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Die
Erfindung betrifft ein Kühl- und/oder Gefriergerät
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Zeitabhängige
Stromtarife werden politisch vorangetrieben und könnten
in einigen Jahren verpflichtend eingeführt werden, da durch
den zeitlich optimierten Verbrauch von elektrischer Energie Kapazitäten
in der Stromerzeugung besser genutzt und Stromentstehungskosten
gesenkt werden können. Daher ist es wünschenswert,
den Großteil der Energieaufnahme von Geräten möglichst
in die Nachtstunden zu verschieben. Dies würde bei zeitabhängigen
Stromtarifen die Energiekosten zum Betrieb verschiedener Haushaltsgeräte,
unter anderem auch Kühlgeräte, senken.
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Kühlgeräte
aus dem Stand der Technik orientieren deren Kühlleistung
(und damit deren momentanen Stromverbrauch) an der Innentemperatur,
um optimale Lagerbedingungen zu erzielen. Variable Stromtarife können
so nicht genutzt werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind auch Kühlgeräte mit
Wärmespeichern bekannt. Die
DE 38 06 205 C2 beschreibt ein Kühlgerät,
welches einen Wärmespeicher besitzt. Dieses Kühlgerät
ist so konzipiert, dass der Stromverbrauch durch Anpassung des Betriebes
an die über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Umgebungstem peratur
erfolgt. Der Nutzraum wird oberhalb einer gewissen Umgebungstemperatur
unter Stromverbrauch über einen Verdampfer, und unterhalb über
einen Wärmespeicher gekühlt.
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Die
DE 27 26 954 A1 offenbart
ein Kühlgerät, welches einen Latentwärmespeicher
besitzt um die Temperatur des Kühlgerätes stromtarifabhängig
unterhalb eines Maximalwerts zu halten. Ein Nachteil der Kühlgeräte
aus
DE 27 26 954 A1 ist
die geringe Flexibilität, wobei nur zwischen dem Ein- und
Auszustand des Kühlaggregats (volle oder keine Stromversorgung)
unterschieden wird und eine ja/nein Entscheidung zwischen billigerem
und teurerem Stromtarif erfolgt. Wenn die Kapazität der
Aggregate erschöpft ist, erfolgt in der teuren Periode
normaler Betrieb bis die billige Periode wieder einsetzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühl-
oder Gefriergerät zu schaffen, das einen möglichst
kostensparenden bzw. resourcenschonenden Betrieb ermöglicht.
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Dieses
Ziel wird mit einem Kühl- und/oder Gefriergerät
nach Anspruch 1 erreicht.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass das Kühl- und/oder Gefriergerät
mit wenigstens einem Stromverbraucher ausgeführt ist, sowie
mit wenigstens einem Speicher, der einen Bestandteil des Gerätes
bildet oder mit dem das Gerät verbindbar ist oder in Verbindung
steht, wobei in dem Speicher wenigstens ein zeitabhängiges
Energiesignal abgelegt bzw. ablegbar ist und wobei das Gerät
wenigstens eine Regelungs- oder Steuerungseinheit aufweist oder
mit dieser verbunden oder verbindbar ist, die derart ausgeführt
ist, dass sie die Regelung oder Steuerung des Gerätebetriebes
unter Berücksichtigung des in dem Speicher abgelegten Energiesignals
vornimmt.
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Durch
einen zeitlich optimierten Verbrauch von elektrischer Energie können
Kapazitäten in der Stromerzeugung besser genutzt werden.
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Das
Energiesignal kann gegebenenfalls ein standardisiertes Signal seitens
der Energieversorger darstellen oder auch individuell durch den
Verbraucher angepaßt werden. Bevorzugt beinhaltet das Energiesignal
für den effizienten Betrieb elektrischer Geräte
wichtige Daten, wie z. B. den aktuellen Strompreis, den aktuellen
CO2-Ausstoss pro erzeugte Energieeinheit,
die Netzlast oder sonstige relevante Werte der Energieerzeugung
und -verteilung. Da diese Werte schwanken, z. B. durch erneuerbare
Energien in Abhängigkeit von Wetterverhältnissen,
kann das Gerät seinen Regelalgorithmus auf diese Daten anwenden
und somit die Energiekosten und/oder den CO2-Ausstoss
minimieren.
