EP2154437B1 - Regulierungsoptimierung der Gebäudeheizung auf der Basis von Wettervorhersagen - Google Patents

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EP2154437B1
EP2154437B1 EP08305477.5A EP08305477A EP2154437B1 EP 2154437 B1 EP2154437 B1 EP 2154437B1 EP 08305477 A EP08305477 A EP 08305477A EP 2154437 B1 EP2154437 B1 EP 2154437B1
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EP
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heating
optimizing
weather forecasts
building
coefficient
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EP08305477.5A
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Nicolas Kalischek
Olivier Genest
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Hager Controls SAS
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Hager Controls SAS
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating

Definitions

  • the present invention relates to an optimization system for building heating control device, in particular based on the use of meteorological forecasts.
  • This system applies in particular to devices which comprise an electronic regulator supplying an output signal with a temperature setpoint to heating water produced by a boiler, said regulator operating in a conventional manner from input parameters such as the outside temperature and a set temperature for the indoor air.
  • the aim of the invention is to improve the thermal comfort of a building by regulating the heating in a more precise and more flexible way, notably by including in the system a possibility of anticipation resulting from meteorological data and / or by taking advantage of characteristics specific to the house and its location.
  • patent DE 102004 032 562 proposes a system according to the preamble of claim 1.
  • the US 6,098,893 proposes a control system integrating meteorological data that allow it to calculate an equivalent temperature, that is to say an externally modified temperature calculated by calculation and which becomes one of the input parameters of the regulation device, replacing the simple one measuring the outside temperature.
  • the system includes a database and allows calculations from both up-to-date and historical data.
  • a control system for heating, ventilation, air conditioning and refrigeration of buildings is also disclosed in the document WO 07/117245 .
  • the meteorological data are, in this hypothesis, used to determine in advance control steps of the various components of the system.
  • a predictive control device for the temperature which for example acts on a three-way valve using at least one algorithm taking meteorological data into account, is finally described in a document EP 1 715 254 . It is a system that is intended for heated floors, and that operates on the basis of an online data input, thus requiring an internet connection. The calculation algorithms are implemented in the manner of an expert system.
  • the object of the present invention is to provide a simple system, suitable for private homes, and which can be implemented as part of a home automation solution at reasonable cost.
  • the developed system has a sufficiently simple solution to be implemented in a microcontroller, and is therefore not based on complex calculations / algorithms.
  • the optimization system conventionally based on an electronic regulator providing a temperature setpoint to the heating water of a building produced by a boiler from the outside temperature and a setpoint temperature for the indoor ambient air, is mainly characterized in that it comprises an auxiliary correction unit connected to the electronic regulator, said block being equipped with parameterizable inputs according to characteristics specific to the building or connected to a meteorological station, and comprising means for storing a plurality of predetermined matrices whose values are established from variables corresponding to the input parameters related to the forecasts and at the building, a value of each matrix being selected and used directly or combined by processing means to values of other matrices to provide the electronic controller at the output of the auxiliary block one or more corrective input parameters.
  • the general idea of the invention is therefore to provide, upstream of the actual regulation, a system for correcting the operating parameters of the regulating device, in particular but not exclusively depending on the weather forecasts since the nature / implantation / the orientation of the building to be heated also play a role.
  • the system of the invention does not provide for complex calculations, since it is based on precomputed matrices in which there is a set of corrective values to be applied to the parameters of the regulation, selected according to a certain number input parameters, then possibly processed into simple calculations.
  • a microcomputer is sufficient to integrate these matrices, and to implement the calculations possibly applied to the values of the matrices.
  • the environmental coefficient can in particular be calculated from the insulation coefficient of the building and its geographical location in or out of the urban site.
  • the solar heat gain coefficient can be calculated from the orientation / exposure of the house and the ratio of m 2 sunny glazed m 2 to be heated.
  • the object of the invention is indeed an optimization operation, taking into account all the features that can be modeled directly or indirectly and that can have an influence on the interior temperature of the building, and therefore on the heating mode.
  • the solar input for example on a winter day, is clearly not the same in a house with large windows overlooking the south as in a habitat with reduced surface openings. and with thick walls providing good insulation at home.
  • the optimization system of the invention can be implemented with several types of control devices. These electronic regulators are generally based on a regulation algorithm and then comprise according to the invention inputs receiving corrective parameters variables used in the algorithm, said parameters being derived from the auxiliary block.
