DE69315701T2

DE69315701T2 - Thermostat-absenkungsregler mit zeitbasiertem rucknahmesollwert eines sensorsignals

Info

Publication number: DE69315701T2
Application number: DE69315701T
Authority: DE
Inventors: Gary P. Champlin Mn 55316 Kasper; Gary A. Plymouth Mn 55441 Smith
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2013-09-18
Also published as: DE69315701D1; CA2141204A1; EP0660952B1; CA2141204C; EP0660952A1; AU4929493A; WO1994007194A1; ES2110627T3; US5219119A

Description

Die Klimaregelung in Räumen stellt eine der hauptsächlichen Anwendungen von Energie dar. Die Aufrechterhaltung der Raumtemperatur durch Heizen oder Kühlen der Raumluft ist wahrscheinlich die am meisten verbreitete Art einer solchen Regelung. Seit mindestens 20 Jahren ist es bekannt, daß erhebliche Energieeinsparungen möglich sind, wenn man den Sollwert, auf dem der Raumzustand gehalten wird, während bestimmter Zeitperioden des Tages oder der Woche auf einen Niedrigenergiewert ändert. Während der Heizperiode kann ein nicht bewohnter Raum oder ein Raum, wo die Bewohner schlafen, eine wesentlich niedrigere Temperatur annehmen als sie normalerweise angenehm ist. Während der Kühlsaison kann der Raum eine wesentlich höhere Temperatur und Feuchtigkeit annehmen, solange er nicht bewohnt ist. Diese Änderung des Sollwerts von einem mit relativ hohem Energieverbrauch auf einen mit relativ niedrigem Energieverbrauch während ausgewählter Zeitperioden des Tages wird als Absenkung bezeichnet. Diese Zeitintervalle sind als Absenkintervalle bekannt.
Um im unmittelbaren Anschluß an eine Absenkperiode eine Komfortbeeinträchtigung zu vermeiden, weil die Temperatur (oder ein anderer Parameter) ihren Normalwert noch nicht erreicht hat, ist es notwendig, mit der Änderung vom Absenksollwert bereits vor dem Ende der Absenkperiode anzufangen. Dies ergibt sich einfach aus der leicht verständlichen Tatsache, daß Klimaregelgeräte wie Heizvorrichtungen, Luftkühler und dergleichen die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder einen anderen geregelten Raumzustand nicht sofort ändern können. Um einen für die Bewohner annehmbaren Energieabsenkbetrieb durchzuführen, ist es erwünscht, den Wiederanstieg zum Normalzustand zu abschließen, bevor die Belegung des Raums beginnt oder im Fall einer Nachttemperaturabsenkung, bevor die Bewohner am Morgen aufstehen. Zugleich ist es unerwünscht mit dem Anstieg auf die Normaltemperatur zu zeitig zu beginnen, weil hierdurch Energie verschwendet wird.
In den ersten Jahren der Absenkregler war das Absenkintervall fest vorgegeben. Da je zur Durchführung der Absenkung erforderliche Zeit in Abhängigkeit von der thermischen oder sonstigen Last des geregelten Raums abhängt, hat diese einfache Art der Absenkregelung an Zustimmung der Benutzer verloren. Wenn während des Absenkintervalls eine geringe Last für die Regeleinrichtung vorhanden ist, braucht man üblicherweise weniger als die vorprogrammierte Zeit, um den Wiederanstieg abzuschließen. Andererseits reichte, wenn die Belastung des Steuersystems in der Nähe des Maximums lag, das festvorgegebene Wiederanstiegsintervall nicht aus, und die Bewohner fühlten sich unbequem, wenn sie in den Raum zurückkehrten oder aus dem Schlaf erwachten.
Die Verfügbarkeit kleiner preisgünstiger Mikroprozessoren hatte einen merklichen Einfluß auf die Steuerung des Absenkbetriebs. Typische heute benutzte Thermostate verwenden einen Mikroprozessor zum Programmieren der Start- und Endzeiten der Absenkperioden. Die Rechen- und Speicherfähigkeiten von Mikroprozessoren erlauben automatische wöchentliche und jährliche Änderungen der Absenkperioden aufgrund vorhersagbarer Belegungsänderungen von Tag zu Tag sowie von jahreszeitlichen Änderungen der Umgebungslast. Werden die Start- und Endzeiten des Absenkintervalls beispielsweise einfach anhand der Tageszeit, der Woche oder des Jahres festgelegt, so kann man einen Absenkthermostaten so programmieren, daß die Temperatur in einem Haus von Montag bis Freitag während der Tageszeit abgesenkt wird, wenn sich die Bewohner in ihrer Arbeitsstelle oder in der Schule befinden. Aber keine Absenkung erfolgt an den Wochenenden, wo die Bewohner höchstwahrscheinlich zu Hause sind. Die Startzeit für die nächtliche Absenkung kann während der Wochentage früher liegen als am Wochenende.
Ein augenfälliges Problem bei dieser Art von Absenksteuerung besteht darin, daß sie die Einwirkung externer Zustände auf die Länge des Wiederanstiegsintervalls unberücksichtigt läßt. Winterliche Außentemperaturen können beispielsweise unvorhersehbar innerhalb weniger Tage oder Wochen um 40ºF schwanken. Die sich hieraus ergebende Änderung der thermischen Last hat einen starken Einfluß auf die Länge der Wiederanstiegsperiode, welche benötigt wird, um den Raum wieder auf die Normal- oder Belegungstemperatur zu bringen.
Die fortschrittlichsten Absenkregler machen die Anfangszeit des Wiederanstiegsintervalls vom vorangehenden Verlauf der Differenz zwischen der tatsächlichen Wiederanstiegszeit und der programmierten Wiederanstiegszeit abhängig. Liegt die tatsächliche Wiederanstiegszeit zu spät, so ist es günstig, am nächsten Tag das entsprechende Wiederanstiegsintervall etwas früher beginnen zu lassen. Umgekehrt kann, falls das tatsächliche Wiederanstiegsintervall zu zeitig beginnt, am nächsten Tag das Wiederanstiegsintervall etwas später eingeschaltet werden. Obwohl dies zu relativ genauen Startzeiten für das Wiederanstiegsintervall führt, braucht man für diese historischen Daten einen relativ großen Speicher im Mikroprozessor des Thermostaten. Fällt aus irgendeinem Grund die Stromversorgung des Mikroprozessors für eine kurze Zeit aus, so gehen diese historischen Daten verloren, sofern nicht eine Ersatzstromquelle vorhanden ist. Die Fähigkeit, diese relativ große Datenmenge zu verarbeiten, erfordert einen Mikroprozessor mit hochentwickelter Software und einem großen Programmspeicher. Solche Mikroprozessorsysteme sind auf dem heutigen Markt relativ teuer, obwohl die Preise für derartige Bauteile ständig fallen.
Die wesentlichen Einschränkungen hinsichtlich der Kosten hinzugefügter Leistungsfähigkeit eines Absenkreglers ergibt sich aus zwei unterschiedlichen Betrachtungen. Zum einen liegen sie in der Energieeinsparung, die durch erhöhte Genauigkeit der Wiederanstiegssteuerung realisiert werden kann. Die Einsparungen aufgrund einer Ausdehnung der Absenkung um ein paar Minuten rechtfertigt nur eine geringe Erhöhung der Kosten des Reglers insgesamt. Zum zweiten sind Kosten unerwünscht, welche sich aus einem mangelhaften Komfort für die Bewohner ergeben, wenn der Wiederanstieg nicht in der gewünschten Zeit abgeschlossen ist. Ist der Preisunterschied einer hohen Leistungsfähigkeit gegenüber einem Regler geringer Leistungsfähigkeit nicht deutlich durch diese beiden Faktoren gerechtfertigt, so wird einem solchen Regler kein wirtschaftlicher Erfolg beschieden sein. Wenn der Endverbraucherpreis für die Zusatzeigenschaften ein merklicher Anteil der vom Regler während seiner Lebensdauer eingesparten Energie wird, so schrecken solche Zusatzmerkmale potentielle Benutzer nicht ab.
Die US-Patente 4,702,413 und 4,702,305 beschreiben Absenkthermostaten zur Verwendung in einem Heizsystem mit zwei unterschiedlichen Heizeinrichtungen. Die Zeit, zu der der Wiederanstieg beginnt, hängt von der Fehlzeit ab, die sich am Ende des vorangehenden Wiederanstiegsintervalls ergeben hat.