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Denkbar
ist es, die Kältespeicherung im Gerät so zu gestalten,
dass die Energieaufnahme möglichst in Zeiten mit günstigem
Energiesignal, d. h. in Zeiten mit geringen Energiekosten und/oder
geringerem CO2-Ausstoss pro erzeugter Einheit,
verlegt ist und somit die Energiekosten für den Betrieb
des Gerätes oder die dadurch verursachte Menge an CO2 gesenkt werden.
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Denkbar
ist es ferner, das Gerät mit einer adaptiven Temperaturregelung
zur Senkung der Energiekosten bei zeitabhängigen Stromtarifen
auszuführen.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass für jede Reglerstellung eine
zeitabhängige Temperaturkurve hinterlegt wird, die auf
den tageszeitlichen Verlauf des Energiesignals optimiert ist.
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In
einer Ausführungsform hinterlegt der Regelalgorithmus zeitabhängige
Kühlleistungsprofile. Diese werden vom Algorithmus anhand
verschiedenster Parameter und/oder anderer Dateneingaben optimiert.
So kann der Stromverbrauch unter verschiedensten Randbedingungen
und Anforderungen vorausschauend bestimmt und optimiert werden. Diese
Kühlleistungsprofile können in einer Ausführungsform
in Ihrer digitalen Form die Gestalt von Polynomen mit der Kühlleistung
als abhängige Variable und der Zeit als unabhängige
Variable haben.
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Als
zentrale Größe kann in den Algorithmus die Innentemperatur
des Nutzraums eingehen. Diese wird vom Benutzer entweder festgelegt
oder kann je nach Anwendung innerhalb eines bestimmten Spektrums
variiert werden. Der Algorithmus kann eine Maximal- und/oder Minimaltemperatur
festlegen, die nicht über- bzw. unterschritten werden darf.
Weiters kann eine maximale Schwankungsbreite der Temperatur, auch
eine zeitabhängige Schwankungsbreite, festgelegt werden.
So umfaßt die Erfindung eine Ausführungsform,
wobei über Eingabe an der Bedieneinrichtung des Gerätes
oder an einem elektronisch verbundenen Bedienfeld zwischen möglichst
gleichbleibender Temperatur und maximaler Kostenersparnis, stufenlos
oder mit jeglichen Zwischenstufen gewählt werden kann.
Dadurch wird eine optimale Anpassung an kurz- oder langfristige
Lagerung und an die Art der gelagerten Waren erreicht. Bevorzugt
erfolgt die Nutzung der Optimierung auf Basis des Energiesignals
auf einer prozentualen Skala von 0% (gleichbleibende Temperatur)
bis 100% (vollständige Optimierung) und/oder besonders
bevorzugt auf einer Skala mit höchstens 10 Stufen.
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In
einer Ausführungsform finden auch die Laufzeit des Kälteaggregates
und/oder der Beladungszustand der Strom- und/oder Wärmespeicher Berücksichtigung
im Regelalgorithmus.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird in der Geräteelektronik
der Verlauf des Energiesignals im Tagesverlauf hinterlegt. Diese
Hinterlegung kann über den Benutzer oder einen Mitarbeiter
des Energieanbieters oder des Gerätsanbieters über
eine Datenschnittstelle (z. B. über USB) oder über
das Display und die Bedieneinrichtungen des Gerätes nach
Vorgaben des Energieanbieters vorgenommen werden.
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Alternativ
kann das Gerät das Energiesignal, d. h. die Daten der Energiekosten
bzw. über den CO2-Austoss, über
eine, u. a. auch drahtlose Datenverbindung (WLAN, Powerline, Bus,
GSM ...) von einem Server erhalten. Dadurch kann die Kostenstruktur
online aktualisiert werden. In einer Ausführungsform kann
die Regelelek tronik mit einer internen, absoluten Uhr ausgeführt
sein. Das Zeitsignal kann zusammen mit den Tarifdaten übertragen
werden.
