DE3105714C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Steuerung einer elektrischen Heiz- oder
Kühleinrichtung nach dem Gattungsbegriff des Patent
anspruches 1.
Aus der DE-OS 22 52 222 ist ein Stromversorgungssystem
bekannt, bei dem ein gattungsgemäßes Verfahren zur
Anwendung gelangt und bei dem von einem Regler die
Regelabweichung verändert wird, indem durch stufenweises
Parallelschalten von Widerständen zu
Thermistor-Meßwiderständen am Meßort der Istwert
stufenweise verändert wird. Abgesehen davon, daß der
Eingriff am Meßort eine unerwünschte Maßnahme darstellt,
ist hier nur eine stufenweise Veränderung der Raumtemperatur
möglich, was in der Regel als unbehaglich
empfunden wird.
Ferner ist aus der US-PS 40 23 043 ein Lastabwurfsystem
bekannt, bei dem von einer Laststeuerzentrale über Funk
eine Reihe von Lasten vom Netz abgetrennt und anschließend -
sequentiell gesteuert - diese Lasten wieder an das Netz
angeschlossen werden können, um nach Beendigung des
Lastabwurfintervalles eine Überlastung des Netzes zu
vermeiden. Diese totale Abtrennung von Lasten führt noch
Steuerung kann durch das Energieversorgungsunternehmen
über einen Sender mittels Radiofrequenz, über die Leitungen
des Versorgungsnetztes oder über ähnliche Übertragungseinrichtungen
erfolgen.
Beim Empfang eines Steuersignales von dem Energiever
sorgungsunternehmen wird bei jedem einzelnen gesteuerten
Thermostaten der von Hand eingestellte Sollwert außer
Funktion gesetzt. Der anfängliche Steuerpunkt, d. h. der
Start-Sollwert wird normalerweise mit der erfaßten
geregelten Raumtemperatur gleichgesetzt. Hierdurch wird
eine Beeinflussung des Systems durch den Raumbewohner
während der
Lastabwurfperiode oder unmittelbar vor der bekannten
Spitzenlastzeit verhindert.
Nachdem die Steuerung durch das vorliegende System
übernommen worden ist, wird der Sollwert des
Lastabwurfthermostaten
zu größeren Behaglichkeitseinbußen.
Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ist
es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das
gattungsgemäße Verfahren so auszugestalten, daß bei einem
minimalen Einfluß auf den Komfort des Energieabnehmers die
erforderliche Entlastung des Netzes erzielt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß dem im Patentanspruch
1 gekennzeichneten Verfahren. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den
Unteransprüchen entnehmbar.
Anhand eines in den Figuren der beiligenden Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden das
erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen
Systems; und
Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen der Wirkungsweise
des erfindungsgemäßen Systems ohne und mit
Vorkühlung.
Das vorliegende Verfahren gestattet einem
Energieversorgungsunternehmen die Steuerung einzelner
Klimaregel- oder Heizeinrichtungen in einem vorgegebenen
Versorgungsnetzwerk (System) in der Weise, daß der erforderliche
Lastabwurf während der Spitzenlastzeiten bei minimalem
Einfluß auf die Behaglichkeit der Bewohner in einem Raum,
der bezüglich seiner Temperatur geregelt ist, erfolgt. Die
kontinuierlich vom Anfangswert zu einem vorbestimmten Grenzwert
geführt, der in dem Speicher eines Mikroprozessors gespeichert
ist. Die geeigneten Parameter des Systems können
durch folgende Tabelle angegeben werden:
Die Änderungsgeschwindigkeit wird errechnet, indem die Differenz
zwischen der tatsächlichen Temperatur und der Lastabwurf-Grenztemperatur
(27,8°C für Kühlbetrieb, 16,7°C für Heizbetrieb) genommen
wird und durch die erwartete Lastabwurfperiode (6 Std.
oder 4 Std.) dividiert wird. Das heißt, die Änderungsgeschwindigkeit
wird so gewählt, daß die Temperatur gerade den Grenzwert
am Ende der Lastabwurfperiode erreicht. Wenn die Raumtemperatur
bereits über 27,8°C oder unterhalb 16,7°C liegt, so wird
die Änderungsgeschwindigkeit auf Null gesetzt und es geschieht
nichts, d. h. das System arbeitet normal, da es bereits seine
maximal erlaubten Komfortgrenzen im Himblick auf die Bewohner
des temperaturgeregelten Raumes überschritten hat. Wenn die
errechnete Änderungsgeschwindigkeit größer als der Maximalwert
pro Stunde ist, so wird die tatsächlich Geschwindigkeit auf
die maximale in der Tabelle vorgegebene Änderungsgeschwindigkeit
begrenzt, um die Aufheizung oder Abkühlung unterhalb dem Wahr
nehmungsschwellwert der meisten Personen zu halten. Auf diese
Weise wird der Sollwert normalerweise kontinuierlich über die
gesamte Lastabwurfperiode verschoben, um eine maximale kontinuierliche
Lastverschiebung zu gestatten.
Wenn der Sollwert verschoben wird, so
wird der Raumtemperaturfühler kontinuierlich überwacht. Wenn
der Raumtemperaturfühler 27,8°C oder höher bzw. 16,7°C oder
niedriger anzeigt, so wird die Verschiebung erneut angehalten,
da die statthaften äußersten Raumtemperaturen nach oben und
unten begrenzt sind, um einen bestimmten Grundkomfort für die
Bewohner des Raumes zu erhalten. Hierdurch wird natürlich das
Lastabwurf/Komfortgleichgewicht beibehalten, da die allmählichen
Temperaturänderungen durch den Kunden relativ unbemerkt vonstatten
gehen.
Nachdem die vorbestimmte Lastabwurfperiode vorüber ist, wird
der Sollwert zu dem ursprünglichen, durch den Bewohner festgelegten
Sollwert mit konstanter Rückführungsgeschwindigkeit
zurückgeführt.
