DE19747592A1 - Verfahren zur Regelung einer Heizungsanlage - Google Patents

Verfahren zur Regelung einer Heizungsanlage

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Heizungsanlage, bei welcher eine konventionelle Heizung zusammen mit einem diskontinuierlich arbeitenden, klimaabhängigen Energiesystem betrieben wird, wobei der Wärmebedarf unter Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen durch den Einsatz einer Fuzzy-Logik ermittelt wird.
Vorzugsweise wird hierbei eine regenerative Energiequelle, z. B. ein Solar- Kollektor-System, einbezogen, wobei ein Heizkreis für das konventionelle Heizungssystems und ein Solarkreis für das Kollektorsystem ein wärmeüber­ tagendes Medium über ein gesteuertes Mischventil einem Pufferspeicher zuführen.
Beim Einsatz derartiger Heizungssysteme für Niedrigenergiehäuser wird besonderer Wert darauf gelegt, daß der Verbrauch des Energieanteils, der aus fossilen Energieträgern gewonnen wird, möglichst gering ist. Hierzu werden Verfahren zur vorausschauenden Regelung der Heizungssteuerung benötigt.
Stand der Technik sind seit langem Heizungssysteme mit einer Wärmequelle, die ein zur Beheizung von Heizkörpern, Wärmeaustauschern oder andern Objekten dienendes fluides Wärmeträgermedium veränderbarer Temperatur liefern, insbesondere Heizkessel mit Öl- oder Gasbrennern.
Diese sind meist außentemperaturgeführte Heizungssysteme, bei denen an der Gebäudeaußenseite ein Temperatursensor angebracht ist.
Nachteilig dabei ist, daß die Soll-Temperatur der Wärmequelle nur die jeweils herrschende Außentemperatur berücksichtigt und individuelle Wohn- bzw. Heizgewohnheiten d. h. die Wahl unterschiedlicher Heizzeiten, das Lüften von Räumen usw. nicht berücksichtigt werden können.
Nach EP 0 260 343 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperatur­ regelung von Heizungs- bzw. Kühl- und Klimaanlagen bekannt, das die obengenannten Nachteile vermeidet, indem die Soll-Temperatur der Wärme­ quelle ohne messende Bezugnahme auf die tatsächliche Außentemperatur vorgegeben wird. Dazu werden gespeicherte Klimadaten der charakteristi­ schen Außentemperaturen genutzt. Nachteilig ist hierbei, daß den physiolo­ gischen Bedürfnissen der Bewohner nicht Rechnung getragen wird.
Hierzu nutzt DE 43 12 400 A1 bei einem Raumheizsystem mit Infrarot-Flä­ chenstrahlern eine in den konventionellen Raumtemperatur-Regelkreis einge­ bundene sensorgeführte personenorientierte Ansteuerung einzelner Flächenstrahlelemente. Dabei wird eine programmtechnische Ortung und Verfolgung von Personen, die momentanen Standorte von Personen in Raum mit einer erhöhten Heizleistung beaufschlagt, eingesetzt.
Eine Weiterführung dieses Verfahrens sieht vor, daß durch ein zentrales programmierbares Reglermodul, welches Sensordaten selbstlernend verar­ beitet und bezüglich Personenstandort und Personenfortbewegung im Raum, zeitlich vorausschauend Heizelemente mit einer größeren Heizleistung beauf­ schlagt, als zur Hintergrund-Raumtemperaturheizung erforderlich ist.
Derartige Verfahren sind zwar für die Heizungsregelung in Einzelräumen geeignet, aber bei der Steuerung von Heizungen für mehrere Räume ergibt sich infolge des erforderlichen Aufwandes ein unwirtschaftlicher Betrieb. Außerdem wird durch die vorgesehene Verwendung einer Strahlungsheizung ein behagliches Raumklima nicht erreicht.
Nach DE 43 05 870 A1 ist ein Verfahren zum Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur von Brauchwasser, daß über einen Wärmetausch aus einem Primärkreislauf erwärmt wird, bekannt. Dabei wird eine im Primärkreislauf angeordnete Förderpumpe in ihrer Förderleistung, insbeson­ ders elektrisch getaktet oder frequenzmoduliert, gesteuert wird und bei dem die Steuerung der Förderpumpe von einem neuronalen Netz ausgeht, daß zwei Neuronen-Ebenen aufweist, und zwar eine Eingabeebene und eine Ausgabeebene. Hierbei wird ein neuronales Netz als Lerneinheit in die Steuerung eingebracht und dient zur Anpassung der Fuzzy-Therme nach einem mitgeschriebenen anlagenspezifischen Datenmaterial und zum Ausgleich von fehlerhatten Eingangssignalen, die z. B. durch Beschädigung von Sensoren entstehen können.
