DE19738819C2 - Klima-Anlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klima-Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes, das mehrere Räume umfaßt, die zu Zonen zusam­ mengefaßt sind und jeweils mittels Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparaten erwärmt, gekühlt und/oder belüftet werden können und mit Temperaturfühlern versehen sind,

• - wobei über Stellglieder, die über eine Zentraleinheit pro­ grammiert ansteuerbar sind, die Klimatisierungsparameter, nämlich Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparateparame­ ter, durch Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüf­ tungsapparate einstellbar sind, sowie mit in den Räumen verteilten Personen-Detektoren, mit deren An- oder Abwe­ senheits-Signalen die An- oder Abwesenheit von Personen feststellbar ist,
• - wobei die An- oder Abwesenheits-Signale der Personen- Detektoren der Zentraleinheit zugeleitet werden und letz­ tere aufgrund dieser Signale entsprechend der An- oder Ab­ wesenheit in Bezug auf die Stellglieder zusätzlich beaufschlagbar ist, und
• - wobei die Signale der Personen-Detektoren als Daten mit einem Schichten-, Tages- und Wochen-Plan über die perso­ nelle Nutzung der Räume vergleichbar sind und entsprechend einem gespeicherten Verhaltensmuster, das eine Anwesenheit oder Abwesenheit an einer oder mehreren der folgenden Ar­ beitsschichten oder -tage erwarten läßt, eine Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate entsprechend einer Klimatisierung bei Anwesenheit oder Abwesenheit vor­ nimmt.

In der US-Patentschrift 5 165 465 A wird eine Klima-Anlage be­ schrieben, die als sogenanntes HVAC-System aufgebaut ist (heating, ventilating and air-conditioning system). Eine Raum- und Zonenkontrolle besitzt eine Temperatursteuerung und verschiedene weitere Sensoren. Eine Steuereinheit überwacht die Anwesenheit von Personen in dem betreffenden Raum, be­ stimmt die Jahreszeit und setzt die Temperatur in einem lee­ ren Raum zurück. Das System ist vor allen Dingen für Hotel­ räume gedacht, in denen sich Personen je nach Vermietung des Raumes aufhalten. Das System ist auch vorzugsweise mit einem Feuermelder gekoppelt. Die An- oder Abwesenheit von Personen wird zwar über geeignete Sensoren erfasst und fließt in eine für jede Zone oder jeden Raum individuell angepasste Steue­ rung der Klimatisierungsapparate ein. Es ist jedoch nachtei­ lig, daß bei jeder Änderung des Belegungsstatus des Raumes, also auch bei einer nur kurzzeitigen An- oder Abwesenheit der Person, von der Steuereinheit eine Änderung der Heizungs-, Lüftungs- und Kühlungsparameter vorgenommen wird. Dies führt zu einem oft nur kurzzeitigen und daher ebenso verschleißin­ tensiven wie energieverzehrendem Anlaufen der Heizungs-, Lüf­ tungs- und Kühlungsapparate.

Eine etwas andere Aufgabenstellung stellt sich bei der Klima­ tisierung von Büroräumen. Durch Einführung von Gleitzeit so­ wie durch Dienstreisen der Beschäftigten werden Büroräume zu­ nehmend zu sehr unterschiedlichen Zeiten genutzt. Sie bleiben auch mehrere Tage unbenutzt. Es ist möglich, Schichten (z. B. Vormittags- oder Nachmittagsschicht), Tage und Wochen in ein Zeitraster einzubringen, bei dem, wie an sich bekannt, je nach bekannter Anwesenheit und Wochentagsverteilung eine Grundsteuerung und -regelung von Heizkörpern erfolgen kann. Analoges gilt für Kühlungs- und Lüftungsapparate. So kann die Steuerung der Raumtemperatur von Räumen, die mit Flächenheiz­ körpern ausgestattet sind, über Thermostatventile und eine zentral gesteuerte Nachtabsenkung durchgeführt werden.

Geht man davon aus, daß eine "normale" Tages-Raumtemperatur in einer "Zone", die aus mehreren Räumen besteht, oder in einzelnen Räumen nur dann benötigt wird, wenn die betrachte­ ten Räume belegt sind, so ergibt sich hier der Nachteil, daß nur die einfache Anwesenheit von Personen mißt und als Steue­ rungsparameter benutzt wird, die Regelung jedoch nicht nach einem typischen, dem Verhalten von arbeitenden Personen ange­ paßten Schema arbeitet.

