DE19537850A1 - Codierer und Decodierer von Wettervorhersagen - Google Patents

Codierer und Decodierer von Wettervorhersagen

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DE19537850A1 DE1995137850 DE19537850A DE19537850A1 DE 19537850 A1 DE19537850 A1 DE 19537850A1 DE 1995137850 DE1995137850 DE 1995137850 DE 19537850 A DE19537850 A DE 19537850A DE 19537850 A1 DE19537850 A1 DE 19537850A1
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Description

1. Stand der Technik
In vielfacher Weise wird die Wettervorhersage genutzt um witterungs­ abhängige Entscheidungen zu treffen. Diese sind z.Bsp. die Wahl von Flugrouten in der Luftfahrt oder die Bewässerung von Freiland, Grasschnitt und Ernteeinfuhr in der Landwirtschaft, Streudienste, Enteisung von Straßen, uvm.
1.1 Heizungs- und Klimaregelungen von Gebäuden regeln die Temperatur von Gebäudeinnenräumen mithilfe sog. Raumthermostate, oder/und in Abhängigkeit der Außentemperatur. Werden höhere Anforderungen an das Raumklima gestellt, (z. B.: Labors, Museen, Veranstaltungsräume, etc.) so werden zusätzliche Kriterien für die Regelung des Raumklimas miteinbezogen:
Luftfeuchtigkeit, -geschwindigkeit,
Strahlungseinflüsse (Sonne → Jalousiesteuerung)
Temperatur von Wand, Decken und Boden (Behaglichkeitsempfinden).
2. Problem
2.1 Regel- und Steuerungsprozesse benötigen eine gewisse Vorausplanung bzw. Vorlaufzeit. Dies gilt ebenso für witterungungsabhängige Prozesse. Diese Vorlaufzeit beginnt jedoch erst, sobald die zu erwartende Wettersituation bekannt und damit kalkulierbar ist.
Hierzu werden im allgemeinen die Wettervorhersagen berücksichtigt. Automatische Steuer- und Regelprozesse können z.Zt. noch nicht die Wettervorhersagen abhören bzw. einen Nutzen daraus ziehen. Da diese jedoch ebenfalls vielfach mit witterungsbestimmten Regelprozessen betraut sind, stellen die Geräte bzw. Verfahren gemäß Patentansprüchen 1 bis 9 eine Lösung, dieser Problematik dar.
2.2 Die Dauer von Regelprozessen sind von dem Verhalten der Regelstrecken abhängig. D.h., daß die Abstimmung zwischen Regeleinrichtung und Regelstrecke und damit die Dauer und die Regelabweichung die Qualität des Regelkreises bestimmen. Die Qualität eines Regelkreises kann zusätzlich verbessert werden, durch direkte Reaktion auf eine Änderung einer Störgrößen. Hierzu muß jedoch die Störgröße in ihrer Art, Wirkung und zeitlichen Verlauf bekannt sein.
"Intelligente" Regelungen berücksichtigen den zeitlichen Verlauf von Störgrößen und deren Änderung (Änderungsgeschwindigkeit und Amplitude) und extrapolieren daraus die zu erwartenden Störgrößen.
Bei Nutzung der genannten Verfahren, kann der Einfluß der zu erwartenden Störgrößen, welcher von der Witterung verursacht werden, jedoch nur aufgrund der
aktuell vorherrschenden Verhältnisse (Außentemperatur, Sonne, etc.) bzw. deren vorausgegangenen Änderungen
ermittelt werden.
D.h., daß witterungsabhängige Regelungen, mit beliebig aufwendiger Sensorik, immer ausschließlich nur auf lokale Verhältnisse reagieren.
3. Lösung
Wetterdaten werden aufgrund umfangreicher, globaler, terrestrischer und satellitengestützter Messungen und Beobachtungen gesammelt. Mittels meteorologischer Kenntnisse und entspr. Simulationsberechnungen können Wettervorhersagen für beliebige Regionen ermittelt werden.
Wettervorhersagen werden zwar ebenfalls "nur" aufgrund von Beobachtungen vergangener und aktueller Verhältnisse erstellt, jedoch für einen wesentlich größeren geographischen bzw. globalen Beobachtungsraum.