Ferner ist nach DE 42 25 622 A1 ein Verfahren zur Steuerung von Einrich­ tungen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden aufgrund von Temperaturen im Heiz- und Kühlsystem und aufgrund von Außentemperaturen bekannt, bei dem diese Temperaturen ermittelt werden, in dem sie aus der Verände­ rung von in zeitlichen Abständen aufgrund laufender Messungen errechneten Mittelwerten für die Außentemperaturen während der jeweils zurückliegen­ den 24 Stunden auf die in bestimmten zeitlichen Abständen künftig zu erwar­ teten Mittelwerte für die Außentemperaturen hochgerechnet werden. Bei diesem Verfahren erfolgt Annäherung des zukünftigen Außentemperaturver­ laufs aus zwei Werten. (Bei der erfindungsgemäßen Anordnung folgt die Annäherung des zukünftigen Temperaturverlaufs durch einen sinusförmigen Verlauf mittels Regressionsverfahrens aus 5 durch Mittelwertbildung errech­ neten Werten.) Das Zeitintervall zur Ermittlung der einzelnen Meßwerte muß nicht 24 Stunden betragen.
Ferner ist nach DE 43 33 506 C1 eine Aufladesteuerung des Brauchwasser­ speichers bekannt, bei dem ein Brauchwasserspeicher durch Solarkollektoren und durch eine Zentralheizung beheizbar ist, wobei an jedem Tag der Aufheizbeginn durch die Solarkollektoren erfaßt und dieser Zeitpunkt bei der Bestimmung des zu erwartenden Aufheizbeginns des folgenden Tages zugrundes gelegt wird und wobei zu Beginn des folgenden Tagbetriebes bei einer durch einen Temperaturfühler gemeldeten Wärmeanforderung ein Nachheizen durch den Heizkessel von dem zu erwartenden Aufheizbeginn durch die Solarkollektoren abhängig gemacht wird.
Nachteilig ist dabei, daß ähnlich klimatische Verhältnisse des aktuellen Tages zum Vortag angenommen werden. Eine Regelung nach klimatischen Tendenzen innerhalb eines Tages ist dabei nicht vorgesehen. Nachteilig ist ferner, daß die Regelung einen solaren Einschaltbeginn berücksichtigt, also einen Zeitpunkt zum dem genügend solare Energie zur Verfügung steht. Die aktuelle Situation des solaren Energieangebotes sowie die aus vergangenen Daten vorausberechnete zukünftige Situation kann dabei nicht berücksichtigt werden.
Nach Pfannstiel, D. u. a., Einsatz in der Heizungstechnik, atp Automatisie­ rungstechnische Praxis, 37, 1995, S. 42-49; ist ein Verfahren für eine Heizungssteuerung bekannt, bei dem durch den Einsatz der Fuzzy-Logik der Sollwert für die Kesselwassertemperaturregelung an den aktuellen Wärme­ bedarf besser angepaßt wird. Die Regelung erfolgt dabei durch Ermittlung des Wärmebedarfs unter Berücksichtigung des Energiebedarfs vom Vortag und sogenannter Belastungsprofile, die gespeicherte Werte aus Langzeitun­ tersuchungen enthalten. Die Regelung erfaßt jedoch nicht den Einfluß der aktuellen Außentemperatur.
Bei allen im Stand der Technik bekannten Regelungen ist nachteilig, daß der Einfluß von äußeren Strahlungsenergien, z. B. des Wärmeeintrags durch die Sonne, nicht berücksichtigt wird. Es erfolgt keine aktive Nutzung der Sonnenenergie zur Raumbeheizung, im allgemeinen auch keine Erfassung der Raumtemperatur für die Vorlauf- und Heizkesselregelung und eine unzureichende Abstimmung zwischen Außentemperatur und Wärmebedarf. Für den Einsatz in Niedrigenergiehäusern sind derartige Regelungen nicht geeignet, weil für die dort geltenden Einsatzfälle neben der Berücksichtung des Wärmebedarfs und seiner Tendenz insbesondere die gleichzeitige Berücksichtigung der Außentemperatur und des Wärmeeintrages durch die Sonne wichtig ist, um ein Überangebot oder einen Mangel an Wärmeenergie zu verhindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelung für eine Heizung zu schaffen, die für unterschiedliche Energieträger anwendbar ist und die durch eine komplexe Berücksichtigung sowohl äußerer als auch innerer Einflußgrößen eine weitgehende Minimierung des Verbrauchs an regenerati­ ven Energieträgern ermöglicht und auch für den Einsatz in Niedrigenergie­ häusern geeignet ist.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß dem Fuzzy- Regler als Eingangsgrößen die Tendenz der Strahlungsenergie, der aktuelle Wärmebedarf, die Tendenz des Wärmebedarfes, die Tendenz der Außentem­ peratur und die mittlere Außentemperatur zugeführt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Regelung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren werden die Pufferspeichertemperatur und die konventionelle Energiekreisaktivität in Abhängigkeit der tendenziel­ len äußeren und inneren Parameter sowie der Absolutwerte geregelt. Damit können alle wesentlichen Einflußgrößen sowohl in ihrem Absolutwert, der verfahrensbedingt keine hohe Genauigkeit aufweisen muß, als auch im tendenziellen Verlauf erfaßt bzw. errechnet werden.