Das US-Patent 4,522,336 beschreibt die Steuerung der Gebäudetemperatur einschließlich einer Absenkphase. Die Zeit, zu der während des Absenkintervalls der Wiederanstieg auf die Belegungstemperatur in Gang gesetzt wird, um sicherzustellen, daß die Belegungstemperatur zu gewünschten Zeit erreicht wird, hängt von den abgespeicherten Abweichungen aus vorangehenden Wiederanstiegsintervallen ab.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung offenbart einen Regler mit Sollwertabsenkung zur Energieeinsparung, der ein Steuersignal für den Betrieb eines Stellglieds zum Ändern eines Umgebungszustands in einem Raum derart liefert, daß während wenigstens eines durch ausgewählte Start- und End-Tageszeiten bestimmten Absenkintervalls der Umgebungszustand auf einem vorgegebenen, einem Absenk-Sollwertsignal entsprechenden Niedrig- Energieverbrauchspegel-Sollwert gehalten wird, wobei die Start- und End-Tageszeiten in einem Absenkzeitsignal enthalten sind; und daß
der Umgebungszustand während des restlichen Tages auf einem vorgegebenen, einem Normal-Sollwertsignal entsprechenden Hoch-Energieverbrauchspegel-Sollwert gehalten wird, und wobei
der Absenkregler mit einem Zustandsfühler ausgestattet ist, der ein dem gerade vorhandenen Zustandswert im Raum entsprechendes Zustandssignal liefert;
eine Uhr ein der Tageszeit entsprechendes Tageszeitsignal liefert und ein Zustandsregler das Zustandssignal sowie ein dem augenblicklichen Sollwert entsprechendes Augenblicks-Sollwertsignal empfängt, um ein hierauf ansprechendes Steuersignal zu liefern;
wenigstens ein Wiederanhebfühler einen Anstiegsparameter mißt, welcher die erforderliche Anstiegszeit vom Niedrig-Energieverbrauchspegel-Sollwert auf den Hoch- Energieverbrauchspegel-Sollwert beeinflußt, und wobei
jeder Wiederanhebfühler ein dem Wert des Wiederanstiegsparameters entsprechendes Wiederanstiegsfühlersignal liefert und der Regler gekennzeichnet ist durch:
a) eine Wiederanstiegszeit-Rechenvorrichtung, welche jedes Wiederanstiegsfühlersignal zum Berechnen eines Wiederanstiegszeitintervalls als Funktion des Wiederanstiegsfühlersignals erhält und den Betrag des Wiederanstiegszeitintervalls in einem Wiederanstiegszeitsignal angibt; und
b) einen Sollwertsignalgenerator, welcher das Tageszeitsignal, das Absenksollwertsignal, das Normalsollwertsignal, das Absenkzeitsignal und das Wiederanstiegszeitsignal empfängt, um ein Augenblicksollwertsignal mit einem Augenblicksollwert zu erzeugen, dessen Wert sich zeitabhängig ändert und von den Werten des Zeitsignals, des Absenksollwertsignals, des Normal-Sollwertsignals, des Absenkzeitsignals und des Wiederanstiegszeitsignals abhängt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Zustandsreglers mit Absenkung;
Figur 2 zeigt den Verlauf eines Temperatursollwerts über der Zeit für eine Heizabsenksituation unter Anwendung der Erfindung;
Figur 3 ist ein Flußdiagramm mit der Software, die in einem Mikroprozessor zur Durchführung der Funktionen eines Absenkreglers für Raumzustände verwendet werden kann.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Das Blockschaltbild nach Figur 1 zeigt ein vollständiges Klimaregelsystem mit einem Raum 10, dessen Innenzustand durch den Betrieb einer Steuereinheit 50 verändert wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit 50 eine Heizvorrichtung oder ein Luftkühler sein, der geheizte oder gekühlte Luft über einen Kanal 52 dem Raum 10 zuführt. Ein Absenkregler 12 ist mit seinen Funktionselementen in einem Gehäuse 15 untergebracht. Raum 10 und Gehäuse 15 haben Durchlässe für Signalwege, beispielsweise den Durchlaß 24, und diese Signale sind symbolisch so dargestellt als ob sie durch kleine Öffnungen von Raum und Gehäuse hindurchgeleitet wurden. Der Regler 12 kann innerhalb des Raums 10 oder in der Nähe der Steuereinheit 50 angeordnet sein. Ein Zustandsfühler 20 befindet sich innerhalb des Raums 10 und ermöglicht die genaue Messung des Zustands innerhalb des Raums. Ist der gesteuerte Parameter die Temperatur und der Regler 12 ein Thermostat, so ist der Zustandsfühler 20 integral im Regler 12 untergebracht. Befindet sich der Regler, wie in Figur 1 gezeigt, innerhalb des Raums, so kann der Fühler 20 unmittelbar auf der Außenseite des Gehäuses 15 oder in der Nähe von Schlitzen oder Öffnungen des Gehäuses 15 vorgesehen sein. Bei anderen Anordnungen kann sich der Fühler 20 entfernt vom Regler 12 befinden. Der Zustandsfühler 20 liefert über die Leitung 22 ein Signal, welches den augenblicklichen Wert Ce des Zustands im zu regelnden Raum darstellt.
In vielen Fällen wird der vom Regler 12 zu steuernde Zustand eine Temperatur sein, und in diesem Fall ist der Regler 12 weiter nichts als ein leistungsfähiger Absenkthermostat. Es gibt jedoch auch eine Anzahl anderer Raumzustände wie beispielsweise Feuchtigkeit, Beleuchtungsstärke und Staubansammlung, welche bei unbesetztem Raum auf einem bestimmten Pegel und bei besetztem Raum auf einem anderen eine höhere Energiezufuhr erfordernden Pegel gehalten werden und der nicht schnell genug geändert werden kann, um eine Änderung der Belegung zu berücksichtigen. Für den Rest der Beschreibung ist es am einfachsten, wenn man die gesteuerte Zustandsvariable als Temperatur und das gesamte System im Heizungsbetrieb betrachtet.
Der Regler 12 hat mehrere Funktionselemente, welche durch Signalwege untereinander verbunden sind. Es ist am wirksamstem, einen einzigen entsprechend programmierten Mikroprozessor einzusetzen, um diese Funktionen auszuüben. Figur 3, die später noch beschrieben wird, zeigt die Struktur eines Programms, welches von einem Mikroprozessor zur Durchführung der Erfindung verwendet werden kann. Der Leser sollte jedoch beachten, daß selbst bei Anwendung eines Mikroprozessors für die Erfindung die einzelnen Funktionselemente innerhalb des Gehäuses 15 während der Zeit der ihre aktuellen Funktionen vom Mikroprozessor durchgeführt werden, tatsächlich physikalisch vorhanden sind. In der Tat wird der Mikroprozessor kurzzeitig zu solchen individuellen Funktionselementen, wobei die Kommunikationsfunktion des Mikroprozessors die Signalwege bildet.
Die Schnittstelle, über die eine Bedienungsperson mit dem Regler 12 kommunizieren kann, ist nicht dargestellt. Der Fachmann kennt Eingabetastaturen sowie Anzeigen von programmierbaren Absenkthermostaten mit Mikroprozessoren. Diese Elemente stellen solche Schnittstellen dar.
Der interne Zustand des Raums 10 kann durch Anlegen eines Steuersignals über die Leitung 48 an die Steuereinheit 50 verändert werden. Im Fall einer Temperatur als gesteuerte Variable ist die Steuereinheit 50 eine Heizvorrichtung oder ein Luftkühler.
Es gibt zahlreiche unterschiedliche vom Benutzer eingestellte Parameter, welche in den Regler geladen werden müssen, bevor der beabsichtigte Betrieb durchgeführt werden kann. Es gibt auch eine Anzahl unterschiedlicher veränderbarer Parameter, welche entweder intern oder extern erzeugt werden und für den Betrieb des Reglers erforderlich sind. Die Bezeichnungen an den Datenleitungen, welche diese verschiedenen Parameter übertragen, identifizieren die jeweiligen Daten.
Die nachfolgende Aufstellung definiert die für die anschließende Beschreibung für diese Parameter benutzten Symbole. Symbole mit t beziehen sich auf eine Zeit, entweder eine konstante oder eine variable Zeit und entweder auf eine Tageszeit oder die Länge eines Zeitintervalls. Symbole mit E bezeichnen einen Sollwert für einen gesteuerten Raumzustand innerhalb des Raums, der typischerweise aber nicht ausschließlich eine Temperatur sein wird. Symbole mit R definieren den Wert oder Pegel eines Zustands, üblicherweise außerhalb des Raums, der die Länge des Wiederanstiegsintervalls beeinflußt und den man allgemein als Wiederanstiegsparameter bezeichnet. Es ist zu erwarten, daß wenigstens einer der R-Werte eine Temperatur ist, sofern E eine Temperatur ist.

