 4, which are provided with the corresponding connections and a distribution valve 6 and interconnected.
  • the layer charge storage containers 1, 2 are arranged one above the other in a predetermined installation position, so that a particularly simple stratification of the energy carrier medium in the layer charge storage containers 1, 2 is made possible and the layer charge storage containers 1, 2 have a particularly compact installation form.
  • the stratified charge storage container 1 is arranged above the stratified charge storage container 2.
  • At the upper end 16 is thus the first temperature level with the highest total temperature, while the lower end 19 has the third temperature level and the lowest total temperature.
  • the line sections 22, 23 open into a distributor strip 26 to which a power generator 9 and an energy consumer 12 are connected, the power generator 9 having a heat exchanger 27.
  • the storage volumes 3, 4 are integrated into a common stratified charge storage container 28, wherein a separating element 29 is arranged between the storage volumes 3, 4. This has a centrally disposed opening 30 through which the storage volume 3, 4 with each other to be able to communicate.
  • the two manifold connection lines 7, 8 and the circulatory system connection 15 are provided on the layer charge storage container 28, wherein the distribution connection line 7 and the circulation system connection 15 are respectively arranged at opposite end regions of the layer charge storage container 28.
  • the distribution connection line 8 is connected centrally in the height of the separating element 29 and opens into the storage volume 4. In order to avoid flow-induced turbulence of the energy carrier medium, the junction region of the distribution connection line 8 is shielded with a flow guide 31.
  • This flow-guiding element 31 is arranged perpendicular to the separating element 29 in the stratified-charge storage container 28 and, as can be seen in particular from FIG. 4, separates a circular segment, so that inflowing and outflowing energy-carrying medium produces as little turbulence as possible.
  • the representations shown in FIG. 1, in FIG. 2 and in FIG. 3 are to be modified in such a way that the distribution valve 6 with the distribution connection lines 7, 8 is connected to the layered charge storage containers 1, 2 in a predetermined installation position at lower ends is, so that the first temperature level below the second and the second temperature level is disposed below the third temperature level.

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Description

Energiemanagementsystem zur Pufferspeicherung von Kälte- oder Wärmeenergie und Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems
Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem mit wenigstens einem Energieverbraucher und wenigstens einem Energieerzeuger, denen in einem Kreislaufsystem eine Vorrichtung zur Pufferspeicherung von Wärme- oder Kälteenergie zugeordnet ist, die wenigstens zwei miteinander kommunizierende Speichervolumen aufweist, denen ein gemeinsames Verteilerventil zugeordnet ist, von dem zu jedem Speichervolumen eine Verteileranschlussleitung führt, wobei einem ersten und einem zweiten Speichervolumen an einander entgegengesetzten Enden der Speichervolumen zusammen wenigstens drei Temperaturniveaus zugeordnet sind, dem ersten Speichervolumen ein erstes und ein zweites Temperaturniveau zugeordnet ist und dem zweiten Speichervolumen das zweite und ein drittes Temperaturniveau zugeordnet ist, die beiden Speichervolumen jeweils an den Enden mit dem zweiten, gleichen Temperaturniveau miteinander verbunden sind, die Verteileranschlussleitung zum ersten Speichervolumen an das Ende mit dem ersten Temperaturniveau und die Verteileranschlussleitung zum zweiten Speichervolumen an das Ende mit dem zweiten Temperaturniveau angesetzt ist und das Ende des zweiten Speichervolumens mit dem dritten Temperaturniveau sowie das Verteilerventil jeweils einen Kreislaufsystem- anschluss aufweisen. Weiter betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Eine Pufferspeicherung von Wärme- oder Kälteenergie ist vor allem dann nötig, wenn diese unregelmäßig erzeugt und/oder verbraucht wird, um Schwankungen bei Erzeugung und Verbrauch ausgleichen zu können. In Warmwasseraufbereitungsanlagen dienen Pufferspeicher daher zumeist dazu, aufgeheiztes Wasser mit einem bestimmten Temperaturniveau über einen längeren Zeitraum vorzuhalten. Eine derartige Warmwasseraufbereitungsanlage geht beispielsweise aus der DE 102 01 396 A1 hervor, bei der ein Schichtladespeicherbehälter mit einem Solarspeicher kombiniert ist, über den das Speichervolumen im Schichtladespeicherbehälter aufgeladen, d. h. aufgeheizt, wird. Aus der DE 10 2008 009 285 B3 ist eine weitere
Vorrichtung zur Pufferspeicherung von Wärmeenergie bekannt. Diese Vorrichtung weist ein Schichtladespeichersystem mit zwei Speichervolumen in einem gemeinsamen Schichtladespeicherbehälter auf, denen kaltes Wasser zugeführt und gleichzeitig Warmwasser entnommen wird. Um Warmwasser bereitstellen zu können, weist das Schichtladespeichersystem einen von der
Nutzung des Warmwassers getrennten Heizkreislauf mit einem Wärmeerzeuger auf, wobei dem Heizkreislauf ein Verteilerventil zugeordnet ist, von dem zu jedem Speichervolumen eine Verteileranschlussleitung führt. Aufgeheiztes Warmwasser kann daher gezielt einem der Speichervolumen zuge- führt werden, jedoch nur mit einem Temperaturniveau entnommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energiemanagementsystem mit einem Pufferspeicher zu schaffen, das eine optimierte Energiespeicherung sowie eine Versorgung mehrerer Abnehmer bzw. Energieverbraucher mit unter- schiedlichen Temperaturniveaus ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Energiemanagementsystem gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 16. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteran- Sprüchen angegeben. Das Energiemanagementsystem mit wenigstens einem Energieverbraucher und wenigstens einem Energieerzeuger, denen in einem Kreislaufsystem eine Vorrichtung zur Pufferspeicherung von Wärme- oder Kälteenergie zugeordnet ist, die wenigstens zwei miteinander kommunizierende Speichervolumen aufweist, denen ein gemeinsames Verteilerventil zugeordnet ist, von dem zu jedem Speichervolumen eine Verteileranschlussleitung führt, wobei einem ersten und einem zweiten Speichervolumen an einander entgegengesetzten Enden der Speichervolumen zusammen wenigstens drei Temperaturniveaus zugeordnet sind, dem ersten Speichervolumen ein erstes und ein zweites Temperaturniveau zugeordnet ist und dem zweiten Speichervolumen das zweite und ein drittes Temperaturniveau zugeordnet ist, die beiden Speichervolumen jeweils an den Enden mit dem zweiten, gleichen Temperaturniveau miteinander verbunden sind, die Verteileranschlussleitung zum ersten Speichervolumen an das Ende mit dem ersten Temperaturniveau und die Verteileranschlussleitung zum zweiten Speichervolumen an das Ende mit dem zweiten Temperaturniveau angesetzt ist und das Ende des zweiten Speichervolumens mit dem dritten Temperaturniveau sowie das Verteilerventil jeweils einen Kreislaufsystemanschluss aufweisen, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass Energieverbraucher und Energieerzeuger sowohl mit den Kreislaufsystemanschlüssen der Vorrichtung zur Pufferspeicherung als auch untereinander verbunden sind.