Der Lastabwurf kann auch etwas verbessert werden, indem der
Raum anfänglich einige Grade vorgekühlt wird, bevor die
Temperaturverschiebung nach oben im Kühlbetrieb beginnt. Andererseits
kann im Heizbetrieb der Raum um einige Grade aufgeheizt
werden, bevor die Verschiebung des Sollwertes nach unten
beginnt. Dies führt zu einem zusätzlichen dynamischen Lastabwurf.
Der gesamte Lastabwurf kann elektronisch realisiert werden.
Ein Radioempfänger oder eine andere ähnliche Einrichtung wird
hierbei verwendet, um ein Signal von dem Energieversorgungsunternehmen
zu empfangen. Auf Grund dieses Signales wird die
Sollwertfunktion des der Last zugeordneten Thermostaten elektronisch
simuliert und der durch den Kunden einstellbare Sollwert
aus der Regelschleife herausgetrennt. Der wirksame
Lastabwurf wird ebenfalls in großem Maße durch eine integrale
Rückstellfunktion zusätzlich zu der herkömmlichen Proportionalsteuerung
innerhalb des Temperatursteuersystems verbessert.
Diese Funktion gestattet dem Thermostaten eine Steuerung der
Raumtemperatur unmittelbar in der Nähe des eingestellten Sollwertes,
so daß sich eine optimale Verschiebefunktion sowohl im
Kühl- als auch im Heizbetrieb verwirklichen läßt.
Eine kontinuierliche Verschiebung des Sollwertes führt sowohl
zu einem dynamischen als auch statischen Lastabwurf. Der statische
Lastabwurf beruht darauf, daß die Kühl- oder
Heizlast in etwa proportional zu der Differenz zwischen der
Innen- und Außentemperatur ist. Je dichter daher der Sollwert
bei der Außentemperatur liegt, umso geringer ist die durch die
Raumtemperaturregelung hervorgerufene und anzuregelnde Last.
Wenn dies die einzige Art des Lastabwurfs wäre, so könnte dieser
mit den Mitteln des Standes der Technik ausgeführt werden, d. h.
es würde genügen, den Sollwert direkt auf die maximal oder minimal
statthafte Temperatur einzustellen und ihn auf dieser Einstellung
während der gesamten Lastabwurfperiode zu halten. Der
statische, durch das Temperaturdifferential vorgegebene Lastabwurfeffekt
ist jedoch nicht der einzige zu berücksichtigende
Effekt.
Zusätzlich zu dem statischen Lastabwurfeffekt liegt normalerweise
ein ziemlich großer dynamischer Lastabwurfeffekt vor,
der von der Kühlwirkung bzw. der Heizwirkung auf Grund der Gebäudemasse
und des Gebäudeinhalts gespeichert vorliegt und von
dem bei einem Lastabwurf mit Vorteil Gebrauch gemacht werden
kann. Wenn der Sollwert kontinuierlich verändert wird, so bewegt
sich die mittlere Luftemperatur entsprechend mit.
Wenn sich die Luft in Bezug auf die Masse und den Inhalt
des Gebäudes erwärmt oder abkühlt, so erhalten
die abgekühlten Massen eine gespeicherte Kühlenergie und die
aufgeheizten Massen eine gespeicherte Wärmeenergie zur Beeinflussung
der Luft zurück. Durch dieses Phänomen wird teilweise
die Anforderung an die Kühl- oder Heizlast verschoben.
Wenn der Sollwert in großen Einzelschritten erhöht wird, so
erfolgt dieser gesamte dynamische Lastabwurf auf einmal oder
in ziemlich großen Schritten. Nach einem solchen Schritt verschwindet
die Anforderung vollständig, bis alles latente dynamische
Potential für diesen Schritt aufgebraucht ist. An dieser
Stelle setzt die Kühl- oder Heizeinrichtung erneut ein und kann
nur durch eine statische Lastfreigabe wirksam werden.
Wie zuvor erläutert, besitzt die schrittweise Verstellung des
Sollwertes entweder in einem einzigen
oder in großen Einzelschritten den Nachteil, daß die natürliche
Phasenvielfalt der angeschalteten Geräte aufgehoben wird und
die Betriebsperiode aller Kühl- oder Heizeinrichtungen bei der
schrittweisen Veränderung des Sollwertes synchronisiert wird.
Dies bedeutet natürlich, daß bei einer Abschaltung aller Einrichtungen
nach einer schrittweisen Veränderung der Thermostateinstellung
die Leistungsanforderung sehr gering ist. Am Ende
dieses Intervalles tritt jedoch eine Leistungsspitze auf, was
die Energieversorgungsunternehmen gerade durch den Lastabwurf
vermeiden wollen.
Ein entscheidender Vorteil des vorliegenden Systems liegt darin,
daß die kontinuierliche Verschiebung zu keinem Verlust der natürlichen
Phasenvielfalt der betriebenen Lasten führt, da der
Sollwert niemals so abrupt verschoben wird, um auf einmal
alle Kühl- oder Heizeinrichtungen zu schalten und dadurch zu
synchronisieren.
Am Ende des kritischen Lastabwurfintervalles ergeben sich die
gleichen Verhältnisse in umgekehrter Richtung. Wenn dort alle
Sollwerte abrupt auf die Ausgangsposition oder in großen
Schritten in die Ausgangsposition zurückgestellt werden, so
tritt eine ziemlich große Leistungsspitze auf. Dies wird durch
das vorliegende System verhindert, indem der Temperatursollwert
mit einer festen vorgegebenen Geschwindigkeit auf die ursprüngliche
Einstellung zurückgeführt wird.
Am Ende der Periode der Spitzenlastanforderung hat der statische
Lastabbau sein Maximun erreicht. Wenn der Sollwert zu seiner
ursprünglichen Einstellung zurückzulaufen beginnt, muß natürlich
der dynamische Lastabbau, der dem statischen Lastabbau während
der Spitzenlast-Anforderungsperiode hinzuaddiert worden ist,
wieder zurückgewonnen werden. Indem man jedoch die Rückgewinnung
in einer Periode außerhalb der Spitzenperiode gestattet, überschreitet
die Gesamtleistungsanforderung niemals die Kapazität
des Leistungsnetzes. Während andere Lastabwurfverfahren zu einer
Reduktion des gesamten Leistungsverbrauches in gleichem Maße
wie das vorliegende System führen, besitzen diese jedoch nicht
den Komfort des vorliegenden Systems.
