DE10013447C1 - Verfahren zur Steuerung des Klimas in einem wetterabhängigen Gebäude- oder Anlagenbereich - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Steuerung des Klimas in einem Gebäude- oder Anlagenbereich (18) werden automatisch Wettervorhersagedaten von einer regionalen Wetterstation (10) abgefragt. Ferner sind Lastdaten-Profile (26) gespeichert, in denen bekannte interne Einflußfaktoren hinterlegt sind. Auf Grundlage der Wettervorhersagedaten (12) und der Lastdaten-Profile (26) werden Steuerdaten (40) zur Steuerung von in dem Gebäude- bzw. Anlagenbereich (18) angeordneten Klimageräten berechnet. Die zeitliche Verfügbarkeit der Klimageräte fließt über Verfügbarkeitsprofile (38) in die Berechnung ein. Durch die Berechnung werden in Klimadaten-Profilen (32) vorgegebene Zielgrößen zukünftiger Klimadaten erreicht. Bei den Steuerdaten handelt es sich um Daten zur Steuerung der Klimageräte zu einem Zeitpunkt, der vor dem Zeitpunkt liegt, zu dem zukünftige Klimadaten erreicht werden sollen. Es findet somit eine vorausschauende Steuerung der Klimageräte statt. Der zu steuernde Gebäude- bzw. Anlagenbereich ist als Rechenmodell auf einem Computer abgebildet. Die Abbildung erfolgt mit Hilfe einzelner modularer Modellelemente, die beispielsweise Wände, Fenster und dgl. mit definierten thermischen Eigenschaften darstellen. Der Computer kann vor Ort oder zur Fernsteuerung extern installiert sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Klimas in einem wetterabhängigen Gebäude- oder Anlagenbereich.

Zur Steuerung von Klimadaten, wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit, in industriellen Anlagen, in denen beispielsweise wärmeempfindliche Produkte verarbeitet werden, ist es bekannt, mikroprozessorgestützte Regelungen vorzusehen. Bei diesen Regelungen werden aktuelle Klimadaten mit vorgegebenen Zielgrößen verglichen. Aufgrund einer Abweichung der Zielgröße von den aktuellen Klimadaten, d. h. beispielsweise einer Abweichung der gewünschten Temperatur von der aktuellen Temperatur, werden Steuerdaten berechnet. Bei einer Temperaturabweichung führt dies dazu, dass die Heizungs- oder Kühlanlage entsprechend gesteuert wird, um die gewünschte Temperatur zu erreichen und zu halten. Da die Steuerung auf einem Vergleich zwischen aktuellen Klimadaten und vorgegebenen Zielgrößen, d. h. gewünschten Klimadaten, beruht und die zu steuernde Anlage kapazitive Eigenschaften hat, werden die vorgegebenen Zielgrößen erst nach einer Reaktionszeit (Verzögerung) erreicht.

Ist beispielsweise das Kühlen eines Gebäudebereichs erforderlich, da sich der Gebäudebereich aufgrund von Sonneneinstrahlung erwärmt, findet aufgrund der Zeitverzögerung zunächst eine weitere Erwärmung statt, bis durch die Kühlanlage eine merkliche Kühlung eintritt und die gewünschte Temperatur erreicht ist. Um die vorgegebene Zielgröße in möglichst kurzer Reaktionszeit zu erreichen, müssen die Kühl- bzw. Heizungsanlagen entsprechend groß ausgelegt werden. Dies hat hohe Investitionskosten zur Folge. Selbst bei sehr groß ausgelegten Kühl- bzw. Heizanlagen tritt stets eine gewisse Reaktionszeit auf. Ferner steigt beim Einsatz von Kühl- bzw. Heizungsanlagen, die für den herkömmlichen Betrieb überdimensioniert sind, der Energieverbrauch.

Moderne Kühl- und Heizanlagen weisen anstatt der in den Anschaffungskosten relativ günstigen Radiator-Luftheiz- oder -Luftkühlsystemen in den Fußböden oder den Wänden vorgesehene Rohrsysteme auf. Das Vorsehen von Rohrsystemen in der Baumasse hat gegenüber konvektiver Lufterwärmung bzw. Luftkühlung gesundheitliche Vorteile. Die Strahlungswärme bzw. -kälte wird insbesondere als angenehm empfunden. Bei derartigen in der Baumasse vorgesehenen Rohrsystemen wird die Baumasse, d. h. beispielsweise die Wand oder der Boden eines Gebäudebereichs, gekühlt oder erwärmt. Da es sich hierbei um eine große zu erwärmende bzw. zu kühlende Masse handelt, sind die Reaktionszeiten, bis eine vorgegebene Zielgröße der Klimadaten erreicht ist, äußerst lange. Die Baumasse weist je nach Material und Konstruktion eine hohe thermische Trägheit auf.

Heutige Regelungskomponenten benötigen eine herstellerspezifische Software. Eine Kombination von Komponenten unterschiedlicher Hersteller ist damit nur bedingt möglich. Dies kann dazu führen, dass kostenintensiv verschiedene Systeme parallel betrieben werden müssen, da sie nicht miteinander kommunizieren können.

Heutige Regelungskonzepte basieren weitgehend darauf, dass Hardware und Software der Regelung vor Ort in die zu regelnde Anlage oder das Gebäude integriert werden. Dies erfordert eine kostenintensive Parametrisierung und Optimierung der Anlage vor Ort durch Fachpersonal.