Mit dem Energieerzeuger wird Kälte- oder Wärmeenergie erzeugt, die je nach Bedarf vom Energieverbraucher genutzt oder in der Vorrichtung gespeichert werden kann, wobei das Energieträgermedium über entsprechend verzweigte
Leitungsabschnitte zwischen Energieerzeuger, Energieverbraucher und Vorrichtung zur Pufferspeicherung hin und her strömen kann. Insbesondere sind der Energieverbraucher und der Energieerzeuger dabei einerseits mit dem Kreislaufsystemanschluss des Verteilerventils und andererseits mit dem Kreislaufsystemanschluss des zweiten Speichervolumens verbunden. Über das Verteilerventil und die zu den jeweiligen Speichervolumen führenden Verteileranschlussleitungen können die Speichervolumen einzeln angesteuert werden. Speichervolumen, Verteileranschlussleitungen sowie das an die Vorrichtung angeschlossene Kreislaufsystem sind dabei während des Betriebs der Vorrichtung vollständig mit einem Energieträgermedium befüllt, das in den Speichervolumen die unterschiedlichen Temperaturniveaus aufweist. Je nachdem, ob Energie mit einem vorbestimmten Temperaturniveau gespeichert werden soll oder benötigt wird, kann den Speichervolumen dann Energieträgermedium über das Verteilerventil zugeführt bzw. entnommen werden. Dazu wird mit dem Verteilerventil entweder das erste oder das zweite
Speichervolumen direkt angesteuert, wobei, wenn das erste Speichervolumen mit Energieträgermedium auf erstem Temperaturniveau beladen wird, gleichzeitig auch Energieträgermedium mit dem zweiten Temperaturniveau aus dem ersten Speichervolumen in das zweite Speichervolumen verdrängt wird. Wird das zweite Speichervolumen direkt angesteuert, verbleibt das erste Speichervolumen in Ruhe, wodurch für einen langen Zeitraum das jeweilige Temperaturniveau im ersten Speichervolumen vorgehalten werden kann. Eine direkte Ansteuerung des zweiten Speichervolumens erfolgt vor allem dann, wenn das erste Speichervolumen vollständig auf erstem Temperaturniveau durchgeladen ist oder wenn das dem Verteilerventil zugeführte Energieträgermedium nicht das erste Temperaturniveau erreicht, d. h. bei zu speichernder Wärmeenergie unterhalb und bei zu speichernder Kälteenergie oberhalb des ersten Temperaturniveaus liegt. Mindestens weist zu speicherndes Energieträgermedium jedoch das zweite Temperaturniveau auf. Dabei wird sowohl beim Ansteuern des ersten als auch beim Ansteuern des zweiten Speichervolumens über den Kreislaufsystemanschluss des zweiten Speichervolumens Energieträgermedium mit dem dritten Temperaturniveau aus diesem verdrängt. Beim Entnehmen von Energieträgermedium kann in Abhängigkeit davon, welches Temperaturniveau benötigt wird, entweder das erste oder das zweite Speichervolumen angesteuert werden, wobei wiederum die Möglichkeit besteht, das erste Speichervolumen als Reserve nicht einzubeziehen, insbesondere wenn Energieträgermedium mit zweitem Temperaturniveau ausreichend ist. Wird Energieträgermedium aus dem ersten Speichervolumen entnommen, ergibt sich, wie beim Beladen des ersten Speichervolumens, eine Reihenschaltung der miteinander kommunizierenden Speichervolumen, so dass auf das erste Speichervolumen nicht getrennt vom zweiten Speichervolumen zugegriffen werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeder Energie- erzeuger mit wenigstens einem Vorlauf über einen gemeinsamen Leitungsabschnitt mit wenigstens einem Rücklauf jedes Energieverbrauchers und jeder Energieverbraucher mit wenigstens einem Vorlauf über einen gemeinsamen Leitungsabschnitt mit wenigstens einem Rücklauf jedes Energieerzeugers verbunden ist. Somit besteht ein verzweigter Leitungsabschnitt, der dem Kreislaufsystemanschluss des Verteilerventils zugeordnet ist und ein verzweigter Leitungsabschnitt, der dem Kreislaufsystemanschluss des zweiten Speichervolumens zugeordnet ist. Der gemeinsame Leitungsabschnitt bezieht sich dabei insbesondere auf den jeweils verzweigten Teil des verzweigten Leitungsabschnitts, der Energieerzeuger und Energieverbraucher miteinander verbindet, ohne dass die Speichervolumen einbezogen werden.
