DE69632216T2

DE69632216T2 - Verfahren zur Energieverwaltung in einer Haushaltsumgebung

Info

Publication number: DE69632216T2
Application number: DE69632216T
Authority: DE
Inventors: Valerio Aisa
Original assignee: Wrap SpA
Current assignee: Whirlpool EMEA SpA
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: IT1279545B1; EP1434056A2; EP1434056A3; EP1434056B1; EP1403999A2; EP1403998A2; ES2219674T3; ITTO950119A1; EP1403998A3; EP0727668B1; ITTO950119A0; EP0727668A1; DE69632216D1; EP1403999A3; DE69637540D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung des Verbrauchs an elektrischer Energie in einer Haushaltsumgebung.
Bekanntlich wird das Thema Haushaltsautomatisierung, d. h. die Gesamtsteuerung der verschiedenen in dem Haushalt vorhandenen elektrischen Geräte, immer interessanter.
Die bekannten Haushaltsautomatisierungssysteme sehen eine zentrale Überwachungseinheit vor, die die Steuerung der verschiedenen Haushaltsgeräte normalerweise durch Steuerung einiger „intelligenter" Steckdosen vornimmt, die die Energieeinspeisung in die verschiedenen Haushaltsgeräte durch Ein- und Ausschalten steuern.
Die bekannten zentralen Überwachungssysteme haben einige Nachteile.
Ein erster Nachteil liegt in der Komplexität der Steuereinheiten, die programmierbar sein müssen, da sie mehrere unterschiedliche Haushaltsgeräte zu unterschiedlichen Zeiten und auf unterschiedliche Weise steuern sollen. Das verlangt vom Nutzer eine komplizierte Programmierungstätigkeit.
Ein zweiter Nachteil liegt in der schlechten Effizienz des Steuer- und Überwachungssystems, das die Stromzufuhr zu den verschiedenen Haushaltsgeräten, wie gesagt, allein durch Ein- und Ausschaltvorgänge über die sogenannten „intelligenten" Steckdosen steuert. Diese Art der Steuerung ist sehr primitiv und ungenau.
Ein dritter Nachteil liegt in den Kosten der zentralen Überwachungseinheiten, die wegen der Programmierbarkeit eine geeignete Nutzerschnittstelle, typischerweise eine Tastatur und eine Anzeigeeinheit, und ein elektronisches Steuersystem mit geeigneter Anwendungs- und Speicherfähigkeit (z. B. einen Personalcomputer) benötigen.
Das europäische Patent EP 319 235 offenbart ein System, das verschiedene Dienste in einem Haus bereitstellt. Dieses System basiert auf der Zusammenschaltung mehre rer Netze unterschiedlicher Struktur und Aufgabe, insbesondere eines Netzes zur digitalen Steuerung, eines Netzes zur Energieverteilung, eines Netzes zur Verteilung analoger Signale und eines Netzes zur Verteilung von Videosignalen.
Die Geräte sind über ein geeignetes System, d. h. ein LAN, zum Datenaustausch eingerichtet.
Das System besitzt Vorrichtungen, sogenannte Stromblöcke, die den Geräten zugeordnet und mit Zweiwegekommunikationsanschlüssen ausgestattet sind, von denen der eine den von einem Wattmeter gemessenen Wert überwachen und den Energieverbrauch melden kann.
Die Stromblöcke arbeiten jedoch gesteuert von den Überwachungseinrichtungen und melden ihre Daten an diese. Eine solche Lösung beseitigt also nicht die erwähnten Nachteile der Kosten für die Überwachungseinheit und der komplizierten Programmierung.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die erwähnten Nachteile der bekannten Systeme zur Steuerung der elektrischen Haushaltsgeräte (z. B. Waschmaschinen, Kochgeräte), basierend auf dem Einsatz von zentralen Überwachungs- und Steuereinheiten, zu beseitigen.
Im Rahmen dieser Zielsetzung sieht die Erfindung ein optimiertes Steuerverfahren vor, welches es vermeidet, die Grenzen der durch Vertrag mit dem Stromversorger festgelegten maximal verfügbaren Energiemenge zu überschreiten, und außerdem den Einsatz verschiedener Haushaltsgeräte während günstigerer Tarifzeiten fördert. Die Erfindung will außerdem ein Verfahren aufzeigen, nach dem die optimierte Energiesteuerung vollautomatisch und ohne Eingriff durch den Nutzer erreicht werden kann.
Die genannten und weitere Aufgaben, die im folgenden noch deutlicher werden, werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Regulierung des Energieverbrauchs in einer Haushaltsumgebung, welches die in den anliegenden Ansprüchen definierten Merkmale aufweist.
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen dienen lediglich der Erläuterung und sind nicht als Einschränkung zu verstehen; sie zeigen Folgendes:
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäß gestaltetes Haushaltsstromnetz mit einigen Haushaltsgeräten.
2 zeigt mit einem Ablaufdiagramm den Hauptmodus des erfindungsgemäßen Steuersystems zur Steuerung des Stromverbrauchs.
3a zeigt schematisch ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen des momentanen Stromverbrauchs in einem Haushalt, die zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgaben geeignet ist.
3b zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Strommesseinrichtung, die neben dem aktuellen Wert des Stromverbrauchs weitere nützliche Informationen zur Erfüllung der Zielsetzung der Erfindung liefern kann.
4 illustriert in schematischer Form das „Synergiekonzept" für verschiedene Haushaltsgeräte, das sich unmittelbar durch das erfindungsgemäße System ergibt.
Erfindungsgemäß wird die Überwindung der Grenzen der bekannten Steuersysteme durch den Einsatz elektrischer Geräte ermöglicht, die zur dynamischen Selbstanpassung ihres Energieverbrauchs und zu seiner kontinuierlichen Veränderung im Hinblick auf den Gesamtenergiebedarf (im Tagesverlauf wechselnd) in der Haushaltsumgebung, in der sie eingesetzt werden, in der Lage sind.
Mit anderen Worten sind diese Haushaltsgeräte erfindungsgemäß mit Steuerungen ausgestattet, die folgende Hauptmerkmale tragen:

1. die Fähigkeit, über eine geeignete Übertragungseinrichtung und eine geeignete elektronische Schnittstelle in regelmäßigen Abständen Daten über den momentanen Stromverbrauch in der Haushaltsumgebung, in der die Geräte betrieben werden, zu empfangen. Diese Daten werden von einer geeigneten externen Messeinrichtung geliefert.
2. die Fähigkeit, die Stromverbrauchsdaten im Hinblick auf die durch den Vertrag mit dem Stromversorger festgelegte maximal verfügbare Strommenge zu bewerten.
3. die Fähigkeit, den Stromverbrauch entsprechend den speziellen Funktionen des elektrischen Geräts und nach Möglichkeit entsprechend den Funktionen der anderen elektrischen Geräte in der Haushaltsumgebung zu steuern.

Für das ersterwähnte Merkmal ist der Bedarf ersichtlich, ein geeignetes Instrument zum Messen der Stromaufnahme in der Haushaltsumgebung zu haben. Ferner ist der Bedarf an einem geeigneten Kommunikationssystem zwischen der Messeinrichtung und den elektrischen Geräten, die erfindungsgemäß mit einem System zur dynamischen Selbstanpassung des Energieverbrauchs ausgestattet sind, ersichtlich.
Für das zweiterwähnte Merkmal ist der Bedarf ersichtlich, das Gerät mit einer Steuerung auszustatten, die auf der Grundlage der maximal verfügbaren Energiemenge, die im Vertrag zwischen dem Nutzer und dem Energieversorgungsunternehmen festgelegt ist, einfach programmiert werden kann.
Für das dritte Merkmal schließlich ergibt sich die Notwendigkeit, Prioritäten für die verschiedenen Haushaltsgeräte festzulegen, um eine dynamische Energieverteilung sicherzustellen, die in Abhängigkeit von der Art der nebeneinander betriebenen Haushaltsgeräte und in Abhängigkeit von ihrer Bedeutung für die Bedürfnisse des Nutzers optimiert ist.
Im Folgenden werden erstens das grundsätzliche Verfahren zur Optimierung und Rationalisierung des Stromverbrauchs in einer Haushaltsumgebung und zweitens die möglichen Ausführungsbeispiele zur Befriedigung des durch die drei erwähnten Merkmale gegebenen Bedarfs dargelegt.
Im Einzelnen wird die optimierte Stromsteuerung in der Haushaltsumgebung erfindungsgemäß durch folgende zwei Maßnahmen erreicht:

– Vermeiden der Überschreitung des festgelegten Stromaufnahmegrenzwerts, d. h. Vermeiden eines Stromausfalls durch die Wirkung eines Strombegrenzers;
– einfache Förderung des Betriebs der verschiedenen elektrischen Haushaltsgeräte zu tarifgünstigen Zeiten.

