DE102014211256A1

DE102014211256A1 - Steuervorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems

Info

Publication number: DE102014211256A1
Application number: DE102014211256.7A
Authority: DE
Inventors: Mathias Duckheim; Johannes Reinschke; Christian Schwingenschlögl; Bernd Wachmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-12-31
Also published as: WO2015189097A1

Abstract

Es wird eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems eines Gebäudes vorgeschlagen. Eine Bestimmungseinheit bestimmt eine erste geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem erzeugter Leistung für einen Prognosezeitraum und eine erste Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang für den Prognosezeitraum unter Verwendung der ersten geschätzten Menge. Die Bestimmungseinheit bestimmt in dem Prognosezeitraum eine zweite geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem erzeugter Leistung basierend auf ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes und zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude und eine zweite Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang in dem Prognosezeitraum unter Verwendung der zweiten geschätzten Menge. Eine Steuereinheit steuert das Gebäudeautomationssystems durch zumindest ein Stellsignal, das auf der ersten und der zweiten Lastgangsprognose basiert. Durch die Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen des Gebäudes, aber auch von Umgebungsbedingungen anderer Gebäude kann eine Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang verbessert werden. Hierbei können Schwankungen der Energieerzeugung aufgrund von Schwankungen der Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung auf der Management-Ebene eines Gebäudeautomationssystems, welches mindestens eine Energieerzeugungseinheit sowie mindestens einen Energieverbraucher im Gebäude steuert. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Automationssystem für ein Gebäude mit zumindest einer Energieerzeugungseinheit und zumindest einem Energieverbraucher und einer solchen Steuervorrichtung auf der Management-Ebene. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren auf der Management-Ebene zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems für ein Gebäude mit einer Energieerzeugungseinheit und einem Energieverbraucher.
Moderne Automationssysteme für Gebäude, insbesondere kommerzielle Gebäude und Industrieanlagen, sind hierarchisch aufgebaut. Diese weisen die folgenden Ebenen (von oben nach unten) auf: Management-Ebene, Automationsstations-Ebene und Feld-Ebene.
Alle Basis-Automationsfunktionen zum Ansteuern und Auslesen von Feldgeräten, beispielsweise Verbrauchern, sind dabei in zumindest einer Automationsstation der Automationsstations-Ebene implementiert und auch ohne Management-Ebene lauffähig. Die Management-Ebene stellt üblicherweise Beobachtungs- und Bedien-Funktionen sowie übergeordnete Steuerungsfunktionen zur Verfügung. Hierzu zählen insbesondere solche Steuerungsfunktionen, die eine Kommunikation mit Systemen außerhalb des Gebäudeautomationssystems erfordern.
Ein Stromnetz oder elektrisches Energieverteilnetz bzw. elektrisches Energieversorgungsnetzwerk kann verschiedene Stromkunden, wie beispielsweise Gebäude, mit Strom versorgen. Diese Gebäude können unter anderem Großgebäude oder Industrieanlagen sein, die an verschiedenen Netzanschlusspunkten Strom aus dem Stromnetz entnehmen. Bei der Steuerung bzw. Regelung solcher Energieversorgungsnetzwerke ist eine Vorhersage des zu erwartenden Lastgangs an den verschiedenen Netzanschlusspunkten wünschenswert.
Unter einem Lastgang oder Lastprofil über einen Zeitraum [t_start, t_end] wird der zeitliche Verlauf der vom Kunden abgenommenen elektrischen Leistung über dem Zeitraum [t_start, t_end] verstanden. Die Leistung wird dabei üblicherweise als Mittelwert eines Abrechnungsintervalls gemessen. Das Abrechnungsintervall kann eine Viertelstunde sein, kann aber auch eine andere Zeitspanne, z.B. eine Stunde, betragen.
In einem Stromnetz muss die erzeugte elektrische Leistung zu jedem Zeitpunkt gleich der verbrauchten elektrischen Leistung sein. Energieversorger und Bilanzkreisverantwortliche stellen dies sicher, indem sie den Leistungsverbrauch prognostizieren und die Leistungserzeugung bzw. –bereitstellung entsprechend planen und einkaufen. Die Leistungsverbrauchsprognose erfolgt häufig auf Basis von Standard-Lastprofilen. Wenn jedoch ein Stromkunde beginnt, seinen Strombezug hinsichtlich des Eigenverbrauchs von selbst erzeugtem Strom oder bezogen auf einen zeitlich variablen Stromtarif zu optimieren, dann kann sein Lastprofil vom Standard-Lastprofil unter Umständen erheblich abweichen und nur noch vom Kunden selbst prognostizierbar sein. In einem solchen Fall ist es wünschenswert, dass der Kunde dem Energieversorger und gegebenenfalls auch dem Netzbetreiber eine Prognose seines Lastgangs mitteilt.