Über den Leitungsabschnitt, der dem Kreislaufsystemanschluss des Verteilerventils zugeordnet ist, kann dem Energieverbraucher Energieträgermedium mit erstem oder zweitem Temperaturniveau zugeführt werden und/oder vom Energieerzeuger abgeführt werden. Die Speichervolumen werden nur dann mit einbezogen, wenn Verbrauch und Erzeugung voneinander abweichen. Über den Leitungsabschnitt der dem Kreislaufsystemanschluss des zweiten Speichervolumens zugeordnet ist, kann dem Energieerzeuger Energieträgermedium mit drittem Temperaturniveau zugeführt werden oder vom Ver- braucher abgeführt werden. Dadurch, dass das Energieträgermedium in dem Energiemanagementsystem im Kreis geführt wird, weisen die Leitungsabschnitte während des Betriebs immer gleiche Volumenströme auf, wobei die Volumenströme in den Leitungsabschnitten in entgegengesetzter Richtung strömen, d. h. beispielsweise in einem Leitungsabschnitt zur Vorrichtung zur Pufferspeicherung hin und im anderen Leitungsabschnitt von der Vorrichtung weg.
Alle untereinander verbundenen Energieerzeuger und Energieverbraucher sind dabei vorteilhafterweise über einen, insbesondere einen einzigen, als Warmwasserleitung ausgebildeten Leitungsabschnitt und einen, insbesondere einen einzigen, als Kaltwasserleitung ausgebildeten Leitungsabschnitt an die Kreislaufsystemanschlüsse der Vorrichtung zur Pufferspeicherung von Wärme- oder Kälteenergie angeschlossen. Die Speichervolumen können damit auf besonders einfache Weise mit nur zwei Kreislaufsystemanschlüssen in das Energiemanagementsystem eingebunden werden. Die Leitungsabschnitte der Warmwasserleitung und der Kaltwasserleitung müssen sich mit Vorteil erst im Bereich des gemeinsamen Leitungsabschnitts der Energieerzeuger und Energieverbraucher verzweigen, so dass zudem möglichst wenig Leitungsmaterial benötigt wird.
Damit eine zielgerichtete Steuerung des in dem Kreislaufsystem des Energiemanagementsystems strömenden Energieträgermediums gewährleistet ist, ist vorgesehen, dass jedem Energieerzeuger und Energieverbraucher eine eigene Steuereinheit sowie wenigstens eine Pumpe und Absperr- bzw. Regeleinrichtungen zugeordnet sind, die über die jeweilige Steuereinheit betätigt werden. Diese Absperr- bzw. Regeleinrichtungen und deren Steuereinheit gewährleisten, dass jeder Energieerzeuger und Energieverbraucher einzeln angesteuert und betrieben werden kann. So kann zum Beispiel Energieträgermedium mit erstem oder zweitem Temperaturniveau erzeugt und gespeichert werden, ohne dass gleichzeitig Energie verbraucht wird, oder aber nur verbraucht und nicht erzeugt werden. Bei mehreren Energieerzeugern können einzelne zudem abgeschaltet werden, wenn mit diesen kein ausreichend hohes Temperaturniveau erzeugbar ist, kein Bedarf besteht oder Wartungsarbeiten durchzuführen sind. Dazu sind den Energieerzeugern bzw. Energieverbrauchern zusätzliche Temperatursensoren zuzuordnen, um die Temperatur des Energieträgermediums zu ermitteln. Mit den Regel- und Absperreinrichtungen können zudem kälte- und wärmeseitige Volumenströme der beiden Leitungsabschnitte im Vor- bzw. Rücklauf der Energieerzeuger bzw. Energieverbraucher gemischt werden, so dass eine optimale, bedarfsgerechte Auslastung der Energieerzeuger und Energieverbraucher ermöglicht ist.
Ist wenigstens ein Energieerzeuger mit regenerativen Energien betreibbar, kann das Energiemanagementsystem zudem ökologisch günstig betrieben werden, wobei, insbesondere bei Nutzung von Wärmeenergie, eine Solaranlage eingebunden werden kann. Bei der Bereitstellung von Wärmeenergie könnte ein Energieerzeuger zudem mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kombiniert bzw. in diese integriert werden.
Um die Speichervolumen einzeln ansteuern zu können und Beeinträchtigungen der Speichervolumen untereinander zu vermeiden, ist vorge- sehen, dass jedes der Speichervolumen einem Schichtladespeicherbehälter zugeordnet ist. Diese sind dann über eine Speicherbehälterverbindungsleitung miteinander verbunden, so dass die Speichervolumen weiterhin miteinander kommunizieren können. Eine Schichtung des Energieträgermediums in den Schichtladespeicherbehältern wird insbesondere dadurch erreicht, dass in die Schichtladespeicherbehälter einmündende Leitungen bzw. Leitungsanschlüsse an den Schichtladespeicherbehältern einen ausreichend großen Querschnitt aufweisen, so dass ein- und ausströmendes Energieträgermedium beruhigt ist, d. h. eine laminare Strömung aufweist. Verwirbelungen in den Speichervolumen bzw. Schichtladespeicherbehältern, die zu Umschichtungen und damit Energieverlusten führen, sind durch laminare Strömungsverhältnisse vermieden.
Aufgrund der Schichtung stellt sich in den Speichervolumen bzw. Schicht- ladespeicherbehältern ein durchgehender Temperaturgradient vom ersten zum dritten Temperaturniveau ein, wobei dieser Temperaturgradient bei vollständig geladenen Speichervolumen minimal ist. Erstes, zweites und drittes Temperaturniveau weisen dann die gleiche bzw. nahezu gleiche Temperatur auf.
Weiter ist vorgesehen, dass die Verteileranschlussleitung zum zweiten Speichervolumen in die Speicherbehälterverbindungsleitung einmündet. Jeder der Schichtladespeicherbehälter weist somit insgesamt nur zwei Leitungsanschlüsse an jeweils entgegengesetzten Enden auf, so dass die Schicht- ladespeicherbehälter besonders effektiv isoliert werden können und ein vorbestimmtes Temperaturniveau des Energieträgermediums möglichst lange gehalten werden kann. Auch sind die Schichtladespeicherbehälter hierzu vorteilhafterweise thermisch von deren Standfläche entkoppelt, um Wärmebrücken zu vermeiden.
Alternativ können die Speichervolumen auch in einem gemeinsamen Schichtladespeicherbehälter angeordnet sein. Eine Schichtung mit durchgehendem Temperaturgradient wird dann dadurch erreicht, dass in den Schichtladespeicherbehälter geeignete Trenn- und Strömungsleitelemente angeordnet sind, die einerseits die beiden Speichervolumen voneinander abschirmen und andererseits Verwirbelungen des Energieträgermediums an den Leitungsanschlüssen vermeiden.
