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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.
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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 wärmeübertagendes
Medium über
ein gesteuertes Mischventil einem Pufferspeicher zuführen.
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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.
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Stand
der Technik sind seit langem Heizungssyteme 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.
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Diese
sind meist außentemperaturgeführte Heizungssysteme,
bei denen an der Gebäudeaußenseite
ein Temperatursensor angebracht ist.
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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.
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Nach
EP 0 260 343 ist ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Temperaturregelung von Heizungs- bzw. Kühl- und
Klimaanlagen bekannt, das die obengenannten Nachteile vermeidet,
indem die Soll-Temperatur der Wärmequelle
ohne messende Bezugnahme auf die tatsächliche Außentemperatur vorgegeben wird.
Dazu werden gespeicherte Klimadaten der charakteristischen Außentemperaturen
genutzt. Nachteilig ist hierbei, daß den physiologischen Bedürfnissen
der Bewohner nicht Rechnung getragen wird.
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Hierzu
nutzt
DE 43 12 400
A1 bei einem Raumheizsystem mit Infrarot-Flächenstrahlern
eine in den konventionellen Raumtemperatur-Regelkreis eingebundene
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.
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Eine
Weiterführung
dieses Verfahrens sieht vor, daß durch
ein zentrales programmierbares Reglermodul, welches Sensordaten
selbstlernend verarbeitet und bezüglich Personenstandort und
Personenfortbewegung im Raum, zeitlich vorausschauend Heizelemente
mit einer größeren Heizleistung
beaufschlagt, als zur Hintergrund-Raumtemperaturheizung erforderlich
ist.
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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.
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Nach
DE 43 05 870 A1 ist
ein Verfahren zum Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur von Brauchswasser,
daß über einen
Wärmetausch
aus einem Primärkreislauf
erwärmt
wird, bekannt. Dabei wird eine im Primärkreislauf angeordnete Förderpumpe
in ihrer Förderleistung,
insbesonders 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-Terme nach einem mitgeschriebenen
anlagenspezifischen Datenmaterial und zum Ausgleich von fehlerhaften Eingangssignalen,
die z.B. durch Beschädigung
von Sensoren entstehen können.
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Ferner
ist nach
DE 42 25 622
A1 ein Verfahren zur Steuerung von Einrichtungen 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 Veränderung
von in zeitlichen Abständen
aufgrund laufender Messungen errechneten Mittelwerten für die Außentemperaturen
während
der jeweils zurückliegenden 24
Stunden auf die in bestimmten zeitlichen Abständen künftig zu erwarteten Mittelwerte
für die
Außentemperaturen
hochgerechnet werden. Bei diesem Verfahren erfolgt Annäherung des
zukünftigen
Außentemperaturverlaufs
aus zwei Werten. (Bei der erfindungsgemäßen Anordnung folgt die Annäherung des
zukünftigen
Temperaturverlaufs durch einen sinusförmigen Verlauf mittels Regressionsverfahrens aus
5 durch Mittelwertbildung errechneten Werten.) Das Zeitintervall
zur Ermittlung der einzelnen Meßwerte
muß nicht
24 Stunden betragen.
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Ferner
ist nach
DE 43 33 506
C1 eine Aufladesteuerung des Brauchwasserspeichers 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.
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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 zu 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.
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Nach
Pfannstiel,D u.a., Einsatz in der Heizungstechnik, atp Automatisierungstechnische
Praxis, 37, 1995, S.42–49;
ist ein Verfahren für
eine Heizungssteuerung bekannt, bei dem durch den Einsatz der Fuzzy-Loik
der Sollwert für
die Kesselwassertemperaturregelung an den aktuellen Wärmebedarf
besser angepaßt
wird. Die Regelung erfolgt dabei durch Ermittlung des Wärmebedarfs
unter Berücksichtigung
des Energiebedarfs vom Vortag und sogenannter Belastungsprofile,
die gespeicherte Werte aus Langzeituntersuchungen enthalten. Die
Regelung erfaßt
jedoch nicht den Einfluß der
aktuellen Außentemperatur.
