EP3435321A1 - Energiemanagement eines gebäudes - Google Patents

Energiemanagement eines gebäudes Download PDF

Info

Publication number
EP3435321A1
EP3435321A1 EP17183776.8A EP17183776A EP3435321A1 EP 3435321 A1 EP3435321 A1 EP 3435321A1 EP 17183776 A EP17183776 A EP 17183776A EP 3435321 A1 EP3435321 A1 EP 3435321A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
infrastructure
model
energy
component
plan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17183776.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Sollacher
Thomas Baumgärtner
Mike Pichler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP17183776.8A priority Critical patent/EP3435321A1/de
Publication of EP3435321A1 publication Critical patent/EP3435321A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/06—Energy or water supply

Definitions

  • the present invention relates to the energy management of a building.
  • the invention relates to the planning of temporal operating phases of the infrastructure.
  • a building has a technical infrastructure comprising several systems or devices whose operation is required for use of the building, such as a heater, elevator or lighting system.
  • the operation of the devices requires energy.
  • the operation of the devices is usually part of a guaranteed service.
  • the required energy can be obtained from an external supplier or provided by itself, for example by means of a combined heat and power plant or a photovoltaic system.
  • the availability and price of the energy can vary greatly over time.
  • the operation of certain devices of the building can be scheduled in time, for example, to avoid that heavy consumers are operated at times of high energy prices. This requires a prediction of parameters such as the price of energy.
  • Differently long forecast periods typically require different approaches to the creation of an operational plan, such that, for example, a long-term operational plan established for a period of several days and a short-term operational plan established for a period of hours are based on different heuristics. Determining the short-term operational plan based on the long-term operational plan can be costly and different assumptions in the heuristics may ultimately lead to suboptimal provisions. The quality of the particular operating plan, for example with regard to required energy costs, is therefore generally well below a theoretically achievable optimum.
  • An object underlying the present invention is to provide an improved technique for controlling the energy balance of an infrastructure of a building.
  • the invention solves this problem by means of the subjects of the independent claims. Subclaims give preferred embodiments again.
  • a method of controlling a technical infrastructure of a building includes steps of capturing a description of the technical infrastructure in terms of its energy intake or output; determining a mathematical model for the infrastructure based on the description; providing an operating plan for the infrastructure based on the model and a long-term prediction for an external parameter; adjusting the operating plan based on a short-term prediction for the parameter and the model; and controlling the infrastructure based on the adjusted operational plan.
  • the infrastructure usually comprises at least one device whose operation receives energy, such as a ventilation system, and / or a device whose operation provides energy, such as a wind turbine.
  • the operating plan is the result of a determination in which time sequence the devices can be operated in order to ensure on the one hand predetermined processes or offers in the building, and on the other hand to proceed as economically as possible. In particular, the operation of the devices should cause the lowest possible energy costs.
  • short-term scheduling may be followed by a shorter forecast period of, for example, several hours, which, based on a now better available prediction of the parameter, makes adjustments to the particular operating plan to improve the result.
  • One or more further forecasts, each with a shorter forecast time, can be added in stages.
  • control of the infrastructure or at least one of its devices may be based on the latest operational plan and the current parameter.
  • three predictions are determined with time horizons of the coming day, the current day and the next hour. Underlying forecasts have correspondingly similar time horizons.
  • the operating schedule with the shortest prediction time can then be used for the actual control, which, for example, specifies target values to which certain parameters of the building can be controlled.
  • each of the plans and optionally also the controller is based on the same model for the operation of the infrastructure.
  • the one- or multi-level adaptation of an already determined operating plan can thus cause reduced handover problems. Numerical or logical incompatibilities can be reduced. Unwanted side effects between different models can be avoided.
  • the models of all forecasts can be checked at once by means of a validation.
  • the mathematical model preferably includes a system of differential equations. This makes it easier to verify the model in general, using a variety of known methods and procedures. Relationships between parameters can be recognizable or comprehensible by a person skilled in the art even without the use of an analysis tool.
  • the mathematical model may include one or more different types of equations, which are described in more detail below. In this case, each of the equations of different types described by way of example may each comprise a plurality of mathematical models.
  • a first equation may express a temporal evolution of an operating point of the infrastructure.
  • the equation may describe how one or more operating parameters, which together constitute the operating state, evolve over time.
  • linear or polynomial relationships can be specified.
  • a second equation may include a constraint on the technical infrastructure.
  • a constraint may include a technical indication given by the type of infrastructure or its connection to another system, for example maximum electrical power that can be exchanged over a connection to a power grid.
  • a constraint may also affect a constraint that should not be violated for other reasons in the operation of the infrastructure. For example, a maximum operating time of a combined heat and power plant per year can be predetermined.
  • Such constraints are usually results of considerations that are made in the planning and / or sizing of elements of the infrastructure.
  • Such constraints may be, for example may also be changed based on a decision of an operator or a maintenance condition of a component. The change can be provided in the mathematical model as a parameter or carried out by redetermining the model.
  • a third equation may include a cost function relating to total energy received or delivered by the infrastructure.
  • This cost function can include, for example, a current energy price, a maintenance status or an operating status of a component.
  • Providing the operational plan typically involves optimizing an operating point of the infrastructure with respect to one or more parameters.
  • One of these parameters usually relates to energy costs, so that the operating plan is preferably determined so that the building can be operated as cheaply as possible.
  • Other optimizations can also be applied.
  • the operating point is essentially formed by a number of parameters of the infrastructure. The optimization may be performed by any known technique, such as a search method, a probabilistic approach, or a neural network.
  • a device for determining an operational plan for a technical infrastructure of a building is set up to determine a mathematical model for the infrastructure based on a description of the technical infrastructure with regard to its energy absorption or energy output.
  • the device is preferably configured to perform at least part of the method described above.
  • the device may comprise a programmable microcomputer or microcontroller.
  • Parts of the method may be present as computer program products with program code means.
  • Features or advantages of the method may be related to the device and vice versa.
  • the description may include a document in XMLNS format.
  • a namespace can be specified for an XML language so that a vocabulary of an XML document can be uniquely identified. This may allow to mix several XML languages in one document.
  • the description can be easily generated from other sources, such as an infrastructure planning tool or a manufacturer description of a component.
  • the mathematical model can be determined on the basis of a document in XSLT format. This allows the mathematical model to be easily exchanged between different components.
  • XSLT is expressed in structured text form so that the description can be read by a person skilled in the art.
  • a system for controlling a technical infrastructure of a building includes a modeling component that may be implemented by the apparatus described above; a first scheduling component configured to provide an infrastructure operating plan based on the model and a long term external parameter prediction; a second scheduling component adapted to adjust the operational plan based on a short-term prediction of the parameter and the model; and a engine configured to control the infrastructure based on the customized operational plan.
  • the system can be verified more easily by using the unitary mathematical model as a whole. System errors, incompatibilities or divergent assumptions between individual components of the system can be reduced. Interconnected issues can be more easily identifiable or remediable.
  • the planning components may be logical and / or physical units of parts of a computer-aided processing or control system.
  • the control component can be implemented in the same way logically and / or physically.
  • FIG. 1 shows a system 100 for controlling a technical infrastructure of a building.
  • the system 100 includes a number of components that may be implemented both as physical devices and as logical components.
  • the device aspect will be discussed below, a transfer to corresponding logical components, in particular services or programs of a computer, is done by a person skilled in the art without any effort.
  • the system 100 includes a modeling component 105 that is configured to generate a mathematical model 115 based on a description 110. Furthermore, the system 100 comprises at least a first planning component 120 and a second planning component 125. Preferably, at least one third planning component 130 is provided. An optional control component 135 may also be included in the system 100.
  • the scheduling components 120-130 provide a step-by-step operational plan 140. To do so, a long-term operational plan 140 is first established based on long-term predictions, which is then progressively refined on the basis of increasingly short-term predictions - which are usually more accurate or more reliable - until there is a version that can be used to control an infrastructure 145 ,
  • the infrastructure 145 includes components that receive energy, such as an electrical utility, a lighting system or a cleaning system, and / or components that emit energy, such as a photovoltaic system or a combined heat and power plant.
  • the components 145 are usually present in great variety and can be combined in subsystems.
  • the operation of one subsystem can influence that of another subsystem; For example, a blind control and a heater may track the same or opposite control objectives.
  • the operation of some of the components can be timed to avoid peak loads or balance positive and negative energy needs.
  • the operation of a consumer may be scheduled to advantageously fall into a time when the energy required for its operation is favorable.
  • an energy-providing component can advantageously be operated as possible at times of high energy prices.
  • the first scheduling component 120 operates on the mathematical model 105.
  • the second scheduling component operates on the mathematical model 105 and the operational plan provided by the first scheduling component 120, and the third scheduling component 130 operates on that on the mathematical model 105 and the second scheduling component 125 provided operating plan 140.
  • the mathematical model 105 is always the same. Instead of the illustrated three-stage processing by means of the planning components 120-130, a two-stage or multi-stage processing can also be provided.
  • the first planning component 120 may also be called “day ahead planning", the second planning component 120 "intraday planning” today planning, and the third planning component 130 "load management”.
  • the scheduling components 120-130 are each configured to provide an operational plan 140 indicating at what time which component of the infrastructure 145 of the building is to operate in what way.
  • the scheduling components 120-130 have decreasing scheduling horizons in the order of processing.
