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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Temperatur-Steuervorrichtung
für ein
Heiz- und/oder Kühlsystem
umfassend eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Heiz- und/oder
Kühlsystems
während
eines ersten Zeitintervalls in Abhängigkeit einer vorgebbaren
Komforttemperatur und während
eines zweiten Zeitintervalls in Abhängigkeit einer bereitgestellten
Spartemperatur. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben eines
Heiz- und/oder Kühlsystems
vorgestellt.
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In
Wohnanlagen oder in Geschäftsgebäuden wird
eine Temperaturregulierung der einzelnen Räume oft über eine an der Heizung angeordnete
Heizungssteuerung durchgeführt.
Diese steuert die Stellventile an den Heizkörpern je nach der aktuellen
Isttemperatur in einem Raum so, dass eine eingestellte Solltemperatur, die
im Weiteren auch als Komforttemperatur bezeichnet wird, erreicht
und innerhalb eines vorgegebenen Abweichungsbereichs gehalten wird.
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In
der Druckschrift
DE
35 02 873 C2 ist eine entsprechende Einrichtung und ein
zugehöriges
Verfahren vorgestellt. Zur Verbesserung des Heizkomforts soll die
Heizkennlinie der Heizeinrichtung dabei an die Beheizungskennlinie
des zugehörigen
Gebäudes
angepasst werden.
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Um
Energie zu sparen sind manche Heizungssteuerungen dazu ausgelegt,
zu vorgegebenen Zeiten ein im Weiteren als Temperaturabsenkung bezeichnetes
Verfahren auszuführen.
Während
einer Temperaturabsenkung steuert die Heizungssteuerung die Heizung
auf eine Einhaltung einer Mindesttemperatur hin, wobei die Mindesttemperatur
unter der Komforttemperatur liegt. Diese Mindesttemperatur wird
häufig
auch als Spartemperatur bezeichnet. Wird eine Temperaturabsenkung
von der Komforttemperatur auf die Spartemperatur bei einem Wohn-
oder Ge schäftsgebäude während der
Nacht und/oder in Abwesenheit von Personen durchgeführt, so
ist die dadurch ereichte Energieeinsparung nicht mit einem wesentlichen
Komfortverlust für
einen Benutzer verbunden.
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Aus
der
DE 19615749 A1 ist
eine Verfahren bekannt, mittels dessen eine geeignete Nachtabsenktemperatur
für eine
Heizungsanlage ermittelt und eingestellt werden kann. Hierbei wird
während
aufeinanderfolgender Absenkphasen die Absenktemperatur variiert
und Veränderungen
der Betriebswerte der Heizungsanlage ermittelt. Basierend auf den
Veränderungen
der Betriebswerte erfolgt die Festlegung einer geeigneten Absenktemperatur.
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Aus
der
DE 3538934 C2 ist
ein Verfahren zur Temperaturabsenkung eines Wärmeverbrauchers bekannt, bei
dem die Abschaltung oder Drosselung einer den Wärmeverbraucher speisenden Wärmequelle
bereits dann erfolgt, wenn der Ist-Wert der Raumtemperatur den Soll-Wert
um einen Mindestwert unterschreitet und die Zeitdifferenz bis zu
einer vorgesehenen Temperaturabsenkung einen Höchstwert unterschreitet.
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Nach
Ablauf der für
die Temperaturabsenkung vorgegebenen Zeit wird die Raumtemperatur
wieder auf die Komforttemperatur erhöht. Eine Einrichtung zum Wiederaufheizen
eines Gebäudes
auf eine Komforttemperatur kann der Druckschrift
DE 29 00 946 A1 entnommen
werden.
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Weiterhin
ist aus der
EP 0191481
A1 ein System bekannt, bei dem eine optimale Startzeit
für den
Beginn des Erhöhens
der Raumtemperatur auf eine Komforttemperatur vor dem Beginn einer
Benutzung eines Gebäudes
ermittelt wird. Die Startzeit wird dabei als Funktion eines Korrekturfaktors,
der auf der Genauigkeit einer vorherigen Startzeit basiert, und
als Funktion der Außen-
und der Raumtemperatur ermittelt.