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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.
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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 regenerativen Energieträgern ermöglicht und
auch für
den Einsatz in Niedrigenergiehäusern
geeignet ist.
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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 Außentemperatur
und die mittlere Außentemperatur
zugeführt
werden
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Regelung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden die Pufferspeichertemperatur und die konventionelle Energiekreisaktivität in Abhängigkeit
der tendenziellen 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.
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Dadurch
wird eine vorausschauende Regelung unter Berücksichtigung von Witterungstendenzen
und des internen Wärmebedarfs
ermöglicht.
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Das
erfindungsgemäßen Verfahren
ist für
die Heizungssteuerung in Niedrigenergiehäusern, bei der eine Anzahl
Besonderheiten und zusätzlicher
Bedingungen berücksichtigt
werden müssen,
gut geeignet.
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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.
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Durch
die vorausschauende Steuerung bei Berücksichtigung aller relevanten
Klimaparameter, wie Solarstrahlung, Feuchte, Außentemperatur, Wind u. dgl.,
sowie der Berücksichtigung
der individuellen Bedürfnisse
der Bewohner und der Berücksichtigung der
speziellen Gebäudeparameter,
wie der Wärmespeicherung
in Fußböden, Decken
u.ä. wird
eine weitgehende Optimierung der Heizung gewährleistet.
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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.
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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.
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Durch
das erfindungsgemäße Konzept
kann entsprechend der technischen Ausstattung an Hilfssystemen für Heizung
und Kühlung
ein Überangebot bzw.
Mangel von Wärmeenergie
verhindert werden.
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Vorteilhaft
ist insbesondere, daß träge Heizungssysteme,
wie z.B. Fußbodenheizungen
oder Heizungen in Gebäuden
mit thermischer Trägheit, durch
geeignete Parametrierung des Regelsystems mit einfacheren Mitteln
besser beherrscht werden.
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Ein
weiterer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß nur
wenige Grenzwerte der mittleren Außentemperatur für den zu
erwartenden Energieverlust des Gebäudes herangezogen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine komplexe Heizungssteuerung unter Nutzung eines Fuzzy-Systems,
das insbesondere für
ein Niedrigenergiehaus 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.
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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 vollzogen. Für
den Fuzzy-Regler werden folgende Eingangsgrößen verwendet.
- – Tendenz
der Strahlungsenergie,
- – aktueller
Wärmebedarf,
- – Tendenz
des Wärmebedarfes,
- – Tendenz
der Außentemperatur
und
- – mittlere
Außentemperatur.
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Die
zur Regelung verwendeten Größen werden
mit mathematischen Verfahren zur linearen Regression und numerischen
Integration gebildet. Es folgt eine Vorhersage für 30 Minuten der Außentemperatur
und der Sonnenenergie. 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.
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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 Berechnungen
im 10-Minuten-Abstand zweckmäßig. Die
Ermittlung der Eingangsgrößen 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.
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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.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In
der zugehörigen
Zeichnung zeigt:
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1a ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelung mit Erzeugung
der Hilfsenergie durch eine Warmwasserheizung,
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1b ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelung mit einer Heizung
mit dem Wärmeträger Luft,
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2 ein Übersichtsschaubild
der erfindungsgemäßen Regelungen,
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3 den
Verlauf der Außentemperatur,
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4 den
Aufbau des Heizungssystems,
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5 eine
schematische Darstellung der Zusammenfassungsregeln,
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6 eine
Erläuterung
der linguistischen Variable „Tendenz
der Außentemperaturänderung",
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7 eine
Erläuterung
der linguistischen Variable „mittlere
Außentemperatur",
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8 eine
Erläuterung
der linguistischen Variable „aktueller
Wärmebedarf",
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9 eine
Erläuterung
der linguistischen Variable „Tendenz
des Wärmebedarfs",
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10 eine
Erläuterung
der linguistischen Variable „Tendenz
der Strahlungsenergie" und
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11 eine
Erläuterung
der linguistischen Variable „Heizung",
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Die
Erläuterung
der Erfindung erfolgt am Beispiel für ein Niedrigenergiehaus, mit
einem konventionellen Heizsystem unter Verwendung einer Solaranlage
und einer gasbetriebenen Zusatzheizung. Das Heizsystem ist in 4 dargestellt.