1 zeigt schematisch ein Haushaltsstromnetz, in dem ein Teil der Lasten (die elektrischen Geräte LB, LS und FO) erfindungsgemäß zur Selbstanpassung ihres Stromverbrauchs in der Lage sind. Die elektrische Energie wird über einen Stromzähler CE aus einem externen Verteilernetz RE (Block 14) entnommen.
Der über den Stromzähler CE eingespeiste Strom wird normalerweise durch einen Strombegrenzer LP (Block 2) begrenzt, der die verfügbare Strommenge entsprechend dem Versorgungsvertrag, der im vorliegenden Beispiel eine Strommenge von maximal 3 kWh vorsieht, begrenzt.
Vier elektrische Geräte, wie sie typischerweise in einer Haushaltsumgebung vorhanden sind, werden über vier mit PR bezeichnete Steckdosen (Block 3, 6, 9 und 12) versorgt, nämlich eine Waschmaschine LB mit einer Stromaufnahme von 2 kWh, eine Geschirrspülmaschine LS mit einer Stromaufnahme von 2,4 kWh, ein Herd mit einer Stromaufnahme von 2,8 kWh und ein elektrisches Bügeleisen (Block 13) mit einer Stromaufnahme von 2 kWh.
Der Stromzähler CE, die Waschmaschine LB, der Geschirrspüler LS und der Herd FO sind über eine geeignete elektronische Schnittstelle (Block 1, 4, 7 und 10) an das Stromnetz angeschlossen, die erfindungsgemäß einen Datenaustausch ermöglicht. In dem hier behandelten Beispiel wird das über ein bekanntes System der Datenübertragung über einen Träger erreicht, wonach der Datenaustausch mittels eines geeigneten bidirektionalen Halbduplexmodems, einer Einrichtung, die den Datenaustausch in zwei Richtungen, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten; ermöglicht, über das Stromnetz erfolgt.
Die in 1 eingezeichneten drei Haushaltsgeräte LB, LS und FO sind außerdem mit einer geeigneten Steuerung, bezeichnet mit SC1 (Block 5) bzw. SC2 (Block 8) bzw. SC3 (Block 11), ausgestattet. Eine solche Steuerung, die im folgenden allgemein mit SC bezeichnet ist, ist von entscheidender Bedeutung für die Ziele der Erfindung, weil sie die Rationalisierung des Stromverbrauchs entsprechend dem im Ablaufdiagramm von 2 dargestellten Modus ermöglicht, in dem das grundsätzliche Verfahren beschrieben wird, nach dem entsprechend der Erfindung der Energieverbrauch eines elektrischen Geräts selbstanpassend erfolgt.
Zu beachten ist, dass die Art des Datenaustauschs unter den elektrischen Haushaltsgeräten LB, LS und FO (die sogenannten Kommunikationsprotokolle) nicht alle Möglichkeiten der Erfindung wiedergibt, die lediglich das Vorhandensein eines geeigneten Kommunikationsmittels oder „Busses", einer geeigneten Übertragungsleitung (im beschriebenen Fall des Datenübertragungssystems über Träger) voraussetzt, wobei der Datenfluss nach geeigneten Regeln (Protokollen) erfolgt, die den einschlägigen internationalen Normen betreffend Sicherheit, elektromagnetische Verträglichkeit und Datenaustausch genügen.
Ein „Haushaltsbus", der allen Anforderungen der erwähnten internationalen Norm genügt, ist beispielsweise der EHS-Bus (European Home System, europäisches Haushaltssystem), der vor kurzem im Rahmen des Programms Esprit der Europäischen Gemeinschaft entwickelt wurde. Ein anderer Bus, der der erwähnten internationalen Norm genügt und zweckmäßigerweise für die Erfindung verwendet werden kann, ist der von der US-Firma Echelon angebotene Bus, der unter der Bezeichnung LON (Local Operating Network) bekannt ist.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das zeigt, wie die erfindungsgemäß eingerichtete Steuerung SC der einzelnen elektrischen Geräte die eigene Energieaufnahme im Hinblick auf die im Versorgungsvertrag festgelegte maximal verfügbare Energiemenge selbst anpassen kann.
In 2 gibt der Block 15 das erfindungsgemäße Kommunikationselement zwischen den Steuerungen SC der drei elektrischen Geräte LB, LS und FO von 1 und eine Einrichtung zur kontinuierlichen Messung der Gesamtstromaufnahme wieder (als nicht einschränkendes Beispiel ist diese Einrichtung in 1 der Stromzähler CE der Haushaltsumgebung, dessen Eigenschaften im folgenden beschrieben werden).
Wie bereits erwähnt, impliziert der Block 15 das Vorhandensein eines Datenaustauschbusses, der einen Dialog zwischen dem Stromzähler CE und den einzelnen elektrischen Geräten LB, LS und FO ermöglicht und den internationalen Normen betreffend Sicherheit, elektromagnetische Verträglichkeit und Datenaustausch genügt.