Für die reale Anlage oder das Gebäude wird eine aktive Technik - beispielsweise eine Heizungsanlage - dimensioniert, die mit Hilfe einer angepaßten Regelung sicherstellen soll, dass im späteren Betrieb zukünftige Klimadaten eingehalten werden. Dabei wird heute entweder auf in der Vergangenheit gespeicherte und/oder auf momentan erfaßte Meßwerte zurückgegriffen. Die Antwort des Systems auf Wettereinflüsse wird durch Übertragungsfunktionen, beispielsweise Heizkennlinien, beschrieben. Diese können jedoch prinzipiell das thermodynamische Verhalten des Systems nur sehr grob beschreiben, da nicht nach den Einflüssen einzelner Komponenten, aus denen das System zusammengesetzt ist, unterschieden wird.

Um die Komplexität der Vorgänge in größeren Gebäuden oder Anlagen detaillierter zu beschreiben, werden lernfähige und wissensbasierte Regelungssysteme, beispielsweise neuronale Netze, eingesetzt. Jedoch werden auch hier alle realen Komponenten zu einer "black box" zusammengefaßt, so dass bei unzulässigen Abweichungen zwischen Soll- und Istzuständen die Analyse der Rechenergebnisse nicht auf einzelne Komponenten hinweist, welche ursächlich für die Fehler verantwortlich sind.

In DE 42 02 688 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Vor­ hersage lokaler Wetterdaten, d. h. außerhalb eines Gebäudes auf­ tretender Temperaturen beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Klima in einem wetterab­ hängigen Gebäude- oder Anlagenbereich derart zu steuern, dass zukünftige Klimadaten mit möglichst geringer Zeitverzögerung und hoher Genauigkeit eine vorgegebene Zielgröße erreichen und einhalten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Gebäude- oder An­ lagenbereich als Rechenmodell abgebildet, so dass der ther­ mische Einfluss, von beispielsweise Wänden, in dem Gebäude an­ geordneten Maschinen, Lichtquellen u. dgl. bekannt ist. Erfin­ dungsgemäß werden bei dem Verfahren zur Steuerung des Klimas in einem Gebäude- oder Anlagenbereich automatisch Wettervorher­ sagedaten abgefragt. Durch die Abfrage der Wettervorhersage­ daten sind zukünftige Wetterdaten, wie Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Sonneneinstrahlungs­ intensität, für bestimmte in der Zukunft liegende Zeitpunkte bekannt. Ferner ist zur Berechnung von Steuerdaten mindestens ein Lastdaten-Profil gespeichert. In dem Lastdaten-Profil sind bekannte gebäude- bzw. anlageninterne Einflüsse gespeichert. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den zeitlichen Ver­ lauf von Wärmequellen, wie Maschinen, Beleuchtung u. dgl. und/oder um Feuchtigkeitsentwicklungen.

Mit Hilfe der Wettervorhersagedaten und dem Lastdaten-Profil werden sodann Steuerdaten zum Erreichen einer vorgegebenen Zielgröße zukünftiger Klimadaten berechnet. Bei den Klimadaten handelt es sich um physikalische Größen, die durch das Wetter beeinflußt sind, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Feuch­ tigkeit, etc. Mit diesen Steuerdaten werden dem Gebäude- bzw. Anlagenbereich zugeordnete Klimageräte gesteuert. Durch Klima­ geräte wird der innere Zustand, d. h. die Klimadaten des Gebäudes bzw. der technischen Anlage, beeinflußt. Es handelt sich hierbei beispielsweise um Heizkörper, Kühlflächen, Lüftungsanlagen, etc. und in verfahrenstechnischen Anlagen beispielsweise auch um Wärmetauscher zur Entkopplung von Wärme und Kälte.

Die berechneten Steuerdaten werden an die Klimageräte übermittelt. Die Übermittlung kann sofort nach der Berechnung stattfinden, so dass die Steuerdaten in den Klimageräten gespeichert werden und zu den berechneten Zeitpunkten entsprechende Schaltvorgänge auslösen. Es ist ebenso möglich, die Steuerdaten erst zu den entsprechenden Zeitpunkten an die Klimageräte zu übermitteln.

Soll in einem Gebäudebereich beispielsweise die Temperatur konstant gehalten werden, muß der Gebäudebereich in Abhängigkeit der zukünftigen Wetterverhältnisse und der durch interne Wärme-/Kältequellen hervorgerufenen Temperaturänderungen geheizt oder gekühlt werden. Ist aufgrund der Wettervorhersage z. B. bekannt, dass die Außentemperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt sich derart verändern wird, dass die Raumtemperatur in dem Gebäudebereich über den gewünschten Sollwert, d. h. die zukünftige Zielgröße, steigen wird, kann die Kühlung des Raums bereits zu einem früheren Zeitpunkt einsetzen, zu dem die Raumtemperatur noch nicht aufgrund der erhöhten Außentemperatur erhöht ist. Hierbei wird erfindungsgemäß das Lastdaten-Profil berücksichtigt, da dies z. B. einen gewissen Ausgleich oder eine zusätzliche Erwärmung hervorrufen kann. Insbesondere bei in den Wänden und Böden verlegten Kühlrohren kann hiermit erreicht werden, daß vor der Erwärmung des Raums durch die erhöhte Außentemperatur die Temperatur der Wände und Böden bereits langsam abgesenkt wird, ohne dass sich hierbei die Raumtemperatur spürbar verändert.

