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Die Erfindung betrifft ein Gebäudeenergiemanagementverfahren, insbesondere zur Regelung und Steuerung elektrischer Verbraucher sowie von Klimatisierungssystemen in einem Gebäude.
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Energiemanagement- und Energiesteuerungsverfahren und Systeme zur Steuerung von Gebäudeparametern, insbesondere zur Steuerung von Klimatisierungssystemen oder elektrischen Verbrauchern innerhalb eines Gebäudes, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
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Derartige Systeme werden im Sprachgebrauch auch als Smart Home Systeme bezeichnet und sehen unter anderem die Steuerung elektrischer Verbraucher oder das Auslesen von Stromverbrauchszählern durch einen Energieversorger oder Nutzer. vor.
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Ein bereits am Markt erhältliches System ist das „Smarthome” der Firma RWE Effizienz GmbH. Dieses ermöglicht mittels einer Programmierschnittstelle beispielsweise die Steuerung von Jalousien zur Verschattung von Räumen, die Beleuchtung, die Raumtemperaturregelung sowie die Fernschaltung von Steckdosen. Direkte Verbindungen zu Aktoren oder Sensoren, wie beispielsweise eine Messung der Raumtemperatur, sind hierbei nachteilig nicht möglich, da das System als geschlossenes System entwickelt wurde. Eine Konfiguration der Schaltmuster kann in diesem Fall ausschließlich online durchgeführt werden.
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Ein weiteres, weit verbreitetes System ist „Joonior” der Firma Telefunken. Auch hierbei wird die Raumautomatisierung durch eine Programmierschnittstelle durchgeführt, wobei jedoch die Bedienung im Wesentlichen per Smartphoe-App erfolgt. Im Gegensatz zum System „Smarthome” ermöglicht das vorliegende System eine Integration von Sensoren und somit komplexere Regelalgorithmen.
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Der Nachteil bekannter Gebäudesteuerungssysteme besteht im Allgemeinen in der aufwändigen und umständlichen Programmierung, welche insbesondere an sich verändernde Verhaltensmuster eines Anwenders angepasst werden muss.
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Aus der Druckschrift
US 2014/0129032 A1 ist ein Smart Home System sowie ein zugehöriges Lernverfahren auf Basis genetischer Algorithmen bekannt. Aufgrund der Selbstlernfunktion des Systems soll der zur Programmierung benötigte Aufwand hierbei weitestgehend entfallen. Den Ausgangspunkt bildet die Erfassung von Zuständen der Umwelt und der technischen Umgebung und deren Übertragung an eine Auswertungs- und Steuerungseinheit. Der genetische Algorithmus führt dabei eine Fitnessfunktion bezüglich der genetischen Repräsentation des zu lösenden Problems iterativ aus. Die Fitnessfunktion wählt die besten Ergebnisse in jeder Testphase, auch als Generation bezeichnet, aus, kombiniert die Parameter dieser Ergebnisse und führt daraufhin die Auswahl der besten Ergebnisse für die folgende Generation aus. Dieser Vorgang wiederholt sich für eine vorgegebene Anzahl von Generationen oder bis sich die erzielten Ergebnisse innerhalb eines geforderten Toleranzbereiches stabilisieren. Vorliegend werden somit verschiedene Regeln zur Steuerung des Smart Home Systems definiert, welche mittels der Fitnessfunktion unter Berücksichtigung der Erfordernisse des Nutzers bewertet werden. Daraufhin ist die Regel mit der höchsten Bewertung ausführbar.
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Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass ausschließlich auf Grundlage der subjektiven Vorlieben des Nutzers über die auszuführende Regel entschieden wird, so dass weitere Entscheidungskriterien wie der Energieverbrauch nicht berücksichtigt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Gebäudeenergiemanagementverfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässiges Energiemanagement eines Gebäudes mit einem geringen Energieverbrauch und gleichzeitig hohem Wohnkomfort ermöglicht und welches gleichzeitig einen geringen Programmierungsaufwand sowie eine hohe Anwenderfreundlichkeit aufweist und welches sich hierbei insbesondere einem subjektiven Komfortempfinden eines Anwenders sowie Änderungen des subjektiven Komfortempfinden des Anwenders selbsttätig anpasst.
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Ein erfindungsgemäßes Gebäudeenergiemanagementverfahren dient zur Steuerung gebäudeinterner Zustände, insbesondere zur anwenderrelevanten Steuerung elektrischer Verbraucher einschließlich von Konditionirungssystemen, wobei unter Konditionierungssystemen insbesondere Klimatisierungs-Lüftungs- und Heizungssystem verstanden werden sollen. Verbraucher anderer Energieträger wie beispielsweise von Erdgas sind im Sinne der Erfindung elektrischen Verbrauchern gleichgestellt.
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Das Verfahren ist mittels eines Gebäudeenergiemanagementsystems durchführbar, welches eine Mehrzahl Zustandsbasiseerfassungsmittel, eine Steuerungs- und Auswertungseinheit sowie mindestens ein Stellglied aufweist. Die Steuerungs- und Auswertungseinheit weist hierzu ein Regelauswahlmodul, ein Regelanwendungsmodul, ein Aktionsmodul, ein Nutzenbewertungsmodul, ein Energiebewertungsmodul, ein Gewichtungsbewertungsmodul sowie ein Regelbewertungsmodul auf. Die Module stellen hierbei insbesondere regelalgorithmusbasierte Softwareumgebungen dar, welche in die Steuerungs- und Auswertungseinheit implementiert sind und mittels derer Verfahrensschritte des Gebäudeenergiemanagementverfahrens durchführbar sind.