Über den Block 15 empfängt die Steuerung SC eines jeden der drei Haushaltsgeräte (LB, LS und FO) vom Stromzähler CE in regelmäßigen Zeitabständen (beispielsweise einmal pro Minute) die aktuelle Gesamtstromaufnahme PT, die zum jeweiligen Zeitpunkt von den verschiedenen eingeschalteten elektrischen Geräten der Haushaltsumgebung aufgenommen wird.
Der Block 16 ist ein Prüfblock, über den die Steuerungen SC eines jeden der drei elektrischen Geräte prüfen, ob die jeweilige Gesamtstromaufnahme der unterschiedlichen Haushaltsgeräte den Maximalwert (Pmax) übersteigt, der im Versorgungsvertrag festgelegt ist (Vertragsstrom) und mittels des Strombegrenzers LP (Block 2 von 1) vorgegeben wird. Wenn PT größer ist als Pmax, geht die Steuerung zu Block 17, und die Steuerung SC sorgt für eine Verringerung der Stromaufnahme durch das betreffende elektrische Gerät um einen Betrag, der größer als oder gleich groß wie die Differenz PT – Pmax ist. Anschließend kehrt die Steuerung über den Block 18 zum Block 15 zurück, so dass die Steuerung SC die Gesamtstromaufnahme der verschiedenen eingeschalteten elektrischen Geräte der Haushaltsumgebung aktualisieren kann.
Wenn bei Rückkehr zum Block 16 PT kleiner als oder gleich Pmax ist, geht die Steuerung zum Block 19 über, d. h. zu einem Prüfblock, über den die Steuerung SC den Stromaufnahmezustand des betreffenden elektrischen Geräts überprüft.
Wenn für das Gerät normale Betriebsbedingungen herrschen, d. h. wenn keine Verringerung der für den Normalbetrieb jeweils erforderlichen Energie vorausgegangen ist, geht die Steuerung wieder zu Block 15 über, um die Gesamtstromaufnahme zu aktualisieren.
Wenn die Steuerung SC dagegen bereits gezwungen war, den Stromverbrauch des betreffenden elektrischen Geräts zu reduzieren (Block 17), geht die Steuerung zu Block 20 über, wodurch wieder eine Zunahme des Energieverbrauchs bewirkt wird, wobei jedoch darauf geachtet wird, dass die maximale zusätzliche Strommenge die Differenz Pmax – PT nicht überschreitet. Anschließend kehrt die Steuerung über den Block 18 zum Block 15 zurück.
Die Blöcke 17 und 20 geben daher die Fähigkeit der Steuerung eines jeden elektrischen Geräts wieder, den Energieverbrauch, der in einer bestimmten Phase des Betriebszustands des eingeschalteten elektrischen Geräts erforderlich ist, zu verringern bzw. auf den Normalwert zurückzuführen. Diese Fähigkeit ist natürlich von den Freiheitsgraden der Steuerung SC abhängig.
Im speziellen Fall der in 1 eingezeichneten Haushaltsgeräte LB, LS und FO, bei denen der Großteil der Stromaufnahme in Heizelemente geht, lässt es sich beispielsweise denken, den Strom auf mehrere Elemente (d. h. auf mindestens zwei Widerstände) aufzuteilen, um die maximale Stromaufnahme zu erreichen, wenn alle Heizelemente versorgt sind. In diesem Fall reicht es zur Reduzierung oder Erhöhung der Stromaufnahme aus, die einzelnen Heizelemente je nach Bedarf abzuschalten bzw. zuzuschalten.
Je größer die Anzahl der Heizelemente ist, desto höher ist die Anzahl der Regelmöglichkeiten der Steuerung SC und desto straffer muss daher die Energiezuteilung sein.
Der Block 15 von 2 steht, wie bereits erwähnt, für die Interaktion zwischen dem Stromzähler CE und den Haushaltsgeräten (LB, LS und FO), die erfindungsgemäß mit einer geeigneten Steuerung SC ausgestattet sind, damit sie diese Interaktion steuern können.
Der Block 15 setzt voraus, dass der Stromzähler CE in regelmäßigen Abständen über geeignete Übertragungsmittel (im Fall von 1 ist das, wie bereits erwähnt, ein Datenübertragungssystem mit einem Träger) und in einem Standardaustauschmodus (z. B. EHS- oder LON-Protokoll) die Daten betreffend die Gesamtstromaufnahme durch die verschiedenen eingeschalteten Haushaltsgeräte in der Haushaltsumgebung senden kann.
Der Fall, dass der Stromzähler CE direkt mit den Haushaltsgeräten kommunizieren kann, ist, wie gesagt, ein Sonderfall, der lediglich als Beispiel angeführt wird und nicht als Einschränkung der Beschreibung zu verstehen ist. Dieser Fall ist ausreichend und wünschenswert, weil er wirtschaftlich ist und gute Voraussetzungen für die Standardisierung des vorgeschlagenen Verfahrens schafft, ist aber für die Zwecke der Erfindung nicht unbedingt notwendig.
