METHOD OF OPTIMIZING THE ENERGY CONSUMPTION IN BUILDINGS, AS WELL AS ARRANGEMENT FOR CARRYING OUT THIS METHOD

Abstract: 1. Method for optimizing the energy consumption in buildings having an occupation period changing in accordance with a predetermined time program, where at by a controlled switching-on and switching-off respectively of the energy supply for heating as well as for cooling a selected set-point temperature is attained during the occupation period and the switching time is a function of predetermined variables (outside temperature, instantaneous room temperature) and parameters (insulating quality of the building), characterized in that the effectively required points of time for switching-on and switching-off respectively are measured under consideration of the actual variables, are then stored and taken as the basis values when calculating the following point of time for switching-on or off respectively.

Description: Verfahren zum Optimieren des Energie verbrauchs in Gebäuden sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1 sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Es ist beispielsweise aus der GB-PS 1 193 711 bekannt, bei Gebäude-Heizsystemen in Abhängigkeit von der gemessenen Aussentemperatur, ausgehend von einer bestimmten Nachttemperatur, den Aufheiz-Zeitpunkt zu verändern, so dass beim Beginn der Gebäudebelegung eine gewünschte Temperatur erreicht ist. Dieser Betrieb führt zu einer wesentlichen Energieersparnis. Der gewählte veränderliche Zeitpunkt für die Einhschaltung des Heizsystems ist hierbei ausser von der Aussentemperatur von weiteren Parametern, wie zum Beispiel der tatsächlichen Temperatur eines Bezugsraumes, den Gebäudeparametern, den Kenndaten des Heizsystems, der Belegzeit des Gebäudes und dem eingestellten Temperatursollwert des Bezugsraumes abhängig. Bestimmte Kenndaten, wie beispielsweise die Gebäudeparameter lassen sich im bekannten Fall nur durch eine Handeinstellung bzw. durch eine empirische Festlegung des Einschaltzeitpunktes fest vorgeben. Auch wird bislang der Ausschaltzeitpunkt unveränderlich durch das Ende der Gebäudebelegung festgelegt. Die begrenzte Voreinstelmöglichkeit von Steuerprogrammen des bekannten Systems wird gemäss der DE-OS 2 805 773 durch die Verwendung eines digitalen Speichers verbessert, der Informationen für längere Zeitintervalle speichern kann, wobei ein Rechner mit diesen Informationen und unter Berücksichtigung von bestimmten Faktoren, wie Innen- und Aussentemperatur, thermische Gebäudeträgheit usw. den geeigneten Einschaltzeitpunkt ermittelt. Auch das mit diesem System ausgeübte Verfahren führt noch nicht zu einer optimalen Energieersparnis, da beispielsweise die Werte für die thermische Gebäudeträgheit nur empirisch vorgegeben werden können. Ausgehend von den bekannten Verfahren zur Temperaturregelung ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Verfahren so zu verbessern, dass eine noch weitergehende Energieersparnis erzielt wird, indem die Gebäudeparameter exakt ermittelt werden. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäss dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich insbesondere durch folgende Punkte aus: 1. Das Verfahren ist anwendbar auf Gebäude mit Heizbe trieb und/oder Kühlbetrieb. 2. Durch die exakte Messung der tatsächlichen Gebäude werte können die optimalen Ein- bzw.Ausschaltzeiten genauer ermittelt werden als durch empirische Vorein stellungen. 3. Bei längerfristigen Änderungen der Gebäudeparameter (z.B.Heizungsauslegung) erfolgt eine automatische Anpassung an die veränderte Situation. 4. Durch das vorzeitige Abschalten vor Ende der Beleg zeiten wird die im Gebäude und dessen Einrichtun gen gespeicherten Energie optimal ausgenutzt. Im Zusammenhang mit der Verwendung eines Mikroprozessors für die Berechnung der Ein-bzw.Ausschaltzeit des Heizsystems kann die Belegungszeit des Gebäudes über einen längeren Zeitraum von beispielsweise einem Jahr programmiert werden Aufgrund der Berechnung und Fortschreibung sowie Speicherung der Parameter für das Gebäude und das Heizsystem kann jegliche Handeinstellung bzw. empirische Einstellung entfallen. Das System arbeitet extrem genau und zuverlässig. Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Durchfüh rung des erfindungsgemässen Verfahrens; und Fig.2-6 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der durch das System durchgeführten Berechnungen. Gemäss Figur 1 bildet ein Mikroprozessor 10 das Kernstück des optimierenden Systems. Der Mikroprozessor wird'betrieben von einem quarzgesteuerten Taktgenerator 11, der gleichzeitig die Digitaluhr 12 speist, welche bei Netzausfall über eine Batterie 13 für eine bestimmte Zeit weiterarbeitet. Der Mikroprozessor wird gesteuert durch die in einem Festwertspeicher ROM-15 abgelegte Betriebssoftware, welche alle Berechnungs- und Serviceroutinen enthält, während veränderliche Daten wie Belegzeiten, Tabellenwerte und Zwischenberechnungen in einen Speicher RAM-14 mit wahlfreiem Zugriff eingeschrieben bzw. as diesem gelesen werden. Der Speicher RAM-14 ist ebenfalls über eine Batterie 13 gepuffert und behält die einmal eingeschriebengn Werte während des Netzausfalles bei. Der Mikroprozessor ist über eine Daten- und Adress Sammelschiene 16 an eine Schnittstelle 17 angeschlossen. Andererseits werden die von einem Raumtemperatur fühler 18 und einem Aussentemperaturfühler 19 erfassten Temperaturwerte über einen Multiplexer 20 und einen Analog/ Digital-Wandler 21 der Schnittstelle 17 zugeführt. Der Multiplexer 20 und der Analog/Digital-Wandler 21 werden hierbei von dem Mikroprozessor über die Schnittstelle gesteuett. Als Ausgabeeinheiten sind drei das Energiesystem bestätigende Relais 22 an die Schnittstelle 17 angeschlossen, die zeitabhängig betätigt werden. Uber einen an die Schnittstelle 17 angeschlossenen Schalter 23 kann wahlweise das optimierende System abgeschaltet, auf Nachtbetrieb umgeschaltet oder auf automatisch optimierende Funktion geschaltet werden. Eine Tastatur 24, 25 erlaubt die Eingabe bzw. das Abrufen von Zahlendaten in bzw. aus den Speichern des Mikroprozessors. Hierbei wird mit den Funktionstasten 25 eine bestimmte Funktion vorgewählt und mit der Zahlentastatur 24 die zugehörigen Daten eingegeben bzw. abgerufen. Die Anzeige der gewählten Funktion zusammen mit den Daten erfolgt über eine Ziffernanzeige 26, die als Ausgabeeinheit an die Schnittstelle 17-angeschlossen ist. Anhand der Figuren 2-6 sei -nunmehr das erfindungsgemässe Verfahren sowie die Wirkungsweise des erfindungsgemässen System gemäss Figur 1 erläutert. Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Raumtemperatur in einem typischen Gebäude, in dem durch Ein- bzw. Abschalten der Heizanlage eine Optimierung vorgenommen wird. Nimmt man an, dass zu Beginn der Belegzeit die Raumtemperatur geraden ihren Sollwert sw erreicht haben soll, so muss die Heizanlage um die Zeit tEIN vor dem Beginn der Belegzeit einschalten, um es Raum von der momentanen Nachttemperatur #n auf #sw zu bringen. Andererseits kann die Heizanlage schon um die Zeit tAUS vor dem Ende der Belegzeit abgeschaltet werden, so dass die Raumtemperatur am Ende der Belegzeit einen Wert min nicht unterschreitet. Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Zeiten tEIN und tAUS zu berechnen und mit dem Ergebnis den Ein bzw.Ausschaltvorgang entsprechend dem eingestellten Zeitprogramm zu steuern. Zur Berechnung der Einschaltzeiten wird von einem prinzipiellen Zusammenhang nach Figur 3 ausgegangen, wobei als Lösungsansatz folgende Annahme gemacht wird: EMI5.1 Hierbei ist fE ( # a ) eine beliebige Funktion, die in Form von Tabellenwerten während der ve-schiedenen Einschaltvorgänge gemessen wurde, wobei der Tabellenwert EMI5.2 berechnet und unter der zugehörigen Aussentemperatur an abgespeichert wird. Hierbei bedeutet: tEIN n = Gemessene Auheiz zeit bei der Aussen temperatur #c an um das Gebäude von nn auf swn aufzuheizen #swn = Temperatursollwert bei Beginn des Aufheizvorganges ; nun = Raumtemperatur bei Beginn des Auf heizvorganges Auf diese Weise werden im Laufe der Zeit von der Funk- tion fE( a) diskrte Tabellenpunkte abhängig von der Aussentemperatur ermittelt und gespeichert (s.Fig.4). Für die Berechnung der folgenden Einschaltzeit wird die Aussentemperatur gemessen, der Funktionswert laut Fig.4 ermittelt, wobei zwischen den gemessenen Funktionswerten linear interpoliert wird. Die Einschaltzeit tEIN wird nach (1) errechnet. Hierbei bedeuten: #sw = Aktueller Temperatursollwert zu Beginn des zu errechnenden Aufheizvorganges #n = Aktuelle Raumtemperatur zu Beginn des zu errechnenden Aufheizvorganges 6, fE a)= Funktionswert gültig für die aktuelle Aussentemperatur azu Beginnn des zu errechnenden Aufheizvorganges Für den allerersten