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Das
Regelungssystem erläutert 1. Die Regelung des Heizungssystems erfolgt
mit einer handelsüblichen
Regelungsanordnung. Die Aktoren, bestehend 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 Hinzunahme 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
Pufferspeichertemperatu
für den Solarregler.
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Der
Zeitraum für
das Sammeln der Daten, für die
Vorhersage der Witterung und die Entscheidungszeit des Fuzzy- Reglers
sollte dem Gebäude angeglichen
werden. Die Vorlauftemperatur wird durch das 3-Wege-Mischventil
eingestellt. Somit besteht die Möglichkeit
einer variablen Pufferspeichertemperatur, 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.
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Durch
die vorausschauende Regelung können
Fußbodenheizungssysteme
optimal eingesetzt werden, denn deren Nachteile, insbesondere die thermische
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.
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Die
Eigenschaften des verwendeten Fuzzy-Reglers werden durch die Linguistik
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.
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In
die Auswahl werden nur zwingend notwendige Regeln einbezogen. Das
verwendete Programm ermöglicht
die Definition von Zwischenvariabeln, die die Übersichtlichkeit der Regelbasis
erhöhen.
In 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 Zwischenvariabeln
und der Tendenz der Strahlung erfolgt die Bildung der Ausgangsvariabeln, z.B.
die Heizzeit. Als erste Zwischenvariable wird der Außentemperatureinfluß betrachtet
und aus den beiden Eingangsgrößen „Tendenz
der Außentemperaturänderung" und „mittlere
Außentemperatur" gebildet.
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Die
Zugehörigkeitsfunktionen
für die
beiden linguistischen Variablen „Tendenz der Außentemperaturänderung" und „mittlere
Außentemperatur" sind aus den 6 und 7 zu
entnehmen. Der Einfluß der
Außentemperaturänderungen
wird im Bereich von + 1,5 K bis –1K innerhalb von 30 Minuten
mit dem Term „STABIL" vernachlässigt. Bei
schnelleren Veränderungen
der Außentemperatur
wird ein kritischer Einfluß auf
den Wärmebedarf
erwartet.
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Fällt die
Außentemperatur
stärker
als 2K, dann steigt der Wärmebedarf
im Innenraum stärker an,
als mit der Speicherenergie eventuell kompensiert werden kann. Das
Gegenteil trifft ein, wenn die Außentemperatur um 3K 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
Temperaturdifferenz zwischen innen und außen größer als 15 K ist.
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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 8 und 9 erläutern die
Ermittlung der Zwischenvariable „BEDARF" aus dem „aktueller Wärmebedarf" beinhaltet 4 Terme,
die den Wärmebedarf
des Innenraumes dem Fuzzy-Regler signalisiert, um auf Störgrößen schnell reagieren
zu können.
Außerdem
werden starke Änderungen
der Soll-Innenraumtemperatur sowie das Anfahren des Regelungssystemes
nach langer Inaktivität
erfaßt,
um die Trägheit
der Tendenz des Wärmebedarfes
zu kompensieren.
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Mit
dem Term „STABIL" wird der Raumtemperatur
eine Schwankungsbreite von ca. ± 1K 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
signalisiert.
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Der
Grenzwert + 5OkJ entspricht einer Abweichung der Innenraumtemperatur
von ca. –0,5K 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 Wärmebedarfes
aktiv.