Dadurch wird eine vorausschauende Regelung unter Berücksichtigung von Witterungstendenzen und des internen Wärmebedarfs ermöglicht.
Das erfindungsgemäßen Verfahren ist für die Heizungssteuerung in Nie­ drigenergiehäusern, bei der eine Anzahl Besonderheiten und zusätzlicher Bedingungen berücksichtigt werden müssen, gut geeignet.
Das Verfahren gewährleistet eine effektive Ausnutzung konventioneller Energieträger und ermöglicht es, gleichzeitig eine hohe Behaglichkeit in den Räumlichkeiten zu erreichen. Es können alle bekannten Energieträger, wie Festbrennstoffe, Öl, Gas, Elektroenergie usw. verwendet werden.
Durch die vorausschauende Steuerung bei Berücksichtigung aller relevanten Klimaparameter, wie Solarstrahlung, Feuchte, Außentemperatur, Wind u. dgl. , sowie der Berücksichtigung der individuellen Bedürfnisse der Bewoh­ ner und der Berücksichtigung der speziellen Gebäudeparameter, wie der Wärmespeicherung in Fußböden, Decken u.ä. wird eine weitgehende Optimierung der Heizung gewährleistet.
Mit der Erfindung wird eine neue komplexe Heizungssteuerung für ein Niedrigenergiehaus geschaffen. Die Heizung beinhaltet Systeme zur passiven und aktiven Nutzung der Sonnenenergie für die Raumheizung.
Der Erfindung liegt ein neues Regelkonzept zugrunde. Dieses beinhaltet die tendenzielle Berücksichtigung der äußeren und inneren Einflußfaktoren. Die vorausschauende Regelung besitzt den Vorteil einer längerfristigen und effektiveren Planung des Energiebedarfs für ein Gebäude.
Durch das erfindungsgemäße Konzept kann entsprechend der technischen Ausstattung an Hilfssystemen für Heizung und Kühlung ein Überangebot bzw. Mangel von Wärmeenergie verhindert werden.
Vorteilhaft ist insbesondere, daß träge Heizungssysteme, wie z. B. Fußbo­ denheizungen oder Heizungen in Gebäuden mit thermischer Trägheit, durch geeignete Parametrierung des Regelsystems mit einfacheren Mitteln besser beherrscht werden.
Ein weiterer Vorzug des erfindungsgemaßen Verfahrens besteht darin, daß nur wenige Grenzwerte der mittleren Außentemperatur für den zu erwarten­ den Energieverlust des Gebäudes herangezogen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine komplexe Heizungssteue­ rung unter Nutzung eines Fuzzy-Systems, das insbesondere für ein Niedrige­ nergiehaus geeignet ist. Hierzu wird eine passive und/oder aktive Nutzung der Sonnenenergie für die Raumheizung verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren für ein neues Regelungssystems beruht auf einer Analyse der äußeren Einflußfaktoren auf ein Niedrigenergiehaus, wobei als dominante Größen die Außentemperatur und die Sonnenstrahlung ermittelt wurden. Die Verwendung einer konventionellen Heizungsregelung ist in einem Niedrigenergiehaus nicht sinnvoll, da sie die Außentemperatur als alleinige Führungsgröße verwendet und weitere Einflußfaktoren vernachlässigt. Die vorausschauende Regelung besitzt den Vorteil einer längerfristigen und effektiveren Planung des Energiebedarfs für ein Gebäude. Durch das neue Konzept wird ein Überangebot bzw. Mangel von Wärmeenergie verhindert. Zweckmäßgerweise wird die Regelung der Heizkreisaktorik mittels Zweipunktregler und die Hilfsenergiequelle über einen Fuzzy-Regler vollzo­ gen. Für den Fuzzy-Regler werden folgende Eingangsgrößen verwendet.