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Das Gebäudeenergiemanagementverfahren weist erfindungsgemäß die nachfolgenden Verfahrensschritte auf:
- a) Erfassung eines Ausgangszustandes einer Zustandsbasis mittels der Zustandsbasiserfassungsmittel als Erfassungsergebnis, wobei die Zustandsbasis eine steuerbare und eine nicht steuerbare Zustandsbasis aufweist,
- b) Übertragung des Erfassungsergebnisses an die Steuerungs- und Auswertungseinheit,
- c) Auswahl einer Regel aus einem Regelpool mittels des Regelauswahlmoduls,
- d) Anwendung der ausgewählten Regel mittels des Regelanwendungsmoduls und Bereitstellen eines Anwendungsergebnisses,
- e) Übertragung des Anwendungsergebnisses an das Aktionsmodul,
- f) Umwandlung des Anwendungsergebnisses in eine Stellentscheidung mittels des Aktionsmoduls,
- g) Übertragung der Stellentscheidung an das Stellglied,
- h) Ausführung der Stellentscheidung zur Festlegung eines ersten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis,
- i) Erfassung und Zwischenspeicherung des ersten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis,
- j) Erfassung eines zweiten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis, wobei die Erfassung nach Ablauf einer definierten Zeitspanne oder bei Festlegung einer Änderung des ersten Steuerzustandes durch einen Anwender durchgeführt wird,
- k) Übertragung des ersten und zweiten Steuerzustandes an das Nutzenbewertungsmodul und Durchführung einer Bewertung eines subjektiven Nutzens anhand eines Vergleichs des ersten und zweiten Steuerzustandes, sowie Ausgabe der Bewertung als Nutzenbewertung durch das Nutzenbewertungsmodul,
- l) Erfassung eines Energiezustandes in dem zweiten Steuerzustand durch die Zustandsbasiserfassungsmittel,
- m) Übertragung des Energiezustandes an das Energiebewertungsmodul und Durchführung einer Bewertung des Energiezustandes sowie Ausgabe der Bewertung als Energiebewertung durch das Energiebewertungsmodul,
- n) Übertragung der Nutzenbewertung und der Energiebewertung an das Gewichtungsbewertungsmodul und Durchführung einer Gesamtbewertung sowie Ausgabe der Gesamtbewertung als Belohnungsfaktor durch das Gewichtungsbewertungsmodul,
- o) Übertragung des Belohnungsfaktors an das Regelbewertungsmodul sowie Zuordnung des Belohnungsfaktors zu der angewendeten Regel durch das Regelbewertungsmodul, wobei mittels des Regelbewertungsmoduls eine Abfrage eines vorhandenen Regelqualitätswertes der angewendeten Regel erfolgt und wobei mittels des Regelbewertungsmoduls eine Bildung eines neuen Regelqualitätswertes anhand einer Bewertung des Belohnungsfaktors und des vorhandenen Regelqualitätswertes erfolgt und wobei durch das Regelbewertungsmodul eine Ersetzung des vorhandenen Regelqualitätswertes durch den neuen Regelqualitätswert erfolgt.
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In dem ersten Verfahrensschritt a) erfolgt die Erfassung eines Ausgangszustandes einer Zustandsbasis mittels der Zustandsbasiserfassungsmittel. Die Zustandsbasis wird in diesem Zusammenhang auch als Situation bezeichnet und gliedert sich in eine steuerbare und eine nichtsteuerbare Zustandsbasis. Der Ausgangszustand der Zustandsbasis stellt hierbei die Umgebungs- und Umweltsituation dar, welche als Basis zur Durchführung des Verfahrens erfasst werden.
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Hierbei beeinhaltet die steuerbare Zustandsbasis alle Umgebungs- und Umweltsituationen, welche durch das Gebäudemanagementsystem oder einen Anwender steuerbar sind. Die steuerbare Zustandsbasis umfasst vorliegend beispielsweise Zustände elektrischer Verbraucher, wie etwa Beleuchtungselemente, oder Klimatisierungszustände innerhalb des Gebäudes.
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Demgegenüber beeinhaltet die nicht steuerbare Zustandsbasis alle Umgebungs- und Umweltsituationen, auf welche durch das Gebäudeenergiemanagementverfahren oder den Anwender kein Einfluss genommen werden kann. Derartige Situationen stellen beispielsweise die Tageszeit, die äußeren Lichtverhältnisse oder Außentemperaturen sowie eine Anwesenheit von Personen in den Räumen des Gebäudes dar.
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Die Zustandsbasis und somit die relevanten Umgebungs- und Umweltsituationen werden im Verfahrensschritt a) mittels der Zustandsbasiserfassungsmittel erfasst, wobei die Zustandsbasiserfassungsmittel beispielsweise als Strom-, Temperatur- oder Lichtsensoren sowie als Zeiterfassungsmittel ausgebildet sein können.
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Der erfasste Ausgangszustand der Zustandsbasis wird als Erfassungsergebnis in dem anschließenden Verfahrensschritt b) von den Zustandsbasiserfassungsmitteln an die Steuerungs- und Auswertungseinheit übertragen. Die Übertragung zwischen von den Zustandserfassungsmitteln sowie alle nachfolgend beschriebenen Übertragungen können vorliegend sowohl drahtgebunden als auch drahtlos erfolgen und werden vorzugsweise in Echtzeit durchgeführt.
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Auf Basis des übertragenen Erfassungsergebnisses erfolgt in Verfahrensschritt c) mittels des Regelauswahlmoduls die Auswahl einer Regel aus einem Regelpool. Der Regelpool stellt hierbei einen Datenspeicherbereich dar, welcher der Steuerungs- und Auswertungseinheit zugeordnet ist und in welchem unterschiedliche Regeln abgespeichert sind. Die Regeln können hierbei durch das Gebäudeenergiemanagementsystem selbst generiert oder durch den Anwender des Systems vorgegeben werden.
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Nachdem die entsprechende Regel ausgewählt wurde, wird diese an das Regelanwendungsmodul übermittelt und durch dieses in Verfahrensschritt d) angewendet.
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Als Anwendung der Regel wird hierbei verstanden, dass das Regelanwendungsmodul die Regel verarbeitet und anhand dieser ein Anwendungsergebnis bereitstellt.