Einschaltvorgang wird angenommen, dass einerseits bei einer Aussentemperatur gleich der Sollwerttempertur keine Aufheizzeit benötigt wird (s.Fig.4, Pkt. 1), andererseits bei einer Aussentemperatur, die gleich der Auslegungsgrenze der Heizeinrichtung ist, die maximale Aufheizzeit tEIN max benötigt wird (s.Fig.4, Pkt.9). Diese Werte sind willkürlich und empirisch ermittelt. Sie dienen jedoch nur für die Ermittlung der allerersten Einschaltzeit und werden dann, wenn tatsächliche Messpunktevorliegen, aus dem Tabellenspeicher gelöscht, so dass mit jedem neuen Tabellenwert eine immer genauere Annäherung an den tatsächlichen Zusammenhang erfolgt. Zur Berechnung der Abschaltzeiten wird von einem prinzipiellen Zusammenhang nach Fig.5 ausgegangen, wobei als Lösungsansatz folgende Annahme gemacht wird: EMI7.1 Hierbei ist fAt a) eine beliebige Funktion, die in Form von Tabellenwerten während der verschiedenen Abschaltvorgänge gemessen wird, bei der Tabellenwert EMI7.2 berechnet und unter der zugehörigen Aussentemperatur #an abgespeichert wird. Hierbei bedeuten: tAUS n = Gemessene Abschaltzeit bei der Aussentemperatur #an, um das Gebäude von #rn auf #r min n abzukühlen #rn = Raumtemperatur bei Beginn des Ab schaltvorganges # r min n = Minimale zugelassen Raumtemperatur Auf diese Weise e werden im Laufe der Zeit von der Funktion fA(#a) dikrete Tabellenpunkte abhängig von der Aussentemperatur ermittelt und espeichert (s.Fig.6). Für die Berechnung der folgenden Abschalten zeit wird die Aussentemperatur gemessen und der Funktic wert laut Fig. 6 ermittelt, wobei zwischen den gemessenen Funktionswerten linear interpoliert wird. Die Abschaltzeit tAUS wird nach (3) errechnet. Hierbei bedeuten: #r = Aktuelle Raumtemperatur bei Beginn des zu errechnenden Abschaltvorganges min r min = Minimale zugelassene Raumtemperatur zu Beginn des zu errechnenden Abschaltvor ganges fA(#a) = Funktionswert gültig für die aktuelle Aussentemperatur #a zu Beginn des zu errechnenden Abschaltvorganges Für den allerersten Abschaltvorgang wird angenommen, dass einerseits bei einer Aussentemperatur, die gleich der Auslegungsgrenze der Heizeinrichtung ist, keine frühere Abschaltung vorgenommen werden darf (s.Fig.6, Pkt.U) andererseits bei einer Aussentemperatur gleich der minimal zugelassenen Raumtemperatur die maximale Abschaltzeit tAUS max verwendet werden darf (s.Fig.6, Pkt.9). Diese Werte sind willkürlich und empirisch ermittelt. Sie dienen jedoch nur für die Ermittlung der allerersten Abschaltzeit und werden dann, wenn tatsächliche Messpunkte vorliegen, aus dem Tabellenspeicher gelöscht, so dass mit jedem Tabellenwert eine immer genauere Annäherung an den tatsächlichen Zusammenhang erfolgt. Für die Messung von Ein- bzw.Abschaltzeit gilt gemeinsam: Die Anzahl der abgespeicherten Tabellenwerte hängt von der gewünschten Genauigkeit ab. Bei der Aufnahme neuer Tabellenwerte wird ein Mittelwert-zum alten Tabellenwert gebildet, um Messfehler oder momentane Störeinflüsse während der Messung (z.B.Windeinfluss) weitgehend zu mildern. Die erfindungsgemässe Anordnung nach Fig.1 übernimmt die Messung der Raum- bzw.Aussentemperatur über die Fühlereingänge 18 bzw. 19 und führt die oben beschriebene Berechnung durch. Die errechneten Ein- bzw. Abschaltzeiten werden zur aktuellen Uhrzeit hinzuaddiert und mit der vorprogrammierten Start- bzw.Stopzeit verglichen. Ist die Summe grösser als die Start- bzw.Stopzeit, wird ein Signal für Ein- bzw.Abschalten erzeugt und über die Ausgangsstufen 22 zur Verfügung gestellt. Nach dem Ein- bzw. Abschalten werden die tatsächlich benötigten Zeiten gemessen und wie oben beschrieben als Tabellenwerte abgespeichert.. Das vorstehend beschriebene System weist adaptive Eigenschaften auf und ist selbstoptimierend. Im Laufe des Betriebes werden die Gebäudeparameter selbsttätig ermittelt. Ändern sich diese Parameter beispielsweise infolge von Isolationsmassnahmen am Gebäude, eines anderen installierten Heiz- bzw.Kühlsystems usw., so wird dies berücksichtigt, indem die bei sonst gleichen Bedingungen (Innen- und Aussentemperatur) ermittelten Werte die neuen Tabellenwerte unter Umständen nach einer Mittelwertildung mit den alten Tabellenwerten bilden. Das vorstehend beschriebene System umfasst auch eine reine Messeinrichtung für die Gebäudeparamter, die nach ihrer Ermittlung einer herkömmlichen Steuervorrichtung eingegeben werden könnten.