  • the electronic regulator can be based on the law and the corresponding heating curve, the corrective input parameters coming from the auxiliary block then respectively consisting of a slope correction value and an offset value of the curve.
  • the general approach is based on the knowledge of the weather forecast at t + At, for example t + 12 hours or at t + 18 hours, which can cause changes in the heating curve.
  • One of the aims of this approach is to avoid overheating for a night before a sunny day, or not enough heat for the house when a strong wind is expected to blow the next day.
  • the values of correction of the slope and of the shift of the curve are obtained by reading the different input parameters of the auxiliary block, then selecting corresponding values in the matrices, making it possible to obtain directly or in one or two calculation steps the correction values in question to the controller.
  • the shift coefficient of the curve can be obtained by selecting a matrix value in a so-called product matrix whose values are pre-established by means of parameters characterizing the solar power, the coefficient of solar gains and the expected irradiation.
  • the parameter characterizing the solar power is itself derived from a so-called solar matrix built from the current date, the time slot and the geographical area.
  • All these data are either provided automatically, for example by a weather station, or set by the user or the installer (especially the geographical area).
  • the slope correction coefficient can be obtained by a so-called wind matrix whose pre-established matrix values and the value selected are obtained on the basis of the predictable wind speed and the environmental coefficient.
  • the auxiliary unit may further include an output emitting a signal closing / opening automated shutters.
  • the system acts from the inside to modify its own conditions of use, in a manner similar to a self-referential system.
  • the opening / closing of the automated shutters indeed modifies certain parameters related to the building, in particular as regards the insulation, solar gains, etc.
  • the auxiliary unit may comprise an output emitting a control signal of a controlled mechanical ventilation, that is to say that it also acts internally on the system setting.
  • the optimization system of the invention can be applied to an electronic controller based on a PID type control, and which then comprises on its inputs corrective parameters respectively proportional, derived and integrated values, said parameters being according to the invention from the auxiliary block.
  • the present invention is therefore based on this auxiliary regulation correction unit containing in memory different matrices, that is to say in practice tables with two or three dimensions including a simple consultation using parameters that have allowed its constitution allows to have an output value, without any calculation.
  • the content of these matrices is the result of complex work done upstream, and based on calculations, calibration and experience. It allows to constantly manage the heating control system by providing for the situations that can present parameters corrective measures anticipating their impact on the behavior of the heating system by modeling their impact on the building
  • the heating is produced during periods when the cost of energy is reduced, and then restored via storage heating means, so as to further optimize the operation of the system economically.
  • the corrective input parameters coming from the auxiliary block are of course the same as for the system above, and consist respectively of a value of correction of the slope and an offset value of the curve.
  • the heating control device of a building comprises an electronic regulator (1) supplying a temperature setpoint to a controller (2) of a valve (3) three-way based on the outside temperature and a set input temperature.
  • the control signal from the controller (2) acts on the valve (3) at the outlet of a boiler (4).
  • the heating is effected via a heating floor (5).
  • the invention making it possible to optimize the regulation device, is characterized by the addition of an auxiliary unit (6) acting as a system for correcting the regulation parameters as a function, in particular, of meteorological forecasts.
  • This correction block does not work solely on the basis of meteorological characteristics proper: other parameters related to housing and its implementation are also taken into account.
  • the contribution of heating from the sun is taken into account, by means of a so-called solar coefficient which reflects for example the surface of the windows, and / or their exposure with respect to the cardinal directions.
  • a so-called environmental coefficient allows a weighting resulting in particular from the insulation characteristics of the building, and / or the implantation in an urban or rural environment, etc.
  • the auxiliary block (6) carrying out the correction of the regulation parameters is based on precomputed matrices giving, according to the input parameters of this block (6), values that can be used directly, without going through complex calculations. for example based on algorithms or sets of algorithms.
  • FIG. 2 An example of treatment using matrices is given in figure 2 .
  • This example applies to the configuration of the figure 1 in which the regulation is made by the heating law.
  • a first so-called solar matrix allows a correction related to solar energy potentially received during a given time slot, depending on the day and the geographical area concerned. It is a three-dimensional matrix, an example of which is given in figure 3 . Each value of the matrix corresponds to an individualized corrective parameter which depends on the three aforementioned information.
  • This matrix produced may, according to an alternative, be replaced by a simple calculation formula.
  • This correction value ( ⁇ offset ) is sent to the input of the main electronic control unit (1).