D.h., daß die Gesamt-Wetterlage bzw. deren zu erwartende Änderungen, aufgrund des größeren Beobachtungsraumes, eine reale regionale Wettervorhersage ergibt.
Vergleichbar zu den gesprochenen Wettervorhersagen in Rundfunk, TV und Telefonansagediensten oder der Vorhersage in Videotext oder BTX, etc., wird der Inhalt der Wettervorhersage mit Hilfe eines einheitlich standardisierten Protokolls codiert und verbreitet. Derart codierte Wettervorhersagedaten werden somit maschinell einfach und universell auswertbar (siehe Ausgestaltung der Erfindung).
Die Wetterdaten werden von den metereologischen Instituten inhaltlich derart abgestimmt, daß diese sämtliche witterungsbedingten Daten, für beliebige Steuerungs- und Regelungsaufgaben enthalten (siehe Ausgestaltung der Erfindung).
Die codierten Wettervorhersagen, bzw. die aus der Codierung entstandenen Wettervorhersagedaten werden den Rundfunkanstalten (respektive Breitbandkabel) und Telefondiensten zur Verbreitung (Aussendung) bereitgestellt.
Gemeinsam mit den jeweiligen audiovisuellen Hörfunk- und Fernsehprogrammen werden die codierten Wetterdaten des betreffenden Sendegebietes an die bereits digitalen Daten von RDS und Videotext angehängt und somit ebenfalls übertragen. Desgleichen gilt für die Telefondienste und das Breitbandkabel.
Das Blockdiagramm 1 zeigt schematisch die Erzeugung und die Verbreitung bzw. Übertragung der codierten Wettervorhersagedaten mittels der audiovisuellen und telefongebundenen Medien.
Die Wettervorhersage wird zu Wettervorhersagedaten codiert, welche ihrerseits mittels Telefondiensten abrufbar sind. Sie werden zudem summiert mit den übrigen zu übertragenden Daten (RDS, Videotext). Über die Programmschnittstelle werden sie mit Bild- und Tonsignalen gemischt und gesendet.
Blockdiagramm 2 zeigt die Empfangsmöglichkeiten (Satellit, Kabel, etc.) der Programme mitsamt den codierten Wettervorhersagedaten.
Die Trennung der audiovisuellen Signale und der digitalen Informationen erfolgt in einem Filter. Der Dekoder trennt die digitalen Daten und stellt die übertragenen Wetterdaten für beliebige Steuer- bzw. Regeleinheiten zur Verfügung.
4. Erreichte Vorteile
Die Sensorik (Temperaturfühler, etc.) einer beliebigen, direkt durch das Wetter beeinflußten Steuerung bzw. Regelung "sieht" nur die aktuell vorherrschenden Wetterverhältnisse.
Hingegen hierzu ist es von Vorteil, die zukünftig zu erwartenden Wetterverhältnisse für nachfolgend aufgeführte Steuer- und Regelungen zu nutzen:
Beispiele zur Verdeutlichung der Vorteile
1. Heizungs- und Klimaregelung von Gebäuden
Auf Wettervorhersagedaten gestützte Regelungen können unterschiedliche Arten von Wärmeträgerquellen besser zur Beheizung oder Klimatisierung von Gebäuden nutzen.
Unterschiedliche Wärmeträger, insbesondere Niedertemperaturwärmeträger, überwiegend aus regenerativer Energie (Thermische Speicher, Wärmepumpen, aktive und passive Solaranwendung) sind aufgrund des überwiegend geringen Temperaturniveaus nur begrenzt einsetzbar. Die Speicherkapazität und Fähigkeit von regenerativer Energie bzw. deren Umwandlung in anderweite, speicherbare Energieformen ist ebenfalls nur bedingt bzw. mit entsprechenden Verlusten möglich.
Daher stellt eine vorausberechnende Einsatzplanung dieser Wärmeträgerquellen, mit Hilfe der zu erwartenden Wetterverhältnisse, eine energieeinsparende, technische Verbesserung dar.