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Bei
einer Gebäudeheizung
mit einer Temperaturabsenkung wird die Heizungssteuerung häufig von
einem Installateur bezüglich der
Temperaturabsenkung programmiert. Dabei gibt der Installateur die
Zeitdaten für
eine voraussichtliche Abwesenheit von Personen innerhalb des betreffenden
Gebäudes
und/oder für
die Nachtphase vor. Zusätzlich
gibt er beispielsweise für
eine „Außer Haus
Absenkung” eine
Temperaturdifferenz von 2 K zwischen der Komforttemperatur und der
Spartemperatur und für
eine „Nachtabsenkung” eine Temperaturdifferenz
von 4 K in die Heizungssteuerung ein.
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Je
nach der zeitlichen Dauer und der Temperaturdifferenz der Temperaturabsenkung
kann auf diese Weise häufig
eine Heizenergieeinsparung zwischen 5% und 10% gegenüber einem
kontinuierlichen Heizen erreicht werden. In machen Fällen liegt
die Heizenergieeinsparung sogar noch höher.
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Allerdings
wurde festgestellt, dass bei manchen Gebäuden eine Temperaturabsenkung über mehrere Stunden,
wie sie in den oberen Abschnitten beschrieben wurde, nicht zu der
gewünschten
Heizenergieeinsparung zwischen 5% und 10% führt. Ebenso werden bei vielen
Gebäuden,
trotz einer gleich bleibenden Temperaturdifferenz zwischen der Komforttemperatur
und der Spartemperatur und einer konstant eingehaltenen Absenkdauer,
an einigen Tagen gute Werte für
die Heizenergieeinsparung erreicht und an anderen Tagen schlechtere.
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Das
Nichterreichen einer Heizenergieeinsparung zwischen 5% und 10% ist
für einen
Benutzer einer Gebäudeheizung
mit dem Nachteil von höheren
Heizungskosten verbunden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit
zur Verbesserung der Heizenergieeinsparung durch eine Temperaturabsenkung
bei einem nahezu gleich bleibenden Komfort für einen Benutzer zu finden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Temperatur-Steuervorrichtung für ein Heiz- und/oder Kühlsystem
umfassend eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Heiz- und/oder Kühlsystems
während
eines ersten Zeitintervalls in Abhängigkeit einer vorgebbaren
Komforttemperatur und während
eines zweiten Zeitintervalls in Abhängigkeit einer bereitgestellten
Spartemperatur, gekennzeichnet durch eine Temperaturerfassungseinrichtung
zur Erfassung einer Außentemperatur
und zur Bereitstellung einer entsprechenden Temperaturinformation
und eine Auswerteeinrichtung zur Bereitstellung der Spartemperatur
an die Steuereinrichtung in Abhängigkeit
der Temperaturinformation.
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Ebenso
wird die Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zum Betreiben eines Heiz- und/oder Kühlsystems durch
Steuern des Heiz- und/oder Kühlsystems
während
eines ersten Zeitintervalls in Abhängigkeit einer vorgebbaren
Komforttemperatur und während
eines zweiten Zeitintervalls in Abhängigkeit einer bereitgestellten Spartemperatur,
sowie durch Erfassen einer Außentemperatur
und Bereitstellen der Spartemperatur in Abhängigkeit der erfassten Außentemperatur.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Heizenergieeinsparung
bei gleich bleibender Dauer für
die mindestens eine Temperaturabsenkung verbessert werden kann,
wenn die Temperatur dabei von einer Komforttemperatur auf eine Spartemperatur
abgesenkt wird, welche in Abhängigkeit
der Außentemperatur
gewählt
wird. Das durch die Temperatur-Steuer vorrichtung gesteuerte Heiz-
und/oder Kühlsystem
kann beispielsweise eine Heizung oder eine Klimaanlage sein.
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Die
vorliegende Erfindung korrigiert damit die falsche Annahme, wonach
eine große
Differenz zwischen der Komforttemperatur und der Spartemperatur
automatisch mit einer hohen Heizenergieeinsparung korreliert. Bei
einer zu starken Absenkung muss jedoch sehr schnell viel Energie
nachgeführt
werden um die jeweiligen Räume
nach Ablauf der Zeitspanne der Temperaturabsenkung wieder auf die
gewünschte
Komforttemperatur aufzuheizen. Dieses verstärkte Aufheizen kann die kurzzeitige
Energieeinsparung während
der Absenkzeit zu einem hohen Prozentsatz wieder aufbrauchen und
damit die über
einen längeren
Zeitraum gemittelte Heizenergieeinsparung reduzieren.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn bei der Wahl der Spartemperatur in Abhängigkeit
der Außentemperatur
der Isolierungsgrad des temperaturgesteuerten Gebäudes und
die Ausführung
der Heizung berücksichtigt
wird. Vorzugsweise kann eine erfindungsgemäße Temperatur-Steuervorrichtung
deshalb mit einer Sensoreinrichtung zur Bereitstellung einer Energieverbrauchinformation über einen
Energieverbrauch des Heiz- und/oder Kühlsystems während des ersten Zeitintervalls
und/oder über
einen Energieverbrauch des Heiz- und/oder Kühlsystems während des zweiten Zeitintervalls
ausgestattet sein, wobei die Auswerteeinrichtung zur Bereitstellung
der Spartemperatur in zusätzlicher
Abhängigkeit
der Energieverbrauchinformation ausgelegt ist.