Signalaufstellung

tr = berechnete Länge des Wiederanstiegsintervalls
trli = die längste zulässige Zeit für das Wiederanstiegsintervall des i-ten Fühlers
trsi= die kürzeste zulässige Zeit für das Wiederanstiegsintervall des i-ten Fühlers
te = Tageszeit bis zum Ende des Wiederanstiegs, d.h. Beginn der Hochenergie- Nutzungsperiode
ts = Tageszeit bis zum Beginn der Absenkung, d.h. Beginn der Niedrigenergieverbrauchs-Periode
t = laufende Tageszeit
Eh = Raumzustands-Sollwert bei Hochenergie-Verbrauchspegel (normal) vor und nach der Absenkung
El = Raumzustands-Sollwert bei Niedrigenergie-Verbrauchspegel während der Absenkung ehe der Wiederansteig beginnt
Ec = der periodisch berechnete laufende Raumzustands-Sollwert
Ce = der gemessene laufende Raumzustandswert
Rpi = der vom i-ten Wiederanstiegsfühler gemessene Wiederanstiegsparameterwert; im Beispiel gilt Rp3 = Ce
Rphi und Rpli = Nenn-Hoch- und -Niedrigwerte von Rp für den i-ten Wiederanstiegsfühler; wird für die Einstellung der Verstärkung bei den Sollwertberechnungen verwendet.
Bei digitalen Absenkthermostaten ist es erforderlich, ein Signal mit der laufenden Tageszeit sowie dem Wochentag zur Verfügung zu stellen. Bei der Einrichtung nach Figur 1 liefert eine Uhr 38 das Tageszeitsignal auf der Leitung 40 sowie üblicherweise auch den Wochentag. Bei diesen Thermostaten ist es ferner notwendig, periodisch die Differenz zwischen dem laufenden Sollwert EC und dem Raumzustand Ce zu berechnen. Es ist folglich notwendig, ein Initialisierungssignal INIT zur Verfügung zu stellen, welches in vorgegebenen Intervallen, üblicherweise jede Minute, eine Pegeländerung aufweist. Jedesmal, wenn der Regler 12 eine Pegeländerung des Initiatorsignals feststellt, wird ein Vergleich des laufenden Sollwerts und des Raumzustands durchgeführt. Liegt die Differenz außerhalb eines vorgegebenen Regelbereichs, so wird eine Betriebsänderung der Steuereinheit 50 eingeleitet, um den vom Zustandsfühler 20 gemessenen Raumzustand zu ändern.
Anstelle sich, wie dies bisher üblich war, für die Bestimmung der richtigen Zeit in einem Absenkintervall für den Beginn des Wiederanstiegs vom Absenksollwert auf den Normalwert auf die vorangehenden Abweichungen zu verlassen, stützt sich die hier beschriebene Einrichtung auf Meßwerte von Umgebungszuständen, die von einem oder mehreren Wiederanstiegssensoren gemessen werden. Bei der Einrichtung gemäß Figur 1 sind drei solcher Wiederanstiegssensoren dargestellt. Die Anstiegssensoren RS1 und RS2 mit dem Bezugszeichen 13 und 14 sind auf Bügeln 17 bzw. 18 an der äußeren Oberfläche des Raums 10 befestigt. Wie in der oben beschriebenen Signalliste angedeutet, liefern diese Sensoren 13 und 14 über die Leitungen 24 bzw. 25 Wiederanstiegsparameterwerte Rp1 und Rp2. Bei einer typischen Anlage, bei der der gesteuerte Zustand innerhalb des Raums 10 die Temperatur ist, kann der Wiederanstiegsfühler 13 die Temperatur außerhalb des Raums 10 und der Wiederanstiegsfühler 14 die Windgeschwindigkeit in der Nähe des Raums 10 messen.
Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung liegt in der Fähigkeit, einen internen Zustand des Raums 10 als Wiederanstiegsparameter zum Steuern des Beginns des Wiederanstiegs zu verwenden. In Figur 1 umfaßt der Zustandsfühler 20 den dritten Wiederanstiegsfühler und liefert einen dritten Wiederanstiegsparameterwert Rp3 über die Leitung 22a, welche gestrichelt dargestellt ist, um anzudeuten, daß es sich bei diesem Eingangssignal um eine Option handelt.
Ein Wiederanstiegszeitrechner 33 empfängt die Wiederanstiegsparameter Rp1, Rp2 und sofern vorhanden Rp3 über die Leitungen 24, 25 bzw. 22a. Außerdem werden von der Bedienungsperson Wiederanstiegszeitgrenzen sowie Wiederanstiegsbereichs-Nennwerte vorgegeben und für die Berechnung der Wiederanstiegszeit verwendet. Die Wiederanstiegszeitgrenzen trl und trs bestimmen die längsten bzw. kürzesten Zeiten, die für die Wiederanstiegszeit zulässig sind. Die Wiederanstiegsbereichswerte werden für jeden Wiederanstiegsfühler 13, 14 usw. festgelegt und sind hohe und niedrige Nennwerte, wie sie für jeden Parameter zu erwarten sind. Die von einem Fühler gemessenen Werte können natürlich aus einem vorgegebenen Bereich herausfallen, ohne ein Problem zu verursachen. Zweck dieser Bereiche ist eine gewisse Steuerung der Verstärkung oder Antwort des Algorithmus, mit dem der Wiederanstiegszeitrechner 33 die Wiederanstiegszeit berechnet. Das vom Rechner 33 berechnete Wiederanstiegsintervall erscheint in einem Signal auf der Leitung 35.