Grundsätzlich lässt sich der Einsatz einer beliebigen Messeinrichtung, auch außerhalb des Stromzählers CE, vorstellen, die in der Lage ist, die Gesamtstromeinspeisung zu messen und diese Information erfindungsgemäß an einen geeigneten „Bus" zu senden, an den die verschiedenen elektrischen Haushaltsgeräte angeschlossen sind (ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine solche Messeinrichtung ist in 3a gezeigt und wird im folgenden beschrieben).
Zurück zu 2. Die Blöcke 16, 17 und 20 setzen die Kenntnis der Vertragsstrommenge Pmax durch die Steuerungen SC eines jeden elektrischen Geräts voraus. Dieser Wert kann der Steuerung SC mittels geeigneter Hardwareeinrichtungen (z. B. Konfigurationsjumper oder Schalter) bei Installation des elektrischen Geräts eingegeben werden oder, noch besser, durch den Stromzähler CE selbst am Datenaustauschbus bereitgestellt werden (wird unter Bezugnahme auf 3b beschrieben), so dass eine Selbstkonfiguration der Steuerung SC eines jeden der elektrischen Geräte ermöglicht wird.
Die Energieverbrauchssteuerlogik, die im Ablaufplan von 2 zum Ausdruck kommt, wird durch das Konzept der Prioritätensetzung für die verschiedenen Haushaltsgeräte noch verbessert.
Falls nämlich der Herd FO und der Geschirrspüler LS von 1 gleichzeitig eingeschaltet sind, kann letzterer automatisch dem Herd mehr Energie zukommen lassen, weil dem Kochen von Speisen Priorität gegenüber dem Geschirrspülen eingeräumt wird. Folglich wird die Wassererwärmung durch den Geschirrspüler immer während der natürlichen Heizpausen des Herds fortgesetzt.
Erfindungsgemäß ist es mit anderen Worten möglich, mehrere elektrische Gerät in Betrieb zu nehmen, die sich ohne Stromausfall eine Strommenge teilen können, die größer ist als für eine einzelne Last vorgesehen ist. Dieses Ergebnis wird auf der Grundlage der Überlegung erzielt, dass die Haushaltsgeräte verschiedene Betriebsphasen haben, in denen die Stromaufnahme unterschiedlich groß ist. Durch geschickte Steuerung der einzelnen Betriebsphasen und die Kenntnis, wieviel andere, „nicht intelligente" elektrische Geräte verbrauchen, ist somit ein „Time-sharing-Betrieb" möglich, in dem mehrere elektrische Geräte arbeiten können, ohne dass dadurch die vertragliche Strommenge überschritten wird.
Das setzt voraus, dass jedes der „intelligenten" Haushaltsgeräte kontinuierlich an den mit den übrigen Geräten gemeinsamen Datenaustauschbus seinen momentanen Stromverbrauch sowie Daten meldet, aus denen die anderen Geräte erkennen können, dass das „intelligente" elektrische Gerät eingeschaltet ist. Diese am Bus bereitgestellte Information wird zweckmäßigerweise in Form der Prioritätsstufe des elektrischen Geräts geliefert, die auf der Grundlage nach Möglichkeit standardisierter Regeln festgesetzt wurde.
Wenn eine elektrische Last nicht entsprechend der Erfindung mit einer Steuerung SC ausgestattet ist (was beispielsweise bei einem elektrischen Bügeleisen – Block 13 von 1 – der Fall sein kann), kommt ihm automatisch die erste Priorität gegenüber den anderen Haushaltsgeräten zu, weil es nicht zu einer Selbstanpassung der Stromaufnahme im Verhältnis zum Gesamtverbrauch in der Haushaltsumgebung in der Lage ist.
3a zeigt das Blockdiagramm eines Geräts, das die Gesamtstromeinspeisung in der Haushaltsumgebung messen und den Messwert an den Datenaustauschbus melden kann. In 3a sind zwei Blöcke zu erkennen, nämlich der Block B1 für den Stromzähler CE und den Strombegrenzer LP, und der Block B2 für das Gerät, das kontinuierlich die Gesamtstromaufnahme durch alle eingeschalteten Haushaltsgeräte misst und den Messwert in regelmäßigen Abständen an das Gerät selbst, insbesondere an die Haushaltsgeräte LB, LS und FO, sendet, die durch diese Information in die Lage versetzt werden, sich selbst anzupassen.
Diese Information wird, wie bereits dargestellt, über ein Träger-Datenübertragungssystem, d. h. über das Stromnetz des Haushalts, gesendet.
Es zeigt sich daher, dass die von der Einrichtung zur Messung der Gesamtstromaufnahme ausgeführten Funktionen durch den Stromzähler CE ausgeführt werden sollten, weil es die Hauptaufgabe des Zählers ist, den eingespeisten Strom zu messen. Berücksichtigt man jedoch, dass Stromzähler, die in der Lage sind, mit den verschiedenen Haushaltsgeräten zu kommunizieren, derzeit in den wenigsten Ländern der Welt verfügbar sind, muss zumindest vorübergehend die vorerwähnte externe Einrichtung B2 vorhanden sein.
Bei dem Block B2 für eine Einrichtung zum Messen der Gesamtstromaufnahme können wir folgende Teile unterscheiden:

– ein Amperemeter A zur Messung der Stromstärke,
– ein Voltmeter V zur Messung der Spannung,
– eine Steuerlogik LC zur Gesamtsteuerung der Messeinrichtung,
– eine stabilisierte Zuleitung AS zur Versorgung der verschiedenen aktiven Teile des Systems mit Gleichstrom bei Niederspannung,
– eine Schnittstelle IN für den Datenaustausch über das Träger-Datenübertragungssystem,
– einen Filter FA, möglichst einen Aktivfilter, zur nötigen Unterdrückung der Interferenzen, die durch das Träger-Datenübertragungssystem erzeugt werden.

Die Steuerlogik LC, basierend auf dem Einsatz eines Mikroprozessors, erfüllt zwei Hauptfunktionen, nämlich die Messung der Stromaufnahme durch die Haushaltsgeräte und die Übermittlung dieser Information über die Stromleitung mittels des Träger-Datenübertragungssystems.
Die Messung der Stromaufnahme durch die LC erfolgt auf der Grundlage der von den zwei Meßinstrumenten A und V gesendeten Signale unter Berücksichtigung des Phasenwinkels zwischen Spannung und Strom. Der Strom wird von der Schaltung auf der Grundlage der Effektivspannungswerte (vom Voltmeter V), des Effektivstroms (vom Amperemeter A) und des Phasenwinkels, der durch Messen der Zeit bestimmt wird, die zwischen dem Spannungswert 0 und dem Stromwert 0 verstreicht, berechnet. Die Übertragung des Messwerts des von den Haushaltslasten aufgenommenen Stroms an den Haushaltsbus erfolgt durch die LC über die Schnittstelle IN von 3a.
Die Schnittstelle IN von 3a ist eine komplexe Schnittstelle, weil sie in der Lage sein muss, mit den Steuereinheiten LC zu kommunizieren und dabei den Datenaustausch am Bus über das Träger-Datenübertragungssystem, das den internationalen Normen über die Sicherheit elektrischer Einrichtungen, die elektromagnetische Verträglichkeit und den Datenaustausch genügt, zu bewirken. Die Schnittstelle IN von Block B1 wird hier nicht näher beschrieben, weil sie, wie bereits erwähnt, für die Erfindung nicht zwingend nötig ist. Diese Schnittstelle kann eine beliebige Schnittstelle sein; im hier behandelten speziellen Fall wird vorausgesetzt, dass die Schnittstelle dem Typ nach den Schnittstellen IN (Block 4, 7 und 10) von 1 entspricht. Die Schnittstellen IN oder IN1 können beispielsweise bidirektionale Modems für Halbduplexbetrieb des Typs ST 7537 von SGS Thompson sein, die in mit einem geeigneten Mikrokontroller zur Bewältigung des Datenaustauschprotokolls verbunden sind.
3b zeigt ein Blockdiagramm eines Stromzählers, der in der Lage ist, sämtliche zu einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung nötigen Informationen zu liefern. Neben den bereits bei 3a beschriebenen Blöcken sind folgende weitere Blöcke vorhanden:

– eine Schnittstelle IN1, welche die Fernablese (Telemetrie) durch das Stromversorgungsunternehmen ermöglicht,
– ein Taktgeber OC zur Überwachung der aktuellen Zeit und unterschiedlicher Tarifzeiten,
– ein Wählschalter LP zur Begrenzung der maximal verfügbaren Strommenge (vertragliche Strommenge) auf der Grundlage des Versorgungsvertrags zwischen Nutzer und Versorgungsunternehmen.

In diesem Fall hat die Steuereinheit LC von 3b die folgenden, in bekannter Weise ausgeführten Hauptfunktionen:

– Möglichkeit der kontinuierlichen Messung des eingespeisten Stroms und der Aufsummierung der kWh-Messwerte des Stromverbrauchs (Sonderfunktion des Stromzählers),
– Möglichkeit der Kommunikation mit der nächstgelegenen Stromverteilungszentrale durch Fernablese (Telemetrie) über das Träger-Datenübertragungssystem,
– Möglichkeit der gesonderten Gebührenverwaltung für die unterschiedlichen Tarifzeiten dank des lokalen Zeitgebers, der gegebenenfalls auch von der Quelle aus über das Träger-Datenübertragungssystem gesteuert werden kann (eine Funktion der Telemetrie),
– Möglichkeit der lokalen Konfiguration für die auf der Grundlage des Versorgungsvertrags zwischen Nutzer und Versorgungsunternehmen maximal bereitgestellte Strommenge,
– Möglichkeit der Kommunikation mit den Zielgeräten, d. h. den verschiedenen im Haus vorhandenen Haushaltsgeräten, die zum in regelmäßigen Abständen (z. B. im Minutenabstand) vorgesehenen Empfang folgender Daten über einen Stromzähler eingerichtet sind:
a) Messwert des insgesamt eingespeisten Stroms,
b) maximale Strommenge gemäß Versorgungsvertrag,
c) Zeittarif
d) Gebühren für die verschiedenen Tarifzeiten