  • an output of the auxiliary block (6) linked to this matrix can also be used for the control of the shutters of the house, insofar as this command is automated. Variations in flap positions may in turn alter the calculation of the corrective value, for example example by opening the windows shutters facing south in winter.
  • the slope correction value ( ⁇ slope ) of the heating curve is obtained at the output of a so-called wind matrix, the values of which are obtained on the basis of the wind speed as predicted by the meteorological station, as well as an environmental coefficient (k environmental ) taking into account the insulation, the environment of the dwelling, etc.
  • auxiliary block via this matrix, can also provide information to a controlled mechanical ventilation device (VMC) integrated into the dwelling.
  • VMC controlled mechanical ventilation device
  • the figure 4 substantially the same elements as the figure 1 , for an electronic control unit based on a different technology than the previous one.
  • the calculation of the regulation is based on a PID type control with three corrective values ( ⁇ product coefficient , ⁇ derivative coefficient and ⁇ integration coefficient . ).

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Claims (20)

  1. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen, wobei die Vorrichtung einen elektronischen Regler (1, 1', 1") umfasst, der eine Solltemperatur des von einem Heizkessel erzeugten Heizwassers des Gebäudes ausgehend von einer Außentemperatur und einer Solltemperatur für die innere Raumluft liefert, sowie einen Korrekturhilfsblock (6, 6', 6"), der mit dem elektronischen Regler (1, 1', 1") verbunden ist, wobei der Block (6, 6', 6") mit in Abhängigkeit von gebäudespezifischen Merkmalen parametrisierbaren Eingängen versehen ist, die mit einer Wetterzentrale verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsblock (6, 6', 6") Mittel zum Speichern einer Vielzahl von vorbestimmten Matrizen umfasst, deren Werte ausgehend von Variablen gebildet werden, die den mit den Wettervorhersagen und den mit dem Gebäude verbundenen Eingangsparametern entsprechen, wobei ein Wert jeder Matrix ausgewählt und direkt verwendet wird oder mit Werten anderer Matrizen mittels eines Verarbeitungsmittels kombiniert wird, um ausgangs des Hilfsblocks (6, 6', 6") ein oder mehrere Korrektureingangsparameter an den elektronischen Regler (1, 1', 1") zu liefern.
  2. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsblock (6, 6', 6") mit einer Wetterzentrale verbunden ist, die dem Hilfsblock den Zeitraum und wenigstens eine der folgenden Informationen liefert:
    - eine voraussichtliche Temperatur;
    - eine voraussichtliche Windgeschwindigkeit;
    - eine voraussichtliche Sonnenbestrahlung.
  3. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Gebäude verbundenen Eingangsparameter umfassen:
    - das geographische Gebiet entsprechend der verwaltungsmäßigen Aufgliederung;
    - einen Umgebungskoeffizienten (kenvironnemental);
    - einen Sonneneinstrahlungskoeffizienten (ksoleil).
  4. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungskoeffizient (kenvironnemental) ausgehend von dem Isolierungskoeffizienten des Gebäudes und seiner geographischen Lage innerhalb oder außerhalb einer städtischen Lage berechnet wird.
  5. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonneneinstrahlungskoeffizient (ksoleil) ausgehend von der Orientierung/dem Ausgesetztsein des Hauses und des Verhältnisses der Quadratmeter der sonnenbestrahlten Verglasung zu den zu beheizenden Quadratmetern berechnet wird.
  6. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regler (1, 1', 1") auf einem Regelalgorithmus basiert und Eingänge umfasst, die Korrekturparameter (ΔK1, ΔK2) von den in dem Algorithmus verwendeten Variablen empfangen, wobei die Parameter von dem Hilfsblock (6, 6', 6") ausgegeben werden.
  7. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regler (1) auf den Heizvorgaben und der entsprechenden Heizkurve basiert, wobei die Korrektureingangsparameter, die von dem Hilfsblock (6) stammen, jeweils aus einem Korrekturwert der Steigung (Δpente) und einem Verschiebungswert der Kurve (Δoffset) bestehen.
  8. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebungskoeffizient der Kurve (Δoffset) durch Auswahl eines Matrixwertes in einer sogenannten Produktmatrix erhalten wird, deren Werte mittels Parameter vorher festgelegt wurden, die die Sonnenleistung, den Sonneneinstrahlungskoeffizienten und die vorgesehene Sonnenbestrahlung charakterisieren.