Um die Temperaturen des Energieträgermediums in dem oder den Schicht- ladespeicherbehältern zu ermitteln und das Verteilerventil in Abhängigkeit von den Temperaturen steuern zu können, ist vorgesehen, dass zumindest dem Kreislaufsystemanschluss am Verteilerventil sowie den Speichervolumen Temperatursensoren zugeordnet sind, die mit einer Steuereinheit des Verteilerventils verschaltet sind. Insbesondere sind dafür mehrere Temperatursensoren in dem oder den Schichtladespeicherbehältern anzuordnen, wobei zumindest die Temperaturen an den Enden der Speichervolumen erfasst werden, die mit dem ersten, zweiten und dritten Temperaturniveau definiert sind. Damit ist zumindest jedem Leitungsanschluss der Schichtladespeicherbehälter ein Temperatursensor zugeordnet.
Zudem kann die Vorrichtung zur Pufferspeichern ng von Kälte- oder Wärme- energie dahingehend erweitert werden, dass wenigstens ein weiteres Speichervolumen angeschlossen ist und jedem zusätzlichen Speichervolumen ein weiteres Temperatumiveau zugeordnet ist. Dabei ist das weitere Speichervolumen vorzugsweise einem weiteren Schichtladespeicherbehälter zugeordnet. Das weitere, dritte Speichervolumen ist dann, entsprechend dem zweiten an das erste Speichervolumen, an das zweite Speichervolumen angeschlossen, wobei dem dritten Speichervolumen der Kreislaufsystemanschluss des zweiten Speichervolumens zugeordnet ist. Das Verteilerventil weist entweder einen weiteren Ausgang auf, d. h. dem Verteilerventil ist eine weitere Verteileranschlussleitung zum dritten Speichervolumen zugeordnet, oder es ist ein weiteres Verteilerventil in einer der Verteileranschlussleitungen zum ersten oder zweiten Speichervolumen vorzusehen, um das dritte Speichervolumen anzusteuern. In dem weiteren Speichervolumen liegen an dessen Enden dann einerseits das dritte Temperaturniveau und andererseits ein viertes Temperaturniveau vor, wobei das zweite und das dritte Speicher- volumen an den Enden miteinander verbunden sind, denen das dritte
Temperaturniveau zugeordnet ist. Der Kreislaufsystemanschluss ist an dem Ende mit viertem Temperaturniveau angeordnet.
Eine besonders kompakte Bauform der Vorrichtung ist dadurch erreichbar, dass die Speichervolumen in einer vorbestimmten Einbauposition übereinander angeordnet sind. Zudem erleichtern übereinander angeordnete Speichervolumen eine temperaturabhängige Schichtung des Energieträger- mediums in den Speichervolumen, wobei Leitungsanschlüsse jeweils an einem oberen und einem unteren Ende vorgesehen sind. Die Temperatur eines in den Speichervolumen gespeicherten Energieträgermediums nimmt dabei von unten nach oben zu.
An wenigstens eine der Verteileranschlussleitungen zum ersten und/oder zum zweiten Speichervolumen kann zudem wenigstens ein weiterer Kreislauf angeschlossen sein. Dieser weitere Kreislauf kann getrennt von dem Kreislauf des gesamten Energiemanagementsystems am Verteilerventil betrieben werden, wobei Energieträgermedium über diesen weiteren Kreislauf entweder entnommen oder zugeführt wird. Ein solcher Anschluss bietet somit die Möglichkeit, einen weiteren Energieverbraucher oder Energieerzeuger vorzusehen. Dieser Energieverbraucher ist beispielsweise ein Wärmetauscher einer Warmwasseraufbereitungsanlage, der vorzugsweise an einen Anschluss an der Verteileranschlussleitung zum ersten Speichervolumen angeschlossen wird, um das höhere Temperaturniveau auszunutzen. Das Energieträgermedium wird dann von dem Energieverbraucher mit drittem Temperaturniveau über den Kreislaufsystemanschluss an dem zweiten Speichervolumen wieder zurückgeführt. Dabei kann das Energieträgermedium mit erstem Temperatur- niveau aus dem ersten Speichervolumen unabhängig vom restlichen Kreislaufsystem genutzt werden, während beispielsweise das zweite Speichervolumen über das Verteilerventil zeitgleich entweder mit Energieträgermedium beladen wird oder Energieträgermedium aus diesem entnommen wird. Auch kann in einem weiteren Kreislauf ein Energieerzeuger angeordnet sein, insbesondere wenn dieser konstant Wärme auf einem vorbestimmten Temperaturniveau erzeugt, welches entweder über dem ersten oder mindestens über dem zweiten Temperaturniveau liegt. Dieser Energieerzeuger kann dann regelungs- und steuerungstechnisch besonders einfach in das Energiemanagementsystem eingebunden werden, so dass die Kosten für dieses insgesamt reduziert sind. Jeder weitere Kreislauf weist dabei entweder einen Energieerzeuger oder Energieverbraucher auf. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Verteilerventil dabei wärmeseitig zu den Speichervolumen angeordnet, das erste Temperaturniveau höher oder gleich dem zweiten Temperaturniveau und das zweite Temperaturniveau höher oder gleich dem dritten Temperaturniveau. Das erste Temperaturniveau ist dann gleichzeitig die insgesamt höchste Temperatur des Energieträgermediums, während das dritte Temperaturniveau die insgesamt niedrigste Temperatur des Energieträgermediums in der Vorrichtung darstellt. Die Verteileranschlussleitungen sind bei wärmeseitig angeordnetem Verteilerventil an in der vorbestimmten Einbauposition oberen Enden der Speichervolumen anzuordnen. Eine Vorrichtung mit wärmeseitig angeordnetem Verteilerventil dient somit der Bereitstellung von Wärmeenergie, wobei Wärme auf einem höheren ersten Temperaturniveau und einem niedrigeren zweiten Temperaturniveau für beispielsweise eine Heizungsanlage und eine Warm- Wasseraufbereitung genutzt werden kann.