Die vom Rechner 33 zur Bestimmung des Wiederanstiegsintervalls als Funktion dieser verschiedenen Werte und Koeffizienten benutzte Gleichung kann viele verschiedene Formen haben. Im breitesten Sinn der Erfindung überläßt man die tatsächliche Gleichung der Auswahl der die Erfindung anwendenden Person. Der Fachmann wird zweifellos in der Lage sein, eine geeignete funktionelle Beziehung zwischen den Parameterwerten der Wiederanstiegssensoren und dem Wiederanstiegsintervall auszuwählen, welche den Beginn des Wiederanstiegs zu einer Zeit ermöglicht, die hochgradig sicherstellt, daß der Wiederanstieg am Ende der Absenkperiode geschlossen ist und zugleich nicht dazu führt, daß der Zustand des Raums den Hochenergie-Sollwert zu einem ungeeignet frühen Zeitpunkt erreicht.
Eine bevorzugte funktionelle Beziehung besteht in einer linearen Antwort auf Änderungen der von einem Wiederanstiegssensor 13, 14 usw. gemessenen Parameterwerte. Diese Gleichung wird im einzelnen in Verbindung mit dem Software-Flußdiagramm der Figur 3 erläutert. Verwendet man mehrere Wiederanstiegsfühler 13, 14 usw., so wird ein Überlagerungsverfahren bevorzugt, wo zunächst ein Fühlerwiederanstiegszeitintervall tr1, tr2 ... tri ... tm für die Sensoren eins, zwei bis n berechnet wird und die einzelnen Sensorwiederanstiegszeitintervalle tri für jeden Sensor 13, 14 usw. zu einem Wert tr = Σ tri aufsummiert werden.
Bei dieser Anordnung wird ein System mit einem einzigen Wiederanstiegssensor zu einem Spezialfall eines Systems mit einer Vielzahl von Wiederanstiegssensoren, wobei Σ tri = tr1 = tr.
Wie oben erwähnt, bewirken Pegeländerungen des Initiatorsignals INIT auf der Leitung 40a die Berechnung eines neuen Wiederanstiegsintervalls. Da das Zeitintervall zwischen den einzelnen Pegeländerungen im INIT-Signal relativ kurz im Vergleich zur Länge eines typischen Wiederanstiegszeitintervalls tr ist, kann man während einer aktuellen Wiederanstiegsphase eine Anzahl verschiedener Wiederanstiegs-Intervallängen berechnen, was eine genaue Konvergenz des Raumzustands in Richtung auf den Sollwert zuläßt.
Mit einer auf der Leitung 35 durch eine neue Berechnung bestimmten Wiederanstiegsintervallänge tr berechnet die Einrichtung einen neuen Sollwert für das Intervall von der augenblicklichen Pegeländerung im INIT-Signal bis zur nächsten. Ein Sollwertgenerator 43 liefert einem Zustandsregler 46 einen Wert EC, welcher den laufenden Sollwert darstellt. Der Zustandsregler 46 bestimmt dann, ob die Steuereinheit 50 aufgrund der Differenz zwischen dem laufenden Sollwert EC und dem Pegel des Raumzustandes Ce gemäß Sensorsignal auf der Leitung 22 aktiviert wird. Es ist natürlich möglich, eine Proportionalregelung vorzusehen, sofern die Steuereinheit 50 dies erlaubt.
Der vom Sollwertgenerator 43 für die Ableitung des laufenden Sollwerts EC benutzte Algorithmus hängt von der Tageszeit t sowie von den Start- und Endabsenkzeiten ts und te im Signal auf der Leitung 32 und auch von den Absenk- und Normal-Sollwerten El und Eh im Signal auf der Leitung 31 ab. Diese Werte werden von der Bedienungsperson zur Speicherung im Mikroprozessorspeicher eingegeben, ehe die eigentliche Absenkoperation des Reglers 20 beginnt. Durch Vergleich der Tageszeit t im Zeitsignal auf der Leitung 40 von der Uhr 38 mit der Start-Absenkzeit ts im Signal auf der Leitung 32 läßt sich bestimmen, wann das Absenkintervall anfangen soll. Wenn in Figur 2 zur Zeit t = ts der laufende Sollwert Ec durch den Sollwertgenerator 43 von eh in el geändert wird, sinkt die Temperatur langsam auf El ab, sobald sich der Raum abkühlt. Dies ist die übliche Praxis.
Zu allen Zeiten und insbesondere während dieses Absenkintervalls wird nach jeder Minute vom Rechner 33 das Intervall tr errechnet. Wenn die bis zum Ende des Absenkintervalls verbleibende Zeit kleiner wird als das Wiederanstiegszeitintervall tr, so berechnet der Generator 43 periodisch einen Übergangssollwert, der zwischen El und Eh liegt, und zwar entsprechend den Werten in den Signalen auf den Leitungen 31, 32 und 35. Bevor dies geschieht, wird der Niedrigenergie-Sollwert El als Ec benutzt. Dieser Übergangssollwert liegt immer zwischen El und Eh einschließlich und kann auf verschiedene Weise bestimmt werden. Bevorzugt benutzt man den Augenblickswert von tr und te zusammen mit den Absenk- und normalen Sollwerten El und Eh, um für die nachfolgende Minute als Antwort auf jede Pegeländerung im INIT-Signal die Neigung einer Wiederanstiegslinie 60 zu bestimmen, die durch den von den Werten Eh und te definierten Punkt verläuft. Der Punkt auf dieser Linie entsprechend der augenblicklichen Zeit t wird der laufende Sollwert Ec im Signal auf der Leitung 44 und gelangt zum Zustandsregler 46. Die Gleichung, welche den augenblicklichen Sollwert Ec nach diesem Algorithmus ermittelt, lautet:
EC = Eh - [(te - t)(Eh - El)/tr].
Die Neigung der Wiederanstiegslinie 60 beträgt (Eh - El)/tr. Nimmt man an, daß Eh und El sich während eines Wiederanstiegsintervalls nicht ändern, so beeinflußt nur tr die Neigung der Linie 60. Ändert sich tr ebenfalls nicht, so ändert sich die Neigung der Wiederanstiegslinie 60 nicht und der laufende Sollwert Ec ändert sich linear von einer Minute zur nächsten. Als Beispiel einer Berechnung eines Sollwerts während eines Wiederanstiegsintervalls mit sich nicht änderndem tr kann man annehmen, daß folgende Werte existieren:
Eh = 21,1ºC (70ºF)
El = 15,6ºC (60ºF)
te = 08.00 Uhr
t = 07.15 Uhr
tr = 120 Minuten
Dann ist Ec = 21,1ºC - [(8:00 - 7:15)(21,1ºC - 15,6ºC)/120 min.] = 19,0ºC (66,25ºF). Wie man sieht, ändert sich Ec linear mit t von Minute zur Minute.
Oft ergeben sich Zustände, wo der berechnete Wert von Ec kleiner als El ist. In diesem Fall wird Ec gleich El gesetzt. Diese Zustände ergeben sich üblicherweise am Anfang eines Absenkintervalls, wo die Neigung (Eh - El)/tr groß ist im Vergleich zur Länge des Absenkintervalls.
Ändern sich die von den Wiederanstiegssensoren 13, 14 usw. während des Wiederanstiegsintervalls festgestellten Zustände, so ändert sich die Neigung der Wiederanstiegslinie 60, um dieser Situation gerecht zu werden. Dies erscheint logisch, weil beispielsweise eine reduzierte Heizlast im Raum während des Wiederanstiegintervalls die Länge des erforderlichen Wiederanstiegsintervalls verkürzt. Diese Situation führt zu einer berechneten Wiederanstiegsintervallänge tr, die kürzer ist als eine Vergrößerung der Neigung der Wiederanstiegslinie. Ändern sich die von den Wiederanstiegsfühlern 13, 14 usw. gemessenen Situationen von einer Wiederanstiegsperiode zur nächsten, so führt die unterschiedliche berechnete Länge tr des Wiederanstiegsintervalls zu einer unterschiedlichen Neigung der Wiederanstiegslinie von Intervall zu Intervall.
Es ist möglich, daß zu gewissen Zeiten während eines Wiederanstiegsintervalls eine bestimmte Neuberechnung von tr einen Wert wiedergibt, der kleiner ist als te - t. Im Heizfall bedeutet dies einen berechneten laufenden Sollwert ec, der kleiner ist als der Absenksollwert El. In diesem Fall setzt man bevorzugt den laufenden Sollwert auf den Niedrigenergie-Absenksollwert El. Als Beispiel für einen solchen Fall kann man sich obiges Beispiel vorstellen, wo mit t = 7:15, tr sich von 120 auf 40 Minuten ändert. Dies ergibt einen berechneten Wert Ec = 21,1ºC - [(8:00 - 7:15)(21,1ºC - 15,5ºC)/40 min.] = 5,6ºC (58.75ºF). Da 5,6ºC kleiner sind als der spezifizierte Wert von El = 15,5ºC, ist der Wert, welcher diese Eigenschaft des Algorithmus für Ec liefert gleich 15,5ºC (60ºF).
Obwohl eine lineare Wiederanstiegskurve vom Standpunkt eines maximalen Wirkungsgrades gesehen offensichtlich nicht optimal ist, ist die tatsächliche Verringerung des Gesamtwirkungsgrads gegenüber einer Idealkurve relativ gering. Sobald erst einmal die verschiedenen vom Benutzer vorgegebenen Konstanten ordnungsgemäß eingestellt sind, zeigen die Ergebnisse in Testanlagen sowie die Ergebnisse von Simulationen, daß sowohl eine ausgezeichnete Wiederanstiegsgenauigkeit als auch ein exzellenter Energiewirkungsgrad durch Benutzung dieses Algorithmus erzielt werden. Gleichzeitig besteht keine Notwendigkeit, vorhergehende Wiederanstiegs-Fehlerdaten im Mikroprozessorspeicher bereitzuhalten.
Der Zustandsregler 46 liefert ein Steuersignal auf der Leitung 48, welches die Steuereinheit 50 so beaufschlagt, daß der Zustand im Raum 10 eher an den laufenden Sollwert Ec gebracht wird. Im einfachen Heizfall eines Hauses, wo die Heizvorrichtung nicht proportional regelbar ist, wird die Heizvorrichtung (Steuereinheit 50) eingeschaltet, sobald der laufende Sollwert Ec (die Thermostateinstellung) größer ist als die Innentemperatur Ce. Hierbei wird angenommen, daß andere Beeinflussungen im Steueralgorithmus, die sich aus der Zyklusrate usw. ergeben, nicht vorhanden sind. Die berechnete Dauer tr des Wiederanstiegsintervalls muß lang genug sein, um solche zusätzlichen Einflüsse zu berücksichtigen.
Ein Fall, der speziell erwähnt werden sollte, ist der, wo der einzige Wiederanstiegssensor der Zustandsfühler 20 ist. Diese Ausgestaltung wird von der Erfindung speziell umfaßt. Die tatsächliche Neigung der Wiederanstiegskurve 60 hängt bei dieser Konfiguration von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich der Ansprechkurve der Steuereinheit 50 und deren tatsächlicher Kapazität in bezug auf die vom Raum 10 dargestellte Last. Durch geeignete Auswahl einer minimalen Zeit tr wird unter diesen Umständen das Wiederanstiegsintervall selbst für die höchsten Heizlasten im Raum 10 angemessen, wenn Ce frühzeitig im Absenkintervall den Wert El erreicht. Dabei wird, wenn Ce den Wert El während des Absenkintervalls nicht erreicht, eine kürzere Zeit tr berechnet, wodurch ein genauer Anstieg auf Eh ermöglicht ist.