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Das Anwendungsergebnis wird in dem anschließenden Verfahrensschritt e) von dem Regelanwendungsmodul an das Aktionsmodul übertragen und durch dieses im Verfahrensschritt f) in eine Stellentscheidung umgewandelt. Die Stellentscheidung fungiert hierbei prinzipiell als Steuerungssignal für das Stellglied und wird in dieser Funktion im Verfahrensschritt g) von dem Aktionsmodul an das Stellglied übertragen.
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Das Stellglied ist erfindungsgemäß dazu in der Lage, die Stellentscheidung zu erfassen und diese im Verfahrensschritt h) auszuführen, wobei die Ausführung zur Festlegung eines ersten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis führt. Die Ausführung der Stellentscheidung wird in diesem Zusammenhang auch als Aktion bezeichnet und stellt hierbei ein Handlungsergebnis des Gebäudeenergiemanagementsystems dar. Das Stellglied kann vorliegend beispielsweise als elektronisches Schaltelement ausgebildet sein und entsprechend der erhaltenen Stellentscheidung einen angeschlossenen elektrischen Verbraucher einschalten oder ausschalten oder gegebenenfalls in seiner Leistung steuern, beispielsweise eine Lampe dimmen.
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Der erste Steuerzustand der steuerbaren Zustandsbasis wird anschließend in Verfahrensschritt i) erfasst und innerhalb der Steuerungs- und Auswertungseinheit zwischengespeichert. Die Erfassung kann hierbei durch die Zustandsbasiserfassungsmittel direkt oder auf Basis vorhandener Informationen bezüglich des potenziellen Energieverbrauchs in dem ersten Steuerzustand vorgenommen werden.
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In Verfahrensschritt j) erfolgt anschließend die Erfassung eines zweiten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis durch die Zustandsbasiserfassungsmittel.
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Die Erfassung des zweiten Steuerzustandes erfolgt hierbei vorliegend nach Ablauf einer definierten Zeitspanne oder alternativ bei einer Festlegung einer Änderung des ersten Steuerzustandes durch den Anwender. Unter einer Änderung des ersten Steuerzustandes durch den Anwender wird insbesondere eine manuelle Änderung verstanden, welche durch den Anwender, beispielsweise durch ein manuelles Betätigen des Stellgliedes, bewirkt wird und durch welche die in dem ersten Steuerzustand herbeigeführte Aktion des Gebäudeenergiemanagementsystems widerrufen oder zumindest angepasst wird. In diesem Zusammenhang wird vorzugsweise auch die Dauer bis zum Eintritt einer Änderung durch den Anwender erfasst, wobei diese Zeitdauer nachfolgend als Korrekturzeit bezeichnet wird. Die Korrekturzeit stellt hierbei gleichzeitig ein Maß für die Unzufriedenheit des Anwenders mit dem ersten Steuerzustand dar, wobei eine kurze Korrekturzeit mit einer hohen Unzufriedenheit gleichgesetzt wird.
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Die erfassten Steuerzustände werden in Verfahrensschritt k) an das Nutzenbewertungsmodul übertragen, welches anschließend eine Berwertung des subjektiven Nutzens der Aktion anhand eines Vergleichs der beiden erfassten Steuerzustände durchführt. In diesem Zusammenhang wird insbesondere überprüft, inwiefern der zweite Steuerzustand von dem ersten Steuerzustand abweicht, um so die Nutzenbewertung dahingehend durchzuführen, ob der erste Steuerzustand durch den Anwender des Gebäudeenergiemanagementsystems als zutreffend, beziehungsweise als angenehm empfunden wurde und ob die durch das Gebäudeenergiemanagementsystem ausgelöste Aktion somit erfolgreich war. Die Bewertung des Nutzens wird durch das Nutzenbewertungsmodul als Nutzenbewertung ausgegeben.
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Des Weiteren erfolgt in Verfahrensschritt l) die Erfassung des Energiezustandes in dem zweiten Steuerzustand durch die Zustandsbasiserfassungsmittel. Der Energiezustand kann sich hierbei auf einen einzelnen elektrischen Verbraucher oder auf die Gesamtheit der in dem Gebäudeenergiemanagementsystem enthaltenen, elektrischen Verbraucher beziehen.
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Der erfasste Energiezustand wird im Verfahrensschritt m) an das Energiebewertungsmodul übertragen und durch dieses einer Bewertung unterzogen. Mittels der Bewertung soll vorliegend insbesondere eine Aussage darüber ermöglicht werden, wie der zweite Steuerzustand, welcher direkt durch den Anwender herbeigeführt wurde oder sich aus dem Anwendungsergebnis der angewandten Regel ergeben hat und von dem Anwender nicht abgeändert wurde, gemessen an der erfassten Zustandsbasis und somit der Situation ökonomisch zu bewerten ist. Es handelt sich also um eine Bewertung des energetischen Ressourchenverbrauchs, die auch ökologisch betrachtet werden kann.
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Die Verfahrensschritte j) bis m) können erfindungsgemäß sowohl gleichzeitig als auch nacheinander durchgeführt werden.
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Die Nutzenbewertung und die Energiebewertung werden im Verfahrensschritt n) an das Gewichtungsbewertungsmodul übertragen, welches anschließend eine Gesamtbewertung durchführt und das Ergebnis der Gesamtbewertung als Belohnungsfaktor ausgibt. Hierbei werden somit zum ersten mit der Nutzenbewertung der Erfolg des durch das Gebäudeenergiemanagementsystem herbeigeführten ersten Steuerzustandes in Bezug auf die subjektive Komfortbewertung durch den Anwender und zum zweiten mit der Energiebewertung der ökonomische Aspekt des durch den Anwender direkt herbeigeführten oder gebilligten zweiten Steuerzustandes unmittelbar in ein Verhältnis zueinander gesetzt. Hierbei erfolgt eine Gewichtung der Nutzenbewertung und der Energiebewertung. Je nach Gewichtung, die vorzugsweise einstellbar ist, ergibt sich bei gleichen Ausgangswerten der Nutzenbewertung und der Energiebewertung also ein höherer oder niedrigerer Belohnungsfaktor. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Gebäudeenergiemanagementverfahren also mehr komfortorientiert oder mehr energieverbrauchsoptimiert oder ausgewogen betrieben werden.