Aus der US-Patentschrift 5 088 645 A ist eine selbstprogrammie­ rende Steuerung für ein Heizungs- und Lüftungssystem bekannt, bei dem Signale von Personendetektoren mit einem Zeitraster korreliert werden und mit diesem abgespeichert werden, so daß mit zunehmender Lerndauer aus diesen Daten eine Voraussage hinsichtlich des zu erwartenden Belegungszustands eines Rau­ mes abgeleitet werden kann.

Nachteilig bei der bekannten Lösung ist aber, daß die Zeitin­ tervalle zur Abfrage der Sensoren starr festgelegt sind. Sind die Zeitintervalle lang gewählt, kann eine zwischen zwei Sen­ sorabfragen begonnene Benutzung eines Raumes nicht erkannt werden, so daß auch die Klimatisierung des Raumes erst mit dem nächsten Sensorabfrage angepaßt wird. Wird hingegen das Zeitintervall relativ kurz gewählt, wird jedes kurzzeitige Verlassen oder Betreten registriert und es werden jedesmal die Heizungs- und Lüftungssysteme entsprechend angepaßt, so daß hier die Gefahr besteht, daß sich der Regelkreis aufschwingt. Nachteilig ist hier, daß die kurzfristige An- oder Abwesenheit von Personen registriert wird und somit auch das abgespeicherte Verhaltensmuster prägt, wenn nicht aus den re­ gistrierten An- oder Abwesenheitssignalen nachträglich dieje­ nigen Daten durch Filterung eliminiert werden, die auf einer nur kurzen An- bzw. Abwesenheit beruhen.

Eine solche Filterung und Aufbereitung der Daten für einen individuell angepassten Zeitplan mittels Fuzzy-Algorithmen ist in der EP 0 631 219 A1 offenbart. Die Umsetzung dieser Filterung mittels Fuzzy-Logic erfordert jedoch eine aufwendi­ ge Reglertechnik und -programmierung.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Klimaanla­ ge der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Anlage zur Erkennung einer Änderung beim Belegungsstatus sensibilisiert ist und zugleich während des erkannten Bele­ gungsstatus eine ausreichende Trägheit aufweist, um kurz an­ dauernde Änderungen im Belegungsstatus herauszufiltern.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Klima-Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Häufigkeit und ein Schwellwert von Abfragen der Per­ sonen-Detektoren über den Tag verteilt unterschiedlich sind.

Die erfindungsgemäße Klima-Anlage zeichnet sich dadurch aus, daß eine kurzzeitige An- oder Abwesenheit - tageszeitabhängig - gar nicht erst solche Signale hervorruft, die in die Zent­ raleinheit einfließen, also auch keinen Einfluß auf den Schichten-, Tages- und Wochen-Plan über die personelle Nut­ zung der Räume nehmen. Damit wird eine Beeinflussung der Plä­ ne durch kurzzeitige, vorübergehende Änderungen der Raumbele­ gung vermieden, und es entfällt eine aufwendige spätere Filte­ rung der Daten.

Am Beginn des erwarteten Benutzungszeitraumes hat die Klima- Anlage gemäß der Erfindung eine hohe Abfragefrequenz, beispielsweise werden jede Minute die Personen-Detektoren abge­ fragt. Eine Raumbelegung durch eine Person wird schnell er­ faßt, so daß schon nach sehr kurzer Reaktionszeit eine Anpas­ sung der Klimatisierung in dem Raum durch die Zentraleinheit bewirkt wird. Während der Zeit, in der die Raumbelegung zu erwarten ist, werden die Daten der Sensoren mit einer niedri­ gen Abfragefrequenz aufgenommen, so daß die Klima-Anlage wäh­ rend dieser Zeit eine gewisse Trägheit hat, weniger schnell auf kurzzeitige Änderungen des Status der Raumnutzung rea­ giert und somit ein konstantes Raumklima bewirkt. Mit einer abermaligen Erhöhung der Abfragefrequenz zur Zeit des erwar­ teten Endes der Raumbelegung wird die Anlage wieder sensibi­ lisiert, so daß frühestmöglich das Verlassen der Räume durch den Nutzer erkannt und die entsprechende, energiesparende Klimatisierung bei Abwesenheit eingeleitet werden kann.