  • the first planning component 120 may include a planning horizon of 24 hours of a following day
  • the second planning component 125 may include a planning horizon of a remaining current day - the length of the planning horizon may be variable - and the third planning component 130 may have a planning horizon of the next 60 minutes respectively.
  • a time resolution of the first scheduling component 120 may be 15 minutes or greater.
  • the time resolution of the second scheduling component 125 may be similar or slightly smaller.
  • the time resolution of the third planning component 130 is usually much smaller, for example, about 1 minute. Electrical components, which are usually operated shorter than the respective planning horizon, can be neglected by a planning component 120-130.
  • the scheduling components 120, 132 may each provide an operational plan 140 that must be met by the scheduling component (s) 125, 130.
  • the operating plan 140 can thereby be progressively refined become.
  • the scheduling components 120-130 may be activated at different times; For example, the first planning component 120 can determine an operating schedule 140 every hour and the third planning component 130 every minute.
  • the first scheduling component 120 preferably prepares an operational plan 140 for one or more subsequent days. For this purpose, it usually processes current state variables of the monitoring device 170, a current operating plan 140 from the second planning component 125, a current energy price forecast and / or a current forecast of the demand forecast 155.
  • the created operating plan 140 relates to selected control variables and attempts to calculate the total costs in which all relevant Tariffs are to be received, minimized, whereby all relevant restrictions for states and manipulated variables are to be adhered to.
  • the second planning component 125 addresses in particular two applications.
  • energy purchasing is to be optimized by optimally planning the operation of controllable loads, storage (typically electrical and thermal storage), and self-generated energy (i.e., demand reactive power and active power control).
  • Results of (optimized) planning are preferred: (a) the planned nominal load profile of the building at the grid connection point and / or (b) the maximum flexibility that can be used to deviate from the nominal load profile in a controlled manner if required.
  • the operating plan 140 is determined or refined by the second planning component 120 taking into account new measured values and forecasts. If the first planning component 120 has created a mandatory operating plan 140, it is the task of the second planning component 125 to comply with this operating plan 140 as well as possible with changed forecasts. If there is no obligatory plant timetable, the second planning component 120 preferably tries to create a cost-optimal operating plan 140.
  • the second planning component 120 typically processes current state variables of the monitoring device 170, possibly a current operating plan 140 from the first planning component 120, current energy price forecasts from one or more tariff servers and / or current forecasts of the demand forecast 155.
  • the created operating plan 140 relates to selected manipulated variables and attempts to either to minimize the total cost involved in all relevant tariffs, or to comply with a mandatory operating plan 140 of the first planning component 120. All relevant restrictions for states and manipulated variables should be observed.
  • the third planning component 130 usually has the task of meeting the specifications for energy consumption and / or (storage) states and / or manipulated variables of the second planning component 125 within a predetermined accounting interval (typically, for example, 15 minutes). For this purpose, it usually processes current state variables and manipulated variables from the monitoring device 170, a current operating plan 140 of the second planning component 125, current energy price forecasts from one or more tariff servers and / or a current forecast of the demand forecast 155. All relevant restrictions for states and manipulated variables should be adhered to , The optimization is usually model-based as in the first planning component 120 or the second planning component 125.
  • the scheduling components 120-130 may differ in which costs they optimize.
  • the scheduling components 120-130 may preferably deal with components of different average transmitted power or connected load, where the first scheduling component 120 may be large powers, the second scheduling component 125 may be medium powers, and the third scheduling component 130 may be small powers.
  • the size of the services can be distinguished on the basis of predetermined threshold values which can be selected as a function of an existing installation.
  • the powers can be correlated with usual turn-on times or minimum turn-on times of the components.
  • the determinations of the scheduling components 120-130 are preferably made based on predictions for one or more parameters affecting the operation of the infrastructure 145.
  • a parameter can determine an energy price due for energy sourced externally for the building.
  • a similar parameter can indicate what compensation is to be expected when the infrastructure provides energy to the outside world.
  • the energy price forecast may be provided by a tariff prediction 150, which may, for example, be in the form of an internet service.
  • the quality of a prediction can be judged on its accuracy or reliability.
  • the gradual shortening of the forecast period may facilitate the determination or optimization of the operating plan and support consideration of different rapidly changing parameters.
  • Each operating plan 140 is based on an optimization that was carried out by the respective planning component 120-130.
  • Another prediction that relates to an excess or need for energy through the infrastructure 145 may be be determined by a demand forecast 155. This is determined in the illustrated embodiment by way of example on the basis of calendar entries of planned uses of components of the infrastructure 145 by a calendar service 160 and / or a weather forecast of a weather service 165.
  • a demand forecast 155 preferably provides forecasts for influencing variables that can not be influenced by the system 100. These are z. B. a maximum expected energy production of a photovoltaic system and a power consumption, hot water consumption or heating demand in the building in future time intervals, but also an outside temperature or solar irradiation.
  • the forecasts provided by demand forecast 155 are based on e.g. B. learned models and / or physical models.
  • a monitor 175 may be provided to monitor the power supply.
  • the monitoring device 175 can, for example, current measured values of a sensor, for. B. a state of charge of a battery, a temperature of the outside air or a thermal storage, or feedback from an actuator of the infrastructure 145 with their current manipulated variable values include.
  • An optional observer 175 has the task of estimating unmeasured state variables of the infrastructure 145. These can z. Example, a temperature profile of a thermal stratified storage tank or a reservoir or the mass flows in piping belong.
  • the observer 175 can obtain current measured values from sensors or current manipulated variable values from actuators from the monitoring device 170.
  • the observer 175 determines estimates for the unmeasured state variables to the monitoring device 175. For this estimation, a suitable plant model is usually used. The estimate is made z. With an extended Kalman filter.
  • the control component 135 preferably converts the information provided by the last scheduling component 130 in the destination chain, which can be determined with a high temporal resolution of, for example, one minute, into default values that are driven by the components of the infrastructure 145. All relevant restrictions for states and manipulated variables should be observed.
  • the optimization is usually model-based as for planning component 120 or 125.
  • the last scheduling component 130 does not provide a schedule 140 but provides setpoints to which the control component 135 then controls the individual components.
  • the control component 135 can serve as an interface to a sensor or an actuator or its low-level controllers (eg PID controllers) of the infrastructure 145.
  • the control component 135 may receive specifications for selected manipulated variables from the third planning component 135, current measured values of a sensor of the infrastructure 145 from the monitoring device 170 and / or a current manipulated variable value of an actuator from the monitoring device 170.
  • the control component 135 preferably sets specifications for manipulated variables to a low-level controller, for. B. a PID controller of the infrastructure 145 ready.
  • the data exchange between the illustrated components and their configuration preferably takes place via a service-oriented interface, in particular a web service.
  • This interface describes all relevant electrical and thermal components and their interconnection based on Information that can be found, for example, from data sheets and plant plans of the infrastructure 145.
  • FIG. 12 shows a flow diagram of a method 200 for controlling a technical infrastructure 145 of a building, by way of example the system 100 of FIG. 1 is based on.
  • a description of the infrastructure 145 is captured.
  • a mathematical model 115 is determined that represents the infrastructure.
  • a long-term operational plan 140 is determined in the example assumed three-stage prediction in a step 215 on the basis of long-term prediction parameters 220.
  • the long-term operating plan is adjusted on the basis of medium-term parameters 230 into a medium-term operating plan 140.
  • the medium-term operating plan 140 is adjusted to a short-term operating plan 140 based on short-term forecasting parameters 240. More or less than three levels are also possible.
  • control parameters from the short-term operating plan 140 are determined. Based on the control parameters, the infrastructure 145 can be controlled.
  • FIG. 3 shows an exemplary determination of a mathematical model 115.
  • a description 110 of the infrastructure 145 of a building with respect to information of the energy consumption and / or the energy output of components as well as relationships between components is analyzed.
  • a mathematical model 115 is determined which, as a system of differential equations, preferably dynamically describes the behavior of the infrastructure 145.
  • the model 115 can then the function of the planning components 120-130 are used.
  • a third part describes costs c (x (t), u (t), uext (t), t) as a function of state variables x (t) and manipulated variables u (t).
  • the mathematical model for the infrastructure 145 is preferably generated only if something changes at the infrastructure 145.
  • the modeling component 105 preferably provides code having the function values f (x (t), u (t), uext (t), t), g (x (t), u (t), uext (t), t ), h (x (t), u (t), uext (t), t) and c (x (t), u (t), uext (t), t) and their derivatives according to the state variables x (t ) and manipulated variables u (t) are calculated.
  • the modeling component 105 z. From a concrete data object describing the infrastructure 145 (eg of the type "building") all devices and their parameters as well as their coupling, e.g.
  • heating circuits read out and thus models f (x (t), u (t), uext (t), t), g (x (t), u (t), uext (t), t) and h (x (t), u (t), uext (t), t) for the dynamics of the system which can be interpreted by the optimizer, in particular the third scheduling component 130.
  • Additional data objects regarding applicable energy prices (type "PriceData”) and possibly further configuration parameters from a configuration optimization (Type "ConfigOptimizer”) lead to a concrete realization of the cost term c (x (t), u (t), uext (t), t).
  • Fig. 4 shows an exemplary portion of a description 110 of an exemplary infrastructure of a building. Shown is a structured XML document from which certain parts are hidden or collapsed. Hidden parts are indicated by a line beginning with "+”; lines beginning with "-" are expanded.
  • the data structure shown is of the type "Building".
  • a corresponding data object contains information about the components of the infrastructure 145, such as energy converters, energy storage, energy transport systems and low-level controllers. With this object also current states of the system 100 can be transferred.
  • the illustrated data structure includes exemplary information about the maximum connected load (“MaximumGridConnectionPower”), to battery systems (“BatterySystems”), a photovoltaic system (“PVSystem”).
  • MaximumGridConnectionPower to battery systems
  • PVSystem a photovoltaic system
  • An electrical base load (“ElectricBaseLoadForecast”)
  • An ambient temperature (“AmbientTemperatureForecast”) are given.