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Der Belohnungsfaktor wird im abschließenden Verfahrensschritt o) an das Regelbewertungsmodul übertragen und durch dieses der angewendeten Regel zugeordnet. Gleichzeitig führt das Rgelbewertungsmodul eine Abfrage eines Regelqualitätswertes der angewendeten Regel durch, wobei der Regelqualitätswert der angewendeten Regel zugeordnet ist und angibt, wie erfolgreich die Regel bis zum Zeitpunkt der Abfrage angewendet wurde. Der vorhandene Regelqualitätswert wird also durch die bisher erhaltenen Belohnungsfaktoren aus bisherigen Anwendungen gebildet. Der vorhandene Regelqualitätswert sowie der Belohnungsfaktor werden innerhalb einer Bewertung durch das Regelbewertungsmodul zusammengeführt, wobei durch das Regelbewertungsmodul anhand der Bewertung ein neuer Regelqualitätswert gebildet wird, welcher der angewendeten Regel zugeordnet wird und welcher somit den bis zu diesem Zeitpunkt vorhandenen Regelqualitätswert ersetzt.
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Im Ergebnis des Verfahrens wird somit eine Regel bereitgestellt welche entsprechend ihres Anwendungserfolges, also ob die Regel hinsichtlich des Anwenderkomforts einerseits und des hervorgerufenen Energieverbrauchs andererseits als bewertet wurde und welche nun mit dem aktualisierten Regelqualitätswert in dem Regelpool zur potenziellen erneuten Anwendung bereitsteht.
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Zudem ist es vorliegend auch möglich, neben der angewendeten Regel weitere Regeln, welche durch die Steuerungs- und Auswerteeinheit zwar zur Anwendung für die entsprechende Situation in Betracht gezogen wurden, jedoch nicht zur Anwendung gelangten, zu bewerten, um so deren theoretischen Nutzen für den Anwender ermitteln zu können.
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Das vorbeschriebene Verfahren wird immer wieder durchlaufen, wobei der Start vorzugsweise durch erfasste Änderungen der Regelzustandsbasis initiiert wird.
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Die Bewertung der angewandten Regel erfolgt also mittels eines Belohnungsmodells. Der Regelqualitätswert der Regel wird durch das Regelbewertungsmodul bei jedem Durchlauf entsprechend dem erhaltenen Belohnungsfaktor weiter verfeinert. Auf diese Weise gibt der Regelqualitätswert mit immer weiter fortschreitender Genauigkeit an, in welchem Grad die Regel geeignet ist, eine Stellentscheidung bereitzustellen, die die Nutzenbewertung und die Energiebewertung entsprechend der festgelegten Gewichtung in ein ausgewogenes Verhältnis bringt.
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Das Regelauswahlmodul wählt dann vorzugsweise die Regel der möglichen anwendbaren Regeln aus dem Regelpool zur Anwendung aus, die den höchsten Regelqualitätswert aufweist. Ein hoher Regelqualitätswert drückt aus, dass eine Regel zu einer besonders ausgewogenen Nutzungsbewertung und Energiebewertung führt. Es besteht also das Ziel, Regeln mit möglichst hohem Regelqualitätswert zu erhalten.
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Im Ergebnis werden damit die Regeln einem evolutionären Prozess unterworfen, bei dem sich auf lange Sicht die Regel durchsetzt, die zu einer besonders ausgewogenen Nutzungsbewertung und Energiebewertung führt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorliegend das Ziel verfolgt, den Energieverbrauch in einem abgeschlossenen Haushalt zu minimieren und gleichzeitig den Wohnkomfort für den Anwender zu maximieren. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet hierzu mit analytischen Methoden, welche vorliegend als „Kognitive Learning Classifier Systeme” (KLCS) bezeichnet werden. Die KLCS-Methode sieht hierbei vor, dass sich zum einen die Wissensbasis, vorliegend dargestellt durch den Regelpool, infolge der Wechselwirkung des Gebäudeenergiemanagementsystems mit seiner Umwelt adaptiv bildet. Zum anderen beinhaltet die KLCS-Methode ein physikalisch-logisches Modell des Gebäudehaushalts als Grundlage für eine Energieminimierung.
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Zudem ist das Gebäudeenergiemanagementsystem vorliegend dazu in der Lage, innerhalb des Verfahrens unterschiedliche Energiemanagementmethoden wie beispielsweise eine Nichtanwesenheitserkennung, bei welcher erfasst wird, ob sich ein Anwender in einem bestimmten Raum befindet, oder eine Widerspruchsunterdrückung, bei welcher berücksichtigt wird, dass in einem Raum zwei Verbraucher mit ähnlichen Funktionen nicht sinnvoll gleichzeitig betrieben werden, umzusetzen.
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Das Ziel des Verfahrens wird hierbei vorzugsweise mittels einer Zielfunktion definiert, welche die Komfortmaximierung (vorliegend durch den subjektiven Nutzen dargestellt) und die Energieminimierung (vorliegend bereitstellbar auf Basis der Energiebewertung), aufintegriert auf ein Jahr, beeinhaltet. Die beiden Elemente der Zielfunktion werden hierbei vorzugsweise so gewählt, dass diese jeweils die Hälfte eines Funktionswertes der Zielfunktion realisieren. Zudem berücksichtigt die Zielfunktion die im Zuge des Verfahrensschrittes j) ermittelte Korrekturzeit.
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Das erfindungsgemäße Gebäudeenergiemanagementverfahren sieht vorzugsweise eine Anlernphase und eine Steuerphase vor. In der Anlernphase erfolgen vorliegend ausschließlich eine Erfassung der jeweiligenen Zustandsbasen sowie eine Regelerfassung. Die Regelerfassung sieht hierbei vor, dass zum einen Regeln auf Basis der durch den Anwender bewirkten, zweiten Steuerzustände erfasst und zum anderen erfasste Regeln im Rahmen des Verfahrens mit bereits vorhandenen Regeln verglichen werden um auf diese Weise einen theoretischen Anwendungserfolg der vorhandenen Regeln zu ermitteln. Eine Bereitstellung einer Aktion gemäß der Verfahrensschritte e) bis h) erfolgt in der Anlernphase noch nicht.