Alternativ dazu kann das Verteilerventil gemäß einer zweiten Ausführungsform auch kälteseitig zu den Speichervolumen angeordnet sein, so dass das erste Temperaturniveau die insgesamt niedrigste Temperatur und das dritte Temperaturniveau die insgesamt höchste Temperatur darstellt. Insbesondere ist das erste Temperaturniveau niedriger oder gleich dem zweiten Temperaturniveau und das zweite Temperaturniveau niedriger oder gleich dem dritten Temperaturniveau. Das erste Speichervolumen ist dann unterhalb des zweiten Speichervolumens anzuordnen und die Verteileranschluss- leitungen sind an in der vorbestimmten Einbauposition unteren Enden der
Speichervolumen anzuschließen. Eine Vorrichtung mit kälteseitig angeordnetem Verteilerventil eignet sich besonders für Betriebe, in denen mehrere Kältekreisläufe mit unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben werden müssen.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems mit der Vorrichtung zur Pufferspeicherung von Kälte- oder Wärmeenergie. Erfindungsgemäß zeichnet sich dieses Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems dadurch aus, dass ein Energieträgermedium auf ein erstes oder zweites Temperaturniveau gebracht wird, dass das Energieträgermedium mit dem ersten oder zweiten Temperatur- niveau bei Bedarf genutzt wird, dass nicht genutztes Energieträgermedium gespeichert wird, dass das Energieträgermedium mit erstem Temperaturniveau zur Speicherung zuerst in ein erstes Speichervolumen eingeleitet wird, wobei Energieträgermedium aus diesem in ein zweites Speichervolumen verdrängt wird, dass, sobald das erste Speichervolumen vollständig das erste Temperaturniveau aufweist, Energieträgermedium mit erstem oder wenigstens zweitem Temperaturniveau direkt in das zweite Speichervolumen eingeleitet wird, dass während entweder das erste oder das zweite Speichervolumen mit Energieträgermedium beladen wird, aus dem zweiten Speichervolumen Energieträgermedium mit einem dritten Temperaturniveau entnommen wird und der Energieerzeugung zugeführt wird, und dass, wenn der Bedarf an Energieträgermedium mit erstem oder zweitem Temperaturniveau dessen Erzeugung übersteigt, aus dem ersten Speichervolumen Energieträgermedium mit dem ersten Temperaturniveau oder aus dem zweiten Speichervolumen mit dem zweiten Temperaturniveau entnommen wird.
Durch das Zusammenwirken von Erzeugung und Nutzung des Energieträgermediums mit einer geeigneten Speicherung werden Energieströme und Energiemengen optimal verwertet und genutzt. Nicht oder zusätzlich benötigtes Energieträgermedium mit erstem oder zweitem Temperaturniveau wird dabei entweder den Speichervolumen zugeführt oder aus diesen entnommen. Energieträgermedium, das nicht wenigstens das erste oder zweite Temperaturniveau aufweist, wird nicht gespeichert. Zumindest zu speicherndes und gespeichertes Energieträgermedium weist vorteilhafterweise beruhigte, d. h. laminare Strömungsverhältnisse auf, so dass die Schichtung des Energieträgermediums in den Speichervolumen nicht durch strömungsbedingte Verwirbelungen beeinträchtigt wird und unnötige Energieverluste vermieden sind, insbesondere weist ein- und ausströmendes Energieträgermedium eine Reynoldszahl kleiner 2320 auf. In Abhängigkeit von der Anzahl der Speichervolumen kann Energieträgermedium mit verschiedenen Temperaturniveaus bereitgestellt werden, wobei je zusätzlichem Speichervolumen ein zusätzliches Temperaturniveau zur Verfügung steht. Dabei ist je Temperaturniveau ein zusätzlicher Kreislauf vorzusehen, wobei jedem Kreislauf ein vorbestimmtes Temperaturniveau zugeordnet ist, das auf die jeweilige Nutzung abgestimmt ist. Eine bevorzugte
Nutzung des, Energieträgermediums in einem dieser Kreisläufe bei Erzeugung von Wärmeenergie besteht beispielsweise darin, dass Energieträgermedium mit erstem Temperaturniveau aus dem ersten Speichervolumen entnommen und zur Warmwasseraufbereitung genutzt wird. Für Heizungsanlagen reicht häufig das niedrigere, zweite Temperaturniveau aus, so dass das Energieträgermedium vorteilhafterweise auch mittels regenerativer Energien auf dieses Temperaturniveau oder auch das erste Temperaturniveau gebracht werden kann. Die Erzeugung zumindest des zweiten Temperaturniveaus ist somit besonders umweltschonend.
Weiter ist vorgesehen, dass das zweite Temperaturniveau schrittweise an das erste Temperaturniveau angeglichen wird, und dass das zweite Speichervolumen mit jedem Schritt vollständig durchgeladen wird, wobei das dritte Temperaturniveau nach jedem Schritt eine Temperatur gleich dem zweiten Temperaturniveau aufweist. Anzahl und Temperaturdifferenz der Schritte bis zum Erreichen des ersten Temperaturniveaus werden in Abhängigkeit von der verfügbaren Temperatur und Menge des Energieträgermediums der höchsten Effizienz folgend, bestimmt und angepasst. Danach, wenn erstes, zweites und drittes Temperaturniveau die gleiche Temperatur aufweisen, wird das gesamte Speichervolumen schrittweise auf eine höhere Temperatur bei zu speichernder Wärmeenergie angehoben oder eine niedrigere Temperatur bei zu speichernder Kälteenergie abgesenkt, bis ein technisch bedingtes Grenz- niveau erreicht ist. Als technisch bedingtes Grenzniveau wird dabei eine Temperatur bezeichnet, die je nachdem, ob Wärme- oder Kälteenergie gespeichert werden soll, die mit den Energieerzeugern maximal erzeugbare höchste oder niedrigste Temperatur in dem Energiemanagementsystem bezeichnet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 : ein Verfahrensfließbild eines erfindungsgemäßen
Energiemanagementsystems;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Energiemanagementsystems in perspektivischer Ansicht;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
Schichtladespeicherbehälters einer Vor richtung zur Speicherung von Wärmeenergie im Längsschnitt; und
Fig. 4: einen Querschnitt des Schichtladespeicherbehälters
aus Fig. 3 in der Bezugsebene A-A.