Landscapes

  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Economics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern einer technischen Infrastruktur eines Gebäudes umfasst Schritte des Erfassens einer Beschreibung der technischen Infrastruktur bezüglich ihrer Energieaufnahme oder Energieabgabe; des Bestimmens eines mathematischen Modells für die Infrastruktur auf der Basis der Beschreibung; des Bereitstellens eines Betriebsplans für die Infrastruktur auf der Basis des Modells und einer langfristigen Vorhersage für einen externen Parameter; des Anpassens des Betriebsplans auf der Basis einer kurzfristigen Vorhersage für den Parameter und des Modells; sowie des Steuerns der Infrastruktur auf Basis des angepassten Betriebsplans.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Energiemanagement eines Gebäudes. Insbesondere betrifft die Erfindung die Planung zeitlicher Betriebsphasen der Infrastruktur.
    • Stand der Technik
  • Ein Gebäude besitzt eine technische Infrastruktur, die mehrere Systeme oder Vorrichtungen umfasst, deren Betrieb für eine Nutzung des Gebäudes erforderlich ist, beispielsweise eine Heizung, einen Aufzug oder eine Beleuchtungsanlage. Der Betrieb der Vorrichtungen erfordert Energie. In einem Gebäude, das als gewerbliche Immobilie genutzt wird, ist der Betrieb der Vorrichtungen üblicherweise Teil einer zugesicherten Leistung. Die erforderliche Energie kann von einem externen Anbieter bezogen oder selbst bereitgestellt werden, beispielsweise mittels eines Blockheizkraftwerks oder einer Photovoltaik-Anlage. In beiden Fällen können die Verfügbarkeit und der Preis für die Energie über die Zeit stark variieren. Der Betrieb bestimmter Vorrichtungen des Gebäudes kann zeitlich geplant werden, um beispielsweise zu vermeiden, dass starke Verbraucher zu Zeiten hoher Energiepreise betrieben werden. Hierfür ist eine Vorhersage von Parametern wie dem Energiepreis erforderlich.
  • Unterschiedlich lange Vorhersagezeiträume erfordern üblicherweise unterschiedliche Ansätze für die Erstellung eines Betriebsplans, sodass beispielsweise ein langfristiger Betriebsplan, der für einen Zeitraum von mehreren Tagen aufgestellt ist, und ein kurzfristiger Betriebsplan, der für einen Zeitraum von Stunden aufgestellt ist, auf unterschiedlichen Heuristiken beruhen. Die Bestimmung des kurzfristigen Betriebsplans auf der Basis des langfristigen Betriebsplans kann aufwendig sein und unterschiedliche Annahmen in den Heuristiken können letztlich zu suboptimalen Bestimmungen führen. Die Qualität des bestimmten Betriebsplans, beispielsweise bezüglich erforderlicher Energiekosten, liegt daher in der Regel deutlich unter einem theoretisch erreichbaren Optimum.
  • Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zur Steuerung des Energiehaushalts einer Infrastruktur eines Gebäudes anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Verfahren zum Steuern einer technischen Infrastruktur eines Gebäudes umfasst Schritte des Erfassens einer Beschreibung der technischen Infrastruktur bezüglich ihrer Energieaufnahme oder Energieabgabe; des Bestimmens eines mathematischen Modells für die Infrastruktur auf der Basis der Beschreibung; des Bereitstellens eines Betriebsplans für die Infrastruktur auf der Basis des Modells und einer langfristigen Vorhersage für einen externen Parameter; des Anpassens des Betriebsplans auf der Basis einer kurzfristigen Vorhersage für den Parameter und des Modells; sowie des Steuerns der Infrastruktur auf Basis des angepassten Betriebsplans.
  • Die Infrastruktur umfasst üblicherweise wenigstens eine Vorrichtung, deren Betrieb Energie aufnimmt, etwa eine Belüftungsanlage, und/oder eine Vorrichtung, deren Betrieb Energie bereitstellt, beispielsweise eine Windturbine. Der Betriebsplan ist das Ergebnis einer Bestimmung, in welcher zeitlichen Abfolge die Vorrichtungen betrieben werden können, um einerseits vorbestimmte Abläufe oder Angebote im Gebäude sicher zu stellen, und andererseits dabei möglichst ökonomisch vorzugehen. Insbesondere soll der Betrieb der Vorrichtungen möglichst geringe Energiekosten hervorrufen.
  • Es wird vorgeschlagen, auf der Basis der Beschreibung der Infrastruktur ein mathematisches Modell aufzustellen, das von Planungskomponenten unterschiedlicher Zeiträume gleichermaßen verwendet werden kann.
  • Beispielsweise wird auf Basis eines vorhergesagten Parameters - insbesondere eines Energiepreises - eine Langzeitplanung mit einem Vorhersagezeitraum von einem oder mehreren Tagen aufgestellt. Aufgrund des langen Zeitraums ist die Vorhersage des Parameters jedoch üblicherweise nicht sehr genau bzw. nicht sehr verlässlich.
  • Optional kann sich eine Kurzzeitplanung mit einem kürzeren Vorhersagezeitraum von beispielsweise mehreren Stunden anschließen, die auf der Basis einer inzwischen verfügbaren besseren Vorhersage des Parameters Anpassungen am bestimmten Betriebsplan durchführt, um das Ergebnis zu verbessern. Eine oder mehrere weitere Vorhersagen mit jeweils noch kürzerer Vorhersagezeit können sich stufenweise anschließen.
  • Schließlich kann die Steuerung der Infrastruktur bzw. wenigstens einer ihrer Vorrichtungen auf der Basis des letzten Betriebsplans und des aktuellen Parameters erfolgen. In einer Ausführungsform werden drei Vorhersagen mit Zeithorizonten des kommenden Tags, des aktuellen Tags und der kommenden Stunde bestimmt. Zu Grunde liegende Vorhersagen haben entsprechend ähnliche Zeithorizonte. Der Betriebsplan mit der kürzesten Vorhersagezeit kann dann für die tatsächliche Steuerung verwendet werden, die beispielsweise Sollwerte vorgibt, auf die bestimmte Parameter des Gebäudes gesteuert werden können.
  • Vorteilhaft liegt jeder der Planungen und optional auch der Steuerung das gleiche Modell für den Betrieb der Infrastruktur zu Grunde. Das ein- oder mehrstufige Anpassen eines bereits bestimmten Betriebsplans kann so verminderte Übergabeprobleme hervorrufen. Numerische oder logische Inkompatibilitäten können verringert sein. Unerwünschte Seiteneffekte zwischen unterschiedlichen Modellen können vermieden werden. Durch Verwendung eines einheitlichen mathematischen Modells können mittels einer Validierung die Modelle aller Vorhersagen auf einmal überprüft werden.
  • Das mathematische Modell umfasst bevorzugt ein System von Differentialgleichungen. Dadurch kann das Modell leichter allgemein verifiziert werden, wozu eine Vielzahl bekannter Methoden und Vorgehensweisen zur Verfügung steht. Zusammenhänge zwischen Parametern können durch einen Fachmann auch ohne den Einsatz eines Analysewerkzeugs erkennbar bzw. nachvollziehbar sein. Das mathematische Modell kann einen oder mehrere unterschiedliche Typen von Gleichungen umfassen, die im Folgenden genauer beschrieben werden. Dabei können von jeder der exemplarisch beschriebenen Gleichungen unterschiedlicher Typen jeweils mehrere vom mathematischen Modell umfasst sein.
  • Eine erste Gleichung kann eine zeitliche Entwicklung eines Betriebspunkts der Infrastruktur ausdrücken. Anders ausgedrückt kann die Gleichung beschreiben, in welcher Weise sich einer oder mehrere Betriebsparameter, die zusammen den Betriebszustand bilden, über die Zeit weiterentwickeln. Dabei können beispielsweise lineare oder polynomiale Zusammenhänge angegeben sein.
  • Eine zweite Gleichung kann eine Nebenbedingung der technischen Infrastruktur umfassen. Eine Nebenbedingung kann eine technische Angabe umfassen, die durch die Bauart der Infrastruktur oder ihre Verbindung mit einem anderen System vorgegeben sind, beispielsweise eine maximale elektrische Leistung, die über eine Verbindung zu einem Stromnetz ausgetauscht werden kann. Eine Nebenbedingung kann auch eine Vorgabe betreffen, die aus anderen Gründen im Betrieb der Infrastruktur nicht verletzt werden soll. Beispielsweise kann eine maximale Betriebsdauer eines Blockheizkraftwerks pro Jahr vorbestimmt sein. Derartige Nebenbedingungen sind üblicherweise Resultate von Überlegungen, die bei der Planung und/oder Dimensionierung von Elementen der Infrastruktur durchgeführt werden. Solche Nebenbedingungen können beispielsweise aufgrund einer Entscheidung eines Betreibers oder eines Wartungszustands einer Komponente auch geändert werden. Die Änderung kann im mathematischen Modell als Parameter vorgesehen sein oder im Wege einer Neubestimmung des Modells durchgeführt werden.