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Das Ende der Anlernphase wird hierbei durch einen festgelegten Schwellenwert gebildet, welcher insbesondere die Anzahl theoretisch richtig angewendeter Regeln berücksichtigt. Der Zeitpunkt des Endes der Anlernphase stellt insbesondere den Zeitpunkt dar, ab welchem der Regelpool des Gebäudeenergiemanagementsystems und somit die Wissensbasis, auf welche nach der Methode eines Learning Classifier Systems zugegriffen wird soweit ausgebildet ist, dass das System dazu in der Lage ist, mit einer ausreichend hohen Wahrscheinlichkeit eine zutreffende Regel für eine bestimmte Situation auszuwählen und einen entsprechenden Steuerzustand bereitzustellen.
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Mit dem Ende der Anlernphase beginnt die Steuerphase, in welcher das Gebäudeenergiemanagementsystem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine eigenständige Regelauswahl und ein Umsetzen der Regeln in entsprechende Aktionen bewirkt. Die Auswahl der Regel gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt hierbei nach dem Maximierungsprinzip, das heißt, dass die Steuerungs- und Auswerteeinheit für eine bestimmte Situation die Regel auswählt, welche den höchstmöglichen Wert der Zielfunktion hinsichtlich Energieverbrauch und Anwenderkomfort erwarten lässt.
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Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Gebäudeenergiemanagementverfahrens liegt darin, dass zum einen eine selbsttätige Anpassung an eine subjektive Nutzerbewertung erfolgt, ohne dass eine anwenderspezifischen Programmierung erfolgen müsste. Darüber hinaus passt sich das System auch selbsttätig Veränderungen der subjektiven Nutzerbewertung an.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Gebäudeenergiemanagementverfahrens erfolgt die Auswahl der anzuwendenden Regel gemäß Verfahrensschritt c) anhand deren Regelqualitätswertes. Durch die Auswahl anhand des Regelqualitätswertes wird es vorliegend erreicht, dass für die jeweilige Situation die Regel durch das Gebäudeenergiemanagementsystem ausgewählt und umgesetzt wird, deren Belohnungsfaktor am höchsten ist und bei welcher somit die größtmögliche Anwenderzufriedenheit und die bestmögliche Energieminimierung zu erwarten ist.
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Des Weiteren sieht eine vorteilhafte Variante des Gebäudeenergiemanagementverfahrens vor, dass ein zusätzlicher Verfahrensschritt p) durchgeführt wird, innerhalb dessen mittels eines Regelerzeugungsmoduls eine Erzeugung neuer Regeln erfolgt.
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Die Regelerzeugung erfolgt hierbei vorzugsweise durch Mutation, bei welcher einzelne Parameter bereits bestehender Regeln mittels eines Algorithmus zufällig geändert werden. Die ursprüngliche Regel auf deren Basis eine neue Regel erzeugt wurde, bleibt vorliegend entweder als eigenständige Regel in dem Regelpool bestehen und wird innerhalb des Gebäudeenergiemanagementverfahrens weiterverwendet, oder sie wird nach Bildung der neuen Regel aus dem Regelpool gelöscht.
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Die Regelneubildung mittels Mutation ermöglicht als besonderen Vorteil, dass innerhalb des Verfahrens durch das Gebäudeenergiemanagementsystem selbstständig neue Situationszustände dargestellt und auf diese mittels der zufällig gebildeten Regeln reagiert werden kann.
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Vorzugsweise erfolgt der Verfahrensschritt p) in diesem Zusammenhang im Anschluss an den Verfahrensschritt o) oder vor dem Verfahrensschritt a).
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Das erfindungsgemäße Gebäudeenergiemanagementverfahren wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand von
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1 Prinzipdarstellung Gebäudeenergiemanagementsystem
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2 schematische Darstellung Gebäudeenergiemanagementverfahren
näher erläutert.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Gebäudeenergiemanagementverfahren mittels eines Gebäudeenergiemanagementsystems 1 durchgeführt, wobei in diesem Fall mittels des Verfahrens eine Beleuchtungssteuerung in einem Raum eines Gebäudes bereitgestellt wird.
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Das zur Durchführung des Verfahrens angewendete Gebäudeenergiemanagementsystem 1, nachfolgend auch verkürzt als System bezeichnet, weist vorliegend drei Zustandsbasiserfassungsmittel 2.1, 2.2 und 2.3 auf, mit welchen eine Zustandsbasis ZB als Ausgangssituation erfassbar ist. Das erste Zustandsbasiserfassungsmittel 2.1 ist hierbei als Bewegungsmelder ausgebildet und ermöglicht die Erfassung eines Anwenders des Systems in einem festgelegten Raum des Gebäudes. Das zweite Zustandsbasiserfassungsmittel 2.2 ist vorliegend als Lichtsensor ausgebildet, mittels dessen insbesondere eine Raumhelligkeit erfassbar ist. Des Weiteren ist das dritte Zustandsbasiserfassungsmittel 2.3 als Stromsensor zur Erfassung eines Stromverbrauchs eines elektrischen Verbrauchers ausgebildet.
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Die durch die Zustandsbasiserfassungsmittel 2.1, 2.2, 2.3 erfassbare Zustandsbasis beinhaltet in einem Ausgangszustand vorliegend die Anwesenheit des Anwenders sowie den Beleuchtungszustand in dem entsprechenden Raum des Gebäudes und den aktuellen Stromverbrauch des entsprechenden elektrischen Verbrauchers. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Ausgangszustand der Zustandsbasis derart gewählt, dass zum einen der Anwender den Raum betritt und dass zum anderen ein Nachtzustand vorherrscht und ein elektrischer Verbraucher in dem Raum als Beleuchtungseinheit ausgeschaltet ist.