Ohne Wettervorhersagedaten könnte erst zu einem Zeitpunkt reagiert werden, zu dem sich die Raumtemperatur bereits erhöht hat.

Durch das erfindungsgemäße Berücksichtigen von Wettervorhersagedaten können zum Erreichen vorgegebener Zielgrößen zukünftiger Klimadaten bereits frühzeitig Steuerdaten berechnet und an die Klimageräte übermittelt werden. Zukünftige Klimadaten können dadurch sehr exakt erreicht werden. Es finden beispielsweise keine starken Temperaturerhöhungen vor Erreichen der gewünschten Temperatur statt. Dies gilt ebenso für andere Klimadaten, wie die Luftfeuchtigkeit, den Luftdruck und andere wetterabhängige Klimadaten. Da die Klimageräte bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt, bezogen auf den Zeitpunkt, zu dem die vorgegebene Zielgröße der zukünftigen Klimadaten erreicht werden soll, angesteuert werden können, ist es möglich, erheblich kleinere Heizungs- und Kühlungsanlagen vorzusehen. Dies hat eine erhebliche Einsparung von Investitionskosten und Betriebskosten zur Folge. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein vorausschauendes Steuerverfahren.

Vorzugsweise sind in dem Lastdaten-Profil innerhalb des Gebäude- bzw. Anlagenbereichs auftretende Lasten gespeichert. In derartigen Lastdaten-Profilen sind bekannte, zu bestimmten Zeitpunkten auftretende Klimaänderungen bewirkende Einflüsse gespeichert. Beispielsweise kann hierin die Erhöhung interner Lasten durch das Einschalten von Licht oder bei Industrieanlagen durch das Inbetriebnehmen wärmeabgebender Maschinen o. dgl. gespeichert sein. Für die Klimasteuerung von Besprechungsräumen oder Hörsälen kann beispielsweise ein Belegungsplan als Lastdaten-Profil gespeichert sein. In Lastdaten-Profilen können ferner auch Luftfeuchtigkeitsveränderungen, die z. B. durch die Anwesenheit von Personen verursacht werden, gespeichert sein. Aufgrund gespeicherter Lastdaten-Profile werden bei der Berechnung der Steuerdaten für die Klimageräte bekannte interne Einflüsse auf das Klima bereits im Vorfeld berücksichtigt.

Vorzugsweise werden die Lastdaten-Profile durch einen Vergleich mit in der Vergangenheit erzielten Klimadaten korrigiert. Es findet somit eine ununterbrochene Rückkopplung statt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Lastdaten-Profile zu Betriebsbeginn einer Heiz- bzw. Kühlanlage, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, teilweise nur schwierig vorhersehbar sind. Durch die Rückkopplung findet eine automatische Fehlerkorrektur von ggf. in dem ursprünglichen Profil enthaltenen Fehlern statt. Die Korrektur kann durch Gewichtung des gespeicherten Profils oder durch eine konkrete Änderung einzelner Werte in dem Profil erfolgen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ferner lokale Wetterdaten berücksichtigt. Durch das Messen lokaler Wetterdaten können die Wettervorhersagedaten korrigiert werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn für einen Gebäude- oder Anlagenstandort nur relativ ungenaue Wettervorhersagedaten von Wetterdiensten zur Verfügung gestellt werden können. Dies ist insbesondere in Gebieten der Fall, in denen nur für einen großflächigen regionalen Bereich eine Wettervorhersage zur Verfügung steht, so dass die Wettervorhersagedaten lokal unweigerlich eine gewisse Ungenauigkeit aufweisen.

Vorzugsweise werden die Wettervorhersagedaten durch einen Vergleich mit gespeicherten lokalen Wetterdaten für denselben oder einen vergleichbaren Zeitraum korrigiert. Entsprechen die Wettervorhersagedaten für einen Tag beispielsweise den Wettervorhersagedaten des Vortags und ist aus den lokalen Wetterdaten des Vortags eine Abweichung zwischen den lokalen Wetterdaten und den Wettervorhersagedaten bekannt, so können die Wettervorhersagedaten für den aktuellen Tag unmittelbar korrigiert werden. Ebenso ist es möglich, aus den zu mehreren vergangenen Tagen gemessenen lokalen Wetterdaten Mittelwerte zu bilden und diese als Vergleichsdaten für die Wettervorhersagedaten zu nutzen.

Vorzugsweise werden vorstehende Verfahrensschritte in regelmäßigen kurzen Zeitabständen von beispielsweise wenigen Minuten wiederholt. Die Abfrage von Wettervorhersagedaten wird hierbei nicht so oft wiederholt, da im allgemeinen nur in Abständen von mehreren Stunden oder länger neue Wettervorhersagedaten vorliegen. Durch das Wiederholen der Verfahrensschritte können lokale äußere Einflüsse, die in der Bestimmung der Steuerdaten für die Klimageräte nicht berücksichtigt werden, ausgeglichen werden. Es könnte sich hierbei beispielsweise um das Öffnen von Fenstern oder das unvorhergesehene Anschalten von die Klimadaten beeinflussenden Geräten handeln.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Klimadaten-Profile vorgesehen. In Klimadaten-Profilen ist der geforderte zeitliche Verlauf der relevanten Klimadaten gespeichert. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen geforderten zeitlichen Temperaturverlauf in Abhängigkeit des Wochentages und der Tageszeit. Auf Grundlage der Klimadaten-Profile werden die einzelnen Steuerdaten für bestimmte Zeitpunkte berechnet. In den Klimadaten-Profilen sind somit die Zielgrößen für zukünftige Klimadaten in zeitlicher Abhängigkeit gespeichert, so dass es sich hierbei um Solldaten handelt.