Mit den Wettervorhersagedaten wird beispielsweise kalkulierbar, ob eine bestehende Wärmespeicherreserve eines Gebäudes, zur Überbrückung einer Schlechtwetterperiode ausreichend ist, oder ob die solare Einstrahlung bei zu erwartenden geringen Außentemperaturen, ausreicht um den geforderten Komfort zu erreichen, oder ob auf fossile Energieträger zurückgegriffen werden muß.
1.1. Bei Gebäuden mit überwiegend verglaster Südfassade (Glasfassade bei Bürogebäuden, südorientierte Räume, oder Gebäude mit solarunterstützter Heizung) kann bei einer z.Bsp. zu erwartenden Schönwetterperiode, die fossile Heizleistung früher gedrosselt werden, unter Berücksichtigung der zu erwartenden solaren Heizenergie, da die Regelung vor Eintritt der zu erwartenden Wetteränderung, die Änderung und den daraus zu erwartenden Energiegewinn bereits ermitteln kann. Damit werden Ressourcen eingespart.
1.2. Gut isolierte Gebäude in massiver Bauweise (Baumasse ist ungefähr proportional zur Wärmespeicherkapazität) verhalten sich thermisch träge gegenüber Störgrößenänderungen.
Die Daten aus der Wettervorhersage ermöglichen eine abschätzende Kalkulation des Temperaturverlaufs der Innenräume bei Einsatz der verschiedenen, o.g. Wärmeenergieträgern. D.h., daß die Regelung vorausschauend entscheiden kann, ob die Ressourcen der regenerativen Wärmeträger (thermische Masse, Sonneneinstrahlung, etc.) ausreichen, die geforderte Raumtemperatur einzuhalten. Die Bewohner können ebenfalls entscheiden ob eine, von der Regelung, vorausberechnete Abweichung der Raumtemperatur eine noch erträgliche Komforteinbuße ergibt, oder ob auf andere (z. B. fossile) Wärmeträger zurückgegriffen werden muß. Desgleichen gilt auch für den umgekehrten Fall - die Klimatisierung von Gebäuden.
Die Möglichkeit, die benötigte Heiz-(, Klimatisierungs-)energie, gemäß der Wettervorhersage vorauszuberechnen, ermöglicht die generelle oder/und die optimierte Nutzung alternativer und regenerativer Energieträger.
Dies ermöglicht, daß Kraftwerke den Anteil der Stromerzeugung, welcher zur Beheizung von Gebäuden oder dgl. benötigt wird, ebenfalls witterungsabhängig und vorausplanend kalkulieren können und dadurch, mit der benötigten Vorlaufzeit, Überkapazitäten verringert werden. Die Nutzung konventioneller Wärmeträgerquellen, vornehmlich kerntechnische und fossile Brennstoffe (einschl. der daraus erzeugten Energieformen), kommen daher weniger zum Einsatz, was die bedingten Risiken und Auswirkungen für Mensch und Umwelt erheblich reduziert.
2. In Räumen mit Fußbodenheizung, deren Reaktionszeit 2-3 Tage beträgt, ergibt sich eine wesentliche Verbesserung des Komforts. Überhitzen der Räumlichkeiten bzw. Nachheizen mittels zusätzlicher Radiatoren oder einer Lüftungsanlage entfällt. Die thermische Trägheit des Systems wird mithilfe der Wettervorhersagedaten kompensiert.
3. Die Nachladekapazität bei Nachtspeicherheizungen ist in Abhängigkeit der Wetterdaten energetisch effizienter steuerbar.
4. Bei der automatischen Freilandbewässerung wird nicht nur die Feuchte im Boden berücksichtigt, sondern zusätzlich evtl. bevorstehende Niederschläge. Dies schützt bestehende Wasserressourcen, verringert das Volumen von Wasserspeichern und verbessert zudem die Regelung der optimalen Feuchte für die jeweiligen Pflanzungen.
5. Verkehrsleitsysteme für den Straßenverkehr steuern den Verkehr um optimalen Verkehrsfluß zu erreichen. Hierzu muß die Verkehrsdichte berücksichtigt werden. Diese ist jedoch ihrerseits abhängig von der Befahrbarkeit der Verkehrswege, welche mitunter erheblich von Witterungszuständen abhängt. Damit ist es sinnvoll das zukünftige Wetter im voraus und überregional in Verkehrsleitrechnern zu berücksichtigen. Desgleichen gilt für den Flug- und Schiffahrtsverkehr.