Figur 3 zeigt ein Flußdiagramm, welches eine bevorzugte Softwareausführungsform zur Anwendung der Erfindung in einem Mikroprozessor darstellt. Sie folgt bekannten Flußdiagramm-Konventionen, wo hexagonale Kästchen wie der Block 70 ein Entscheidungselement und rechteckige Kästchen wie der Block 75 Elemente bezeichnen, die irgendeine Art von Aktivität durchführen. Es ist zu betonen, daß jedes dieser Elemente zu der Zeit, wo diese Funktion durchgeführt wird, physikalisch existiert. Dies bedeutet, daß wenn die einzelnen die Funktion eines bestimmten Elements ausübenden Befehle ausgeführt werden, Teile des Mikroprozessors in der Tat eine physikalische Ausführungsform des Elements werden. Sobald die Funktion abgeschlossen ist, verschwindet das Element und der Mikroprozessor wird zum nächsten Element, dessen Funktion durchzuführen ist.
Das Abarbeiten der Befehle, welche diese Erfindung einschließt, beginnt mit denen des Entscheidungselements 70, welches pro Minute den Pegel des Initiatorsignals auf der Leitung 40 von Figur 1 umschaltet. Andere Befehle innerhalb des Mikroprozessors übertragen die Ausübung der Befehle des Elements 70, wodurch die Ungleichung ts < t < te festgestellt wird. Besteht die Umgleichung nicht zur vorgegebenen Zeit, so bedeutet dies, daß sich das System derzeit nicht im Absenkmodus befindet, und der Befehlsablauf geht zum Aktivitätselement 72 über. Die Befehle des Elements 72 bewirken, daß der laufende Sollwert Ec auf den normalen Sollwert Eh gesetzt wird, und es tritt keine weitere Einwirkung der Erfindung auf. Der Befehlsablauf wird über das Ausgabeelement 43 an andere Softwaremodule innerhalb des Mikroprozessors weitergeleitet.
Ist die Ungleichung im Element 70 erfüllt, so ist laufend ein Absenkmodus vorhanden, und es ist erforderlich zu bestimmen, wann der Wiederanstieg anfangen sollte. Die von den Wiederanstiegssensoren 13, 14 usw. in Figur 1 laufend gemessenen verschiedenen Parameterwerte Rpi werden durch einen Befehl des Aktivitätselements 75 in den Mikroprozessorspeicher eingegeben. Der Wert Rpi ist der vom i-ten Wiederanstiegssensor gegenwärtig gemessene Parameterwert.
Die Befehle des Aktivitätselements 77 werden als nächste durchgeführt, um die Wiederanstiegszeit tri für jeden einzelnen Sensor 13, 14 usw. zu berechnen. Wie in Verbindung mit Figur 1 erwähnt, gibt es zahlreiche verschiedene Gleichungen, die man zur Bestimmung der speziellen Werte von ti für den i-ten Sensor verwenden kann. Eine Bevorzugte ist im Aktivitätselement 77 dargestellt und setzt das Wiederanstiegsintervall tri für den i-ten Sensor auf tri = trli - [(Rpi - Rpli)(trli - trsi)/(Rphi - Rpli)]. Dabei ist jeder dieser Werte mit Ausnahme des variablen Zustandssensorparameterswertes Rpi von der Bedienungsperson für den speziellen Sensor vorgegeben. Als Beispiel dieser Berechnung sei angenommen, daß
trli = 180 Minuten
trsi = 10 Minuten
Rpli = -30,6ºC (-10ºF)
Rphi = 15,5ºC (60ºF)
Rpi = -24,3ºC (10ºF)
Dann ergibt sich tri = 180 Minuten - {[-24,3ºC - 30,6ºC)][180 Min. - 10 Min.]/[15,5ºC - (-30,6ºC)]} = 131,4 Min.
Es wird bevorzugt, für die einzelnen Werte von tri, wie sie durch die Ungleichungen trsi ≤ tri ≤ trli sowie die Elemente 80, 82, 85 und 87 bei dieser Aktivität ermittelt werden, Grenzwerte einzuführen. Wenn trli < tri ist, wird tri durch Befehle des Entscheidungselements 85 und des Aktivitätselements 87 auf trli gesetzt. Ist tri < trsi, so wird tri durch Befehle des Entscheidungselements 80 und des Aktivitätselements 82 auf trsi gesetzt.
Während es eine Anzahl unterschiedlicher Algorithmen zum Bilden des zusammengesetzten Wertes tr aufgrund von n einzelnen Werten tri gibt, wird hier eine einfache Überlagerung bevorzugt und tr = Σ tri gesetzt, wobei die Summation über die Werte 1 < i < n erfolgt. Diese Summation wird durch Befehle des Aktivitätselements 90 ausgelöst.
Die Ausführung der Befehle geht zum Entscheidungselement 95 über, welches Befehle darstellt, die überprüfen, ob die laufende Tageszeit das vom laufenden Wert von tr festgegebene Wiederanstiegsintervall erreicht hat. Gilt t < te - tr nicht, so wird der laufende Sollwert Ec auf den Absenksollwert El gesetzt, und der Befehlsablauf geht zum Anschluß B 73 über, um die Zustandsteueralgorithmus-Befehle durchzuführen, welche bewirken, daß die Funktion des Elements 46 in Figur 1 durchgeführt wird. Gilt hingegen t < te - tr, so wird Ec auf Ec = Eh - [(te - t)(Eh - El)/tr] gesetzt, wie dies in Verbindung mit Figur 1 erläutert wurde. Die Befehlsdurchführung geht dann mit den Befehlen am Anschluß B 73 weiter. Ist beispielsweise te gerade 08.00 Uhr und tr = 120 Minuten, so geht der Ablauf vom Entscheidungselement 95 direkt auf den Anschluß B 73 über und Ec bleibt gleich El bis die laufende Zeit t den Wert 06.01 Uhr erreicht.
Es wurde gefunden, daß der mit der Erfindung vermittelte Algorithmus es möglich macht, den Start des Wiederanstiegs von einem Absenksollwert auf einen normalen Sollwert genau zu steuern, ohne hierfür eine Historie des Wiederanstiegsfehlers zu speichern. Einzelne Anlagen können auf spezielle Merkmale und Eigenschaften zugeschnitten werden, welche sie und ihre Umgebung haben. Dies wird erreicht durch geeignete Auswahl vorgegebener Werte in den beiden Gleichungen sowie durch Auswahl geeigneter externer Fühler.