Um in den Gebäuden die getätigte Lastgangsprognose einhalten zu können, muss die Prognose ausreichend gut sein. Das bedeutet, dass diese dem tatsächlichen Lastgang hinreichend entsprechen sollte. Wenn ein Gebäude oder eine Industrieanlage zusätzlich zu der aus dem Stromnetz bezogenen Leistung selbst elektrische Leistung erzeugt, zum Beispiel mittels einer Photovoltaikanlage, ergibt sich der Lastgang am Netz aus dem Leistungsverbrauch des Gebäudes bzw. der Industrieanlage abzüglich der selbst erzeugten elektrischen Leistung. Daher hängt die Güte der Lastgangsprognose bei Vorhandensein von Eigenerzeugung elektrischer Leistung, beispielsweise durch eine Photovoltaikanlage, von der Güte der Prognose ab, die die selbst erzeugte elektrische Leistung berechnet und voraussagt.
Die Energieerzeugung basierend auf regenerativen Energien wie Wind und Sonne, beispielsweise durch Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, aber auch die Energieerzeugung von wärmegeführten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, ist abhängig von Wettereinflüssen wie Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur, die kurzfristig und lokal stark schwanken können. Beispielsweise kann die Sonneneinstrahlung auf eine Photovoltaikanlage von einem Wolkenzug beeinflusst werden, den ein Wettervorhersagedienst weder genau örtlich auflösen noch vorhersagen kann.
US 2011/0060475 A1 offenbart ein Wolkenverfolgungssystem für Photovoltaikkraftwerke.
In http://www.enercast.de/fileadmin/user_upload/Brosch%C3%BCren/ enercast_fraunhofer_einspeisung_von_solarstrom_vnb_web.pdf ist ein Photovoltaik-Energieeinspeisungs-Prognosewerkzeug beschrieben, bei dem Netzbetreiber den Photovoltaikenergieeintrag von Anlagen, deren Leistungsmessung nicht zur Verfügung steht, im Netz schätzen.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren innerhalb eines Gebäudeautomationssystems bereitzustellen, die auch unter kurzfristigen Veränderungen von Wettereinflüssen eine Lastgangs- bzw. Lastprofilprognose zuverlässig erstellen und einhalten kann.
Demgemäß wird eine Steuervorrichtung auf der Management-Ebene eines Gebäudeautomationssystems vorgeschlagen, wobei das Gebäudeautomationssystem zumindest eine Energieerzeugungseinheit sowie zumindest einen Energieverbraucher in einem Gebäude steuert. Die Steuervorrichtung weist eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen einer ersten geschätzten Menge an durch das Energieerzeugungssystem erzeugter Leistung für einen Prognosezeitraum und zum Bestimmen einer ersten Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang für den Prognosezeitraum unter Verwendung der ersten geschätzten Menge auf. Die Bestimmungseinheit ist des Weiteren dazu eingerichtet ist, in dem Prognosezeitraum eine zweite geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem erzeugter Leistung basierend auf ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes und basierend auf zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude zu bestimmen und eine zweite Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang in dem Prognosezeitraum unter Verwendung der zweiten geschätzten Menge zu bestimmen. Die Steuervorrichtung weist des Weiteren eine Steuereinheit zum Steuern des Gebäudeautomationssystems durch zumindest ein Stellsignal auf, wobei das Stellsignal auf der ersten Lastgangsprognose und der zweiten Lastgangsprognose basiert.
Die ersten Umgebungsbedingungen des eigenen Gebäudes können für den Prognose-Zeitraum [t₁ ^Prognose, t₂ ^Prognose] bzw. für einen Teil des Prognose-Zeitraums ermittelt werden. Die zweiten Umgebungsbedingungen des zumindest einen weiteren Gebäudes können ebenfalls für den Prognosezeitraum oder einen Teil davon, aber auch für einen vergangenen Zeitraum [t₁ ^{Vergangenheit}, t₂ ^{Vergangenheit}] ermittelt werden.
Die Bestimmungseinheit bestimmt eine erste Lastgangsprognose für den Prognose-Zeitraum [t₁ ^Prognose, t₂ ^Prognose] basierend auf der ersten geschätzten Menge. Dies kann beispielsweise am Vortag des Prognosezeitraums erfolgen. Innerhalb des Prognosezeitraums kann die Bestimmungseinheit dann eine zweite (angepasste) Lastgangsprognose basierend auf den ersten Umgebungsbedingungen und den zweiten Umgebungsbedingungen für den Prognose-Zeitraum oder einen Teil des Prognosezeitraums bestimmen.
Die Steuereinheit kann dann das Gebäudeautomationssystem durch zumindest ein Stellsignal steuern, wobei das Stellsignal auf der ersten Lastgangsprognose und der zweiten Lastgangsprognose basiert. Durch die Steuereinheit wird das Gebäudeautomationssystem derart gesteuert, dass die erste Lastgangsprognose eingehalten wird. Die Steuereinheit kann hierzu zunächst Informationen von der Automationsstations-Ebene empfangen und die Stellsignale dann an die Automationsstations-Ebene senden.
Unter einem Energieerzeugungssystem wird in diesem Zusammenhang ein Energieerzeugungssystem verstanden, das – nicht notwendigerweise, aber bevorzugt aus regenerativer Energie – Strom erzeugt und an ein Gebäudeautomationssystem angeschlossen ist und von diesem gesteuert werden kann. Daher kann auch von einem gebäudeintegrierten Energieerzeugungssystem gesprochen werden. Ein Energieerzeugungssystem in diesem Zusammenhang kann beispielsweise ein Solarenergieerzeugungssystem wie eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage oder auch eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage sein. Im Folgenden wird als Energieerzeugungssystem vorrangig ein Solarenergieerzeugungssystem beschrieben. Es sollte aber verstanden werden, dass in jeder Ausführungsform auch andere Arten von gebäudeintegrierter Stromerzeugung verwendet werden können und die Ausführungsformen nicht auf Solarenergieerzeugungssysteme beschränkt sind.