Fig. 1 zeigt in einem Blockdiagramm ein erfindungsgemäßes
Klimaregelsystem. Das Energieversorgungsunternehmen wirkt auf
das System durch ein radiofrequentes Signal über eine Signal
empfangseinheit 130 ein, die außerhalb des Gebäudes in der Nähe
des Regelprozessors angeordnet ist. Auf Grund eines Befehls des
Energieversorgungsunternehmens übernimmt das System die Steuerung
von einem inerten Raumthermostat 103. Das System steuert
seinerseits eine elektrische Last 145, welche ein Gebläse, sowie
Heizstufen H 1, H 2 und Kühlstufen C 1, C 2
aufweist, für eine Klimaregelung.
Der Raumthermostat 103 ist ein herkömmlicher Uhrenthermostat mit einer
Halbleiter-Steuereinrichtung, in die über eine Tastatur 110
Daten eingegeben werden können. Die Halbleiter-Steuereinrichtung
umfaßt einen taktgesteuerten programmierbaren Chip, der
seinerseits eine Flüssigkristallanzeige ansteuern kann.
Eine Zeit wird durch einen Kristall-Oszillatorschaltkreis 112
vorgegeben, eine Baugruppe 113 liefert eine Benutzerinformation
und enthält einen Batterie-Hilfsschaltkreis. Andere bekannte
vorgesehene Thermostatfunktionen umfassen eine manuelle Soll
werteinstellung 114, eine manuelle Einstellung einer Absenkung
oder Anhebung durch ein Potentiometer 115 und einen Raumtemperaturfühler
116. Eine Betriebsauswahl für Heizen, Abschaltung,
Kühlung und den automatischen oder eingeschalteten Betrieb
des Gebläses in 145 ist ebenfalls vorgesehen.
Das System kann auch mit einem anderen Raumthermostaten arbeiten,
der die Einheiten 110 bis 113 nicht aufweist, wobei eine nicht-
dargestellte Anzeige in Form einer lichtemittierenden Diode den
Betrieb des Thermostaten unter Steuerung durch das Energiever
sorgungsunternehmen während des Lastabwurfintervalles anzeigt.
Ein externer, nicht dargestellter Zeittakt ist in diesem Fall
ebenfalls vorgesehen, um die Absenkungs- und Anhebungsfunktionen
zu steuern.
Der Zeittakt des Raumthermostaten 103 wird einem Mikroprozessor 132
des Systems über einen Eingangsverstärker 133 zugeführt. Eine Schaltbrücke
kann an dem Raumthermostat 103 vorgesehen sein, um eine Vorkühlung
im Zusammenhang mit dem gleitenden Lastabwurf des
Systems auszuwählen. Entsprechende Eingangssignale werden dem
Mikroprozessor 132 über den Eingangsverstärker 133 zugeführt.
Eine Gleichspannung von einer geregelten Gleichspannungsquelle
134 wird dem Raumthermostaten 103 und anderen Einheiten des Systems zugeführt.
Sie wird ebenfalls dazu benutzt, um verschiedene
von dem Mikroprozessor 132 gesteuerte Leistungs- und Gebläserelais
135 a über Relaistreiber 135 in bekannter Weise anzu
steuern.
Eine von dem Raumthermostaten 103 empfangene Temperaturinformation, die
den Wert des Kühlungs- oder Heizungssollwertes umfaßt, eine den
Betriebsstatus anzeigende Information und das gemessene Raum
temperatursignal werden nach entsprechender Verarbeitung durch
verschiedene Komponenten nach Auswahl durch einen Muliplexer
136 dem Mikroprozessor 132 zugeführt. Die verschiedenen Komponenten
umfassen einen Analog/Digital-Wandler 138, der von einem
Verstärker 139 über eine Steuerlogik 140 beaufschlagt wird und eine
Analog/Digital-Steuereinheit 141, die Flip-Flops und Zähler
aufweist. Ein Zeittakt für die Koordination der einzelnen Komponenten
wird durch einen Kristalloszillator 142 vorgegeben.
Ein Überwachungsschaltkreis 143 überwacht das Vorliegen einer
richtigen System-Eingangsspannung und er stellt automatisch
den Mikroprozessor 132 zurück, wenn ein Eingangssignal mit zu niedriger
Spannung festgestellt wird. Der Überwachungsschaltkreis selbst
143 führt ebenfalls zu einer automatischen Rückstellung, wenn
er feststellt, daß das Programm nicht in normaler Folge durch
seine Programmzyklen fortschreitet.
144 stellt für eine optische Logikanalyse eine
Schnittstelle zwischen einem externen Logikanalysator und dem
Datenbus des Mikroprozessors 132, dar. Über diese Schnittstelle kann beispielsweise
der Inhalt des Speichers RAM des Mikroprozessors 132
über eine Kathodenstrahlröhre zur Darstellung gebracht werden.
Der allgemeine Betrieb des von dem Mikroprozessor 132 gesteuerten
Systems hängt von dem Zustand verschiedener diskreter, decodierter
und gemessener Eingangssignale ab. Diese Eingangssignale
umfassen den Eingang des Raumtemperaturfühlers des Raumthermostaten 103.