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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 Zwischenvariablen und der Tendenz für die Strahlungsenergie
wird die Ausgangsvariable „Heizung" ermittelt. Ab einer
Strahungsenergie von ca. 300W(1/2h)/m2 werden
im Speicher Temperaturen erreicht, die die maximale Raumtemperatur
von 20°C
wesentlich überschreiten
und zusätzliche
Hilfsenergie nicht erfordern. Folgerichtig wären für die Strahlungsenergie nur
zwei linguistische Terme, niedrig und ausreichend, notwendig. Im
Bereich von ca. 200 bis 300 W(1/2h)/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 interessant werden. Wie aus 10 ersichtlich
ist, sind 3 linguistische Terme erforderlich.
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Daraus
ergeben sich die aus 11 ersichtlichen vier Regeln
zur Definition der Heizungszeit bei einem veränderlichen Bedarf und einer
tendenziellen Strahlungsenergie kleiner als 300W (1/2h)/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.
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In
den Morgenstunden eines heiteren Tages mit einem starken Strahlungs- und Außentemperaturanstieg
treffen nachfolgende Regeln zu. Es wird ein Anstieg der Strahlungsenergie
auf über
300W (1/2h)/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.
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Unter
normalen Bedingungen werden nur die Terme „AUS", „KURZ" und „MITTEL" aktiv und die entscheidene
Heizzeit liegt im Bereich von 0 bis c. 40 Minuten. Bei einer Heizzeit
von mehr als 30 Minuten wird die Hilfsenergiequelle für die nächsten 30
Minuten eingeschaltet und nach dem 30-minütigen Regelungsintervall erfolgt
eine Korrektur der vorhergehenden Entscheidung.
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Die
Kennwerte für
den inneren Wärmebedarf werden
aus den Werten für
die Raumtemperatur nach der Differenz zwischen Vorlauf und Rücklauftemperatur
oder auch aus der Drehzahl der Umwälzpumpe im Heizkreislauf abgeleitet.
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Diese
Größen können mit
mathematischen Verfahren zur linearen Regression 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 Untersuchungen haben bestätigt, daß dies eine
ausreichende Genauigkeit für
den Regelprozeß gewährleistet.
Der Regelzyklus kann der Vorhersagezeit angepaßt werden.
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Für spezielle
Gebäude
ist eine einfache Anpassung möglich.
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Eine
entscheidende Einflußgröße für das komplexe
Reglungssystem stellt die Außentemperatur
dar. Die Außentemperatur
bestimmt den Wärmeverluststrom
durch die Gebäudehülle. Der
Außentemperaturverlauf
unterliegt im Tage- und im Jahresablauf periodischen Veränderungen,
wobei die Temperatur am Morgen ansteigt und am Abend absinkt. Der
tageszeitliche Temperaturverlauf wird dabei auch stark von der Bewölkung 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 3 dargestellt.
Die Annahme des sinusförmigen
Verlaufes des Außentemperatur
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.
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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 Bewölkung
und von Windeinflüßen sehr
schnellen Änderungen
unterliegen kann, ist erfindungsgemäß ein Verfahren gewählt wurden,
das diese Änderungen
berücksichtigt. 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 Vorhersageverfahren 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.
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Ein
weiterer entscheidender Einflußfaktor
für die
Steuerung ist der innere Wärmebedarf.
Der innere Wärmebedarf
dient zur Ermittlung der tatsächlichen
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-Abweichung für
die Raumtemperatur. Für eine
längerfristige
Betrachtung des Wärmebedarfs
ist eine Unterdrückung
von kurzfrtstigen Schwankungen notwendig. Dies kann durch Integration
des aktuellen Wämebedarfs 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 Zeitinterwall von 30 Minuten genutzt.
Die Berechnung der Tendenz erfolgt ebenfalls über die numersiche 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.
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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 notwendig.
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 Hardwarekomponenten
erstellt und implementiert. Die Erstellung der linguistischen Variablen
und der benötigten
Regeln wird auf der Basis von gesammelten Erfahrungen vorgenommen.
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Die
Funktionsfähigkeit
des entwickelten Regelkonzeptes konnte erfolgreich nachgewiesen
werden.