  • - Tendenz der Strahlungsenergie,
  • - aktueller Wärmebedarf,
  • - Tendenz des Wärmebedarfes,
  • - Tendenz der Außentemperatur und
  • - mittlere Außentemperatur.
Die zur Regelung verwendeten Größen werden mit mathematischen Verfah­ ren zur linearen Regression und numerischen Integration gebildet. Es folgt eine Vorhersage für 30 Minuten der Außentemperatur und der Sonnenener­ gie. Eine Kontrolle der Tendenzwerte ergab eine ausreichende Genauigkeit für den Regelprozeß. Der Regelzyklus wurde der Vorhersagezeit angepaßt.
Das System kann in einfacher Weise in eine handelsübliche Steuerung mit Hilfe von verschiedenen Programmen implementiert werden. In einem Unterprogramm werden alle Operationen zur Erfassung und Manipulation der benötigten Daten durchgeführt.
Die Abarbeitung des Unterprogramms wird in verschiedenen Zeitschritten durchgeführt. Im Minutentakt erfolgt die Erfassung der Eingangssignale und die Steuerung der Heizkreisaktorik. Für die Tendenzwerte sind Berechnun­ gen im 10-Minuten-Abstand zweckmäßig. Die Ermittlung der Eingangsgrö­ ßen für den Fuzzy-Regler und dessen Abarbeitung wird im 30-Minutentakt absolviert. Die Erstellung der linguistischen Variablen und der benötigten Regeln für den Fuzzy-Regler erfolgt auf der Grundlage von Erfahrungen.
Es ist sowohl möglich, die Regelung an einem Heizsystem einzusetzen, bei dem die Zusatzheizung als Warmwasserheizung ausgebildet ist, als auch an einem Heizsystem, bei dem Luft als Energietransportmedium verwendet wird und die Speicherung der überschüssigen Energie zum Beispiel in einem Steinspeicher erfolgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
Fig. 1a ein Blockschaltbild der erfindungsgemaßen Regelung mit Erzeugung der Hilfsenergie durch eine Warmwasserheizung,
Fig. 1b ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelung mit einer Heizung mit dem Wärmeträger Luft,
Fig. 2 ein Übersichtsschaubild der erfindungsgemäßen Regelungen,
Fig. 3 den Verlauf der Außentemperatur,
Fig. 4 den Aufbau des Heizungssystems,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Zusammenfassungsregeln,
Fig. 6 eine Erläuterung der linguistischen Variable "Tendenz der Außentemperaturänderung",
Fig. 7 eine Erläuterung der linguistischen Variable "mittlere Außentem­ peratur",
Fig. 8 eine Erläuterung der linguistischen Variable "aktueller Wärmebe­ darf",
Fig. 9 eine Erläuterung der linguistischen Variable "Tendenz des Wärmebedarfs",
Fig. 10 eine Erläuterung der linguistischen Variable "Tendenz der Strahlungsenergie" und
Fig. 11 eine Erläuterung der linguistischen Variable "Heizung".
Die Erläuterung der Erfindung erfolgt am Beispiel für ein Niedrigenergie­ haus, mit einem konventionellen Heizsystem unter Verwendung einer Solaranlage und einer gasbetriebenen Zusatzheizung. Das Heizsystem ist in Fig. 4 dargestellt.
Das Regelungssystem erläutert Fig. 1. Die Regelung des Heizungssystems erfolgt mit einer handelsüblichen Regelungsanordnung. Die Aktoren, beste­ hend aus vier Pumpen und zwei 3-Wege-Mischventilen, werden mit diversen Ausgangsmodulen bedient. Der grundsätzliche Programmaufbau, inklusive Fuzzy-Regler, entspricht der oben beschriebenen Steuerung, unter Hinzu­ nahme eines Programmteils für die Brennerregelung. Als Eingangsgrößen für das Regelungssystem werden folgende Größen genutzt:
  • - die Außentemperatur,
  • - die Tendenz der Außentemperatur,
  • - der Wärmebedarf,
  • - die Tendenz des Wärmebedarfs und
  • - die Strahlungsenergie
    für den Fuzzyregler,
  • - die Soll-Vorlauftemperatur (Ausgangsgröße des Fuzzy-Reglers) und
  • - die Ist-Vorlauftemperatur
    für den Heizkreisregler sowie
  • - die Kollektorentemperatur und
  • - die Pufferspeichertemperatur
    für den Solarregler.