Die Raumtemperatur wird durch einen Platin-Dickfilm-Fühler
gemessen, der einen charakteristischen, sich linear mit der
Temperatur verändernden Widerstand über den Bereich der vorkommenden
Temperaturen aufweist. Das Sollwert-Eingangssignal
wird durch einen veränderbaren Widerstand vorgegeben, der an
dem Thermostaten von Hand eingestellt werden kann, um eine
Temperatur von 7°C bis 30°C vorzugeben. Das dem Betriebsstatus
zugeordnete Eingangssignal liefert eine Information, über die
dem System mitgeteilt wird, ob sich der Thermostat im Heizbetrieb,
im abgeschalteten Zustand oder im Kühlbetrieb befindet
und ob das Gebläse in 145 automatisch eingeschaltet wird
oder sich konstant im Einschaltzustand befindet. Zusätzlich
ist eine Anhebungs/Absenkungs-Einstellung durch den Raumthermostaten 103
vorgesehen. Bei dem dargestellten Raumthermostaten 103 kann die Absenkung
zwischen 0°C und 8°C über einen variablen Widerstand 114
eingestellt werden. Wenn es sich nicht um den dargestellten
Uhrenthermostaten handelt, so kann durch einen externen Taktgeber
der Anhebungs- oder Absenkungszeitpunkt vorgegeben werden.
Bei dem dargestellten Raumthermostaten 103 erfolgt die Zeitgabe intern.
Die Schaltbrücke, die eine Vorkühlung (Vorheizung)
vorgibt, oder nicht vorgibt, ist wiederum eine interne
Schaltbrücke, die dem Mikroprozessor 132 mitteilt, ob die
Vorkühlsegmente der Lastabwurffolge gemäß dem vorliegenden
System auszulösen sind, wenn das von dem Energieversorgungsunternehmen
gesteuerte "Startsignal" empfangen wird.
Die über Radiofrequenzen von dem Energieversorgungsunternehmen empfangenen
Anweisungen umfassen die Startanweisung für den Mikroprozessors
132 während der gesamten Lastabwurffolge, eine Rückkehranweisung
für eine Rührkehr auf die normale Steuerung über eine Rückkehrrampe,
eine Halteanweisung zum Halten der vorliegenden Raumtemperatur
und eine Notabschaltungsanweisung, die im Falle
eines Spannungsausfalles oder eines anderen Notfalles die Heiz-
oder Kühleinrichtung von dem Netz abtrennt.
All diese Signale bilden nach einer geeigneten Schnittstellenverarbeitung
die spätere Basis für bestimmte Ausgangssignale
des Mikroprozessors 132. Der Mikroprozessor 132 steuert die
Relaistreiber 135 für die Heiz- bzw. Kühleinrichtung, d. h. einen
Brenner oder einen Kühlkompressor sowie für ein Gebläse 145.
Der Mikroprozessor 132 steuert ebenfalls die Versorgungsspannung
und den Strom für den Betrieb des Raumthermostaten 103.
Der Multiplexer 136 wird mit einem konstanten Strom von 1,17 mA
gespeist, wobei dieser Strom dem ausgewählten Kanal des Multiplexers
136 auf Grund einer geeigneten Adressierung durch den
Mikroprozessor 132 zugeführt wird. Der unbekannte Widerstand
am Eingang des Multiplexers 136 kann entweder den Sollwert,
die Raumtemperatur oder den Betriebsstatus des Thermostaten
repräsentieren, wobei eine durch diesen Konstantstrom vorgegebene
Spannung abfällt.
Der Analog/Digital-Wandler 138 wird durch die Steuerlogik 140
gesteuert. Jeder Wandlerzyklus beginnt mit der unbekannten
Spannung, die über eine bekannte Zeitperiode integriert wird.
Nach Ablauf dieser Zeitperiode beginnt dessen Integrator mit der
Integration einer bekannten Spannung, so daß ein bekanntes
Rampensignal in einer Richtung ausgelöst wird, die dem Rampensignal
auf Grund der unbekannten Spannung entgegengesetzt ist.
Dies wird während einer unbekannten Zeitperiode fortgesetzt
bis der Ausgang des Integrators einen Spannungspegel erreicht,
bei dem der gesamte Zyklus gestartet wird. An diesem Punkt
schaltet sich die Integration für diesen Zyklus selbst ab.
Der unbekannte Widerstand wird mittels seines Spannungsabfalls über einen Zähler in der
A/D-Steuereinheit 141 in einen Digitalwert umgesetzt. Dieser Zähler
startet, ausgehend von dem Zählstand Null an dem Punkt, wo er
Analog/Digital-Wandler 138 mit der Integration der bekannten Spannung
beginnt. Er wird solange fortgeschaltet, bis die Integration
bei Beendigung des Wandlerzyklus abgeschaltet wird.
Der erreichte Zählstand ist direkt der anfänglich integrierten
unbekannten Spannung zugeordnet. Je größer somit der Widerstand
ist, umso länger ist das Intervall und umso größer ist
der erreichte Zählstand. Dieses gewandelte Signal wird sodann
durch den Mikroprozessor 132 benutzt.
Die A/D-Steuereinheit 141 umfaßt ebenfalls einen Zähler zur
Unterbrechung des Mikroprozessors 132 bei jedem Zählstand von
1024 innerhalb des Wandlerzyklus. Hierdurch wird für den Mikroprozessor 132
in bekannter Weise eine regelmäßige zyklische Routine
vorgegeben.
Über einen weiteren Verstärker 131 wird das radiofrequente Eingangssignal in
den Mikroprozessor 132 eingegeben. Die Eingangssignale auf
diesen Leitungen können nur den hohen oder niedrigen Pegel besitzen
und nicht kontinuierlich verlaufen, wie dies bezüglich
der über den Multiplexer 136 zugeführten Eingangssignale der Fall
war, die im Zusammenhang mit der Analog/Digital-Wandlung erläutert
wurden. Die radiofrequenten Eingangssignale bilden
lediglich binäre Anweisungen, die in einfacher Weise vorgeben,
ob die Relaiskontakte des externen Empfängers zu öffnen oder
zu schließend sind.
Der Überwachungsschaltkreis 143 arbeitet in der erwähnten
Weise als automatische Rückstellung für den Mikroprozessor 132,
wenn eine geringe Eingangsspannung festgestellt wird oder
wenn festgestellt wird, daß das Programm aus irgendeinem
Grund nicht seine normale Folge von Programmzyklen durchläuft.