Um durch Anwesenheit von Reinigungspersonal die Zentral­ einheit nicht zu "täuschen", kann ein UND-Gatter vorgeschal­ tet sein, das mit einer Zeitvorgabe gekoppelt ist. Somit wird ein Gültigkeitsintervall bestimmt, außerhalb dessen - beispielsweise nach einer bestimmten Uhrzeit - ein Anwesen­ heits-Signal überhaupt nicht mehr von der Zentraleinheit re­ gistriert werden.

Es kann auch eine zeitabhängige Anhäufung der Anwesenheits- oder Abwesenheits-Signale in einem integrierenden Register oder durch einen integrierenden Verarbeitungsalgorithmus er­ folgen, so daß mehrere kurzzeitige An- oder Abwesenheiten in dem Raum nicht gezählt werden. Erst wenn der akkumulierte Wert von An- oder Abwesenheits-Signalen einen Schwellwert er­ reicht, wird eine Anpassung der Temperatur bewirkt. Ein Auf­ schwingen des Regelkreises wird verhindert.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele, die im folgenden beschrieben werden. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 zwei Arbeitsplätze eines Gebäudes, die mit einer Steuerung gemäß Erfindung ausgestattet sind und

Fig. 2 ein Abfragschema einer Steuerung gemäß Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Anordnung mit zwei Räumen dargestellt. Jeder Raum 1, 2 besitzt einen Arbeitsplatz 3, der von einer Person 4 besetzt oder unbesetzt sein kann; in Raum 2 befin­ det sich keine Person, während Raum 1 von einer Person besetzt ist.

Weiterhin ist der Raum bestückt mit einem marktüblichen Ultraschall-Sensor 5, 5', der als Personen-Detektor dient. Weiterhin ist ein Thermostat 6, 6' vorhanden, der die Temperatur abfühlt und entsprechend einer Soll-Temperatur einen Heizkörper 8, 8' über ein Ventil 7, 7' steuert. Der Thermostat 6, 6' ist sowohl mit einem Temperatursensor als auch mit einer Temperatur-Sollvorgabe ausgestattet, ent­ sprechend der Temperatur-Sollvorgabe, die von einem Zentral­ rechner (PC) 10 vorgegeben ist. Jede Zone bzw. jeder Raum enthält eine individuelle, eindeutige Adresse zwecks Steuerung und Erkennung der Sensordaten durch den Rechner 10. Die Raumtemperatur wird eingestellt nach dem Bedürfnis der betreffenden Person 4. Ist keine Person anwesend, so stellt dies der Sensor 5' im Raum 2 fest. Gleichzeitig ist ein Tagesraster 11, 11' für jeden Raum vorgegeben.

Die Datenübertragung kann über Drahtleitungen, jedoch auch über ein Funkmodem oder über eine entsprechend modulierte Leitung des 230 V-Netzes erfolgen. Ein Standardprofil ist so angelegt, daß Arbeitstage, Wochenenden, Feiertage und andere frei individuell eingebbare Daten berücksichtig sind. Dies ist durch das Schema MO-DI-MI-DO-FR-SA-SO schematisch dargestellt. Aufgrund der zu bestimmten Zeiten von den Raum­ bewachungssensoren gelieferten Belegungsinformationen wird das Standardprofil entsprechend der Nutzung des Raumes dahin­ gehend angepaßt, daß die Thermostat-Steller den Befehl für die Einstellung der Tages- bzw. Nachttemperatur in Abhängig­ keit von der tatsächlichen Belegung erhalten. Ist beispiels­ weise schon am Montag der Raum 2 nicht ausreichend belegt, so schaltet das System für die restlichen Tage ebenfalls auf eine niedrige Raumtemperatur. Ist dagegen der Montag bereits besetzt, so wird angenommen, daß auch am Dienstag, Mittwoch, Donnerstag, Freitag gearbeitet wird. Dieser Vorgang ist jedoch dynamisch und wird täglich wiederholt, so daß Ände­ rungen in der Belegung der Räume bzw. der Zonen täglich neu registriert werden.