  • Eine dritte Gleichung kann eine Kostenfunktion bezüglich einer insgesamt von der Infrastruktur aufgenommenen oder abgegebenen Energie umfassen. Diese Kostenfunktion kann beispielsweise einen aktuellen Energiepreis, einen Wartungszustand oder einen Betriebszustand einer Komponente umfassen.
  • Das Bereitstellen des Betriebsplans umfasst üblicherweise eine Optimierung eines Betriebspunkts der Infrastruktur bezüglich eines oder mehrerer Parameter. Einer dieser Parameter betrifft üblicherweise Energiekosten, sodass der Betriebsplan bevorzugt so bestimmt wird, dass das Gebäude möglichst kostengünstig betrieben werden kann. Andere Optimierungen können ebenfalls angewandt werden. Der Betriebspunkt ist im Wesentlichen durch eine Anzahl Parameter der Infrastruktur gebildet. Die Optimierung kann mittels einer beliebigen bekannten Technik durchgeführt werden, beispielsweise einem Suchverfahren, einem probabilistischen Ansatz oder einem neuronalen Netzwerk.
  • Eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Betriebsplans für eine technische Infrastruktur eines Gebäudes ist dazu eingerichtet, auf Basis einer Beschreibung der technischen Infrastruktur bezüglich ihrer Energieaufnahme oder Energieabgabe ein mathematisches Modell für die Infrastruktur zu bestimmen. Die Vorrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, zumindest einen Teil des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Dazu kann die Vorrichtung einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen. Teile des Verfahrens können als Computerprogrammprodukte mit Programmcodemitteln vorliegen. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Vorrichtung bezogen werden und umgekehrt.
  • Die Beschreibung kann ein Dokument im XMLNS-Format umfasst. In diesem Format kann ein Namensraum für eine XML-Sprache angegeben werden, sodass ein Vokabular eines XML-Dokuments eindeutig identifiziert werden kann. Dies kann es erlauben, auch mehrere XML-Sprachen in einem Dokument zu mischen. Die Beschreibung kann leicht aus anderen Quellen generiert werden, beispielsweise aus einem Planungswerkzeug für die Infrastruktur oder einer Herstellerbeschreibung einer Komponente.
  • Das mathematische Modell kann auf der Basis eines Dokuments im XSLT-Format bestimmt werden. Dadurch kann das mathematische Modell leicht zwischen unterschiedlichen Komponenten ausgetauscht werden. Allgemein wird XSLT in strukturierter Textform ausgedrückt, sodass die Beschreibung durch einen Fachmann lesbar sein kann.
  • Ein System zur Steuerung einer technischen Infrastruktur eines Gebäudes umfasst eine Modellierungskomponente, die durch die oben beschriebene Vorrichtung realisiert sein kann; eine erste Planungskomponente, die dazu eingerichtet ist, einen Betriebsplan für die Infrastruktur auf der Basis des Modells und einer langfristigen Vorhersage für einen externen Parameter bereitzustellen; eine zweite Planungskomponente, die dazu eingerichtet ist, den Betriebsplan auf der Basis einer kurzfristigen Vorhersage des Parameters und des Modells anzupassen; und eine Steuerkomponente, die dazu eingerichtet ist, die Infrastruktur auf Basis des angepassten Betriebsplans zu steuern.
  • Das System kann durch die Verwendung des einheitlichen mathematischen Modells leichter als Ganzes verifiziert werden. Systemfehler, Inkompatibilitäten oder voneinander abweichende Annahmen zwischen einzelnen Komponenten des Systems können verringert auftreten. Miteinander verbundene Probleme können leichter erkennbar oder behebbar sein.
  • Die Planungskomponenten können als logische und/oder physische Einheiten jeweils Teile eines computergestützten Verarbeitungs- oder Steuersystem sein. Die Steuerkomponente kann auf die gleiche Art logisch und/oder physisch realisiert sein.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei
    • Fig. 1
    ein System zur Steuerung einer technischen Infrastruktur eines Gebäudes;
    Fig. 2
    ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer technischen Infrastruktur eines Gebäudes;
    Fig. 3
    eine beispielhafte Bestimmung eines mathematischen Modells; und
    Fig. 4
    einen beispielhaften Ausschnitt einer Beschreibung einer exemplarischen Infrastruktur eines Gebäudes.
    darstellt.
  • Figur 1 zeigt ein System 100 zur Steuerung einer technischen Infrastruktur eines Gebäudes. Das System 100 umfasst eine Anzahl Komponenten, die sowohl als physische Vorrichtungen als auch als logische Komponenten realisiert sein können. Rein exemplarisch wird im Folgenden hauptsächlich auf den Vorrichtungsaspekt eingegangen, eine Übertragung auf korrespondierende logische Komponenten, insbesondere Dienste oder Programme eines Computers, erledigt ein Fachmann ohne Mühe.
  • Das System 100 umfasst eine Modellierungskomponente 105, die dazu eingerichtet ist, auf der Basis einer Beschreibung 110 ein mathematisches Modell 115 zu erzeugen. Ferner umfasst das System 100 wenigstens eine erste Planungskomponente 120 und eine zweite Planungskomponente 125. Bevorzugt ist noch mindestens eine dritte Planungskomponente 130 vorgesehen. Eine optionale Steuerkomponente 135 kann ebenfalls vom System 100 umfasst sein. Die Planungskomponenten 120-130 stellen stufenweise einen Betriebsplan 140 bereit. Dazu wird zunächst auf der Basis von langfristigen Vorhersagen ein langfristiger Betriebsplan 140 aufgestellt, der dann auf der Basis immer kurzfristigerer Vorhersagen - die üblicherweise genauer oder zuverlässiger sind - schrittweise verfeinert wird, bis eine Version vorliegt, die für die Steuerung einer Infrastruktur 145 verwendet werden kann.
  • Die Infrastruktur 145 umfasst Komponenten, die Energie aufnehmen, beispielsweise eine elektrische Versorgungsanlage, eine Beleuchtungsanlage oder eine Reinigungsanlage, und/oder Komponenten, die Energie abgeben, beispielsweise eine Photovoltaik-Anlage oder ein Blockheizkraftwerk. Die Komponenten 145 liegen üblicherweise in großer Vielzahl vor und können in Subsystemen zusammengefasst sein. Dabei kann die Operation eines Subsystems die eines anderen Subsystems beeinflussen; beispielsweise können eine Jalousiensteuerung und eine Heizung das gleiche oder entgegengesetzte Regelungsziele verfolgen. Der Betrieb einiger der Komponenten kann zeitlich geplant werden, sodass Lastspitzen vermieden oder positive und negative Energiebedürfnisse gegeneinander ausgeglichen werden können. Außerdem kann der Betrieb eines Verbrauchers so geplant werden, dass er vorteilhaft in eine Zeit fällt, in der die für seinen Betrieb erforderliche Energie günstig ist. Umgekehrt kann eine Energie bereitstellende Komponente vorteilhaft möglichst zu Zeiten hoher Energiepreise betrieben werden.
  • Die erste Planungskomponente 120 arbeitet auf dem mathematischen Modell 105. Die zweite Planungskomponente arbeitet auf dem mathematischen Modell 105 und dem von der ersten Planungskomponente 120 bereitgestellten Betriebsplan und die dritte Planungskomponente 130 arbeitet auf dem auf dem mathematischen Modell 105 und dem von der zweiten Planungskomponente 125 bereitgestellten Betriebsplan 140. Das mathematische Modell 105 ist dabei stets dasselbe. Statt der dargestellten dreistufigen Verarbeitung mittels der Planungskomponenten 120-130 kann auch eine zwei- oder mehrstufige Verarbeitung vorgesehen sein.
  • Die erste Planungskomponente 120 kann in einem Ausführungsbeispiel auch Morgen-Planung ("day ahead planning"), die zweite Planungskomponente 120 Heute-Planung "intradayplanning") und die dritte Planungskomponente 130 Laststeuerung ("load management") genannt werden. Die Planungskomponenten 120-130 sind jeweils dazu eingerichtet, einen Betriebsplan 140 bereitzustellen, der angibt, zu welchem Zeitpunkt welche Komponente der Infrastruktur 145 des Gebäudes in welcher Weise zu betreiben ist.