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Beispielsweise
kann die Sensoreinrichtung dazu ausgelegt sein, über die Stellung der Stellventile
und über
eine entsprechende Zeitintegration den Energieverbrauch des Heiz- und/oder Kühlsystems
zu ermitteln. Auf diese Weise können über die
Sensoreinrichtung beispielsweise die Energiewerte erfasst werden,
welche zur Einhaltung der jeweiligen Spartemperatur während der
Temperaturabsenkung und zur Wiederaufheizung der Räume auf
die Komforttemperatur nach Ablauf der Dauer der Temperaturabsenkung
nötig sind.
Die Steuereinheit er mittelt daraufhin aufgrund dieser Werte die
Differenz zwischen verschiedenen Temperaturabsenkungen.
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Insbesondere
kann die Auswerteeinrichtung eine Speicheruntereinrichtung aufweisen,
auf welcher die in Abhängigkeit
einer Außentemperatur
und einer Spartemperatur von der Sensoreinrichtung bereitgestellte Energieverbrauchinformation
abspeicherbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung zur Bestimmung
der abgespeicherten Spartemperatur mit einem minimalen Energieverbrauch
ausgelegt ist. Dies erspart eine aufwändige Einstellung der Temperatur-Steuervorrichtung
durch einen Installateur.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in
denen zeigen:
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1 die
Funktionsweise einer Temperatur-Steuervorrichtung;
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2a eine
zeitabhängige
Temperaturvorgabe an ein Heizsystem;
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2b eine
von dem Heizsystem eingestellte zeitabhängige Raumtemperatur; und
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2c die
zeitabhängige
Leistung des Heizsystems.
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Das
nachfolgend näher
geschilderte Ausführungsbeispiel
stellt eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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In
dem Beispiel aus 1 ist über die Steuereinrichtung 1 der
Temperatur-Steuervorrichtung ein Heizsystem 2 zur Beheizung
eines Bürogebäudes steuerbar.
Dabei wird innerhalb der Arbeitszeiten in dem Bürogebäude eine Komforttemperatur
TK konstant eingehalten. Um Energie zu sparen
ist die Steuereinrichtung 1 zusätzlich zur automatischen Ausführung einer
Temperaturabsenkung von einer Zeit t1 bis
zu einer Zeit t2 ausgelegt. Die Zeiten t1 und t2 grenzen
dabei die Stunden ein, in denen das Bürogebäude nahezu unbenutzt ist. Während dieser
Zeit von t1 nach t2 sorgt
die Steuerein richtung 1 dafür, dass sich die Temperatur
innerhalb des Gebäudes
von der Komforttemperatur TK auf eine Spartemperatur
TS abkühlt.
Diese Spartemperatur TS wird anschließend bis
zur Zeit t2 von der Steuereinrichtung 1 als
Mindesttemperatur eingehalten. In 2a ist
der zeitliche Verlauf der Temperaturvorgabe TVor(t)
an die Steuereinrichtung 1 wiedergegeben.
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Um
die Heizenergieeinsparung zu optimieren, weist die Temperatur-Steuervorrichtung
eine Temperaturerfassungseinrichtung 3 auf, welche so an
dem Bürogebäude angebracht
ist, dass über
sie die Außentemperatur
TA bestimmbar ist. Ein der Außentemperatur
TA entsprechendes Temperatursignal 4 wird
von der Temperaturerfassungseinrichtung 3 an eine Auswerteeinrichtung 5 ausgegeben.