6. Wie bereits unter Pkt.1 beschrieben, kann der zu erwartende Ertrag an Energieerzeugung welcher von witterungsbedingten Energiegewinnungs­ systeme erzeugt wird (z. B. Wind- und photovoltaische und thermische Solarkraftwerken) vorausberechnet werden.
5. Ausgestaltung der Erfindung
Die codierten Wettervorhersagedaten enthalten folgende Informationen:
Vorhersageregion
Vorhersagezeitraum (Wetter innerhalb der nächsten Stunden)
Temperatur
Niederschlagsmenge
Sonneneinstrahlungsintensität und -richtung
Windgeschwindigkeit und -richtung
Wahrscheinlichkeit der Richtigkeit der Vorhersage
Sämtliche o.g. Daten werden dauernd für die definierte Vorhersagezeiten und für mehrere Vorhersageregion des betreffenden Sendegebietes übertragen. Blockdiagramm 3 zeigt beispielhaft die Gesamtdarstellung der zu über­ tragenden Wettervorhersagedaten.
Die Wahrscheinlichkeit und Genauigkeit der Wettervorhersage verhält sich umgekehrt proportional zum Vorhersagezeitraum:
Daher wird das Betrachtungsfenster für längerfristige Vorhersagen vergrößert. Unterschiedliche Wetterkonstellation erlauben nicht immer eine gleichbleibende Wahrscheinlichkeit, der Richtigkeit der Vorhersage. Verbesserung der Methoden der Meteorologie erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Vorhersage und damit auch den Vorhersagezeitraum.
Das System ist mit Hilfe der Angabe, über den Vorhersagezeitraum und deren Wahrscheinlichkeit, flexibel gegenüber unbestimmten Wetterlagen, sowie den methodischen und technischen Weiterentwicklungen der Meteorologie.
Die Daten in der oben beispielhaft beschriebenen Reihenfolge stellen somit die maschinenlesbaren Wettervorhersagedaten dar, welche mittels
Codierer,
Medien,
Empfänger und
Dekodierer
sämtliche witterungsbedingten Steuerungen und Regelungen zugeführt werden. Die Wettervorhersagedaten stehen damit als zusätzliche Kriterien, neben den üblichen Sensoren (Temperaturfühler, etc.), den jeweiligen Steuer- und Regelungen zur Verfügung.
6. Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
Folgendes Beispiel vergleicht die Ausführungen einer Heizungsregelung für ein Gebäude mit und ohne Wettervorhersagedaten.
Das Gebäude soll in seiner Ausstattung einem zukünftigen Niedrigenergiehaus entsprechen. Es ist sehr gut wärmeisolatiert, nutzt Solarkollektoren zur Brauchwassererwärmung und zur Fußbodenheizung, verfügt zudem über einen
Brauch- bzw. Heizwasserspeicher von z. B. 5 m³. Der Baukörper ist in massiver, südorientierter Bauweise erstellt. Bei Bedarf kann mittels Gasbrennwertgerät nachgeheizt werden.
Die Heizungsregelungen für o.g. Objekt werden in ihren Wirkungsweisen als konventionelle außentemperaturabhängige Regelung und als Regelung mit zusätzlichen Wettervorhersagedaten gegenübergestellt. Bockdiagramm 4 zeigt beispielhaft eine konventionelle außentemperaturabhängige Regelung:
Die außentemperaturabhängige Regelung nutzt die Wärmeenergiequellen in Abhängigkeit der Regelabweichung. Diese errechnet sich aus dem Sollwert, der Innen- und Außentemperatur. Sie steuert die (solare, fossile oder gespeicherte) Wärmeenergieträger. Die Summe dQ der zugeführten Wärmeenergie QH abzüglich der Verlustenergie QV ergibt die Raumtemperatur.
Der spezifische Nutzen der einzelnen Wärmeträger kann nicht berücksichtigt werden, da nicht bekannt ist, wann und in welchem Umfang deren Energie­ bzw. Temperaturniveau optimal, der Störgröße "Wetter" entgegenwirkt, bzw. deren Nutzen zur Beheizung des Gebäudes am effektivsten beitragen kann (siehe Beispiele unter Erreichte Vorteile 1.1 u. 1.2).