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Die
Außentemperatur kann ebenfalls als Parameter für
den Regelalgorithmus dienen. Diese kann einfach über ein
Außenthermometer gemessen und gegebenenfalls über
einen benutzerdefinierten Zeitraum gemittelt werden. In einer Ausführungsform ist
auch eine Elektronik vorgesehen, die selbständige Prognosen
anhand von Temperaturdaten aus der Vergangenheit erstellt, die nach
bestimmten Mustern ausgewertet werden und den Regelalgorithmus bei der
Erstellung der Kühlleistungsprofile unterstützen. Ein
erfindungsgemäßes Gerät umfaßt
auch solche Ausführungsformen, in der Prognosedaten für
die nahe Zukunft (wie beispielsweise Wetterberichte) manuell oder
bevorzugt online in den Regelalgorithmus eingespeist werden können,
um die Energieausnutzung für die folgenden Tage weiter
zu optimieren.
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Die
Anzahl der Türöffnungen in einem Tageszeitraum
trägt auch wesentlich zur Temperatur im Nutzraum und der
benötigten Kühlleistung bei. Das Auftreten von
Türöffnungen besitzt in einem Haushalt normalerweise
eine gewisse Regelmäßigkeit. So kann diese Anzahl
tageszeitabhängig statistisch erhoben werden und die Statistik
der Türöffnungen ebenfalls vom Regelalgorithmus
berücksichtigt werden. Die Beladung des Nutzraumes hat
ebenfalls Einfluß auf dessen Kühlbedarf. Somit
kann der Algorithmus erfindungsgemäß auch die
Beladung berücksichtigen. Es ist in einer Ausführungsform
auch denkbar, dass der Algorithmus Eingaben berücksichtigt, wonach
das Gerät in einem bestimmten Zeitraum keinen Strom verwenden
soll, zum Beispiel aus akustischen Gründen oder auf Grund
einer vorübergehenden Abschaltung der Stromversorgung.
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In
einer Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit,
dass das Gerät seinen eigenen Strom- oder CO2-Verbrauch
feststellt, die Kosten bzw. den CO2-Ausstoss
ermittelt und über das Display des Gerätes anzeigt.
Sofern das Gerät Daten von einem Energieversorgungsunternehmen über
einen sogenannten intelligenten Zähler oder einer sonstigen elektronischen
Baugruppe (z. B. digitalStrom), die logisch zwischen Elektronik
und intelligentem Zähler betrieben wird, erhält,
kann das Gerät auch über diesen Zähler
Energiekosten erhalten und die Gesamtkosten bzw. sonstige Energie
relevante Daten selbst bestimmen. Auch Prognosen für die
Kosten unter Betrieb und für sonstige relevante Werte der
Energiegewinnung und -Verteilung bei verschiedenen Zwischenstufen
zwischen maximaler Temperaturkonstanz im Nutzraum und maximaler
Kostenersparnis sind anhand von vom Algorithmus erstellter Kühlleistungsprofile
möglich. Dies ermöglicht es wiederum dem Benutzer,
die Qualität der Kühlung auch an ein Ziel für
die Gesamtkosten bzw. Energieeffizienz der Gerätes anzupassen
und nicht nur umgekehrt.
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Ein
oder mehrere Wärme- und/oder Stromspeicher können
fest im Gerät integriert oder lose beigelegt sein.
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Grundsätzlich
ist es auch denkbar, das Gefrier- bzw. Kühlgut selbst als
Kältespeicher einzusetzen.
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Denkbar
ist es, den oder die Wärmespeicher und/oder den oder die
Stromspeicher in Zeiten aufzuladen, in denen der Strompreis bzw.
das Energiesignal vergleichsweise günstig ist.
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Als
Wärmespeicher sind alle Arten von bekannten Wärmespeichern
sowie Kombinationen denkbar. So umfassen geeignete Speicher beispielsweise
sensible Wärmespeicher, Latentwärmespeicher, thermochemische
Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher. In einer bevorzugten
Ausführungsform werden als Wärmespeicher Latentwärmespeicher verwendet.