Die Auswerteeinrichtung 5 bestimmt nachfolgend in Abhängigkeit
der Außentemperatur
TA eine geeignete Spartemperatur TS und gibt ein entsprechendes Steuersignal 6 an
die Steuereinrichtung 1 aus. Das Verfahren zur Eichung
der Auswerteeinrichtung 5 bezüglich einer Bereitstellung
einer für
eine Außentemperatur
TA und dem Isolierungsgrad des beheizten
Gebäudes
geeigneten Spartemperatur TS ist unten noch
beschrieben.
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In 2b ist
der zeitliche Verlauf der von der Steuereinrichtung 1 gesteuerten
Raumtemperatur TR(t) dargestellt. Bis zu
der Zeit t1 wird in dem Bürogebäude die
Komforttemperatur TK innerhalb eines geringen
Abweichungsbereichs eingehalten. Während einer nachfolgenden Zeitspanne
A sinkt die Raumtemperatur TR(t) von der
Komforttemperatur TK auf die Spartemperatur
TS. Das Heizsystem 2 ist in dieser
Zeitspanne A ausgeschaltet.
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Um
zu verhindern, dass die Raumtemperatur TR(t)
unter die vorgegebene Spartemperatur TS sinkt, wird
das Heizsystem 2 zu Beginn einer nachfolgenden Zeitspanne
B von der Steuereinrichtung 1 wieder aktiviert. Das Heizsystem 2 gibt
bis zu der vorgegebenen Zeit t2 gerade soviel
Wärme ab,
dass die Spartemperatur TS innerhalb des
Bürogebäudes eingehalten
wird.
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Erst
ab der Zeit t2 beginnt das Heizsystem 2 wieder
mit einem Aufheizen des Bürogebäudes von
der Spartemperatur TS auf die Komforttemperatur
TK. Zu diesem Zweck muss das Heizsystem 2 von
der Steuereinrichtung 1 während einer nachfolgenden Zeitspanne
C zu einer erhöhten
Leistung P(t) angetrieben werden. Entspricht die Raumtemperatur
TR(t) innerhalb des Bürogebäudes wieder der Komforttemperatur
TK, so sorgt die Steuereinrichtung 1 wieder
für ein
nahezu konstantes Einhalten dieses Temperaturwerts bis zur Zeit
t1.
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2c gibt
den zeitlichen Verlauf der Leistung P(t) des Heizsystems 2 wieder.
Bis zu der Zeit t1 liegt diese innerhalb
geringer Abweichungen auf einen Wert X. In der anschließenden Zeitspanne
A ist die Leistung P(t) des inaktivierten Heizsystems 2 gleich
Null. In der nachfolgenden Zeitspanne B ist das Heizsystem 2 wieder
aktiviert, jedoch liegt seine Leistung P(t) bei einem Wert Y unterhalb
von X. Während
der gesamten Zeitspanne B wird dabei eine Heizenergie mit einem
Energiewert E1 von dem Heizsystem 2 verbraucht.
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Um
die Raumtemperatur TR(t) von der Spartemperatur
TS auf die Komforttemperatur TK zu
erhöhen, muss
deutlich mehr Energie verbraucht werden, als für ein konstantes Einhalten
der Komforttemperatur TK innerhalb des Bürogebäudes notwendig
ist. Aus diesem Grund liegt die Leistung P(t) des Heizsystems 2 während der
Zeitspanne C auf einen Wert Z deutlich über dem Wert X. Über die
Zeitspanne C integriert ergibt die Leistungsdifferenz Z – X den
Energiewert E2.
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Wie
in 1 skizziert umfasst die erfindungsgemäße Temperatur-Steuervorrichtung
eine Sensoreinrichtung 7, über welche die Energiewerte
E1 und E2 bestimmt
werden können.
Eine entsprechende Energieverbrauchinformation 8 wird anschließend an
die Auswerteeinrichtung 5 bereitgestellt. Die Auswerteeinrichtung 5 umfasst
eine Speichereinrichtung 9, auf welcher die Energiewerte
E1 und E2 zusammen
mit der zugehörigen
Außentemperatur
TA der zugehörigen Spartemperatur TS und/oder einer Temperaturdifferenz TA – TS abgespeichert werden können.