Bockdiagramm 5 zeigt schematisch eine Regelung mit Wettervorhersagedaten. Im Gegensatz zu der konventionellen Regelung werden die Wärmeenergie­ quellen bei der Regelung mit Wettervorhersagedaten nicht einzig in Abhängigkeit der Regelabweichung angesteuert. Die Abgabe der Wärmeenergie erfolgt unter Rücksichtnahme der aktuell bestehenden spezifischen Nutzungswirkungsgrade der jeweiligen Wärmeenergiequellen, welche der Regelung gemeldet werden und insbesondere im Hinblick darauf, ob die zu erwartenden Witterungsverhältnisse eine bessere Nutzung, während eines späteren Zeitraumes, erlauben.
Als Nutzungswirkungsgrad wird die Wirkung bezeichnet, mit welcher der jeweilige Energieträger vergleichsweise zur Heizung (bzw. Kühlung) unter den aktuell herrschenden Verhältnissen (Außentemperatur, Wind, Sonneneinstrahlung) beitragen kann.
Die aktuell bestehenden spezifischen Nutzungswirkungsgrade sind wesentlich von dem Temperaturgefälle (Verhältnis zwischen Wärmeträgertemperatur zu Raum- und Außentemperatur) abhängig, sowie von der geforderten Wärmeenergie QH.
Der Regel-Algorithmus ist auf die jeweiligen Gegebenheiten der Anlage, Gebäude und Standort abzustimmen bzw. mit künstlicher Intelligenz oder neuronaler Netze zu optimieren. Die Möglichkeiten hierzu sind im Abschnitt "Erreichte Vorteile" teilweise beispielhaft beschrieben und ist gemäß allgemein üblicher regelungstechnischer Theorie auszulegen.

Claims (9)

1. Gerät bzw. Verfahren zum Codieren, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Wettervorhersagen in standardisierte, maschinenlesbare Wettervorhersagedaten wandelt.
2. Die codierten, maschinenlesbaren Wettervorhersagedaten, gemäß Anspruch 1, werden derart physikalisch und datentechnisch aufbereitet, daß diese zur Verbreitung über Rundfunk (respektive Satelliten) und drahtgebundener Medien (Kabelfernsehen, Radio) bereitgestellt werden.
3. Die codierten, maschinenlesbaren Wettervorhersagedaten, gemäß Anspruch 1, werden derart protokollarisch aufbereitet, damit diese zusammen mit den digitalen Daten von RDS, Videotext, etc. und den audiovisuellen Programmen verbreiten werden.
4. Das Protokoll enthält nachfolgende Informationen für mehrere, definierte Zeiträume und Vorhersageregionen:
Vorhersageregion,
Vorhersagezeitraum,
Temperatur,
rel. Luftfeuchtigkeit,
Niederschlag,
Sonneneinstrahlung, Richtung der Einstrahlung
Windgeschwindigkeit, -richtung
Wahrscheinlichkeit der Vorhersage.
5. Die codierten, maschinenlesbaren Wettervorhersagedaten, gemäß Anspruch 1, werden zur Abfrage über MailBoxes, Telefondienste, ISDN, etc. zum Abruf bereitgestellt.
6. Die codierten, maschinenlesbaren Wettervorhersagedaten, gemäß Anspruch 1, werden mithilfe beliebiger elektronischer, elektromagnetischer und elektrischer Medien verbreitet (ausgesendet).
7. Die verbreiteten, codierten, maschinenlesbaren Wettervorhersagedaten, gemäß Anspruch 2 bis 4, werden empfangen.
8. Gerät bzw. Verfahren welche die empfangenen Wettervorhersagedaten, gemäß Anspruch 7, aus, den nach Anspruch 2 bis 4 aufbereiteten Daten, mithilfe von Filtern splittet und die enthaltenen Wettervorhersagedaten decodiert.
9. Die übertragenen, decodierten, maschinenlesbaren Wettervorhersagedaten, gemäß Anspruch 1-4 und 8 werden einer Steuerung zugeführt oder zu regelungstechnischen Zwecken genutzt oder zur Anzeige gebracht.
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