Vorzugsweise werden die Klimadaten-Profile anhand der in dem Gebäude- bzw. Anlagenbereich gemessenen Klimadaten korrigiert. Hierbei können unvorhersehbare Einflüsse, d. h. insbesondere das menschliche Verhalten, erfaßt werden. Durch eine Korrektur des Klimadaten-Profils kann beispielsweise berücksichtigt werden, dass eine Person auch an kalten Tagen häufiger lüftet als in dem ursprünglichen Klimadaten-Profil angenommen wurde.

Das Messen der aktuellen Klimadaten kann kontinuierlich erfol­ gen. Hierbei wird bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenz­ wertes automatisch eine neue Berechnung der optimalen Steuerda­ ten durchgeführt.

Der zur Berechnung der Steuerdaten vorgesehene Algorithmus ist vorzugsweise derart aufgebaut, dass in einem Berechnungsdurch­ lauf eine Reihe von Steuerdaten für zeitlich unterschiedliche zukünftige Zielgrößen berechnet werden. Es handelt sich hierbei beispielsweise um Steuerdaten für die Klimageräte für einen Zeitraum von mehreren Stunden oder gar mehreren Tagen.

Das Rechenmodell, durch das die thermischen Einflüsse eines Ge­ bäude- oder Anlagenbereichs, d. h. beispielsweise Wände, in dem Gebäude angeordnete Maschinen, Lichtquellen u. dgl., möglichst gut erfasst sind, dient zur Berechnung der Steuerdaten hin­ sichtlich des thermischen Verhaltens. Das Gebäude bzw. die An­ lage ist auf einem Rechner als Simulationsmodell abgebildet. Dadurch kann bereits in einem frühen Planungsstadium des Ge­ bäudes die Steuerung für die Heizungs- und Klimaanlage ent­ worfen werden. Dies hat den Vorteil, dass auch die Auslegung der Heizungs- und Klimaanlage und die damit verbundenen Investitionskosten zu einem frühen Zeitpunkt definiert werden können.

Es ist bekannt, Anlagen oder Gebäude, die wetterabhängige, thermodynamische Prozesse durchlaufen, schon in der Planungs- und Projektierungsphase mittels eines rechnergestützten Werkzeuges auszulegen und zu optimieren. In dynamisch rechnenden Simulationsprogrammen kommen mathematisch- physikalische Modelle zum Einsatz, die das thermodynamische Verhalten des Systems (Anlage oder Gebäude) genau beschreiben. Das Systemmodell ist erfindungsgemäß aus modularen, objektorientierten Softwarebausteinen zusammengesetzt, welche jeweils das Verhalten einer realen Komponente, beispielsweise ein Wandaufbau oder ein Ventil, mehr oder minder exakt beschreiben. Solche Module sind in Programmbibliotheken abgelegt und können zur Zusammenstellung beliebiger Systeme verwendet werden. Den verwendeten Simulationsmodellen werden des weiteren geforderte Klima-, Verfügbarkeits- und Lastdatenprofile vorgegeben, die mit Hilfe einer ebenfalls modellierten Regelung das Klima in dem modellierten System bestimmen.

Der Einfluß des Wetters wird durch Verwendung sogenannter Testreferenzjahre dargestellt, welche für ein Jahr statistisch repräsentative Wettersituationen, beispielsweise im Stundenraster, auflösen. Das Wetter wird also für einen längeren Zeitraum als bekannt vorausgesetzt. Wird das Systemmodell mit diesem Wetter beaufschlagt, so ist mit Hilfe der Simulation der Einfluß des Wetters auf das thermodynamische Verhalten des Gebäudes bzw. der Anlage vorhersagbar.

Im Gegensatz zur Simulation steht dem realen System heute nur das Wissen über das Wetter der Vergangenheit bis zum aktuellen Betrachtungszeitpunkt zur Verfügung. Die Folge ist, dass das Klima in dem zu regelnden System prinzipiell nur zeitverzögert auf Einflüsse des Wetters reagieren kann. Diese Verzögerung versucht man durch große Reserveleistungen, beispielsweise einer Kühlanlage, zu kompensieren.

Stattdessen wird in der Erfindung das Wissen über die zukünftige Wetterentwicklung in die Regelstrategie eingebunden, somit das Wetter also für einen längeren zukünftigen Zeitraum als bekannt vorausgesetzt und eine an das reale System optimal angepaßte Regelstrategie vorausberechnet. Das System ist damit in der Lage, nicht nur zu reagieren, sondern aktiv vorausschauend zu agieren, mit der Folge, dass sich das daraufhin einstellende Klima in dem System minimal oder gar nicht vom geforderten Klimaprofil unterscheidet. Die Einstellung des geforderten Klimas wird mit deutlich kleineren Reserveleistungen erreicht, da das System statt kurzfristig mit hoher Leistung mit kleiner Reserveleistung vorausschauend über einen längeren Zeitraum gefahren werden kann.