Claims

1. Regler mit Sollwertabsenkung zur Energieeinsparung, der ein Steuersignal für den Betrieb eines Stellglieds (50) zum Ändern eines Umgebungszustands in einem Raum (10) derart liefert, daß während wenigstens eines durch ausgewahlte Start- und End- Tageszeiten bestimmten Absenkintervalls der Umgebungszustand auf einem vorgegebenen, einem Absenk-Sollwertsignal entsprechenden Niedrig- Energieverbrauchspegel-Sollwert gehalten wird, wobei die Start- und End-Tageszeiten in einem Absenkzeitsignal enthalten sind; und daß

der Umgebungszustand während des restlichen Tages auf einem vorgegebenen, einem Normal-Sollwertsignal entsprechenden Hoch-Energieverbrauchspegel-Sollwert gehalten wird, und wobei

der Absenkregler (12) mit einem Zustandsfühler (20) ausgestattet ist, der ein dem gerade vorhandenen Zustandswert im Raum entsprechendes Zustandssignal liefert;

eine Uhr (38) ein der Tageszeit entsprechendes Tageszeitsignal liefert und ein Zustandsregler (46) das Zustandssignal sowie ein dem augenblicklichen Sollwert entsprechendes Augenblicks-Sollwertsignal empfängt, um ein hierauf ansprechendes Steuersignal zu liefern;

wenigstens ein Wiederanhebfühler (13, 14) einen Anstiegsparameter mißt, welcher die erforderliche Anstiegszeit vom Niedrig-Energieverbrauchspegel-Sollwert auf den Hoch-Energieverbrauchspegel-Sollwert beeinflußt, und wobei