Werden die Räume 2, 3 kurzzeitig, beispielsweise durch nach­ schauende Kollegen oder durch Reinigungspersonal betreten, so wird in der Zentraleinheit nur ein kurzes Signal in einem Register aufaddiert, das jedoch nicht ausreicht, den Raum als "belegt" zu kennzeichnen. Auch durch ähnliche inte­ grierende Verarbeitungsalgorithmen lassen sich derartige "Ausreißer" korrigieren. Ein Schwingen des Regelkreises wird vermieden.

Das Verhaltensmuster kann auch durch entsprechende Computer- Programme "gelernt" werden. So kann beispielsweise bei der Person, die als Außendienstmitarbeiter zwei Tage anwesend ist, dann den Rest der Woche wieder abwesend ist, eine entsprechend andere Programmierung unter Berücksichtigung der Ab- und Anwesenheit eingeführt werden.

Nachträgliche oder zusätzliche Verkabelungen können vermieden werden, indem der Datenaustausch zwischen den einzelnen Komponenten des gesamten Systems z. B. über eine Funkbrücke mit Hilfe marktüblicher Funkmodem-Technik oder über aufmodulierte Träger im 220 V-Netz eines Gebäudes rea­ lisiert werden kann. Da jede Zone oder jeder Raume eine eigene Adresse besitzt, können bei Funkanbindung alle Informationen in einem Duplex-Kanal übertragen werden. Analog gilt dies auch für die Anwendung in einem modulierten 230 V-Leitungsnetz.

Anhand der Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben.

Gegeben ist ein Bürogebäude, dessen Bewohner eine Standard­ arbeitszeit von 38,5 Stunden pro Woche haben, wobei diese im Normalfall von Montags bis Donnerstags von 07:30 bis 16:00 Uhr und Freitags von 07:30 bis 14:30 Uhr abzuwickeln sind. Der Zugang zum Bürogebäude ist von 07:00 bis 19:00 Uhr möglich. Das Heizsystem ist mit einer Nachtabsenkung von 19:00 bis 07:00 Uhr beaufschlagt.

Das Standardprofil für die Beheizung aller Räume ist zu­ nächst wie folgt eingestellt:

Wochentag
Uhrzeit
Montag	07:15-16:00
Dienstag	07:15-16:00
Mittwoch	07:15-16:00
Donnerstag	07:15-16:00
Freitag	07:15-14:30

Das System beginnt also 15 Minuten vor der eigentlichen Büro­ zeit mit der Heraufsetzung der Temperatur und setzt zum Ende der Bürozeit diese wieder herab, wie dies aus der Kurve K hervorgeht.

Um dieses Profil raumindividuell täglich neu anzupassen, werden in kurzen Abständen (z. B. 1 Minute) die Belegung der einzelnen Räume abgefragt. Dies geschieht durch Abfrage der jeweils kumulierten Amplituden-Maxima der Bewegungs- oder Infrarotmelder über einen bestimmten Zeitintervall mit einem Schwellwert. Die Häufigkeit und der Schwellwert der Abfragen ist über den Tag verteilt unterschiedlich und kann z. B. der folgenden Auflistung entsprechen:

Uhrzeit
Häufigkeit
bis 08:00	jede Minute
bis 09:00	alle fünf Minuten
bis 10:00	alle zehn Minuten
10:00 bis 14:00	nicht
bis 14:30	alle zehn Minuten
bis 19:00	alle fünf Minuten

Durch die unterschiedliche Verteilung der Häufigkeit wird zu bestimmten Zeiten eine gewünschte Sensibilisierung bzw. Trägheit erreicht.

Wird eine Belegung morgens um 07:20 festgestellt, wird für diesen Tag und diesen Raum eine Standardzeit von 07:05 als Beginn der Beheizung durch Öffnung des Sperrventils gesetzt, gleichzeitig wird dies als Anfangszeit für die nächsten Tage (Montag bis Freitag) im Standardprofil für diesen Raum re­ gistriert.

Ist ein Raum einmal als belegt erkannt, so wird diese Information erst ab nachmittags 14:00 Uhr wieder hinter­ fragt. Ist das Büro ab nachmittags 15:00 Uhr unbesetzt, so registriert das Hintergrundsystem dies als das Fehlen von Amplituden-Maxima der Sensoren über einen Zeitraum von z. B. mehr als zwanzig Minuten. Dies führt zur Absenkung der Raum­ temperatur und wird ebenfalls als Standardprofil für die Tage Montag bis Donnerstag gespeichert.