Zur Vorausberechnung der optimalen Regelstrategie werden dieselben Modelle wie in der Simulation in der Planungsphase verwendet. In Programmbibliotheken sind dazu modulare, objektorientierte Softwarebausteine abgelegt, welche jeweils das Verhalten einer realen Komponente, beispielsweise einen Wandaufbau oder ein Ventil, mehr oder minder exakt beschreiben. Des weiteren enthält die Programmbibliothek sog. Funktionsmodule, welche infrastrukturelle Aufgaben, wie die Messung und Archivierung von Wetterdaten, von Zustandsdaten des zu regelnden Systems, automatische Datenfernübertragung u. a., übernehmen.

Alle Module sind bzgl. Schnittstellen- und Datenübertragungsprotokoll eindeutig definiert, so dass sie jederzeit wieder verwendbar, austauschbar und untereinander vernetzbar sind. Die Module können zwar herstellerspezifische Komponenten, wie Pumpen oder Fensterkonstruktionen, beschreiben, sind jedoch in der Vernetzung untereinander zu einem funktionstüchtigen System flexibel einsetzbar und nicht systemspezifisch. Es können also mit Hilfe der Programmbibliothek Modelle für Simulation, Steuerung und Regelung beliebiger Systeme zusammengestellt werden.

In der Planungsphase wird die zu planende oder schon existierende reale Anlage bzw. das Gebäude detailliert als Simulationsmodell im Rechner abgebildet. Das erstellte Modell wird sowohl für die planerische Simulation als auch später zum Einsatz innerhalb der Regelung der realen Anlage verwendet. Beim Übergang von der Planung in den praktischen Betrieb wird das Simulationsmodell um Funktionsmodule ergänzt. Sie stellen die Schnittstelle des Rechenmodells mit dem zu regelnden System und mit Datenquellen, wie Wettermeßstation, Wettervorhersage etc., dar.

Mit Hilfe der Funktionsmodule kann ein Logbuch geführt werden, das im Störfall Hinweise auf die Störursachen gibt. Des weiteren kann das Wissen über Anlagencharakteristika archiviert werden, um für spätere Planungs- und Dimensionierungsaufgaben zur Verfügung zu stehen. Dieses Wissen kann für wissenschaftliche wie auch betriebswirtschaftliche Zwecke dienlich sein. Zur Fehler- und Störungserkennung werden in dem zu regelnden System relevante Zustände mittels Sensoren meßtechnisch erfaßt. Sie werden protokolliert und mit gespeicherten Sollwerten (Profilen) verglichen. Wird ein bestimmter Schwellwert der Abweichung zwischen Soll- und Istzustand überschritten, wird eine Warnung oder eine automatische Fehlerkorrektur innerhalb der Regelung ausgelöst.

Die Komponenten der Programmbibliothek arbeiten plattformübergreifend, d. h. die Software kann in eine beliebige Hardware (Microcontroller, PC etc.) implementiert werden.

Das zur Steuerung der Klimadaten verwendete Rechenmodell kann als Software oder als Hardware, z. B. als Chip, vorhanden sein. Durch die Abbildung des Gebäude- bzw. Anlagenbereichs in dem Chip kann die erforderliche Rechenleistung und damit die Rechenzeit verringert werden.

Vorzugsweise ist ein erster Zwischenspeicher vorgesehen, in dem die berechneten Steuerdaten gespeichert werden. Hierdurch können die Klimageräte auch bei einem Ausfall des Rechners über einen längeren Zeitraum mit Steuerdaten versorgt werden. Ein Ausfall des Rechners hat somit nicht zur Folge, dass die gesamte Klimasteuerung ausfällt.

Ebenso kann ein zweiter Zwischenspeicher vorgesehen sein, in dem die in dem Gebäude- oder Anlagenbereich gemessenen Klimadaten und lokalen Wetterdaten (Zustandsdaten) gespeichert werden. Somit kann auch bei vorübergehendem Ausfall der Meßsensoren in dem Gebäude- oder Anlagenbereich aufgrund vorhandener Zustandsdaten eine Berechnung durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels eines einzigen Computers auch für mehrere Gebäudebereiche eines Gebäudes bzw. für mehrere Anlagenbereiche einer Anlage getrennt voneinander eingesetzt werden, so dass das Klima in diesen Bereichen getrennt voneinander gesteuert werden kann.

Erfindungsgemäß werden moderne Kommunikationsmittel, wie Internet, Intranet, ISDN, Telefon etc., eingesetzt. Sie dienen der Vernetzung mehrerer Subsysteme und zur Fernwartung und -optimierung. Auf diese Weise können Anlagenparameter und ggf. Modelle einzelner Anlagenkomponenten statt am Ort der Anlage kostengünstig von einem externen Rechenzentrum ferndiagnostiziert und geändert werden.

Durch die Vernetzung ist es möglich, auf verteilte und/oder zentrale Rechenleistung zurückzugreifen.

Des weiteren ist durch die Vernetzung die Integration der modellgestützten Regelung in schon bestehende Gebäude- und Anlagenregeltechnik möglich.