Die vorgenannten Daten a), b), c) und d), die von einem Stromzähler geliefert werden, wie er in 3b dargestellt ist, ermöglichen es einem Haushaltsgerät, das mit einer erfindungsgemäßen Steuerung ausgerüstet ist, den Stromverbrauch auf an sich bekannte Weise zu optimieren und damit zu vermeiden, dass der im Versorgungsvertrag festgelegte Maximalwert überschritten wird, und den Einsatz der Geräte während tarifgünstiger Zeiten zu fördern.
Insbesondere die Daten a) und b) ermöglichen es, auf die im Ablaufdiagramm von 2 zum Ausdruck kommende Weise vollautomatisch den momentanen Stromverbrauch zu regeln und so das Einschalten der Einrichtung (LP) zur Begrenzung der nach dem Versorgungsvertrag maximal bereitgestellten Strommenge zu verhindern.
Die Daten c) und d) ermöglichen es den verschiedenen mit der Steuerung SC ausgestatteten Haushaltsgeräten, ihre Funktionen in Zeiten zu erfüllen, in denen ein günstiger Tarif gilt. Diese Art der Leistung kann vom Nutzer per Tastendruck (Energiespartaste für Zeiten mit ermäßigter Gebühr) eingestellt werden, ohne dass es erforderlich wäre, den Betriebsbeginn für das Haushaltsgerät einzugeben.
Eine andere Möglichkeit ist die Einstellung des Betriebsbeginns durch Drehen eines Knopfs mit 24-Stunden-Intervall, wobei die Zeitverzögerung gegenüber der aktuellen Zeit nicht an einer Zeitschaltuhr (Verzögerungsschalter) eingestellt werden muss. In diesem Fall wird lediglich die Information c) genutzt, und es ist nicht nötig, lokal, d. h. im Haushaltsgerät, eine Tageszeituhr vorzusehen, deren Handhabung für den Nutzer problematisch ist (beispielsweise muss sie nach jedem Stromausfall neu eingestellt werden) und deren Kosten nicht unerheblich sind.
4 schließlich zeigt in schematischer Form das Konzept der „Synergie" zwischen verschiedenen Haushaltsgeräten, die hauptsächlich so eingesetzt werden, dass ein Überschreiten der für diese Lasten verfügbaren maximalen Strommenge vermieden wird. Dieses Konzept ist die unmittelbare Folge der hohen Steuerkapazität der erfindungsgemäßen Steuerung der mit einer Steuerung SC ausgestatteten Haushaltsgeräte.
In der Praxis kann jede elektrische Last im Haus, die unter Verwendung der vom Stromzähler gelieferten Daten den Verbrauch optimieren und die Kosten reduzieren kann, auch weitere nützliche Informationen, die von anderen Elektrogeräten am Datenaustauschbus bereitgestellt werden, nutzen. Informationen dieser Art können beispielsweise Messungen bestimmter Sensoren sein, die in bestimmten Geräten vorhanden sind.
Beispielsweise ist die Waschmaschine LB mit einem Sensor zur Messung der Wasserhärte ausgestattet. Dieser Wert kann am Bus auch zum Vorteil anderer in Frage kommender Elektrogeräte wie Geschirrspüler, Kaffeemaschine, elektrischer Wasserkocher, elektrisches Bügeleisen usw. genutzt werden.
Ein anderes Beispiel ist ein Klimagerät CA, das mit Lufttemperatur- und Feuchtigkeitssensoren ausgestattet ist und am Bus die Messungen dieser Größen zum Vorteil für verschiedene in Frage kommende Elektrogeräte wie Kühlschrank, Waschmaschine usw. bereitstellen kann.
Ein anderes Beispiel ist das mit SS bezeichnete Haussicherheitssystem, das mit Sensoren zur Erfassung von Gaslecks ausgestattet ist. Auch diese Information kann am Bus bereitgestellt werden, um andere in Frage kommende Geräte vor Gefahrensituationen zu warnen und die Selbstabschaltung aller Haushaltsgeräte, die Funken erzeugen können, zu ermöglichen.
Als weiteres Beispiel können bestimmte elektrische Haushaltsgeräte angeführt werden, die für den Nutzer nützliche Informationen an den Bus senden können, die am Bildschirm eines Fernsehgeräts angezeigt werden können. Beispielsweise kann der Herd FO das Ende eines Kochvorgangs anzeigen, die Waschmaschine LB das Ende des Waschprogramms, das Gefriergerät das Ablaufdatum für die Haltbarkeit bestimmter Nahrungsmittel usw.
Aus obiger Beschreibung sind Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung deutlich geworden. Insbesondere ist es erfindungsgemäß möglich, die optimale Organisation des Stromverbrauchs in einer Haushaltsumgebung zu erreichen, ohne dass dafür komplizierte Programmierarbeiten durch den Nutzer erforderlich wären.
Die Optimierung erstreckt sich auf das Verhindern der Überschreitung der im Versorgungsvertrag festgelegten Stromgrenzwerte und damit das Vermeiden eines Stromausfalls durch Einschalten des Strombegrenzers (LP) sowie auf die Begünstigung des Einsatzes der verschiedenen Haushaltsgeräte in tarifgünstigen Zeiten. Insbesondere liegt es auf der Hand, dass es mit elektrischen Haushaltsgeräten, die mit einer Steuerung (SC) mit den vorstehend beschriebenen Autonomieeigenschaften ausgestattet sind, möglich ist, den Stromverbrauch vollautomatisch zu rationalisieren, ohne dass komplizierte und teure zentrale Steuergeräte eingesetzt werden müssten.
Die einzige Voraussetzung für die Rationalisierung des Stromverbrauchs nach dem vorgeschlagenen Verfahren ist das Vorhandensein einer Einrichtung, welche die Stromaufnahme misst und mit den Steuerungen der einzelnen „intelligenten" elektrischen Haushaltsgeräte kommunizieren kann.
Die mit „Intelligenz" ausgestatteten Haushaltsgeräte können erfindungsgemäß ihre Betriebszeiten in Abhängigkeit vom verfügbaren Strom und damit auch von eventuellen „nicht intelligenten" Elektrogeräten, denen erste Priorität eingeräumt wird, anpassen. Schließlich können die erfindungsgemäß hergestellten Haushaltsgeräte erfindungsgemäß auch zur vollautomatischen Zeitverwaltung eingesetzt werden, so dass eine Uhr im Gerät nicht nötig ist.
Schließlich liegen auch die Vorteile bei den Kosten für den Nutzer im Vergleich zu bekannten Lösungen auf der Hand (hauptsächlich unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die meisten heute hergestellten Elektrogeräte bereits einen Mikrokontroller besitzen, dessen Möglichkeiten normalerweise nicht voll ausgeschöpft werden).
Ein weiterer hervorzuhebender Aspekt der Erfindung ist das Konzept der „Synergie" zwischen den verschiedenen mit der Steuerung SC ausgestatteten Haushaltsgeräten auf der Grundlage der gemeinsamen Nutzung von Informationen von verschiedenen Sensoren, die am Datenaustauschbus der Haushaltsumgebung verfügbar sind.
Selbstverständlich wird der Fachmann im Rahmen des in den anliegenden Ansprüchen definierten Schutzumfangs des Erfindungsgedankens viele Abwandlungsmöglichkeiten für das als Beispiel beschriebene Verfahren erkennen. Beispielsweise ist der Einsatz des obigen Träger-Datenübertragungssystems lediglich als Beispiel angeführt worden, und zwar wegen seines praktischen Vorteils, dass dafür keine Datenübertragungsleitung installiert werden muss und dass es mit dem Stromnetz einer jeden Haushaltsumgebung kompatibel ist. Jedoch können für den im Rahmen der Erfindung nötigen Datenaustausch selbstverständlich auch andere Mittel eingesetzt werden, beispielsweise ein einfaches Kabel mit zwei Drähten ähnlich dem Telefonkabel (was die wirtschaftlichere Lösung wäre), ein Koaxialkabel, ein System mit Funkwellen, ein Infrarotsystem usw.