Der Zeitraum für das Sammeln der Daten, für die Vorhersage der Witterung und die Entscheidungszeit des Fuzzy-Reglers sollte dem Gebäude angegli­ chen werden. Die Vorlauftemperatur wird durch das 3-Wege-Mischventil eingestellt. Somit besteht die Möglichkeit einer variablen Pufferspeichertem­ peratur, die für die Nutzung der solaren Wärmegewinne für die Heizung erforderlich ist. Die Speicherung von solaren Wärmegewinnen aus den Kollektoren kann nur in Form eines hohen Speichertemperaturaturniveaus erfolgen. Durch die Verwendung einer temperaturgeregelten Heizkreispumpe kann die variable Drehzahl zur Erfassung des aktuellen Wärmebedarfs herangezogen werden. Für die Bereitstellung der Tendenz ist die gleiche Methode zu verwenden. Zur Nutzung des Tendenzwertes der Strahlungsenergie als Eingangsgröße für den Fuzzy-Regler ist es sinnvoll, als Meßgröße nicht die horizontale Globalstrahlung zu nutzen, sondern die Direkteinstrahlung auf die Kollektoren. Der Außentemperatureinfluß ist für ein Niedrigenergiehaus und dessen Standort jeweils einmalig zu bestimmen.
Durch die vorausschauende Regelung können Fußbodenheizungssysteme optimal eingesetzt werden, denn deren Nachteile, insbesondere die thermi­ sche Trägheit, werden kompensiert und die Vorteile besser genutzt, wie die höhere Behaglichkeit im Raum und der geringere Energieaufwand. Das Regelungssystem kann sowohl in Niedrigenergiehäusern, als auch in neuen konventionellen oder rekonstruierten Häusern eingesetzt werden unter der Prämisse einer aktiven Nutzung der Sonnenenergie. Die Erweiterung der Regelbasis des Fuzzy-Reglers für eine Umschaltung des Heizungssystems von Winter- auf Sommerbetrieb und umgekehrt, wird als sinnvoll erachtet und ist problemlos möglich. Durch Nutzung der solaren Wärmegewinne aus den Kollektoren für kältetechnische Anlagen zur Raumklimatisierung im Sommer kann der Wohnkomfort weiter erhöht werden.
Die Eigenschaften des verwendeten Fuzzy-Reglers werden durch die Lingui­ stik und die Regelbasis bestimmt. Um geeignete Regeln zu erstellen, werden
  • - die fachübliche Regelbasis,
  • - die Erfahrungen von Mitarbeitern und
  • - die Auswahl von sinnvoll erscheinenden, heuristischen Regeln ausgewertet.
In die Auswahl werden nur zwingend notwendige Regeln einbezogen. Das verwendete Programm ermöglicht die Definition von Zwischenvariabeln, die die Übersichtlichkeit der Regelbasis erhöhen. In Fig. 5 ist die Zuordnung der Regeln auf die Zwischenvariabeln dargestellt. Durch die Wahl von trapezförmigen Zugehörigkeitsfunktionen sind die einzelnen Regeln in einem größeren Bereich gültigem in dem keine wesentlichen Änderungen der Einflußfaktoren auf das System erwartet werden. Aus den beiden Zwischen­ variabeln und der Tendenz der Strahlung erfolgt die Bildung der Ausgangs­ variabeln, z. B. die Heizzeit. Als erste Zwischenvariable wird der Außentemperatureinfluß betrachtet und aus den beiden Eingangsgrößen "Tendenz der Außentemperaturänderung" und "mittlere Außentemperatur" gebildet.
Die Zugehörigkeitsfunktionen für die beiden linguistischen Variablen "Tendenz der Außentemperaturänderung" und "mittlere Außentemperatur" sind aus den Fig. 6 und 7 zu entnehmen. Der Einfluß der Außentempera­ turänderungen wird im Bereich von + 1,5 K bis - 1 K innerhalb von 30 Minuten mit dem Term "STABIL" vernachlässigt. Bei schnelleren Verände­ rungen der Außentemperatur wird ein kritischer Einfluß auf den Wärmebe­ darf erwartet.
Fällt die Außentemperatur stärker als 2 K, dann steigt der Wärmebe­ darf im Innenraum stärker an, als mit der Speicherenergie eventuell kompen­ siert werden kann. Das Gegenteil trifft ein, wenn die Außentemperatur um 3 K oder mehr ansteigt, dann besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß die vorhandene Speicherenergie ausreichende ist. Die erwähnten Änderungen wirken sich nur im Außentemperaturbereich unter 5°C aus, wenn der Term "NIEDRIG" einen Erfüllungsgrad von 1 hat und außerdem die Temperatur­ differenz zwischen innen und außen größer als 15 K ist.