Die Regelung kann vom Ort der zu regelnden Anlage oder des Gebäudes getrennt werden. Die Investitionen und der Installationsaufwand vor Ort werden im Vergleich zu konventioneller Regelungstechnik reduziert. Am Ort der Anlage verbleiben lediglich Sensoren, Aktoren und Datenzwischenspeicher. Nach Bedarf werden außerdem Bedienelemente zur Einstellung gewünschter Profile (Klima, Lastdaten, Verfügbarkeit der Klimageräte) zur Verfügung gestellt. Mittels der Bedienelemente wird es dem Anlagenbetreiber ermöglicht, trotz Auslagerung der Regelung eigenständig Änderungen an Sollgrößen vorzunehmen. In einem Gebäude kann beispielsweise der Hausmeister ohne spezielle Fachkenntnisse die gewünschte Raumtemperatur in dem Klimadatenprofil oder die geplante Raumbelegung in dem Lastdatenprofil verändern.

Die eigentliche Berechnung der Regelstrategie kann extern von einem Dienstleister (Provider) übernommen werden. Er verfügt über Rechenleistung und die entsprechenden Simulationsmodelle. Der Provider übernimmt die Berechnung der optimalen Regelstrategie und sendet das Ergebnis automatisch, beispielsweise via ISDN, zu dem Gebäude zurück. Der Provider kann auf diese Weise mehrere Liegenschaften bedienen. Er verfügt dazu über die entsprechenden Rechenmodelle für jedes zu regelnde System. Sollten an einzelnen Systemen im Laufe der Betriebszeit Veränderungen, beispielsweise in einem Gebäude der Austausch eines Heizungsbrenners, vorgenommen werden, so tauscht oder ergänzt der Provider lediglich das entsprechende Modul in dem Systemmodell, um die Regelstrategie an die neuen Verhältnisse anzupassen. Im Sinne einer weiteren Reduktion des Installationsaufwandes vor Ort und der damit verbundenen Kosten kann die Einstellung der gewünschten Profile statt von Personal vor Ort auch von einem externen Provider übernommen werden. Dazu genügt z. B. eine Anweisung des Hausmeisters per E-Mail, Fax oder Telefon.

Unerlaubte Zugriffe von extern auf das rechnergestützte Regelungssystem werden durch geeignete Filter und Sicherheitsmechanismen an den Schnittstellen der Datenfernübertragung abgefangen.

Bei vorstehendem Verfahren ist es besonders vorteilhaft, dass es sowohl in der Planungsphase zum Entwurf und Pretest der Regelung einer Anlagen- und Gebäudetechnik als auch unmittelbar für den praktischen Einsatz in einem realen System geeignet ist. Hierdurch ist eine Doppelgenerierung des Rechenmodells - einmal für die Planung und einmal für den Betrieb der Klimageräte - vermieden. Dies hat eine erhebliche Reduzierung der Kosten zur Folge. Ferner werden Fehler durch doppelte Eingabe von Daten vermieden. Insbesondere ist die Kommunikation zwischen den einzelnen Bereichen bei Bau und Planung des Gebäudes bzw. der Anlage verbessert, da auf dasselbe Rechenmodell zugegriffen wird. Dabei ist freigestellt, ob die Regelstrategie am Ort des zu regelnden Systems oder extern an einem anlagenfernen Ort bestimmt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Von einer regionalen Wetterstation 10 werden zu fest vorgegebenen Zeitpunkten, beispielsweise alle zwölf Stunden, Wettervorhersagedaten automatisch abgefragt und in einem Zwischenspeicher 12 gespeichert. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Abfragen der Wettervorhersagedaten wird abhängig von der Häufigkeit der von der regionalen Wetterstation 10 zur Verfügung gestellten aktualisierten Wettervorhersagedaten und der spezifischen Konstanten, wie der thermischen Konstante eines Gebäudes bzw. einer Anlage 18, bestimmt.

Von einer lokalen Wetterstation 14 werden aktuelle Wetterdaten übermittelt und in einem Zwischenspeicher 16 gespeichert. Die lokale Wetterstation 14 ist im Bereich des Gebäudes bzw. der Anlage 18, dessen Klima gesteuert werden soll, angeordnet.

Bei der Fehlerkorrektur Wettervorhersagedaten 20 werden die Wettervorhersagedaten mit vorliegenden lokalen Wetterdaten verglichen. Hierbei findet ein Vergleich mit lokalen Wetterdaten aus der Vergangenheit statt, wobei es sich um einen mit dem zu steuernden zukünftigen Zeitraum vergleichbaren Zeitraum handelt. Ein vergleichbarer Zeitraum ist beispielsweise der Vortag oder ein anderer Tag, für den eine vergleichbare Wettervorhersage getroffen wurde. Es kann jedoch auch aus mehreren Tagen der Vergangenheit, die in der Summe über die Länge des betrachteten zu steuernden zukünftigen Zeitraums hinausgehen, mittels einer statistischen Auswertung ein vergleichbarer Zeitraum extrahiert werden.

Bei der Fehlerkorrektur findet ein Vergleich der vorliegenden Wettervorhersagedaten mit einem entsprechenden Vergleichszeitraum statt. Hierbei wird festgestellt, inwiefern die Wettervorhersage der regionalen Wetterstation 10 auf die lokale Wetterstation 14 an dem Gebäude bzw. der Anlage 18 übertragbar ist bzw. inwieweit diese korrigiert werden muß. Gegebenenfalls findet eine Korrektur der Wettervorhersagedaten statt. Auf diese Weise werden systematische Abweichungen zwischen regionaler Wettervorhersage und tatsächlich lokal eintretendem Wetter erkannt und kompensiert.