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Des Weiteren weist das Gebäudeenergiemanagementsystem 1 vorliegend eine Steuerungs- und Auswerteeinheit 3 sowie zwei Stellglieder 4.1, 4.2 auf. Die Stellglieder 4.1, 4.2 sind vorliegend als elektrische Schalter ausgebildet.
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Die Steuerungs- und Auswerteeinheit 3 weist eine Mehrzahl Module auf, wobei es sich bei den Modulen um regelalgorithmusbasierte Softwareumgebungen handelt. Als konkrete Module weist die Steuerungs- und Auswertungseinheit 3 ein Regelauswahlmodul, ein Regelanwendungsmodul, ein Aktionsmodul, ein Nutzenbewertungsmodul, ein Energiebewertungsmodul, ein Gewichtungsbewertungsmodul und ein Regelbewertungsmodul auf.
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Zudem sieht das vorliegende Ausführungsbeispiel vor, dass sich in dem Raum des Gebäudes zwei Beleuchtungseinheiten 5.1, 5.2 befinden, von denen die erste Beleuchtungseinheit 5.1 als starke Beleuchtungseinheit mit einem hohen Energieverbrauch und die zweite Beleuchtungseinheit 5.2 als schwache Beleuchtungseinheit mit einem niedrigen Energieverbrauch ausgebildet sind. Die Beleuchtungseinheiten 5.1, 5.2 sind hierbei mit dem Gebäudeenergiemanagementsystem 1 derart verbunden, dass die Beleuchtungseinheit 5.1 entsprechende Stellbefehle als Steuersignale von dem Stellglied 4.1 und die Beleuchtungseinheit 5.2 entsprechende Stellbefehle als Steuersignale von dem Stellglied 4.2 erhält.
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Das Gebäudeenergiemanagementverfahren wird durch 2 schematisch veranschaulicht und weist vorliegend die nachfolgenden Verfahrensschritte auf:
- a) Erfassung eines Ausgangszustandes der Zustandsbasis mittels der Zustandsbasiserfassungsmittel 2 als Erfassungsergebnis, wobei die Zustandsbasis eine steuerbare und eine nicht steuerbare Zustandsbasis aufweist,
- b) Übertragung des Erfassungsergebnisses an die Steuerungs- und Auswertungseinheit 3,
- c) Auswahl einer Regel aus einem Regelpool mittels des Regelauswahlmoduls,
- d) Anwendung der ausgewählten Regel mittels des Regelanwendungsmoduls und Bereitstellen eines Anwendungsergebnisses,
- e) Übertragung des Anwendungsergebnisses an das Aktionsmodul,
- f) Umwandlung des Anwendungsergebnisses in eine Stellentscheidung mittels des Aktionsmoduls,
- g) Übertragung der Stellentscheidung an das jeweilige Stellglied 4,
- h) Ausführung der Stellentscheidung zur Festlegung eines ersten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis,
- i) Erfassung und Zwischenspeicherung des ersten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis,
- j) Erfassung eines zweiten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis, wobei die Erfassung nach Ablauf einer definierten Zeitspanne oder bei Festlegung einer Änderung des ersten Steuerzustandes durch einen Anwender durchgeführt wird,
- k) Übertragung des ersten und zweiten Steuerzustandes an das Nutzenbewertungsmodul und Durchführung einer Bewertung eines subjektiven Nutzens anhand eines Vergleichs des ersten und zweiten Steuerzustandes, sowie Ausgabe der Bewertung als Nutzenbewertung durch das Nutzenbewertungsmodul,
- l) Erfassung eines Energiezustandes in dem zweiten Steuerzustand durch die Zustandsbasiserfassungsmittel 2,
- m) Übertragung des Energiezustandes an das Energiebewertungsmodul und Durchführung einer Bewertung des Energiezustandes sowie Ausgabe der Bewertung als Energiebewertung durch das Energiebewertungsmodul,
- n) Übertragung der Nutzenbewertung und der Energiebewertung an das Gewichtungsbewertungsmodul und Durchführung einer Gesamtbewertung sowie Ausgabe der Gesamtbewertung als Belohnungsfaktor durch das Gewichtungsbewertungsmodul,
- o) Übertragung des Belohnungsfaktors an das Regelbewertungsmodul sowie Zuordnung des Belohnungsfaktors zu der angewendeten Regel durch das Regelbewertungsmodul, wobei mittels des Regelbewertungsmoduls eine Abfrage eines vorhandenen Regelqualitätswertes der angewendeten Regel erfolgt und wobei mittels des Regelbewertungsmoduls eine Bildung eines neuen Regelqualitätswertes anhand einer Bewertung des Belohnungsfaktors und des vorhandenen Regelqualitätswertes erfolgt und wobei durch das Regelbewertungsmodul eine Ersetzung des vorhandenen Regelqualitätswertes durch den neuen Regelqualitätswert erfolgt.
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In dem ersten Verfahrensschritt a) erfolgt vorliegend die Erfassung des Ausgangszustandes der Zustandsbasis durch die Zustandsbasiserfassungsmittel 2. Der Ausgangszustand stellt hierbei den Zustand der Zustandsbasis dar, welcher vor einem Steuerungseingriff durch das Gebäudeenergiemanagementsystem 1 vorliegt. Die Zustandsbasis umfasst wie oben beschrieben zum einen die Anwesenheit des Anwenders in dem jeweiligen Raum und zum anderen den Beleuchtungszustand des Raumes zum Zeitpunkt des Betretens durch den Anwender sowie den Stromverbrauch der Beleuchtungseinheiten 5.1 und 5.2. Der Beleuchtungszustand des Raumes und der Stromverbrauch der Beleuchtungseinheiten 5.1, 5.2 stellen vorliegend die steuerbare Zustandsbasis dar, wohingegen die Anwesenheit des Anwenders in dem Raum die nichtsteuerbare Zustandsbasis darstellt. Gleichzeitig stellt das Betreten des Raumes durch den Anwender den Startzeitpunkt für den Ablauf des Gebäudeenergiemanagementverfahrens dar.