Der Überwachungsschaltkreis 143 enthält ein Monoflop, das von einem Ausgangssignal
des Mikroprozessors 132 beaufschlagt wird und normalerweise
den niedrigen Pegel aufweist und jedesmal getriggert
wird, wenn das Programm des Mikroprozessors 132 in einen neuen
Folgezyklus eintritt. Wenn die sich ergebende Impulsfolge verschwindet,
so verändert das Monoflop seinen Zustand und stellt
den Mikroprozessor 132 zurück. Der Überwachungsschaltkreis 143 enthält ferner
einen Transistor, der eingeschaltet ist, um den Strom zu ziehen,
der sonst andernfalls die Gebläserelais 135 a während der Spannungseinschaltung
erregen würde. Dies ist auf eine Charakteristik des
Mikroprozessors 132 zurückzuführen, der während eines Rückstellzustandes
an allen Anschlüssen einen hohen Pegel auslöst,
durch den normalerweise alle Steuerrelais erregt werden.
Wie zuvor erläutert, muß das vorliegende System eine gesteuerte
Sollwertverschiebung ausführen. Diese Verschiebung erfolgt von
dem gemessenen Temperaturpegel am Beginn des Lastabwurfintervalles
bis zu einer Komfortgrenze von 27,8°C bzw. 16,7°C. Es
ist bekannt, daß Thermostate ohne eine integrale Rückstellfunktion
die geregelte Raumtemperatur auf einen Wert halten,
der von dem eingestellten Sollwert um 1°C bis 1,5°C abweicht.
Diese Charakteristik haftet dem Betrieb von Proportionalreglern
sowie den Ein/Aus-Steuerungen, wie beispielsweise auch dem Raumthermostaten
103 an. Im Kühlbetrieb gestattet somit solch eine Temperatursteuerung
eine Temperaturverschiebung nach oben, wobei die
Steuerung etwas über dem Sollwert erfolgt. Im Heizbetrieb
gilt das Umgekehrte und die Raumtemperatur wird auf einem
Sollwert gesteuert, der etwas unterhalb dem an dem Raumthermostaten
103 eingestellten Sollwert liegt.
Da der Lastabwurf des vorliegenden Systems eine Bewegung des
Sollwertes über einen bestimmten Bereich während eines bestimmten
Zeitintervalles zusammen mit einer Begrenzung auf
eine maximale Temperaturänderung des gergelten Raumes im
Hinblick auf einen größeren Komfort der Bewohner beinhaltet,
tendiert die fallende Charakteristik zu einer Begrenzung der
durch den Lastabwurf erzielten Entlastung auf Grund der Verringerung
des Bandes für die Temperaturänderung. Unter normalen
Umständen kann der Abfallfehler durch einfache Manipulation des
Sollwertes in der Weise kompensiert werden, daß die Raumtemperatur
tatsächlich auf der gewünschten Temperatur geregelt wird,
wobei der Sollwert etwas gegenüber dem gewünschten Wert verschoben
ist.
Bei dem vorliegenden System ist es wünschenswert, daß die tatsächliche
geregelte Raumtemperatur so eng wie möglich mit der
Sollwerttemperatur übereinstimmt, so daß der maximale Temperatur
änderungsbereich für den Lastabwurf verfügbar ist. Das bevorzugte
Ausführungsbeispiel verwendet daher zusätzlich zu der normalen
Proportionalsteuerung, die durch den Raumthermostaten
103 vorgegeben ist, eine integrierende Rückstellfunktion bezüglich
des elektrischen Signales, das den abgestasteten Sollwert
zu irgendeinem vorgegebenen Zeitpunkt repräsentiert. Diese integrierende
Rückstellung ist durch das Programm des Mikroprozessors
132 vorgegeben.
Im Normalbetrieb löst das spezielle Energieversorgungsunternehmen
ein Anweisungssignal aus, das im bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein radiofrequentes Signal ist, welches das Lastabwurfsystem
anstößt. Dieses Signal sei als "Abwurfstart" oder
"Abwurfwiederaufnahme" bezeichnet. Dieses Signal wird über den weiteren
Verstärker 131 dem Mikroprozessor 132 zugeführt, der sodann auf diesen
Startbefehl antwortet. Unmittelbar darauf wird die monentan vorherrschende
Raumtemperatur abgefragt und im Speicher gespeichert.
Zusätzlich beginnt der Mikroprozessor 132 über seine Ein- und Ausgänge
mit einer kontinuierlichen Überwachung des Status bestimmter
Parameter, die die Stellung verschiedener Systemschalter, auswählbarer
Schaltbrücken zur Kennzeichnung des verwendeten Thermostaten,
einer Vorkühlung oder Vorheizung usw. einschließen.
Die Raumtemperatur wird kontinuierlich überwacht; das gleiche
gilt für die radiofrequenten Anweisungen und im Falle eines
kommerziellen Thermostaten für das externe Zeittaktrelais.
Irgendwelche manuellen Sollwertveränderungen werden nicht
beachtet.
Wenn sich der Betriebsartenschalter in der Stellung "Kühlung"
befindet und keine Vorkühlung ausgewählt ist, so bleibt das
System für die zweistündige Vorkühlperiode durch den Kunden
steuerbar und es gibt keinen Hinweis auf eine Steuerung durch
das Energieversorgungsunternehmen während dieser Periode. Nach Ablauf
der Vorkühlperiode wird die Basistemperatur erneut abgefragt
und gespeichert und es wird die Veränderungsgeschwindigkeit
festgelegt, indem die Differenz zwischen der maximal statthaften
Temperatur von 27,8°C und der Raumtemperatur ermittelt
wird. Hierdurch ergibt sich die Geschwindigkeit, mit der der
Sollwert angehoben werden muß, um die maximal statthafte Temperatur
am Ende des Lastabwurfintervalles zu erreichen. Wenn die
festgestellte Änderungsgeschwindigkeit geringer als die maximale
statthafte Änderung pro Stunde ist, so wird die tatsächlich berechnete
Geschwindigkeit benutzt. Wenn jedoch die festgestellte
Änderungsgeschwindigkeit größer als die maximale Änderung pro
Stunde ist, so wird die maximale Änderung pro Stunde während
des Lastabwurfintervalles verwendet. Am Ende des Lastabwurfintervalles
wird der Wiederaufnahmeteil des Zyklus entweder
durch das interne Programm oder durch eine neue externe Anweisung
von dem Energieversorgungsunternehmen ausgelöst und der Sollwert
wird erneut langsam mit der Rückführungsgeschwindigkeit zurückgeführt,
bis der Wert des ursprünglichen zuvor aufgezeichneten
Sollwertes erreicht ist.