Die Fehlerkorrektur 20 wird immer dann durchgeführt, wenn entweder eine neue Wettervorhersage vorliegt, oder zwischen in der Vergangenheit vorhergesagtem und fehlerkorrigiertem Wetter und dem lokal tatsächlich gemessenen Wetter eine Abweichung eintritt, die über einen zulässigen Schwellwert hinausgeht. Nach Abschluß der Fehlerkorrektur 20 wird über eine Starteinheit 28 die Berechnung der Steuerdaten 30 gestartet.

Bei der Fehlerkorrektur Klimadaten 34 erfolgt zunächst nur ein Vergleich zwischen dem geforderten Klimadaten-Profil 36 und den im Vergleichszeitraum gemessenen Klimadaten 22. Überschreitet die Differenz zwischen gefordertem und tatsächlichem Klimadaten-Profil einen Schwellwert, so wird aus dem ursprünglich geforderten Klimadaten-Profil 36 innerhalb der Fehlerkorrektur 34 ein modifiziertes, den gemessenen Trend überbewertendes Klimadaten-Profil berechnet. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, wird über die Starteinheit 28 eine erneute Berechnung der Steuerdaten 30 mit dem modifizierten Klimadaten- Profil gestartet, die über die Klimageräte in dem Gebäude bzw. der Anlage dem gemessenen Trend entgegenwirken.

In dem Gebäude 18 werden mittels Sensoren Klimadaten, wie die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit oder der Luftdruck und ggf. Verbrauchsdaten, wie die elektrische Leistung für Kunstbeleuchtung oder für den Betrieb von Maschinen, gemessen, gespeichert und zur Fehlerkorrektur 24 und 34 übermittelt. Die Klimadaten werden in einem Zwischenspeicher 22 gespeichert.

Bei der Fehlerkorrektur Lastdaten 24 werden gespeicherte Lastdaten-Profile 26 überprüft. Bei den gespeicherten Lastdaten-Profilen handelt es sich um bekannte Einflüsse auf das Klima. Dies betrifft beispielsweise das Einschalten wärmeerzeugender Geräte zu einem gewissen Zeitpunkt. Durch Vergleich der aktuellen Klimadaten mit dem geforderten Klimadaten-Profil 32 und den Lastdaten-Profilen 26 werden aktuelle Lastdaten berechnet. Nach einer statistischen Auswertung solcher in der Vergangenheit bis zum aktuellen Zeitpunkt berechneten und gespeicherten Lastdaten werden die von gespeicherten Lastdaten-Profilen 26 gelieferten Werte korrigiert. Hierbei werden die gespeicherten Lastdaten-Profile, d. h. die vorher z. B. zum Zeitpunkt der ersten Inbetriebnahme der Anlage oder des Gebäudes bestimmten Lastdaten, mit den berechneten aktuellen Lastdaten verglichen. Aufgrund des Vergleichs erfolgt eine Gewichtung des vorhandenen Lastdaten- Profils oder eine konkrete Änderung des gespeicherten Lastdaten-Profils.

Auf Grundlage der Fehlerkorrektur der Wettervorhersagedaten 20 und der Fehlerkorrektur der Klimadaten 34 wird die Starteinheit 28 gestartet. Die Starteinheit 28 verfügt über Kontrollmechanismen, die die zeitlichen Abstände der Neuberechnung von Steuerdaten 30 koordinieren. Auf diese Weise wird beispielsweise der Tatsache Rechnung getragen, dass durch das Gebäude eine Zeitverzögerung auftritt, bis die Anregung durch die berechneten Steuerdaten 40 über die Messung der sich daraufhin einstellenden Klimadaten 22 erfolgt. Die Starteinheit 28 bewirkt nach Freigabe des internen Kontrollmechanismus den Start der Berechnung der Steuerdaten 30.

Die Berechnung der Steuerdaten erfolgt über ein Anlagen- bzw- Gebäudemodell 36. Bei dem Gebäudemodell handelt es sich um die Abbildung des zu steuernden Gebäude- bzw. Anlagenbereichs 18 auf einem Rechner mit Hilfe eines Simulationsprogramms. Mit Hilfe des Simulationsprogramms sind eine Vielzahl unterschiedlicher Bausteine, beispielsweise für Wände, Fenster, Heizköper, Beleuchtung, Maschinen etc., abgebildet. Aus diesen einzelnen Modulen kann der Anlagen- bzw. Gebäudebereich 18 mathematisch nachgebildet werden. Es ist somit eine exakte Abbildung des Gebäude- bzw. Anlagenbereichs auf dem Rechner möglich. Je nach Anforderung an die Genauigkeit des Steuerverfahrens kann das Modell auch entsprechend vereinfacht sein. Hierdurch wird die Anzahl der Rechenoperationen verringert.

Der abgebildete Gebäude- bzw. Anlagenbereich kann ferner auch als Hardware, beispielsweise als Chip, aufgebaut werden. Dies hat den Vorteil, dass die Rechengeschwindigkeit erheblich erhöht wird.