  • Die Planungskomponenten 120-130 haben in der Reihenfolge der Verarbeitung abnehmende Planungshorizonte. Beispielsweise kann die erste Planungskomponente 120 einen Planungshorizont von 24 Stunden eines folgenden Tags umfassen, die zweite Planungskomponente 125 kann einen Planungshorizont eines verbleibenden aktuellen Tags umfassen - die Länge des Planungshorizonts kann dabei variabel sein - und die dritte Planungskomponente 130 kann einen Planungshorizont der kommenden 60 Minuten aufweisen. Eine Zeitauflösung der ersten Planungskomponente 120 kann beispielsweise 15 Minuten oder größer sein. Die Zeitauflösung der zweiten Planungskomponente 125 kann ähnlich groß oder etwas kleiner sein. Die Zeitauflösung der dritten Planungskomponente 130 ist üblicherweise deutlich kleiner, beispielsweise ca. 1 Minute. Elektrische Komponenten, die üblicherweise kürzer als der jeweilige Planungshorizont betrieben werden, können von einer Planungskomponente 120-130 vernachlässigt werden.
  • Die Planungskomponenten 120, 132 können jeweils einen Betriebsplan 140 bereitstellen, der von der oder den nachgeordneten Planungskomponenten 125, 130 eingehalten werden muss. Der Betriebsplan 140 kann dadurch schrittweise Verfeinert werden. Die Planungskomponenten 120-130 können unterschiedlich oft aktiviert werden; beispielsweise kann die erste Planungskomponente 120 stündlich und die dritte Planungskomponente 130 minütlich einen Betriebsplan 140 bestimmen.
  • Die erste Planungskomponente 120 erstellt bevorzugt einen Betriebsplan 140 für einen oder mehrere folgende Tage. Dazu verarbeitet sie üblicherweise aktuelle Zustandsgrößen der Überwachungsvorrichtung 170, einen aktuellen Betriebsplan 140 von der zweiten Planungskomponente 125, eine aktuelle Energiepreisprognose und/oder eine aktuelle Prognose der Bedarfsvorhersage 155. Der erstellte Betriebsplan 140 betrifft ausgewählte Stellgrößen und versucht, die Gesamtkosten, in die alle relevanten Tarife eingehen, zu minimieren, wobei alle relevanten Einschränkungen für Zustände und Stellgrößen eingehalten werden sollen.
  • Die zweite Planungskomponente 125 adressiert insbesondere zwei Anwendungsfälle. In einem ersten Anwendungsfall soll ein Energieeinkauf durch optimale Planung des Betriebs von steuerbaren Lasten, Speichern (in der Regel elektrischen und thermischen Speichern) sowie der Eigenenergieerzeugung (d.h. Blindleistungsbereitstellung bei Bedarf sowie Wirkleistungsabregelung) optimiert werden. Ergebnisse der (optimierten) Planung sind bevorzugt (a) der geplante nominale Lastgang des Gebäudes am Netzanschlusspunkt und/oder (b) die maximal mögliche Flexibilität, mit der vom nominalen Lastgang im Bedarfsfall in kontrollierter Form abgewichen werden kann.
  • In einem zweiten Anwendungsfall sollen Mechanismen zur Einhaltung des nominalen Lastgangs oder eines im modifizierten Lastgangs (nach "Anforderung von Flexibilität") trotz Störungen oder unvorhergesehener Ereignisse (z. B. Abweichung des realen Wetters vom vorhergesagten Wetter) bereitgestellt werden. Diese Mechanismen werden hier "Online-Energy-Management" genannt, und sie können einen Teil der im ersten Anwendungsfall berechneten Flexibilität aufbrauchen.
  • Der Betriebsplan 140 wird durch die zweite Planungskomponente 120 unter Berücksichtigung neuer Messwerte und Prognosen bestimmt bzw. verfeinert. Falls die erste Planungskomponente 120 einen verpflichtenden Betriebsplan 140 erstellt hat, ist es die Aufgabe der zweiten Planungskomponente 125, diesen Betriebsplan 140 auch mit geänderten Prognosen möglichst gut einzuhalten. Falls es keinen verpflichtenden Anlagenfahrplan gibt, versucht die zweite Planungskomponente 120 bevorzugt einen kostenoptimalen Betriebsplan 140 zu erstellen.
  • Die zweite Planungskomponente 120 verarbeitet üblicherweise aktuelle Zustandsgrößen der Überwachungsvorrichtung 170, ggf. einen aktuellen Betriebsplan 140 von der ersten Planungskomponente 120, aktuelle Energiepreisprognosen von einem oder mehreren Tarifservern und/oder aktuelle Prognosen der Bedarfsvorhersage 155. Der erstellte Betriebsplan 140 betrifft ausgewählte Stellgrößen und versucht, entweder die Gesamtkosten, in die alle relevanten Tarife eingehen, zu minimieren, oder einen verpflichtenden Betriebsplan 140 der ersten Planungskomponente 120 einzuhalten. Dabei sollten alle relevanten Einschränkungen für Zustände und Stellgrößen eingehalten werden.
  • Die dritte Planungskomponente 130 hat üblicherweise die Aufgabe, die Vorgaben für Energieverbrauch und/oder (Speicher)zustände und/oder Stellgrößen der zweiten Planungskomponente 125 innerhalb eines vorbestimmten Abrechnungsintervalls (typischerweise z. B. 15 Minuten) einzuhalten. Dazu verarbeitet sie üblicherweise aktuelle Zustandsgrößen und Stellgrößen von der Überwachungsvorrichtung 170, einen aktuellen Betriebsplan 140 der zweiten Planungskomponente 125, aktuelle Energiepreisprognosen von einem oder mehreren Tarifservern und/oder eine aktuelle Prognose der Bedarfsvorhersage 155. Dabei sollten alle relevanten Einschränkungen für Zustände und Stellgrößen eingehalten werden. Die Optimierung erfolgt in der Regel modellbasiert wie bei der ersten Planungskomponente 120 oder der zweiten Planungskomponente 125.
  • Die Planungskomponenten 120-130 können sich darin unterscheiden, welche Kosten sie optimieren. Die Planungskomponenten 120 - 130 können sich vorzugsweise mit Komponenten unterschiedlicher mittlerer übertragener Energie oder Anschlussleistung befassen, wobei die die erste Planungskomponente 120 große Leistungen, die zweite Planungskomponente 125 mittlere Leistungen und die dritte Planungskomponente 130 kleine Leistungen betreffen kann. Die Größe der Leistungen kann anhand vorbestimmter Schwellenwerte unterschieden werden, die in Abhängigkeit einer bestehenden Anlage gewählt werden können. Die Leistungen können mit üblichen Anschaltzeiten oder Mindestanschaltzeiten der Komponenten korrelieren.
  • Die Bestimmungen der Planungskomponenten 120-130 werden bevorzugt auf der Basis von Vorhersagen für einen oder mehrere Parameter, die den Betrieb der Infrastruktur 145 beeinflussen, durchgeführt. Ein Parameter kann einen Energiepreis bestimmen, der für Energie fällig ist, die für das Gebäude von Außen bezogen wird. Ein ähnlicher Parameter kann angeben, mit welcher Vergütung zu rechnen ist, wenn von der Infrastruktur 145 Energie nach Außen bereitgestellt wird. Die Vorhersage für den Energiepreis kann jeweils von einer Tarifvorhersage 150, die beispielsweise als Internet-Dienst ausgebildet sein kann, bereitgestellt werden.
  • Die Qualität einer Vorhersage kann nach ihrer Genauigkeit oder ihrer Verlässlichkeit beurteilt werden. Je kürzer ein Vorhersagezeitraum in der Zukunft liegt, desto besser ist üblicherweise die erzielbare Qualität einer Vorhersage. Das stufenweise Verkürzen des Vorhersagezeitraums kann die Bestimmung bzw. Optimierung des Betriebsplans erleichtern und eine Berücksichtigung sich unterschiedlich schnell veränderlicher Parameter unterstützen. Jedem Betriebsplan 140 liegt eine Optimierung zu Grunde, die durch die jeweilige Planungskomponente 120-130 durchgeführt wurde.
  • Eine weitere Vorhersage, die einen Überschuss oder einen Bedarf von Energie durch die Infrastruktur 145 betrifft, kann mittels einer Bedarfsvorhersage 155 bestimmt werden. Diese wird in der dargestellten Ausführungsform exemplarisch auf Basis von kalendarischen Einträgen geplanter Verwendungen von Komponenten der Infrastruktur 145 von einem Kalenderdienst 160 und/oder einer Wettervorhersage eines Wetterdiensts 165 bestimmt.
  • Eine Bedarfsvorhersage 155 liefert bevorzugt Prognosen für Einflussgrößen, die vom System 100 nicht beeinflusst werden können. Dies sind z. B. eine maximal zu erwartende Energieproduktion einer Photovoltaik-Anlage sowie ein Stromverbrauch, ein Warmwasserverbrauch oder ein Heizbedarf im Gebäude in zukünftigen Zeitintervallen, aber auch eine Außentemperatur oder eine solare Einstrahlung. Die Prognosen, die von der Bedarfsvorhersage 155 zur Verfügung gestellt werden, basieren auf z. B. gelernten Modellen und/oder physikalischen Modellen.
  • Ferner kann eine Überwachungsvorrichtung 175 vorgesehen sein, um die Energieversorgung zu überwachen. Die Überwachungsvorrichtung 175 kann beispielsweise aktuelle Messwerte eines Sensors, z. B. einen Ladezustand einer Batterie, eine Temperatur der Außenluft oder eines thermischen Speichers, oder eine Rückmeldung eines Aktuatoren der Infrastruktur 145 mit deren aktuellen Stellgrößenwerten umfassen.