Wenn die Schaltbrücke für die Vorkühlung gesetzt ist, um dem
Verschiebezyklus eine Vorkühlung hinzuzufügen, so wird nach
einer Auslösung des Systems durch das von dem Energieversorgungsunternehmen
empfangene Signal der Sollwert mit einer Geschwindigkeit
von 0,83°C pro Stunde um 1,67°C während der zweistündigen
Vorkühlperiode heruntergeführt. Nach Ablauf der Vorkühlperiode
arbeitet der Zyklus in der gleichen Weise wie bei der zuvor
beschriebenen Folge ohne Vorkühlung.
Im Heizbetrieb wird die Temperatur nach unten zu einem Grenzwert
geführt und statt einer Vorkühlperiode wird eine Vorheizperiode
vorgeschaltet, in der die Temperatur nach oben geführt
wird, bevor sie nach unten geführt wird.
Am Ende des Wiederaufnahmezyklus, wenn der vorliegende Sollwert
oder die Raumtemperatur erreicht ist, die am Beginn des
von dem Energieversorgungsunternehmen gesteuerten Zyklus gespeichert
war, wird der Hinweis auf die Steuerung durch das Energieversorgungs
unternehmen abgeschaltet und die Steuerung des Systems wieder
auf den Kunden übertragen.
Wenn das Signal "Abwurfstart" nach einer anderen Unterbrechung
als der normalen Zyklusfolge empfangen wird, so wird die ursprünglich
im Speicher aufgezeichnete Raumtemperatur verwendet
und die Temperaturverschiebung wird in Richtung wieder
aufgenommen bzw. fortgesetzt, in der sie sich zum Zeitpunkt
der Unterbrechung bewegte.
Zusätzlich zu den normalen Funktionen des Systems kann eine
"Notabschaltungs"-Folge in der Weise vorgesehen sein, daß erforderlichenfalls
das Energieversorgungsunternehmen alle Lasten im
Notfall abschalten kann. Wenn daher die Notfalls-Abschaltungsanweisung
auftritt, während sich das System unter Steuerung
des Kunden befindet, so werden durch das System sofort alle
Leistungsrelais abgeschaltet, mit der Ausnahme das Relais für
das Gebläse in 145, so daß die durch die Raumtemperaturregelung gebildete
Last vollständig abgeschaltet ist. Dieser Status wird
für die Dauer einer Anweisung aufrechterhalten oder solange
bis eine andere Anweisung von dem Energieversorgungsunternehmen
empfangen wird.
Wenn die Notabschaltung auftritt, während das System in der
Lastabwurfperiode betrieben wird, so wird die zu Beginn des
Lastabwurfzyklus gespeicherte Bezugstemperatur beibehalten
und es werden alle Leistungsrelais geöffnet, so daß die gesamte
Last abgetrennt ist. Dieser Status wird ebenfalls für
die Dauer der Anweisung beibehalten oder solange bis eine
andere Anweisung von dem Energieversorgungsunternehmen empfangen wird.
Eine Startanweisung nach einer Notabschaltungsanweisung wird
als eine normale Startanweisung behandelt, wenn sich das
System unter Steuerung durch den Kunden befunden hat. Wenn
sich jedoch das System unter Steuerung durch das Energieversorgungsunternehmen
befand und es tatsächlich bereits sein Lastabwurfprogramm
ausführte, so wird die Lastabwurf-Temperaturverschiebung
mit der sodann vorliegenden Raumtemperatur und der ursprünglich
berechneten Verschiebungsgeschwindigkeit erneut gestartet.
Um die Bewohner zu schützen, wenn während der Notabschaltung
das System die Temperaturen über die zulässigen Grenzen
verschoben hat, wird die Steuerung mit der vorbestimmten
Grenztemperatur durchgeführt und die Temperatur auf diesem Wert
gehalten, bis die Zeit für die normale Rückführungsverschiebung
erreicht ist.
Das System kann ebenfalls auf eine "Halte"-Anweisung ansprechen.
Bei der Halteanweisung wird die vorliegende Raumtemperatur
während der Dauer der Anweisung zur Steuertemperatur. Die zuvor gespeicherte
Bezugstemperatur wird als zukünftiger Rampengeschwindigkeits-
Bezugspunkt festgehalten.
Natürlich können andere Befehlsfolgen in einer speziellen Ausführungsform
des Systems enthalten sein, falls dies gewünscht
ist, ohne daß von der grundlegenden Lastabwurfstrategie abgewichen
wird.
Fig. 2 zeigt eine Gruppe von Diagrammen zur Veranschaulichung
der Wirkungsweise des vorliegenden Systemes bei Installierung
in einem typischen Eigenheim. Die Darstellung wurde durch
Simulation auf einem Computer unter Verwendung von 25 linearen
Differentialgleichungen gewonnen. Das Diagramm 2A zeigt die
Außentemperatur, die einen Spitzenwert von 40,6°C erreicht.
Das Diagramm 2B zeigt die Sollwerttemperatur, deren Anstieg
um 12.30 Uhr veranlaßt wird. Das Diagramm 2C zegit die Innen-
Komforttemperatur, die durch den gewichteten Mittelwert der mit
einem Trockenkugeltemperaturfühler gemessenen Innentemperatur
(Bewertung 1/2) und der Abstrahlungstemperatur der 4 Wände,
des Bodens und der Decke (Bewertung mit 1/12) ermittelt wird.