Ein solches gebäudeintegriertes Energieerzeugungssystem kann an unterschiedlichen Arten von Gebäuden angeschlossen sein, beispielsweise Großgebäude und Industrieanlagen, aber auch an kleineren Gebäuden. Jedes dieser Gebäude weist mindestens einen Stromverbraucher auf, wobei unter Verbraucher in diesem Zusammenhang Geräte, Systeme, Anlagen und ähnliches verstanden werden, die zumindest temporär elektrische Energie benötigen. Es wird darauf hingewiesen, dass elektrische Energiespeicher wie Batterien, Supercaps, Schwungradspeicher oder ähnliches ebenfalls unter diesen Begriff eines Stromverbrauchers fallen. Zur Energieverbrauchssteuerung wird ein Gebäudeautomationssystem vorgeschlagen, das die Verbraucher steuert und dabei die Zuführung von Energie regelt. Die benötigte Energie kann hierbei durch die selbst erzeugte Energie bzw. Leistung aus dem Energieerzeugungssystem bezogen werden. Zusätzlich ist das Gebäude an ein öffentliches Stromnetz angeschlossen, für das das Lastprofil prognostiziert wird.
Das Lastprofil oder der Lastgang über einen Zeitraum [t_start, t_end] bezeichnet den zeitlichen Verlauf der abgenommenen elektrischen Leistung über den Zeitraum [t_start, t_end]. Die Leistung wird dabei als Mittelwert eines Abrechnungsintervalls gemessen. Das Abrechnungsintervall kann eine Viertelstunde sein, kann aber auch eine Stunde betragen.
Die Leistung, die aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen wird, ergibt sich aus der Leistung, die durch die Verbraucher (und ggf. auch elektrischen Energiespeicher) im Gebäude benötigt wird, abzüglich der selbst erzeugten Leistung, d.h. der durch das gebäudeintegrierte Energieerzeugungssystem erzeugten Leistung.
Die oben beschriebene Steuervorrichtung basiert auf der Idee, Umgebungsbedingungen zwischen Gebäuden auszutauschen, um die Abschätzung der selbst erzeugten Leistung zu optimieren und auf diese Weise den prognostizierten Lastgang durch entsprechende Steuerung des Gebäudeautomationssystems einzuhalten bzw. die Lastgangsprognose zu verbessern. Auf diese Weise können auch lokale Wettereinflüsse, die nicht aus einer Vorhersage eines Wettervorhersagedienstes bekannt sind, berücksichtigt werden. Diese lokalen Wettereinflüsse können witterungsbedingte Schwankungen bei der Energieerzeugung durch das gebäudeintegrierte Energieerzeugungssystem bewirken. Diese Schwankungen werden durch die Berücksichtigung der ersten Umgebungsbedingungen und der zweiten Umgebungsbedingung bei der Bestimmung der zweiten Lastgangsprognose des Gebäude-Lastgangs berücksichtigt und zum Teil bereits ausgeglichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuervorrichtung eine Kommunikationseinheit zum Empfangen der ersten Umgebungsbedingungen und zum Empfangen der zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude auf.
Die Kommunikationseinheit kann sowohl erste Umgebungsbedingungen des Gebäudes selbst von anderen Einheiten innerhalb des Gebäudes als auch zweite Umgebungsbedingungen zumindest eines weiteren Gebäudes von extern empfangen, kann aber auch zum Senden von Signalen ausgestattet sein.
Durch die Berücksichtigung von zweiten Umgebungsbedingungen, die von weiteren Gebäuden, die in einem Umkreis des Gebäudes angeordnet sind, stammen, kann die Vorhersage bzw. Abschätzung der selbst erzeugten Energie im Vergleich zu einer Abschätzung verbessert werden, bei der nur die ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes selbst berücksichtigt werden. Die zweiten Umgebungsbedingungen, die beispielsweise für einen vergangenen Zeitraum erhalten werden, erlauben eine Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen, die auch zu dem Gebäude gelangen und dort eine Veränderung der Umgebungsbedingungen hervorrufen können. Auf diese Weise können auch lokale Wettereinflüsse, die durch die benachbarten Gebäude gemessen oder ermittelt werden, berücksichtigt werden.
Die jeweilige Einheit, zum Beispiel Empfangseinheit oder Steuereinheit, kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor oder als Steuerrechner eines Gebäudeautomationssystems ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die ersten Umgebungsbedingungen zumindest eine Eigenschaft des Energieerzeugungssystems auf.
Eine Eigenschaft des Energieerzeugungssystems können beispielsweise das Material, aber auch verschiedene Parameter sein, die eingestellt werden können. Des Weiteren können hierzu auch Strukturen der Umgebung des Gebäudes bzw. des Energieerzeugungssystems, eine Ausrichtung des Energieerzeugungssystems, der Typ des Energieerzeugungssystems oder bei einem Solarenergieerzeugungssystem auch der Wirkungsgrad der Solarmodule als Funktion der Umgebungstemperatur und des Einstrahlwinkels zählen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet, die ersten Umgebungsbedingungen von einer Ermittlungseinheit des Gebäudes zu empfangen.