In einer Ausführungsform haben die Speichermedien der Latentwärmespeicher
eine Phasenübergangstemperatur von leicht unter der Nenntemperatur
des Nutzraums. Die Schmelztemperatur des Speichermediums sollte
dabei im Bereich zwischen ungefähr 5°C über
und ungefähr 10°C unter, bevorzugt zwischen ungefähr
2°C über und ungefähr 5°C unter,
und besonders bevorzugt zwischen ungefähr 1°C über
und ungefähr 3°C unter der Nenntemperatur des
Gerätes liegen. Es ist dabei zu beachten, dass ein auf
einen Wert weiter unter der Nenntemperatur ausgelegter Latentwärmespeicher
eine größere Flexibilität in der Einstellung
der gewünschten Temperatur für den Nutzraum erlaubt,
jedoch die Temperatureinstellung größeren Schwankungen
unterliegen wird. In einer Ausführungsform der Erfindung kommen
daher mehrere Latentwärmespeicher mit unterschiedlichen
Speichermedien im selben Nutzraum zum Einsatz. Typische Werte für
Solltemperaturen sind beispielsweise 5°C (Kühlschränke)
oder –18°C (Gefriergeräte).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen erfindungsgemäße
Kühl- oder Gefriergeräte Stromspeicher auf. Als
solche Stromspeicher bieten sich beispielsweise Akkus, Elektrolyseuren,
Brennstoffzellen oder Kondensatoren an. Diese werden bevorzugt in
Phasen mit günstigem Energiesignal aufgeladen und geben
elektrische Energie in Perioden mit ungünstigem Energiesignal
ab. Dies ermöglicht, im Gegensatz zu den Latentwärmespeichern,
vor allem eine Energiespeicherung, die von der Innentemperatur unabhängig
ist, sowie einen Betrieb von elektrischen Bauteilen des Geräts,
wie beispielsweise Meßgeräten, Bedieneinheiten
oder Bildschirmen.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung regelt der Algorithmus
nur einen Teilbereich des Geräts, in einem kombinierten
Kühlschrank mit Gefrierfach beispielsweise nur das Kühlfach,
das Gefrierfach oder das Kaltlagerfach. In einer bevorzugten Ausführungsform
kann ein erfindungsgemäßes Gerät verschiedene
Regelalgorithmen für verschiedene Teilbereiche aufweisen.
Dies gilt auch für die Art und Verteilung von Wärme-
und/oder Stromspeichern, welche im allgemeinen frei innerhalb eines
Nutzraums und/oder über mehrere Kühlräume
verteilt sein können und frei kombinierbar sind, sollte
dies zweckdienlich sein.
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Es
kann vorgesehen sein, das mehrere Energiesignale parallel und/oder
nacheinander gegebenenfalls gewichtet durch die Steuerungs- und
Regelungseinheit berücksichtigbar sind.
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Möglich
ist auch, dass die elektronischen Komponenten für die Erfassung
des Energiesignals und dessen zumindest teilweisen Auswertung und Analyse
zumin dest teilweise in ein externes Modul ausgliederbar sind und
an einen Kühl- oder Gefrierschrank anschließbar
bzw. angeschlossen sind. Dadurch können die Geräte
einfach nachgerüstet bzw. erweitert werden.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Regelungs- und Steuerungseinheit mindestens einen P- und/oder
I- und/oder PI- und/oder PD-, und/oder ID- und/oder PID-Regler.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Dabei zeigen:
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1:
ein Flußdiagramm eines vereinfachten Regelsystems zur Verwendung
in einem erfindungsgemäßen Kühlgerät,
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2:
ein Flußdiagramm für einen Algorithmus, welcher
auch das Benutzerverhalten miteinbezieht,
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3:
ein Zeitdiagramm des Energiesignals und des entsprechenden Schaltverhaltens
und
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4:
eine skizzierte Darstellung eines weiteren Regelalgorithmus.