Claims

Verfahren für die Regulierung des Energieverbrauches in einer Haushaltsumgebung, in der eine Reihe an elektrischen Lasten installiert ist, unter denen sich Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) befinden, wobei in dem Verfahren vorgesehen ist, dass die elektrischen Lasten mit einem elektronischen Steuersystem (SC) versehen sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Versehen jeder elektrischen Last mit einem Steuersystem (SC), – Bereitstellen der Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT) in der Haushaltsumgebung für die Steuersysteme (SC) über einen geeigneten Kommunikationsbus durch eine Messeinrichtung (B2), welche außerhalb der Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) vorgesehen ist; – Empfangen der Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT), die durch die Messeinrichtung (B2) über den Kommunikationsbus bereitgestellt wird, durch die Steuersysteme (SC); – Regulieren des elektrischen Energieverbrauches auf automatische Weise durch die alle Steuersysteme (SC) der gesamten elektrischen Geräte (LB, LS, FO) mittels geeigneter Programmierung der Steuersysteme (SC), um die Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT) in der Haushaltsumgebung für den Schritt des Regulierens zu verwenden, Ermöglichen, dass die Steuersysteme (SC) der Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) ihren eigenen Energieverbrauch dynamisch selbst einstellen, kontinuierliches Anpassen der Steuersysteme an die Gesamtenergieanforderungen der Haushaltsumgebung, und Anpassen der Betriebszyklen der betreffenden Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) in Abhängigkeit der Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anpassen der Betriebszyklen der betroffenen Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) in Abhängigkeit der Energie, die in diesem Augenblick verfügbar ist (Pmax – PT).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersysteme (SC) die Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT) in Abhängigkeit des Wertes der maximalen Energie (Pmax), der durch den Versorger für die elektrische Energie auf Basis des Versorgungsvertrages, der mit dem Abnehmer vereinbart worden ist, zur Verfügung gestellt wird, nutzen.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Übermitteln des verfügbaren maximalen Energiewertes (Pmax), welcher insbesondere dem Steuersystem (SC) jedes Haushaltsgerätes bereitgestellt wird, durch Hardwarekonfigurationsmittel zum Zeitpunkt der Installation des Haushaltsgerätes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersysteme (SC) innerhalb regelmäßiger Zeitintervalle die Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT), die durch die Messeinrichtung (B2) auf dem Kommunikationsbus zugeführt wird, empfangen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Prioritätsregeln für die unterschiedlichen Haushaltsgeräte bereitgestellt werden, um eine dynamische Verteilung der Energie in Abhängigkeit der Art der Haushaltsgeräte (LB, LS, FO), die sich im Betrieb befinden, und in Abhängigkeit der Wichtigkeit der Rolle, die diese Haushaltsgeräte für den Benutzer spielen, sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Meldung an den Bus mittels des Steuersystems (SC) jedes Haushaltsgerätes (LB, LS, FO) auf dem Übertragungsbus seines eigenen augenblicklichen elektrischen Energieverbrauches und/oder einer Information, die den anderen Lasten ermöglicht, zu wissen, dass das betreffende Haushaltsgerät (LB, LS, FO) arbeitet, wobei die Information, die über den Bus übertragen wird, insbesondere die Prioritätsstufe, welche diesem Haushaltsgerät zugeordnet ist, wiedergibt.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bereitstellen eines reziproken Informationsaustausches zwischen den Steuersystemen (SC) und der Messeinrichtung (B2), wobei der reziproke Informationsaustausch insbesondere über ein Datenträger-Übertragungssystem realisiert wird, wobei als Übertragungsmedium das elektrische Haushaltsnetz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der reziproke Informationsaustausch nach geeigneten Regeln, wie beispielsweise dem Kommunikationsprotokoll EHS (European Home System), welches auch als europäisches Haussystem bezeichnet wird, oder dem Kommunikationsprotokoll LON (Local Opening System), welches auch als lokales Betriebsnetzwerk bezeichnet wird, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (SC) jedes Haushaltsgerätes (LB, LS, FO) eine Verringerung und/oder Rückführung zu dem normalen Status des Energieverbrauches, welcher durch die besondere Phase des Betriebszyklus erforderlich ist, bei dem das Haushaltsgerät gerade arbeitet, herbeiführt, wenn die maximal verfügbare Energie nahezu überschritten ist.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (SC) jedes Haushaltsgerätes (LB, LS, FO) zyklisch überprüft, ob der augenblickliche Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT) größer ist als die verfügbare Maximalenergie (Pmax), die durch den Versorgungsvertrag festgelegt ist, wobei insbesondere, wenn der augenblickliche Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT) größer ist als die verfügbare Maximalenergie (Pmax), das Steuersystem (SC) die Verringerung des Energieverbrauches des betreffenden Haushaltsgerätes auf eine Menge bewirkt, die größer als der oder gleich dem Unterschied zwischen dem Wert des augenblicklichen Gesamtverbrauches an elektrischer Energie (PT) und dem Wert der verfügbaren Maximalenergie (Pmax) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Wert der verfügbaren Maximalenergie (Pmax) größer ist als der Wert des augenblicklichen Gesamtverbrauchs an elektrischer Energie (PT) das Steuersystem (SC) den Energieaufnahmezustand des betreffenden Haushaltsgerätes überprüft und, wenn das Haushaltsgerät vorher seinen eigenen Energieverbrauch verringert hat, das Kontrollsystem (SC) die Zunahme des betreffenden Energieverbrauches vornimmt, wobei die Zunahme der Energie für das Haushaltsgerät jedoch nicht größer ist als der Unterschied zwischen dem Wert des augenblicklichen Gesamtverbrauches an elektrischer Energie (PT) und dem Wert der verfügbaren Maximalenergie (Pmax).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (B2) auf dem Kommunikationsbus die Information der aktuellen Uhrzeit verfügbar macht, damit die Steuersysteme (SC) in der Lage sind, vollständig autonom die augenblickliche Zeit ohne die Notwendigkeit der lokalen Anordnung einer Uhr, d. h. innerhalb jedes Haushaltsgerätes, zu verwalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (SC) jedes Haushaltsgerätes (LB, LS, FO) in der Lage ist, die Daten, die an den Kommunikationsbus durch die anderen Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) gemeldet wurden, zu nutzen, wobei die Daten Messungen, die bestimmten Sensoren zugeordnet sind, welche in bestimmten Haushaltsgeräten vorhanden sind, betreffen.
System zum Regulieren des Energieverbrauches in einer Haushaltsumgebung, enthaltend: eine Reihe an elektrischen Lasten, unter denen sich Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) mit einem elektronischen Steuersystem (SC), das über ein Interface (IN) mit einem Kommunikationsbus verbunden ist, befinden, eine Messeinrichtung (B2), die außerhalb der Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) angeordnet ist und die zur Messung sowie Bereitstellung einer Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT) in der Haushaltsumgebung an die Steuersysteme (SC) über den Kommunikationsbus in der Lage ist, wobei die Steuersysteme geeignet und programmiert sind, um die Information betreffend den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT), welche durch die Messeinrichtung (B2) an den Kommunikationsbus gemeldet wird, zu empfangen und den Energieverbrauch gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 und den anschließenden Ansprüchen zu regeln.
Haushaltsgerät, welches mit einem elektrischen Versorgungsnetzwerk (RE) verbunden ist, gekennzeichnet durch die folgendende Kombination: ein elektronisches Interface (IN), welches mit dem elektrischen Netzwerk (RE) verbunden ist und welches in der Lage ist, einen Informationsaustausch zwischen dem Gerät (LB) und den anderen Geräten (LS, FO, B2), die ebenfalls mit dem Netzwerk (RE) verbunden sind, unter Verwendung eines geeigneten Übertragungssystems, beispielsweise eines Datenträger-Übertragungssystems, zu ermöglichen; eine elektronische Steuereinheit (SC1, SC2, SC3), die mit dem Interface (IN) verbunden ist und die in der Lage ist, die Energie, welche von dem Haushaltsgerät über das Netzwerk (RE) gezogen wird, in Abhängigkeit der Information (PT, PTmax, Zeit), die durch das Interface (IN) empfangen wurde, zu regulieren und über das gleiche Interface (IN) Informationen an zumindest ein weiteres Gerät (LS, FO, B2), das mit dem Netzwerk verbunden ist, zu übermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Information (PT, PTmax, Zeit), die über das Interface (IN) empfangen wird, die Information enthält, welche den augenblicklichen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie (PT) betrifft und welche über einen geeigneten Kommunikationsbus durch eine Messeinrichtung (B2) verfügbar gemacht wurde, die außerhalb der Haushaltsgeräte (LB, LS, FO) angeordnet ist.