  • Ein optionaler Beobachter 175 hat die Aufgabe, nicht gemessene Zustandsgrößen der Infrastruktur 145 zu schätzen. Dazu können z. B. ein Temperaturprofil eines thermischen Schichtspeichers oder eines Erdspeichers oder die Massenflüsse in Rohrleitungen gehören. Der Beobachter 175 kann aktuelle Messwerte von Sensoren oder aktuelle Stellgrößenwerte von Aktoren von der Überwachungseinrichtung 170 beziehen. Der Beobachter 175 bestimmt Schätzungen für die nicht gemessenen Zustandsgrößen an die Überwachungsvorrichtung 175. Für diese Schätzung wird üblicherweise ein geeignetes Anlagenmodell benützt. Die Schätzung erfolgt z. B. mit einem erweiterten Kalman-Filter.
  • Die Steuerkomponente 135 setzt bevorzugt die von der letzten Planungskomponente 130 in der Bestimmungskette bereitgestellten Informationen, die mit einer hohen zeitlichen Auflösung von beispielsweise einer Minute bestimmt werden könne, in Vorgabewerte um, die von den Komponenten der Infrastruktur 145 angesteuert werden. Dabei sollten alle relevanten Einschränkungen für Zustände und Stellgrößen eingehalten werden. Die Optimierung erfolgt in der Regel modellbasiert wie bei der Planungskomponente 120 oder 125.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die letzte Planungskomponente 130 keinen Betriebsplan 140 sondern Sollgrößen bereit, auf welche die Steuerkomponente 135 die einzelnen Komponenten dann steuert. Dazu kann die Steuerkomponente 135 als Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor bzw. deren Low-Level-Reglern (z. B. PID-Regler) der Infrastruktur 145 dienen.
  • Es kann Aufgabe der Steuerkomponente 135 sein, dafür zu sorgen, dass keine kritischen Messwerte über- oder unterschritten werden. Diese kritischen Messwerte begrenzen z. B. einen erlaubten Betriebsbereich von technischen Komponenten, es können aber auch Komfortgrenzen wie z. B. eine minimale und maximale Raumtemperatur vorbestimmt sein. Die Steuerkomponente 135 kann Vorgaben für ausgewählte Stellgrößen von der dritten Planungskomponente 135, aktuelle Messwerte eines Sensors der Infrastruktur 145 von der Überwachungsvorrichtung 170 und/oder einen aktuellen Stellgrößenwert eines Aktuators von der Überwachungsvorrichtung 170 erhalten. Die Steuerkomponente 135 stellt bevorzugt Vorgaben für Stellgrößen an einen Low-Level-Regler, z. B. einen PID-Regler der Infrastruktur 145 bereit.
  • Der Datenaustausch zwischen den dargestellten Komponenten sowie deren Konfiguration erfolgt bevorzugt über eine serviceorientierte Schnittstelle, insbesondere einen Web-Service. Diese Schnittstelle beschreibt alle relevanten elektrischen und thermischen Komponenten und deren Verschaltung anhand von Informationen, die beispielsweise aus Datenblättern und Anlagenplänen der Infrastruktur 145 entnommen werden können. Insbesondere
  • Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern einer technischen Infrastruktur 145 eines Gebäudes, wobei exemplarisch das System 100 von Figur 1 zu Grunde gelegt ist. In einem Schritt 205 wird eine Beschreibung der Infrastruktur 145 erfasst. In einem Schritt 210 wird auf Basis der Beschreibung ein mathematisches Modell 115 bestimmt, das die Infrastruktur repräsentiert.
  • Auf Basis des mathematischen Modells wird in der beispielhaft angenommenen dreistufigen Vorhersage in einem Schritt 215 auf der Basis von langfristigen Vorhersageparametern 220 ein langfristiger Betriebsplan 140 bestimmt. In einem Schritt 225 wird der langfristige Betriebsplan auf Basis mittelfristiger Parameter 230 in einen mittelfristigen Betriebsplan 140 angepasst. In einem Schritt 235 wird der mittelfristige Betriebsplan 140 auf der Basis kurzfristiger Vorhersageparameter 240 in einen kurzfristigen Betriebsplan 140 angepasst. Mehr oder weniger als drei Stufen sind ebenfalls möglich.
  • In einem Schritt 245 werden auf Basis tatsächlicher (und nicht vorhergesagter) Parameter 250 Steuerparameter aus dem kurzfristigen Betriebsplan 140 bestimmt. Auf Basis der Steuerparameter kann die Infrastruktur 145 gesteuert werden.
  • Figur 3 zeigt eine beispielhafte Bestimmung eines mathematischen Modells 115. Dazu wird eine Beschreibung 110 der Infrastruktur 145 eines Gebäudes bezüglich Informationen der Energieaufnahme und/oder der Energieabgabe von Komponenten sowie auf Zusammenhänge zwischen Komponenten analysiert. Daraus wird ein mathematisches Modell 115 bestimmt, das bevorzugt als System von Differentialgleichungen das Verhalten der Infrastruktur 145 dynamisch beschreibt. Das Modell 115 kann dann der Funktion der Planungskomponenten 120-130 zu Grunde gelegt werden.
  • Das mathematische Modell 115 umfasst typischerweise drei Teile:
    • Ein erster Teil beschreibt ein dynamisches Modell dx(t)/dt = f(x(t),u(t),uext(t),t) der Infrastruktur 145, das beschreibt, wie sich die Betriebs- oder Anlagenzustände x(t) für gegebene Stellgrößenwerte von Aktuatoren u(t) und externe Einflüsse uext(t) verändern.
  • Ein zweiter Teil beschreibt Beschränkungen g(x(t),u(t),uext(t),t)=0 und h(x(t),u(t),uext(t),t)<=0 für die Werte von Zustandsgrößen x(t) und Stellgrößen u(t).
  • Ein dritter Teil beschreibt Kosten c(x(t),u(t),uext(t),t) in Abhängigkeit von Zustandsgrößen x(t) und Stellgrößen u(t).
  • Das mathematische Modell für die Infrastruktur 145 wird bevorzugt nur dann erzeugt, wenn sich an der Infrastruktur 145 etwas ändert.
  • Die Modellierungskomponente 105 stellt bevorzugt Code zur Verfügung, der die Funktionswerte f(x(t),u(t),uext(t),t), g(x(t),u(t),uext(t),t), h(x(t),u(t),uext(t),t) und c(x(t),u(t),uext(t),t) sowie deren Ableitungen nach den Zustandsgrößen x(t) und Stellgrößen u(t) berechnet. Konkret kann die Modellierungskomponente 105 z. B. aus einem konkreten Datenobjekt, welches die Infrastruktur 145 beschreibt (z. B. vom Typ "Building") alle Geräte und deren Parameter sowie deren Kopplung, z. B. in Heizkreisen, herauslesen und damit Modelle f(x(t),u(t),uext(t),t), g(x(t),u(t),uext(t),t) und h(x(t),u(t),uext(t),t) erstellen, für die Dynamik des Systems, das vom Optimierer, insbesondere der dritten Planungskomponente 130, interpretiert werden kann. Zusätzliche Datenobjekte bezüglich geltender Energiepreise (Typ "PriceData") und evtl. weitere Konfigurationsparameter aus einer Konfigurationsoptimierung (Typ "ConfigOptimizer") führen zu einer konkreten Realisierung des Kostenterms c(x(t),u(t),uext(t),t).
  • Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Ausschnitt einer Beschreibung 110 einer exemplarischen Infrastruktur eines Gebäudes. Dargestellt ist ein strukturiertes XML-Dokument, von dem bestimmte Teile ausgeblendet bzw. kollabiert sind. Ausgeblendete Teile sind gekennzeichnet durch eine Zeile, die mit "+" beginnt; mit "-" beginnende Zeilen sind expandiert.
  • Die dargestellte Datenstruktur ist vom Typ "Building". Ein dazu korrespondierendes Datenobjekt beinhaltet Informationen zu den Komponenten der Infrastruktur 145, beispielsweise Energiewandler, Energiespeicher, Energietransportsysteme und Low-Level-Controller. Mit diesem Objekt können auch aktuelle Zustände des Systems 100 übergeben werden.
  • Die dargestellte Datenstruktur umfasst beispielhafte Informationen zur maximalen Anschlussleistung
    ("MaximumGridConnectionPower"), zu Batteriesystemen ("BatterySystems"), eines Photovoltaiksystems ("PVSystem"). Außerdem sind eine Vorhersage einer elektrischen Grundlast ("ElectricalBaseLoadForecast") und einer Umgebungstemperatur ("AmbientTemperatureForecast") angegeben. Einige dieser Angaben sind weiter detailliert, wie der Darstellung von Figur 4 entnommen werden kann. Es werden vorliegend allgemein übliche englische Bezeichnungen für die Datentypen verwendet.
  • Weitere Datenstrukturen, die für das System 100 von Figur 1 Verwendung finden können, umfassen:
    • PriceData: Dieses Datenobjekt beinhaltet alle relevanten Tarife.
    • OperationSchedule: Dieses Datenobjekt beinhaltet den Anlagenfahrplan, also die Sequenzen für alle zu optimierenden Stellgrößenwerte.
    • ConfigOptimizer: Dieses Datenobjekt beinhaltet Parameter zur Konfiguration des Optimierungsproblems und des Optimierers.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