Am nächsten Tag wird nach gleichem Schema verfahren und das Profil neu angepaßt. Fehlt in der morgentlichen Abfrage die Belegungsinformation, beispielsweise wegen Urlaub oder Dienstreisen, so wird die Raumtemperatur nach einem einzu­ stellenden Zeitraum (z. B. dreißig Minuten) wieder abgesenkt. Es wird weiter jedoch abgefragt und bei Überschreiten eines Schwellwertes der Anzahl von Amplituden-Maxima die Tempera­ tur wieder heraufgesetzt, wenn der Raum erst ab z. B. 10.00 Uhr belegt wird. Stellt das System eine dauernde Abwesenheit von mehreren Tagen fest, unterbleibt die morgentliche Erhöhung der Temperatur. Dies wird erst wieder rückgängig gemacht, wenn das System neue Belegungsinformationen registriert.

Die gleiche Vorgehensweise wird für den Freitag durchgeführt mit dem Unterschied, daß das gewonnene Profil nicht auf den nächsten Wochentag, sondern erst auf den folgenden Freitag übertragen wird.

Die

• - Verteilung der Häufigkeit der Abfrage der Belegungen und Anzahl der unterschiedlichen Wochentagprofile sowie
• - alle Schwellwerte zur Über- oder Unterschreitung und Aus­ lösen von Aktionen (Temperatur herauf-/heruntersetzen)

sind einstellbar und müssen an die Hauptnutzung der betrachteten Räume angepaßt sein. Der durch dynamische Steuerung zu erzielende Einspareffekt ist umso größer, je besser diese Anpassung erfolgt und je gleichmäßiger die Nutzung der Räume erfolgt.
A:DTIP1_T4.TAT

Claims (3)

1. Klima-Anlage zur Klimatisierung eines Gebäudes, das meh­ rere Räume (1, 2) umfaßt, die zu Zonen zusammengefaßt sind und jeweils mittels Heizungs-, Kühlungs- und Lüf­ tungsapparaten erwärmt, gekühlt und/oder belüftet werden können und mit Temperaturfühlern versehen sind,

• - wobei über Stellglieder, die über eine Zentraleinheit programmiert ansteuerbar sind, die Klimatisierungspara­ meter, nämlich Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsappara­ teparameter, durch Verstellung der Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungsapparate einstellbar sind, sowie mit in den Räumen verteilten Personen-Detektoren (5, 5'), mit deren An- oder Abwesenheits-Signalen die An- oder Abwesenheit von Personen (4) feststellbar ist,
• - wobei die An- oder Abwesenheits-Signale der Personen- Detektoren (5, 5') der Zentraleinheit zugeleitet werden und letztere aufgrund dieser Signale entsprechend der An- oder Abwesenheit in Bezug auf die Stellglieder zu­ sätzlich beaufschlagbar ist, und
• - wobei die Signale der Personen-Detektoren (5, 5') als Daten mit einem Schichten-, Tages- und Wochen-Plan über die personelle Nutzung der Räume (1, 2) vergleichbar sind und entsprechend einem gespeicherten Verhaltens­ muster, das eine Anwesenheit oder Abwesenheit an einer oder mehreren der folgenden Arbeitsschichten oder -tage erwarten läßt, eine Verstellung der Heizungs-, Küh­ lungs- und Lüftungsapparate (8, 8') entsprechend einer Klimatisierung bei Anwesenheit oder Abwesenheit vor­ nimmt,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Häufigkeit und ein Schwellwert von Abfragen der Per­ sonen-Detektoren (5, 5') über den Tag verteilt unter­ schiedlich sind.

2. Klima-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitabhängige Anhäufung der An- oder Abwesenheit- Signale in einem integrierenden Register oder durch einen integrierenden Verarbeitungsalgorithmus erfolgt.

3. Klima-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anwesenheits-Signale vor dem Eingang in die Zentraleinheit über ein UND-Register oder über eine logi­ sche UND-Verknüpfung in einem Verarbeitungsalgorithmus mit einer Zeitvorgabe gekoppelt sind, nach deren Ablauf ein Anwesenheits-Signal nicht mehr registriert wird.