Der Sägezahn gemäß dem Diagramm 2C ist typsich für eine normalerweise
zyklisch betriebene Klimaanlage. Die Diagramme 2D
und 2E zeigen die zyklisch wirksame mittlere Leistung für ein
System, bei dem der Sollwert kontinuierlich auf 24,4°C (Diagramm
2D) gehalten wird und bei dem die tatsächliche Temperatur gemäß
der Diagramme 2B und 2C (Diagramme 2E) vorliegt. Die zyklisch
geschaltete mittlere Leistung ist die, die durch das System während
eines einzigen vollständigen Zyklus (EIN und AUS) verbraucht
wird. Diese ist typischweise sehr viel kleiner als die augenblickliche
Leistungsanforderung bei der Einschaltung des Kompressors
der Klimaregelung. Da die von dem Energieversorgungsunternehmen
angeforderte Nennleistung für die Klimaregelung durch
die Summe der momentanen Leistungsanforderungen aller Klimaregelungen
innerhalb eines vorgegebenen Kundengebietes vorgegeben
ist, ist die zyklisch geschaltete Leistung bezüglich eines
typischen Gebäudes praktisch repräsentativ für die durch eine
große Anzahl von Gebäuden verbrauchte mittlere Leistung. Wenn
das Lastabwurfsystem nicht die natürliche Phasenvielfalt stört,
ist sodann die mittlere zyklisch geschaltete Leistung ein gutes
Maß für die mittlere Leistungsanforderung pro Gebäude in einem
vorgegebenen Kundengebiet. Wenn jedoch die natürliche Phasenvielfalt
gestört wird, so werden alle Klimaanlagen zum gleichen
Zeitpunkt betätigt, was zu einer weit größeren Leistungsaufnahme
gegenüber der mittleren zyklisch geschalteten Leistung
führt und katastrophale Folgen haben kann.
Obgleich dies nicht dargestellt ist, wurden die entsprechenden
Diagramme für einen Tag mit einer maximalen Außentemperatur
von 32,2°C errechnet. Es hat sich hierbei herausgestellt,
daß der mittlere Lastabwurf während der Spitzenlastperiode
nahezu der gleiche ist. Dieser Fall liegt in dem Bereich
zwischen den Diagrammen 2D und 2E, wobei das Diagramm 2D über
dem Diagramm 2E liegt. Das Energieversorgungsunternehmen kann
somit mit einem im wesentlichen konstanten Betrag des Lastabwurfes
rechnen.
Fig. 3 zeigt eine Gruppe von Diagrammen entsprechend denen in
Fig. 2, wobei jedoch eine Vorkühlperiode von 2 Stunden vorgesehen
ist. Während dieser Vorkühlperiode wird die Temperatur
um 1,7°C zwischen 10.30 Uhr und 12.30 Uhr heruntergeführt.
Dies gestattet eine Aufwärtsverschiebung zwsichen 12.30 Uhr
und 18.30 mit einer größeren Geschwindigkeit, die hier mit
0,83°C pro Stunde gegeben ist. Die Abwärtsverschiebung nach
18.30 Uhr ist die gleiche wie in Fig. 2. Dies führt zu einer
etwas geringeren mittleren Temperatur für den geregelten Raum
während des Zeitintervalles ohne Beeinträchtigung des Lastabwurfes
während des Spitzenlastintervalles. Der reguläre Sägezahn-
Temperaturverlauf zeigt keine Zeichen der Störung auf
Grund der veränderten Änderungsgeschwindkigkeit, so daß sich
auch kein Verlust der natürlichen Phasenvielfalt auf Grund
der angewandten Strategie zeigt. Das Diagramm 3E zeigt die
entsprechende zyklisch geschaltete mittlere Leistung. Ein Vergleich
dieses Diagrammes mit dem Diagramm 2E zeigt einen etwas
größeren Lastabwurf während des Anforderungsintervalles aber
einen geringfügig größeren Gesamt-Leistungsverbrauch insofern,
als die Vorkühlung um 1,7° C etwas mehr Energie erfordert.
Es liegt auf der Hand, daß eine Strategie der schrittweisen
Erhöung der Sollwerttemperatur durch Steuerung von dem
Energieversorgungsunternehmen in festen Schritten und festen Intervallen
im Vergleich zu dem vorliegenden System insofern nachteilig
ist, als dies zu einer Synchronisation der Klimaregelungen
eines Gebietes und zur Zerstörung der natürlichen
Phasenvielfalt führt, wobei zwar im Mittel ein Lastabwurf erzielt
wird, der jedoch auf Kosten von ausgeprägten Schwankungen
bezüglich der mittleren zyklisch geschalteten Leistung führt.
Die schrittweise Veränderung kann ebenfalls dazu führen, daß
die Komforttemperatur den geforderten Maximalwert von 27,8°C
überschreitet.
Der Einfluß eines Thermostaten mit abfallender Temperatur
charakteristik anstatt eines Thermostaten mit integraler Rückstellung
wurde ebenfalls bezüglich des vorliegenden Systemes
errechnet, obgleich die entsprechenden Diagramme hier nicht
dargestellt sind. Kurz gesagt, ergibt sich dort die Auswirkung,
daß der Sollwert auf die Ablesung des Fühlers zu dem Zeitpunkt
erhöht wird, wenn der Lastabwurf beginnt. Diese Ablesung ist
höher als der normale Sollwert und die Änderungsgeschwindigkeit
muß daher reduziert werden, wenn die maximale statthafte Temperatur
nicht überschritten werden soll.
Die anfängliche Rückstellung um 12.30, durch die die Komforttemperatur
mit der Sollwerttemperatur synchronisiert wird, besitzt
ebenfalls die Auswirkung der Synchronisierung der Klimaregelgeräte
auf Grund des großen anfänglichen Änderungsschrittes.
Erneut wird durch die Proportionalverschiebung, die durch die
integrale Rückstellung nicht unterdrückt worden ist, in diesem
Beispiel durch die Sensorabtragung der obere Grenzwert erreicht,
bevor der Sollwert durch den insgesamt statthaften Bereich verschoben
wurde. Die Verschiebung wird somit ungefähr um 16 Uhr
angehalten und der Sollwert wird bis zum Ende des Anforderungsintervalles
konstant gehalten. Um 18.30 Uhr wird der Sollwert
erneut auf den Ausgangspegel zurückgeführt.