Die maximal verfügbare Leistung des Energieerzeugungssystems hängt unter anderem von aktuellen Umgebungsbedingungen des Gebäudes ab. Im Falle eines Solarenergieerzeugungssystems hängt beispielsweise die maximal verfügbare Photovoltaik-Paneel-Leistung von der aktuellen Sonneneinstrahlung ab. Diese hängt auch von der Tageszeit und damit dem Sonnenstand ab. Des Weiteren ist die maximal verfügbare Photovoltaik-Paneel-Leistung eine Funktion der Größen

– direkte Sonneneinstrahlung,
– indirekte bzw. diffuse Sonneneinstrahlung und
– Umgebungstemperatur bzw. Lufttemperatur.

Diese Größen können anhand der ersten Umgebungsbedingungen bestimmt werden.
Unter direkter Sonneneinstrahlung wird hierbei die Sonneneinstrahlung verstanden, die direkt auf die Anlage trifft. Als indirekte, diffuse oder reflektierte Sonneneinstrahlung wird bezeichnet, wenn Wolken die Sonne verdecken und eine Reflexion des Lichts vorherrscht. Auf die direkte Sonneneinstrahlung kann dabei durch Messung der aktuell erzielten Leistung des Solarenergieerzeugungssystems und basierend auf der indirekten Sonneneinstrahlung und der Umgebungstemperatur, die durch die ermittelten Umgebungsbedingungen bestimmt werden können, rückgeschlossen werden. Diese berechnete direkte Sonneneinstrahlung kann dann ebenfalls zur Bestimmung der zweiten geschätzten Menge und damit zur Bestimmung der zweiten Lastgangsprognose herangezogen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Ermittlungseinheit zumindest eine Sensoreinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die Lufttemperatur, die Windrichtung und/oder die Windgeschwindigkeit zu messen.
Die Sensoreinheit kann irgendeine Art von Sensor sein, der dazu geeignet ist, die entsprechenden Umgebungsbedingungen zu messen. Beispielsweise kann der Sensor ein Anemometer sein, der die lokale Windrichtung und Geschwindigkeit misst. Die Sensoreinheit kann auch einen Außentemperaturfühler aufweisen. Anhand der gemessenen Ergebnisse kann die Ermittlungseinheit die zweiten Umgebungsbedingungen ermitteln. Der Sensor bzw. die Sensoreinheit kann Teil des Gebäudes sein.
Beispielsweise kann es im Fall einer Windkraftanlage bzw. von Windgeneratoren als Energieerzeugungssystem relevant sein, das Herannahen einer Windböe oder Flaute für die nahe Zukunft vorherzusagen. Auf diese Weise kann die Bestimmung der geschätzten Menge an selbst erzeugter Energie verbessert werden. Die Windvorhersage kann sowohl für einen Einbruch als auch einen Anstieg des Winds getroffen werden. Diese Vorhersage kann durch Auswertung der Winddaten benachbarter, besonders auf der windzugewandten Seite liegender, Gebäude weiter verbessert werden. In diesem Fall können die zweiten Umgebungsbedingungen Winddaten enthalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Ermittlungseinheit eine Bilderfassungsvorrichtung auf, um eine Wolkenbedeckung und/oder eine Zuggeschwindigkeit von Wolken über dem Energieerzeugungssystem zu ermitteln.
Durch eine Auswertung von erfassten Bildern kann durch ein Bildererkennungsverfahren beispielsweise eine Schätzung für ein Geschwindigkeitsvektorfeld und eine Sonneneinstrahlungstransmissivität des Wolkenfeldes bzw. einzelner Wolken am Ort der Bilderfassungsvorrichtung gewonnen werden. Diese Daten können dann verwendet werden, um die direkte Sonneneinstrahlung bzw. die indirekte Sonneneinstrahlung, das heißt Sonneneinstrahlung, die trotz Wolkenbedeckung zu einem Solarenergieerzeugungssystem gelangt, zu ermitteln.
Dies kann auch als „Cloud tracking“, d.h. Wolkennachverfolgung, bezeichnet werden. Einbrüche in der Photovoltaik-Leistung, d.h. der Leistung eines Solarenergieerzeugungssystems, durch vorüberziehende Wolken oder Wolkenzüge und Leistungsspitzen durch Löcher in Wolkenfeldern werden kurzfristig und lokal vorhersagbar. Wolken, die zuvor über andere Gebäude, die sich an der Vorhersage durch Austausch von Umgebungsbedingungen beteiligen, gezogen sind, werden auch über das Gebäude ziehen, das die aktuelle Prognose bestimmt. Wenn innerhalb von bestimmten Intervallen bekannt ist, dass ein Photovoltaik-Leistungseinbruch erfolgen wird, kann das Gebäudeautomationssystem steuernd eingreifen, z.B. Lasten im Gebäude abwerfen, Batterieentladen oder andere Erzeuger einschalten und hochfahren, so dass am Netzanschlusspunkt des Gebäudes der Vorhersagewert der zu entnehmenden Leistung, d.h. die erste Prognose, weiterhin eingehalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet, die zweiten Umgebungsbedingungen von einem externen Server zu empfangen.