  1. Verfahren (200) zum Steuern einer technischen Infrastruktur (145) eines Gebäudes, wobei das Verfahren (200) folgende Schritte umfasst:
    - Erfassen (205) einer Beschreibung der technischen Infrastruktur (145) bezüglich ihrer Energieaufnahme oder Energieabgabe;
    - Bestimmen (210) eines mathematischen Modells für die Infrastruktur (145) auf der Basis der Beschreibung;
    - Bereitstellen eines Betriebsplans (140) für die Infrastruktur (145) auf der Basis des Modells (115) und einer langfristigen Vorhersage für einen externen Parameter;
    - Anpassen (225) des Betriebsplans (140) auf der Basis einer kurzfristigen Vorhersage für den Parameter und des Modells (115); und
    - Steuern (245) der Infrastruktur (145) auf Basis des angepassten Betriebsplans (140).
  2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei der Betriebsplan (140) in mehreren Stufen für jeweils unterschiedlich lange Zeiträume bestimmt und auf Basis von korrespondierenden Vorhersagen für den Parameter und dem Modell (115) angepasst wird.
  3. Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mathematische Modell (115) ein System von Differentialgleichungen umfasst.
  4. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mathematische Modell (115) eine Gleichung umfasst, die eine zeitliche Entwicklung eines Betriebspunkts der Infrastruktur (145) umfasst.
  5. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mathematische Modell (115) eine Nebenbedingung der technischen Infrastruktur (145) umfasst.
  6. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Modell (115) eine Kostenfunktion bezüglich einer insgesamt von der Infrastruktur (145) aufgenommenen oder abgegebenen Energie umfasst.
  7. Vorrichtung (105) zur Bestimmung eines Betriebsplans (140) für eine technische Infrastruktur (145) eines Gebäudes, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, auf Basis einer Beschreibung der technischen Infrastruktur (145) bezüglich ihrer Energieaufnahme oder Energieabgabe ein mathematisches Modell (115) für die Infrastruktur (145) zu bestimmen.
  8. Vorrichtung (105) nach Anspruch 7, wobei die Beschreibung ein Dokument im XMLNS-Format umfasst.
  9. Vorrichtung (105) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das mathematische Modell (115) auf der Basis eines Dokuments im XSLT-Format bestimmt wird.
  10. System (100) zur Steuerung einer technischen Infrastruktur (145) eines Gebäudes, wobei das System (100) folgendes umfasst:
    - eine Modellierungskomponente (105) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9;
    - eine erste Planungskomponente (120), die dazu eingerichtet ist, einen Betriebsplan (140) für die Infrastruktur (145) auf der Basis des Modells (115) und einer langfristigen Vorhersage für einen externen Parameter bereitzustellen;
    - eine zweite Planungskomponente (125), die dazu eingerichtet ist, den Betriebsplan (140) auf Basis einer kurzfristigen Vorhersage für den Parameter und des Modells (115) anzupassen; und
    - eine Steuerkomponente (135), die dazu eingerichtet ist, die Infrastruktur (145) auf Basis des angepassten Betriebsplans (140) zu steuern.
EP17183776.8A 2017-07-28 2017-07-28 Energiemanagement eines gebäudes Withdrawn EP3435321A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17183776.8A EP3435321A1 (de) 2017-07-28 2017-07-28 Energiemanagement eines gebäudes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17183776.8A EP3435321A1 (de) 2017-07-28 2017-07-28 Energiemanagement eines gebäudes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3435321A1 true EP3435321A1 (de) 2019-01-30