  9. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter, der die Sonnenleistung kennzeichnet, aus einer sogenannten Sonnenmatrix stammt, deren Werte ausgehend von dem Datum, dem Zeitraum und der geographischen Lage vorher festgelegt wurden.
  10. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturkoeffizient der Steigung von einer sogenannten Windmatrix erhalten wird, deren vorher festgelegte Matrixwerte und der ausgewählte Wert auf Basis der vorhergesagten Windgeschwindigkeit und des Umgebungskoeffizienten (kenvironnemental) erhalten werden.
  11. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsblock (6, 6', 6") einen Ausgang umfasst, der ein Signal zum Schließen/Öffnen von automatisierten Fensterläden ausgibt.
  12. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsblock (6, 6', 6") einen Ausgang umfasst, der ein Signal zum Steuern einer geregelten mechanischen Belüftung (VMC) ausgibt.
  13. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regler (1') auf einer Steuerung des Typs PID basiert und an seinen Eingängen Korrekturparameter jeweils der proportionalen (Δcoeff. produit), abgeleiteten (Δcoeff. derivation) und integrierten (Δcoeff. integration) Werte umfasst, wobei die Parameter von dem Hilfsblock (6') ausgegeben werden.
  14. System zur Optimierung einer Regelungsvorrichtung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizen während der Zeiten durchgeführt wird, in denen die Energiekosten reduziert sind, und dann über wärmespeichernde Heizmittel freigegeben wird.
  15. Verfahren zur Optimierung der Regelung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen basierend auf einem System nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Regelung auf einem elektronischen Regler (1, 1', 1") basiert, welcher einen Regelalgorithmus umfasst und eine Solltemperatur des von einem Heizkessel erzeugten Heizwassers des Gebäudes ausgehend von einer Außentemperatur und einer Solltemperatur für die innere Raumluft liefert, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
    - Erfassen von Funktionsparametern von gebäudespezifischen Eigenschaften oder von Funktionsparametern, die von Wettervorhersagen stammen, mittels eines Korrekturhilfsblocks (6, 6', 6"), der mit dem elektronischen Regler (1, 1', 1 ") verbunden ist,
    - Auswahl wenigstens eines Wertes einer oder mehrerer vorbestimmter Matrizen, die in dem Hilfsblock (6, 6', 6") gespeichert sind, mit Hilfe dieser Parameter,
    - Übermitteln eines oder mehrerer Korrekturparameter, die den direkt ausgegebenen Werten der Matrix oder den durch den Hilfsblock verarbeiteten Werten (6, 6', 6") entsprechen, ausgangs des Hilfsblocks (6, 6', 6") an einen elektronischen Regler (1, 1', 1 ").
  16. Verfahren zur Optimierung der Regelung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureingangsparameter, die vom Hilfsblock (6) ausgegeben werden, jeweils aus einem Korrekturwert der Steigung (Δpente) und einem Kurvenverschiebungswert (Δoffset) bestehen, wobei der elektronische Regler (1) auf den Heizvorgaben und der entsprechenden Heizkurve basiert.
  17. Verfahren zur Optimierung der Regelung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschiebungskoeffizient (Δoffset) der Kurve durch Auswahl eines Matrixwertes in einer sogenannten Produktmatrix erhalten wird, deren Werte vorher mit Hilfe von Parametern festgelegt werden, die die Sonnenleistung, den Sonneneinstrahlungskoeffizienten (ksoleil) und die von der Wettervorhersage vorausgesagte Sonnenbestrahlung charakterisieren.
  18. Verfahren zur Optimierung der Regelung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter, der die Sonnenleistung charakterisiert, aus einer sogenannten Sonnenmatrix stammt, deren Werte ausgehend von dem Datum, dem Zeitraum und der geographischen Lage vorher festgelegt werden.
  19. Verfahren zur Optimierung der Regelung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonneneinstrahlungskoeffizient (ksoleil) ausgehend von der Orientierung/dem Ausgesetztsein des Hauses und dem Verhältnis der Quadratmeter der sonnenbestrahlten Verglasung bezüglich der zu beheizenden Quadratmeter berechnet wird.
  20. Verfahren zur Optimierung der Regelung der Heizung eines Gebäudes in Abhängigkeit von Wettervorhersagen nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturkoeffizient der Steigung (kpente) durch Auswahl eines Matrixwertes in einer sogenannten Windmatrix erhalten wird, deren Werte auf Basis der vorhergesagten Windgeschwindigkeit und des Umgebungskoeffizienten (kenvironnemental) vorher festgelegt werden.
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