Die weiteren Gebäude, die ebenfalls Umgebungsbedingungen bestimmen, senden diese zweiten Umgebungsbedingungen an einen externen Server. Dieser kann eine Datenbank aufweisen, in der diese Umgebungsbedingungen gespeichert werden. Die Kommunikationseinheit kann dann die zweiten Umgebungsbedingungen, das heißt die Umgebungsbedingungen weiterer Gebäude, von dem Server empfangen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet, die ersten Umgebungsbedingungen an den externen Server zu senden.
Die durch die Steuervorrichtung im Zusammenhang mit dem Gebäude ermittelten Umgebungsbedingungen werden an den externen Server gesendet, so dass die weiteren Gebäude diese Umgebungsbedingungen ebenfalls von dem Server abrufen können. Auf diese Weise wird ein verteiltes Netz von Gebäuden geschaffen, so dass die Gebäude die verschiedenen ermittelten bzw. gemessenen Umgebungsbedingungen austauschen können.
Alternativ kann anstelle eines Servers auch eine direkte Kommunikation zwischen den Gebäuden stattfinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet, von dem externen Server, eine Berechnung einer direkten Sonneneinstrahlung auf das Energieerzeugungssystem unter Verwendung der ersten Umgebungsbedingungen und der zweiten Umgebungsbedingungen für den Prognosezeitraum zu empfangen.
Der externe Server empfängt sowohl die ersten Umgebungsbedingungen als auch die zweiten Umgebungsbedingungen und kann daher eine Berechnung der direkten Sonneneinstrahlung für jedes Solarenergieerzeugungssystem, das in dem Gesamtnetz vorhanden ist, durchführen. Die direkte Sonneneinstrahlung kann durch die indirekte Sonneneinstrahlung und die Umgebungstemperatur, die beispielsweise von einem Wetterdatendienstleister bezogen werden können, und der gemessenen maximal verfügbaren Photovoltaik-Paneel-Leistung rückgeschlossen werden. Die ersten Umgebungsbedingungen und die zweiten Umgebungsbedingungen stellen dabei Daten dar, die zur lokalen direkten Sonneneinstrahlung korrespondieren. Diese Daten, die auf die direkte Sonneneinstrahlung am Gebäude rückschließen lassen, werden in dem Server zusammen mit der geographischen Position des Gebäudes, das den ersten oder zweiten Umgebungsbedingungen zugeordnet ist, gespeichert.
Wie in dieser Ausführungsform beschrieben, erfolgt eine Weiterverarbeitung der von den Gebäuden an den zentralen Server übermittelten Daten bereits auf dem Server, so dass sich die beteiligten Gebäude die Werte der direkten Sonneneinstrahlung am eigenen Gebäude direkt vom Server abholen können, ohne selbst diesbezügliche Modelle vorhalten und Berechnungen durchführen zu müssen.
Der Server kann beispielsweise zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit zusätzliche Satellitendaten über Wolkenbewegungen, die typischerweise eine geringere örtliche Auflösung haben, aber zusätzlich Aufschluss über eine globale Bewegung von Wolkenfeldern geben, sowie Wetterberichte verwenden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet, von dem externen Server die Berechnung der direkten Sonneneinstrahlung des Energieerzeugungssystems für einen aktuellen Zeitpunkt und/oder einen vergangenen Zeitraum zu empfangen.
Zusätzlich zu dem Prognosezeitraum, der zum Zeitpunkt der Bestimmung der ersten Prognose in der Zukunft liegt, kann die direkte Sonneneinstrahlung, die maßgeblich für die Abschätzung der zukünftig verfügbaren Leistung ist, für einen aktuellen Zeitpunkt oder auch für die Vergangenheit bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Bestimmungseinheit dazu eingerichtet, eine direkte Sonneneinstrahlung des Energieerzeugungssystems basierend auf den ersten Umgebungsbedingungen und den zweiten Umgebungsbedingungen zu bestimmen, um die erste geschätzte Menge und/oder die zweite geschätzte Menge für die durch das Energieerzeugungssystem erzeugte Leistung zu bestimmen.
Jedes der beteiligten Gebäude bzw. dessen Steuervorrichtung kann die auf dem externen Server zur Verfügung stehenden Daten herunterladen und derart weiterverarbeiten, dass das Gebäude die Werte der direkten Sonneneinstrahlung am eigenen Gebäude ermitteln kann. Die Bestimmungseinheit kann dazu die entsprechend erforderlichen Daten von dem externen Server abrufen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Prognosezeitraum zumindest einen Tag, der auf den aktuellen Tag folgt.
Üblicherweise wird an einem Tag, beispielsweise zwischen 9 Uhr und 10 Uhr am Vormittag, eine Vorhersage für den folgenden Tag erstellt, wobei der Vorhersagezeitraum beispielsweise um 0 Uhr beginnt und 24 Stunden umfasst. Die Auflösung der Lastgangsprognose für den Prognosezeitraum kann beispielsweise 15 Minuten oder 1 Stunde betragen, wobei auch andere Auflösungen denkbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Prognosezeitraum einen Zeitraum am selben Tag, insbesondere beginnend ab dem aktuellen Zeitpunkt.