Dem Anlagen- bzw. Gebäudemodell 36, d. h. dem der Steuerung zugrundeliegenden Rechenmodell, werden zur Berechnung der Steuerdaten korrigierte Lastdaten-Profile 24 sowie korrigierte Wettervorhersagedaten 20 zur Verfügung gestellt. Ferner werden bei der Berechnung der Steuerdaten 30 Verfügbarkeits-Profile 38 der Klimageräte berücksichtigt. In Verfügbarkeits-Profilen 38 ist gespeichert, zu welchem Zeitpunkt bestimmte Klimageräte einsetzbar sind. Beispielsweise können Wärmepumpen ggf. nur zu bestimmten Zeiten eingesetzt werden, da mit den Stromerzeugern häufig Verträge bestehen, die die Nutzung der Wärmepumpen zu Spitzenzeiten untersagt. In derartigen Verfügbarkeits-Profilen 38 kann ferner hinterlegt werden, dass bestimmte Geräte beispielsweise auf Nachtstrombasis arbeiten und daher nur zu bestimmten Nachtzeiten verfügbar sind. Es ist ferner möglich, die Verfügbarkeits-Profile 38 aufgrund gemessener Daten zu ändern.

Mit Hilfe eines Berechnungsalgorithmus werden auf Grundlage des Rechenmodells 36 Steuerdaten für Klimageräte berechnet. In dem abgebildeten Rechenmodell 36 sind beispielsweise die Raumgrößen in dem Gebäude 18, die thermischen Konstanten der einzelnen Wände, die thermischen Konstanten von in dem Gebäude befindlichen Gegenständen oder Geräten u. dgl. berücksichtigt.

Die berechneten Steuerdaten werden an einen Zwischenspeicher 40 übermittelt. Zu den ebenfalls berechneten Zeitpunkten werden die Steuerdaten an die in dem Gebäude bzw. der Anlage 18 vorgesehenen Klimageräte übermittelt. Der Zeitpunkt, zu dem Steuerdaten für eines der Klimageräte übermittelt werden, liegt vor dem Zeitpunkt, zu dem eine Zielgröße zukünftiger Klimadaten, d. h. beispielsweise eine in einem Raum zu einem zukünftigen Zeitpunkt gewünschte Temperatur, erreicht werden soll.

Im Falle einer wetterabhängigen Anlage kann es sich bei den in dem Rechenmodell abgebildeten Bausteinen z. B. um Pumpen, Speicher, Rohrnetze, Ventile, Wärme- oder Kältequellen usw. handeln. Entsprechend ist auch die Regelung selbst modelliert.

Claims (16)

1. Verfahren zur Steuerung des Klimas in einem wetterabhän­ gigen Gebäude- oder Anlagenbereich, mit den Schritten:

• - Abbilden des Gebäude- oder Anlagenbereichs als Rechen­ modell,
• - Automatisches Abfragen von Wettervorhersagedaten (12), einschließlich der zukünftigen Sonneneinstrahlungsin­ tensität und der zukünftigen Windgeschwindigkeit,
• - Berechnen von Steuerdaten (30) für dem Gebäude- bzw. dem Anlagenbereich zugeordneten Klimageräten auf Grund­ lage des Rechenmodells, der Wettervorhersagedaten (12) und gespeicherter Lastdaten-Profile (26) zum Erreichen einer vorgegebenen Zielgröße, vorgegeben in Form eines zukünftigen Klimadaten-Profils, und
• - Übermitteln der Steuerdaten an die Klimageräte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem in den Lastdaten- Profilen (26) innerhalb des Gebäude- bzw. Anlagenbereichs auftretende bekannte Lasten, insbesondere thermische Lasten, gespeichert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem Klimadaten (22) in dem Gebäude- bzw. dem Anlagenbereich gemessen wer­ den und die gespeicherten Lastdaten-Profile (26) durch einen Vergleich mit den gemessenen und/oder den in den Klimadaten-Profilen (32) geforderten Klimadaten korrigiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, bei welchem lokale Wetterdaten (16) zur Korrektur der Wettervorhersagedaten (12) gemessen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die aktuellen Wet­ tervorhersagedaten (12) durch Vergleich zwischen in Ver­ gangenheit gespeicherten lokalen Wetterdaten (16) und für denselben Zeitraum vorhergesagten Daten für denselben oder einen vergleichbaren Zeitraum korrigiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, bei welchem die Wettervorhersagedaten (12) in vorbestimmten Zeitinter­ vallen, vorzugsweise 12 Stunden, abgefragt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, bei welchem ein Klimadaten-Profil vorgesehen ist, in dem der geforderte zeitliche Verlauf zukünftiger Klimadaten gespeichert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem Klimadaten (22) in dem Gebäude- bzw. dem Anlagenbereich gemessen werden und das gespeicherte Klimadaten-Profil (32) durch einen Ver­ gleich mit den gemessenen Klimadaten korrigiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8 oder 7, bei welchem eine Berech­ nung der Steuerdaten (30) automatisch durchgeführt wird, wenn eine Änderung der Wettervorhersagedaten (12) oder des Klimadaten-Profils (32) einen Grenzwert überschreitet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei welchem eine Reihe von Steuerdaten (30) für zeitlich unterschiedliche zukünftige Zielgrößen berechnet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei welchem das Rechenmodell (36) aus einzelnen modularen Modellelementen zusammengesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Rechenmodell (36) als Hard- und/oder Software vorgesehen ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, bei welchem die Steuerdaten (30) in einem Zwischenspeicher (40) gespeichert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, bei welchem die gemessenen Klimadaten in einem Zwischenspeicher (22) gespeichert werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, bei welchem das Klima mehrere Gebäudebereiche eines Gebäudes bzw. mehrere Anlagenbereiche einer Anlage mittels eines Computers ge­ trennt voneinander gesteuert werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, bei welchem meh­ rere Gebäude und/oder Anlagen durch einen externen Computer mittels Datenfernübertragung gesteuert werden.