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In
den 1 und 2 sind Informationen zu Ausführungsbeispielen
eines Erfindungsgemäßen Kühl- und/oder
Gefriergerätes abgebildet, wobei das Energiesignal Informationen
zum aktuellen Stromtarife darstellt.
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Eine
erste Abfrage in 1 bezieht sich darauf ob zum
momentanen Zeitpunkt der Stromtarif unter- oder überdurchschnittlich
hoch ist. Diese Abfrage bezieht den momentanen Strompreis von einer
Uhr und einer Tabelle beziehungsweise online. Sollte der momentane
Tarif unterdurchschnittlich sein, so wird zunächst geprüft
ob die momentane Innentemperatur T oberhalb des Bereichs TSoll – TLow zwischen
Solltemperatur TSoll und der als untere
Grenze festgelegten Temperatur TLow liegt.
Sollte dies zutreffen, wird der Kühlschrank im Regelbetrieb
gefahren, um in diesen Be reich abzukühlen. Sollte dies
nicht zutreffen, wird der Betrieb über das vom Algorithmus
experimentell ermittelte Kühlleistungsprofil für
die Sparzeit mit Lauf- und Stehzeiten toff,low und
ton,low fortgesetzt.
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Sollte
der momentane Tarif überdurchschnittlich sein, so wird
geprüft ob die momentane Innentemperatur T oberhalb des
Bereichs TSoll + THigh zwischen
Solltemperatur TSoll und der als obere Grenze
festgelegten Temperatur THigh liegt. Sollte
dies zutreffen, wird der Kühlschrank im Regelbetrieb gefahren,
um in diesen Bereich abzukühlen. Sollte dies nicht zutreffen,
wird der Betrieb über das vom Algorithmus experimentell
ermittelte Kühlleistungsprofil mit Lauf- und Stehzeiten
toff,high und ton,high fortgesetzt.
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Der
Temperaturkorridor im Bereich T – TLow bis
T – THigh wird durch Vorgaben des
Benutzers bezüglich der gewünschten Kosteneinsparung
festgelegt. Die zu schützenden Zeiten toff,low,
ton,low, toff,high und ton,high werden experimentell ermittelt und
bewegen sich im Bereich von ungefähr 5 bis 1000 Minuten.
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Die
Elektronik in 2 bezieht zunächst
Tarifdaten K online vom Energieversorgungsunternehmen (links oben),
setzt diese mit der momentanen Uhrzeit in Verbindung, wertet die
Tarifdaten über einen Zeitraum von 24 h statistisch aus
und erhält somit ein Profil der Tarifdaten. Ein Benutzer
gibt dann gewisse Parameter wie die gewünschte Einsparung oder
einen zulässigen Temperaturkorridor THigh bis TLow vor. Diese Eingabe kann jederzeit verändert
werden.
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Ein
externer Luftfühler erstellt über einen Zeitraum
von 24 h ein Außentemperaturprofil T und einen ständig
aktualisierbaren Wärmeeintrag Q, der durch Temperaturunterschiede
und die Qualität der Isolierung beeinflußt wird.
Ein zusätzlicher Wärmeeintrag wird über
die tageszeitabhängige Messung der Türöffnungen
und die anschließende statistische Auswertung abgeschätzt
(rechts oben).
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Die
Vorgaben werden vom Algorithmus verwendet um ein Kühlleistungsprofil
zu erstellen, welches umgesetzt wird und iterativ durch Messung
des Trends im Temperaturverlauf optimiert und angepasst wird (unten).
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3 zeigt
den abgelegten bzw. empfangenen zeitlichen Verlauf des Energiesignals.