Claims: Patentansprüche: 1. Verfahren zum Optimieren des Energieverbrauchs in Gebäuden mit sich nach einem bestimmten Zeitpro gramm ändernden Belegzeiten, wobei durch kontrol lierendes Ein- bzw.Ausschalten der Energiezufuhr sowohl für die Heizung als auch Kühlung während der Belegzeiten eine vorgewählte Solltemperatur erreicht wird und der Schaltzeitpunkt von vorbe stimmten Variablen (Aussentemperatur, momentane Raumtemperatur) und Parametern (Isolierwert des Gebäudes) abhängig ist, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die tatsächlich be nötigen Ein- bzw. Ausschaltzeiten während der Ein- bzw. Ausschaltvorgänge unter Berücksichtigung der jeweiligen Variablen gemessen, gespeichert und der Berechnung der folgenden energiemässig optima len Ein- bzw. Ausschaltzeiten wiederum unter Be rücksichtigung der momentanen Variablen zugrunde gelegt werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein- bzw.Aus schaltzeiten bei jedem Ein- bzw. Ausschaltvorgang neu gemessen werden, dass ein Mittelwert zwischen einem schon vorhandenen Tabellenwert und dem ak tuellen Messwert gebildet wird und dass der Mittel wert in je einer Tabelle abhängig von der zum Zeit punkt der Messung herrschenden Aussentemperatur abgelegt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Berechnung der folgenden Ein- bzw.Ausschaltzeiten die angelegten Tabellen ausgelesen werden, wobei ein linearer Zusammenhang zwischen zwei benachbarten Tabellen werten angenommen wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass nach einem oder mehreren Tagen, an denen keine Ein- bzw.Aus schaltung der Energiezufuhr erfolgte (z.B. Wochenende, Feiertage), die errechnete Einschalt zeit für den folgenden Einschaltvorgang mit einem vorbestimmten Faktor multipliziert wird. 5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass an einem Tag mehrere Ein bzw.Ausschaltvorgänge durchführbar sind. 6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein- bzw. Ausschaltzeit auf einen Maximalwert begrenzt wird, wobei dieser Wert gleichzeitig als Ta bellenwert für den allerersten Schaltvorgang benutzt wird. 7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Mikroprozessor (10-14), der die erforderlichen Berechnungen durchführt und der über eine Schnittstelle (17) an entsprechende Ein- und Ausgänge (18-25) sowie an eine Bedien- und An zeigeeinrichtung (23-26) angeschlossen ist. 8. Anordnung nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine interne, während Netz ausfall batteriegepufferte Digitaluhr (12,13), deren Zeit mit der errechneten Ein- bzw.Aus schaltzeit verglichen wird, um ein Start- bzw. Stopsignal für die Energiezufuhr zu erzeugen. 9. Anordnung nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Möglichkeit, Belegzeiten für mindestens ein Jahr im voraus zu programmieren. 10. Anordnung nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h n e t d u t c h eine Frost schutzeinrichtung, die in der Abschaltphase durch An- und Abschalten der Heizenergie ein Absinken der Raumtemperatur unter einen vor bestimmten Minimalwert verhindert

Inventors: DAAB, HEINZ, ING. (GRAD)., SCHELER, MANFRED, DIPL.-ING.
Applicants: HONEYWELL GMBH
Application year: 1979
Main classification: F24D19
IPC codes: F24D19, G05D23