Der Einfluß dieser Maßnahme auf die Kurve der zyklisch geschalteten
mittleren Leistung liegt darin, daß ein großer Teil der
anfänglichen Entlastung auf Grund des dynamischen Lastabwurfes
an dem ersten Rückstellpunkt zwischen 12.30 Uhr und ungefähr
13.15 Uhr auftritt. Der Gesamtbetrag des Lastabwurfes durch den
verschiebenden Thermostaten mit integraler Rückstellung ist jedoch
sowohl der diskreten schrittweisen Hochschaltung des Thermostaten
ohne integrale Rückstellung als auch der Verschiebung
eines herkömmlichen Thermostaten ohne integrale Rückstellung
überlegen. Dies trifft insbesondere für die späteren Stunden
des Intervalles, beispielsweise nach 16 Uhr zu, wenn die höheren
Steuerpunkte der Thermostaten ohne integrale Rückstellung eine
Beschneidung der Sollwerterhöhung bei Erreichen der oberen
Grenze durch die Komforttemperatur verursachen. Die Verschiebung
mit integraler Rückstellung erscheint somit im Hinblick auf den
Betrag des Lastabwurfes während des Lastabwurfintervalles als
auch im Hinblick auf die mittlere Komforttemperatur des geregelten
Raumes überlegen.
Das vorliegende System kann mit dem bekannten Verfahren der
zyklischen Lasteinschaltung verglichen werden. Bei diesem Verfahren
wird der Kompressor des Klimaregelgerätes für eine bestimmte
Zeitdauer von beispielsweise 10, 15 oder 20 Minuten in
jeder Periode von 30 Minuten abgeschaltet. Das Gebläse kann
normalerweise kontinuierlich durchlaufen. Je länger die Ausschaltdauer
ist innerhalb der Periode, umso größer ist der
Effekt des Lastabwurfes. Die Gebäudetemperatur kann jedoch
leicht über die Komfortgrenze ansteigen. Ferner besitzen am
Ende des Lastabwurfperiode alle Klimaregelgeräte das Bestreben,
kontinuierlich während einer beträchtlichen Zeitdauer zu arbeiten,
wobei dies in Abhängigkeit von der maximalen Außentemperatur
für 1 bis 3 Stunden der Fall sein kann. Auf diese Weise
wird zwar die Gebäudetemperatur auf den Sollwert zurückgeführt.
Dies ist jedoch gleichbleibend mit einer hohen Belastung des
Netzes. Zusätzlich wird bei diesem Verfahren der Betrieb aller
Klimaregelgeräte synchronisiert. Um diesem Problem entgegenzuwirken,
müssen die Versorgungsunternehmen des Lastzyklus auf
Untergruppen in einem bestimmten Kundengebiet verteilen. Hierbei
wird jede Untergruppe asynchron zu einer anderen Gruppe gestartet,
um in etwa die natürliche Phasenvielfalt der gesteuerten
Lasten aufrechtzuerhalten. Dies erfordert natürlich zusätzliche
Nachrichtenkanäle oder zusätzliche Übertragungszeit in
einem einzigen Kanal, um alle diese Maßnahmen zu koordinieren.
Ein zusätzlicher Nachteil der zyklischen Lastbetätigung, der
sich bei dem vorliegenden System nicht ergibt, liegt in der
Tatsache, daß die zyklisch betätigten Geräte typischerweise
außerhalb der geregelten Räume angeordnet sind und daß die
zyklische Betätigung nur den Kompressor und nicht das im Raum
befindliche Gebläse betrifft. Die vorhandenen Thermostate
steuern das im Raum installierte Gebläse. Wenn bei der
zyklischen Lastbetätigung eine Anhebung der Innentemperatur angefordert
wird, so fordert der Thermostat eine Kühlung an und
schaltet das Gebläse an. Hierdurch wird ein Betrieb des Gebläses
auch dann veranlaßt, wenn der Kompressor ausgeschaltet ist, wobei
dieser Betrieb nicht der thermostatischen Steuerung dient.
Auf Grund dessen ergibt sich eine erhöhte Leistungsanforderung
durch den nicht gesteuerten festen Sollwert. In den Fällen in denen
die Luftkanäle in Teilen des Gebäudes mit höherer Temperatur
verlaufen, kann somit die Innentemperatur in Wirklichkeit auf
Grund der in die Verteilungskanäle eindringenden Hitze erhöht
werden, da das Gebläse die erhitzte Luft in den zu regelnden
Raum einbläst.
Claims (6)
1. Verfahren zur Steuerung einer elektrischen Heiz-
oder Kühleinrichtng während eines Lastabwurfintervalles
durch die Veränderung eines Parameters
einer vorliegenden Temperaturregelung gemäß einem
an einem Regler einstellbaren Programm, gekennzeichnet
durch eine kontinuierliche Veränderung des
programmierten Sollwertes als veränderlicher Parameter
bis zu einer vorgebbaren zulässigen Temperatur
am Ende des Lastabwurfintervalles, wobei die
kontinuierliche Veränderung von der Differenz zwischen
dem Beginn des Lastabwurfintervalles eingestellten
Sollwert und der zulässigen Temperatur
sowie von der Dauer des Lastabwurfintervalles ab
hängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
die Umschaltung auf eine Thermostatsteuerung bei
Erreichen der zulässigen Temperatur.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
eine Rückführung des Sollwertes nach Beendigung
des Lastabwurfintervalles auf den zu Beginn des
Lastabwurfintervalles programmierten Sollwert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sollwert zu Beginn des Lastabwurfintervalles
der zu diesem Zeitpunkt vorhandene Istwert verwendet
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem Intervall vor Beginn
des Lastabwurfintervalles der programmierte Sollwert
in eine Richtung verändert wird, die der Veränderungsrichtung
im Lastabwurfintervall entgegengesetzt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Lastabwurfsignal von einem Energieversorgungsunternehmen
ausgesendet wird.
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