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Im Verfahrensschritt a) wird vorliegend somit durch das erste Zustandsbasiserfassungsmittel 2.1 die Anwesenheit des Anwenders in dem Raum und durch das zweite Zustandsbasiserfassungsmittel 2.2 der Beleuchtungszustand des Raumes zu diesem Zeitpunkt erfasst, wobei sich aufgrund des vorliegend gewählten Nachtzustandes der Beleuchtungszustand derart darstellt, dass der Raum dunkel ist. In 2 wird die Erfassung des Ausgangszustandes durch das Feld EA veranschaulicht, der Ausgangszustand selbst wird durch das Feld AZ dargestellt.
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Der erfasste Ausgangszustand wird durch die Zustandsbasiserfassungsmittel 2 als Erfassungsergebnis übertragbar bereitgestellt und im Verfahrensschritt b) an die Steuerungs- und Auswertungseinheit 3 übertragen.
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Der Vorgang der Übertragung wird in 2 durch das Feld ÜE dargestellt.
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Die Steuerungs- und Auswertungseinheit 3 ist vorliegend dazu in der Lage, im Verfahrensschritt c) mittels des Regelauswahlmoduls eine Regel aus einem Regelpool auszuwählen, welche aus ihrer Sicht für die erfasste Ausgangssituation sinnvoll anzuwenden ist und welche aus ihrer Sicht bestmöglich einem entsprechenden Wunsch des Anwenders entspricht. Im vorliegenden Fall wählt die entsprechend der Nachtsituation eine Regel aus, welche im weiteren Verlauf zu einem Einschalten der ersten Beleuchtungseinheit 5.1 führt. In 2 werden die Regelauswahl durch das Feld RAU und der Regelpool durch das Feld RP dargestellt.
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Im Verfahrensschritt d) erfolgen anschließend die Anwendung der Regel mittels des Regelanwendungsmoduls und das Bereitstellen der angewendeten Regel als Anwendungsergebnis. Die Anwendung der Regel und die Bereitstellung des Anwendungsergebnisses werden in 2 zusammengefasst durch das Feld RAN beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt das Anwendungsergebnis den Befehl „erste Beleuchtungseinheit 5.1 aktivieren” dar.
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Das Anwendungsergebnis wird in dem nachfolgenden Verfahrensschritt e) an das Aktionsmodul übertragen, was in 2 durch das Feld ÜAE verdeutlicht wird.
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Das Aktionsmodul ist vorliegend dazu in der Lage, in Verfahrensschritt f) das Anwendungsergebnis in eine Stellentscheidung umzuwandeln. Die Umwandlung des Anwendungsergebnisses in die Stellentscheidung wird in 2 durch das Feld UAE dargestellt und sieht vor, dass das Anwendungsergebnis als Befehl in ein für das Stellglied 4.1 verarbeitbares Steuersignal umgewandelt wird.
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Die Stellentscheidung wird in Verfahrensschritt g) an das Stellglied 4.1 übertragen, was in 2 durch das Feld ÜSE veranschaulicht wird.
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Das Stellglied 4.1 führt anschließend in Verfahrensschritt h) die Stellentscheidung aus, was vorliegend zur Aktivierung der ersten Beleuchtungseinheit 5.1 und somit zur Festlegung eines ersten Steuerzustandes der steuerbaren Zustandsbasis führt. In 2 werden die Ausführung der Stellentscheidung durch das Feld ASE und der erste Steuerzustand der steuerbaren Zustandsbasis durch das Feld 1. SZ veranschaulicht.
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Das Aktivieren der ersten Beleuchtungseinheit 5.1 und somit der erste Steuerzustand werden im Verfahrensschritt i) durch das zweite Zustandsbasiserfassungsmittel 2.2 in Form des sich ändernden Beleuchtungszustandes erfasst und zwischengespeichert. Dieser Vorgang wird in 2 durch das Feld E 1. SZ veranschaulicht.
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Nachdem der erste Steuerzustand der steuerbaren Zustandsbasis durch das Stellglied 4.1 eingestellt wurde, sieht das Verfahren ein Abwarten einer definierten Zeitspanne vor, in welcher eine Entscheidung des Anwenders, in 2 durch das Feld AE veranschaulicht, über das Beibehalten oder ein Ändern des ersten Steuerzustandes abgewartet wird. In dieser Zeitspanne wird durch den Anwender entschieden, ob er mit dem ersten Steuerzustand zufrieden ist oder nicht. Für den Fall, dass er mit dem ersten Steuerzustand zufrieden ist, wird durch den Anwender keine Änderung vorgenommen. Ist der Anwender mit dem ersten Steuerzustand unzufrieden, so wird er eine Änderung, beispielsweise in Form eines manuellen Ausschaltens oder Dimmens der ersten Beleuchtungseinheit 5.1, hervorrufen. Im Ausführungsbeispiel kann über die bloße binäre Erfassung als Zufrieden oder Unzufriedenheit auch der Grad der Unzufriedenheit erfasst werden, indem der Zeitablauf bis zu einer Änderung erfasst wird. Eine schnelle Änderung representiert ein hohes Maß an Unzufriedenheit während eine gewisses Abwarten bis zu einer Änderung als geringeres Maß an Unzufriedenheit representiert. Damit kann eine besonders genaue Erfassung erfolgen.
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Nach Ablauf der Zeitspanne wird vorliegend im Verfahrensschritt j) ein zweiter Steuerzustand der steuerbaren Zustandsbasis erfasst, wobei die Erfassung erneut durch das zweite Zustandsbasiserfassungsmittel 2.2 in Form des vorliegenden Beleuchtungszustandes erfolgt. Die Erfassung des zweiten Steuerzustandes wird in 2 durch das Feld E 2. SZ veranschaulicht. Je nach Anwenderentscheidung ist der zweite Steuerzustand hierbei mit dem ersten Steuerzustand identisch oder nicht.