Der Bereich für den Term "HOCH" wird nicht für eine Entscheidung des Fuzzy-Reglers genutzt, aber für die Definition des Termes "SEHR HOCH". Falls die Außentemperatur auf ein Niveau von bzw. über 20°C steigt, dann ist der Einsatz von Hilfsenergie nicht mehr sinnvoll. Die Fig. 8 und 9 erläutern die Ermittlung der Zwischenvariable "BEDARF" aus dem "aktuel­ ler Wärmebedarf" beinhaltet 4 Terme, die den Wärmebedarf des Innenrau­ mes dem Fuzzy-Regler signalisiert, um auf Störgrößen schnell reagieren zu können. Außerdem werden starke Änderungen der Soll-Innenraumtempera­ tur sowie das Anfahren des Regelungssystemes nach langer Inaktivität erfaßt, um die Trägheit der Tendenz des Wärmebedarfes zu kompensieren.
Mit dem Term "STABIL" wird der Raumtemperatur eine Schwankungs­ breite von ca. ± 1 K vom Sollwert ermöglicht, um die Schwankungen vom Fuzzy-Regler zu entkoppeln. Mit der linguistischen Variable "Tendenz des Wärmebedarfes" wird die zur Verfügung stehende Speicherenergie ermittelt. Mit dem Term "STABIL" wird die Speicherenergie als ausreichend signali­ siert.
Der Grenzwert + 50 kJ entspricht einer Abweichung der Innenraumtempera­ tur von ca. - 0,5 K vom Sollwert über eine halbe Stunde. Beim Überschreiten des Grenzwertes reicht die Speicherenergie nicht mehr aus und der Term "POSITIV" wird aktiv. Mit dem Term "NEGATIV" werden passive solare Wärmegewinne berücksichtigt. Bei vernachlässigbaren Einflüssen von außen wird die Steuerung der Hilfsenergiequelle über die Tendenz des Wärmebe­ darfes aktiv.
Dem aktuellen Wärmebedarf wird bei einer negativen bzw. stabilen Tendenz eine höhere Priorität zugeordnet. Für eine positive Tendenz erhält der aktuelle Wärmebedarf eine geringere Priorität. Aus den beiden Zwischenva­ riablen und der Tendenz für die Strahlungsenergie wird die Ausgangsvariable "Heizung" ermittelt. Ab einer Strahlungsenergie von ca. 300 W (1/2 h)/m2 werden im Speicher Temperaturen erreicht, die die maximale Raumtempera­ tur von 20°C wesentlich überschreiten und zusätzliche Hilfsenergie nicht erfordern. Folgerichtig wären für die Strahlungsenergie nur zwei linguisti­ sche Terme, niedrig und ausreichend, notwendig. Im Bereich von ca. 200 bis 300 W (1/2 h)/m2 stellt sich eine Speichertemperatur ein, die auf dem Niveau der Raumtemperatur liegt. Unter bestimmten Bedingungen kann auch dieser Bereich bei starken Außentemperaturänderungen für die Regelung interes­ sant werden. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, sind 3 linguistische Terme erforderlich.
Daraus ergeben sich die aus Fig. 11 ersichtlichen vier Regeln zur Definition der Heizungszeit bei einem veränderlichen Bedarf und einer tendenziellen Strahlungsenergie kleiner als 300 W (1/2 h)/m2 sowie einem zu erwartenden Außentemperaturabfall. Daraus folgt ein höherer Speicherenergiebedarf zur Kompensation der stärkeren Wärmeverlust. Weitere Regeln gehen von einer stabilen Außentemperatur und einer mittleren Strahlungsenergie aus. Diese Zustände treten an Tagen mit leichter Bewölkerung auf, an denen sich die Außentemperatur nur wenig ändert und ein weiterer Strahlungsanstieg nicht zu erwarten ist.
In den Morgenstunden eines heiteren Tages mit einem starken Strahlungs- und Außentemperaturanstieg treffen nachfolgende Regeln zu. Es wird ein Anstieg der Strahlungsenergie auf über 300 W (1/2 h)/m2 prognostiziert, unter der Voraussetzung eines starken Außentemperaturanstieges und einer aktuellen mittleren Strahlungsenergie. Mit der letzten Regel steigt die Wichtig für den Fall, daß der zu erwartende Bedarf durch die Sonnenenergie abgedeckt wird. Die Regelbasis wird so aufgestellt, daß ab einer gewissen Strahlungsenergie alle anderen Regeln inaktiv sind und der Einsatz von Hilfsenergie entfällt.
Unter normalen Bedingungen werden nur die Terme "AUS", "KURZ" und "MITTEL" aktiv und die entscheidende Heizzeit liegt im Bereich von 0 bis c. 40 Minuten. Bei einer Heizzeit von mehr als 30 Minuten wird die Hilfsener­ giequelle für die nächsten 30 Minuten eingeschaltet und nach dem 30-minüti­ gen Regelungsintervall erfolgt eine Korrektur der vorhergehenden Entscheidung.