Das Verfahrensfließbild in Fig. 1 zeigt zwei Schichtladespeicherbehälter 1 , 2, denen jeweils ein Speichervolumen 3, 4 zugeordnet ist. Diese Schichtladespeicherbehälter 1 , 2 sind über eine Speicherbehälterverbindungsleitung 5 miteinander verbunden, so dass die Speichervolumen 3, 4 miteinander kommunizieren können. Weiterhin ist den Schichtladespeicherbehältern 1 , 2 ein Verteilerventil 6 zugeordnet, das über Verteileranschlussleitungen 7, 8 mit den Schichtladespeicherbehältern 1 , 2 verbunden ist. Von dem Verteilerventil 6 führt die Verteileranschlussleitung 7 zu dem Schichtladespeicherbehälter 1 und die Verteileranschlussleitung 8 zu dem Schichtladespeicherbehälter 2. Die Verteileranschlussleitung 8 zum zweiten Schichtladespeicherbehälter 2 mündet dabei zusammen mit der Speicherbehälterverbindungsleitung 5 in den Schichtladespeicherbehälter 2 ein. Das Verteilerventil 6 ist wärmeseitig zu den Schichtladespeicherbehältern 1 , 2 und den Speichervolumen 3, 4 angeordnet, so dass das in Fig. 1 dargestellte Verfahrensfließbild ein Energiemanagementsystem zur Bereitstellung von Wärmeenergie zeigt. An dem Verteilerventil 6 und dem zweiten Schichtladespeicherbehälter 2 sind zudem Kreislaufsystemanschlüsse 14, 1 5 vorgesehen, die die Schichtladespeicherbehälter 1 , 2 mit Energieerzeugern 9, 10, 1 1 und Energieverbrauchern 12, 13 verbinden.
Sowohl die Speicherbehälterverbindungsleitung 5 als auch die Verteileranschlussleitungen 7, 8 und der Kreislaufsystemanschluss 15 am Schichtladespeicherbehälter 2 sind jeweils an Enden 16, 17, 18, 19 der Schichtlade- Speicherbehälter 1 , 2 bzw. Speichervolumen 3, 4 angeordnet, wobei den
Enden 16, 17, 18, 19 zusammen drei Temperaturniveaus zugeordnet sind. Dem Ende 16, das dem ersten Schichtladespeicherbehälter 1 und der Verteileranschlussleitung 7 zugeordnet ist, ist ein erstes Temperaturniveau zugeordnet, die der Speicherbehälterverbindungsleitung 5 zugeordneten Enden 17, 1 8 weisen ein zweites Temperaturniveau auf und das Ende 19, das dem Kreislaufsystemanschluss 15 am zweiten Schichtladespeicherbehälter 2 zugeordnet ist, weist ein drittes Temperaturniveau auf.
Den Energieerzeugern 9, 10, 1 1 und Energieverbrauchern 12, 13 sind in deren Vor- bzw. Rücklauf jeweils wenigstens eine Pumpe 20 sowie Absperrund Regeleinrichtungen 21 zugeordnet, mit denen die jeweiligen Energieerzeuger 9, 10, 1 1 und Energieverbraucher 12, 13 einzeln angesteuert und geregelt werden können. Der Energieerzeuger 1 1 ist dabei als Solaranlage ausgebildet. Weiter sind alle Energieerzeuger 9, 10, 1 1 und Energiever- braucher 12, 13 über einen als Warmwasserleitung ausgebildeten Leitungsabschnitt 22 und einen als Kaltwasserleitung ausgebildeten Leitungsabschnitt 23 miteinander verbunden, wobei der Leitungsabschnitt 22 an den Kreislauf- systemanschluss 14 des Verteilerventils 6 und der Leitungsabschnitt 23 an den Kreislaufsystemanschluss 15 am Schichtladespeicherbehälter 2 angeschlossen ist. Die Energieerzeuger 9, 10, 1 1 sind dabei jeweils mit einem Rücklauf und die Energieverbraucher 12, 13 jeweils mit einem Vorlauf an einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 22a angeschlossen, der einen verzweigten Teil des gesamten Leitungsabschnitts 22 darstellt. Auf gleiche Weise sind die Energieerzeuger 9, 10, 1 1 mit einem Vorlauf und die Energieverbraucher 12, 13 mit einem Rücklauf an einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 23a angeschlossen, der wiederum einen verzweigten Teil des gesamten Leitungsabschnitts 23 darstellt. Die Energieerzeuger 9, 10, 1 1 und die Energieverbraucher 12, 13 können damit ohne Einbeziehung der Speichervolumen unmittelbar miteinander kommunizieren.
Beim Betrieb des Energiemanagementsystems kann während eines ersten Betriebszustands ein in diesem strömendes Energieträgermedium somit wärmeseitig in dem Leitungsabschnitt 22 je nach Bedarf entweder direkt von einem Energieerzeuger 9, 10, 1 1 zu einem Energieverbraucher 12, 13 strömen oder in einem der Speichervolumen 3, 4 gespeichert werden, wenn weniger Energie benötigt als erzeugt wird. Ob Energieträgermedium im Speichervolumen 3 oder im Speichervolumen 4 gespeichert wird, ist dabei abhängig von dessen Temperaturniveau. Ist dieses höher oder gleich dem ersten Temperaturniveau am Ende 16 wird Speichervolumen 3 beladen. Ist dieses niedriger oder Speichervolumen 3 vollständig auf erstem Temperaturniveau durchgeladen, wird Speichervolumen 4 beladen, wenn wenigstens das zweite Temperaturniveau erreicht wird. Gleichzeitig strömt dann aus dem
Speichervolumen 4 Energieträgermedium über den Leitungsabschnitt 23 zu den jeweiligen Energieerzeugern 9, 10, 1 1.