Dieser Zeitraum am selben Tag kann ein beliebiger Zeitraum sein, der kleiner als der ursprüngliche Prognosezeitraum ist.
Basierend auf den oben beschriebenen Ausführungsformen kann zum einen die direkte Sonneneinstrahlung, die als geräteunabhängige Größe übermittelt wird, zurückgerechnet werden. Des Weiteren kann eine Ortsauflösung der Vorhersage für einzelne Gebäude anstelle von Summenleistungen für ausgedehntere Netzregionen erzielt werden. Die Überwachung und Abschätzung der direkten Sonneneinstrahlung und somit der voraussichtlich selbst erzeugten Leistung, was wiederum eine Lastgangsprognose der Leistung, die aus dem allgemeinen Stromnetz entnommen werden wird, erlaubt, kann direkt in ein Gebäudeautomationssystem integriert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Gebäudeautomationssystem eines Gebäudes mit zumindest einem Verbraucher und zumindest einem Energieerzeugungssystem vorgeschlagen. Das Gebäudeautomationssystem ist mit einer Steuervorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen gekoppelt. Das Gebäudeautomationssystem weist eine Empfangseinheit zum Empfangen des zumindest einen Stellsignals von der Steuervorrichtung auf, um die erste Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang einzuhalten.
Das Gebäudeautomationssystem kann die Verbraucher basierend auf dem zumindest einen Stellsignal abschalten oder zuschalten, je nachdem ob ein höherer Energieverbrauch oder ein geringerer Energieverbrauch benötigt wird, um die erste Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang einzuhalten. Sobald die zweite Lastgangsprognose bestimmt ist, kann das Gebäudeautomationssystem entsprechend weitere Verbraucher zu- oder abschalten, um den tatsächlichen Verbrauch, der durch die zweite Lastgangsprognose angegeben ist, anzupassen, so dass die erste Lastgangsprognose eingehalten wird. Hierbei werden insbesondere solche Schalthandlungen von Verbrauchern vorgenommen, die keine negativen Einflüsse auf Benutzer des Gebäudes haben.
Aufgrund der genauen Informationen zu Umgebungsbedingungen, beispielsweise zur direkten Sonneneinstrahlung, die die beschriebene Steuervorrichtung liefert, kann das Gebäudeautomationssystem prüfen, ob das eigene Energieerzeugungssystem die dazu passende Leistung erbringt. Falls nicht, kann der Energieerzeugungssystem-Betreiber auf die Notwendigkeit von Wartungsmaßnahmen, wie z.B. eine Reinigung des Systems, automatisch hingewiesen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems eines Gebäudes mit zumindest einem Verbraucher und zumindest einem Energieerzeugungssystem vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bestimmen einer ersten geschätzten Menge an durch das Energieerzeugungssystem erzeugter Leistung für einen Prognosezeitraum, Bestimmen einer ersten Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang für den Prognosezeitraum unter Verwendung der ersten geschätzten Menge, Bestimmen einer zweiten geschätzten Menge an durch das Energieerzeugungssystem erzeugter Leistung in dem Prognosezeitraum basierend auf ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes und basierend auf zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude, Bestimmen einer zweiten Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang in dem Prognosezeitraum unter Verwendung der zweiten geschätzten Menge, und Steuern des Gebäudeautomationssystems durch zumindest ein Stellsignal, wobei das Stellsignal auf der ersten Lastgangsprognose und der zweiten Lastgangsprognose basiert.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens veranlasst.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Gebäudes mit einer Steuervorrichtung zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems und mit einer Mehrzahl von Verbrauchern;
2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Gesamtnetzes mit mehreren Gebäuden; und
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems eines Gebäudes.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
1 zeigt ein Gebäude 30, das eine Steuervorrichtung 10 und ein Gebäudeautomationssystem 31 aufweist. Die Steuervorrichtung 10 ist dabei auf der Management-Ebene des Gebäudes 30 angeordnet und das Gebäudeautomationssystem 31 ist auf der Automationsstationsebene des Gebäudes 30 angeordnet.
Auf der Feld-Ebene weist das Gebäude 30 eine Mehrzahl von Verbrauchern 32 auf, die durch das Gebäudeautomationssystem 31 gesteuert werden. Das Gebäude 30 weist des Weiteren ein gebäudeintegriertes Energieerzeugungssystem 40 auf, welches im Folgenden als Solarenergieerzeugungssystem 40 bezeichnet wird. Das Solarenergieerzeugungssystem 40 wird ebenfalls durch das Gebäudeautomationssystem 31 gesteuert.
Die Steuervorrichtung 10 weist eine Kommunikationseinheit 11 auf, um erste Umgebungsbedingungen des Gebäudes 30 und zweite Umgebungsbedingungen zumindest eines weiteren Gebäudes 30, das in 1 nicht gezeigt ist, zu empfangen. Die Kommunikationseinheit 11 kann hierzu beispielsweise mit einem externen Server 20 kommunizieren, kann die ersten Umgebungsbedingungen aber auch von einem Sensor innerhalb des Gebäudes 30 und/oder die zweiten Umgebungsbedingungen direkt von dem weiteren Gebäude 30 empfangen.