Beispielweise stellt das Energiesignal einen Stromtarif mit zwei
Stufen dar, dessen erste Stufe ein niedriges Energiesignal aufweist
und einen kostengünstigen Stromtarif symbolisiert und dessen
zweite Stufen ein hohes Energiesignal aufweist, was mit einem hohen Stromtarif
in Verbindung steht. Bei derartigen Tarifen mit 2 Stufen erfolgt
die Regelung des Kühl- oder Gefriergerätes mit
einer ungeraden Zyklenanzahl pro Tag. Durch geschickt gewählte
Schaltzeitpunkte kann eine Einschaltdauer mehr zeitlich in den niedrigen
Tarif fallen, als in den hohen Tarif. Im dargestellten Diagramm
werden insgesamt 5 Zyklen zum Kühlen des Gerätes
(Einschaltphasen) pro Tag auf den jeweiligen Energiesignalzustand
optimiert. Dies bedeutet konkret, dass während der Phase
mit niedrigem Energiesignal drei Zyklen (Einschaltphasen) zum Kühlen
des Gerätes geschaltet werden, wobei während der
Phase mit hohem Energiesignal nur deren zwei geschaltet werden.
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Die
optimierte Regelung des erfindungsgemäßen Kühl-
oder Gefriergerätes reagiert so auf das eingehende Energiesignal,
dass die nach einem Algorithmus berechnete Werte für die
Anhebung und/oder Absenkung der Ein- und Ausschaltwerte zu veränderten
Laufzeiten des Kühlaggregats mit einer bzgl. des Energiesignals
optimierten Energieaufnahme führt.
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Die
benötigten Komponenten zum Empfang des Energiesignals sowie
der Algorithmus zu dessen zumindest teilweisen Auswertung sind bevorzugt
in der Geräteelektronik integriert. Diese berechnet die Anhebung
und Absenkung der Ein- und Ausschaltwerte auf Basis des empfangenen
Energiesignals und berücksichtigt diese Werte bei der Regelung
des Gerätes.
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Ein
weiteres Ausgestaltungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Kühl- und/oder Gefriergerätes folgt einem alternativen
Regelalgorithmus der Regelungs- und Steue rungseinheit des Gerätes,
der anhand von 3 näher erläutert
werden soll. Dabei sind die notwendigen Komponenten zum Empfang des
Energiesignals sowie der Algorithmus zu dessen Auswertung alternativ
in ein ausgelagertes Modul (Energie-Effizienz-Box) integriert, das
mit der Geräteelektronik über ein Kommunikationsprotokoll
in Verbindung steht. Das Modul berechnet die Anhebung und Absenkung
der Ein- und Ausschaltwerte auf Basis des empfangenen Energiesignals
und gibt diese mittels eines Übertragungsprotokolls an
die Geräteelektronik weiter, die diese Werte bei der Regelung des
Kühl- oder Gefriergerätes berücksichtigt.
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Die
nachrüstbare Energie-Effizienz-Box erhält über
eine Datenverbindung das Energieeffizienzsignal (Energiesignal)
von einem Energieversorgungsunternehmen für einen bestimmten
Zeitraum. Aus diesem Zeitraum berechnet ein Algorithmus, der an
einen PID-Regler angelehnt ist, die Offsetwerte. Ein weiterer PID-Regler
liest aus der Geräteelektronik die IST- und die Soll-Temperatur
aus und berechnet daraus ebenfalls Offsetwerte. Die Offsetwerte beider
PID-Regler werden addiert, entsprechend Vorgaben limitiert und anschließend
an die Geräteelektronik übertragen. Die Geräteelektronik
berechnet in Abhängigkeit von der vom Kunden gewünschten Ausnutzung
der Optimierung unter Berücksichtigung der erhaltenen Offsetwerte
die Schaltwerte des Gerätes. Auch diese Schaltwerte werden
gemäß Vorgaben limitiert. Dadurch ist eine sichere
Funktion des Gerätes gewährleistet.
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Die
Dynamik des Energie-Effizienz-Signals beeinflußt dabei
die Zeitkonstanten des verwendeten Reglers. Dadurch kann auf unterschiedlich
schnell auf die Änderung des Signals reagiert werden.
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Die
Elektronik der Effizienz-Box ist selbstverständlich ebenso
in eine einzige Baugruppe der Geräteelektronik des Kühl-
oder Gefriergerätes integrierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3806205
C2 [0004]
- - DE 2726954 A1 [0005, 0005]