jeder Wiederanhebfühler ein dem Wert des Wiederanstiegsparameters entsprechendes Wiederanstiegsfühlersignal liefert und der Regler gekennzeichnet ist durch:

a) eine Wiederanstiegszeit-Rechenvorrichtung (33), welche jedes Wiederanstiegsfühlersignal zum Berechnen eines Wiederanstiegszeitintervalls als Funktion des Wiederanstiegsfühlersignals erhält und den Betrag des Wiederanstiegszeitintervalls in einem Wiederanstiegszeitsignal angibt; und

b) einen Sollwertsignalgenerator (33), welcher das Tageszeitsignal, das Absenksollwertsignal, das Normalsollwertsignal, das Absenkzeitsignal und das Wiederanstiegszeitsignal empfängt, um ein Augenblicksollwertsignal mit einem Augenblicksollwert zu erzeugen, dessen Wert sich zeitabhängig ändert und von den Werten des Zeitsignals, des Absenksollwertsignals, des Normal- Sollwertsignals, des Absenkzeitsignals und des Wiederanstiegszeitsignals abhängt.

2. Absenkregler nach Anspruch 1, bei dem die Sollwerte Temperaturen sind und der erste Zustandsfühler (20) ein erster Temperaturfühler ist und wenigstens ein Wiederanstiegsfühler (13, 14) ein zweiter Temperaturfühler ist.

3. Absenkregler nach Anspruch 1 oder 2, mit einer benachbart zur Außenseite des Raums (10) angeordneten Fühlerhalterung (18), welche den zweiten Temperaturfühler (14) trägt.

4. Absenkregler nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem die Wiederanstiegszeit- Rechenvorrichtung erste Funktionsmittel (80, 82, 85, 89) für den Empfang eines Wiederanstiegszeit-Begrenzungssignals umfassen, welches wenigstens einen Zeitdauergrenzwert zum Begrenzen des Wiederanstiegszeitintervalls darstellt, um den Wiederanstiegszeitintervallwert ferner als Funktion jedes durch das Wiederansteigszeit- Begrenzungssignal dargestellten Zeitdauergrenzwert zu beenden.

5. Absenkregler nach Anspruch 4, mit zweiten Funktionsmitteln (75), welche ein Wiederanstiegsbereichssignal empfangen, das einen Wiederanstiegsparameterbereichswert mit einem nominellen Extremwert des Wiederanstiegsparameters darstellt, um den Wiederanstiegszeitintervallwert als Funktion des Wiederanstiegsbereichssignals zu berechnen.

6. Absenkregler nach Anspruch 5, mit dritten Funktionsmitteln (77) für den Empfang im Wiederanstiegszeitbegrenzungssignal enthaltener Lang- und Kurzzeitdauer-Grenzwerte trl bzw. trs sowie im Wiederanstiegszeitsignal enthaltener hoher und niedriger Wiederanstiegsparameter-Nennwerte Rph bzw. Rpl, um den Wiederanstiegszeitintervallwert tr nach der Beziehung trl=(Rp-Rpl)(trl-trs)/(Rph-Rpl) zu berechnen, wobei Rp der augenblickliche Wiederanstiegsparameter ist.

7. Absenkregler nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Sollwertsignalgenerator (44) Mittel für den Empfang des Tageszeitsignals umfaßt, um in einem Initiatorsignal an vorgegebenen Intervallen einen Pegelübergang zu erzeugen, und ferner einen Sollwertrechner (97, 98) aufweist, welcher das Initiatorsignal empfängt und bei jedem Initiatorsignal-Pegelübergang den augenblicklichen Sollwert berechnet.

8. Absenkregler nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem der Sollwertrechner während des Wiederanstiegsintervalls aktive Mittel (98) zur Berechnung des augenblicklichen Sollwerts Ec nach der Beziehung Ec = Eh - [(Eh-El)(te-t)/tr] aufweist.

9. Absenkregler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die dritten Funktionsmittel (80, 82, 85, 87) ferner Mittel zum Begrenzen des Wertes von tr auf einen Bereich von trl bis trs aufweisen.

10. Absenkregler nach einem der Ansprüche 5 bis 9, mit wenigstens zwei Wiederanstiegsfühlern (13, 14), wobei die zweiten Funktionsmittel (75) dritte Funktionsmittel (77, 90) aufweisen, welche im Wiederanstiegszeit-Grenzwertsignal enthaltene Lang- und Kurzzeitdauer-Grenzwerte trl bzw. trs sowie im Wiederanstiegsbereichssignal jedes Wiederanstiegsfühlers enthaltene hohe und niedrige Widerstandsanstiegsparameter-Nennwerte Rph bzw. Rpl empfangen und ferner für jeden Wiederanstiegsfühler eine Wiederanstiegszeitintervall-Wertkomponente gleich trl - (Rp - Rpl)(trl - trs)/(Rph - Rpl) berechnen und dabei für jede Wertkomponente die Werte Rph und Rpl für jeden Wiederanstiegsfühler benutzen, wobei Rp der augenblickliche Wiederanstiegsparameterwert des betreffenden Fühlers ist und wobei als Wiederanstiegszeitintervall tr die Summe aller Wiederanstiegszeitintervall- Wertkomponenten gebildet wird.

11. Absenkregler nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die dritten Funktionsmittel während des Wiederanstiegsintervalls aktive Mittel (98) enthalten, um einen augenblicklichen Sollwert Ec nach der Beziehung Ec = Eh - [(Eh - El)(te - t)/tr] zu berechnen.

12. Absenkregler nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem der Zustandsfühler einen Wiederanstiegsfühler (13) aufweist.

13. Absenkregler nach einem vorangehenden Anspruch, mit wenigstens zwei Wiederanstiegsfühlern (13, 14), der ferner in der Wiederanstiegszeit-Rechenvorrichtung (33) Mittel (77) enthält, um für jeden Wiederstandsfühler einen Fühler- Wiederanstiegszeitintervallwert zu berechnen, und ferner Mittel (90) aufweist, um als Wiederanstiegszeitintervall-Längenwert die Summe aller Fühlerwiederanstiegszeitintervallwerte zu bilden.