Der Server 20 kann zwei Bereiche 21 und 22, die auch getrennte Server darstellen können, aufweisen, die jeweils den ersten und den zweiten Umgebungsbedingungen zugeordnet sind. Beispielsweise kann der Serverbereich 21 die Messdaten, d.h. die zweiten Umgebungsbedingungen, weiterer Gebäude bereitstellen. Der Serverbereich 22 kann dann die Wetterprognose-Daten für das eigene Gebäude 30, d.h. die ersten Umgebungsbedingungen, bereitstellen.
Eine Bestimmungseinheit 12 der Steuervorrichtung 10 bestimmt eine erste geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem 40 erzeugter Leistung für einen Prognosezeitraum. Die Bestimmungseinheit 12 bestimmt dann eine erste Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang für den Prognosezeitraum unter Verwendung der ersten geschätzten Menge.
Anhand der empfangenen ersten Umgebungsbedingungen und der empfangenen zweiten Umgebungsbedingungen des Gebäudes 30 kann die Bestimmungseinheit 12 dann eine zweite geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem 40 erzeugter Leistung in dem Prognosezeitraum bestimmten. Die erste geschätzte Menge und die zweite geschätzte Menge basiert auf der Bestimmung einer direkten Sonneneinstrahlung, einer indirekten Sonneneinstrahlung und weiteren Umgebungsbedingungen.
Die ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes 30 selbst können beispielsweise durch eine Ermittlungseinheit 13 ermittelt werden.
Die Bestimmungseinheit 12 bestimmt dann eine zweite Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang in dem Prognosezeitraum unter Verwendung der zweiten geschätzten Menge.
Die Steuereinheit 14 ist dann dazu eingerichtet, das Gebäudeautomationssystem 31 basierend auf der ersten Lastgangsprognose und der zweiten Lastgangsprognose zu steuern, so dass die ursprüngliche erste Lastgangsprognose eingehalten wird.
Hierzu werden dem Gebäudeautomationssystem 31 Stellsignale übermittelt, mittels derer das Gebäudeautomationssystem 31 die Verbraucher 32 zu- oder abschalten kann und auch das Energieerzeugungssystem 40 steuern kann. Beispielsweise können Verbraucher 32, deren vorübergehende Abschaltung keine größeren Auswirkungen auf das Gebäude 30 hat, abgeschaltet werden, wenn zu wenig eigene Leistung erzeugt wird. Manche Verbraucher 32 können auch vorübergehend mit weniger Leistung versorgt werden, um Leistungseinbrüche des eigenen Energieerzeugungssystems abzufangen. So können beispielsweise die Einstellungen von Heizungen oder Klimaanlagen um wenige Grad verändert werden, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt, aber keine größeren Auswirkungen auf das Gebäude 30 hat.
Im Gegenzug können auch bei zu viel erzeugter Energie, relativ zu der zweiten Prognose gesehen, Verbraucher 32, wie beispielsweise Energiespeicher, hinzugeschaltet werden.
2 zeigt ein Beispiel eines Gesamtnetzes, das eine Mehrzahl von Gebäuden 30 aufweist. Beispielsweise können in einer geographischen Region wie einer Stadt oder einem Stadtteil eine Vielzahl an Gebäuden 30 mit Solarenergieerzeugungssystemen 40 ausgestattet sein. Die Gebäude 30 weisen dabei jeweils Gebäudeautomationssysteme 31 auf. Diese Gebäude 30 können dann untereinander die Umgebungsbedingungen, die durch jedes Gebäude für sich selbst bestimmt werden, austauschen. Hierzu können die Gebäude 30 miteinander verbunden sein und über Verbindungswege A kommunizieren. Alternativ können die Gebäude 30 auch über einen externen Server 20 mittels der Verbindungswege B die entsprechenden Informationen austauschen. Auch eine Kombination der Verbindungswege A und B ist denkbar.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems 31 eines Gebäudes 30 mit zumindest einem Verbraucher 32 und zumindest einem Energieerzeugungssystem 40.
In einem ersten Schritt 101 wird eine erste geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem 40 erzeugter Leistung für einen Prognosezeitraum bestimmt.
In einem zweiten Schritt 102 wird eine erste Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang für den Prognosezeitraum unter Verwendung der ersten geschätzten Menge bestimmt.
In einem dritten Schritt 103 wird eine zweite geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem 40 erzeugter Leistung in dem Prognosezeitraum basierend auf ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes 30 und basierend auf zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude 30 bestimmt.
In einem vierten Schritt 104 wird anschließend eine zweite Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang in dem Prognosezeitraum unter Verwendung der zweiten geschätzten Menge bestimmt.