Family

ID=59501281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17183776.8A Withdrawn EP3435321A1 (de) 2017-07-28 2017-07-28 Energiemanagement eines gebäudes

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP3435321A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003085798A2 (en) * 2002-04-01 2003-10-16 Battelle Memorial Institute Energy management system
US20120065783A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-15 Nest Labs, Inc. Thermodynamic modeling for enclosures
US20130085616A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 Johnson Controls Technology Company Systems and methods for controlling energy use in a building management system using energy budgets
US20150112497A1 (en) * 2012-05-04 2015-04-23 Viridity Energy, Inc. Facilitating revenue generation from wholesale electricity markets using an engineering-based energy asset model
US20150378381A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Qualcomm Incorporated Systems and methods for energy cost optimization
US20160091904A1 (en) * 2014-09-29 2016-03-31 International Business Machines Corporation Hvac system control integrated with demand response, on-site energy storage system and on-site energy generation system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003085798A2 (en) * 2002-04-01 2003-10-16 Battelle Memorial Institute Energy management system
US20120065783A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-15 Nest Labs, Inc. Thermodynamic modeling for enclosures
US20130085616A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 Johnson Controls Technology Company Systems and methods for controlling energy use in a building management system using energy budgets
US20150112497A1 (en) * 2012-05-04 2015-04-23 Viridity Energy, Inc. Facilitating revenue generation from wholesale electricity markets using an engineering-based energy asset model
US20150378381A1 (en) * 2014-06-30 2015-12-31 Qualcomm Incorporated Systems and methods for energy cost optimization
US20160091904A1 (en) * 2014-09-29 2016-03-31 International Business Machines Corporation Hvac system control integrated with demand response, on-site energy storage system and on-site energy generation system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2202470B1 (de) Verfahren und System zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen
EP3602229B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum internetgestützten optimieren von parametern einer heizungsregelung
EP3161928B1 (de) Energiemanagementsystem zur steuerung einer einrichtung, computersoftwareprodukt und verfahren zur steuerung einer einrichtung
EP2529341A2 (de) Anordnung und verfahren zur optimierung der arbeitsweise eines versorgungsnetzes
WO2013023887A1 (de) Verfahren zur rechnergestützten modellierung eines technischen systems
DE102015206510A1 (de) Koordination eines Leistungsaustauschs zwischen einem Verbraucher und einem Versorgungsnetz unter Verwendung von Energiebedarfs-/Energieerzeugungsprognosen
DE102011017694A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer von einer photovoltaischen Anlage abgegebenen Leistung
EP2901538B1 (de) Verfahren und system zum betreiben eines elektrischen energieversorgungsnetzes
EP3429050A1 (de) Verfahren zur regelung der wirkleistungsabgabe eines windparks sowie ein entsprechender windpark
DE102007030492A1 (de) Gebäudemodellbasiertes prädiktives Regelverfahren zum Heizen eines begrenzten Systems
EP3719737A1 (de) Computergestütztes energiemanagementverfahren und energiemanagementsystem
EP3521947A1 (de) Energiemanagementverfahren
EP3435321A1 (de) Energiemanagement eines gebäudes
EP2847842A1 (de) Energieversorgungsanlage mit vorverarbeitungseinrichtung
DE10132113B4 (de) Verfahren zur Ermittlung des Ertrags von Solarthermieanlagen
EP3352326A1 (de) System zur generierung von echtzeit-information und prognose von leistungsregelungen aufgrund von netzengpässen in einem stromnetz
EP3909011A1 (de) Effizientes erstellen einer gebäudekonfiguration
EP3311460B1 (de) Verteiltes energie-wandlungs-system
EP3682387A1 (de) Steuerung von microgrids
EP3664243A1 (de) Prädiktive betriebsplanung in einem mikronetz unter berücksichtigung von hochlastzeitfenstern eines hauptstromnetzes
EP3506026A1 (de) Verfahren zur rechnergestützten prädiktion von mindestens einer globalen betriebsgrösse eines technischen systems
EP4012514A1 (de) Verfahren zum erstellen eines betriebsplans zur steuerung von energiekomponenten einer gebäudeinfrastruktur
EP4080724A1 (de) Topologieidentifikation von zählerstrukturen eines energiesystems
EP3985599A1 (de) Steuerung von energienetzen
DE102017206299A1 (de) Verfahren zum Steuern einer Betriebseinrichtung eines Gebäudes und Gebäudeautomationssystem

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20190205

RBV Designated contracting states (corrected)

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20200609

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20201020