In einem zweiten Betriebszustand wird mehr Energie benötigt, als bereitge- stellt werden kann, so dass Energieträgermedium aus einem der Speichervolumen 3, 4 über den Leitungsabschnitt 22 zu den Energieverbrauchern strömt, während über den Leitungsabschnitt 23 Energieträgermedium mit drittem Temperaturniveau in den Schichtladespeicherbehälter 2 und das Speichervolumen 4 zurückströmt. Insbesondere kann das Speichervolumen 3 dabei sowohl beim ersten als auch beim zweiten Betriebszustand strömungstechnisch abgekoppelt werden, so dass eine Energiereserve für eine weitere Anwendung bereitgehalten werden kann. Hierzu ist an der Verteileranschlussleitung 7 zum Schichtladespeicherbehälter 1 ein weiterer Anschluss 24 vorgesehen, an den ein Wärmetauscher 25 einer Warmwasseraufbereitungs- anlage angeschlossen ist, wobei Rücklauf aus dem Wärmetauscher 25 dem Leitungsabschnitt 23 zugeführt wird.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Energiemanagementsystems, die in ihren Funktionen der Fig. 1 entspricht. Auch hier sind zwei Schichtladespeicherbehälter 1 , 2 mit Speichervolumen 3, 4 vorgesehen, die mit den entsprechenden Anschlüssen sowie einem Verteilerventil 6 versehen und verschaltet sind. Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind die Schichtladespeicherbehälter 1 , 2 in einer vorbestimmten Einbauposition dabei übereinander angeordnet, so dass eine besonders einfache Schichtung des Energieträgermediums in den Schichtladespeicherbehältern 1 , 2 ermöglicht ist und die Schichtladespeicherbehälter 1 , 2 eine besonders kompakte Einbauform aufweisen. Dabei ist der Schichtladespeicherbehälter 1 über dem Schichtladespeicherbehälter 2 angeordnet. Am oberen Ende 16 liegt somit das erste Temperaturniveau mit der insgesamt höchsten Temperatur vor, während das untere Ende 19 das dritte Temperaturniveau und die insgesamt niedrigste Temperatur aufweist. Die Leitungsabschnitte 22, 23 münden in eine Verteiler- leiste 26 an die ein Energieerzeuger 9 und ein Energieverbraucher 12 angeschlossen sind, wobei der Energieerzeuger 9 einen Wärmetauscher 27 aufweist.
In Fig. 3 und Fig. 4 sind die Speichervolumen 3, 4 in einen gemeinsamen Schichtladespeicherbehälter 28 integriert, wobei zwischen den Speichervolumen 3, 4 ein Trennelement 29 angeordnet ist. Dieses weist eine mittig angeordnete Öffnung 30 auf, über die die Speichervolumen 3, 4 miteinander kommunizieren können. Weiter sind an dem Schichtladespeicherbehälter 28 die zwei Verteileranschlussleitungen 7, 8 und der Kreislaufsystemanschluss 15 vorgesehen, wobei die Verteileranschlussleitung 7 und der Kreislaufsystemanschluss 15 jeweils an einander gegenüberliegenden Endbereichen des Schichtladespeicherbehälters 28 angeordnet sind. Die Verteileranschlussleitung 8 ist mittig in Höhe des Trennelementes 29 angeschlossen und mündet in das Speichervolumen 4. Um strömungsbedingte Verwirbelungen des Energieträgermediums zu vermeiden, ist der Einmündungsbereich der Verteileranschlussleitung 8 mit einem Strömungsleitelement 31 abgeschirmt. Dieses Strömungsleitelement 31 ist senkrecht zu dem Trennelement 29 in dem Schichtladespeicherbehälter 28 angeordnet und trennt, wie insbesondere aus Fig. 4 hervorgeht, ein Kreissegment ab, so dass ein- und ausströmendes Energieträgermedium möglichst wenig Verwirbelungen erzeugt.
Für die Pufferspeicherung von Kälteenergie sind die in Fig. 1 , in Fig. 2 und in Fig. 3 gezeigten Darstellungen derart abzuändern, dass das Verteilerventil 6 mit den Verteileranschlussleitungen 7, 8 in einer vorbestimmten Einbauposition an unteren Enden an die Schichtladespeicherbehälter 1 , 2 angeschlossen ist, so dass das erste Temperaturniveau unterhalb des zweiten und das zweite Temperaturniveau unterhalb des dritten Temperaturniveaus angeordnet ist.

Claims

Patentansprüche Energiemanagementsystem mit wenigstens einem Energieverbraucher (12, 13) und wenigstens einem Energieerzeuger (9, 10, 1 1 ), denen in einem Kreis- laufsystem eine Vorrichtung zur Pufferspeicherung von Wärme- oder Kälteenergie zugeordnet ist, die wenigstens zwei miteinander kommunizierende Speichervolumen (3, 4) aufweist, denen ein gemeinsames Verteilerventil (6) zugeordnet ist, von dem zu jedem Speichervolumen (3, 4) eine Verteileranschlussleitung (7, 8) führt, wobei einem ersten und einem zweiten Speicher- volumen (3, 4) an einander entgegengesetzten Enden (16, 17, 18, 19) der
Speichervolumen (3, 4) zusammen wenigstens drei Temperaturniveaus zugeordnet sind, dem ersten Speichervolumen (3) ein erstes und ein zweites Temperaturniveau zugeordnet ist und dem zweiten Speichervolumen (4) das zweite und ein drittes Temperaturniveau zugeordnet ist, die beiden Speicher- volumen (3, 4) jeweils an den Enden (17, 18) mit dem zweiten, gleichen
Temperaturniveau miteinander verbunden sind, die Verteileranschlussleitung (7) zum ersten Speichervolumen (3) an das Ende (16) mit dem ersten Temperaturniveau und die Verteileranschlussleitung (8) zum zweiten Speichervolumen (4) an das Ende (18) mit dem zweiten Temperaturniveau angesetzt ist und das Ende (19) des zweiten Speichervolumens (4) mit dem dritten Temperaturniveau sowie das Verteilerventil (6) jeweils einen Kreislauf- systemanschluss (14, 15) aufweisen,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass Energieverbraucher (12, 13) und Energieerzeuger (9, 10, 1 1 ) sowohl mit den Kreislaufsystemanschlüssen (14, 15) der Vorrichtung zur Puffer- speicherung als auch untereinander verbunden sind. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Energieverbraucher (12, 13) und der Energieerzeuger (9, 10, 1 1 ) einer- seits mit dem Kreislaufsystemanschluss (14) des Verteilerventils (6) und andererseits mit dem Kreislaufsystemanschluss (15) des zweiten Speichervolumens (4) verbunden sind.
3. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Energieerzeuger (9, 10, 1 1 ) mit wenigstens einem Vorlauf über einen gemeinsamen Leitungsabschnitt (23a) mit wenigstens einem Rücklauf jedes Energieverbrauchers (12, 13) und jeder Energieverbraucher (12, 13) mit wenigstens einem Vorlauf über einen gemeinsamen Leitungsabschnitt (22a) mit wenigstens einem Rücklauf jedes Energieerzeugers (9, 10, 1 1 ) verbunden ist. 4. Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle untereinander verbundenen Energieerzeuger (9, 10, 1 1 ) und Energieverbraucher (12, 13) über einen, insbesondere einen einzigen, als Warmwasserleitung ausgebildeten Leitungsabschnitt (22) und einen, insbesondere einen einzigen, als Kaltwasserleitung ausgebildeten Leitungsabschnitt (23) an die Kreislaufsystemanschlüsse (14, 15) der
Vorrichtung zur Pufferspeicherung von Wärme- oder Kälteenergie angeschlossen sind.
5^ Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Energieerzeuger (9, 10, 1 1 ) und Energieverbraucher (12, 1 3) eine eigene Steuereinheit sowie wenigstens eine Pumpe (20) und Absperr- bzw. Regeleinrichtungen (21 ) zugeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Speichervolumen (3, 4) einem Schichtladespeicherbehälter (1 , 2) zugeordnet ist, wobei die Schichtladespeicherbehälter (1 , 2) über eine Speicherbehälterverbindungsleitung (5) miteinander verbunden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileran- Schlussleitung (8) zum zweiten Speichervolumen (4) in die Speicherbehälter- verbindungsleitung (5) einmündet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervolumen (3, 4) in einem gemeinsamen Schichtladespeicherbehälter angeordnet sind. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres Speichervolumen angeschlossen ist und jedem zusätzlichen Speichervolumen ein weiteres Temperaturniveau zugeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervolumen (3, 4) in einer vorbestimmten Einbauposition übereinander angeordnet sind.
1 1 . Energiemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens eine der Verteileranschlussleitungen (7, 8) und den Kreislaufsystemanschluss (15) des zweiten Speichervolumens (4) wenigstens ein weiterer Kreislauf angeschlossen ist.
12. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem weiteren Kreislauf ein Wärmetauscher (25) einer Warmwasser- aufbereitungsanlage angeordnet ist.
13. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem weiteren Kreislauf ein Energieerzeuger angeordnet ist. 14^ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerventil (6) wärmeseitig zu den Speichervolumen (3, 4) angeordnet ist,
dass das erste Temperaturniveau höher oder gleich dem zweiten Temperaturniveau ist, und
dass das zweite Temperaturniveau höher oder gleich dem dritten Temperaturniveau ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilerventil (6) kälteseitig zu den Speichervolumen (3, 4) angeordnet ist,
dass das erste Temperaturniveau niedriger oder gleich dem zweiten Temperaturniveau ist, und
dass das zweite Temperaturniveau niedriger oder gleich dem dritten Temperaturniveau ist.
Verfahren zum Betreiben des Energiemanagementsystems gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein Energieträgermedium auf ein erstes oder zweites Temperaturniveau gebracht wird,
dass das Energieträgermedium mit dem ersten oder zweiten Temperaturniveau bei Bedarf genutzt wird,
dass nicht genutztes Energieträgermedium gespeichert wird,
dass das Energieträgermedium mit erstem Temperaturniveau zur Speicherung zuerst in ein erstes Speichervolumen (3) eingeleitet wird, wobei Energieträgermedium aus diesem in ein zweites Speichervolumen (4) verdrängt wird,
dass, sobald das erste Speichervolumen (3) vollständig das erste Temperaturniveau aufweist, Energieträgermedium mit erstem oder wenigstens zweitem Temperaturniveau direkt in das zweite Speichervolumen (4) eingeleitet wird, dass während entweder das erste oder das zweite Speichervolumen (3, 4) mit Energieträgermedium beladen wird, aus dem zweiten Speichervolumen (4) Energieträgermedium mit einem dritten Temperaturniveau entnommen wird und der Energieerzeugung zugeführt wird, und
dass, wenn der Bedarf an Energieträgermedium mit erstem oder zweitem Temperaturniveau dessen Erzeugung übersteigt, aus dem ersten Speichervolumen (3) Energieträgermedium mit dem ersten Temperaturniveau oder aus dem zweiten Speichervolumen (4) mit dem zweiten Temperaturniveau entnommen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zu speicherndes und gespeichertes Energieträgermedium laminare Strömungsverhältnisse aufweist. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass Energieträgermedium mit erstem Temperaturniveau aus dem ersten Speichervolumen (3) entnommen und zur Warmwasseraufbereitung genutzt werden kann. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Temperaturniveau schrittweise an das erste Temperaturniveau angeglichen wird, und
dass das zweite Speichervolumen (3, 4) mit jedem Schritt vollständig durchgeladen wird, wobei das dritte Temperaturniveau nach jedem Schritt eine Temperatur gleich dem zweiten Temperaturniveau aufweist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das erste Temperaturniveau, das zweite Temperaturniveau und das dritte Temperaturniveau die gleiche Temperatur aufweisen, das gesamte Speichervolumen (3, 4) schrittweise auf eine höhere Temperatur bei zu speichernder Wärmeenergie angehoben oder eine niedrigere Temperatur bei zu speichernder Kälteenergie abgesenkt wird, bis ein technisch bedingtes Grenzniveau erreicht ist.
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