Im Anschluss wird in einem fünften Schritt 105 das Gebäudeautomationssystem 31 durch zumindest ein Stellsignal gesteuert. Das Stellsignal basiert hierbei auf der ersten Lastgangsprognose und der zweiten Lastgangsprognose.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0060475 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.enercast.de/fileadmin/user_upload/Brosch%C3%BCren/ enercast_fraunhofer_einspeisung_von_solarstrom_vnb_web.pdf [0010]

Claims

Steuervorrichtung (10) zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems (31) eines Gebäudes (30) mit zumindest einem Verbraucher (32) und zumindest einem Energieerzeugungssystem (40), wobei das Gebäudeautomationssystems (31) den zumindest einen Verbraucher (32) und das Energieerzeugungssystem (40) steuert, mit: einer Bestimmungseinheit (12) zum Bestimmen einer ersten geschätzten Menge an durch das Energieerzeugungssystem (40) erzeugter Leistung für einen Prognosezeitraum und zum Bestimmen einer ersten Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang für den Prognosezeitraum unter Verwendung der ersten geschätzten Menge, wobei die Bestimmungseinheit (12) dazu eingerichtet ist, in dem Prognosezeitraum eine zweite geschätzte Menge an durch das Energieerzeugungssystem (40) erzeugter Leistung basierend auf ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes (30) und basierend auf zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude (30) zu bestimmen und eine zweite Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang in dem Prognosezeitraum unter Verwendung der zweiten geschätzten Menge zu bestimmen, und einer Steuereinheit (14) zum Steuern des Gebäudeautomationssystems (31) durch zumindest ein Stellsignal, wobei das Stellsignal auf der ersten Lastgangsprognose und der zweiten Lastgangsprognose basiert.
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kommunikationseinheit (11) zum Empfangen der ersten Umgebungsbedingungen und zum Empfangen der zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude (30).
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Umgebungsbedingungen zumindest eine Eigenschaft des Energieerzeugungssystems (40) aufweisen.
Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet ist, die ersten Umgebungsbedingungen von einer Ermittlungseinheit (13) des Gebäudes (30) zu empfangen.
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungseinheit (13) zumindest eine Sensoreinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Lufttemperatur, die Windrichtung und/oder die Windgeschwindigkeit zu messen.
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungseinheit (13) eine Bilderfassungsvorrichtung aufweist, um eine Wolkenbedeckung und/oder eine Zuggeschwindigkeit von Wolken über dem Energieerzeugungssystem (40) zu ermitteln.
Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (11) dazu eingerichtet ist, die zweiten Umgebungsbedingungen von einem externen Server (20) zu empfangen.
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (11) dazu eingerichtet ist, die ersten Umgebungsbedingungen an den externen Server (20) zu senden.
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (11) dazu eingerichtet ist, von dem externen Server (20) eine Berechnung einer direkten Sonneneinstrahlung auf das Energieerzeugungssystem (40) unter Verwendung der ersten Umgebungsbedingungen und der zweiten Umgebungsbedingungen für den Prognosezeitraum zu empfangen.
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (11) dazu eingerichtet ist, von dem externen Server (20) die Berechnung der direkten Sonneneinstrahlung auf das Energieerzeugungssystem (40) für einen aktuellen Zeitpunkt und/oder einen vergangenen Zeitraum zu empfangen.
Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungseinheit (12) dazu eingerichtet ist, eine direkte Sonneneinstrahlung des Energieerzeugungssystems (40) basierend auf den ersten Umgebungsbedingungen und den zweiten Umgebungsbedingungen zu bestimmen, um die erste geschätzte Menge und/oder die zweite geschätzte Menge für die durch das Energieerzeugungssystem (40) erzeugte Leistung zu bestimmen.
Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Prognosezeitraum zumindest einen Tag umfasst, der auf den aktuellen Tag folgt.
Steuervorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Prognosezeitraum einen Zeitraum am selben Tag, insbesondere ab dem aktuellen Zeitpunkt, umfasst.
Automationssystem (31) eines Gebäudes (30) mit zumindest einem Verbraucher (32) und zumindest einem Energieerzeugungssystem (40), wobei das Gebäudeautomationssystems mit einer Steuervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1–13 gekoppelt ist, mit: einer Empfangseinheit zum Empfangen des zumindest einen Stellsignals von der Steuervorrichtung (14), um die erste Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang einzuhalten.
Verfahren zum Steuern eines Gebäudeautomationssystems (31) eines Gebäudes (30) mit zumindest einem Verbraucher (32) und zumindest einem Energieerzeugungssystem (40), mit: Bestimmen (101) einer ersten geschätzten Menge an durch das Energieerzeugungssystem (40) erzeugter Leistung für einen Prognosezeitraum, Bestimmen (102) einer ersten Lastgangsprognose für einen Gebäude-Lastgang für den Prognosezeitraum unter Verwendung der ersten geschätzten Menge, Bestimmen (103) einer zweiten geschätzten Menge an durch das Energieerzeugungssystem (40) erzeugter Leistung in dem Prognosezeitraum basierend auf ersten Umgebungsbedingungen des Gebäudes (30) und basierend auf zweiten Umgebungsbedingungen von zumindest einem weiteren Gebäude (30), Bestimmen (104) einer zweiten Lastgangsprognose für den Gebäude-Lastgang in dem Prognosezeitraum unter Verwendung der zweiten geschätzten Menge, und Steuern (105) des Gebäudeautomationssystems (31) durch zumindest ein Stellsignal, wobei das Stellsignal auf der ersten Lastgangsprognose und der zweiten Lastgangsprognose basiert.