Die Kennwerte für den inneren Wärmebedarf werden aus den Werten für die Raumtemperatur nach der Differenz zwischen Vorlauf und Rücklauftempe­ ratur oder auch aus der Drehzahl der Umwälzpumpe im Heizkreislauf abgeleitet.
Diese Größen können mit mathematischen Verfahren zur linearen Regres­ sion und numerischen Integration gebildet werden. Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, eine Vorhersage der Außentemperatur und der Sonnenenergie für 30 Minuten zu prognostizieren. Durchgeführte Untersu­ chungen haben bestätigt, daß dies eine ausreichende Genauigkeit für den Regelprozeß gewährleistet. Der Regelzyklus kann der Vorhersagezeit angepaßt werden.
Für spezielle Gebäude ist eine einfache Anpassung möglich.
Eine entscheidende Einflußgröße für das komplexe Reglungssystem stellt die Außentemperatur dar. Die Außentemperatur bestimmt den Wärmeverlust­ strom durch die Gebäudehülle. Der Außentemperaturverlauf unterliegt im Tage- und im Jahresablauf periodischen Veränderungen, wobei die Tempera­ tur am Morgen ansteigt und am Abend absinkt. Der tageszeitliche Tempera­ turverlauf wird dabei auch stark von der Bevölkerung beeinflußt. Der qualitative Verlauf ist jedoch unabhängig von der Jahreszeit prinzipiell der gleiche. Dieser Verlauf kann mit guter Genauigkeit sinusförmigen Verlauf angenähert werden, der seine Steigung und den Nullpunkt ändert. Der Tagesverlauf der Lufttemperatur von Januar bis Juni ist an einem Beispiel in Fig. 3 dargestellt. Die Annahme des sinusförmigen Verlaufes des Außen­ temperatur ermöglicht die Nutzung eines linearen Regressionsverfahrens zur Voraussage. Dabei bestimmt die Anzahl der Werte, die zur Berechnung genutzt werden die Dynamik des Berechnungsverfahrens. Um kleinere Temperaturänderungen nicht über zubewerten, werden die Temperaturwerte der letzten 50 Minuten gesammelt. Um eine beherrschbare Anzahl der Berechnungswerte zu erhalten wird eine Mittelwertbildung im 10 Minuten- Takt durchgeführt und daraus die Voraussage für die folgenden 30 Minuten abgeleitet. Damit wird eine einfache und recht genaue Vorhersage der Außentemperatur ermöglicht, da eine Unterdrückung nur von kurzzeitigen Schwankungen durch die Mittelwertbildung erfolgt. Die Voraussage des absoluten Wertes dient zur Errechnung der Außentemperaturänderung. Dieser Wert wird dem Fuzzy-System als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt.
Eine weitere wesentliche Einflußgröße ist der solare Energieeintrag. Die Strahlungsenergie läßt sich durch Indikation der Bestrahlungsstärke über die Zeit ermitteln. Durch eine diskrete Abfrage der Bestrahlungsstärke im Minutentakt ist die Nutzung eines numerischen Integrationsverfahrens zur Bestimmung des Energieeintrages möglich. Da die Solareinstrahlung eine sich stark ändernde Größe ist, die in Abhängigkeit von der Bevölkerung und von Windeinflüssen sehr schnellen Änderungen unterliegen kann, ist erfin­ dungsgemäß ein Verfahren gewählt wurden, das diese Änderungen berück­ sichtigt. Hierzu ist z. B. die numerische Integration nach der Simsonschen Regel geeignet. Als günstige Integrationszeit ist ein Zeitraum von 30 Minuten zu sehen. Die zu erwartende Strahlungsenergie ist von hoher Bedeutung für die Entscheidung des Regelungssystems, aus welcher Quelle der Energiebedarf gedeckt werden muß. Die Vorhersage gestaltet sich hierbei schwieriger als bei der Außentemperaturermittlung, da hierbei stärkere Schwankungen möglich sind. Als Vorhersage verfahren ist deshalb die lineare Regression vorgesehen, dabei werden die Energiewerte der letzten 1,5 Stunden als Eingangswert für die Vorhersage der folgenden 30 Minuten genutzt.