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Über die
Speichereinrichtung 9 ist eine automatische Selbsteichung
der Auswerteeinrichtung 5 bezüglich des Isolierungsgrads
des betreffenden Bürogebäudes möglich. Zu
Beginn dieses Verfahrens wählt
die Auswerteeinrichtung 5 nach einer Inbetriebnahme der
Temperatur-Steuervorrichtung zuerst abhängig von der momentanen Außentemperatur
TA und einer eingestellten Komforttemperatur
TK einen Standartwert für die Spartemperatur TS. Die für
diese Spartemperatur TS ermittelten Energiewerte
E1 und E2 werden
anschließend auf
der Speichereinrichtung 9 abgespeichert.
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Zu
einem späteren
Zeitpunkt verringert die Auswerteeinrichtung 5 bei gleicher
Außentemperatur
TA die Spartemperatur TS in
Schritten von beispielsweise 1 K und vergleicht anschließend die
dabei ermittelten Energiewerte E1 und E2 mit den auf der Speichereinrichtung 9 abgespeicherten
Werten.
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Die
Auswerteeinrichtung
5 generiert sich auf diese Weise im
Laufe der Zeit auf der Speichereinrichtung
9 einen internen
Datensatz, beispielsweise eine interne Tabelle. Im Folgenden sind
zwei Beispiele für
eine derartige Tabelle gezeigt. Für die Energiewerte E
1 und E
2 ist dabei
als Energieverbrauchinformation der Quotient aus der linearisierten
Stellventilöffnung
und der Zeit wiedergegeben.
| TA[°C] | TK[°C] | TA – TK[K] | TK – TS[K] | Linearisierte
Stellventilöffnung/s |
| 12 | 22 | 10 | 2 | 200 |
| 12 | 22 | 10 | 3 | 190 |
| 12 | 22 | 10 | 4 | 170 |
| 12 | 22 | 10 | 5 | 185 |
| |
| TA[°C] | TK[°C] | TA – TK[K] | TK – TS[K] | Linearisierte
Stellventilöffnung/s |
| 6 | 22 | 15 | 2 | 220 |
| 6 | 22 | 15 | 3 | 200 |
| 6 | 22 | 15 | 4 | 210 |
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Dabei
wird die Temperaturdifferenz zwischen der Komforttemperatur TK und der Spartemperatur TS bei einem
gleich bleibenden Wert für
die Außentemperatur
TA so lange erhöht, bis ein Minimum für die Summe
der Energiewerte E1 und E2 bestimmt
ist. In den oben gezeigten Tabellen sind diese Minima fett markiert.
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Bei
einer Eingabe zur Veränderung
der Zeiten t1 und t2 kann
die Eichung der Auswerteeinrichtung 5 neu durchgeführt werden.
Ebenso ist es möglich,
die Temperatur-Steuervorrichtung so auszulegen, dass auf Wunsch
eines Besitzers das Verfahren zur Ermittlung einer für eine Außentemperatur
TA geeignete Spartemperatur TS wiederholt
wird. Auf diese Weise lassen sich mögliche Fehler bei einer Installation
des Heizsystems 2 über
die Auswerteeinrichtung 5 automatisch beheben.
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In
den oberen Abschnitten sind die erfindungsgemäße Temperatur-Steuervorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
am Beispiel einer Gebäudeheizung
beschrieben. Ebenso kann über
eine erfindungsgemäße Temperatur-Steuervorrichtung
aber auch eine Klimaanlage steuerbar sein, welche dazu ausgelegt
ist, eine Raumtemperatur auf eine Komforttemperatur und auf mindestens
eine Spartemperatur herunterzukühlen. Die
Komforttemperatur liegt in diesem Fall unter der Spartemperatur.
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Selbstverständlich kann
eine erfindungsgemäße Temperatur-Steuervorrichtung
für jeden
Gebäudetyp verwendet
werden. Dabei kann die Temperatur-Steuervorrichtung auch so ausgelegt
sein, dass damit innerhalb der einzelnen Räume eines Gebäudes unterschiedliche
Komforttemperaturen und/oder Spartemperaturen einhaltbar sind. Zusätzlich können innerhalb
eines Tages mehrere Heiztemperaturabsenkungen oder Kühltemperaturerhöhungen durchführbar sein.
Des Weiteren kann über
eine erfindungsgemäße Temperatur-Steuervorrichtung
auch eine Wochenend-Energieeinsparung
oder eine Feiertags-Energieeinsparung durchführbar sein. Ebenso können über eine
erfindungsgemäße Temperatur-Steuervorrichtung
auch Temperaturen innerhalb von Verkehrseinrichtungen, wie beispielsweise
Zügen,
steuerbar sein.