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Der erste und der zweite Steuerzustand werden im Verfahrensschritt k) an das Nutzenbewertungsmodul übertragen, welches anschließend eine Bewertung eines subjektiven Nutzens anhand eines Vergleichs des ersten und zweiten Steuerzustandes durchführt und die Bewertung als Nutzenbewertung ausgibt.
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Die Nutzenbewertung ist in 2 als Feld NB dargestellt und dient dem Gebäudeenergiemanagementverfahren vorliegend zur Erfassung, ob die durch die angewendete Regel hervorgerufene Aktion durch den Anwender als sinnvoll und zutreffend empfunden wurde.
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Parallel zum Verfahrensschritt j) erfolgt vorliegend im Verfahrensschritt l) durch das dritte Zustandsbasiserfassungsmittel 2.3 eine Erfassung des Energiezustandes in dem zweiten Steuerzustand in Form des Stromverbrauchs der ersten Beleuchtungseinheit 5.1, was in 2 durch das Feld EE 2. SZ veranschaulicht ist.
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Der Energiezustand des zweiten Steuerzustandes wird anschließend im Verfahrensschritt m) an das Energiebewertungsmodul übertragen, welches dazu in der Lage ist, eine Bewertung des Energiezustandes sowie eine Ausgabe der Bewertung als Energiebewertung bereit zu stellen. Die Energiebewertung ist in 2 als Feld EB dargestellt.
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Sowohl die Energiebewertung als auch die Nutzenbewertung werden im anschließenden Verfahrensschritt n) an das Gewichtungsbewertungsmodul übertragen. Das Gewichtungsbewertungsmodul nimmt vorliegend eine Gesamtbewertung auf Basis der Nutzen- und Energiebewertung vor und gibt diese Gesamtbewertung als Belohnungsfaktor aus.
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Die Gesamtbewertung wird in 2 durch das Feld GB dargestellt und stellt den Schritt des Verfahrens dar, in welchem die Steuerungs- und Auswertungseinheit 3 den Nutzen der angewendeten Regel für den Anwender und den durch die Regel hervorgerufenen Energieverbrauch bewertet. Aus der Nutzenbewertung NB und der Energiebewertung EB wird der Belohnungsfaktor ABF generiert, wobei der Belohnungsfaktor umso größer ist, je höher der Nutzen und je niedriger der Energieverbrauch ist.
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Der Belohnungsfaktor wird im Verfahrensschritt o) an das Regelbewertungsmodul RB übertragen, welches vorliegend eine Zuordnung des Belohnungsfaktors zu der angewendeten Regel vornimmt. Das Regelbewertungsmodul nimmt hierbei zum einen eine Abfrage eines vorhandenen Regelqualitätswertes der angewendeten Regel vor, wobei der Regelqualitätswert das Maß dafür darstellt, wie erfolgreich die Regel bis zu diesem Zeitpunkt bereits durch das Gebäudeenergiemanagementsystem 1 angewendet wurde. Zum anderen nimmt das Regelbewertungsmodul eine Bewertung der Regel anhand des Belohnungsfaktors vor; dies bedeutet, dass es die Regel anhand der Höhe des Belohnungsfaktors bewertet.
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Auf Basis des abgefragten Regelqualitätswertes und des bewerteten Belohnungsfaktors ist das Regelbewertungsmodul vorliegend dazu in der Lage, einen neuen Regelqualitätswert zu erstellen, durch welchen der bis dahin vorliegende Regelqualitätswert ersetzt wird. Die angewendete Regel erhält somit auf diesem Weg eine Aktualisierung, welche sowohl den aktuellen Nutzen für den Anwender als auch den aktuellen Energiezustand beinhaltet. Der durch das Regelbewertungsmodul durchgeführte Verfahrensschritt o) wird in 2 durch das Feld RB veranschaulicht.
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Die Regel mit dem neuen Regelqualitätswert wird anschließend in den Regelpool zurückgeführt, wo sie vorliegend die entsprechende und bis dahin dort hinterlegte Regel ersetzt und für eine erneute Anwendung bereitgestellt wird.
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Die 2 zeigt vorliegend eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens, bei welcher in einem zusätzlichen Verfahrensschritt p) mittels eines Regelerzeugungsmoduls eine selbstständige Erzeugung neuer Regel erfolgt. Die Erzeugung der neuen Regeln wird durch das Feld RE dargestellt und erfolgt vorliegend vor der Ausführung des Verfahrensschrittes a).
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, dass die Erzeugung der neuen Regeln durch Mutation erfolgt, wobei einzelne Parameter bereits bestehender Regeln mittels eines Algorithmus durch das Regelerzeugungsmodul zufällig geändert werden. Die neu erzeugten Regeln werden vorliegend, parallel zu den Regeln auf welchen diese basieren, für eine Anwendung in dem Regelpool hinterlegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gebäudeenergiemanagementsystem
- 2
- Zustandsbasiserfassungsmittel
- 3
- Steuerungs- und Auswertungseinheit
- 4
- Stellglieder
- 5
- Beleuchtungseinheiten
- EA
- Erfassung Ausgangszustand
- ÜE
- Übertragung Erfassungsergebnis
- RAU
- Regelauswahl
- RAN
- Regelanwendung
- ÜAE
- Übertragung Anwendungsergebnis
- UAE
- Umwandlung Anwendungsergebnis
- ÜSE
- Übertragung Stellentscheidung
- ASE
- Ausführung Stellentscheidung
- E 1. SZ
- Erfassung erster Steuerzustand
- AE
- Anwenderentscheidung
- E 2. SZ
- Erfassung zweiter Steuerzustand
- EE 2. SZ
- Erfassung Energiezustand des zweiten Steuerzustandes
- EB
- Energiebewertung
- NB
- Nutzenbewertung
- GB
- Gesamtbewertung
- ABE
- Ausgabe Belohnungsfaktor
- RB
- Regelbewertung
- RP
- Regelpool
- RE
- Regelerzeugung
- ZB
- Zustandsbasis
- AZ
- Ausgangszustand
- 1. SZ
- erster Steuerzustand
- 2. SZ
- zweiter Steuerzustand 2