Ein weiterer entscheidender Einflußfaktor für die Steuerung ist der innere Wärmebedarf. Der innere Wärmebedarf dient zur Ermittlung der tatsächli­ chen Raumtemperatur. Die Raumtemperatur wird dabei durch innere Wärmequellen, passive solare Einträge sowie vom Benutzer beeinflußt. Durch den solaren Wärmebeginn kann der Wärmebedarf eines Raumes stark sinken und die zur Verfügung gestellte Heizenergie reduziert werden. Die Ermittlung des Wärmebedarfs erfolgt durch Bestimmung der Soll-Ist-Abwei­ chung für die Raumtemperatur. Für eine längerfristige Betrachtung des Wärmebedarfs ist eine Unterdrückung von kurzfristigen Schwankungen notwendig. Dies kann durch Integration des aktuellen Wärmebedarfs über einem festen Zeitraum erfolgen. Für eine vorausschauende Regelung ist die Feststellung der zur Verfügung stehenden Speicherenergie zweckmäßig. Dabei ist die Ermittlung der Speicherenergie über die Temperatur ungeeignet, weil das erforderliche Temperaturniveau des Speichers von der Raumtemperatur abhängt. Mit der ermittelten Tendenz des Wärmebedarfs wird der Außentemperatureinfluß, der passive solare Einfluß und die vom Benutzer verursachten Störgrößen berücksichtigt und den Fuzzy-Regler als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt. Für die Integrationszeit wird ein Zeitintervall von 30 Minuten genutzt. Die Berechnung der Tendenz erfolgt ebenfalls über die numerische Integration nach der Simsonschen Regel. Als Eingangsgrößen werden die letzten 30 gespeicherten Minutenwerte des aktuellen Wärmebedarfs verwendet. Eine Voraussage des Wärmebedarfs wird nicht durch das individuelle Verhalten des Menschen und seinem Einfluß getroffen. Die Regelung geht vielmehr von der Annahme aus, daß die Tendenz sich nur gleitend verändert. Der ermittelte Wert wird für das nächste Zeitintervall eingesetzt.
In einem speziellen Anwendungsfall wird die Abarbeitung des Programms in verschiedenen Zeitschritten durchgeführt. Hierbei erfolgt die Erfassung der Eingangssignale und die Steuerung der Heizkreisaktoren im Minutentakt. Für die Tendenzwerte sind Berechnungen im 10-Minuten-Abstand notwen­ dig. Die Ermittlung der Eingangsgrößen für den Fuzzy-Regler und dessen Abarbeitung wird im 30-Minutentakt absolviert. Der Fuzzy-Regler wird vorteilhaft mit einem speziellen Fuzzy-Tool oder durch Hardwarekomponen­ ten erstellt und implementiert. Die Erstellung der linguistischen Variablen und der benötigten Regeln wird auf der Basis von gesammelten Erfahrungen vorgenommen.
Die Funktionsfähigkeit des entwickelten Regelkonzeptes konnte erfolgreich nachgewiesen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung einer Heizungsanlage, bei welcher eine konven­ tionelle Heizung zusammen mit einem diskontinuierlich arbeitenden, klima­ abhängigen Energiesystem betrieben wird, ein Heizkreis für das konventionelle Heizungssystems und ein Solarkreis für das Kollektorsystem ein wärmeübertagendes Medium über ein gesteuertes Mischventil einem Pufferspeicher zuführen und wobei der Energiebedarf unter Berücksichti­ gung von Umgebungsbedingungen durch den Einsatz einer Fuzzy-Logik ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fuzzy-Regler als Eingangsgrößen die Tendenz der Strahlungsenergie, der aktuelle Wärmebe­ darf- die Tendenz des Wärmebedarfes, die Tendenz der Außentemperatur und die mittlere Außentemperatur zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tendenzi­ eilen Kennwerte für die Außentemperatur, die dem Fuzzy-Regler zugeführt werden, durch einen sinusförmigen Verlauf angenähert werden und durch Regressionsverfahren eine Tendenzbildung zur Unterstützung der Regelent­ scheidung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennwerte für den Strahlungsenergieeintrag, durch numerische Integrations- und Regressionsverfähren ermittelt werden und die Energiewerte der letzten eineinhalb Stunden als Eingangswerte für die Vorhersage der nächsten dreißig Minuten dienen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelung der Heizung als komplexes Regelungssystemes in einer speicherprogrammierbaren Steuerung oder einem Mikrocontroller realisiert wird, wobei folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
  • - Sammeln der Daten über einen längeren Zeitraum, Berechnung der Eingangsgrößen des Fuzzy-Systems, bzw. eines Neuro- Systems oder eines kombinierten Fuzzy-Neuro-Systems,
  • - Bearbeitung der Ausgangsgrößen des Fuzzy-Neuro- oder Fuzzy/Neuro- Systems und
  • - automatische Steuerung der Aktoren gemäß einer verarbeiteten Lernkurve die sich aus dem angesammelten Datenmaterial bei einem Neuro-/Fuzzy- Neuro-System ergibt.
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